八种架构设计模式及其优缺点.docx
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八种架构设计模式及其优缺点
八种架构设计模式及其优缺点概述（上）
1.什么是架构
我想这个问题，十个人回答得有十一个答案，因为另外的那一个是大家妥协的结果。
哈哈，我理解，架构就是骨架，如下图所示：
人类的身体的支撑是主要由骨架来承担的，然后是其上的肌肉、神经、皮肤。
架构对于软件的重要性不亚于骨架对人类身体的重要性。
2.什么是设计模式
这个问题我问过的面试者不下于数十次，回答五花八门，在我看来，模式就是经验，设计模式就是设计经验，有了这些经验，我们就能在特定情况下使用特定的设计、组合设计，这样可以大大节省我们的设计时间，提高工作效率。
作为一个工作10年以上的老码农，经历的系统架构设计也算不少，接下来，我会把工作中用到的一些架构方面的设计模式分享给大家，望大家少走弯路。
总体而言，共有八种，分别是：
1.单库单应用模式：
最简单的，可能大家都见过
2.内容分发模式：
目前用的比较多
3.查询分离模式：
对于大并发的查询、业务
4.微服务模式：
适用于复杂的业务模式的拆解
5.多级缓存模式：
可以把缓存玩的很好
6.分库分表模式：
解决单机数据库瓶颈
7.弹性伸缩模式：
解决波峰波谷业务流量不均匀的方法之一
8.多机房模式：
解决高可用、高性能的一种方法
3.单库单应用模式 这是最简单的一种设计模式，我们的大部分本科毕业设计、一些小的应用，基本上都是这种模式，这种模式的一般设计见下图：
如上图所示，这种模式一般只有一个数据库，一个业务应用层，一个后台管理系统，所有的业务都是用过业务层完成的，所有的数据也都是存储在一个数据库中的，好一点会有数据库的同步。
虽然简单，但是也并不是一无是处。
优点：
结构简单、开发速度快、实现简单，可用于产品的第一版等有原型验证需求、用户少的设计。
缺点：
性能差、基本没有高可用、扩展性差，不适用于大规模部署、应用等生产环境。
4.内容分发模式 基本上所有的大型的网站都有或多或少的采用这一种设计模式，常见的应用场景是使用CDN技术把网页、图片、CSS、JS等这些静态资源分发到离用户最近的服务器。
这种模式的一般设计见下图：
如上图所示，这种模式较单库单应用模式多了一个CDN、一个云存储OSS（七牛、又拍等雷同）。
一个典型的应用流程（以用户上传、查看图片需求为例）如下：
1.上传的时候，用户选择本地机器上的一个图片进行上传
2.程序会把这个图片上传到云存储OSS上，并返回该图片的一个URL
3.程序把这个URL字符串存储在业务数据库中，上传完成。
4.查看的时候，程序从业务数据库得到该图片的URL
5.程序通过DNS查询这个URL的图片服务器
6.智能DNS会解析这个URL，得到与用户最近的服务器（或集群）的地址A
7.然后把服务器A上的图片返回给程序
8.程序显示该图片，查看完成。
由上可知，这个模式的关键是智能DNS，它能够解析出离用户最近的服务器。
运行原理大致是：
根据请求者的IP得到请求地点B，然后通过计算或者配置得到与B最近或通讯时间最短的服务器C，然后把C的IP地址返回给请求者。
这种模式的优缺点如下：
优点：
资源下载快、无需过多的开发与配置，同时也减轻了后端服务器对资源的存储压力，减少带宽的使用。
缺点：
目前来说OSS，CDN的价格还是稍微有些贵（虽然已经降价好几次了），只适用于中小规模的应用，另外由于网络传输的延迟、CDN的同步策略等，会有一些一致性、更新慢方面的问题
八种架构设计模式及其优缺点概述（中）
2017-03-31码农原创码农原创
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在上篇文章中，介绍了八种架构设计模式中的两种，既：
单库单应用模式、内容分发模式，没有读过的同学请手动微信关注“码农原创”公众号，在历史消息中寻找。
接下来继续介绍三种架构模式，分别是：
查询分离模式、微服务模式、多级缓存模式。
1.查询分离模式
这种模式主要解决单机数据库压力过大，从而导致业务缓慢甚至超时，查询响应时间变长的问题，也包括需要大量数据库服务器计算资源的查询请求。
这个可以说是单库单应用模式的升级版本，也是技术架构迭代演进过程中的必经之路。
这种模式的一般设计见下图：
如上图所示，这种模式较单库单应用模式与内容分发模式多了几个部分，一个是业务数据库的主从分离，一个是引入了ES，为什么要这样？
都解决了哪些痛点，下面具体结合业务需求场景进行叙述。
场景一：
全文关键词检索
我想这个需求，绝大多数应用都会有，如果使用传统的数据库技术，大部分可能都会使用like这种SQL语句，高级一点可能是先分词，然后通过分词index相关的记录。
SQL语句的性能问题与全表扫描机制导致了非常严重的性能问题，现在基本上很少见到。
这里的ES是ElasticSearch的缩写，是一种查询引擎，类似的还有Solr等，都差不多的技术，ES较Solr配置简单、使用方便，所以这里选用了它。
另外，ES支持横向扩展，理论上没有性能的瓶颈。
同时，还支持各种插件、自定义分词器等，可扩展性较强。
在这里，使用ES不仅可以替代数据库完成全文检索功能，还可以实现诸如分页、排序、分组、分面等功能。
具体的，请同学们自行学习之。
那怎么使用呢？
一个一般的流程是这样的：
1.服务端把一条业务数据落库
2.服务端异步把该条数据发送到ES
3.ES把该条记录按照规则、配置放入自己的索引库
4.客户端查询的时候，由服务端把这个请求发送到ES，得到数据后，根据需求拼装、组合数据，返回给客户端
实际中怎么用，还请同学们根据实际情况做组合、取舍。
场景二：
大量的普通查询
这个场景是指我们的业务中的大部分辅助性的查询，如：
取钱的时候先查询一下余额，根据用户的ID查询用户的记录，取得该用户最新的一条取钱记录等。
我们肯定是要天天要用的，而且用的还非常多。
同时呢，我们的写入请求也是非常多的，导致大量的写入、查询操作压向同一数据库，然后，数据库挂了，系统挂了，领导生气了，被开除了，还不起房贷了，露宿街头了，老婆跟别人跑了，......
不敢想，所以要求我们必须分散数据库的压力，一个业界较成熟的方案就是数据库的读写分离，写的时候入主库，读的时候读从库。
这样就把压力分散到不同的数据库了，如果一个读库性能不行，扛不住的话，可以一主多从，横向扩展。
可谓是一剂良药啊！
那怎么使用呢？
一个一般的流程是这样的：
1.服务端把一条业务数据落库
2.数据库同步或异步或半同步把该条数据复制到从库
3.服务端读数据的时候直接去从库读相应的数据
比较简单吧，一些聪明的、爱思考的、上进的同学可能发现问题了，也包括上面介绍的场景一，就是延迟问题，如：
数据还没有到从库，我就马上读，那么是读不到的，会发生问题的。
对于这个问题，各家公司解决的思路不一样，方法不尽相同。
一个普遍的解决方案是：
读不到就读主库，当然这么说也是有前提条件的，但具体的方案这里就不一一展开了，我可能会在接下来的分享中详解各种方案。
另外，关于数据库的复制模式，还请同学们自行学习，太多了，这里说不清。
该总结一下这种模式的优缺点的了，如下：
优点：
减少数据库的压力，理论上提供无限高的读性能，间接提高业务（写）的性能，专用的查询、索引、全文（分词）解决方案。
缺点：
数据延迟，数据一致性的保证。
2.微服务模式
上面的模式看似不错，解决了性能问题，我可以不用露宿街头了、老婆还是我的，哈哈。
但是
软件系统天生的复杂性决定了，除了性能，还有其他诸如高可用、健壮性等大量问题等待我们解决，再加上各个部门间的撕逼、扯皮，更让我们码农雪上加霜，所以
继续吧......
微服务模式可以说是最近的热点，花花绿绿、大大小小、国内国外的公司都在鼓吹，实践这个模式，可是大部分都没有弄清楚为什么要这么做，也并不知道这么做有什么好处、坏处，在这里，我将以我自己的亲身实践说一下我对这个模式的看法，不喜勿喷！
随着业务与人员的增加，遇到了如下的问题：
1.单机数据库写请求量大量增加，导致数据库压力变大
2.数据库一旦挂了，那么整个业务都挂了
3.业务代码越来越多，都在一个GIT里，越来越难以维护
4.代码腐化严重、臭味越来越浓
5.上线越来越频繁，经常是一个小功能的修改，就要整个大项目要重新编译
6.部门越来越多，该哪个部门改动大项目中的哪个东西，撕逼的厉害
7.其他一些外围系统直接连接数据库，导致一旦数据库结构发生变化，所有的相关系统都要通知，甚至对修改不敏感的系统也要通知
8.每个应用服务器需要开通所有的权限、网络、FTP、各种各样的，因为每个服务器部署的应用都是一样的
9.作为架构师，我已经失去了对这个系统的把控......
为了解决上述问题，我司使用了微服务模式，这种模式的一般设计见下图：
如上图所示，我把业务分块，做了垂直切分，切成一个个独立的系统，每个系统各自衍化，有自己的库、缓存、ES等辅助系统，系统之间的实时交互通过RPC，异步交互通过MQ，通过这种组合，共同完成整个系统功能。
那么，这么做是否真的解决上述问题了呢？
不玩虚的，一个个来说。
对于问题一，由于拆分成了多个子系统，系统的压力被分散了，而各个子系统都有自己的数据库实例，所以数据库的压力变小。
对于问题二，一个子系统A的数据库挂了，只是影响到系统A和使用系统A的那些功能，不会所有的功能不可用，从而解决一个数据库挂了，导致所有功能不可用的问题。
问题三、四，也因为拆分得到了解决，各个子系统有自己独立的GIT代码库，不会相互影响。
通用的模块可通过库、服务、平台的形式解决。
问题五，子系统A发生改变，需要上线，那么我只需要编译A，然后上线就可以了，不需要其他系统做同样的事情。
问题六，顺应了康威定律，我部门该干什么事、输出什么，也通过服务的形式暴露出来，我部只管把我部的职责、软件功能做好就可以。
问题七，所有需要我部数据的需求，都通过接口的形式发布出去，客户通过接口获取数据，从而屏蔽了底层数据库结构，甚至数据来源，我部只需保证我部的接口契约没有发生变化即可，新的需求增加新的接口，不会影响老的接口。
问题八，不同的子系统需要不同的权限，这个问题也优雅的解决了。
问题九，暂时控制住了复杂性，我只需控制好大的方面，定义好系统边界、接口、大的流程，然后再分而治之、逐个击破、合纵连横。
目前来说，所有问题得到解决！
bingo!
但是，还有许多其他的副作用会随之产生，如RPC、MQ的超高稳定性、超高性能，网络延迟，数据一致性等问题，这里就不展开来讲了，太多了，一本书都讲不完。
另外，对于这个模式来说，最难把握的是度，切记不要切分过细，我见过一个功能一个子系统，上百个方法分成上百个子系统的，真的是太过度了。
实践中，一个较为可行的方法是：
能不分就不分，除非有非常必要的理由！
。
优点：
相对高性能，可扩展性强，高可用，适合于中等以上规模公司架构。
缺点：
复杂、度不好把握。
指不仅需要一个能在高层把控大方向、大流程、总体技术的人，还需要能够针对各个子系统有针对性的开发。
把握不好度或者滥用的话，这个模式适得其反！
3.多级缓存模式
这个模式可以说是应对超高查询压力的一种普遍采用的策略，基本的思想就是在所有链路的地方，能加缓存就加缓存，如下图所示：
如上图所示，一般在三个地方加入缓存，一个是客户端处，一个是API网关处，一个是具体的后端业务处，下面分别介绍。
客户端处缓存：
这个地方加缓存可以说是效果最好的---无延迟。
因为不用经过长长的网络链条去后端业务处获取数据，从而导致加载时间过长，客户流失等损失。
虽然有CDN的支持，但是从客户端到CDN还是有网络延迟的，虽然不大。
具体的技术依据不同的客户端而定，对于WEB来讲，有浏览器本地缓存、Cookie、Storage、缓存策略等技术；对于APP来讲，有本地数据库、本地文件、本地内存、进程内缓存支持。
以上提到的各种技术有兴趣的同学可以继续展开来学习。
如果客户端缓存没有命中，那么就会去后端业务拿数据，一般来讲，都会有个API网关，在这里加缓存也是非常有必要的。
API网关处缓存：
这个地方加缓存的好处是不用把请求发送到后方，直接在这里就处理了，然后返回给请求者。
常见的技术，如http请求，API网关用的基本都是nginx，可以使用nginx本身的缓存模块，也可以使用Lua+Redis技术定制化。
其他的也都大同小异。
后端业务处：
这个我想就不用多说了，大家应该差不多都知道，什么Redis,Memcache,Jvm内等等，不熬述了。
实践中，要结合具体的实际情况，综合利用各级缓存技术，使得各种请求最大程度的在到达后端业务之前就被解决掉，从而减少后端服务压力、减少占用带宽、增强用户体验。
至于是否只有这三个地方加缓存，我觉得要活学活用，心法比剑法重要！
总结一下这个模式的优缺点：
优点：
抗住大量读请求，减少后端压力。
缺点：
数据一致性问题较突出，容易发生雪崩，即：
如果客户端缓存失效、API网关缓存失效，那么所有的大量请求瞬间压向后端业务系统，后果可想而知。
本次分享的中篇到此结束，接下来的下篇将介绍最后三种模式：
分库分表模式、弹性伸缩模式、多机房模式，相对来讲技术含量更高，敬请期待！
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