从单体到微服务：何时、为何以及如何转型
在决定将单体应用迁移到微服务架构之前，深思熟虑至关重要。忽视把握正确的迁移时机，可能会使您在竞争中处于不利地位。
近年来，从单体架构向微服务架构的转变已成为软件开发领域的热门趋势。 随着各组织寻求提升应用程序的可扩展性和灵活性，这种转变已成为一种越来越受欢迎的选择。 但究竟什么是微服务架构？它又为何可能成为您的组织正确的选择呢？
本文将探讨单体架构、多层架构和微服务架构之间的差异，并深入探讨何时以及如何向微服务架构迁移。
让我们开始吧！ 😀
什么是单体架构？
单体架构是一种软件设计模式，其中整个应用程序被构建为一个单一的、独立的整体。 在单体架构中，应用程序的所有组成部分，包括用户界面、业务逻辑和数据存储，都紧密结合在一个代码库中。
优点👍
- 简便性：单体架构易于理解和上手。
- 部署便捷：由于整体应用是一个单独的单元，因此部署过程相对简单。
- 性能提升：整体应用内部组件间的通信速度更快，从而提高了性能。
- 成本节约：相比其他架构，单体架构的开发成本可能较低。
- 熟悉度：许多开发人员对单体架构较为熟悉，并可能偏爱这种方法。
缺点👎
- 灵活性受限：对单体架构中一个组件的修改可能会影响整个系统。
- 扩展困难：扩展单体应用程序需要对整个系统进行扩展。
- 维护成本较高：随着应用程序的增长和复杂性增加，维护单体架构可能既耗时又耗资。
- 代码重用有限：在单体架构中，跨不同应用程序部分重用代码可能并不容易。
什么是多层架构？
在多层架构中，系统被划分为若干层或层级。 这些层协同工作以执行特定的功能。 每一层负责处理系统的特定方面，并通过相互通信来完成任务。
总的来说，多层架构旨在分离关注点，并为每个特定任务使用单独的层。 例如，下图展示了一个典型的 MVC 应用程序的 3 层架构。 模型层处理数据源，视图层作为表示层，而控制器充当模型层和视图层之间的桥梁。
优点👍
- 增强的安全性：不同的应用层使攻击者更难访问敏感数据或功能。
- 更好的可扩展性：各层可以独立扩展，从而更易于处理系统使用量或负载的增加。
- 增强的可维护性：多层架构中的关注点分离简化了对不同应用部分的维护和更新。
- 更高的灵活性：模块化架构允许在添加或更改功能方面具有更高的灵活性，并且与其他系统的集成也更加容易。
- 增强的代码重用：分层设计支持模块化，允许您使用具有不同表示层的相同业务逻辑层。
缺点👎
- 复杂性增加：使用多层会增加系统的复杂性，使其更难理解和维护。
- 开发时间增加：由于额外的层以及它们之间的通信，构建多层架构可能比单层架构花费更多时间。
- 部署和配置工作增加：部署和配置多层系统可能比单层系统更耗时和复杂。
- 硬件和基础设施需求增加：多层架构可能需要更多的硬件和基础设施资源才能正常运行。
- 测试工作增加：测试多层系统可能更复杂且耗时，因为存在额外的层以及它们之间的通信。
什么是微服务架构？
微服务架构将应用程序分解为小型、独立的、通过 API 进行通信的服务。
这种方法允许更高的灵活性和可扩展性，因为每个服务都可以独立开发和部署。此外，根据需求扩展或缩减规模变得更加容易。因此，微服务架构特别适用于基于云的环境，可以根据需要快速分配和释放资源。
优点👍
- 可扩展性：微服务可以独立扩展，从而使您可以根据需要扩展应用程序的特定部分。
- 弹性：如果一个微服务失败，其他服务可以继续运行，从而提高了应用程序的整体弹性。
- 模块化：您可以独立开发、测试和部署每个微服务，从而使修改或更新单个服务变得更易于管理。
- 灵活性：使用微服务，您可以灵活地为不同的服务选择不同的技术，从而使您能够为每项工作选择最佳工具。
- 易于部署：您可以独立部署微服务，从而使部署新版本的应用程序变得更加容易。
缺点👎
- 复杂性增加：管理多个独立服务可能会更加复杂。
- 更高的资源需求：运行许多服务可能需要更多的资源和基础设施。
- 通信开销增加：服务之间的通信需要 API。
- 测试和部署复杂性增加：测试和部署许多服务可能非常复杂。
单体 vs. 多层 vs. 微服务
下表总结了所有主要差异：
| 比较指标 | 单体架构 | 多层架构 | 微服务架构 |
| 复杂性 | 最简单 | 较复杂 | 最复杂 |
| 网络流量 | 最小 | 最小（只要层在同一网络上） | 最大 |
| 开发时间 | 较少 | 比单体架构多 | 比多层架构多 |
| 代码重用 | 较少 | 最大 | 最小 |
| 对DevOps的依赖 | 无 | 无 | 高 |
| 全局测试与调试难度 | 无 | 无 | 是 |
| 可扩展性 | 低 | 中 | 高 |
| 部署时间 | 较少 | 高 | 较少 |
| 维护与更新难易度 | 低 | 中 | 高 |
| 上市时间 | 较慢 | 较慢 | 更快 |
| 容错级别 | 低 | 低 | 高 |
| 模块化级别 | 低 | 中 | 高 |
| 部署独立级别 | 低 | 低 | 高 |
单体、多层和微服务架构的比较
单体到微服务：何时是合适的转型时机？
对于这个问题，没有一概而论的答案，因为决定从单体架构迁移到微服务架构取决于应用程序的具体需求和目标。 在决定是否进行迁移时，需要考虑以下几个因素：
- 应用程序的大小和复杂性：如果您的应用程序庞大而复杂，并且具有许多相互关联的组件，那么微服务架构可能会使开发和维护更加容易。 但是，如果您的应用程序相对较小且简单，则单体架构可能就足够了。
- 所需的可扩展性级别：如果您的应用程序需要快速轻松地扩展以满足不断变化的需求，那么微服务架构可能是一个更好的选择。 因为微服务可以独立扩展，您可以根据需要扩展应用程序的特定部分。
- 所需的灵活性级别：如果您需要在不影响整个应用程序的情况下修改或更新应用程序的各个组件，那么微服务架构可能是一个更好的选择。 这是因为每个微服务都可以独立开发、测试和部署。
- 可用于开发和维护的资源：如果您有一个大型团队，并且具备开发和维护微服务架构的技能和资源，那么它对于您的应用程序可能是一个不错的选择。 但是，如果您的团队规模较小或缺乏必要的技能，则单体架构可能更易于管理。
单体到微服务：成功案例
最终，从单体架构过渡到微服务架构的决定将取决于您的应用程序的具体需求和目标。 必须仔细评估每种架构风格的优缺点，然后选择最能满足您的应用程序需求的一种。
您可能希望通过实际案例研究来评估大型公司如何做出迁移决策。让我们探讨一下亚马逊和Netflix的案例研究，以了解他们如何确定合适的迁移时机。
亚马逊案例研究
亚马逊是一家著名的零售巨头，其网站最初使用单体架构。 但是，随着代码库的增长以及在平台上工作的开发人员数量的增加，理清依赖关系并对平台进行更改或更新变得越来越困难。这导致了开发延迟和编码挑战，也使得公司难以扩展平台以满足其快速增长的客户群的需求。
为了应对这些挑战，亚马逊将其单一应用程序分解为更小、独立运行、服务特定的应用程序。这涉及分析源代码并提取服务于单一功能目的的代码单元，将它们包装在Web服务接口中，并将每项服务的所有权分配给一组开发人员。
微服务方法使得亚马逊能够轻松地对其平台进行更改和更新。此外，它还允许按需扩展特定组件。尽管转型过程中存在挑战，但微服务架构的好处是显而易见的。亚马逊的电子商务平台现在每天处理超过25亿次产品搜索，包括来自数十万卖家的数百万种产品。
Netflix 案例研究
Netflix 是当今非常受欢迎和知名的公司。 它在 190 个国家/地区可用，截至 2022 年拥有超过 2.23 亿付费用户。
2008年，Netflix 面临一次重大的数据库损坏，这个问题持续了整整3天。 这就是公司意识到整体设计中存在单点故障问题的时刻。因此，Netflix 使用Amazon Web Services逐渐从单体架构迁移到云微服务架构。
Netflix 花了数年时间才迁移其面向客户和非面向客户的应用程序。然而，好处是巨大的。从 2008 年到 2015 年，该公司的每月观看时长激增了 1000 倍，带来了巨大的收入和利润。
如何手动将应用程序从单体架构迁移到微服务架构
您可以按照多个步骤手动将应用程序从单体架构迁移到微服务架构：
- 识别应用程序的业务功能：迁移过程的第一步是识别应用程序的不同业务功能。这一步涉及到分析这些功能是否可以作为独立的微服务来实现。
- 将应用程序拆分为微服务：一旦确定了应用程序的业务功能，就可以开始将应用程序拆分为微服务。这可能涉及重构代码库以将不同的功能分离为独立的服务。
- 设计微服务之间的接口：每个微服务应通过定义明确的接口或API与其他微服务进行通信。仔细设计这些接口以确保它们易于使用和维护非常重要。
- 实施微服务：一旦将应用程序拆分为微服务并设计了它们之间的接口，就可以开始实施它们了。这可能涉及构建新服务或重构现有代码以适应微服务架构。
- 测试和部署微服务：实施微服务后，必须彻底测试它们以确保它们按预期运行。然后，您可以将微服务单独或作为一个组部署到生产环境中。
- 迁移数据：如果您的应用程序使用数据库或其他数据存储系统，则必须将数据从单体应用程序迁移到微服务。此外，您可能需要设计新的数据模型或重构现有数据以适应微服务架构。
总而言之，从单体架构迁移到微服务架构可能既复杂又耗时。 必须仔细计划和执行迁移以确保成功。
用于单体到微服务迁移的便捷工具
有几种工具可以帮助将单体应用程序分解为微服务。例如，IBM的Mono2Micro、Decomposition Tool和Decomposer是最流行的有助于分解过程的工具。
这些工具提供了一套自动化或半自动化的机制来识别微服务和重构代码。此外，他们还帮助设置和管理托管微服务所需的基础设施。
单体到微服务迁移的自动分解：未来趋势
人工智能和机器学习的最新发展彻底改变了我们执行任务的传统方法。 如果机器可以完成复杂的单体到微服务分解任务，那岂不是很棒？
虽然使用 AI 来帮助分解单体应用程序似乎很容易，但这仍然是一个具有挑战性的方向。这也是为什么您只能找到一些关于此任务的完整研究的原因。
Abdullah 等人提出了一种将 Web 应用程序自动分解为微服务的无监督学习方法。 下面的概念图展示了自动分解过程的整体工作。
资料来源：Abdullah, M.、Iqbal, W. 和 Erradi, A. (2019)。 Web 应用程序自动分解为微服务的无监督学习方法。 系统与软件杂志，151, 243-257。
自动分解过程遵循三个简单的步骤。
步骤01：访问 URI 访问日志
网站上的每个网页都有一个唯一的统一资源标识符（URI）。幸运的是，托管此类应用程序的 Web 服务器会维护对这些 URI 的访问日志（例如，响应时间和文档大小）。第一步是收集这些访问日志。
步骤02：应用聚类 ML 算法
聚类算法是一种无监督机器学习方法，给定一组数据点，它会创建具有相似性质的数据点的 K 个聚类。当提供历史访问日志数据时，这种聚类算法会创建具有相似访问时间和响应文档大小的 URI 聚类。
步骤03：集群到微服务部署
您可以为每个 URI 集群创建一个微服务，然后您可以将这些微服务部署到任何云基础设施。
注意：此自动分解技术专门针对单体 Web 应用程序，仅用于让您了解此领域的最新趋势。
从单体架构迁移到微服务架构的最佳实践
以下是从单体架构迁移到微服务架构时要遵循的一些最佳实践：
- 从小处着手：通常最好从将应用程序的一个小的、独立的部分迁移到微服务架构开始。 这使您可以从过程中学习，并在处理应用程序的较大部分之前进行任何必要的调整。
- 识别正确的微服务：仔细识别应用程序的业务功能。它还需要确定这些功能是否可以作为独立的微服务来实现。
- 设计清晰的接口：确保微服务之间的接口定义明确且易于使用。这将使开发和维护微服务变得更加容易。
- 使用容器：容器可以简化微服务的部署和管理，允许您将微服务及其依赖项打包到一个独立的单元中。
- 使用微服务友好的基础设施：为了支持微服务架构，您需要一个能够处理微服务增加的复杂性和流量的基础设施。这可能涉及使用服务网格、API 网关和分布式跟踪等技术。
- 彻底测试：彻底测试微服务以确保它们按预期运行，并且它们之间的接口可以正常工作。
- 监控和管理微服务：监控它们的性能和健康状况，并在出现问题时采取适当的措施非常重要。这可能涉及使用日志分析、性能监控和错误跟踪等工具。
简而言之，周密的计划和执行是成功迁移的关键。通过遵循这些最佳实践，您可以确保迁移顺利进行，从而达到预期目标。
结论
微服务架构是现代云计算时代最灵活和可扩展的架构。它允许您根据需要扩展应用程序的特定部分，并在不影响整个应用程序的情况下修改或更新单个服务。 然而，它的开发和维护也可能更复杂。
最终，架构风格的选择将取决于应用程序的具体需求和目标。 需要考虑的因素包括应用程序的大小和复杂性、所需的可扩展性和灵活性水平以及可用于开发和维护的资源。