22、软件应用架构与API的发展趋势及应用

软件应用架构与API的发展趋势及应用

1. 集中式与分布式应用

在计算模型领域，集中式和分布式计算模型之间存在着动态变化。云环境通常是集中式、整合式且融合式的应用托管环境。近年来，为了托管和运行分布式应用，云开始采用联合模式。

随着数据呈指数级增长以及应用的复杂度不断提升，分布式计算的发展势不可挡。借助云模式，利用通用服务器进行大规模应用和数据处理的趋势日益增强。相较于垂直扩展性，水平扩展性更受青睐，因此分布式系统越来越受欢迎。应用程序也在有计划地进行分区以实现分布式部署，数据会分布到数千个工作节点或从节点上，计算会迁移到数据所在的位置。

分布式计算的兴起带来了诸多范式转变，同时也引发了网络延迟问题。随着分布式计算的广泛接受和应用，服务器虚拟化已经扩展到网络和存储虚拟化领域。微服务架构（MSA）的出现和发展促成了分布式应用的实现。总之，分布式计算和应用是必然趋势，为了满足快速发展的业务和 IT 需求，我们必须接纳它们。

集中式环境和应用存在一定的局限性，而分布式系统能够确保高可用性、经济性和可扩展性。未来 IT 的理念是分布式部署、集中式监控、测量和管理。

2. 基于区块链技术的去中心化与智能应用

虽然集中式应用在某些情况下非常适用，但近年来，随着区块链技术的快速采用和适应，去中心化应用的市场需求不断增加。区块链范式在多个行业领域实现和运行去中心化应用时，有望带来一系列的变革和转型。

去中心化服务和解决方案能够解决集中式系统和应用所面临的问题。通常，去中心化系统由不同的组织拥有和运营，因此去中心化软件的安全性在技术上得到了加强。通过去中心化方法，可以保证软件系统具有备受推崇的不可破解和不可渗透的安全性。去中心化方法所促进的点对点（P2P）交互，在许多近期的应用场景中被证明是一种有效的解决方案。

区块链技术的快速成熟和稳定，正推动 IT 专业人员和组织致力于开发去中心化系统。区块链范式还催生了智能合约的新概念，从而实现了自适应应用。

3. 复合与多容器应用

在软件工程中，分解和组合技术被广泛应用以取得突破。通过分解技巧，单体应用正在被拆解，而分解后的应用模块则按顺序组合在一起，以创建更智能、更复杂的应用。

随着容器成为微服务最合适的运行时环境，我们需要利用容器化微服务来构建企业级、关键任务型和自适应应用。有组合（编排和协调）平台和引擎可以简化和加速构建流程感知型和以人为本的应用程序的过程。还有一些支持流程的语言，有助于开发经过流程优化和集成的应用。

4. 事件驱动应用

目前，尤其是在金融领域，仍然存在大量的单体和大型机应用。如今，大多数应用采用客户端/服务器模式，同时也有云应用（在线、按需和离站式）。随着各种附加系统和第三方系统的加入，应用架构逐渐向 n 层分布式计算发展。借助区块链技术，P2P 架构模式受到了各方的广泛关注。此外，还有面向服务的架构（SOA）和面向资源的架构（ROA）等变体，它们天然支持请求/响应和“即发即忘”模式，并且有方法可以实现参与组件之间的轻量级和松散耦合。

然而，未来无疑属于事件驱动架构（EDA），它是实现敏感和响应式（S 和 R）应用的发展方向。随着独立但相互连接的设备数量的空前增长，EDA 风格有助于实现解耦的应用。任何值得关注的事件或状态变化都会触发其他设备和应用采取行动。

存在事件存储和处理平台（包括开源和商业级解决方案），简单/原子事件会积累和聚合形成复杂事件。事件消息会被流式传输，以便进行各种调查，通过利用流分析解决方案可以大大简化这些调查。还有用于事件和流处理的支持框架。应用程序能够根据从事件消息中提取的任何见解，天生具备自适应能力。应用程序将以用户为中心并具有前瞻性，同时提供独特的服务。EDA 是构建智能系统的推荐方法之一。

5. 高质量应用

如今，存在大量针对 I/O 设备、以服务器为中心、面向特定语言、受架构启发以及与技术无关的应用。目前，大多数应用程序的编写是为了满足所确定的功能需求。随着 IT 被视为更强大的业务推动者，不断发展的业务需求要求 IT 专业人员和专家找到将非功能需求（NFRs）融入源代码的可行方法。

主要的非功能需求包括性能、可扩展性、可用性、弹性、可靠性、安全性、可扩展性、可访问性和可修改性。这些服务质量（QoS）和用户体验（QoE）属性必须优雅地嵌入到我们日常的软件应用中。

一个新兴的领域——站点可靠性工程（SRE）正吸引着软件工程师和架构师的关注。这意味着不仅要以敏捷的方式开发业务应用和 IT 系统，还要以高度可靠的方式进行设计、开发、调试、交付和部署。目标是确保应用的弹性和可靠的 IT 基础设施。IT 专家未来面临的挑战多种多样，构建高质量应用面临着无数困难。学者和科学家们正在努力提出最佳实践、知识指南、优化流程、架构和设计模式、集成平台、强大的基础设施以及易于理解和使用的程序，以简化和优化高质量软件系统的生产过程。

6. 弹性应用

微服务被认为是构建和部署下一代应用的首选元素。不同的分布式微服务组合在一起可以形成灵活的应用。由于对可靠 IT 系统和业务应用的广泛需求，一些可行的方法正在迅速涌现和发展，用于将所需的可靠性能力嵌入到软件系统中。

一般来说，系统可靠性包括应用的弹性和系统的弹性。也就是说，当面临内部或外部攻击时，应用必须能够存活下来，以持续履行其职责。应用程序必须具备主动检测任何问题的能力，然后控制问题，防止其蔓延到其他系统组件。因此，系统必须在技术上具备容错能力，以确保高可用性。简而言之，弹性能力是指在不使整个系统崩溃的情况下识别和避免问题。在满足用户请求时，为每个服务部署额外的实例会很有帮助。

另一个方面是弹性特性，即当系统负载过重时，它们必须相应地进行扩展，以应对额外的用户和数据消息高峰。因此，除了确保应用和数据的最高安全性外，保证可靠性也变得越来越重要。

7. 用于应用现代化和集成的 REST 范式

单体和大型应用正在进行现代化改造并迁移到云环境中，以充分实现云计算模型最初设想的所有优势。微服务正成为构建企业级应用的最优化构建块。不仅在开发方面，而且在应用现代化方面，微服务都被认为是最合适的方法。

具体来说，遗留应用正在被系统地划分为多个可互操作、可移植、可公开发现、可通过网络访问、可重用、可组合、细粒度、与技术无关、容器化、水平可扩展且可独立部署的微服务。每个微服务都会暴露一个或多个接口，其中 RESTful 接口是微服务连接和组合成更大、更好服务的最流行接口。因此，微服务通常是 RESTful 服务。

通过 RESTful 服务及其 API，可以加速和简化应用的重构和修复工作。服务、应用和数据的集成以及编排都通过 RESTful API 实现。

总之，新的技术和工具包、编程和脚本语言、架构和设计模式、集成平台、开创性的算法、支持框架、可组合和集群化的基础设施、优化的流程、新的构建块、数据格式和协议不断涌现，对软件工程领域产生了影响。敏捷软件开发方法对于快速构建应用变得越来越重要。此外，微服务在实现企业级应用中的作用和责任也日益凸显。除了敏捷技术外，微服务对应用的快速开发也做出了巨大贡献。换句话说，通过组合多个微服务，可以快速准备好应用。

应用之间主要是相互依赖的，它们不能孤立运行。它们必须动态集成，为用户提供集成的体验。应用还必须与其他应用、数据源和存储、数据处理和数据分析平台以及消息传递和中间件系统相连接。因此，不可避免的集成必须通过精心设计的 API 来实现。最后，遗留应用必须被拆解成易于管理和松散耦合的模块。这些模块化组件与管理解决方案相结合，将显著提高其利用率、效率、可见性和可控性。此外，根据需要，可以选择多个模块并组合成更大、更好的应用。

8. 应用程序编程接口（APIs）

我们正朝着一切即服务的方向发展，应用程序编程接口（APIs）已成为企业将其能力作为服务表达和暴露的首选技术。每个服务都必须有一个或多个接口和后端实现。世界各地的公司都在积极使用 API。一些独特的使用模式已经出现，以帮助企业迅速适应不断变化的业务需求。

正在进行数字化转型战略规划的企业正在加速利用多个渠道和 RESTful API，以在竞争中脱颖而出。API 已成为组织与业务合作伙伴、供应商、零售商、分销商、仓库提供商、物流和供应链专家以及消费者轻松连接的战略资产，这就是所谓的 API 经济。随着全球雄心勃勃的企业接受 API 概念，API 正在推动设计模式和使用模式的发展。

以下是四种可以高效满足业务需求的 API 使用模式：
- 公共 API：用于外部集成和创新
- 随着下一代和新颖的 I/O 设备不断涌现，数字设备生态系统在持续扩展。同时，快速积累的数字内容、信息和服务可以在任何时间、任何网络和任何设备上被发现、访问和消费。为了标准化服务发现、匹配和利用，广泛推荐使用 API。API 正成为企业以可控方式共享服务和信息的下一代渠道。
- 随着数字生态系统的稳步发展，API 成为跨国公司将其产品推向更广泛市场的途径。随着数字资产的激增，API 已成为访问、评估和使用数字资产的主要方法。大量数字服务提供商涌现，为了创造更高的商业价值，地理上分散的服务提供商需要通过 API 按需识别和集成。每个服务都配备了一个或多个 API，开源社区和商业级解决方案提供商提供了 API 管理和网关解决方案，以降低 API 开发、运营和管理的复杂性。
- 私有 API：用于内部目的
- 内部 API 可以提高企业内部和跨部门的利用率和效率。它使内部开发人员能够轻松地发现和使用内部服务。目前的趋势是，每个有价值的应用都在精心实现服务和 API 化。
- 通常，企业拥有各种后端系统，如数据库管理系统、面向消息的中间件（MoM）解决方案、消息代理和队列、数据处理和数据分析系统以及知识可视化工具，这些系统都实现了服务化，以暴露自己的接口（API），促进服务连接、集成和编排的目标。当组织需要创建用于内部使用的新 API 时，需要在现有系统的服务 API 之上添加。虽然有一些公共 API，但内部使用的 API 更多，因为可能有数百个内部服务使用多种数据格式和传输协议。为了促进重用、提高速度、效率和敏捷应用开发，企业应该将其内部 API 发布在可搜索的目录中。
- 物联网设备的 API
- 预计未来将有 500 亿台互联设备。大量一次性但不可或缺的设备正在被生产出来，用于自动化日常活动。嵌入式设备通过网络协作，为人们开发和提供情境感知服务。新的用例不断涌现，以促进物联网范式的普及和渗透。
- 由于物联网设备的多样性和异构性，其在家庭、酒店、医院、零售店、制造车间、火车站、餐厅和自动驾驶汽车等场景中的部署面临着运营、管理和安全方面的复杂性。如今，传感器和执行器已成为每个数字应用的“眼睛”和“耳朵”，每个设备都变得具有计算、通信、感知和主动能力。
- 边缘和雾设备有足够的能力形成临时云，用于捕获、存储、处理和分析实时、时间序列和流式数据，以提取可操作的见解，并将其反馈给设备和人员，以便及时做出明智的决策并自信地开展正确和相关的活动。未来的物联网应用和服务需要通过 RESTful API 进行暴露，以实现设备集成和服务编排。
- 用于应用集成的 API
- API 在完成流程、数据和应用集成的复杂任务中起着至关重要的作用。面向服务的架构（SOA）为面向服务的应用和集成提供了一个刺激的平台。企业服务总线（ESB）产品的快速成熟和稳定加速了面向服务、集成和洞察驱动型企业的建立和维持。通过 API 驱动的方式集成离散的服务以创建集成系统正受到广泛关注。

总之，全球企业都将 API 视为实现数字颠覆、创新和转型的战略途径。外部 API 为客户的开发人员提供了实现和使用暴露的 API 来连接和协作软件应用的途径，通过外部暴露的 API 还可以实现对应用的远程监控、测量和管理。

9. RESTful 服务范式解析

在软件工程领域，当前的发展趋势是通过集成、编排和协调多个服务来构建应用程序。工作流是一个重要的统一因素，它有助于识别相关服务，并将选定的服务按正确顺序集成，以形成强大的复合服务和应用。然而，服务的发现、访问、评估和使用仍然是挑战。为了促进服务之间的交互和协作，存在通信和数据传输协议。

REST 方法因其易于理解和使用而越来越受欢迎。下面详细介绍 REST 的简化过程以及交互式服务如何构建强大的应用。
- 资源 ：资源是面向资源的架构（ROA）的主要架构组件，类似于流行的面向对象编程（OOP）概念中的对象。与对象一样，资源有直接作用于它的方法。但与 OOP 不同的是，ROA 中只为资源定义了少数标准方法，而对象可以有一个或多个方法。此外，ROA 中的资源可以合并成资源集合，且每个创建的集合必须是同质的。资源可以关联数据，与资源关联的数据丰富性有助于高效利用资源。JSON 是最适合和流行的数据模型，用于丰富资源，资源越来越多地使用 JSON 对象表示。特殊的 _type 键值对被广泛用于存储任何资源的类型，JSON 数据类型（如字符串、数字、布尔值、空值或数组）是任何键值对的值。
- REST 范式的架构元素
- 连接器 ：连接器用于连接参考点和目标系统，负责识别和访问各种 Web 资源，并更改这些资源的当前表示。不同的连接器角色由不同的编程语言实现，包括：
- 客户端连接器 ：REST 遵循请求 - 响应范式，客户端发送请求并从资源获取相应响应。
- 服务器连接器 ：RESTful 服务器持续监听客户端的请求，并为请求提供响应。
- 可缓存响应 ：可以存储在客户端或服务器中，以加快后续请求的响应速度，多个客户端可以同时获取缓存信息。
- 解析器 ：将资源标识符转换为网络地址。
- 隧道 ：中继服务请求，有时组件会偏离其主要职责进行隧道传输。
- 组件 ：在 REST 范式中，相互交互的各种软件被称为组件，包括：
- 服务器软件 ：使用服务器连接器接收客户端软件的请求，是资源及其表示的来源。
- 客户端软件 ：使用客户端连接器向服务器发送请求并接收响应。
- 网关软件 ：一种中间件解决方案，智能地转换客户端和服务器之间的请求和响应。
- 数据元素 ：是强大的 RESTful 服务范式的重要组成部分，前面提到的 REST 组件通过数据元素的状态表示进行通信。REST 范式中有六个数据元素：
- 资源 ：根据 REST 规范，ROA 是核心架构风格和模式，资源是 RESTful 范式的主要元素。资源是对各种物理或逻辑/数字/网络/虚拟实体的概念映射，这种映射会随时间变化。每个 RESTful 资源通过适当的地址进行唯一表示和标识，例如 Instagram 上的图片、电影标题等。
- 资源标识符 ：资源需要唯一标识才能被发现、访问和使用，统一资源标识符（URI）用于标识每个资源。URI 是客户端和服务器进行明确通信的方式，一个资源可以有多个 URI，这对于指示资源的不同位置信息很有必要，URI 用于交换资源表示。
- 资源元数据 ：元数据对于资源的利用和管理很重要，它提供了关于资源的额外详细信息，如位置信息和替代资源标识符，这些信息有助于资源的操作和管理。资源还包括 RESTful API 特定的信息，如 URL 和关系。
- 表示 ：前面提到 JSON 是定义与资源关联数据的首选数据模型，但为了让资源通过 HTTP 连接与客户端通信，其表示必须转换为文本表示，并正式嵌入到 HTTP 消息体中作为实体。准确地说，资源表示是资源在某一时刻的状态，并且会发生变化，状态值在客户端和服务器之间传输。一个特定的资源可以有多个表示，通常表示捕获和传达资源的当前或期望状态。
- 表示元数据 ：为表示提供额外的详细信息，以简化表示。
- 控制数据 ：定义对资源请求的操作。

综上所述，随着技术的不断发展，软件应用架构和 API 的应用模式都在不断演变和创新。企业需要根据自身需求和业务目标，合理选择和应用这些技术，以提升竞争力和实现数字化转型。

以下是一个简单的 mermaid 流程图，展示应用集成的基本流程：

graph LR
    A[应用系统1] --> C[API 网关]
    B[应用系统2] --> C
    C --> D[服务集成平台]
    D --> E[统一应用接口]
    E --> F[用户端]

同时，为了更清晰地展示 REST 范式的架构元素，我们可以用表格进行总结：
| 架构元素类别 | 具体元素 | 功能描述 |
| ---- | ---- | ---- |
| 连接器 | 客户端连接器 | 遵循请求 - 响应范式，客户端发送请求并获取响应 |
| | 服务器连接器 | 监听客户端请求并提供响应 |
| | 可缓存响应 | 存储在客户端或服务器，加快后续请求响应 |
| | 解析器 | 将资源标识符转换为网络地址 |
| | 隧道 | 中继服务请求 |
| 组件 | 服务器软件 | 接收客户端请求，提供资源及表示 |
| | 客户端软件 | 发送请求并接收响应 |
| | 网关软件 | 转换客户端和服务器之间的请求和响应 |
| 数据元素 | 资源 | 对各种实体的概念映射，唯一标识 |
| | 资源标识符 | 用 URI 标识资源，用于通信和交换表示 |
| | 资源元数据 | 提供资源额外信息，便于操作和管理 |
| | 表示 | 资源状态的文本表示，在客户端和服务器间传输 |
| | 表示元数据 | 简化表示的额外信息 |
| | 控制数据 | 定义对资源的操作请求 |

软件应用架构与API的发展趋势及应用

10. 各类应用架构的对比与选择

为了更清晰地了解不同应用架构的特点，以便企业在实际应用中做出合适的选择，下面对集中式、分布式、去中心化、事件驱动等应用架构进行对比：
| 架构类型 | 特点 | 优势 | 劣势 | 适用场景 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 集中式 | 集中管理、数据和计算集中 | 易于管理和维护、数据一致性高 | 扩展性差、单点故障风险高 | 数据量较小、业务逻辑简单的场景 |
| 分布式 | 数据和计算分布在多个节点 | 高可用性、可扩展性强 | 网络延迟问题、管理复杂 | 大数据处理、高并发场景 |
| 去中心化 | 由不同组织拥有和运营 | 安全性高、P2P交互灵活 | 协调难度大、标准不统一 | 对安全性要求高、需要多方协作的场景 |
| 事件驱动 | 基于事件触发 | 解耦性好、响应及时 | 事件处理复杂、调试困难 | 实时性要求高、需要根据状态变化做出反应的场景 |

企业在选择应用架构时，需要综合考虑业务需求、数据量、性能要求、安全性等因素。例如，对于电商平台，在促销活动期间会面临高并发的情况，分布式架构可以更好地应对；而对于金融交易系统，由于对安全性要求极高，去中心化架构可能是更好的选择。

11. API 在不同行业的应用案例

API 在各个行业都有广泛的应用，下面通过几个具体案例来展示其在不同行业的作用：
- 金融行业 ：银行通过开放 API 与第三方金融科技公司合作，实现账户查询、支付结算等功能。例如，用户可以在第三方理财 APP 上通过 API 连接银行账户，进行资金的查询和转账操作。这样不仅提高了用户的便捷性，也为银行拓展了业务渠道。
- 医疗行业 ：医院的信息系统可以通过 API 与外部的医疗设备供应商、保险公司等进行数据交互。比如，医疗设备可以实时将患者的生命体征数据通过 API 传输到医院的信息系统中，医生可以及时获取数据进行诊断；同时，保险公司可以通过 API 从医院获取患者的治疗信息，实现快速理赔。
- 电商行业 ：电商平台通过 API 与物流、支付等第三方服务提供商集成。当用户下单后，电商平台可以通过 API 将订单信息发送给物流公司，实现订单的跟踪和配送；同时，用户可以选择不同的支付方式，电商平台通过 API 与支付网关进行交互，完成支付流程。

12. 构建高质量应用的具体步骤

构建高质量应用是企业的重要目标，下面给出具体的操作步骤：
1. 需求分析 ：明确业务需求和非功能需求（NFRs），包括性能、可扩展性、安全性等。可以通过与业务部门沟通、市场调研等方式获取需求信息。
2. 架构设计 ：根据需求选择合适的应用架构，如分布式架构、事件驱动架构等。同时，设计合理的 API 接口，确保应用之间的集成和交互。
3. 编码实现 ：使用合适的编程语言和开发工具进行编码，遵循编码规范和最佳实践。在代码中嵌入非功能需求，如通过缓存技术提高性能、使用加密算法保障安全性等。
4. 测试验证 ：进行功能测试、性能测试、安全测试等，确保应用满足需求。可以使用自动化测试工具提高测试效率。
5. 部署上线 ：将应用部署到生产环境中，可以选择云服务提供商或自建服务器。在部署过程中，确保应用的高可用性和可扩展性。
6. 监控维护 ：对应用进行实时监控，收集性能指标和用户反馈。及时处理出现的问题，进行优化和升级。

以下是一个 mermaid 流程图，展示构建高质量应用的流程：

graph LR
    A[需求分析] --> B[架构设计]
    B --> C[编码实现]
    C --> D[测试验证]
    D --> E[部署上线]
    E --> F[监控维护]
    F --> C{是否需要优化?}
    C -- 是 --> B
    C -- 否 --> G[结束]

13. 未来发展趋势展望

随着技术的不断进步，软件应用架构和 API 的发展也将呈现出一些新的趋势：
- 人工智能与机器学习的融合 ：未来的应用将更多地与人工智能和机器学习技术融合，通过 API 调用这些技术的能力，实现智能决策、预测分析等功能。例如，电商平台可以通过 API 调用机器学习模型，为用户提供个性化的商品推荐。
- 无服务器架构的普及 ：无服务器架构将进一步简化应用的开发和部署，企业无需管理服务器，只需关注业务逻辑。API 将在无服务器架构中发挥重要作用，实现不同服务之间的交互。
- 区块链技术的深入应用 ：区块链技术将在更多领域得到应用，API 将用于实现区块链与其他系统的集成。例如，在供应链管理中，通过 API 可以将区块链上的交易信息与企业的 ERP 系统进行同步。

企业需要密切关注这些发展趋势，及时调整技术战略，以适应市场的变化。

14. 总结

软件应用架构和 API 在当今数字化时代扮演着至关重要的角色。从集中式到分布式、去中心化的演变，以及事件驱动架构的兴起，都反映了技术的不断进步和业务需求的变化。API 作为连接不同系统和服务的桥梁，为企业实现数字化转型提供了有力支持。

通过本文的介绍，我们了解了不同类型的应用架构、API 的使用模式、RESTful 服务范式等内容。同时，我们也看到了 API 在各个行业的广泛应用以及构建高质量应用的具体步骤。未来，随着技术的发展，软件应用架构和 API 将不断创新和完善，为企业带来更多的机遇和挑战。企业需要根据自身的实际情况，合理选择应用架构和 API 技术，以提升竞争力，实现可持续发展。

在实际应用中，企业可以参考以下建议：
- 深入了解业务需求，选择合适的应用架构和 API 使用模式。
- 注重非功能需求的实现，构建高质量的应用。
- 加强与第三方合作伙伴的合作，通过 API 实现资源共享和业务拓展。
- 关注技术发展趋势，及时进行技术升级和创新。

希望本文能够为企业在软件应用架构和 API 方面的决策提供有价值的参考。