什么是系統架構(Architecture)

設計不僅僅指的是外觀和感覺，它還包括運作方式。—— 史蒂夫·喬布斯

系統架構（System Architecture），軟件架構（Soft Architecture）是 IT 領域常見的名詞，架構設計是軟件系統構建過程中極其關鍵的一部分。

系統架構為什么重要？常見的架構模式都有哪些？跟著 【碼哥字節】了解不同的架構設計所運用的不同設計哲學。

一起來看下常見的架構模式：Client-Server、Peer to Peer、MVC、Layered、Distribute-Cluster、Micro-Service、Even-Source、Hexagonal 逐個擊破。

Architecture，原意建筑學，其實軟件架構的概念就是源于建筑學。建筑學是建筑物設計和建造相關的藝術和技術的綜合。建筑學是一門橫跨工程技術和人文藝術的學科。它研究的是建筑物可資使用的空間、可供欣賞的形象，以及圍繞空間、形象如何產生確立、調整美化等的一系列問題。并且其所研究的對象不僅是建筑物本身，更主要的是研究人們對建筑物的要求及其如何得以滿足，研究建筑物實體從無到有的產生過程中相應的策劃、設計、實施等。

建筑學研究建筑的規劃、設計和實施。軟件架構研究軟件的規劃、設計和實施。

在架構設計中，根據業務、技術、組織、靈活性、可擴展性以及可維護性等因素，將應用系統劃分成不同的部分，使這些部分之間相互分工、相互協作，從而完成特定的需求。架構貫穿系統實現的整個過程，是軟件系統實現的主要參考，是軟件系統實現的藍圖。軟件系統的規劃、設計和實施依架構的設計而組織實施。

系統架構為什么重要

我們知道摩爾定律——計算機硬件的能力大致每兩年提高一倍的速度發展。然而軟件開發的流程卻沒有這樣的提速過程，開發成本也沒有下降，系統架構的設計方法論和設計模式不斷變化，而這個重要的流程依舊沒有一個完全可靠和一勞永逸的解決方案。為什么？軟件開發過程有什么特別的難題？有下面幾點：

1.  復雜性（Complexity）

    軟件可以說是人類創造的最復雜的系統類型。軟件的各個模塊之間有各種顯性或隱性的依賴關系，隨著系統的成長和模塊的增多，這些關系的數量往往以幾何級數的速度增長。而理解運用這些復雜性的人并沒有太多的變化。

      2.  不可見性（Invisibility）

    軟件工程師能直接看見源代碼，但是源代碼不是軟件本身。并且靜態的源代碼和運行的系統也不一樣，軟件運行環境的復雜性也增加了軟件系統的不可預測性。軟件系統不能以簡單的方式描述出來，設計文檔，描述說明，流程圖，架構圖這些也不過是讓復雜的軟件系統以更易于理解和易于交流的方式展示，卻依舊不能完全描述系統的全貌。

      3.  易變性（Changeability）

    修改軟件看似很容易，修改軟件比修改硬件容易多了，修改軟件系統也比修改一座巍立建筑物容易的多。所以人們自然地期待軟件系統能夠適應未來的變化。但變化卻是復雜的，環境也是復雜的，這些復雜的情況往往讓一個易于修改的事情卻變成一件越來越困難的事情。

      4.  服從性（Conformity）

    軟件系統不能獨立存在，它總是運行在硬件上面，也總是要服從系統中其他組成部分的要求，也要服從用戶的要求、行業的要求。

軟件系統的以上特性使得系統架構的設計顯得尤其重要。系統架構設計通過以下方式來解決上面的軟件難題：

•  抽象

          抽象是系統架構設計的重要一步。抽象是將復雜的概念簡單化。在最高層次上，將軟件系統抽象為對象和過程兩個高層次概念。對象可以是系統、組件、接口、類、方法等等不同層次的概念，過程是系統運行的方式和流程。抽象使具象的事物概念化，從而確定邊界，易于理解，易于交流。

•  分解

          分解與組合相互作用。分解就是將高層次的抽象概念分解成低層次的抽象概念，就是將實體分成小的部件或組成部分，在應對復雜度的諸多方式中，”分而治之“是一項基本策略，它把大問題持續分解成小問題，直到每一個小問題都能夠解決為止。

•  語言

          語言的邊界就是世界的邊界。領域語言、設計語言確定系統的what、how和why。語言使系統顯見于文檔，設計圖等等易于理解的層次，也使得系統的易變性被規范在可預見和可控制的范圍之中。

幾種架構模式

Client-Server

有了互聯網就有了 client-server 模式。client-server 模式以請求-響應方式工作，客戶端發送請求信息，服務端接受請求，作出相應處理，然后發回響應信息。所有我們訪問的互聯網網站都是這種架構。在桌面程序流行的時代，互聯網還沒有當前這么發達的時代。Client-Server 還只代表 Desktop Client-Server 模式，使用瀏覽器的方式稱之為 B-S 模式，即 Browser-Server 模式。如今 Browser、Desktop Application、Mobile Application、Mobile Web 等統稱為 Client。

因此我們當前訪問的大部分網站，如新聞咨詢網站、博客網站等等都屬于這種模式。

Peer to Peer

端對端服務模式（Peer to Peer，簡稱 P2P），亦稱為“點對點模式”，是指通過互聯網將個人與個人連接起來，繞開中心平臺而直接提供服務、完成交易的模式。P2P 的早期含意是計算機通信領域中的“對等網絡協議”，它打破了傳統的 Client/Server(C/S)模式，使得成千上萬臺彼此連接的計算機都處于對等地位，網絡的參與者直接共享他們所擁有的一部分硬件資源（包括處理能力、存儲能力、網絡連接能力、打印機等），這些共享資源通過互聯網，能被其它對等節點(Peer)直接訪問而無需經過統一的中間體。在該網絡中的參與者既是資源（服務或內容）提供者（Server），又是資源獲取者（Client）。

P2P 模式流行于文件分享與下載、計算與存儲、即時通信和協同共享等領域。

MVC

Model-View-Controller，MVC 架構是面向對象編程的一大進步。服務將邏輯劃分為三個不同的組建：Model——模型，即數據，通常存儲在數據庫中，在內存中進行邏輯操作。View——用戶可見的組建，用于用戶交互和數據展示，如 Web GUI。Controller——邏輯操作，連接 Model 和 View 的組件，操作 Model 邏輯和 View 交互展示邏輯。

MVC 模式在客戶端和 H5 前端都比較流行。也一直是 Web 后端流行的架構模式，在 Java Web 領域催生的 Struts、Spring MVC 等 Web 后臺框架，讓曾經復雜的 Web 開發變成一種異常簡單的開發。

隨著前后端漸漸分離，之前的后臺 MVC 已經將 View 完全交于前端，前后端通過相關協議通信，完成 View 數據的傳輸。

Layered

分層架構是運用最為廣泛的架構模式，幾乎每個軟件系統都需要通過層（Layer）來隔離不同的關注點（Concern Point），以此應對不同需求的變化，使得這種變化可以獨立進行。

單一職責原則，是系統設計開發重要的原則。分層架構就時時遵循單一職責原則。不同的層次相互隔離，承擔不同的職責。

說起分層架構，最讓人熟知的就是經典的三層架構。經典三層架構自頂向下由用戶界面層（User Interface Layer）、業務邏輯層（Business Logic Layer）與數據訪問層（Data Access Layer）組成。三層架構是簡單 Client-Server 架構的升級。

三層架構的經典和流行，以及大量 Web 后臺框架對三層架構的靠近，使得 Web 后臺開發簡單到一個剛剛入門的開發人員就可以進行 web 開發。也正因為此，使得大部分 web 開發人員的思維受限于此，從而成為人人調侃的 CRUD-Boy。隨著 MIS 系統時代的漸遠，三層架構也開始在一些領域無法成為“銀彈“。

除去經典的三層架構。在領域驅動設計中，Eric Evans 設計了一種經典的四層架構，其在用戶界面層與業務邏輯層之間引入了新的一層，即應用層（Application Layer）。其余幾層也相應的有所調整。

Distribute-Cluster

之上所提的架構都是在單體架構之下。單體架構和多服務架構是從服務的部署模式、運行模式來考慮。

單體架構有如下優勢：

•  易于開發：借助于開發框架，單體應用的開發及其簡單，開發人員也很少需要考慮系統、部署、網絡等層次的問題。
•  易于測試：單體應用部署在一個進程中，環境簡單。只要服務啟動就可以測試所有的功能。
•  易于部署：往往只需要將應用打包成一個簡單的包就可。
•  易于水平擴展：只需要將程序包部署多個服務即可。

單體應用的劣勢：

•  維護成本增加：隨著需求的增多，單體系統將越來越臃腫，維護的復雜性也將越來越大。
•  持續交互周期長：一方面維護困難，另一方面單體應用在并行開發，并行測試上將十分困難，單體應用十分不適合快速迭代的敏捷開發。
•  擴展性差：由于臃腫的系統，將導致系統擴展性變難。系統的升級也需要十分謹慎。
•  對新人不友好。

分布式系統拆分：

隨著互聯網的快速發展，一方面互聯網應用訪問量級大增，數據量大增。另一方面，應用的迭代速度也不斷變快。單體應用的模式已經不適合互聯網的快速發展。這樣，后臺分布式集群架構越來越流行。

Micro-Service

微服務并沒有一個嚴格的定義。以下是 Martin Fowler 描述的微服務：

 微服務架構是一種架構模式，它提倡將單一應用程序劃分成一組小的服務，服務之間相互協調、相互配合，為用戶提供最終價值。每個服務運行在其獨立的進程中，服務與服務間采用輕量級的通信機制互相溝通（通?；?HTTP 的 RESTful API）。每個服務都圍繞著具體業務進行構建，并且能夠被獨立地部署到生產環境。

微服務通常具有以下特性：

•  單一職責：業務獨立，團隊自主。職責單一的服務應該具有核心的領域，高內聚、低耦合，與其他系統和領域確定明確的邊界。
•  輕量級通信：通信應該簡單，輕量。與語言無關，與平臺無關。
•  獨立性：獨立開發，獨立測試和獨立部署。

一切選擇都是權衡的過程。微服務解決了單體應用的許多問題，自然也會帶來相應的問題。分布式和集群的環境是復雜的，基于此的微服務架構也將具有相應的復雜度。

隨著微服務的流行，微服務的很多問題也被越來越多的框架和服務解決掉了。我們以 Spring Cloud 技術棧為例：

•  SpringBoot：單體服務，快速創建項目，快速集成各種框架，易于測試，易于部署。
•  Feign：微服務獨立部署，通過相關協議通信。Feign 就是一個簡單的申明式通信框架，基于 HTTP restful。
•  Eureka：獨立服務越來越多，服務實例也越來越多。服務治理便是必須的，Eureka 提供高可用的服務注冊和服務發現功能。
•  Ribbon：Feign 只負責通信，Ribbon 提供客戶端負載均衡，是系統優化的部分。
•  Hystrix：微服務將帶來服務間復雜的依賴關系，分布式和集群的復雜度也將帶來許多難以預料的問題。為防止復雜網絡和復雜系統某一點的問題導致整個系統的雪崩狀態，便有了 Hystrix，Hystrix 是 Spring Cloud 體系中優秀的斷路器，可以在系統發生問題時進行服務降級，防止整體系統崩潰。
•  Zuul：統一網關，統一網關是以 Facade 模式，對外提供友好的接口，微服務化之后，服務將越來越多，越來越復雜，為了降低外部系統調用的復雜度，統一網關就是常用解決方案。
•  Config：服務劃分越多，配置將越多，Spring cloud config 提供統一的配置管理。
•  Sleuth：服務監控和治理。監控是復雜系統必需的基礎設施。系統感知、問題發現、性能定位都需要監控的加持。

Even-Source

事件溯源是最新流行一種應用程序體系結構模式。事件源將應用程序進行的狀態更改建模為事件的不可變序列或“日志”。事件源不是在現場修改應用程序的狀態，而是將觸發狀態更改的事件存儲在不可變的日志中，并將狀態更改建模為對日志中事件的響應。

CQRS 模式通常基事件溯源模式。在傳統的體系結構中，使用同一數據模型查詢和更新數據庫。 這十分簡單，非常適用于基本的 CRUD 操作。 但是，在更復雜的應用程序中，此方法會變得難以操作。 例如，在讀取方面，應用程序可能執行大量不同的查詢，返回具有不同形狀的數據傳輸對象 (DTO)。 對象映射可能會變得復雜。 在寫入方面，模型可能實施復雜驗證和業務邏輯。 結果，模型執行太多操作，過度復雜。

CQRS（命令查詢的責任分離 Command Query Responsibility Segregation ）將讀取和寫入操作分成不同的模型，使用 命令 更新數據，并使用 查詢 來讀取數據。

Hexagonal

六邊形架構又稱“端口和適配器模式”，是 Alistair Cockburn 提出的一種具有對稱性特征的架構風格。在這種架構中，系統通過適配器的方式與外部交互，將應用服務與領域服務封裝在系統內部。

六邊形架構由以下三個組件組成：

•  Ports：又可以分為輸入端和輸出端，是系統與其他系統交互的接口。
•  Adapters：與其他系統的適配層，一方面防止核心系統和領域被外部影響，即防腐;另一方面方便 api 使用。
•  Domain：應用和模型是程序的核心。

六邊形架構的核心理念是：應用通過"端口"跟外部進行交互。在傳統的分層架構中很容易跨越層間的邊界，把業務邏輯滲透到其它層中去。六邊形架構重要的就是“邊界”和“領域”。六邊形架構的初衷是為了解決技術與業務系統的解耦合問題，以及技術與技術間的解耦合問題，這一架構從設計模式中來，從業務的實體服務出發，將面向接口的設計具體化的端口協議和適配器實現，服務自身實現獨立性和完備性。