什么是軟件架構(gòu)？

軟件架構(gòu)是定義軟件系統(tǒng)的高級結(jié)構(gòu)和組織的過程。它涉及識別和選擇正確的組件，決定它們之間如何交互，以及確定它們應(yīng)該如何組織以實現(xiàn)特定的目標(biāo)。軟件架構(gòu)的目標(biāo)是創(chuàng)建一個可維護(hù)、可擴展和安全的系統(tǒng)，能夠滿足用戶和組織的需求。

為什么我們需要軟件架構(gòu)？

強大的架構(gòu)為構(gòu)建滿足用戶和利益相關(guān)者需求的軟件提供了堅實的基礎(chǔ)。它確保系統(tǒng)滿足其功能和非功能需求，如性能、安全性和可靠性。通過良好設(shè)計的架構(gòu)，開發(fā)人員可以構(gòu)建易于修改和擴展的軟件，從而更容易適應(yīng)不斷變化的業(yè)務(wù)需求。

軟件架構(gòu)對于管理復(fù)雜性也至關(guān)重要。隨著軟件系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，了解不同組件之間如何交互變得具有挑戰(zhàn)性。良好設(shè)計的架構(gòu)提供了對系統(tǒng)的高級視圖，使得更容易理解其結(jié)構(gòu)和操作。這反過來幫助開發(fā)人員識別潛在問題，并就如何修改系統(tǒng)做出明智決策。

如何文檔化架構(gòu)？4C模型。

上下文級別（Context Level）

在最高級別的上下文級別，描述系統(tǒng)的外部環(huán)境，如用戶、其他系統(tǒng)、法規(guī)等。這一級別提供了系統(tǒng)的目的和與外部世界的關(guān)系的高級概述。它有助于識別將與系統(tǒng)交互的利益相關(guān)者以及影響其設(shè)計和開發(fā)的因素。

容器級別（Containers level）

下一個級別是容器級別，它描述了系統(tǒng)的運行時環(huán)境，如服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫或消息隊列。這一級別有助于識別主要的技術(shù)選擇和部署決策。它提供了對將支持系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)設(shè)施以及部署和維護(hù)所需的工具和資源的理解。

組件級別（Components level）

第三個級別是組件級別，它描述了系統(tǒng)的主要功能構(gòu)建塊。這一級別有助于識別構(gòu)成系統(tǒng)的模塊、類或函數(shù)。它提供了對系統(tǒng)功能和其不同組件之間關(guān)系的理解。

代碼級別（Code level）

最后，代碼級別是最低級別，描述了實際代碼及其如何實現(xiàn)組件。這一級別提供了對系統(tǒng)如何工作以及其不同組件如何相互交互的詳細(xì)理解。對于將與代碼一起工作的開發(fā)人員來說，清楚代碼如何結(jié)構(gòu)化和工作是至關(guān)重要的。

使用C4模型，軟件架構(gòu)師可以創(chuàng)建圖表和書面文檔，描述每個級別，提供系統(tǒng)架構(gòu)的全面視圖。這種方法有助于識別潛在問題和權(quán)衡，同時促進(jìn)可擴展性、可維護(hù)性和適應(yīng)性。通過以這種方式記錄架構(gòu)，開發(fā)人員和利益相關(guān)者可以清晰、易于理解地了解系統(tǒng)，從而更容易根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行修改和擴展。

以下為軟件工程師應(yīng)該了解的12中軟件架構(gòu)風(fēng)格與設(shè)計。

1. 客戶端-服務(wù)器

客戶端-服務(wù)器架構(gòu)是一種模型，其中客戶端（用戶或應(yīng)用程序）向服務(wù)器發(fā)送請求，服務(wù)器則返回所請求的數(shù)據(jù)或服務(wù)。客戶端和服務(wù)器可以在同一臺機器上，也可以通過網(wǎng)絡(luò)連接在不同的機器上。

客戶端負(fù)責(zé)發(fā)起與服務(wù)器的通信并發(fā)送請求。而服務(wù)器則監(jiān)聽來自客戶端的請求，處理并返回響應(yīng)。

客戶端-服務(wù)器架構(gòu)的優(yōu)勢：

• 可擴展性：客戶端-服務(wù)器架構(gòu)具有很高的可擴展性，因為它允許多個客戶端連接到同一個服務(wù)器并共享資源。
• 安全性：客戶端-服務(wù)器架構(gòu)提供比其他網(wǎng)絡(luò)模型更好的安全性，因為服務(wù)器可以控制對資源和數(shù)據(jù)的訪問。
• 可靠性：客戶端-服務(wù)器架構(gòu)非?？煽?，因為服務(wù)器可以在發(fā)生故障時提供備份和恢復(fù)服務(wù)。

2. 分層

這是一種設(shè)計復(fù)雜軟件系統(tǒng)的常見方式，它將系統(tǒng)分解為多個層，每個層負(fù)責(zé)特定的功能集。這種方法有助于組織代碼，并使得系統(tǒng)隨著時間的推移更容易維護(hù)和修改。

典型的分層架構(gòu)包括三個主要層：表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。

表示層：表示層負(fù)責(zé)向用戶顯示信息并收集輸入。該層包括用戶界面和與用戶直接交互的其他組件。用戶界面是用戶看到和與之交互的內(nèi)容，例如按鈕、文本框和菜單。表示層還包括與用戶界面相關(guān)的任何邏輯，例如事件處理程序和驗證。

業(yè)務(wù)邏輯層：業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)實現(xiàn)應(yīng)用程序的業(yè)務(wù)規(guī)則。該層包含處理和操作數(shù)據(jù)的代碼，以及任何其他應(yīng)用程序邏輯。業(yè)務(wù)邏輯層是軟件發(fā)揮魔力的地方，它是軟件執(zhí)行計算、做出決策和執(zhí)行任務(wù)的地方，也是軟件真正發(fā)揮作用的地方。

數(shù)據(jù)訪問層：數(shù)據(jù)訪問層負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫或其他外部數(shù)據(jù)源進(jìn)行交互。該層包含讀取和寫入數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫的代碼。數(shù)據(jù)訪問層是軟件檢索數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進(jìn)行更改并將更改保存回數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵。這一層對軟件的功能至關(guān)重要，因為它使得軟件能夠存儲和檢索數(shù)據(jù)。

3. 管道和過濾器

管道和過濾器架構(gòu)是一種設(shè)計模式，允許軟件系統(tǒng)通過將處理任務(wù)分離為多個獨立組件來處理數(shù)據(jù)。這種架構(gòu)對于需要處理大量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)特別有幫助。它可以提高性能、可擴展性和可維護(hù)性。

管道和過濾器架構(gòu)基于管道的概念，數(shù)據(jù)通過一系列處理步驟流動，每個步驟執(zhí)行特定的任務(wù)。每個處理步驟都被實現(xiàn)為一個獨立的組件或過濾器，它接受數(shù)據(jù)作為輸入，在數(shù)據(jù)上執(zhí)行某些操作，并生成輸出數(shù)據(jù)。輸出數(shù)據(jù)隨后傳遞給管道中的下一個過濾器。

管道中的過濾器彼此獨立，這意味著它們可以單獨開發(fā)、測試和部署。這使得可以很容易地向管道中添加新的過濾器或修改現(xiàn)有過濾器，而不會影響系統(tǒng)的其他部分。

優(yōu)勢：

• 可擴展性：該架構(gòu)可以通過向管道中添加更多的過濾器來進(jìn)行水平擴展，從而使系統(tǒng)能夠處理更大量的數(shù)據(jù)。
• 性能：該架構(gòu)可以通過將數(shù)據(jù)處理并行化到多個過濾器上來優(yōu)化性能。
• 可維護(hù)性：該架構(gòu)促進(jìn)了模塊化和關(guān)注點分離，使得系統(tǒng)更易于維護(hù)和更新。

4. 主從

主從架構(gòu)是一種在分布式系統(tǒng)中使用的設(shè)計模式，其中一個節(jié)點（主節(jié)點）控制一個或多個節(jié)點（從節(jié)點）執(zhí)行特定任務(wù)。主節(jié)點負(fù)責(zé)將工作負(fù)載分配給從節(jié)點，并協(xié)調(diào)它們的活動。從節(jié)點沒有與主節(jié)點相同的控制級別，只執(zhí)行主節(jié)點分配給它們的任務(wù)。

優(yōu)勢：最重要的優(yōu)勢之一是它允許有效地將工作負(fù)載分布到多個節(jié)點上。這有助于減輕任何一個節(jié)點的負(fù)載，并確保系統(tǒng)能夠處理大量的數(shù)據(jù)和流量。

使用主從架構(gòu)的另一個優(yōu)勢是它提供了容錯能力。如果一個從節(jié)點失敗，主節(jié)點可以重新分配其工作負(fù)載給其他從節(jié)點。這確保即使一個或多個節(jié)點失敗，系統(tǒng)仍然可以正常運行。

5. 微內(nèi)核

微內(nèi)核架構(gòu)，也稱作插件化架構(gòu)，是一種軟件設(shè)計模式，允許開發(fā)人員構(gòu)建更模塊化和靈活的系統(tǒng)。它將核心系統(tǒng)功能與其他功能分離，這些功能在單獨的模塊中實現(xiàn)。系統(tǒng)的核心功能在微內(nèi)核中實現(xiàn)，微內(nèi)核是一個最基本的核心系統(tǒng)，只提供運行系統(tǒng)所需的最基本服務(wù)。這是一種即插即用的概念。

例子：

以電子商務(wù)網(wǎng)站為例。微內(nèi)核將提供處理用戶身份驗證、管理用戶會話和處理付款等基本服務(wù)。其他功能，如產(chǎn)品推薦、用戶評論和社交媒體集成，將在單獨的模塊中實現(xiàn)。

如果網(wǎng)站想要添加一個新功能，比如一個忠誠度計劃，可以將其作為一個獨立的模塊開發(fā)并添加，而不會影響系統(tǒng)的核心功能。這種模塊化使得可以更容易地添加新功能或刪除現(xiàn)有功能，而不會影響核心系統(tǒng)功能。

此外，如果網(wǎng)站想要根據(jù)不同用戶的特定需求定制其系統(tǒng)，可以為每個用戶選擇所需的模塊。例如，經(jīng)常購買電子產(chǎn)品的用戶可以提供一個推薦電子產(chǎn)品的模塊。另一方面，經(jīng)常購買化妝品的用戶可以提供一個推薦化妝品的模塊。

最后，如果網(wǎng)站想要擴展其系統(tǒng)以處理更多用戶或硬件變化，可以根據(jù)需要輕松添加或刪除模塊。這種可擴展性使得可以更容易地根據(jù)用戶需求或底層硬件的變化調(diào)整系統(tǒng)。

6. 領(lǐng)域驅(qū)動設(shè)計（DDD）

在本質(zhì)上，DDD是一種關(guān)于軟件架構(gòu)的思考方式，強調(diào)項目的領(lǐng)域或問題空間。這意味著開發(fā)人員關(guān)注的是軟件的業(yè)務(wù)邏輯，而不僅僅是技術(shù)實現(xiàn)。

在實踐中，這意味著開發(fā)人員首先理解他們正在工作的領(lǐng)域，并將其分解為更小、更可管理的部分。然后，他們使用這種理解創(chuàng)建領(lǐng)域模型，這是領(lǐng)域內(nèi)不同實體及其相互交互的表示。

創(chuàng)建了領(lǐng)域模型后，開發(fā)人員可以使用它來指導(dǎo)軟件的其余架構(gòu)。這包括創(chuàng)建有界上下文（Bounded Context），它們是由特定語言和上下文定義的軟件區(qū)域，以及聚合（Aggregates），它們是作為單個單元對待的相關(guān)實體的集合。

7. 基于組件

在軟件工程中，基于組件的架構(gòu)（CBA）是一種強調(diào)可重用軟件組件的軟件設(shè)計和開發(fā)方法。CBA的思想是通過將復(fù)雜系統(tǒng)拆分為更小、更可管理的組件，從而使軟件開發(fā)更加高效和有效。

什么是組件？

軟件組件是一種模塊化、自包含的軟件單元，可以在不同的系統(tǒng)中重復(fù)使用。組件通常具有明確定義的接口，指定其他組件如何與其交互。該接口包括有關(guān)組件的輸入、輸出和行為的信息。

組件可以根據(jù)其功能進(jìn)行分類，例如用戶界面組件、數(shù)據(jù)訪問組件和業(yè)務(wù)邏輯組件。每種類型的組件在軟件系統(tǒng)中扮演特定的角色，并可以通過其接口與其他組件進(jìn)行交互。

8. 面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)（SOA）

SOA是一種旨在創(chuàng)建模塊化、可重用服務(wù)的架構(gòu)風(fēng)格，這些服務(wù)可以輕松地與其他服務(wù)集成以創(chuàng)建一個更大的系統(tǒng)。在這種方法中，服務(wù)通過接口公開其功能，其他服務(wù)或應(yīng)用程序可以訪問這些接口。

在核心層面上，SOA是通過將軟件拆分為更小的組件或模塊來構(gòu)建軟件。這種模塊化的方法使開發(fā)人員可以專注于構(gòu)建特定的功能，并將其與其他部分集成以創(chuàng)建一個更大的系統(tǒng)。

SOA的核心組件

服務(wù)提供者：服務(wù)提供者負(fù)責(zé)創(chuàng)建和公開服務(wù)，供外界使用。這些服務(wù)可以被其他服務(wù)、應(yīng)用程序或最終用戶使用。例如，付款處理服務(wù)提供商可以創(chuàng)建和公開一個服務(wù)，允許其他應(yīng)用程序處理付款。

服務(wù)注冊表：服務(wù)注冊表是可供其他服務(wù)或應(yīng)用程序訪問的可用服務(wù)的目錄。服務(wù)注冊表提供有關(guān)服務(wù)的信息，如名稱、位置和接口。例如，如果一個應(yīng)用程序需要處理付款，它可以使用服務(wù)注冊表找到付款處理服務(wù)并訪問其接口。

服務(wù)請求者：服務(wù)請求者負(fù)責(zé)消費服務(wù)提供者公開的服務(wù)。可以通過使用服務(wù)注冊表找到合適的服務(wù)，然后調(diào)用其接口來完成。例如，一個應(yīng)用程序可以使用服務(wù)注冊表找到付款處理服務(wù)，然后使用其接口來處理付款。

9. 單體

單體架構(gòu)是一種存在了幾十年的軟件設(shè)計風(fēng)格。它是將應(yīng)用程序作為一個單一、緊密結(jié)合的單元構(gòu)建的一種方式，而不是將其拆分為個別的、更小的組件。

在單體架構(gòu)中，整個應(yīng)用程序被構(gòu)建為一個單一的、自包含的單元。所有的代碼和依賴項都打包在一起，因此應(yīng)用程序可以在單個服務(wù)器上部署和運行。

這使得開發(fā)和部署應(yīng)用程序變得容易，因為所有內(nèi)容都在一個地方。它也使得通過添加更多的服務(wù)器來實現(xiàn)水平擴展變得更容易。

單體架構(gòu)的優(yōu)勢

單體架構(gòu)最大的優(yōu)勢之一是它的簡單性。由于所有內(nèi)容都包含在一個單元中，所以需要關(guān)注的移動部分較少。這使得開發(fā)、測試和部署應(yīng)用程序更加容易。

另一個優(yōu)勢是單塊應(yīng)用程序的維護(hù)和調(diào)試更容易。由于所有內(nèi)容都在一個地方，更容易追蹤問題并進(jìn)行修復(fù)。

單體架構(gòu)的缺點

單體架構(gòu)最大的缺點之一是在垂直方向上擴展應(yīng)用程序可能很困難。由于所有內(nèi)容都在單個服務(wù)器上運行，應(yīng)用程序能夠處理的流量有限。

另一個缺點是在單體應(yīng)用程序中很難采用新的技術(shù)和語言。由于所有內(nèi)容都打包在一起，很難在不破壞整個應(yīng)用程序的情況下更新單個組件。

10. 微服務(wù)

微服務(wù)架構(gòu)是一種軟件架構(gòu)風(fēng)格，將應(yīng)用程序構(gòu)建為一組小型、獨立的服務(wù)，它們通過網(wǎng)絡(luò)相互通信。每個服務(wù)專注于特定的業(yè)務(wù)能力，并可以獨立于系統(tǒng)中的其他服務(wù)進(jìn)行開發(fā)、部署和擴展。

微服務(wù)架構(gòu)的主要思想是將一個大型的、單體式應(yīng)用程序拆分為更小、更易管理的服務(wù)。這種方法帶來了許多好處，如提高可擴展性、增加靈活性和更快地推出新功能。

在微服務(wù)架構(gòu)中，每個服務(wù)可以獨立地進(jìn)行擴展，更容易處理流量峰值或需求變化。開發(fā)人員還可以修改或添加新的服務(wù)，而不影響系統(tǒng)的其他部分，從而加快了開發(fā)過程。

微服務(wù)架構(gòu)的挑戰(zhàn)

盡管微服務(wù)架構(gòu)帶來了許多好處，但也引入了額外的復(fù)雜性。其中一個最大的挑戰(zhàn)是管理服務(wù)之間的通信。服務(wù)需要能夠發(fā)現(xiàn)彼此并有效地進(jìn)行通信，這在規(guī)模上可能很困難。在微服務(wù)架構(gòu)中，負(fù)載均衡和容錯性也更加復(fù)雜。

另一個挑戰(zhàn)是確保每個服務(wù)都有自己的數(shù)據(jù)存儲。在單體應(yīng)用程序中，所有數(shù)據(jù)通常存儲在一個數(shù)據(jù)庫中。而在微服務(wù)中，每個服務(wù)應(yīng)該有自己的數(shù)據(jù)存儲，以確保對一個服務(wù)的更改不會影響系統(tǒng)中的其他服務(wù)。這可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)管理和同步方面的復(fù)雜性增加。

微服務(wù)架構(gòu)的最佳實踐

為了確?；谖⒎?wù)的系統(tǒng)的成功，開發(fā)人員應(yīng)遵循設(shè)計和實現(xiàn)微服務(wù)的最佳實踐。其中一些最佳實踐包括：

1. 設(shè)計松耦合、高內(nèi)聚的服務(wù)，具有清晰的邊界和明確定義的接口。
2. 使用容器化技術(shù)，如Docker，將每個服務(wù)打包和部署為單獨的容器。這樣可以根據(jù)需要輕松地擴展和部署各個服務(wù)。
3. 實施有效的監(jiān)控和管理工具，以確保系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，并快速檢測和解決問題。
4. 使用服務(wù)網(wǎng)格，如Istio，管理服務(wù)之間的通信和負(fù)載均衡。
5. 實施持續(xù)集成和部署（CI/CD）流水線，自動化測試和部署微服務(wù)。

11. 事件驅(qū)動

事件驅(qū)動架構(gòu)（EDA）是一種設(shè)計軟件系統(tǒng)的方法，它能夠?qū)崿F(xiàn)不同組件或服務(wù)之間的快速高效通信。在這種范式中，不同的軟件組件通過事件相互通信，而不是通過直接的請求或響應(yīng)。

在事件驅(qū)動架構(gòu)中，事件由軟件系統(tǒng)的不同組件生成，例如用戶界面或后端服務(wù)。這些事件隨后廣播到系統(tǒng)的其他組件，這些組件可以訂閱事件并根據(jù)需要對其進(jìn)行處理。

例如，考慮一個簡單的電子商務(wù)應(yīng)用程序。當(dāng)下達(dá)一個新訂單時，訂單處理服務(wù)可以生成一個“訂單創(chuàng)建”事件，然后廣播到其他服務(wù)，如庫存管理、發(fā)貨和結(jié)算。每個服務(wù)都可以處理事件并對其各自的系統(tǒng)進(jìn)行更新。

事件驅(qū)動的好處

事件驅(qū)動架構(gòu)的一個關(guān)鍵好處是它能夠解耦軟件系統(tǒng)的不同組件。當(dāng)不同組件通過事件而不是直接請求進(jìn)行通信時，它們對彼此的依賴性較小。這使得更容易更改或更新系統(tǒng)的各個組件，而不會影響系統(tǒng)的其他部分。

事件驅(qū)動架構(gòu)的另一個好處是可擴展性。由于事件廣播到系統(tǒng)的多個組件，可以并行處理大量的數(shù)據(jù)和事務(wù)。這使得更容易處理高流量和需求峰值。

事件驅(qū)動架構(gòu)的挑戰(zhàn)

盡管事件驅(qū)動架構(gòu)具有許多好處，但也存在一些挑戰(zhàn)。其中一個主要挑戰(zhàn)是管理事件驅(qū)動系統(tǒng)的復(fù)雜性。由于事件可以由許多不同的組件生成和消費，跟蹤和調(diào)試出現(xiàn)的問題可能很困難。

另一個挑戰(zhàn)是確保事件按正確的順序處理。由于事件可以異步生成和處理，事件的處理順序可能不正確。這可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致或計算錯誤等問題。

12. 基于流

隨著軟件開發(fā)變得越來越復(fù)雜，對可擴展性的需求也越來越高，傳統(tǒng)的架構(gòu)變得越來越不夠用?；诹鞯募軜?gòu)作為一種有前途的替代方案出現(xiàn)，使開發(fā)人員能夠構(gòu)建能夠?qū)崟r處理大量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。

基于流的架構(gòu)的核心是基于事件驅(qū)動編程的原則。基于流的系統(tǒng)不是批量處理數(shù)據(jù)，而是實時處理數(shù)據(jù)生成的數(shù)據(jù)。這使得開發(fā)人員能夠構(gòu)建能夠以最小延遲響應(yīng)數(shù)據(jù)變化的系統(tǒng)。

基于流的架構(gòu)的好處

基于流的架構(gòu)的一個關(guān)鍵好處是可擴展性。由于數(shù)據(jù)是實時處理的，基于流的系統(tǒng)可以處理大量的數(shù)據(jù)，而無需復(fù)雜的批處理流程。這使得可以構(gòu)建每秒處理數(shù)百萬個事件的系統(tǒng)，非常適合傳感器數(shù)據(jù)處理、金融交易和在線廣告等用例。

基于流的架構(gòu)的另一個好處是靈活性。由于數(shù)據(jù)是實時處理的，可以構(gòu)建能夠以最小延遲響應(yīng)數(shù)據(jù)變化的系統(tǒng)。這使得可以構(gòu)建復(fù)雜的、事件驅(qū)動的系統(tǒng)，能夠適應(yīng)不斷變化的業(yè)務(wù)需求。例如，在電子商務(wù)平臺中，可以使用基于流的架構(gòu)實時跟蹤用戶活動，并根據(jù)用戶的瀏覽和購買歷史提供個性化推薦和促銷活動。

此外，基于流的架構(gòu)可以帶來顯著的成本節(jié)省。傳統(tǒng)的批處理流程需要昂貴的硬件和復(fù)雜的軟件基礎(chǔ)設(shè)施來管理數(shù)據(jù)處理。而基于流的系統(tǒng)可以建立在廉價的通用硬件上，使得擴展和維護(hù)更加容易。

最后，基于流的架構(gòu)具有很高的容錯性。由于數(shù)據(jù)是實時處理的，可以構(gòu)建能夠自動從故障中恢復(fù)的系統(tǒng)，無需手動干預(yù)。這使得可以構(gòu)建具有高可靠性的大規(guī)模運行系統(tǒng)，降低數(shù)據(jù)丟失或系統(tǒng)停機的風(fēng)險。

小結(jié)

軟件架構(gòu)對于構(gòu)建滿足用戶和利益相關(guān)者需求的成功軟件系統(tǒng)至關(guān)重要。它提供了設(shè)計和開發(fā)軟件系統(tǒng)的藍(lán)圖，確保系統(tǒng)滿足其功能和非功能需求，促進(jìn)適應(yīng)性，并幫助管理復(fù)雜性。因此，在軟件開發(fā)項目的開始階段投入時間和資源來設(shè)計一個健壯的架構(gòu)是至關(guān)重要的。希望這篇文章能夠?qū)δ阌幸恍椭?/p>