微服務架構：單體應用轉型與商業價值分析

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單體應用在開發初期具備簡單易用、佈署方便的優勢，但隨著應用規模擴大，其缺點也逐漸顯現，例如程式碼複雜度高、擴充套件性差、佈署緩慢等。微服務架構則將應用拆分成多個小型服務，每個服務專注於特定業務功能，並可獨立開發、佈署和擴充套件。這種架構提升了系統的靈活性、可維護性和可擴充套件性，更能適應快速變化的市場需求。然而，微服務架構也引入了新的挑戰，例如服務間通訊的複雜性、分散式系統的監控和管理等。企業在轉型微服務時，需要仔細評估其優缺點，並制定相應的策略以應對這些挑戰。考量點包括團隊的技術能力、組織架構的調整、自動化工具的匯入以及持續整合和持續交付流程的建立。此外，還需關注服務間的通訊方式、資料一致性、安全性等關鍵議題。

微服務架構：從單體應用到模組化轉變

在現代軟體開發中，單體應用（Monolithic Application）曾經是主流設計模式。這種架構將所有功能和程式碼封裝在一個單一的應用程式中，提供了開發和佈署的簡單性。然而，隨著應用的複雜度增加，開發者會面臨以下挑戰：

  • 表現問題
  • 可擴充套件性不足
  • 迴歸測試週期延長
  • 升級和重新佈署週期過長，導致無法快速推出修補和增強功能
  • 未預期的停機時間
  • 升級期間可能的停機時間
  • 必須繼續使用舊有技術和程式語言
  • 無法僅針對特定元件或功能進行擴充套件

這些挑戰不僅影回應用的運作效率，也會增加工程團隊的壓力，進而提高離職率。在此情境下，微服務（Microservices）架構成為了一個有效的解決方案。

微服務架構概述

微服務架構將大型單體應用拆分成多個獨立的、小型服務。每個微服務專注於特定功能，並且可以獨立開發、佈署和擴充套件。這種設計模式特別適合大型應用，因為它可以顯著提升系統的靈活性和可維護性。

以電子商務系統為例，傳統單體應用可能包含產品目錄、購物車、支付、使用者管理等多個功能模組。如果需要更新購物車功能，可能需要重新編譯、測試和佈署整個應用程式，這不僅耗時且容易引發錯誤。

微服務架構示例

mermaid
graph TD;
    A[產品目錄] --> B[購物車];
    B --> C[支付];
    C --> D[訂單管理];
    D --> E[搜尋];
    E --> F[使用者管理];

此圖示展示了電子商務系統中各個模組如何透過微服務方式獨立運作。每個模組都可以獨立開發和佈署，減少了對其他模組的依賴。

模組化架構帶來的好處

根據The Standish Group於2016年的CHAOS報告，只有29%的大型軟體專案在成本、時間和品質上都成功達成目標。這意味著71%的專案在2015年失敗或遇到挑戰。失敗原因包括品質問題、預算超支等。為了控制複雜度並提高成功率，業界推出了多項標準和最佳實踐，如IEEE軟體工程標準和軟體測試標準。

然而，即使遵循這些標準，傳統單體應用仍然面臨壽命短暫的問題。平均來說，軟體應用或平台的壽命僅為4到6年。隨著技術的迅速變遷，舊有系統很快便會過時。

微服務架構透過將應用拆分成多個獨立模組，顯著提升了系統的靈活性和可維護性。這種模組化設計不僅延長了應用的壽命，也讓開發團隊能夠更快地推出新功能和修補舊錯誤。

微服務架構優勢

  1. 簡單性：每個微服務只負責一個特定功能，減少了程式碼的複雜度和依賴關係，降低了錯誤發生的機率。
  2. 可擴充套件性：傳統單體應用需要在多台伺服器上佈署資源密集型應用以實作擴充套件。而微服務可以針對特定高負載元件進行擴充套件。
  3. 持續交付：由於各微服務之間的依賴關係較少且開發週期較短，微服務架構天然適合持續交付和DevOps文化。
mermaid
graph TD;
    A[Microservice A] -->|API| B[Microservice B];
    B -->|API| C[Microservice C];
    C -->|API| D[Microservice D];

此圖示展示了多個微服務如何透過API相互通訊來實作功能分離。每個微服務可以獨立擴充套件以應對不同的需求。

微服務簡介

微服務（Microservices）架構是一種現代軟體設計模式，旨在將大型應用程式分解成多個獨立且互通的小型服務。這些服務各自負責特定的業務功能，並透過明確定義的API進行通訊。以下是玄貓對微服務架構的深入分析與見解。

微服務的優勢

自由度與依賴性減少

微服務設計為獨立且自主運作，開發團隊可以專注於其所負責的微服務，自由地增強功能而不必擔心影響其他微服務。只要保持介面契約完整或實作向後相容的新契約，即可確保系統的穩定性。

故障隔離

在微服務架構中，一個微服務的故障不會導致整個系統當機。例如，在電子商務系統中，如果產品評論微服務發生當機，使用者仍然可以檢視庫存、選擇商品、檢視購物車並下單。然而，他們無法檢視評論直到問題解決。而在傳統的單體式應用中，評論服務的問題可能會導致整個應用停止執行。

資料分割與去中心化

不同於單體式應用程式將所有資料集中儲存和分享在中央資料函式庫中，微服務提供了資料分割的機會。每個微服務通常擁有自己的資料，不直接與其他微服務分享資料。這種設計有助於提高資料的安全性和可維護性。

此圖示展示了傳統單體架構與微服務架構在可擴充套件性上的比較：

  graph TD;
    A[Load Balancer] --> B[Monolithic Application];
    A --> C[Microservice 1];
    A --> D[Microservice 2];
    A --> E[Microservice 3];

內容解密：

此圖示展示了負載平衡器如何將流量分配給不同的應用程式部分。在單體架構中，所有請求都被導向同一個應用程式例項；而在微服務架構中，請求被分配到不同的微服務例項上。這種設計使得每個微服務可以獨立擴充套件，提高了系統的彈性和可靠性。

微服務的挑戰

增加的複雜度

雖然微服務提供了許多優勢，但也帶來了一些挑戰：

  • 排除故障複雜度：由於微服務之間透過API進行通訊，這增加了潛在故障點，使得排除故障變得更加困難。例如，當使用者報告效能緩慢或超時問題時，開發者需要追蹤多個請求和多個微服務。
  • 增加延遲：相較於單體式應用中的內部程式通訊，微服務之間的程式間通訊（Inter-Process Communication, IPC）可能會增加延遲。
  • 營運複雜度：管理數百甚至數千個微服務需要處理複雜的基礎設施、佈署、監控、備份和管理等問題。這些複雜度可以透過高度自動化來解決。
  • 版本控制：管理大量微服務的版本和佈署需要更強大的版本控制和管理系統。

是否適合轉換至微服務

決定是否轉換至微服務架構需要考慮多個因素。如果你已經面臨單體式架構帶來的成長痛苦或計劃建立一個單體式系統，那麼轉向微服務是值得考慮的。然而，對於小到中型的應用來說，這種轉換可能並不必要。因為每個微服務都帶來了額外的工作量：API 集、程式監控、負載平衡等。

總結來說，玄貓認為只有當你面臨單體架構帶來的複雜性時，才應該考慮轉換至微服務架構。否則，這種轉換可能會增加不必要的營運複雜度。

玄貓希望這些見解能夠幫助你更好地理解和決策是否需要轉換至微服務架構。如果有任何進一步的問題或需要更深入的討論，歡迎隨時聯絡玄貓。

從單體架構轉向微服務

在現代軟體開發中，從單體架構轉向微服務架構已成為一個重要的趨勢。然而，這樣的轉變並非對所有應用程式都適合，特別是那些已經存在的單體架構應用程式。玄貓將探討微服務架構的優缺點，以及如何評估是否適合進行這樣的轉變。

轉向微服務的適合條件

當一個應用程式展現出以下疲憊徵兆時，轉向微服務可能會是一個合理的選擇：

  1. 佈署過程困難且耗時：如果佈署流程複雜且需要大量時間，這可能是因為應用程式的依賴關係過多。
  2. 龐大且複雜的程式碼基礎：當程式碼基礎變得過於龐大和複雜時，開發者的IDE可能會負荷不了。
  3. 不均勻的擴充套件需求：某些功能可能需要比其他功能更多的資源來擴充套件。
  4. 高昂的開發、測試及佈署成本：如果這些成本過高，可能是因為系統結構過於僵化。
  5. 隨時間推移而降低的程式碼品質：由於太多互相依賴的關係，導致程式碼品質下降。
  6. 因單一元件故障導致應用程式當機：如果某個元件故障就會導致整個應用程式無法運作，這顯示出系統的脆弱性。

微服務架構的特性

在考慮轉向微服務之前，需要了解以下特性是否能為現有應用程式帶來價值：

  1. 服務組織圍繞業務能力：每個服務都應該專注於特定的業務功能。
  2. 獨立或部分佈署的服務：每個服務應該可以獨立或部分佈署，以便於管理和擴充套件。
  3. 非同步通訊：使用非同步通訊來減少服務之間的耦合。
  4. 替換不同平台元件、程式語言或資料函式庫：根據需要替換不同部分的技術元件，以提高效能。
  5. 持續佈署與持續整合：實作快速且頻繁的佈署和整合。
  6. 工程團隊擁有和理解特定業務領域：每個團隊應該負責特定業務領域，如訂單管理或購物車。

組織變革與學習曲線

轉向微服務並不是一個簡單的技術變革，它還涉及到組織文化和營運流程的改變：

  1. 文化變革：需要從功能角色轉向業務中心角色，建立跨功能團隊來共同負責和擁有微服務。
  2. 營運流程：需要改變現有的營運流程和結構，以適應微服務架構的需求。

學習曲線

對於已經習慣單體架構的人員來說，轉向微服務需要一個新的學習曲線：

  1. 獨立微服務：每個微服務都是獨立運作的單元，需要等同於大型單體應用的一樣注意。
  2. 微服務發現與管理：需要解決如何發現和管理大量微服務的問題，如自動化擴充套件和版本控制。
  3. 微服務之間的通訊：需要確保不同微服務之間能夠高效且可靠地通訊。

測試與安全

在微服務架構中，測試和安全是兩個關鍵問題：

  1. 測試實踐：每個獨立微服務都需要進行詳細測試，但整體應用程式的測試則需要處理更多的移動部分。
  2. 安全性：需要確保在設計時就考慮到安全問題，包括微服務之間、客戶端到微服務以及資料傳輸中的安全性。

內容解密：

玄貓在此段落將詳細介紹從單體架構轉向微服務所需考量及內容清晰說明細節內容：

  • 轉向微服務的一些標誌：

  1. 佈署過程困難且耗時：單體應用中各個元件之間存在緊密耦合關係， 導致更改一個元件可能會影響其他元件。這使得佈署過程變得複雜 和耗時。在小型專案中可能還可以忍受，但在大型專案中， 每次佈署都需要進行全面測試和驗證。

  2. 龍頭大型程式碼函式庫：隨著專案規模不斷擴大， 程式碼函式庫也會變得越來越龐大。開發者在開發和除錯時， 可能會遇到IDE載入緩慢、程式碼難以閱讀等問題。

  3. 不均勻擴充套件需求：單體應用中的各個功能模組通常 是耦合在一起執行在同一個程式中。當某些功能模組 需要更多資源時（比如CPU或記憶體），可能會影響到其 他功能模組。這使得單體應用很難進行針對性擴充套件。

  4. 高昂開發成本：單體應用通常是由一個團隊維護， 團隊規模也會隨著專案規模擴大而擴大。這導致開發、測試 和佈署成本較高。

  5. 隨時間推移而降低程式碼品質：隨著專案規模不斷 增長程式碼函式庫也隨之增長，程式碼品質也會逐漸降低。各個 功能模組之間存在緊密耦合關係導致修改一個模組可能會 操作其他模組造成難以預料後果。

  6. 應用故障：單體應用中的任何一個元件出現故障都有 可能導致整個應用當機。如果系統設計不當的話， 常常會出現一個小問題導致整個系統不可用這種情況發生。

  • 轉向微服務所需的一些特性：

  1. 根據業務能力進行組織：以業務能力為中心將 排程分成獨立模組。這樣可以讓每個團隊專注於特定業務領域， 提升團隊工作效率和業務能力。

  2. 唯獨或部分佈署：每個獨立模組可以獨立執行 和佈署。這樣可以讓各個團隊獨立釋出自己的版本， 提升釋出速度。

  3. 非同步通訊：透過非同步通訊減少系統間依賴關係， 提高系統穩定性和可擴充套件性。比如透過訊息佇列進行通訊。

  4. 不同平台元件、程式語言或資料函式庫：讓不同團隊可以根據實際需求選擇最適合自己的技術堆疊來開發業務功能， 提升開發效率與效能。比如前端使用Node.js後端使用Java來實作前後端分離； 前端使用React後端使用Go語言來實作前後端分離；資料函式庫選擇MySQL、Redis等等

  5. 持續整合與持續交付：透過持續整合與持續交付技術快速發現問題並迅速修復問題。 快速迭代提升產品競爭力提升客戶滿意度。

  6. 工程師團隊負責具體業務領域：每個團隊負責特定業務領域， 提升團隊專注度與工作效率與客戶滿意度

  • 轉向微服務後組織上的學習曲線：

  1. 獨立微服務：對比單體應用裡面所有元件都執行在同一個程式中；

  2. 處理發現及管理上百甚至上千個獨立執行且互相協作共同完成業務目標；

  3. 增加非同步通訊方式處理回應時間和延遲等問題；

  4. 大量獨立執行模組導致測試更加複雜；對完整系統進行測試尤其是整合測試； 5 .處理自動化擴充套件、版本控制等新問題；要解決這些問題很可能需要徵才新員工或者對現有員工進行培訓； 6 .設計統一介面完成不同模組之間溝通；

轉型微服務的商業理由

在轉型微服務的過程中，企業必須面對許多挑戰，包括監控、組態管理以及故障處理。這些挑戰雖然複雜，但長期來看，微服務架構能帶來顯著的優勢。以下將探討這些挑戰及其解決方案，並分析微服務架構的商業價值。

監控

在微服務架構中，監控是至關重要的一環。由於系統中可能包含數百甚至數千個微服務，這些服務分佈在不同的系統中，因此需要具體且詳細的監控策略。監控不僅僅限於硬體層面（如CPU、記憶體、I/O效能），還需深入到應用層面（如應用日誌、API呼叫效能）。這些監控資料應該便於維運和工程團隊檢視和使用，以便及時發現問題並進行改進。

組態管理

微服務提供了多樣化的組態選項，這使得在生產環境中具有很大的靈活性。開發者可以根據需求調整各種組態引數，如快取設定、擴充套件引數、執行緒數量、應用特定功能標誌以及資料函式庫連線等。然而，管理數千個微服務的組態引數是一項繁重的工作。因此，需要選擇合適的工具來簡化這些組態管理，建立一個統一且簡單的介面。

故障處理

在微服務架構中，故障是不可避免的。每個微服務應該設計成即使依賴的其他服務失敗也能維持自身穩定性和效能。這意味著系統應該朝向自我修復設計，當某個部分出現問題時，整個系統不會因此當機。這樣可以提高系統的可靠性和穩定性。

商業價值分析

雖然微服務架構在初期可能需要較高的投入和學習成本，但長期來看，其優勢遠超過初始投資。以下是一些關鍵點：

  1. 靈活性與擴充套件性：微服務架構使得系統更易於擴充套件和維護，能夠快速回應市場變化和客戶需求。
  2. 技術更新：由於模組化設計，技術更新和升級變得更加容易和安全。
  3. 成本效益：透過自動化和高效資源利用，長期維護成本可以顯著降低。
  4. 快速交付：微服務架構支援持續整合和持續交付（CI/CD），縮短了上市時間。

具體案例分析

假設一個企業目前使用的是單一架構平台（Monolithic Architecture），其生命週期通常為4到5年。隨著客戶需求變化、技術更新以及系統擴充套件需求增長，企業必須進行平台重新整理（Platform Refresh）。這個過程通常涉及高昂的成本和時間投入。

如果轉型為微服務架構，初期投資可能會較高，但長期來看會有以下優勢：

  • 建立成本（M CTB vs. S CTB）：對於已有應用程式的企業來說，轉型為微服務可能需要額外的員工培訓、文化變革和工具更新等費用。
  • 維護成本（M CTM vs. S CTM）：容器化技術（如Docker）和DevOps實踐可以顯著降低維護成本和減少停機時間。
  • 變更/更新成本（M CTU vs. S CTU）：微服務架構支援模組化開發和佈署，使得新功能新增和錯誤修復更加高效。
  • 擴充套件成本（M CTS vs. S CTS）：微服務架構能夠更靈活地擴充套件系統資源以應對增長中的使用者基礎。
  • 上市時間（M TTM vs. S TTM）：CI/CD流程可以加速新功能或更新的上市時間。

此圖示

  graph TD
    A[Monolithic Architecture] --> B[High Maintenance Cost]
    A --> C[Limited Scalability]
    A --> D[Long Update Cycles]

    E[Microservices Architecture] --> F[Lower Maintenance Cost]
    E --> G[High Scalability]
    E --> H[Faster Update Cycles]

    I[Initial Investment] --> J[Training & Culture Change]
    I --> K[Tool Upgrades]

    L[Long-term Benefits] --> M[Cost Savings]
    L --> N[Increased Agility]
內容解密：
  • Monolithic Architecture：傳統單一架構平台具有高維護成本、擴充套件能力有限且更新週期較長。
  • Microservices Architecture：微服務架構具有較低的維護成本、更高的擴充套件能力且更新週期更短。
  • Initial Investment：轉型為微服務需要初期投入包括員工培訓、文化變革及工具升級等。
  • Long-term Benefits：長期來看，微服務架構能帶來顯著的成本文省和提高系統靈活性。

總結來說，雖然轉型為微服務可能需要初期較高的投資和學習成本，但其長期優勢遠超過初始投入。企業應該充分評估這些優勢並制定相應的轉型計劃。

玄貓

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技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。