架構(gòu)設(shè)計(jì)的真諦:系統(tǒng)與子系統(tǒng)、模塊與組件、框架與架構(gòu)
- 前言 -
在軟件研發(fā)這個(gè)領(lǐng)域,程序員的終極目標(biāo)都是想成為一名合格的架構(gòu)師。然而夢(mèng)想很美好,但現(xiàn)實(shí)卻很曲折。
在實(shí)際工作中,程序員會(huì)分很多種,有的擅長(zhǎng)編碼實(shí)現(xiàn),有的擅長(zhǎng)底層原理,有的擅長(zhǎng)邏輯實(shí)現(xiàn)等等,在各自的領(lǐng)域都表現(xiàn)不俗、擔(dān)當(dāng)核心,然而,面臨更高層架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),很多優(yōu)秀的程序員卻折戟沙場(chǎng),未能完成華麗轉(zhuǎn)身。
架構(gòu)的真諦是什么呢?架構(gòu)真的如此難把控嗎?難道真的只有天資聰慧、天賦異能的程序員才能駕馭架構(gòu)嗎?
不要?dú)怵H,平常心,其實(shí)人人都是架構(gòu)師,可能你做的任一一件事已無(wú)形中用到了架構(gòu)。
本篇文章將帶您慢慢走進(jìn)架構(gòu),揭秘架構(gòu)的真諦。正如,架構(gòu)不是神秘物,吸取真諦即了然。
- 架構(gòu)的背景 -
如果想要深入理解某一事物的本質(zhì),最好的方式就是去追尋這個(gè)事物出現(xiàn)的歷史背景和推動(dòng)因素。所以我們先來(lái)梳理一下軟件開發(fā)的進(jìn)化史,探索一下軟件架構(gòu)出現(xiàn)的歷史背景。
1、機(jī)器語(yǔ)言
最早的軟件開發(fā)使用的是“機(jī)器語(yǔ)言”,其直接使用二進(jìn)制碼0和1來(lái)表示機(jī)器可以識(shí)別的指令和數(shù)據(jù)。
比如:為了完成“將寄存器 BX 的內(nèi)容送到 AX 中”,機(jī)器語(yǔ)言如下:
1000100111011000
歸納一下,機(jī)器語(yǔ)言的主要問題是三難:
太難寫、太難讀、太難改!
2、匯編語(yǔ)言
為了解決機(jī)器語(yǔ)言編寫、閱讀、修改復(fù)雜的問題,匯編語(yǔ)言應(yīng)運(yùn)而生。匯編語(yǔ)言又叫“符號(hào)語(yǔ)言”,用助記符代替機(jī)器指令的操作碼,用地址符號(hào)(Symbol)或標(biāo)號(hào)(Label),代替指令或操作數(shù)的地址。
比如:為了完成“將寄存器 BX 的內(nèi)容送到 AX 中”,匯編語(yǔ)言如下:
mov ax,bx
相比機(jī)器語(yǔ)言來(lái)說(shuō),匯編語(yǔ)言就清晰得多了。匯編語(yǔ)言雖然解決了機(jī)器語(yǔ)言讀寫復(fù)雜的問題,但本質(zhì)上還是面向機(jī)器的,因?yàn)閷憛R編語(yǔ)言需要我們精確了解計(jì)算機(jī)底層的知識(shí)。
面向機(jī)器的語(yǔ)言,帶來(lái)的問題就是:
匯編語(yǔ)言需要針對(duì)不同 CPU 的匯編指令和結(jié)構(gòu),代碼編寫多份。
3、高級(jí)語(yǔ)言
為了解決匯編語(yǔ)言的問題,前輩們又設(shè)計(jì)出了一個(gè)“高級(jí)語(yǔ)言”。為什么會(huì)叫“高級(jí)語(yǔ)言”呢?原因在于這些語(yǔ)言讓程序員不需要關(guān)注機(jī)器底層的低級(jí)結(jié)構(gòu)和指令,只需要關(guān)注具體的問題和業(yè)務(wù)即可。
比如:以4+6=?這個(gè)加法為例,如果用Lisp語(yǔ)言,只需要簡(jiǎn)單一行代碼:
(+ 4 6)
除此以外,通過(guò)編譯程序的處理,高級(jí)語(yǔ)言可以被編譯為適合不同CPU指令的機(jī)器語(yǔ)言。程序員只要寫一次程序,就可以在不同的機(jī)器上編譯運(yùn)行,無(wú)須根據(jù)不同的機(jī)器指令重寫整個(gè)程序。
4、兩次軟件危機(jī)
第一次軟件危機(jī)與結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)
高級(jí)語(yǔ)言的出現(xiàn),解放了程序員,但好景不長(zhǎng),隨著軟件的規(guī)模和復(fù)雜度的大大增加,軟件質(zhì)量低下,質(zhì)量把控難度高,項(xiàng)目無(wú)法如期完成,嚴(yán)重超支等現(xiàn)象。例如,1963 年美國(guó)的 水手一號(hào)火箭發(fā)射失敗事故,就是因?yàn)橐恍?FORTRAN 代碼錯(cuò)誤導(dǎo)致的。
所以,為了解決上面的問題,針對(duì)性的提出了解決方法“軟件工程”,雖然“軟件工程”提出之后也曾被視為軟件領(lǐng)域的銀彈,但后來(lái)事實(shí)證明,軟件工程同樣無(wú)法根除軟件危機(jī),只能在一定程度上緩解軟件危機(jī)。
差不多同一時(shí)間,“結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)” 作為另外一種解決軟件危機(jī)的方案被提了出來(lái)。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是拋棄 goto 語(yǔ)句,采取“自頂向下、逐步細(xì)化、模塊化”的指導(dǎo)思想。
結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)本質(zhì)上還是一種面向過(guò)程的設(shè)計(jì)思想,但通過(guò)“自頂向下、逐步細(xì)化、模塊化”的方法,將軟件的復(fù)雜度控制在一定范圍內(nèi),從而從整體上降低了軟件開發(fā)的復(fù)雜度。
第二次軟件危機(jī)與面向?qū)ο?/span>
結(jié)構(gòu)化編程的風(fēng)靡在一定程度上緩解了軟件危機(jī),然而隨著硬件的快速發(fā)展,業(yè)務(wù)需求越來(lái)越復(fù)雜,以及編程應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛,第二次軟件危機(jī)很快就到來(lái)了。
第二次軟件危機(jī)的根本原因還是 在于軟件生產(chǎn)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上硬件和業(yè)務(wù)的發(fā)展。
第一次軟件危機(jī)的根源在于 軟件的“邏輯”變得非常復(fù)雜;
第二次軟件危機(jī)主要體現(xiàn)在 軟件的“擴(kuò)展”變的非常復(fù)雜。
結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)雖然能夠緩解軟件邏輯的復(fù)雜性,但是對(duì)于業(yè)務(wù)變化帶來(lái)的軟件擴(kuò)展卻無(wú)能為力。軟件領(lǐng)域迫切希望找到新的銀彈來(lái)解決軟件危機(jī),在這種背景下,面向?qū)ο蟮乃枷腴_始流行起來(lái)。
雖然面向?qū)ο箝_始也被當(dāng)做解決軟件危機(jī)的銀彈,在一定程度上解決了軟件“擴(kuò)展”帶來(lái)的復(fù)雜性。但事實(shí)證明,和軟件工程、結(jié)構(gòu)化程度設(shè)計(jì)一樣,面向?qū)ο笠膊皇倾y彈,而只是一種新的軟件方法而已。
5、軟件架構(gòu)的產(chǎn)生
與之前的各種新方法或者新理念不同的是,“軟件架構(gòu)”出現(xiàn)的背景并不是整個(gè)行業(yè)都面臨類似相同的問題,“軟件架構(gòu)”也不是為了解決新的軟件危機(jī)而產(chǎn)生的,這是怎么回事呢?
隨著軟件系統(tǒng)規(guī)模的增加,計(jì)算相關(guān)的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不再構(gòu)成主要的設(shè)計(jì)問題。當(dāng)系統(tǒng)由許多部分組成時(shí),整個(gè)系統(tǒng)的組織,也就是所說(shuō)的“軟件架構(gòu)”,產(chǎn)生了一系列新的設(shè)計(jì)問題。比如:
系統(tǒng)規(guī)模龐大,內(nèi)部耦合嚴(yán)重,開發(fā)效率低;
系統(tǒng)耦合嚴(yán)重,牽一發(fā)動(dòng)全身,后續(xù)修改和擴(kuò)展困難;
系統(tǒng)邏輯復(fù)雜,容易出問題,出問題后很難排查和修復(fù);
“軟件架構(gòu)”的出現(xiàn)有其歷史必然性。第一次軟件危機(jī)引出了“結(jié)構(gòu)化編程”,創(chuàng)造了“模塊”概念;第二次軟件危機(jī)引出了“面向?qū)ο缶幊獭?,?chuàng)造了“對(duì)象”概念;直到“軟件架構(gòu)”的產(chǎn)生,創(chuàng)造了“組件”概念。
“模塊”、“對(duì)象”和“組件”本質(zhì)上都是對(duì)達(dá)到一定規(guī)模的軟件進(jìn)行拆分,差別只是在于隨著軟件的復(fù)雜度不斷增加,拆分的粒度越來(lái)越粗,拆分的層次越來(lái)越高。
- 架構(gòu)指什么 -
對(duì)于技術(shù)人員來(lái)說(shuō),“架構(gòu)”是一個(gè)再常見不過(guò)的詞了。當(dāng)提起“架構(gòu)”這個(gè)詞時(shí),如果去深究一下:“架構(gòu)”到底指什么?大部分人也許并不一定能夠準(zhǔn)確地回答。1000個(gè)人心中可能有1001種架構(gòu)的含義。
那么如何才能準(zhǔn)確的理解架構(gòu)呢?理解架構(gòu)首先理解三個(gè)有關(guān)系而又相似的概念,包括:系統(tǒng)與子系統(tǒng)、模塊與組件、框架與架構(gòu)。
1、系統(tǒng)與子系統(tǒng)
關(guān)于“系統(tǒng)”的定義,我們先來(lái)看維基百科的定義:
系統(tǒng)泛指由一群 有關(guān)聯(lián) 的個(gè)體組成,根據(jù)某種 規(guī)則運(yùn)作,能完成 個(gè)別元件不能單獨(dú)完成的工作的群體。它的意思是“總體”、“整體”或“聯(lián)盟”。
來(lái)提煉下里面的關(guān)鍵信息:
關(guān)聯(lián):系統(tǒng)是由一群有關(guān)聯(lián)的個(gè)體組成的,沒有關(guān)聯(lián)的個(gè)體堆在一起不能成為一個(gè)系統(tǒng),例如:把一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)和一臺(tái)PC放在一起不能稱之為一個(gè)系統(tǒng),把發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、輪胎、車架組合起來(lái)才能成為一臺(tái)汽車。
規(guī)則:系統(tǒng)內(nèi)的個(gè)體需要按照指定的規(guī)則運(yùn)作,而不是單個(gè)個(gè)體各自為政。規(guī)則規(guī)定了系統(tǒng)內(nèi)個(gè)體分工和協(xié)作的方式。例如:汽車發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)產(chǎn)生動(dòng)力,然后通過(guò)變速器和傳動(dòng)軸,將動(dòng)力輸出到輪胎上,從而驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)。
能力:系統(tǒng)能力和個(gè)體能力有本質(zhì)的差別,系統(tǒng)能力也不是個(gè)體能力之和,而是產(chǎn)生了新的能力。例如:汽車能夠載重前進(jìn),而發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、傳動(dòng)軸、車輪本身都不具備這樣的能力。
再來(lái)看下子系統(tǒng)的定義:
子系統(tǒng)也是由一群有關(guān)聯(lián)的個(gè)體所組成的系統(tǒng),多半會(huì)是更大系統(tǒng)中的一部分。
其實(shí)子系統(tǒng)和系統(tǒng)的定義是一樣的,只是觀察的角度有差異,一個(gè)系統(tǒng)可能是另外一個(gè)更大系統(tǒng)的子系統(tǒng)。
按照這個(gè)定義,系統(tǒng)和子系統(tǒng)比較容易理解。以微信為例來(lái)做一個(gè)分析:
微信本身是一個(gè)系統(tǒng),包含聊天、登錄、支付、朋友圈等子系統(tǒng);
朋友圈這個(gè)系統(tǒng)又包括動(dòng)態(tài)、評(píng)論、點(diǎn)贊等子系統(tǒng);
評(píng)論這個(gè)系統(tǒng)可能又包括防刷子系統(tǒng)、審核子系統(tǒng)、發(fā)布子系統(tǒng)、存儲(chǔ)子系統(tǒng)等;
評(píng)論審核子系統(tǒng)不再包含業(yè)務(wù)意義上的子系統(tǒng),而是包括各個(gè)模塊或者組件,這些模塊或者組件本身也是另外一個(gè)維度上的系統(tǒng),例如:MySQL、Redis等存儲(chǔ)系統(tǒng),但不是業(yè)務(wù)子系統(tǒng)。
2、模塊與組件
從邏輯的角度來(lái)拆分系統(tǒng),得到的單元就是“模塊”;從物理的角度來(lái)拆分系統(tǒng),得到的單元就是“組件”。劃分模塊的主要目的是職責(zé)分離;劃分組件的主要目的是單元復(fù)用。其實(shí),“組件”的英文“component”也可以翻譯成中文的“零件”一詞,“零件”更容易理解一些,“零件”是一個(gè)物理的概念,并且具備“獨(dú)立且可替換”的特點(diǎn)。
3、框架與架構(gòu)
單純從定義的角度來(lái)看,框架關(guān)注的是“規(guī)范”,架構(gòu)關(guān)注的是“結(jié)構(gòu)”??蚣艿挠⑽氖恰癋ramework”,架構(gòu)的英文是“Architecture”。
我們經(jīng)常會(huì)說(shuō),比如:“工程采用的是MVC架構(gòu)”、“工程使用的是SSH框架”等。所以,第一句話是站在結(jié)構(gòu)的層面來(lái)說(shuō)明,第二句話是站在規(guī)范的層面來(lái)說(shuō)明。
同時(shí),如果是以不同的角度來(lái)說(shuō)明結(jié)構(gòu),會(huì)得出不同的架構(gòu)描述,比如:
從業(yè)務(wù)邏輯的角度分解,“學(xué)生管理系統(tǒng)”的架構(gòu):
“學(xué)生管理系統(tǒng)”的架構(gòu)
4、重新定義架構(gòu)
軟件架構(gòu)指軟件系統(tǒng)的頂層結(jié)構(gòu)。
首先,“系統(tǒng)是一群關(guān)聯(lián)個(gè)體組成”,這些“個(gè)體”可以是“子系統(tǒng)”、“模塊”、“組件”等;架構(gòu)需要明確系統(tǒng)包含哪些“個(gè)體”。
其次,系統(tǒng)中的個(gè)體需要“根據(jù)某種規(guī)則”運(yùn)作,架構(gòu)需要明確個(gè)體運(yùn)作和協(xié)作的規(guī)則。
- 總結(jié) -
架構(gòu)其實(shí)就是為了應(yīng)對(duì)軟件系統(tǒng)復(fù)雜度而提出的解決方案。架構(gòu)關(guān)鍵思維即為判斷與取舍。
正如,在一個(gè)有約束的盒子里去求解或接近最合適的解。這個(gè)約束的盒子可能會(huì)包含團(tuán)隊(duì)經(jīng)驗(yàn)、成本、資源、時(shí)間、業(yè)務(wù)階段等因素?fù)诫s在一起的綜合體,針對(duì)這個(gè)綜合體,分析出系統(tǒng)架構(gòu)的復(fù)雜度,進(jìn)行合適的判斷與取舍,從而設(shè)計(jì)出恰當(dāng)?shù)募軜?gòu)用在合適的軟件系統(tǒng)中。
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