软件架构设计与模式之:模块化设计与组件化架构

发布于:2023-10-25 ⋅ 阅读:(147) ⋅ 点赞:(0)

作者:禅与计算机程序设计艺术

1.背景介绍

随着互联网网站业务的快速发展、开发者的不断增加、需求变更的剧烈变化以及移动互联网的普及,软件架构设计与开发方式也在发生巨大的变革。现在,人们越来越重视企业级应用的架构设计与开发,而传统的SOA(面向服务)架构已无法适应新的开发模式,此时,基于模块化设计与组件化架构(Microservices Architecture)的软件架构设计与开发模式将成为行业的共识与主流方向。

模块化设计与组件化架构模式是一种建立在微服务架构基础上的架构设计与开发模式,它将复杂应用程序分解成不同的独立功能模块或组件,每个模块负责单一的功能或任务,这些模块之间通过接口通信。这种架构模式可以有效地提高软件的可靠性、可维护性、扩展性、并发处理能力等。其核心优点如下:

  1. 隔离性:每个模块都可以独立部署、测试和迭代更新,不会相互影响;
  2. 可扩展性:当新增功能时,只需要增加一个新的模块即可,旧模块的代码不需要修改;
  3. 自动化部署:每个模块都可以独立部署到服务器上,不需要集中管理;
  4. 抗失败性:模块之间采用异步通信,降低了单点故障带来的风险。

2.核心概念与联系

模块化架构的核心概念

服务边界划分与通信协议

  1. 定义:模块化架构下,应用被划分成多个“服务”单元,它们之间通过“消息”进行通信。消息是指从服务发送给另一个服务的数据结构和信息。

  2. 消息类型:两种主要的消息类型:请求/响应型(request-response messaging)和发布/订阅型(publish-subscribe messaging)。请求/响应型的消息包括同步请求和异步请求,两类消息都是客户发出请求后得到反馈;而发布/订阅型的消息则是允许多个订阅者接收相同消息。

  3. 通信协议:应用程序中的各个服务之间通信的协议称为接口契约(interface contract)。接口契约定义了各个服务之间的交互规则。目前比较常用的接口契约形式包括RESTful API、SOAP、RPC(Remote Procedure Call)。不同类型的接口契约对通信过程的要求不同。

组件化架构的核心概念

组件

  1. 定义:在模块化架构下,服务被划分成多个独立的模块。组件是根据不同的功能特性、作用范围、通信机制或服务依赖关系,从逻辑上组织起来的一组服务。

  2. 属性:组件由以下几个方面属性组成:

    • 功能特性:某个功能(比如计算、存储或网络传输)的集合。
    • 作用范围:组件所提供的功能覆盖的范围。例如,数据库组件可能是整个系统的一部分,但是用户界面组件通常仅仅用于某些特定的用户。
    • 通信机制:组件之间的通信方式,例如消息传递或远程过程调用。
    • 服务依赖关系:组件间存在的依赖关系。

容器

  1. 定义:组件式架构下,容器是一个运行时环境,它承载、部署和管理组件的生命周期。容器可以是一个进程内的轻量级虚拟机,也可以是宿主机的一个完整的操作系统进程。

  2. 属性:容器由以下几个方面属性组成:

    • 资源限制:容器可以配置资源限制,如CPU、内存、磁盘空间等。这使得容器能够独自执行,并受限于指定的资源。
    • 调度策略:容器可以指定调度策略,如按优先级、弹性分配资源等。这使得容器能够自动、动态分配可用资源。
    • 部署策略:容器可以指定部署策略,如滚动部署、蓝绿部署或金丝雀部署等。这使得容器能够随时升级或回滚,避免临时故障或全盘崩溃。

服务注册与发现

  1. 定义:服务注册与发现是组件式架构下实现服务间通信的关键手段。服务注册中心是一个中心节点,它保存了所有正在运行的服务的信息,并允许客户端通过名字或其他标准找到特定的服务。

  2. 角色:服务注册中心可以划分为三种角色:

    • 服务提供者(Provider):发布服务的服务端。
    • 服务消费者(Consumer):使用服务的客户端。
    • 服务注册中心(Registry Center):存储服务的元数据、服务的位置信息和可用服务的列表。
  3. 流程:服务消费者通过注册中心查找服务的位置,然后访问服务提供者的相应接口。服务提供者返回结果,并将结果缓存到注册中心,以便消费者能快速访问。

3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学模型公式详细讲解

前面的章节主要介绍了模块化设计与组件化架构模式的一些重要概念、原则和思想。本章节将会详细阐述模块化架构和组件化架构在实际开发过程中要注意的问题、原则、方法和步骤。

模块化设计原则和注意事项

  1. 模块的职责单一性:为了达到高度模块化的目的,模块应该具备足够简单和小巧的结构,保证职责单一。
  2. 数据访问层:为了保证模块之间的松耦合,需要确保没有跨越模块边界的数据访问。数据访问层可以作为单独的模块,提供必要的数据访问接口,以此来保证模块之间的稳定性。
  3. 事件驱动编程:模块之间需要互相通信,因此可以使用事件驱动编程。例如,可以使用事件总线来替代直接的通信,并通过订阅-发布模型实现模块之间的通信。
  4. 外部接口隔离:为了实现模块化的目的,需要把外部接口隔离开。不能暴露内部实现细节,只能暴露外部接口,这就要求模块自身不要太过依赖外部环境。另外,使用服务定位器模式可以减少对外部环境的依赖。
  5. 状态和上下文的管理:为了让模块保持稳定和可预测性,需要遵循“不可变性”和“无副作用的原则”。可以通过状态模式和命令模式来管理模块的状态和上下文。
  6. 线程安全:为了保证模块的线程安全,可以在模块外围加上线程池、队列或者其他辅助手段。
  7. 模块的易用性:为了让模块易于理解和使用,需要遵循一些基本的编码规范。如命名、注释、文档等。

组件化架构原则和注意事项

  1. 小型化和自治化:为了实现组件化架构,需要将应用划分为多个独立的功能模块或组件。模块越小,它的复用性就越好,它所依赖的其他组件也越少。

  2. 自包含性:组件要自包含,包括组件的配置、构建、发布、监控、故障排除等一系列操作,以保证组件的健壮性。

  3. 功能粒度:组件应该尽量做到“单一功能”而不是“多功能”,这样才能简化组件的构建、部署、调试、测试和迭代。

  4. 分布式管理:为了提升组件的可管理性和可靠性,需要分布式管理组件,利用分布式协调、配置管理和服务发现等手段来自动化部署、管理和监控组件。

  5. 可观察性:为了实现可观察性,需要对组件提供足够的度量和日志信息,以便对组件行为进行分析和诊断。

  6. 服务治理:为了实现服务治理,需要有一个统一的服务管理平台,用来提供服务的注册和查询、路由管理、容错切换、熔断保护、流量控制和灰度发布等一系列服务治理工具。

  7. 可伸缩性:为了实现可伸缩性,需要充分利用云计算、容器化、微服务等新兴技术,通过自动化水平拓展和垂直扩展的方式,满足业务的快速增长和变化。

模块化设计与组件化架构的区别

  1. 模块化架构强调模块化,模块之间通过函数接口通信,各模块之间职责单一,各模块独立开发。

  2. 组件化架构强调组件化,组件是独立的功能模块,各组件之间通过接口通信,各组件自治设计,模块之间松耦合,各组件可按需安装和卸载。

  3. 模块化架构的结构比组件化架构更加清晰,但它有更加严格的模块定义,模块之间通信通过函数接口,并通过文件共享来完成。

  4. 组件化架构具有更好的可扩展性和可复用性,它支持组件的插件式开发,组件之间通信通过接口,并通过消息总线来完成。

模块化架构模式的演进和发展

模块化设计模式在软件工程历史上经历了几次革命性的变革。第一次模块化设计模式出现是在90年代初期,其中最著名的是EDVAC架构。第二次模块化设计模式出现是在20世纪90年代末期,其代表就是分布式应用框架,例如Spring Framework,分布式对象模型(DCOM),企业集成框架(ESB)。第三次模块化设计模式出现是在近年来,其中最著名的就是微服务架构,这是一种基于容器技术和服务网格来实现模块化架构的方法。

模块化设计模式的演进和发展使得模块化设计架构模式逐渐走向完善、成熟。随着企业IT架构的不断发展,模块化设计模式也在不断进步。除了模块化设计模式,还有其他的架构模式,如服务架构、分布式系统架构、企业集成架构等。在实际开发过程中,掌握不同架构模式,并进行相互转换,可以帮助我们更好的设计和开发软件应用。

模块化架构模式的学习方式

学习模块化设计模式有很多不同的方式。这里有一些推荐的学习方式:

  1. 从头到尾阅读相关书籍:如果你喜欢阅读,建议从头到尾阅读《Java 9 Modularity》这本书。这本书是由 Oracle 官方推出的一本介绍 Java 9 的新特性的图书,介绍了 Java 9 中模块化的最新变化。

  2. 通过现实生活中的案例学习:你可以参与到开源项目的开发中,阅读并了解他们是如何使用模块化设计模式来实现的。

  3. 在线观看视频课程:在线观看模块化设计模式相关的课程,例如 Introduction to Microservices with Spring Cloud and Docker。

  4. 模块化设计模式专栏:每周都会有 Module of the Week 系列的文章,介绍一些不同模块化设计模式的特性。

4.具体代码实例和详细解释说明

为了能够更好地理解模块化设计与组件化架构模式,下面将会结合实例代码进行详细讲解。

示例一:用户登录模块的设计

4.1 功能需求

设计一个登录模块,验证用户名和密码是否正确,如果正确,则登录成功。这个模块的功能需求描述如下:

  1. 用户输入用户名和密码,点击登录按钮,模块验证用户名和密码是否匹配,如果匹配,则显示"登录成功",否则显示"用户名或密码错误"。
  2. 如果用户输入的密码错误超过3次,则禁止用户继续登录。
  3. 当用户点击登录按钮,如果登录成功,则将用户的IP地址记录到日志文件中。

4.2 模块化设计

由于登录模块只需要验证用户名和密码,因此该模块可以按照功能需求进行模块化设计。如下图所示:

4.3 组件化架构

由于登录模块只需要验证用户名和密码,因此登录模块本身可以不做任何修改。下面我们将登录模块拆分成两个组件,分别用于验证用户名和密码。如下图所示:

  • username_validation:该组件用于验证用户名。
  • password_validation:该组件用于验证密码。
用户名验证组件

用户名验证组件的输入参数为用户名,输出参数为布尔值。如果输入的用户名长度大于0并且只包含数字、字母或者特殊字符,则返回true,否则返回false。

public class UsernameValidationComponent {

    public boolean validateUsername(String username) {
        if (username == null || "".equals(username)) {
            return false;
        }

        String regex = "^[a-zA-Z0-9]+$"; // only contains numbers or letters
        Pattern pattern = Pattern.compile(regex);
        Matcher matcher = pattern.matcher(username);
        return matcher.matches();
    }
}
密码验证组件

密码验证组件的输入参数为用户名和密码,输出参数为布尔值。如果输入的用户名和密码都存在且用户名和密码验证通过,则返回true,否则返回false。

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class PasswordValidationComponent {

    private static final Map<String, Integer> failedLoginCountMap = new HashMap<>();

    public boolean validatePassword(String username, String password) {
        if (!failedLoginCountMap.containsKey(username)) {
            failedLoginCountMap.put(username, 0);
        }

        int failedLoginCount = failedLoginCountMap.get(username);
        if (failedLoginCount >= 3) {
            System.out.println("Too many wrong login attempts for user " + username);
            return false;
        }

        // other validation logic...
    }

    public void updateFailedLoginCount(String username) {
        int count = failedLoginCountMap.getOrDefault(username, 0);
        failedLoginCountMap.put(username, ++count);
    }

}
登录组件

登录组件的输入参数为用户名和密码,输出参数为布尔值。如果用户名和密码验证通过,则打印登录成功信息,并记录登录日志;否则打印登录失败信息,并记录失败次数。

public class LoginComponent {

    private final UsernameValidationComponent usernameValidationComponent;
    private final PasswordValidationComponent passwordValidationComponent;

    public LoginComponent(UsernameValidationComponent usernameValidationComponent,
                          PasswordValidationComponent passwordValidationComponent) {
        this.usernameValidationComponent = usernameValidationComponent;
        this.passwordValidationComponent = passwordValidationComponent;
    }

    public boolean doLogin(String username, String password) {
        boolean isUsernameValid = usernameValidationComponent.validateUsername(username);
        if (!isUsernameValid) {
            System.out.println("Invalid username");
            return false;
        }

        boolean isPasswordValid = passwordValidationComponent.validatePassword(username, password);
        if (!isPasswordValid) {
            passwordValidationComponent.updateFailedLoginCount(username);
            return false;
        }

        // record login log here...

        System.out.println("Login success: " + username);
        return true;
    }
}
使用示例

最后,我们可以创建测试类来测试我们的登录模块。

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        UsernameValidationComponent usernameValidationComponent
                = new UsernameValidationComponent();
        PasswordValidationComponent passwordValidationComponent
                = new PasswordValidationComponent();
        LoginComponent loginComponent = new LoginComponent(
                usernameValidationComponent, passwordValidationComponent);

        String username = "admin123";
        String password = "<PASSWORD>";
        loginComponent.doLogin(username, password);

        // test invalid credentials
        String badUsername = "abc@xyz";
        String badPassword = "abcd123";
        loginComponent.doLogin(badUsername, badPassword);

        // test too many failures
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            loginComponent.doLogin(username, "wrong password");
        }
        loginComponent.doLogin(username, "wrong password");
    }

}
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