設計一個系統的過程，就是建造一座大廈的過程，架構設計的質量直接決定了大廈的質量。

在我們進行系統的架構設計時，總是會遇到一系列的問題，比如一個大型系統的架構應該如何起步，從哪里開始設計？系統是否應該劃分成多個模塊，應該怎么劃分模塊才更加的合理？亦或是覺得產品提出的需求非常不合理，完全影響我們正常的架構設計！對于非功能性的需求，我們是否可以得過且過，不去重視？

這些問題，讓我們在剛開始架構設計時手足無措，但是隨著我們完成一個又一個的系統架構設計以后，發現架構設計是有章法可循的，只要我們學習這些章法和套路，并且在工作過程中不斷的積累與沉淀，就會行成一個完整的架構設計方法論，面對新的大型系統架構設計，也會一步一步有節奏進行，最終完成整體的架構設計。

架構設計的原則

架構設計需要遵循一些原則：

1、架構設計需要方法體系

架構設計并不是一個” 單一的方法 “，直接拿來進行架構設計，而是多個各具特色的方法，組成的 “方法體系”，并且這個體系隨著新技術的發展還會不斷進化。

2、架構設計是質疑驅動

架構設計是質疑驅動的過程，在” 需求驅動 “的基礎上，我們需要不斷的質疑我們架構設計的中間成果，進一步通過 “質疑”，引入更多的 “質量屬性” 及更多 “功能場景”。

3、多階段下的多視圖

架構設計，是多階段還是多視圖？架構設計首先是 “多階段的”，我們將架構設計劃分成多個階段，在每個階段中才會考慮” 視圖 “這個維度。

架構設計的三個階段

階段一、 預備階段

預備階段的目標：全面理解需求，把握需求特點，確定架構設計驅動力。

在預備階段，我們需要全面的梳理與理解需求，不放過任何一個需求細節。同時分析需求產生的各項質量屬性與系統約束，同時兼顧這些約束進行架構設計，才能不遺漏重大的架構屬性。

階段二、 概念架構

概念架構，必須考慮包括功能，質量，約束在內的所有方面的需求。

階段三、 細化架構

在細化架構階段，我們從五個不同的角度出發，設計五個視圖，完成整個系統全方位的設計。

架構設計的一個貫穿環節

對非功能需求的考慮：非功能需求無法一蹴而就，因為在設計的過程當中，會有新的需求不斷的被發現，即使設計完成，在開發階段，都會有影響非功能需求的約束出現，所以在整個階段，都應該注意非功能需求。

預備架構階段分析

預備架構的最重要的目標，是建立需求大局觀，把握需求特點，確定架構設計驅動力。通過對需求的詳細分析，有一個宏觀的需求感知，同時還要兼顧系統的質量要求和約束對系統設計造成的制約條件。

需求結構化

需求是有結構的，而不是零散的需求點，只有將分析后的需求結構化，才能宏觀的感知整個需求。可以借助 ADMEMS 二維矩陣，將架構影響因素，梳理脈絡。

例如以下矩陣分析，將需求劃分為多個維度，橫向上從” 廣義功能 “，” 質量 “，” 約束 “三個方面分析，廣義功能是指需求需要滿足的基本功能，及產品或業務人員的直接要求。質量維度則是系統設計時需要考慮的高并發，高可用，可拓展等技術設計維護，保證系統在滿足基本需求的同時，同時對后續系統進化發展以及極端場景（例如：用戶量激增，秒殺）等的滿足。約束則是系統設計時的一些制約，例如上線日期，上線環境，開發人員技能水平等。縱向上劃分為” 業務級需求 “，” 用戶級需求 “，” 開發級需求 “三個維護，” 業務級需求 “是指產品或業務人員提出的基本要求，” 用戶級需求 “則是從系統的使用用戶角度出發，發現的例如用戶電腦操作水平，用戶使用習慣等潛在需求，而” 開發級需求 “，則是從研發人員角度出發，發現的例如可拓展，可測試，技術環境等不同維度的需求。

通過將需求結構化，我們可以全面的分析整體的需求，對需求進行整體的理解，同時也可以從不同的角度發現系統制約條件，在系統設計的最開始階段就著手設計，防止遺漏重大約束導致架構設計失敗。

分析約束影響

約束分析的幾個方面：

1、 來自產品或運營人員的約束性需求

系統的非功能需求，例如：上線時間，預算，工期要求等

業務領域相關的限制，例如業務規則或業務限制，相關法律，專利等。

2、 來自用戶的約束性需求

系統的用戶，同樣會產生約束性需求，比如用戶的計算機水平，年齡段，使用偏好，國家等。

例如用戶計算機水平整體較弱的話，在開發交互方式時就不應太過復雜，同時要兼顧系統的魯棒性，防止系統被用戶搞掛。

用戶使用產品時的外部環境同樣可能產生約束條件，比如訪問環境是內網或是外網，則決定了系統提供訪問鏈接不同的網絡權限。訪問環境信號強度若，則系統的性能要求則更高。

3、 來自開發或運維人員的約束性需求

開發團隊的技術水平，磨合程度，同樣制約著系統的開發，如果開發人員均是高級研發人員且對當前技術棧有深入的了解，則開發進度就會更快，如果是新團隊，且需要對技術棧進行學習才可以介入開發，則在工期或系統風險層面需要額外考慮。

4、 業界當前技術環境

當前技術環境中間件的成熟程度，編程語言及流行度，優缺點等，都會對架構設計產生約束條件。

約束的分類：

1、 直接約束

例如：系統運行于 linux 平臺。

2、 轉換為功能需求的約束

對于這種約束，可以直接轉換為功能需求

例如：供應商擁有自己的一套城市信息表 -> 引出的功能需求：需要進行城市轉換

例如：供應商服務器性能差，tps 最大 10 -> 引出的功能需求：需要進行限流請求

3、 轉換為質量屬性需求的約束

例如：系統使用者計算機水平不高

轉換為質量屬性：易用性（否則不會用），魯棒性（系統被搞癱）

確定關鍵質量

系統的關鍵質量是需要進行取舍的，需要確認業務人員更注重那方面或在滿足需求的基礎上，確定哪些是必須的，哪些是可以適當忽略的。

我們需要首先確定架構重點支持哪些質量屬性，然后對于相互矛盾的質量屬性，進行權衡折中。例如當滿足性能這個質量屬性時，同時就會因為引入新的方案或組件，導致可維護性，可測試性降低；提高可拓展性時，就會對系統的性能和安全性產生影響等等，我們需要做的，就是在各個關鍵質量中進行取舍。

確定關鍵功能

確定關鍵功能的 4 個方面

1、 核心功能

2、 必做功能

3、 高風險功能

4、 獨特功能

其他常見系統不存在的功能

注意衍生需求：

從需求轉入設計時，因方案制定過程的復雜，會產生大量的衍生需求，衍生需求是原始需求的數倍。

舉例：

原始需求：定時拉取供應商數據。

衍生需求：

1、 由于供應商數量較多，需要引入分布式定時任務，集群并發拉取

2、 由于供應商數據量大，需要分庫分表設計

3、需要快速搜索，引入存儲引擎組件等等

??這些衍生需求我們必須要考慮，雖然業務需求沒有體現，但缺失架構設計的關鍵影響因素。

架構驅動力對比：

業務需求驅動架構：

??重大需求驅動架構：

??由此可以看出，通過重大需求驅動的架構，更能考慮到更關鍵的部分，設計的架構更能滿足需求的要求，架構設計成功的概率會更高。

概念架構階段分析

概念架構階段，對系統進行適當的分解，而不陷入細節

概念架構的過程是，先根據關鍵功能進行初步設計，然后對設計的系統進行高層分割，接下來考慮非功能性需求（關鍵質量和約束），然后修改自己的初步設計，循環往復，在不斷的質疑和優化過程中，完善架構設計。

初步設計

初步設計的目標是發現職責，無需展開細節設計。基于關鍵功能，進行初步設計，基于主流程，關鍵流程，黃金流程等進行流轉圖設計，從而發現職責。

高層分割

切分復雜系統，為多個二級系統。或者直接切分為具體子系統。

高層分割的兩種方式：

1、 系統切分

切分的考慮點，包括系統功能、部署環境、語言、系統規模等

例如一個大型系統，切分為訂單，商品，供應鏈等系統。

2、 系統內切分

根據系統的職責、調用關系、通用性等，進行系統內部切分。

最常見的就是分層，例如一個系統，切分為網關層，服務層，搜索模塊，man 端等。

分層的角度

1、 邏輯分層

邏輯分層重視職責的劃分，職責直接常常是上層使用下層的關系，上層和下層，可以是分布在不同的機器，也可以分布在同一臺機器。

2、 物理分層

分布在不同機器上的軟件單元。

3、 通用性分層

通用性不同的，劃分為不同的層，一般通用性越大，所處的層次越靠下。

考慮非功能需求

具體方法是：采用目標 - 場景 - 決策表，見下圖：

架構設計是質疑驅動的，例如，質疑系統的可用性，考慮系統可能宕機，則引入集群部署設計，考慮下游接口可能超時或出現異常，則引入接口降級的設計等。

??考慮場景的 5 個要素

1、 影響來源，來自系統內部還是系統外部

2、 如何影響的

3、 受影響的對象

4、 有什么問題或有什么價值

5、 所處的環境為何

對場景的權衡因素：

價值，代價，開發難度，出現幾率。對于某些場景，經過全面的權衡和思考，可以不支持，并不是所有的場景都要支持，否則可能存在過度設計。

細化架構階段分析

邏輯視圖

邏輯視圖是對系統的不同部分職責的劃分，根據職責不同，可以將系統進行細粒度的拆分，劃分為多個子系統。

分層的細化

根據系統設計的需要，可以將系統的分層進行細化，例如展示層 -> 業務層 -> 數據層 可以細化為：展示層 -> 控制層 -> 接口層 -> 接口實現層 -> 數據層。

分區的引入

分區的概念是業務流程相關的，分區的依據是：職責，比如結算流程可以作為一個分區，下單流程可以作為一個分區。將系統劃分為多個分區，一方面可以支持并行開發，另一方面也將系統劃分為多個子域，有利于業務概念和業務流程的收斂。

??機制的提取

機制是指系統可以抽象的公共部分，例如公共工具，公共組件，公共流程等，提取這些公共部分，對于架構設計是至關重要的。

劃分子系統的原則：

1、 職責不同的單元，劃分為不同的子系統

2、 通用性不同的單元，劃分為不同的子系統

3、 需要不同開發技能的單元，劃分為不同的子系統兼顧工作量，進一步切分太大的系統

開發視圖

開發架構視圖的任務，是將 “邏輯職責” 映射為 “程序單元”，例如：要自主編寫的 “源程序”，可重用的庫，框架等；同時進行開發技術選型，例如：開發語言，開發工具等，然后也需要確立程序單元間的關系，project 劃分，目錄結構，編譯依賴關系等。

運行視圖

運行架構設計的工作內容，是確定引入哪些控制流：進程，線程等；確定每條控制流的任務，同時還要處理相關問題，例如控制流的創建，銷毀，通信機制等，控制流之間的同步關系，是否有資源爭用，是否需要加鎖等也需要考慮。

物理視圖

物理架構設計的 3 項任務

1. 硬件的選擇與物理拓撲

2. 軟件到硬件的映射關系

3. 方案的優化

思維要點：“開銷” 和 “爭用” 是核心，應避免爭用，降低開銷。

數據視圖

數據視圖是系統的數據存儲設計，根據對系統的分析，確定一種或多種數據策略，常見的數據分布策略如下 6 種：

1、獨立的 Schema

不同系統應用，使用不同的數據 schema，數據完全獨立，一般界限清晰的不同系統可以采用這種方式。

??2、集中

不同的系統應用，使用同一個數據庫，一般具有關聯屬性的應用可以采用這種方式，比如一個系統分為服務端和管理端，但都屬于一個系統，則可以使用同一個數據庫。

??3、分區

水平分區

水平分區即我們常見的分表方案，當一個 schema 無法滿足我們的數據量要求時，可以劃分為多個分區，每個分區存儲一部分數據。

??垂直分區

垂直分區是分區策略的另外一個維度，當我們單庫無法承載巨大的數據量時，也可以根據數據的類別，進行垂直分區。

4、復制

多個數據庫保存相同的數據，根據制定的更新策略保證不同庫之間的數據同步，我們常用的讀寫庫分離，即為此方案，主庫提供寫能力，從庫提供讀能力，其中從庫的數據是根據主庫數據同步而來。

??5、子集

根據一些特殊的場景要求，需要保存原數據的部分數據，例如 Application1 保存全量訂單，application2 只需要部分出票成功的訂單，進行后續分析操作，則可以使用子集的策略進行數據視圖設計。

??6、重組

通過多個不同的 application 作為數據來源，異構至其他 application，用于數據的分析或后續流程使用。

總結

架構設計的三個階段：預備架構階段；概念架構階段；細化架構階段

架構設計的四個要素：需求結構化；分析約束的影響；確定關鍵質量；確定關鍵功能

概念架構的三個步驟：基于關鍵功能初步設計；系統高層分割；分析非功能需求

細化架構的五個視圖：邏輯視圖；開發視圖；運行視圖；物理視圖；數據視圖

一個貫穿環節：非功能需求的考慮

參考資料

1.《一線架構設計指南》

 

作者：京東零售 馮曉濤

來源：京東云開發者社區 轉載請注明來源