優秀架構師必須掌握的架構思維

楊波 菜鳥架構 昨天  

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一、抽象思維

如果要問軟體研發/系統架構中最重要的能力是什麼，我會毫不猶豫回答是抽象能力。抽象(abstraction)這個詞大家經常聽到，但是真正理解和能講清楚什麼是抽象的人少之又少。抽象其實是這樣定義的：

對某種事物進行簡化表示或描述的過程，抽象讓我們關注要素，隱藏額外細節。

舉一個例子，見下圖：

你看到什麼？你看到的是一扇門，對不對？你看到的不是木頭，也不是碳原子，這個門就是抽象，而木頭或者碳原子是細節。另外你可以看到門上有個門把手，你看到的不是鐵，也不是鐵原子，門把手就是抽象，鐵和鐵原子是細節。

在系統架構和設計中，抽象幫助我們從大處著眼（get our mind about big picture），隱藏細節（temporarily hide details）。抽象能力的強弱，直接決定我們所能解決問題的複雜性和規模大小。

下圖是我們小時候玩的積木，我發現小時候喜歡玩搭積木的，並且搭得快和好的小朋友，一般抽象能力都比較強。

上圖右邊的積木城堡就是抽象，這個城堡如果你細看的話，它其實還是由若干個子模組組成，這些模組是子抽象單元，左邊的各種形狀的積木是細節。搭積木的時候，小朋友腦袋裡頭先有一個城堡的大圖（抽象），然後他/她大腦裡頭會有一個初步的子模組分解（潛意識中完成），然用利用積木搭建每一個子模組，最終拼裝出最後的城堡。這裡頭有一個自頂向下的分治設計，然後自底向上的組合過程，這個分治思維非常重要，我們後面會講。

我認為軟體系統架構設計和小朋友搭積木無本質差異，只是解決的問題域和規模不同罷了。架構師先要在大腦中形成抽象概念，然後是子模組分解，然後是依次實現子模組，最後將子模組拼裝組合起來，形成最後系統。所以我常說程式設計和架構設計就是搭積木，優秀的架構師受職業習慣影響，眼睛裡看到的世界都是模組化拼裝組合式的。

抽象能力不僅對軟體系統架構設計重要，對建築、商業、管理等人類其它領域活動同樣非常重要。其實可以這樣認為，我們生存的世界都是在抽象的基礎上構建起來的，離開抽象人類將寸步難行。

這裡順便提一下抽象層次跳躍問題，這個在開發中是蠻普遍的。有經驗的程式設計師寫程式碼會保持抽象層次的一致性，程式碼讀起來像講故事，比較清晰易於理解；而沒有經驗的程式設計師會有明顯的抽象層次跳躍問題，程式碼讀起來就比較累，這個是抽象能力不足造成。舉個例子：

一個電商網站在處理訂單時，一般會走這樣一個流程：

1. 更新庫存(InventoryUpdate)

2. 打折計算(Discounting)

3. 支付卡校驗(PaycardVerification)

4. 支付(Pay)

5. 送貨(Shipping)

上述流程中的抽象是在同一個層次上的，比較清晰易於理解，但是沒有經驗的程式設計師在實現這個流程的時候，程式碼層次會跳，比方說主流程到支付卡校驗一塊，他的程式碼會突然跳出一行某銀行API遠端呼叫，這個就是抽象跳躍，銀行API呼叫是細節，應該封裝在PaycardVerification這個抽象裡頭。

二、分層思維

除了抽象，分層也是我們應對和管理複雜性的基本思維武器，如下圖，為了構建一套複雜系統，我們把整個系統劃分成若干個層次，每一層專注解決某個領域的問題，並向上提供服務。有些層次是縱向的，它貫穿所有其它層次，稱為共享層。分層也可以認為是抽象的一種方式，將系統抽象分解成若干層次化的模組。

分層架構的案例很多，一箇中小型的Spring Web應用程式，我們一般會設計成三層架構：

作業系統是經典的分層架構，如下圖：

TCP/IP協議棧也是經典的分層架構，如下圖：

如果你關注人類文明演化史，你會發現今天的人類世界也是以分層方式一層層搭建和演化出來的。今天的網際網路系統可以認為是現代文明的一個層次，其上是基於網際網路的現代商業，其下是現代電子工業基礎設施，諸如此類。

三、分治思維

分而治之(divide and combine或者split and merge)也是應對和管理複雜性的一般性方法，下圖展示一個分治的思維流程：

對於一個無法一次解決的大問題，我們會先把大問題分解成若干個子問題，如果子問題還無法直接解決，則繼續分解成子子問題，直到可以直接解決的程度，這個是分解(divide)的過程；然後將子子問題的解組合拼裝成子問題的解，再將子問題的解組合拼裝成原問題的解，這個是組合(combine)的過程。推薦閱讀：提升系統 10 倍效能的 10 個建議

面試時為了考察候選人的分治思維，我經常會面一個分治題：給你一臺8G記憶體/500G磁碟空間的普通電腦，如何對一個100G的大檔案進行排序？假定檔案中都是字串記錄，一行約100個字元。

這是一個典型的分治問題，100G的大檔案肯定無法一次載入到記憶體直接排序，所以需要先切分成若干小問題來解決。那麼8G記憶體的計算機一次大概能排多大的資料量，可以在有限的時間內排完呢？也就是100G的大檔案要怎麼切法，切成多少份比較合適？

這個是考察候選人的時間空間複雜度估算能力，需要一定的計算機組織和演算法功底，也需要一定實戰經驗和sense。實際上8G記憶體的話，作業系統要用掉一部分，如果用Java開發排序程式，大致JVM可用2~4G記憶體，基於一般的經驗值，一次排1G左右的資料應該沒有問題（我實際在計算機上幹過1G資料的排序，是OK的）。

所以100G的檔案需要先切分成100份，每份1G，這樣每個子檔案可以直接載入到記憶體進行排序。對於1G資料量的字串排序，採用Java裡頭提供的快速排序演算法是比較合適的。

好，經過有限時間的排序（取決於計算機效能，快的一天內能排完），假定100個1G的檔案都已經排好了，相當於現在硬碟上有100個已經排好序的檔案，但是我們最終需要的是一個排好序的檔案，下面該怎麼做？這個時候我們需要把已經解決的子問題組合起來，合併成我們需要的最終結果檔案。這個時候該採用什麼演算法呢？

這裡考察候選人對外排序和歸併排序演算法的掌握程度，我們可以將100個排好序的檔案進行兩兩歸併排序，這樣不斷重複，我們就會得到50個排好序的檔案，每個大小是2G。然後再兩兩歸併，不斷重複，直到最後兩個檔案歸併成目標檔案，這個檔案就是100G並且是排好序的。因為是外排序+歸併排序，每次只需要讀取當前索引指向的檔案記錄到記憶體，進行比較，小的那個輸出到目標檔案，記憶體佔用極少。另外，上面的演算法是兩路歸併，也可以採用多路歸併，甚至是採用堆排序進行優化，但是總體分治思路沒有變化。

總體上這是一個非常好的面試題，除了考察候選人的分治思維之外，還考察對各種排序演算法（快排，外排序，歸併排序，堆排序）的理解，計算的時間空間複雜度估算，計算機的內外存特性和組織，檔案操作等等。實際上能完全回答清楚這個問題的候選人極少，如果有幸被我面到一個，我會如獲至寶，因為這個人有成長為優秀架構師的潛質。

另外，遞迴也是一種特殊的分治技術，掌握遞迴技術的開發人員，相當於掌握了一種強大的程式設計武器，可以解決一些一般開發人員無法解決的問題。比方說最近我的團隊在研發一款新的服務框架，其中包括契約解析器(parser)，程式碼生產器(code generator)，序列化器(serializer)等元件，裡頭大量需要用到遞迴的思維和技術，沒有這個思維的開發人員就幹不了這個事情。所以我在面試候選人的時候，一般都會出遞迴相關的程式設計題，考察候選人的遞迴思維。

大自然中遞迴結構比比皆是，如下圖，大家有興趣不妨思考，大自然通過遞迴給我們人類何種啟示？

四、演化思維

社群裡頭經常有人在討論：架構是設計出來的？還是演化出來的？我個人基於十多年的經驗認為，架構既是設計出來的，同時也是演化出來的，對於網際網路系統，基本上可以說是三分設計，七分演化，而且是在設計中演化，在演化中設計，一個不斷迭代的過程。

在網際網路軟體系統的整個生命週期過程中，前期的設計和開發大致只佔三分，在後面的七分時間裡，架構師需要根據使用者的反饋對架構進行不斷的調整。我認為架構師除了要利用自身的架構設計能力，同時也要學會藉助使用者反饋和進化的力量，推動架構的持續演進，這個就是演化式架構思維。推薦閱讀：訊息佇列常見的幾種使用場景介紹

當然一開始的架構設計非常重要，架構定系統基本就成型了，不容馬虎。同時，優秀的架構師深知，能夠不斷應對環境變化的系統，才是有生命力的系統，架構的好壞，很大部分取決於它應對變化的靈活性。所以具有演化式思維的架構師，能夠在一開始設計時就考慮到後續架構的演化特性，並且將靈活應對變化的能力作為架構設計的主要考量。

當前，社群正在興起一種新的架構方法學~演化式架構，微服務架構就是一種典型的演化式架構，它能夠快速響應市場使用者需求的變化，而單塊架構就缺乏這種靈活性。馬丁·福樂曾經在其部落格上給出過一張微服務架構的演化路線圖[附錄8.2]，可以用來解釋設計式思維和演化式思維的差異，如下圖所示：

上面的路線是一開始就直奔微服務架構，其實背後體現的是設計式架構的思維，認為架構師可以完全設計整個系統和它的演化方向。馬丁認為這種做法風險非常高，一個是成本高昂，另外一個是剛開始架構師對業務域理解不深，無法清晰劃分領域邊界，開發出來的系統很可能無法滿足使用者需求。

下面的路線是從單塊架構開始，隨著架構師對業務域理解的不斷深入，也隨著業務和團隊規模的不斷擴大，漸進式地把單塊架構拆分成微服務架構的思路，這就是演化式架構的思維。如果你觀察現實世界中一些網際網路公司（例如eBay，阿里，Netflix等等）的系統架構，大部分走得都是演化式架構的路線。

下圖是建築的演化史，在每個階段，你可以看到設計的影子，但如果時間線拉得足夠長，演化的特性就出來了。

五、如何培養架構設計思維

良好的架構設計思維的培養，離不開工作中大量高質量專案的實戰鍛鍊，然後是平時的學習、思考和提煉總結。

另外，基本的架構設計思維，其實在我們大學計算機課程（比如資料結構和演算法）中可以找到影子，只不過當時以學習為主，問題域比較小和理想化。所以大學教育其實非常重要，基本的架構設計思維在那個時候就已經埋下種子，後面工程實踐中進一步消化和應用，隨著經驗的積累，我們能夠解決的問題域複雜性和規模逐漸變大，但基本的武器還是抽象、分層和分治等思維。

我認為一個架構師的成長高度和他大學期間的思維習慣的養成關係密切。我所知道世界一流的網際網路公司，例如谷歌等，招聘工程師新人時，對資料結構和演算法的要求可以用苛刻來形容，這個可以理解，谷歌級別公司要解決的問題都是超級複雜的，基本思維功底薄弱根本無法應對。

對於工作經驗<5年的工程師新手，如果你大學時代是屬於荒廢型的，建議工作之餘把相關課程再好好自學一把。個人推薦參考美國Berkeley大學的資料結構課程CS61B[附錄8.1]進行學習，對建立抽象程式設計思維非常有幫助，我本人在研究生階段自學過這門課程，現在回想起來確實受益匪淺，注意該課程中的所有Lab/Homework/Project都要實際動手做一遍，才有好的效果。

我當年自學的是CS61B 2006秋季版的課程，上圖是課程Logo

對於演化設計思維，當前的大學教育其實培養很少，相反，當前大學教育大都採用脫離現實場景的簡化理想模型，有些還是固定答案的應試教學，這種方式會造成學生思維確定化，不利於培養演化式設計思維。我個人的體會，演化式設計思維更多在實際工作中通過實戰鍛鍊和培養。

結論

1. 架構的本質是管理複雜性，抽象、分層、分治和演化思維是架構師征服複雜性的四種根本性武器。

2. 掌握了抽象、分層、分治和演化這四種基本的武器，你可以設計小到一個類，一個模組，一個子系統，或者一箇中型的系統，也可以大到一個公司的基礎平臺架構，微服務架構，技術體系架構，甚至是組織架構，業務架構等等。

3. 架構設計不是靜態的，而是動態演化的。只有能夠不斷應對環境變化的系統，才是有生命力的系統。所以即使你掌握了抽象、分層和分治這三種基本思維，仍然需要演化式思維，在設計的同時，藉助反饋和進化的力量推動架構的持續演進。

4. 架構師在關注技術，開發應用的同時，需要定期梳理自己的架構設計思維，積累時間長了，你看待世界事物的方式會發生根本性變化，你會發現我們生活其中的世界，其實也是在抽象、分層、分治和演化的基礎上構建起來的。另外架構設計思維的形成，會對你的系統架構設計能力產生重大影響。可以說對抽象、分層、分治和演化掌握的深度和靈活應用的水平，直接決定架構師所能解決問題域的複雜性和規模大小，是區分普通應用型架構師和平臺型/系統型架構師的一個分水嶺。

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