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什么是軟件架構？

軟件架構是定義軟件系統的高級結構和組織的過程。它涉及識別和選擇正確的組件，決定它們之間如何交互，以及確定它們應該如何組織以實現特定的目標。軟件架構的目標是創建一個可維護、可擴展和安全的系統，能夠滿足用戶和組織的需求。

為什么我們需要軟件架構？

強大的架構為構建滿足用戶和利益相關者需求的軟件提供了堅實的基礎。它確保系統滿足其功能和非功能需求，如性能、安全性和可靠性。通過良好設計的架構，開發人員可以構建易于修改和擴展的軟件，從而更容易適應不斷變化的業務需求。

軟件架構對于管理復雜性也至關重要。隨著軟件系統變得越來越復雜，了解不同組件之間如何交互變得具有挑戰性。良好設計的架構提供了對系統的高級視圖，使得更容易理解其結構和操作。這反過來幫助開發人員識別潛在問題，并就如何修改系統做出明智決策。

如何文檔化架構？4C模型。

上下文級別（Context Level）

在最高級別的上下文級別，描述系統的外部環境，如用戶、其他系統、法規等。這一級別提供了系統的目的和與外部世界的關系的高級概述。它有助于識別將與系統交互的利益相關者以及影響其設計和開發的因素。

容器級別（Containers level）

下一個級別是容器級別，它描述了系統的運行時環境，如服務器、數據庫或消息隊列。這一級別有助于識別主要的技術選擇和部署決策。它提供了對將支持系統的物理基礎設施以及部署和維護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，它描述了系統的主要功能構建塊。這一級別有助于識別構成系統的模塊、類或函數。它提供了對系統功能和其不同組件之間關系的理解。

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組件。這一級別提供了對系統如何工作以及其不同組件如何相互交互的詳細理解。對于將與代碼一起工作的開發人員來說，清楚代碼如何結構化和工作是至關重要的。

使用C4模型，軟件架構師可以創建圖表和書面文檔，描述每個級別，提供系統架構的全面視圖。這種方法有助于識別潛在問題和權衡，同時促進可擴展性、可維護性和適應性。通過以這種方式記錄架構，開發人員和利益相關者可以清晰、易于理解地了解系統，從而更容易根據業務需求進行修改和擴展。

以下為軟件工程師應該了解的12中軟件架構風格與設計。

1. 客戶端-服務器

客戶端-服務器架構是一種模型，其中客戶端（用戶或應用程序）向服務器發送請求，服務器則返回所請求的數據或服務。客戶端和服務器可以在同一臺機器上，也可以通過網絡連接在不同的機器上。

客戶端負責發起與服務器的通信并發送請求。而服務器則監聽來自客戶端的請求，處理并返回響應。

客戶端-服務器架構的優勢：

• 可擴展性：客戶端-服務器架構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器并共享資源。
• 安全性：客戶端-服務器架構提供比其他網絡模型更好的安全性，因為服務器可以控制對資源和數據的訪問。
• 可靠性：客戶端-服務器架構非常可靠，因為服務器可以在發生故障時提供備份和恢復服務。

2. 分層

這是一種設計復雜軟件系統的常見方式，它將系統分解為多個層，每個層負責特定的功能集。這種方法有助于組織代碼，并使得系統隨著時間的推移更容易維護和修改。

典型的分層架構包括三個主要層：表示層、業務邏輯層和數據訪問層。

表示層：表示層負責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容，例如按鈕、文本框和菜單。表示層還包括與用戶界面相關的任何邏輯，例如事件處理程序和驗證。

業務邏輯層：業務邏輯層負責實現應用程序的業務規則。該層包含處理和操作數據的代碼，以及任何其他應用程序邏輯。業務邏輯層是軟件發揮魔力的地方，它是軟件執行計算、做出決策和執行任務的地方，也是軟件真正發揮作用的地方。

數據訪問層：數據訪問層負責與數據庫或其他外部數據源進行交互。該層包含讀取和寫入數據到數據庫的代碼。數據訪問層是軟件檢索數據、對數據進行更改并將更改保存回數據庫的關鍵。這一層對軟件的功能至關重要，因為它使得軟件能夠存儲和檢索數據。

3. 管道和過濾器

管道和過濾器架構是一種設計模式，允許軟件系統通過將處理任務分離為多個獨立組件來處理數據。這種架構對于需要處理大量數據的系統特別有幫助。它可以提高性能、可擴展性和可維護性。

管道和過濾器架構基于管道的概念，數據通過一系列處理步驟流動，每個步驟執行特定的任務。每個處理步驟都被實現為一個獨立的組件或過濾器，它接受數據作為輸入，在數據上執行某些操作，并生成輸出數據。輸出數據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、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有過濾器，而不會影響系統的其他部分。

優勢：

• 可擴展性：該架構可以通過向管道中添加更多的過濾器來進行水平擴展，從而使系統能夠處理更大量的數據。
• 性能：該架構可以通過將數據處理并行化到多個過濾器上來優化性能。
• 可維護性：該架構促進了模塊化和關注點分離，使得系統更易于維護和更新。

4. 主從

主從架構是一種在分布式系統中使用的設計模式，其中一個節點（主節點）控制一個或多個節點（從節點）執行特定任務。主節點負責將工作負載分配給從節點，并協調它們的活動。從節點沒有與主節點相同的控制級別，只執行主節點分配給它們的任務。

優勢：最重要的優勢之一是它允許有效地將工作負載分布到多個節點上。這有助于減輕任何一個節點的負載，并確保系統能夠處理大量的數據和流量。

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

5. 微內核

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

例子：

以電子商務網站為例。微內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。其他功能，如產品推薦、用戶評論和社交媒體集成，將在單獨的模塊中實現。

如果網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并添加，而不會影響系統的核心功能。這種模塊化使得可以更容易地添加新功能或刪除現有功能，而不會影響核心系統功能。

此外，如果網站想要根據不同用戶的特定需求定制其系統，可以為每個用戶選擇所需的模塊。例如，經常購買電子產品的用戶可以提供一個推薦電子產品的模塊。另一方面，經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，如果網站想要擴展其系統以處理更多用戶或硬件變化，可以根據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用戶需求或底層硬件的變化調整系統。

6. 領域驅動設計（DDD）

在本質上，DDD是一種關于軟件架構的思考方式，強調項目的領域或問題空間。這意味著開發人員關注的是軟件的業務邏輯，而不僅僅是技術實現。

在實踐中，這意味著開發人員首先理解他們正在工作的領域，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建領域模型，這是領域內不同實體及其相互交互的表示。

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

7. 基于組件

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

什么是組件？

軟件組件是一種模塊化、自包含的軟件單元，可以在不同的系統中重復使用。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。該接口包括有關組件的輸入、輸出和行為的信息。

組件可以根據其功能進行分類，例如用戶界面組件、數據訪問組件和業務邏輯組件。每種類型的組件在軟件系統中扮演特定的角色，并可以通過其接口與其他組件進行交互。

8. 面向服務體系結構（SOA）

SOA是一種旨在創建模塊化、可重用服務的架構風格，這些服務可以輕松地與其他服務集成以創建一個更大的系統。在這種方法中，服務通過接口公開其功能，其他服務或應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建軟件。這種模塊化的方法使開發人員可以專注于構建特定的功能，并將其與其他部分集成以創建一個更大的系統。

SOA的核心組件

服務提供者：服務提供者負責創建和公開服務，供外界使用。這些服務可以被其他服務、應用程序或最終用戶使用。例如，付款處理服務提供商可以創建和公開一個服務，允許其他應用程序處理付款。

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

服務請求者：服務請求者負責消費服務提供者公開的服務。可以通過使用服務注冊表找到合適的服務，然后調用其接口來完成。例如，一個應用程序可以使用服務注冊表找到付款處理服務，然后使用其接口來處理付款。

9. 單體

單體架構是一種存在了幾十年的軟件設計風格。它是將應用程序作為一個單一、緊密結合的單元構建的一種方式，而不是將其拆分為個別的、更小的組件。

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

這使得開發和部署應用程序變得容易，因為所有內容都在一個地方。它也使得通過添加更多的服務器來實現水平擴展變得更容易。

單體架構的優勢

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

另一個優勢是單塊應用程序的維護和調試更容易。由于所有內容都在一個地方，更容易追蹤問題并進行修復。

單體架構的缺點

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

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

10. 微服務

微服務架構是一種軟件架構風格，將應用程序構建為一組小型、獨立的服務，它們通過網絡相互通信。每個服務專注于特定的業務能力，并可以獨立于系統中的其他服務進行開發、部署和擴展。

微服務架構的主要思想是將一個大型的、單體式應用程序拆分為更小、更易管理的服務。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。

在微服務架構中，每個服務可以獨立地進行擴展，更容易處理流量峰值或需求變化。開發人員還可以修改或添加新的服務，而不影響系統的其他部分，從而加快了開發過程。

微服務架構的挑戰

盡管微服務架構帶來了許多好處，但也引入了額外的復雜性。其中一個最大的挑戰是管理服務之間的通信。服務需要能夠發現彼此并有效地進行通信，這在規模上可能很困難。在微服務架構中，負載均衡和容錯性也更加復雜。

另一個挑戰是確保每個服務都有自己的數據存儲。在單體應用程序中，所有數據通常存儲在一個數據庫中。而在微服務中，每個服務應該有自己的數據存儲，以確保對一個服務的更改不會影響系統中的其他服務。這可能導致數據管理和同步方面的復雜性增加。

微服務架構的最佳實踐

為了確保基于微服務的系統的成功，開發人員應遵循設計和實現微服務的最佳實踐。其中一些最佳實踐包括：

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

11. 事件驅動

事件驅動架構（EDA）是一種設計軟件系統的方法，它能夠實現不同組件或服務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。

在事件驅動架構中，事件由軟件系統的不同組件生成，例如用戶界面或后端服務。這些事件隨后廣播到系統的其他組件，這些組件可以訂閱事件并根據需要對其進行處理。

例如，考慮一個簡單的電子商務應用程序。當下達一個新訂單時，訂單處理服務可以生成一個“訂單創建”事件，然后廣播到其他服務，如庫存管理、發貨和結算。每個服務都可以處理事件并對其各自的系統進行更新。

事件驅動的好處

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

事件驅動架構的另一個好處是可擴展性。由于事件廣播到系統的多個組件，可以并行處理大量的數據和事務。這使得更容易處理高流量和需求峰值。

事件驅動架構的挑戰

盡管事件驅動架構具有許多好處，但也存在一些挑戰。其中一個主要挑戰是管理事件驅動系統的復雜性。由于事件可以由許多不同的組件生成和消費，跟蹤和調試出現的問題可能很困難。

另一個挑戰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。這可能導致數據不一致或計算錯誤等問題。

12. 基于流

隨著軟件開發變得越來越復雜，對可擴展性的需求也越來越高，傳統的架構變得越來越不夠用。基于流的架構作為一種有前途的替代方案出現，使開發人員能夠構建能夠實時處理大量數據的系統。

基于流的架構的核心是基于事件驅動編程的原則。基于流的系統不是批量處理數據，而是實時處理數據生成的數據。這使得開發人員能夠構建能夠以最小延遲響應數據變化的系統。

基于流的架構的好處

基于流的架構的一個關鍵好處是可擴展性。由于數據是實時處理的，基于流的系統可以處理大量的數據，而無需復雜的批處理流程。這使得可以構建每秒處理數百萬個事件的系統，非常適合傳感器數據處理、金融交易和在線廣告等用例。

基于流的架構的另一個好處是靈活性。由于數據是實時處理的，可以構建能夠以最小延遲響應數據變化的系統。這使得可以構建復雜的、事件驅動的系統，能夠適應不斷變化的業務需求。例如，在電子商務平臺中，可以使用基于流的架構實時跟蹤用戶活動，并根據用戶的瀏覽和購買歷史提供個性化推薦和促銷活動。

此外，基于流的架構可以帶來顯著的成本節省。傳統的批處理流程需要昂貴的硬件和復雜的軟件基礎設施來管理數據處理。而基于流的系統可以建立在廉價的通用硬件上，使得擴展和維護更加容易。

最后，基于流的架構具有很高的容錯性。由于數據是實時處理的，可以構建能夠自動從故障中恢復的系統，無需手動干預。這使得可以構建具有高可靠性的大規模運行系統，降低數據丟失或系統停機的風險。

小結

軟件架構對于構建滿足用戶和利益相關者需求的成功軟件系統至關重要。它提供了設計和開發軟件系統的藍圖，確保系統滿足其功能和非功能需求，促進適應性，并幫助管理復雜性。因此，在軟件開發項目的開始階段投入時間和資源來設計一個健壯的架構是至關重要的。希望這篇文章能夠對你有一些幫助。