gitbook/高并发系统设计40问/docs/138331.md
2022-09-03 22:05:03 +08:00

12 KiB
Raw Blame History

02 | 架构分层:我们为什么一定要这么做?

在系统从0到1的阶段为了让系统快速上线我们通常是不考虑分层的。但是随着业务越来越复杂大量的代码纠缠在一起会出现逻辑不清晰、各模块相互依赖、代码扩展性差、改动一处就牵一发而动全身等问题。

这时,对系统进行分层就会被提上日程,那么我们要如何对架构进行分层?架构分层和高并发架构设计又有什么关系呢?本节课,我将带你寻找答案。

什么是分层架构

软件架构分层在软件工程中是一种常见的设计方式它是将整体系统拆分成N个层次每个层次有独立的职责多个层次协同提供完整的功能。

我们在刚刚成为程序员的时候会被“教育”说系统的设计要是“MVC”Model-View-Controller架构。它将整体的系统分成了Model模型View视图和Controller控制器三个层次也就是将用户视图和业务处理隔离开并且通过控制器连接起来很好地实现了表现和逻辑的解耦是一种标准的软件分层架构。

另外一种常见的分层方式是将整体架构分为表现层、逻辑层和数据访问层:

  • 表现层,顾名思义嘛,就是展示数据结果和接受用户指令的,是最靠近用户的一层;
  • 逻辑层里面有复杂业务的具体实现;
  • 数据访问层则是主要处理和存储之间的交互。

这是在架构上最简单的一种分层方式。其实我们在不经意间已经按照三层架构来做系统分层设计了比如在构建项目的时候我们通常会建立三个目录Web、Service和Dao它们分别对应了表现层、逻辑层还有数据访问层。

除此之外如果我们稍加留意就可以发现很多的分层的例子。比如我们在大学中学到的OSI网络模型它把整个网络分成了七层自下而上分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

工作中经常能用到TCP/IP协议它把网络简化成了四层即链路层、网络层、传输层和应用层。每一层各司其职又互相帮助网络层负责端到端的寻址和建立连接传输层负责端到端的数据传输等同时相邻两层还会有数据的交互。这样可以隔离关注点让不同的层专注做不同的事情。

Linux文件系统也是分层设计的从下图你可以清晰地看出文件系统的层次。在文件系统的最上层是虚拟文件系统VFS用来屏蔽不同的文件系统之间的差异提供统一的系统调用接口。虚拟文件系统的下层是Ext3、Ext4等各种文件系统再向下是为了屏蔽不同硬件设备的实现细节我们抽象出来的单独的一层——通用块设备层然后就是不同类型的磁盘了。

我们可以看到某些层次负责的是对下层不同实现的抽象从而对上层屏蔽实现细节。比方说VFS对上层系统调用层来说提供了统一的调用接口同时对下层中不同的文件系统规约了实现模型当新增一种文件系统实现的时候只需要按照这种模型来设计就可以无缝插入到Linux文件系统中。

那么,为什么这么多系统一定要做分层的设计呢?答案是分层设计存在一定的优势。

分层有什么好处

**分层的设计可以简化系统设计,让不同的人专注做某一层次的事情。**想象一下,如果你要设计一款网络程序却没有分层,该是一件多么痛苦的事情。

因为你必须是一个通晓网络的全才,要知道各种网络设备的接口是什么样的,以便可以将数据包发送给它。你还要关注数据传输的细节,并且需要处理类似网络拥塞,数据超时重传这样的复杂问题。当然了,你更需要关注数据如何在网络上安全传输,不会被别人窥探和篡改。

而有了分层的设计,你只需要专注设计应用层的程序就可以了,其他都可以交给下面几层来完成。

**再有,分层之后可以做到很高的复用。**比如我们在设计系统A的时候发现某一层具有一定的通用性那么我们可以把它抽取独立出来在设计系统B的时候使用起来这样可以减少研发周期提升研发的效率。

**最后一点,分层架构可以让我们更容易做横向扩展。**如果系统没有分层,当流量增加时我们需要针对整体系统来做扩展。但是,如果我们按照上面提到的三层架构将系统分层后,就可以针对具体的问题来做细致的扩展。

比如说业务逻辑里面包含有比较复杂的计算导致CPU成为性能的瓶颈那这样就可以把逻辑层单独抽取出来独立部署然后只对逻辑层来做扩展这相比于针对整体系统扩展所付出的代价就要小得多了。

这一点也可以解释我们课程开始时提出的问题:架构分层究竟和高并发设计的关系是怎样的?从“01 | 高并发系统:它的通用设计方法是什么?”中我们了解到,横向扩展是高并发系统设计的常用方法之一,既然分层的架构可以为横向扩展提供便捷, 那么支撑高并发的系统一定是分层的系统。

如何来做系统分层

说了这么多分层的优点,那么当我们要做分层设计的时候,需要考虑哪些关键因素呢?

在我看来,最主要的一点就是你需要理清楚每个层次的边界是什么。你也许会问:“如果按照三层架构来分层的话,每一层的边界不是很容易就界定吗?”

没错,当业务逻辑简单时,层次之间的边界的确清晰,开发新的功能时也知道哪些代码要往哪儿写。但是当业务逻辑变得越来越复杂时,边界就会变得越来越模糊,给你举个例子。

任何一个系统中都有用户系统最基本的接口是返回用户信息的接口它调用逻辑层的GetUser方法GetUser方法又和User DB交互获取数据就像下图左边展示的样子。

这时产品提出一个需求在APP中展示用户信息的时候如果用户不存在那么要自动给用户创建一个用户。同时要做一个HTML5的页面HTML5页面要保留之前的逻辑也就是不需要创建用户。这时逻辑层的边界就变得不清晰表现层也承担了一部分的业务逻辑将获取用户和创建用户接口编排起来

那我们要如何做呢?参照阿里发布的《阿里巴巴Java开发手册v1.4.0(详尽版)》,我们可以将原先的三层架构细化成下面的样子:

我来解释一下这个分层架构中的每一层的作用。

  • 终端显示层:各端模板渲染并执行显示的层。当前主要是 Velocity 渲染JS 渲染, JSP 渲染,移动端展示等。
  • 开放接口层将Service层方法封装成开放接口同时进行网关安全控制和流量控制等。
  • Web层主要是对访问控制进行转发各类基本参数校验或者不复用的业务简单处理等。
  • Service层业务逻辑层。
  • Manager 层通用业务处理层。这一层主要有两个作用其一你可以将原先Service层的一些通用能力下沉到这一层比如与缓存和存储交互策略中间件的接入其二你也可以在这一层封装对第三方接口的调用比如调用支付服务调用审核服务等。
  • DAO层数据访问层与底层 MySQL、Oracle、HBase 等进行数据交互。
  • 外部接口或第三方平台:包括其它部门 RPC 开放接口,基础平台,其它公司的 HTTP 接口。

在这个分层架构中主要增加了Manager层它与Service层的关系是Manager层提供原子的服务接口Service层负责依据业务逻辑来编排原子接口。

以上面的例子来说Manager层提供创建用户和获取用户信息的接口而Service层负责将这两个接口组装起来。这样就把原先散布在表现层的业务逻辑都统一到了Service层每一层的边界就非常清晰了。

除此之外,分层架构需要考虑层次之间一定是相邻层互相依赖,数据的流转也只能在相邻的两层之间流转。

我们还是以三层架构为例,数据从表示层进入之后一定要流转到逻辑层,做业务逻辑处理,然后流转到数据访问层来和数据库交互。那么你可能会问:“如果业务逻辑很简单的话可不可以从表示层直接到数据访问层,甚至直接读数据库呢?”

其实从功能上是可以的,但是从长远的架构设计考虑,这样会造成层级调用的混乱,比方说如果表示层或者业务层可以直接操作数据库,那么一旦数据库地址发生变更,你就需要在多个层次做更改,这样就失去了分层的意义,并且对于后面的维护或者重构都会是灾难性的。

分层架构的不足

任何事物都不可能是尽善尽美的,分层架构虽有优势也会有缺陷,它最主要的一个缺陷就是增加了代码的复杂度。

这是显而易见的嘛,明明可以在接收到请求后就可以直接查询数据库获得结果,却偏偏要在中间插入多个层次,并且有可能每个层次只是简单地做数据的传递。有时增加一个小小的需求也需要更改所有层次上的代码,看起来增加了开发的成本,并且从调试上来看也增加了复杂度,原本如果直接访问数据库我只需要调试一个方法,现在我却要调试多个层次的多个方法。

另外一个可能的缺陷是,如果我们把每个层次独立部署,层次间通过网络来交互,那么多层的架构在性能上会有损耗。这也是为什么服务化架构性能要比单体架构略差的原因,也就是所谓的“多一跳”问题。

那我们是否要选择分层的架构呢?答案当然是肯定的。

你要知道,任何的方案架构都是有优势有缺陷的,天地尚且不全何况我们的架构呢?分层架构固然会增加系统复杂度,也可能会有性能的损耗,但是相比于它能带给我们的好处来说,这些都是可以接受的,或者可以通过其它的方案解决的。我们在做决策的时候切不可以偏概全,因噎废食。

课程小结

今天我带着你了解了分层架构的优势和不足,以及我们在实际工作中如何来对架构做分层。我想让你了解的是,分层架构是软件设计思想的外在体现,是一种实现方式。我们熟知的一些软件设计原则都在分层架构中有所体现。

比方说,单一职责原则规定每个类只有单一的功能,在这里可以引申为每一层拥有单一职责,且层与层之间边界清晰;迪米特法则原意是一个对象应当对其它对象有尽可能少的了解,在分层架构的体现是数据的交互不能跨层,只能在相邻层之间进行;而开闭原则要求软件对扩展开放,对修改关闭。它的含义其实就是将抽象层和实现层分离,抽象层是对实现层共有特征的归纳总结,不可以修改,但是具体的实现是可以无限扩展,随意替换的。

掌握这些设计思想会自然而然地明白分层架构设计的妙处,同时也能帮助我们做出更好的设计方案。

一课一思

课程中我们提到了分层架构的多种模型,比如三层架构模型,阿里巴巴提出的分层架构模型,那么在你日常开发的过程中,会如何来做架构分层呢?你觉得如此分层的优势是什么呢?欢迎在留言区与我一同交流。

最后,感谢你的阅读,如果这篇文章让你有所收获,也欢迎你将它分享给更多的朋友。