从零开始学架构——架构基础

本文章的内容是根据书籍《从零开始学架构》整理的资料，供作者以及读者查阅。

1. 架构的定义

软件架构指软件系统的顶层架构。 详细阐述如下：

a. “系统由一群关联个体组成”，个体分别是：系统、子系统、模块、组件等。 架构需要明确系统包含哪些“个体”。

b. 系统中的个体需要“按照某种规则”运作，架构需要明确个体运作和协作的规则。

2. 架构设计的目的

2.1. 软件架构的历史背景

（1）机器语言：其是最早的开发语言，直接使用0和1来表示机器可以识别的指令和数据。主要问题：太难写、太难读、太难改。

（2）汇编语言：为了解决机器语言的问题，汇编语言应运而生。汇编语言虽然解决了机器语言读写复杂的问题，但本质还是面向机器的，因为需要我们精确了解计算底层的知识才可编写汇编语言。

（3）高级语言：为了解决汇编语言的问题，计算机前辈开始又设计了多个高级语言，其可以让 程序员 不需要关注机器底层的低级结构和逻辑，只需关注具体的问题和业务即可。优势：通过编译处理，高级语言可以被编译成适合不同CPU指令的机器语言。

2.2. 软件危机

（1）20世纪60年代第一次出现软件危机引入了“结构化编程”，创建了“模块”概念；

（2）20世纪80年代第二次软件危机引出了“面向对象编程”，创造了“对象”概念；

（3）20世纪90年代“软件架构”开始流行，创建了“组件”该鸟。

2.3.架构设计真正目的

从软件开发历史可以看到， 整个软件技术发展的历史，其实就是一部与“复杂度”斗争的历史，架构出现也不例外。 架构设计主要目的就是 为了解决复杂度带来的问题。

2.4.复杂度来源

2.4.1. 高性能

软件系统高性能带来的复杂度主要体现在：a. 单台计算机内部为了高性能带来的复杂度；b. 多台计算机集群为了高性能带来的复杂  度。

操作系统和性能相关的就是进程和线程，最早的计算机是没有操作系统的，只有输入、计算和输出功能，用户输入一指令，计算机完成操作。这样的处理性能是很低效的。

为了解决手工操作的低效性， 批处理系统 应运而生。批处理就是先把要执行的指令记下来（写在纸带、磁带、磁盘等），形成指令清单（任务），然后交给计算机执行。批处理操作系统负责读取任务进行处理，无需等待人工操作，这样性能就有了很大提升。但是具有明显缺点：计算机一次只能执行一个任务，例如现需从I/O设备读取大量数据，在进行I/O操作时，CPU其实是空闲的，而这个空闲时间是可以进行其他计算操作。

为了进一步提升性能，人们发明了 “进程” ，用进程对应一个任务，每个任务都有独立的内存空间，进程间互不相关，由操作系统进行调度。由于此时还没有多核和多线程的概念，为了达到多进程并行执行的目的，采取分时操作（即把CPU的时间分成很多片段，每片段只能执行某进程的指令）。

多进程虽然要求每个任务都有独立的空间，进程互不相关。但是在用户角度来看，如果进程在运行过程中可以进行通信会使任务设计更加灵活高效。例如现存在两个任务A和B，两任务不能相互通信，A只能将结果写入存储，B读取进行处理，这样不仅任务低效，而且任务设计更加复杂。为了解决此问题， 进程间通信的各种方式被设计出来，如：管道、消息队列、信号量、共享存储等。

多进程可以使任务并行处理，但是进程内部只能串行处理，而进程内部之间的子任务有时也需要并行处理。为了解决此问题，人们又发明了 线程 （进程内部的子任务）。为了保证数据的完成性，又发明了 互斥锁机制 。有了多线程以后，操作系统的调度的最小单位是线程，资源分配的最小单位是进程。

操作系统发展到现在，如果我们需要完成一个高性能的软件系统，需考虑如下技术点：多进程、多线程、进程间通信、多线程并发等。

2.4.2. 高可用

高可用是指“系统无中断的执行其功能”的能力，本质是通过“冗余”来实现高可用， 即是通过增加更多机器来达到效果。

2.4.3. 可扩展性

可扩展性是指系统为了应对将来需求变化而提供的一种扩展能力，当有新的需求出现时，系统无需或者少量修改就可以支持，无须整个系统重建或重构。

2.4.4. 低成本

2.4.2. 安全以及规模