摘自《微服務架構(gòu)設計模式》
作者：：[美] （Chris Richardson）
譯者：喻勇
導語：微服務架構(gòu)如何與更廣泛的軟件架構(gòu)概念相結(jié)合？什么是服務？服務的規(guī)模有多重要？為了回答這些問題，我們需要退后一步，看看軟件架構(gòu)的含義。
軟件的架構(gòu)是一種抽象的結(jié)構(gòu)，它由軟件的各個組成部分和這些部分之間的依賴關(guān)系構(gòu)成。正如你將在本文中看到的，軟件的架構(gòu)是多維的，因此有多種方法可以對其進行描述。架構(gòu)很重要的原因是它決定了應用程序的質(zhì)量屬性或能力。傳統(tǒng)上，架構(gòu)的目標是可擴展性、可靠性和安全性。但是今天，該架構(gòu)能夠快速安全地交付軟件，這一點非常重要。你將了解微服務架構(gòu)是一種架構(gòu)風格，可為應用程序提供更高的可維護性、可測試性和可部署性。
我將通過描述軟件架構(gòu)的概念及其重要性來開始本文。接下來，我將討論架構(gòu)風格的概念。然后我將微服務架構(gòu)定義為特定的架構(gòu)風格。讓我們從理解軟件架構(gòu)的概念開始。
1 軟件架構(gòu)是什么，為什么它如此重要
架構(gòu)顯然很重要。至少有兩個專門討論該主題的會議：O’Reilly的軟件架構(gòu)會議和SATURN會議。許多開發(fā)人員的目標是成為一名架構(gòu)師。但什么是架構(gòu)，為什么它如此重要？
為了回答這個問題，我首先定義術(shù)語軟件架構(gòu)的含義。之后，我將討論應用程序的架構(gòu)是多維的，并使用一組視圖或藍圖進行描述。然后我將強調(diào)軟件架構(gòu)的重要性，因為它對應用程序的質(zhì)量屬性有顯著的影響。
軟件架構(gòu)的定義
軟件架構(gòu)有很多定義。例如，維基百科上列舉了大量的定義。我最喜歡的定義來自卡耐基梅隆大學軟件工程研究所的Len Bass及其同事，他們在使軟件架構(gòu)成為一門學科方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。他們定義的軟件架構(gòu)如下：
計算機系統(tǒng)的軟件架構(gòu)是構(gòu)建這個系統(tǒng)所需要的一組結(jié)構(gòu)，包括軟件元素、它們之間的關(guān)系以及兩者的屬性。
這顯然是一個非常抽象的定義。但其實質(zhì)是應用程序的架構(gòu)是將軟件分解為元素（element）和這些元素之間的關(guān)系（relation）。由于以下兩個原因，分解很重要：
它促進了勞動和知識的分工。它使具有特定專業(yè)知識的人們（或多個團隊）能夠就應用程序高效地協(xié)同工作。
它定義了軟件元素的交互方式。
將軟件分解成元素以及定義這些元素之間的關(guān)系，決定了軟件的能力。
軟件架構(gòu)的4+1視圖模型
從更具體的角度而言，應用程序的架構(gòu)可以從多個視角來看，就像建筑架構(gòu)，一般有結(jié)構(gòu)、管線、電氣等多個架構(gòu)視角。Phillip Krutchen在他經(jīng)典的論文《Architectural Blueprints —The 4+1 View Model of Software Architecture》中提出了軟件架構(gòu)的4+1視圖。圖1展示的這套視圖定義了四個不同的軟件架構(gòu)視圖，每一個視圖都只描述架構(gòu)的一個特定方面。每個視圖包括一些特定的軟件元素和它們相互之間的關(guān)系。
圖1 4+1視圖模型使用四個視圖描述應用程序的架構(gòu)，并顯示每個視圖中的元素如何協(xié)作處理請求的場景
每個視圖的目的如下：
- 邏輯視圖：開發(fā)人員創(chuàng)建的軟件元素。在面向?qū)ο蟮恼Z言中，這些元素是類和包。它們之間的關(guān)系是類和包之間的關(guān)系，包括繼承、關(guān)聯(lián)和依賴。
- 實現(xiàn)視圖：構(gòu)建編譯系統(tǒng)的輸出。此視圖由表示打包代碼的模塊和組件組成，組件是由一個或多個模塊組成的可執(zhí)行或可部署單元。在JAVA中，模塊是JAR文件，組件通常是WAR文件或可執(zhí)行JAR文件。它們之間的關(guān)系包括模塊之間的依賴關(guān)系以及組件和模塊之間的組合關(guān)系。
- 進程視圖：運行時的組件。每個元素都是一個進程，進程之間的關(guān)系代表進程間通信。
- 部署視圖：進程如何映射到機器。此視圖中的元素由（物理或虛擬）計算機和進程組成。機器之間的關(guān)系代表網(wǎng)絡。該視圖還描述了進程和機器之間的關(guān)系。
除了這四個視圖以外，4+1中的+1是指場景，它負責把視圖串聯(lián)在一起。每個場景負責描述在一個視圖中的多個架構(gòu)元素如何協(xié)作，以完成一個請求。例如，在邏輯視圖中的場景，展現(xiàn)了類是如何協(xié)作的。同樣，在進程視圖中的場景，展現(xiàn)了進程是如何協(xié)作的。
4+1視圖是描述應用程序架構(gòu)的絕佳方式。每一個視圖都描述了架構(gòu)的一個重要側(cè)面。場景把視圖中的元素如何協(xié)作串聯(lián)在一起。現(xiàn)在我們來看看為什么架構(gòu)是如此重要。
為什么架構(gòu)如此重要
應用程序有兩個層面的需求。第一類是功能性需求，這些需求決定一個應用程序做什么。這些通常都包含在用例（use case）或者用戶故事（user story）中。應用的架構(gòu)其實跟這些功能性需求沒什么關(guān)系。功能性需求可以通過任意的架構(gòu)來實現(xiàn)，甚至是非常糟糕的大泥球架構(gòu)。
架構(gòu)的重要性在于，它幫助應用程序滿足了第二類需求：非功能性需求。我們把這類需求也稱之為質(zhì)量屬性需求，或者簡稱為“能力”。這些非功能性需求決定一個應用程序在運行時的質(zhì)量，比如可擴展性和可靠性。它們也決定了開發(fā)階段的質(zhì)量，包括可維護性、可測試性、可擴展性和可部署性。為應用程序所選擇的架構(gòu)將決定這些質(zhì)量屬性。
2 什么是架構(gòu)的風格
在物理世界中，建筑物的建筑通常遵循特定的風格，例如維多利亞式、美國工匠式或裝飾藝術(shù)式。每種風格都是一系列設計決策，限制了建筑的特征和建筑材料。建筑風格的概念也適用于軟件。David Garlan和Mary Shaw這兩位軟件架構(gòu)學科的先驅(qū)定義了如下架構(gòu)風格：
因此，架構(gòu)風格根據(jù)結(jié)構(gòu)組織模式定義了一系列此類系統(tǒng)。更具體地說，架構(gòu)風格確定可以在該風格的實例中使用的組件和連接器的詞匯表，以及關(guān)于如何組合它們的一組約束。
特定的架構(gòu)風格提供了有限的元素（組件）和關(guān)系（連接器），你可以從中定義應用程序架構(gòu)的視圖。應用程序通常使用多種架構(gòu)風格的組合。例如，在本節(jié)的后面，我將描述單體架構(gòu)是如何將實現(xiàn)視圖構(gòu)造為單個（可執(zhí)行與可部署）組件的架構(gòu)樣式。微服務架構(gòu)將應用程序構(gòu)造為一組松散耦合的服務。
分層式架構(gòu)風格
架構(gòu)的典型例子是分層架構(gòu)。分層架構(gòu)將軟件元素按“層”的方式組織。每個層都有明確定義的職責。分層架構(gòu)還限制了層之間的依賴關(guān)系。每一層只能依賴于緊鄰其下方的層（如果嚴格分層）或其下面的任何層。
可以將分層架構(gòu)應用于前面討論的四個視圖中的任何一個。流行的三層架構(gòu)是應用于邏輯視圖的分層架構(gòu)。它將應用程序的類組織到以下層中：
- 表現(xiàn)層：包含實現(xiàn)用戶界面或外部API的代碼。
- 業(yè)務邏輯層：包含業(yè)務邏輯。
- 數(shù)據(jù)持久化層：實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫交互的邏輯。
分層架構(gòu)是架構(gòu)風格的一個很好的例子，但它確實有一些明顯的弊端：
- 單個表現(xiàn)層：它無法展現(xiàn)應用程序可能不僅僅由單個系統(tǒng)調(diào)用的事實。
- 單一數(shù)據(jù)持久化層：它無法展現(xiàn)應用程序可能與多個數(shù)據(jù)庫進行交互的事實。
- 將業(yè)務邏輯層定義為依賴于數(shù)據(jù)持久化層：理論上，這樣的依賴性會妨礙你在沒有數(shù)據(jù)庫的情況下測試業(yè)務邏輯。
此外，分層架構(gòu)錯誤地表示了精心設計的應用程序中的依賴關(guān)系。業(yè)務邏輯通常定義數(shù)據(jù)訪問方法的接口或接口庫。數(shù)據(jù)持久化層則定義了實現(xiàn)存儲庫接口的DAO類。換句話說，依賴關(guān)系與分層架構(gòu)所描述的相反。
讓我們看一下克服這些弊端的替代架構(gòu)：六邊形架構(gòu)。
關(guān)于架構(gòu)風格的六邊形
六邊形架構(gòu)是分層架構(gòu)風格的替代品。如圖2-2所示，六邊形架構(gòu)風格選擇以業(yè)務邏輯為中心的方式組織邏輯視圖。應用程序具有一個或多個入站適配器，而不是表示層，它通過調(diào)用業(yè)務邏輯來處理來自外部的請求。同樣，應用程序具有一個或多個出站適配器，而不是數(shù)據(jù)持久化層，這些出站適配器由業(yè)務邏輯調(diào)用并調(diào)用外部應用程序。此架構(gòu)的一個關(guān)鍵特性和優(yōu)點是業(yè)務邏輯不依賴于適配器。相反，各種適配器都依賴業(yè)務邏輯。
圖2 六邊形架構(gòu)的一個示例，它由業(yè)務邏輯和一個或多個與外部系統(tǒng)通信的適配器組成。業(yè)務邏輯具有一個或多個端口。處理來自外部系統(tǒng)請求的入站適配器調(diào)用入站端口。出站適配器實現(xiàn)出站端口，并調(diào)用外部系統(tǒng)
業(yè)務邏輯具有一個或多個端口（port）。端口定義了一組操作，關(guān)于業(yè)務邏輯如何與外部交互。例如，在Java中，端口通常是Java接口。有兩種端口：入站和出站端口。入站端口是業(yè)務邏輯公開的API，它使外部應用程序可以調(diào)用它。入站端口的一個實例是服務接口，它定義服務的公共方法。出站端口是業(yè)務邏輯調(diào)用外部系統(tǒng)的方式。出站端口的一個實例是存儲庫接口，它定義數(shù)據(jù)訪問操作的集合。
業(yè)務邏輯的周圍是適配器。與端口一樣，有兩種類型的適配器：入站和出站。入站適配器通過調(diào)用入站端口來處理來自外部世界的請求。入站適配器的一個實例是Spring MVC Controller，它實現(xiàn)一組REST接口（endpoint）或一組Web頁面。另一個實例是訂閱消息的消息代理客戶端。多個入站適配器可以調(diào)用相同的入站端口。
出站適配器實現(xiàn)出站端口，并通過調(diào)用外部應用程序或服務處理來自業(yè)務邏輯的請求。出站適配器的一個實例是實現(xiàn)訪問數(shù)據(jù)庫的操作的數(shù)據(jù)訪問對象（DAO）類。另一個實例是調(diào)用遠程服務的代理類。出站適配器也可以發(fā)布事件。
六邊形架構(gòu)風格的一個重要好處是它將業(yè)務邏輯與適配器中包含的表示層和數(shù)據(jù)訪問層的邏輯分離開來。業(yè)務邏輯不依賴于表示層邏輯或數(shù)據(jù)訪問層邏輯。
由于這種分離，單獨測試業(yè)務邏輯要容易得多。另一個好處是它更準確地反映了現(xiàn)代應用程序的架構(gòu)。可以通過多個適配器調(diào)用業(yè)務邏輯，每個適配器實現(xiàn)特定的API或用戶界面。業(yè)務邏輯還可以調(diào)用多個適配器，每個適配器調(diào)用不同的外部系統(tǒng)。六邊形架構(gòu)是描述微服務架構(gòu)中每個服務的架構(gòu)的好方法。
分層架構(gòu)和六邊形架構(gòu)都是架構(gòu)風格的實例。每個都定義了架構(gòu)的構(gòu)建塊（元素），并對它們之間的關(guān)系施加了約束。六邊形架構(gòu)和分層架構(gòu)（三層架構(gòu)）構(gòu)成了軟件的邏輯視圖。現(xiàn)在讓我們將微服務架構(gòu)定義為構(gòu)成軟件的實現(xiàn)視圖的架構(gòu)風格。
2.1.3 微服務架構(gòu)是一種架構(gòu)風格
前面已經(jīng)討論過4+1視圖模型和架構(gòu)風格，所以現(xiàn)在可以開始定義單體架構(gòu)和微服務架構(gòu)。它們都是架構(gòu)風格。單體架構(gòu)是一種架構(gòu)風格，它的實現(xiàn)視圖是單個組件：單個可執(zhí)行文件或WAR文件。這個定義并沒有說明其他的視圖。例如，單體應用程序可以具有六邊形架構(gòu)風格的邏輯視圖。
模式：單體架構(gòu)
將應用程序構(gòu)建為單個可執(zhí)行和可部署組件。請參閱：http://microservices.io/patterns/monolithic.html。
微服務架構(gòu)也是一種架構(gòu)風格。它的實現(xiàn)視圖由多個組件構(gòu)成：一組可執(zhí)行文件或WAR文件。它的組件是服務，連接器是使這些服務能夠協(xié)作的通信協(xié)議。每個服務都有自己的邏輯視圖架構(gòu)，通常也是六邊形架構(gòu)。圖2-3顯示了FTGO應用程序可能的微服務架構(gòu)。此架構(gòu)中的服務對應于業(yè)務功能，例如訂單管理和餐館管理。
模式：微服務架構(gòu)
將應用程序構(gòu)建為松耦合、可獨立部署的一組服務。請參閱：http://microservices.io/patterns/microservices.html。
圖3 FTGO應用程序可能的微服務架構(gòu)。它由眾多服務組成
微服務架構(gòu)強加的一個關(guān)鍵約束是服務松耦合。因此，服務之間的協(xié)作方式存在一定限制。為了解釋這些限制，我將嘗試定義什么是服務，解釋松耦合意味著什么，并告訴你為什么這很重要。
什么是服務
服務是一個單一的、可獨立部署的軟件組件，它實現(xiàn)了一些有用的功能。圖2-4顯示了服務的外部視圖，在此示例中是Order Service。服務具有API，為其客戶端提供對功能的訪問。有兩種類型的操作：命令和查詢。API由命令、查詢和事件組成。命令如createOrder()執(zhí)行操作并更新數(shù)據(jù)。查詢，如findOrderById()檢索數(shù)據(jù)。服務還發(fā)布由其客戶端使用的事件，例如OrderCreated。
服務的API封裝了其內(nèi)部實現(xiàn)。與單體架構(gòu)不同，開發(fā)人員無法繞過服務的API直接訪問服務內(nèi)部的方法或數(shù)據(jù)。因此，微服務架構(gòu)強制實現(xiàn)了應用程序的模塊化。
微服務架構(gòu)中的每項服務都有自己的架構(gòu)，可能還有獨特的技術(shù)棧。但是典型的服務往往都具有六邊形架構(gòu)。其API由與服務的業(yè)務邏輯交互的適配器實現(xiàn)。操作適配器調(diào)用業(yè)務邏輯，事件適配器對外發(fā)布業(yè)務邏輯產(chǎn)生的事件。
圖4 服務具有封裝實現(xiàn)的API。API定義了由客戶端調(diào)用的操作。有兩種類型的操作：命令用來更新數(shù)據(jù)，查詢用來檢索數(shù)據(jù)。當服務的數(shù)據(jù)發(fā)生更改時，服務會發(fā)布可供客戶端訂閱的事件
在本書第12章討論部署技術(shù)時，你將看到服務的實現(xiàn)視圖可以采用多種形式。該組件可以是獨立進程，在容器中運行的Web應用程序或OSGI包、云主機或Serverless技術(shù)，等等。但是，一個基本要求是服務具有API并且可以獨立部署。
什么是松耦合
微服務架構(gòu)的最核心特性是服務之間的松耦合性。服務之間的交互采用API完成，這樣做就封裝了服務的實現(xiàn)細節(jié)。這允許服務在不影響客戶端的情況下，對實現(xiàn)方式做出修改。松耦合服務是改善開發(fā)效率、提升可維護性和可測試性的關(guān)鍵。小的、松耦合的服務更容易被理解、修改和測試。
我們通過API來實現(xiàn)松耦合服務之間的協(xié)調(diào)調(diào)用，這樣就避免了外界對服務的數(shù)據(jù)庫的直接訪問和調(diào)用。服務自身的持久化數(shù)據(jù)就如同類的私有屬性一樣，是不對外的。保證數(shù)據(jù)的私有屬性是實現(xiàn)松耦合的前提之一。這樣做，就允許開發(fā)者修改服務的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而不用提前與其他服務的開發(fā)者互相協(xié)商。這樣做在運行時也實現(xiàn)了更好的隔離。例如，一個服務的數(shù)據(jù)庫加鎖不會影響另外的服務。但是你稍后就會看到在服務間不共享數(shù)據(jù)庫的弊端，特別是處理數(shù)據(jù)一致性和跨服務查詢都變得更為復雜。
共享類庫的角色
開發(fā)人員經(jīng)常把一些通用的功能打包到庫或模塊中，以便多個應用程序可以重用它而無須復制代碼。畢竟，如果沒有Maven或npm庫，我們今天的開發(fā)工作都會變得更困難。你可能也想在微服務架構(gòu)中使用共享庫。從表面上看，它似乎是減少服務中代碼重復的好方法。但是你需要確保不會意外地在服務之間引入耦合。
例如，想象一下多個服務需要更新Order業(yè)務對象的場景。一種選擇是將該功能打包為可供多個服務使用的庫。一方面，使用庫可以消除代碼重復。另一方面，如果業(yè)務需求的變更影響了Order業(yè)務對象，開發(fā)者需要同時重建和重新部署所有使用了共享庫的服務。更好的選擇是把這些可能會更改的通用功能（例如Order管理）作為服務來實現(xiàn)，而不是共享庫。
你應該努力使用共享庫來實現(xiàn)不太可能改變的功能。例如，在典型的應用程序中，在每個服務中都實現(xiàn)一個通用的Money類（例如用來實現(xiàn)幣種轉(zhuǎn)換等固定功能）沒有任何意義。相反，你應該創(chuàng)建一個供所有服務使用的共享庫。
服務的大小并不重要
微服務這個術(shù)語的一個問題是會將你的關(guān)注點錯誤地聚焦在微上。它暗示服務應該非常小。其他基于大小的術(shù)語（如miniservice或nanoservice）也是如此。實際上，大小不是一個重要的考慮因素。
更好的目標是將精心設計的服務定義為能夠由小團隊開發(fā)的服務，并且交付時間最短，與其他團隊協(xié)作最少。理論上，團隊可能只負責單一服務，因此服務絕不是微小的。相反，如果服務需要大型團隊或需要很長時間進行測試，那么拆分團隊或服務可能是有意義的。另外，如果你因為其他服務的變更而不斷需要同步更新自己負責的服務，或者你所負責的服務正在觸發(fā)其他服務的同步更新，那么這表明服務沒有實現(xiàn)松耦合。你構(gòu)建的甚至可能是一個分布式的單體。
微服務架構(gòu)把應用程序通過一些小的、松耦合的服務組織在一起。結(jié)果，這樣的架構(gòu)提升了開發(fā)階段的效率，特別是可維護性、可測試性和可部署性，這也就讓組織的軟件開發(fā)速度更快。微服務架構(gòu)也同時提升了應用程序的可擴展性，盡管這不是微服務的主要目標。為了使用微服務架構(gòu)開發(fā)軟件，你首先需要識別服務，并確定它們之間如何協(xié)作。現(xiàn)在我們來看看如何定義一個應用程序的微服務架構(gòu)。
4 總結(jié)
- 架構(gòu)決定了軟件的各種非功能性因素，比如可維護性、可測試性、可部署性和可擴展性，它們會直接影響開發(fā)速度。
- 微服務架構(gòu)是一種架構(gòu)風格，它給應用程序帶來了更高的可維護性、可測試性、可部署性和可擴展性。
