架構師必須知道的架構設計原理

如果一個技術已經存在 3 年，比如現在很火的前端技術 react 和 vue 等，那麼我能預估這個技術大致還有 3 年的生命期，再久就不確定了；如果一個架構或設計原則已經存在 15 年，例如單一職責和依賴倒置原則，我可以預期它還有 15 年甚至更久的生命期。原則是比具體技術更抽象，更接近事物本質，也更經得起時間考驗的東西。這些原則沉澱在架構師的腦海中，最終內化成他的 mindset，以潛意識方式影響和指導他的架構和設計工作。

一晃我在軟件研發行業工作十多個年頭了，前面大部分時間做架構設計和開發，現在轉型做研發管理。隨着時間的推移，很多技戰術細節性的東西 (工具，框架，編程語言) 在我腦海中漸漸模糊，但是一些平時學習積累起來，並且在實踐中加深體會的軟件架構設計和組織原則，這些原則性的東西卻絲毫沒有被時間沖淡，反而愈加清新。現在即使我不在一線開發，但這些沉澱下來的原則仍然潛移默化地影響我的日常管理和部分架構設計指導工作。我想有必要總結一下那些業界知名，給我留下深刻印象的軟件架構設計和組織原則，和大家一起分享。

二、軟件設計原則

GRASP 通用職責分配軟件模式

來自 Craig Larman 的軟件設計書《UML 和模式應用》[附錄 1]，Larman 在書中提出軟件設計的關鍵任務是職責分配，並提煉總結出 9 種 (5 種核心 + 4 種擴展) 軟件職責分配模式，這些模式是比 GoF 設計模式更抽象的元模式。

1. 信息專家 (Information Expert)

爲對象分配職責的通用原則 – 把職責分配給擁有足夠信息可以履行職責的專家

2. 創建者 (Creator)

將創建 A 的職責賦給 B，如果至少下面一種情況爲真：

3. 低耦合 (Low Coupling)

賦予職責使得對象間的耦合度儘可能低，最小化對象間的依賴和變更影響，最大化重用。

4. 高內聚 (High Cohesion)

賦予職責使得每個對象的職責儘可能保持聚焦和單一，易於管理和理解。

5. 控制器 (Controller)

把職責賦予系統、設備或者子系統的表示類 (門面控制器)，或者某個用例的表示類 (用例控制器)，讓控制器接收事件並協調整個系統的運作。

6. 多態 (Polymorphism)
7. 純虛構 (Pure Fabrication)
8. 間接 (Indirection)

在兩個或者多個對象間有交互的情況下，爲避免直接耦合，提高重用性，創建中間類並賦予職責，對象的交互交由中間類協調。

9. 受保護的變化 (Protected Variation)

簡單講就是封裝變化。識別系統中可能的不穩定或者變化，在不穩定組件上創建穩定的抽象接口，將可能的變化封裝在接口之後，使得系統內部的不穩定或者變化不會對系統的其它部分產生不良影響。

SOLID 面向對象設計原則

1. 單一職責原則 (The Single Responsibility Principle)

修改某個類的理由應該只有一個，如果超過一個，說明類承擔不止一個職責，要視情況拆分。

2. 開放封閉原則 (The Open Closed Principle)

軟件實體應該對擴展開放，對修改封閉。一般不要直接修改類庫源碼（即使你有源代碼），通過繼承等方式擴展。

3. 里氏替代原則 (The Liskov Substitution Principle)

當一個子類的實例能夠被替換成任何超類的實例時，它們之間纔是真正的 is-a 關係。

4. 依賴倒置原則 (The Dependency Inversion Principle)

高層模塊不應該依賴於底層模塊，二者都應該依賴於抽象。換句話說，依賴於抽象，不要依賴於具體實現。比方說，你不會把電器電源線焊死在室內電源接口處，而是用標準的插頭插在標準的插座 (抽象) 上。

5. 接口分離原則 (The Interface Segregation Principle)

不要強迫用戶去依賴它們不使用的接口。換句話說，使用多個專門的接口比使用單一的大而全接口要好。

我的解讀

  1. 我職業早年主要關注軟件設計和編程，所以花蠻多時間學習和消化 GRASP 和 SOLID 設計原則。這些原則對我影響很深，尤其是單一職責，信息專家，關注分離，依賴倒置 / 封裝變化，分而治之等核心原則，現在日常研發中我時常用這些原則指導新手工程師。

  2. 高內聚 + 低耦合，就像道中的一陰一陽，是所有其它 OO 設計原則的原則 (元原則)，其它設計原則都是在這兩個基礎上泛化衍生出來的。

  3. 上述原則雖然是針對 OO 設計和編程提出，但是對於大規模系統架構仍然適用。比如，微服務架構就體現了：

  1. 作爲架構師或者設計師，有兩個設計能力是需要重點培養的，也是最難和最能體現架構設計水平的：

三、分佈式系統架構設計原則和理論

AKF 架構原則

這 15 個架構原則來自《架構即未來 (The Art of Scalability)》[附錄 2] 一書，作者馬丁 L. 阿伯特和邁克爾 T. 費舍爾分別是 eBay 和 PayPal 的前 CTO，他們經歷過 eBay 和 PayPal 大規模分佈式電商平臺的架構演進，在一線實戰經驗的基礎上總結並提煉出 15 條架構原則：

1. N + 1 設計

永遠不要少於兩個，通常爲三個。比方說無狀態的 Web/API 一般部署至少 >=2 個。

2. 回滾設計

確保系統可以回滾到以前發佈過的任何版本。可以通過發佈系統保留歷史版本，或者代碼中引入動態開關切換機制 (Feature Switch)。

3. 禁用設計

能夠關閉任何發佈的功能。新功能隱藏在動態開關機制 (Feature Switch) 後面，可以按需一鍵打開，如發現問題隨時關閉禁用。

4. 監控設計

在設計階段就必須考慮監控，而不是在實施完畢之後補充。例如在需求階段就要考慮關鍵指標監控項，這就是度量驅動開發 (Metrics Driven Development) 的理念。

5. 設計多活數據中心

不要被一個數據中心的解決方案把自己限制住。當然也要考慮成本和公司規模發展階段。

6. 使用成熟的技術

只用確實好用的技術。商業組織畢竟不是研究機構，技術要落地實用，成熟的技術一般坑都被踩平了，新技術在完全成熟前一般需要踩坑躺坑。

7. 異步設計

能異步儘量用異步，只有當絕對必要或者無法異步時，才使用同步調用。

8. 無狀態系統

儘可能無狀態，只有當業務確實需要，才使用狀態。無狀態系統易於擴展，有狀態系統不易擴展且狀態複雜時更易出錯。

9. 水平擴展而非垂直升級

永遠不要依賴更大、更快的系統。一般公司成長到一定階段普遍經歷過買更大、更快系統的階段，即使淘寶當年也買小型機扛流量，後來扛不住才體會這樣做不 scalable，所以纔有後來的去 IOE 行動。

10. 設計時至少要有兩步前瞻性

在擴展性問題發生前考慮好下一步的行動計劃。架構師的價值就體現在這裏，架構設計對於流量的增長要有提前量。

11. 非核心則購買

如果不是你最擅長，也提供不了差異化的競爭優勢則直接購買。避免 Not Invented Here 症狀，避免凡事都要重造輪子，畢竟達成業務目標纔是重點。

12. 使用商品化硬件

在大多數情況下，便宜的就是最好的。這點和第 9 點是一致的，通過商品化硬件水平擴展，而不是買更大、更快的系統。

13. 小構建、小發布和快試錯

全部研發要小構建，不斷迭代，讓系統不斷成長。這個和微服務理念一致。

14. 隔離故障

實現故障隔離設計，通過斷路保護避免故障傳播和交叉影響。通過艙壁泳道等機制隔離失敗單元 (Failure Unit)，一個單元的失敗不至影響其它單元的正常工作。

15. 自動化

設計和構建自動化的過程。如果機器可以做，就不要依賴於人。自動化是 DevOps 的基礎。

我的解讀

  1. 這 15 條架構原則基本上是 eBay 在發展，經歷過流量數量級增長衝擊過程中，通過不斷踩坑踩出來的，是乾貨中的乾貨。消化吸收這 15 條原則，基本可保系統架構不會有原則性問題。

  2. 這 15 條原則同樣適用於現在的微服務架構。eBay 發展較早，它內部其實很早 (差不多 2010 年前) 就已形成完善的微服務生態，只是沒有提出微服務這個概念。

  3. 這 15 條原則可根據 TTM(Time To Market)，可用性 / 可擴展性 / 質量，成本 / 效率分佈在三個環內，如下圖所示:

十二要素應用

Heroku[附錄 3] 是國外知名的雲應用平臺。基於上百萬應用的託管和運營經驗，創始人 Adam Wiggins 提出了 12 要素應用宣言 [附錄 4]。簡單講，滿足這 12 個要素的應用是比較容易雲化並居住在 Heroku 平臺上的。

1. 基準代碼

一份基準代碼，多份部署。如果用鏡像部署方式，則一個鏡像可以部署到多個環境 (測試，預發，生產)，而不是給每個環境製作一個不同鏡像。

2. 依賴

顯式聲明依賴。如果用鏡像部署，則一般依賴被直接打在鏡像中，或者聲明在 docker file 中。

3. 配置

在環境中存儲配置。在 Heroku 或者類似的 PaaS 平臺上，配置一般是推薦注入到環境變量中的。現在採用集中式配置中心也是一種流行方式。

4. 後端服務

把後端服務 (例如緩存，數據庫，MQ 等) 當作附加資源，相關配置和連接字符串通過環境變量注入，或者採用配置中心。

5. 構建、發佈和運行

嚴格分離構建和運行。如果使用鏡像部署，則構建、發佈 / 運行是通過鏡像這種中間格式嚴格分離的。

6. 進程

一個或者多個無狀態的進程運行應用。容器運行時相當於進程，適用於無狀態 Web/API。

7. 端口綁定

通過端口綁定提供服務。容器也是通過端口綁定對外提供服務。

8. 併發

通過進程模型進行擴展。容器運行時相當於進程，通過起多個容器可以任意擴展併發數量。

9. 易處理

快速啓動和優雅終止可最大化健壯性。docker 容器支持秒級啓動和關閉。

10. 開發環境和線上環境等價

儘可能保持開發、測試、預發和線上環境相同。容器可以保證容器內運行時環境的一致性，還需要保證不同環境的一致性，例如不同環境內的操作系統，負載均衡，服務發現，後臺服務，監控告警等要儘可能一致。

11. 日誌

把日誌當作數據流。Heroku 不支持本地文件，所以必須以流方式把日誌輸送到後臺日誌服務。除了日誌以外還要補充考慮 metrics 流的採集和輸送。

12. 管理進程

後臺管理任務當作一次性的進程。其實相當於在 Heroku 上以獨立進程方式運行任務 Job。

我的解讀

  1. 12 要素應用也是當前雲原生應用 (Cloud Native App) 的參考標準，我把這 12 要素也稱爲雲應用遷移原則。滿足這 12 個要素的應用，可以比較順利遷移到各種雲平臺 (Kubernetes, Marathon, Cloud Foundry 等) 上。

  2. 對於面臨企業遺留應用改造和雲化遷移的架構師，可以重點參考這 12 條遷移原則。

  3. Docker 容器技術可以認爲是爲雲遷移量身定製的技術。容器化是後續雲遷移的捷徑，所以遺留應用改造可以先想辦法做到容器化。

CAP 定理

2000 年 7 月，加州大學伯克利分校的 Eric Brewer 教授在 ACM PODC 會議上提出 CAP 猜想。2 年後，麻省理工學院的 Seth Gilbert 和 Nancy Lynch 從理論上證明了 CAP。之後，CAP 理論正式成爲分佈式計算領域的公認定理。

CAP 認爲：一個分佈式系統最多同時滿足一致性 (Consistency)，可用性(Availability) 和分區容忍性 (Partition Tolerance) 這三項中的兩項。

1. 一致性 (Consistency)

一致性指 “all nodes see the same data at the same time”，即更新操作成功，所有節點在同一時間的數據完全一致。

2. 可用性 (Availability)

可用性指 “Reads and writes always succeed”，即服務一直可用，而且響應時間正常。

3. 分區容忍性 (Partition tolerance)

分區容忍性指 “the system continue to operate despite arbitrary message loss or failure of part of the system.”，即分佈式系統在遇到某節點或網絡分區故障時，仍然能夠對外提供滿足一致性和可用性的服務。

BASE 理論

eBay 架構師 Dan Pritchett 基於對大規模分佈式系統的實踐總結，在 ACM 上發表文章提出了 BASE 理論，BASE 理論是對於 CAP 理論的延伸，核心思想是即使無法做到強一致性 (Strong Consistency，CAP 中的一致性指強一致性)，但是可以採用適當的方式達到最終一致性 (Eventual Consistency)。

BASE 指基本可用 (Basically Available)、軟狀態(Soft State) 和最終一致性(Eventual Consistency)。

1. 基本可用 (Basically Available)

基本可用是指分佈式系統在出現故障時，允許損失部分可用性，即保證核心可用。比如服務降級。

2. 軟狀態 (Soft State)

軟狀態是指允許系統存在中間狀態，而該中間狀態不會影響系統的整體可用性。分佈式存儲中一般一份數據至少存三個副本，允許不同節點間副本同步的延遲就是軟狀態的體現。

3. 最終一致性 (Eventual Consistency)

最終一致性是指系統中的所有數據副本經過一段時間後，最終能夠達成一致狀態。弱一致性和強一致性相反，最終一致性是弱一致性的一種特殊情況。

我的解讀

  1. CAP 和 BASE 理論可以摳得很深，背後甚至有很複雜的數學證明。我理解得相對簡單淺顯：性能、高可用、不丟數據和數據一致性對分佈式系統來說一般是強需求，隨着流量的增長，複製和分區在所難免：
  1. 選擇使用分佈式產品時，比如 NoSQL 數據庫，你需要了解它在 CAP 環中所在的位置，確保它滿足你的場景需要。

四、組織和系統改進原則

康威法則

Melvin Conway 在 1967 年提出所謂康威法則 [附錄 5]，指出組織架構和系統架構之間有一種隱含的映射關係：

Organization which design system […] are constrained to produce designs which are copies of the communication structures of these organization. 設計系統的組織其產生的設計等價於組織間的溝通結構。

康威法則也可以倒過來闡述：

Conway’s law reversed：You won’t be able to successfully establish an efficient organization structure that is not supported by your system design(architecture)。 如果系統架構不支持，你無法建立一個高效的組織；同樣，如果你的組織架構不支持，你也無法建立一個高效的系統架構。

系統改進三原則

IT 運維管理暢銷書《鳳凰項目》[附錄 8] 的作者 Gene Kim 在調研了衆多高效能 IT 組織後總結出支撐 DevOps 運作的三個原理 (The Three Ways: The Principles Underpinning DevOps)[附錄 9]，我認爲也是系統改進提升的一般性原理 [附錄 7]，見下圖：

原理一：系統思考 (System Thinking)

開發驅動的組織，其能力不是製作軟件，而是持續的交付客戶價值。價值從業務需求開始，經過研發測試，到部署運維，依次流動，並最終以服務形式交付到客戶手中。整個價值鏈流速並不依賴單個部分 (團隊或個人) 的傑出工作，而是受整個價值鏈最薄弱環節 (瓶頸) 的限制。所以局部優化通常無效，反而招致全局受損。

Gene Kim 特別指出：

Any improvements made anywhere besides the bottleneck are an illusion. 在瓶頸之外的任何優化提升都只是幻象。

原理二：強化反饋環 (Amplify Feedback Loops)

過程改進常常通過加強反饋環來達成。原理二強調企業和客戶之間、組織團隊間、流程上和系統內的反饋環。沒有測量就沒有提升，反饋要以測量數據爲準，通過反饋數據優化改進系統。

原理三：持續試驗和學習的文化 (Culture of Continual Experimentation And Learning)

在企業管理文化層面強調勇於試錯和持續試驗、學習和改進的文化。

我的解讀

  1. 康威法則給我們的啓示：系統架構和組織架構之間有隱含的映射關係，你不能單方面改變一方的結構，調整時必須兩邊聯動。系統架構如果是耦合的，就很難組織分散式的團隊結構，兩邊映射不起來，團隊之間容易摩擦導致生產率下降。所以一般先按業務邊界對單塊應用進行解耦拆分，同時做相應的團隊拆分，使兩邊可以映射，每個團隊可以獨立開發、測試和部署各自的微服務，進而提升生產率。這就是近年流行的微服務架構背後的組織原則。詳見我之前發表的文章《企業的組織架構是如何影響技術架構的》[附錄 6]。

  2. 系統思考要求我們加強團隊合作，培養流式思維和瓶頸約束思維，找出瓶頸並針對性地優化。在研發型組織中，常見的系統瓶頸如運維機器資源提供 (Provisioning) 緩慢，發佈流程繁瑣容易出錯，開發 / 測試／UAT 環境缺失或不完善，遺留系統耦合歷史負擔重，基礎研發平臺薄弱等等。這些瓶頸點特別需要關注優化。

  3. 反饋原理要求我們關注基於數據的反饋，技術上的手段包括大數據分析和系統各個層次的測量監控。沒有測量就沒有反饋，沒有反饋就沒有提升。

  4. 在管理文化層面：

五、寫在最後

上述原則是架構師必須深入理解和掌握的，但是不能盲從，實際工作中要根據業務、時間、資源和團隊情況隨機應變。原則有時甚至可以被違反，當然這樣做一定有成本，架構師要意識這一點，並適時變通補償。

上述原則僅是我個人視角總結，有些理解難免偏頗。如果你認爲我忽略了哪些重要的原則，或理解有誤，請記得線下和我交流！

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