软件架构乱弹——问题域及其解决方法
(2007.12.14日補充更新了部分內容，其中有關Web網站性能特點部分內容來自網絡)
一、什么是架構
1. 和架構相關的幾個問題域
架構需要解決的非業務問題域包括如下：
A 系統目標：系統性能，穩定性.
B.項目目標：開發成本，質量
C.項目過程：需求的不確定性和開發過程的團隊協作性
不同的問題域，解決之道也不相同！而同一問題域的不同層次的要求，解決之道也不盡相同。
2. 什么是架構
???架構到底是啥，愚以為下面的這段英文描述的很清楚。
That's like asking, what is culture? Culture is the way you do things in a group of people. Architecture is the way you do things in a software product. You could argue by analogy, then, that architecture is to a software product as culture is to a team. It is how that team has established and chosen its conventions，
Which leads us inevitably to the question of “goodness”? How do you know if an architecture is good? Consider an architecture that isn't built using a strong domain model, and instead relies heavily on stored procedures. That might be OK, or it might not be OK. You could have decided that part of your architecture is to use a really strong domain model and not use stored procedures, right? So an architecture is some reasonable regularity about the structure of the system, the way the team goes about building its software, and how the software responds and adapts to its own environment. How well the architecture responds and adapts, and how well it goes through that construction process, is a measure of whether that architecture is any good.
The system architecture determines how hard or easy it is to implement a given feature. Good architectures are those in which it is considered easy to create the features desired. In that the way to judge whether an architecture is good is whether the architecture is good for the purposes to which it is applied.
The definition of goodness has to be related to fitness for purpose. Is this glove good? I don't know. What are you doing with the glove? Are you throwing snowballs, cooking barbeques, or playing golf? There's a set of changes that are going to occur to a software system over time. Probably the utilitarian or most useful definition of goodness is the answer to this question: are the changes that will keep this system successful in this domain in this product line relatively easy? If they are, then it's probably a good architecture.
3. 架構的背后
為了實現架構的目標涉及到以下三個方面：技術，組織和過程。這里舉例說明。
1)?????? 技術對開發效率和運行性能，以及組織和過程的影響。
案例A．映射的問題。公司產品的一個重要需求是根據客戶輸入，映射到PDF文件上。技術上整體實現需要四個步驟：在PDF文件上畫好所有的數據域，通過讀入一個XML映射文件，獲得運行數據并生成FDF，合并FDF和PDF生成目標文件。后兩步工作都由代碼自動化了，因而實現的主要工作在于前兩步。
在第一個實現版本里，XML映射文件的DTD太簡單，致使一個xml文件至少在4000行左右，同時xml文件太verbose了。這樣的結果直接導致運行系統在峰值時，由于XML消耗了大量內存，1G的內存根本吃不消；同時對XML解析執行使用了CPU的大量時間；導致開發人員需要做大量的工作，開發效率降低了，通常需要盡一周才能完成一個xml文件，員工都不愿意做；也導致開發過程的漫長， 開發部門對于BA部門和ST部門的要求反應變的緩慢。
在第二個版本的實現中，重新實現了DTD，加入了大量的關鍵字同時也消除了verbose，大量的縮小了XML大小，從4000多行減低到900多行。不僅減低了內存使用，提高執行效率；也提高了開發效率，基本只要一天就可以完成一個映射文件。同時對BA部門和ST部門的反應也快了。
案例B：腳本的問題。產品在web層提供了腳本支持，出于方便開發的目的。但是沒有對腳本的環境限制，腳本可以做系統程序的大部分工作。導致開發人員偷懶，在web層混入了大量業務邏輯代碼。最終造成業務邏輯分散而不可控制。
2)?????? 組織結構對技術，開發效率和應變能力的影響。
案例A.部門的分工問題。開發部門根據不同的職責，分成A，B和C等數個小組。大部分開發中互不相干。但也有時候，需要跨組的支持，比如B要實現某個需求，需要A在一定條件在記錄一個或多個信息。因為每個開發人員各自負責一部分工作，導致跨組溝通的困難。同時由于整個開發部采取任務績效，有時間壓力，加上只是一個小的要求。于是在A人員的同意下，B人員直接在A代碼中寫入業務邏輯。每次都是這樣的小改動，不斷的發展后，代碼開發變凌亂。
案例B.開發的歷史問題，當某個開發人員寫下的代碼，有是問題的，接手開發人員由于文檔不全以及沒有測試用例，不愿意承擔變化的代價，選擇小修小補，這個小修小補有可能和有問題的代碼混雜，導致更大的代碼。
3)?????? 過程對開發效率和應變能力，以及組織的影響
案例A.過程的問題。開發部門的上下游部門BA部門和ST部門的合作關系。ST部門的績效考核,考核基于發現錯誤的數量，導致ST為了完成任務，提出一些非正常性要求。PM部門出于部門的方便通常提出一些實現難度比較大要求。開發部門本身又存在時間壓力，導致一些需求的實現本應在低一層的代碼中實現的，卻在高層用蹩足的方式實現。
案例B.幫助系統的問題。幫助系統一開始采用一個個單獨分散的靜態頁面。出于性能的考慮和部門負責考慮。幫助系統不斷改進中，過程缺乏組織性，文件的命名規則隨意，存儲位置隨意，造成了管理的混亂。直接的后果是頁面的入口混亂和各自引用關系混亂。
在幫助系統的第二版，從靜態頁面轉成動態頁面。采取統一分類和命名規則，并統一了入口。同時采取分級管理引用關系，適度冗余。雖然減低了運行性能。但提高了開發效率和可維護性。
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二、架構的性能問題解決討論
性能問題——嗯，一個非常神圣而高深的問題的。從我剛剛開始工作的時候，至今依然是。然而我相信，一定存在一個基本的思路和方法，我以為解決性能問題的工作還是在于分解,通過分解來確定問題域。
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1. 性能調優的關鍵
性能調優的關鍵是：發現性能瓶頸所在，慢是相對概念，評價標準是符合不符合系統要求。調整同時需要考慮維護成本，因為維護成本通常是開發成本的3倍。
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2. 性能調優的公式
先介紹三個公式性能問題的公式:
總處理單量 = 總處理時間/ 單筆請求處理時間 * 總并發數
這個公式另一個寫法為:
總處理時間 = 單筆請求處理時間 * 總處理單量 / 總并發數
不同的寫法代表不同的關注點，適合不同類型的業務類型, 一般說前一種寫法代表在線請求的，后一種寫法代表后臺batch;即高并發或大數據量問題.
也有客戶給明確要求系統要支持xxx并發，這個就需要了解客戶的這個并發數是如何計算得來，需要通過分析客戶的業務，而通常是根據總處理單量來確定客戶實際的并發數。
但無論如如何，四個變量中，總處理單量和總處理時間是先被確定的，換句話說需要關注是單筆請求處理時間和并發數，也就是降低單筆請求處理時間或者增加并發數。
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對于單筆請求處理時間，其公式為：
單筆請求處理時間 ＝ 數據計算時間 ＋ 數據讀寫時間＋其它技術導致時間消耗
很顯然降低單筆請求處理時間就需要降低三個因素消耗的時間。
1.降低單筆請求處理時間
第一原則是, 只計算一次.緩存計算結果；
第二是，延遲部分計算（在不影響結果的情況下，將部分后續計算延后處理）
第三是，提前部分計算（例如對于年度的batch計算，可以在每個月都計算各自數據，年底匯總即可）
2.降低數據讀取時間,分三種
2.1. Global的,系統啟動時加載
2.2. Long Time, 可采用LRU方式cache
3.2. Per operation. 第一次訪問加載,operation結束后丟棄.
3.降低數據寫入時間
例如文件寫入通過buffer一次flush；對于SQL采用batch提交（hibernate的做法）；對于同一張表數據只做一次更新；
4 .改進計算時間，針對不同技術結構采用不同手段。
4.1.讓計算支持并發,提高性能,例如采用MapReduce的方式
4.2.改進算法.例如數據庫中的SQL改進.
4.3.減少不必要計算時間.?
5.減少其它技術原因導致的消耗
如JVM的GC導致性能消耗等
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對于總并發數，其公式為：
總并發數 ＝ 單機服務器并發能力 * 總并發服務器數
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3. 確定改進方案
那么如何確定那些因素需要調整呢，在于兩個方面的分解：
A. 業務層面
業務層面只是指通過業務行為分析, 把性能問題分解為不同的部分,每個部分面臨性能壓力現狀和目標,最終確定需要優化的問題域.
業務層面分解包括4個內容: 功能, 內容,時間和區域.最重要的是前三個.
以eBay為例, ebay對于前端功能劃分劃分為70多個功能,不同的服務器處理不同的功能.
內容是指內容熱點,比如對于search來說,就按體育,數碼,音樂等劃分,不同內容有不同熱點數據,以及不同搜索關鍵匹配.
時間, 時間是一個非常重要的因素,在一些特定時間段,性能的要求會非常高.比如下半夜的訪問點擊量和白天的就有不同.對于一些batch來說, 月末或者年末處理的單量就有明顯的提高,比如分紅險的記息,平時每天只有7000單,而年末會有12w單.
地點劃分,不太常見,不過也有助于分配計算資源.
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業務層面的分析不僅是確定問題所在,還是確定優化的策略.比如有一個batch計算,執行時間比較長,而通過業務分析,發現該計算只針對特定的業務, 系統全部有效單量是12w單,而符合計算要求的只有3000單,只要加上一個前置判斷就可以免除無謂的計算,運行時間減少數個小時(大約0.2秒1單).
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B. 技術層面
系統建立時技術結構,通常一個系統結構如下:接入網絡,Web服務器,應用服務器,以及數據庫服務器.
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在這樣結構下，要小心的分析和驗證系統性能的瓶頸，需要優化Web服務器，或者提高數據庫并發能力等等。這部分網上的資料非常多。
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采用并發立刻面臨一個問題,即負載均衡.負載均衡如果無法正常的工作,那么并發也就無法正確的工作.負載均衡可以靜態分布,也要動態分布.這里面涉及的問題比較多.服務器自帶的負載均衡有時不能滿足業務上的需要,要自行開發.
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4. Web網站性能特點互聯網網站的特點是交易少,事務短和并發高.對于網站這一特點需要做一番分解.網站的計算可以分解為:靜態內容和動態內容,動態內容又可以分為狀態無關(stateless)和狀態有關(stateful).
靜態內容通過負載均衡或者CDN就可以簡單做到.
動態內容特別是狀態有關的就復雜一點.動態內容中涉及到兩大技術:session和cache.
Session技術導致很多問題.負載均衡中導致session復制的難題.解決的方式是:1. 把所有的session數據存儲到數據庫中,這樣通過增加數據庫的IO讀取,換取應用服務器沒有任何session數據問題(另一種做法是把session數據放到cookie或者頁面hidden值中);2. 負載均衡采用Hash法,固定的把同一個請求綁定到同一臺服務器上,這樣通過犧牲一定的負載,換取應用服務器的session數據.
應用session sticky,雖然避免了session的復制,但是依然面臨failover的問題.如果應用程序在session中放入了domain object,在failover就容易出問題.一個解決方法是對session的set和get進行攔截,發現是domain object就只在session中記錄ID+ClassName結構,而把對象放入cache中,failover時session中內容簡單,就通過cache從數據庫加載.(SpringSide對于jBPM的擴展采用相同策略)
Cache技術本事沒有特別的要說的,但它處在負載均衡環境中就會帶來問題:緩存數據失效(版本低).解決的問題有兩種:1. 獨立緩存+廣播通知.一旦數據更新后立刻廣播通知,這樣引發的問題是通知的管理.2. 采用中央緩存,如memcached技術,代價是網絡讀寫.
Center Cache和Cluster Cache的特性比較如下：
Center Cache沒有同步問題，所以，remove/clear的時候，比較有優勢，不需要把通知發送到好幾個計算機上。但是，Center Cache的所有操作，get/put/remove/clear都是Remote操作。而Cluster Cache的get/put都是Local操作，所以，Cluster Cache在get/put操作上具有優勢。
Local get/put在關聯對象的組裝和分拆方面，優勢比較明顯。 關聯對象的分拆是這個意思, 比如，有一個Topic對象，下面有幾個Post對象，每個Post對象都有一個User對象。 Topic對象存放到Cache中的時候，下面的關聯對象都要拆開來，分成各自的Entity Region來存放。
Topic Region -> Topic ID -> Topic Object
Post Region ?-> Post ID ?-> Post Object
User Region ?-> User ID ?-> User Object
這個時候，put的動作可能發生多次。Remote Put的開銷就比較大。 Get的過程類似，也需要get多次，才能拼裝成一個完整的Topic對象。
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三、架構的開發成本以及品質問題解決討論
架構一個重要的關注點在于控制開發成本，這點很重要，因為通常講維護成本是開發成本的3倍。降低開發成本核心，在于提高效率，這也意味著提高了開發對需求的響應時間，而時間對公司來說是重要的。
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1. 問題域
問題域可分解為兩種類型，業務上和技術上。（又見分解，分而治之真是老祖宗傳下的靈丹妙藥啊）
1. 業務上。問題域分解為，邏輯的縱向抽象層次，以及邏輯的橫向模塊分解和集成。
2. 技術上。問題域分解為，縱向的技術主題，以及橫向的技術職責的分解和集成。
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A. 領域基本問題
所以通常而言，領域模型設計中，模塊分解，抽象分層和職責分層都是重要手段。問題域為：流程，業務實體和計算（包括規則）。
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B. 領域組件問題
面向對象語言本身沒有提供的組件級別的依賴關系集成能力。語言不提供，因為領域組件的粒度太大，超越了語言的范疇。但我們可以通過框架提供，在Java體系中，目前已經有一個較好的解決方案：OSGi（JSR291）。可以完美的解決組件服務依賴關系管理，包括熱替換。
同時另一個問題——邏輯分層的問題：保險產品面臨的核心層，國家層以及公司層三個邏輯層次分解和集成能力。這點的解決方案可以通過OSGi + Spring來解決，包括了靜態差異性替換和動態差異性替換。
還有組件邊界保護問題，我們希望限制別的組件訪問本組件內部實現，有兩種手段可以完成，1是提交部署時，通過在代碼提交時的代碼檢查工具，或者發布時編譯工具完成；2是通過OSGi的邊界限制能力。
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C. 邏輯替換問題
邏輯的替換根據開發方式不同，有兩種類型：基于接口和基于繼承；
A. 基于接口（包括了靜態替換和動態替換）
1. 靜態替換是override，在OSGi中只要停止原有服務，啟用新服務即可，而在Spring中更改相應配置文件即可；
2. 動態替換，其實是指運行時Condition Service Locator，在OSGi中可以利用Extension Point（Plug-in）解決，而Spring中只要提供一個類似Service Locator就可以。
B. 基于繼承（或者靜態類）
1.開發時，直接修改源代碼編譯；
2.編譯時，采用AspectJ，在編譯時提供替換；
3.加載時，開發一個新邏輯的同名類，但其加載路徑優先于原有類；
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2. 基本手段
提高開發效率和品質的基本手段是分解——即充分的分離系統中不同的關注點，好處不用說了，可以并發的工作，每個人面對的問題都簡單而容易操作。而與分解對應的集成，只有提供了好的集成能力，分解才成為現實，而只有分解了，才能清晰的提供業務更多適應性。
分解和集成的手段分為編程語言和技術框架兩個層面。所謂語言就是強框架，而框架就是弱語言。
A. 語言
現代面向對象的語言提供如下能力：抽象和派生能力，以及接口隔離能力。實際提供兩種分解和集成能力：
1.???? 把邏輯分解在兩個層次中，而通過繼承的方式把兩個部分集成在一起。
2.???? 把邏輯的外觀和實現分解在兩個地方，而通過接口實現的方式把兩部分集成在一起。
另一種語言AspectJ或者C#語言2.0之后提供的特性：把流程邏輯，分解在不同的地方，而通過簽名匹配，利用代碼生成的方式來把幾部分集成在一起。
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B. 框架
然而語言提供的集成能力，畢竟底層，而且有限，擴展起來也格外小心。因而技術框架提供另外的集成能力就格外重要：
1. 對象關聯關系的分解和集成，如Spring提供容器管理能力
2. 模塊間關聯關系的分解和集成，如OSGi，ESB等
3. 不同系統的類型分解和集成，如Spring利用動態代理提供的Exporter模式。
4. 流程邏輯的分解和集成，如Spring Web Flow以及jBPM。
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C. 設計
說起集成，就不得不提到一種類型的對象存在——VO對象。VO對象是為了集成而存在的；其意義是：1. 保護系統的信息邊界，提供一種結構可以使其它系統或者組件通過編碼方式獲取系統內信息的方式；2. 保護系統的事務邊界，領域對象技術上攜帶著持久化信息，通過VO可以屏蔽得以屏蔽。常見的VO對象存在于Web層和Domain層。
因此，VO對象的存在只是為了集成而存在，其是否存在的取決于框架的兩個方面：對象路徑訪問能力以及事務邊界管理。
Web層VO對象，以SWF為例，早在SWF 1.x時代，框架就提供了豐富的對象路徑訪問能力，但其Web交互是典型的MVC2方式，事務邊界在view的render前關閉，因而導致需要特定的VO對象來避免持久化信息問題；而SWF 2.x時代，view的render是在事務邊界內，VO不在需要。
Domain層VO對象，通常是用于不同領域組件間的交互，但隨著架構的改進，集成代碼獨立存在而不再嵌入到組件內部，組件的邊界問題保護不復存在；更進一步的是，框架提供自動化的接口適配映射能力的增強。因而VO對象也失去存在的意義。
BTW：通常語言作為架構的基礎引入和更換是有巨大風險的；而通過提供強大的框架能力，框架盡可能多的完成技術問題，并通過元數據，模式以及約定降低業務和框架的耦合。避免因為框架升級帶來不必要的成本。
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3. 其它手段從技術手段上，提高開發效率的另外兩個手段是代碼生成和類庫引用。但代碼生成和類庫引用，都只解決了邏輯的分解能力，沒有提供集成能力，所以一般情況下需要提供框架集成，尤其代碼生成需要在系統的最外層，避免集成帶來的問題。
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4. 學習成本
對于開發團隊來說，額外面臨一個問題，組織內部的學習成本問題。
1. 需要保持分解以及集成能力本身的簡約性
這個……其實是一個culture問題，不再羅唆！
2. 采用模式和約定是減少學習成本的另一種手段。ROR的興起就是最好的例證。
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??? 成本還表現在組織的劃分上，應用開發/框架開發，而在每個層面又劃分為橫向模塊劃分。
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總結一下，解決架構面臨開發成本問題需要如下幾個方面：
0. 問題域
1. 分解與分層
2. 架構與類庫，Spring，Hibernate。起支撐性作用。
3. 模式和技巧
4. 領域模型
5. 方法論
5.1.開發方法：OO（設計模式），FP(函數式編程)。
5.2.設計方法：Domain Model Prototype和業務行為的分析模式。
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5. 質量問題
架構面臨的品質問題，則通過自動化測試，代碼檢測工具來完成。
必須大量應用自動化測試，減少人工硬調試的復雜性，重復性和不確定性。
自動化測試包括單元測試和集成測試。無論是單元測試還是集成測試對面臨需要脫離隔離依賴關系并保證開發的并行性。
單元測試面臨的項目執行問題：
5.1. 設計的粒度問題。設計的粒度大小將直接決定單元測試的難易程度。開發分工如果是設計和開發兩種角色集一體的，問題自我消化；但如果是分開，就會帶來一些分工認識問題。
5.2. 遺留系統風險。遺留系統通常依賴關系復雜，設計結構以及粒度也不好，同時缺乏既有測試用例。在遺留系統維護成本很高，為了滿足測試用例，通常需要對遺留系統重構，風險很高。
5.3. 測試用例評估與考核。測試用例不是越多越好，通常系統重構也會導致一些測試用例被拋棄，過多非核心用例反而是在重構中帶來成本。因此對于測試用例進行評估成為一種必要，評估的標準較難確定。
5.4. 工作量評估。寫測試用例技術上并非難題，但不代表沒有工作量。如果評估工作量也是一個問題。
5.5. 測試用例的簡易度。雖然技術上非難題，但是業務開發面臨的種種問題，還是需要項目做一定的封裝，以便提高測試用例的開發和運行的效率。
以上幾點都是直接影響項目的進度，因此如果不能有效處理好，很難說服項目經理在項目計劃中執行單元測試。
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6. 文檔的思考
6.1. 文檔的分類
架構文檔，high level設計文檔和detail設計文檔
6.2. Detail設計文檔面臨的問題
A. 維護成本高。開發過程中設計到的具體而維的細節變化較頻繁，導致維護成本偏高；而開發成本和維護成本1：3的比例，導致這些文檔在后期維護的成本也很高；
B. 驗收成本高。目前缺乏自動化的驗收工作；ST是黑盒測試，驗收的是系統，而非文檔；獨立驗收人員的學習曲線太高；而開發人員自我驗收的效果不好，即便是交叉驗收也容易達成私下協議；
C. 收益低。文檔的維護人員，工作缺乏成就感；這些文檔的閱讀者通常是IT人員，使用代碼閱讀無疑具有更好的閱讀效果；
轉載于:https://www.cnblogs.com/yimlin/archive/2007/09/20/899363.html
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