49、从单体架构到微服务架构：渐进式改造策略

从单体架构到微服务架构：渐进式改造策略

在当今的软件开发领域，许多企业面临着单体应用架构的挑战。单体应用虽然曾经为企业提供了稳定的服务，但随着业务的发展和需求的变化，其局限性逐渐显现。本文将深入探讨如何通过渐进式的方式，将单体应用架构逐步改造为微服务架构，以及在这个过程中需要注意的问题和策略。

1. 单体架构改造的必要性

单体应用架构在企业发展初期可能是一个不错的选择，它简单易部署，开发和维护成本相对较低。然而，随着企业的成长，单体应用逐渐暴露出一些问题：
- 耦合严重 ：单体应用中的组件之间存在着大量的耦合，这使得添加新功能或修改现有功能变得困难，容易引入新的错误。
- 开发效率低下 ：由于团队成员需要在同一个代码库中工作，复杂的同步和沟通问题导致开发效率降低。
- 部署困难 ：随着应用规模的增大，部署时间变长，且一旦出现问题，整个应用可能会受到影响。
- 技术债务积累 ：随着时间的推移，不同经验的开发者对系统进行修改，导致技术债务增加，进一步增加了系统的复杂性。

2. 一次性重写的风险

将单体应用一次性重写为微服务架构可能是一种解决方案，但这种方法存在很大的风险：
- 价值体现延迟 ：在整个重写过程完成之前，无法看到新架构带来的价值。
- 原系统维护困难 ：当团队将时间和精力集中在重写上时，原系统的关键变更可能无法及时进行。
- 人员配置困难 ：原系统的变更需求可能使得无法为重构或重写工作配备足够的人员。
- 测试难度大 ：一次性测试整个替换系统可能非常困难，甚至不可能。
- 跟不上原系统变化 ：重写团队可能无法跟上原系统的变化，导致重写失败。
- 客户端兼容性问题 ：如果原单体应用被客户端应用使用，保护现有客户端应用是很重要的，因为外部客户端通常不愿意或无法按照内部团队的时间表对其软件进行大的更改。

3. 渐进式改造策略：绞杀单体应用

为了降低风险，一种更可行的方法是渐进式地将单体应用替换为微服务。这种方法主要包括两个过程：
- 将新功能作为微服务实现 ：在单体应用外部实现新功能，这不仅有助于团队学习微服务的原理和实践，还能避免向单体应用中添加未来可能需要改造的新功能。
- 递归替换单体应用中的功能 ：逐步将单体应用中的现有功能替换为微服务，直到整个单体应用被新的微服务应用所取代。

3.1 准备工作：铺平道路

在开始绞杀单体应用之前，需要确保具备实现微服务的基础设施和环境，包括：
- 技术基础设施 ：如容器化、容器编排、日志整合、监控和分布式跟踪等。
- DevOps 实践 ：采用 DevOps 实践，实现基础设施和工具的自动化，如持续交付、外部配置和基础设施即代码等。

3.2 从小处着手

从小规模的微服务项目开始是一个不错的选择。团队可以先实现一些新功能，通过实践来学习微服务的原则和最佳实践。一旦成功创建了一个或几个微服务，团队可以将新的开发工作转向以微服务的形式添加新功能。

3.3 转换单体应用为微服务

在绞杀过程中，需要逐步将单体应用中的功能替换为微服务。这个过程中可能需要将现有客户端或单体代码的请求重定向到新的微服务。有时，新的微服务可能需要访问单体应用中的数据或功能。

为了更好地理解这个过程，我们可以参考以下流程图：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px

    A([开始绞杀单体应用]):::startend --> B(铺平道路):::process
    B --> C(从小处着手，实现新功能作为微服务):::process
    C --> D{是否有更多功能需要替换?}:::decision
    D -->|是| E(转换单体应用中的功能为微服务):::process
    E --> F(重定向请求到新微服务):::process
    F --> D
    D -->|否| G([完成绞杀，单体应用被微服务取代]):::startend

4. 选择替换功能的策略

在选择将单体应用中的哪些功能替换为微服务时，可以采用以下策略：
- 优先处理高价值项目 ：选择对业务有重要影响的功能进行替换，以尽快获得微服务架构带来的好处。
- 寻找容易提取的部分 ：找到那些容易从单体应用中分离出来的功能，即所谓的“低垂的果实”，作为开始的切入点。

5. 包裹单体应用

在提取单体应用中的逻辑到微服务时，可能会出现旧客户端和新客户端需要以不同方式访问相同逻辑的情况。为了解决这个问题，可以创建一个代理或外观（Facade）来包裹单体应用：
- 初始阶段 ：外观仅传递旧客户端组件和遗留应用之间的所有流量，不做任何修改，以保护旧客户端不受变化的影响。
- 替换过程中 ：随着微服务逐渐替换单体应用组件，外观将旧客户端的协议转换为新微服务使用的协议、技术和契约。

以下是包裹单体应用的示意图：

graph LR
    classDef client fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
    classDef facade fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px
    classDef monolith fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px
    classDef microservice fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px

    A(旧客户端组件):::client --> B(外观):::facade
    B --> C(单体应用):::monolith
    C --> D(微服务):::microservice
    D --> B
    B --> A

6. 绞杀单体应用的优缺点

绞杀单体应用的方法有很多优点，但也存在一些权衡：
| 优点 | 缺点 |
| ---- | ---- |
| - 降低风险：新代码引入的风险在较长时间内逐步承担。
- 成本分摊：许多组织无法一次性承担整个单体应用的重写成本。
- 持续提供价值：在改造过程中，旧架构仍然可以为组织提供价值。 | - 维护和治理挑战：需要同时维护和治理两种不同的软件架构风格，增加了总成本。
- 收益延迟：由于改造过程是渐进的，需要一段时间才能看到新架构的优势。
- 数据管理挑战：单体应用通常使用集中式数据库，而微服务通常采用自我管理的数据存储方法，处理分布式数据库相关问题较为复杂。 |

7. 新功能作为微服务

为了避免向单体应用中添加未来需要改造的新功能，可以创建一个新的指令，要求每当添加新功能时，都将其作为微服务实现。这可以通过以下方式实现：
- 制定治理策略 ：在治理过程中制定一个指令，鼓励团队优先以微服务的形式添加新功能，同时劝阻向单体应用中添加新功能。
- 沟通和支持 ：向利益相关者（如产品所有者和开发人员）解释这个决策，并提供支持，帮助他们成功使用微服务。
- 激励和限制 ：采用“胡萝卜加大棒”的方法，一方面通过提供模板或示例等方式鼓励团队使用微服务，另一方面通过限制对单体应用的更改来促使团队采用微服务。

以下是一个治理委员会审查更改的流程图：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px

    A([提出更改请求]):::startend --> B{是否为新功能?}:::decision
    B -->|是| C{是否以微服务实现?}:::decision
    C -->|是| D(直接实现):::process
    C -->|否| E(提交治理委员会审查):::process
    B -->|否| E
    E --> F(治理委员会审查):::process
    F --> G{是否批准在单体应用中更改?}:::decision
    G -->|是| H(在单体应用中实现更改):::process
    G -->|否| I(要求以微服务实现):::process
    D --> J([完成更改]):::startend
    H --> J
    I --> C

8. 实际案例

许多组织已经成功地将单体应用改造为微服务架构，以下是一些实际案例：
- Uber ：在业务高速增长期间，Uber 将原有的单体系统拆分为数百个微服务，以支持其规模和增长需求，同时不断发展其运行系统。
- Netflix ：Netflix 逐步将其视频处理管道从单体系统过渡到基于业务能力划分的微服务架构，保持了创新和持续改进的速度。
- eBay ：eBay 经过十多年的发展，其单体应用变得越来越难以维护。通过逐步迁移到微服务架构，eBay 能够继续构建新功能并定期发布应用。
- Amazon ：作为全球最大的电子商务系统之一，Amazon 将其单体架构逐步转变为围绕业务能力开发的数百个微服务，提高了系统的可扩展性和开发效率。
- PagSeguro ：PagSeguro 在快速发展期间，将大型单体系统现代化为数百个微服务，以满足不断增长的业务需求。其成功的关键在于从小处着手、铺平道路和围绕领域建模。

通过这些实际案例可以看出，渐进式地将单体应用改造为微服务架构是一种可行且有效的方法。它可以帮助组织在降低风险的同时，逐步实现架构的现代化，以更好地满足业务的需求。在实施过程中，需要充分考虑各种因素，制定合理的策略，并根据实际情况进行调整。希望本文能为正在考虑或已经开始进行单体应用改造的组织提供一些有益的参考。

从单体架构到微服务架构：渐进式改造策略（续）

9. 实施新功能作为微服务的具体操作

当决定将新功能作为微服务实现时，还需要考虑一些具体的操作步骤，以确保顺利过渡：
- 功能评估 ：在添加新功能之前，对该功能进行评估，判断其是否适合独立作为微服务。可以从功能的独立性、复用性、业务价值等方面进行考量。
- 架构设计 ：根据功能需求，设计微服务的架构。包括确定微服务的边界、接口、数据存储方式等。遵循微服务设计原则，确保微服务的高内聚和低耦合。
- 开发与测试 ：使用适合的技术栈开发微服务，并进行充分的测试。测试包括单元测试、集成测试和端到端测试，以确保微服务的质量和稳定性。
- 部署与监控 ：将微服务部署到生产环境，并建立监控机制。监控微服务的性能、可用性和错误率，及时发现并解决问题。

以下是实施新功能作为微服务的操作步骤列表：
1. 功能评估 ：
- 分析功能的独立性和复用性。
- 评估功能的业务价值和对现有系统的影响。
2. 架构设计 ：
- 确定微服务的边界和接口。
- 选择合适的数据存储方式。
- 设计微服务之间的通信机制。
3. 开发与测试 ：
- 选择合适的技术栈进行开发。
- 编写单元测试和集成测试代码。
- 进行端到端测试，确保功能正常。
4. 部署与监控 ：
- 将微服务部署到生产环境。
- 建立监控系统，监控微服务的性能和可用性。
- 及时处理监控中发现的问题。

10. 数据管理挑战及解决方案

在将单体应用改造为微服务架构的过程中，数据管理是一个关键的挑战。单体应用通常使用集中式数据库，而微服务架构采用自我管理的数据存储方法，这会带来一系列的数据管理问题。以下是一些常见的数据管理挑战及相应的解决方案：
| 挑战 | 解决方案 |
| ---- | ---- |
| 数据一致性 ：微服务之间的数据可能不一致，需要确保数据在不同微服务之间的一致性。 | - 使用分布式事务管理框架，如 Seata。
- 采用最终一致性模型，通过消息队列实现数据的异步更新。 |
| 事务管理 ：在微服务架构中，处理跨服务的事务变得更加复杂。 | - 使用 Saga 模式，将一个大的事务拆分为多个小的子事务。
- 采用补偿机制，在事务失败时进行回滚操作。 |
| 数据同步 ：不同微服务之间可能需要同步数据，以保证数据的实时性。 | - 使用消息队列，如 Kafka 或 RabbitMQ，实现数据的异步同步。
- 采用缓存机制，减少数据同步的频率。 |
| 多数据源查询 ：当需要从多个数据源中查询数据时，需要解决查询的复杂性。 | - 使用 API 网关进行数据聚合，将多个数据源的查询结果合并返回。
- 采用数据仓库或数据湖，对数据进行集中存储和管理。 |

11. 治理委员会的作用和运作方式

治理委员会在将单体应用改造为微服务架构的过程中起着重要的作用。它可以帮助组织控制对单体应用的更改，推动新功能以微服务的形式实现。以下是治理委员会的主要作用和运作方式：
- 作用 ：
- 审批更改 ：对需要在单体应用中进行的更改进行审批，确保只有必要的更改才能实施。
- 推动微服务采用 ：鼓励团队优先以微服务的形式添加新功能，促进架构的现代化。
- 风险管理 ：评估更改对系统的影响，降低改造过程中的风险。
- 运作方式 ：
- 建立规则 ：制定明确的规则和流程，规定哪些更改需要经过治理委员会的审批。
- 审查申请 ：对团队提交的更改申请进行审查，分析更改的必要性和影响。
- 做出决策 ：根据审查结果，决定是否批准在单体应用中进行更改，或者要求以微服务的形式实现。
- 提供反馈 ：向团队提供关于更改申请的反馈，帮助他们理解决策的原因和改进方向。

以下是治理委员会的运作流程示意图：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px

    A([团队提交更改申请]):::startend --> B(治理委员会接收申请):::process
    B --> C(审查申请，分析必要性和影响):::process
    C --> D{是否批准在单体应用中更改?}:::decision
    D -->|是| E(通知团队批准更改):::process
    D -->|否| F(通知团队要求以微服务实现):::process
    E --> G(团队在单体应用中实现更改):::process
    F --> H(团队以微服务形式实现更改):::process
    G --> I([完成更改]):::startend
    H --> I

12. 总结与建议

将单体应用改造为微服务架构是一个复杂而长期的过程，需要组织充分考虑各种因素，制定合理的策略，并采取有效的措施来降低风险。以下是一些总结和建议：
- 渐进式改造 ：采用渐进式的改造策略，逐步将单体应用替换为微服务，降低一次性重写的风险。
- 从小处着手 ：从小规模的微服务项目开始，让团队逐步熟悉微服务的开发和管理。
- 建立基础设施 ：在开始改造之前，确保具备实现微服务的基础设施和环境，如容器化、监控和日志管理等。
- 制定治理策略 ：建立治理委员会，控制对单体应用的更改，推动新功能以微服务的形式实现。
- 关注数据管理 ：重视数据管理问题，采用合适的解决方案确保数据的一致性和可用性。
- 学习与实践 ：鼓励团队学习微服务的原理和最佳实践，并通过实际项目进行实践。

通过遵循这些建议，组织可以更加顺利地将单体应用改造为微服务架构，实现架构的现代化，提高系统的可扩展性和开发效率，更好地满足业务的需求。在实施过程中，要不断总结经验，根据实际情况进行调整，确保改造工作的成功。