我們常見的大型網(wǎng)站，如百度、淘寶、京東等，都是一個(gè)分布式系統(tǒng)。這么復(fù)雜的系統(tǒng)也不是一天建成的，每個(gè)系統(tǒng)都經(jīng)歷了漫長的演變過程。

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對(duì)于一個(gè)大型網(wǎng)站，主要有以下幾個(gè)特征：

• 支撐海量數(shù)據(jù)
• 非常高的訪問量

在大型網(wǎng)站中，其最核心的功能就是計(jì)算和存儲(chǔ)。因此系統(tǒng)演變過程也主要圍繞這兩點(diǎn)進(jìn)行。

單機(jī)系統(tǒng)

在網(wǎng)站剛剛起步時(shí)，數(shù)據(jù)量、訪問量都非常小，通常情況下，只需一臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器就可以了。

單機(jī)部署方案

起步時(shí)，我們把所有資源全部打包到部署文件中(如 XXX.war)，其中包括：

• class 文件、依賴 jar 等。
• js、css、圖片等靜態(tài)資源。
• 對(duì)于用戶上傳文件的場景，直接在服務(wù)器上新建一個(gè)目錄，將上傳的文件放置在目錄即可。

然后，將打好的發(fā)布包放到 Web 容器中，比如 Tomcat，最后啟動(dòng)容器，讓其直接對(duì)外提供服務(wù)。

該部署策略有以下幾個(gè)特征： 

• 用戶通過瀏覽器直接與 Java 應(yīng)用程序進(jìn)行交互(通常是 Tomcat)。
• Java 應(yīng)用程序通過 JDBC 與本機(jī)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互(如 MySQL)。
• 如果存在文件讀寫的需求，Java 應(yīng)用程序通過文件接口直接對(duì)文件進(jìn)行操作。

這時(shí)，有人會(huì)問，Java 應(yīng)用程序直接對(duì)外，會(huì)不會(huì)存在一些安全或性能方面的問題呢?

是的，Tomcat 這種 Web 容器對(duì)鏈接的保持能力比較弱，當(dāng)存在大量鏈接時(shí)，性能下降很快。

同時(shí)，Tomcat 并不擅長靜態(tài)資源的處理，對(duì)此，我們可以引入 Nginx，以緩解 Tomcat 的壓力。

單機(jī)部署方案進(jìn)階

我們?cè)趩螜C(jī)部署基礎(chǔ)上，添加 Nginx，也就有了進(jìn)階方案：

該方案存在以下特征：

• 用戶不在直接與 Java 應(yīng)用程序進(jìn)行交互，而是與 Nginx 進(jìn)行交互。
• Tomcat 掛在 Nginx 后，對(duì)動(dòng)態(tài)請(qǐng)求進(jìn)行處理。
• 對(duì)于靜態(tài)資源的訪問，通過 Nginx 直接訪問文件系統(tǒng)。
• 當(dāng)有文件寫需求時(shí)，通過 Java 應(yīng)用程序直接寫入磁盤。

此時(shí)，架構(gòu)顯得清晰很多，但我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，就是系統(tǒng)對(duì)靜態(tài)資源和動(dòng)態(tài)資源的處理是完全不同的。

對(duì)于靜態(tài)資源的處理，相對(duì)簡單，只是簡單的文件讀寫。而，動(dòng)態(tài)請(qǐng)求(也就是我們的業(yè)務(wù)承載者)會(huì)隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展越來越復(fù)雜。

動(dòng)靜分離部署方案

由于靜態(tài)請(qǐng)求與動(dòng)態(tài)請(qǐng)求采用不同的處理策略，我們可以將其進(jìn)行分離。

該部署方案存在以下特性：

• 通過不同的域名對(duì)動(dòng)態(tài)請(qǐng)求和靜態(tài)請(qǐng)求進(jìn)行分離。
• 新增靜態(tài)資源服務(wù)器，專門處理靜態(tài)請(qǐng)求，并在服務(wù)器上部署 Java 應(yīng)用程序，處理文件寫需求;Nginx 只負(fù)責(zé)文件的讀操作。
• 對(duì)動(dòng)態(tài)請(qǐng)求進(jìn)行獨(dú)立部署，應(yīng)用程序?qū)⑽募膶懻?qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到靜態(tài)服務(wù)器進(jìn)行處理。

靜態(tài)資源服務(wù)器功能單一，部署繁瑣，有沒有一種更好的策略呢?

答案就是云服務(wù)，比如阿里云的 OSS 提供靜態(tài)資源存儲(chǔ)服務(wù)。CDN 提供訪問加速服務(wù)，兩者結(jié)合使用，就得到了一個(gè)海量容量并且性能超強(qiáng)的靜態(tài)資源服務(wù)器(集群)。

結(jié)合 OSS 和 CDN，靜態(tài)請(qǐng)求不會(huì)成為系統(tǒng)的瓶頸，因此，接下來只對(duì)動(dòng)態(tài)請(qǐng)求進(jìn)行討論。

隨著系統(tǒng)訪問量的增加，動(dòng)態(tài)請(qǐng)求出現(xiàn)了明顯的瓶頸。

應(yīng)用集群化部署

由于所有的動(dòng)態(tài)請(qǐng)求全部由一臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行處理，當(dāng)訪問量上升時(shí)，這臺(tái)服務(wù)就成了系統(tǒng)的瓶頸。

此時(shí)，我們需要將系統(tǒng)中的多個(gè)組件部署到不同的服務(wù)器上。

新部署有以下特征：

• 對(duì) Nginx 進(jìn)行獨(dú)立部署，形成 Web 集群。
• 對(duì) Java 應(yīng)用程序進(jìn)行獨(dú)立部署，形成應(yīng)用集群。
• 對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行獨(dú)立部署。
• Web 集群與應(yīng)用集群間通過 HTTP 協(xié)議進(jìn)行交互。
• 應(yīng)用集群與數(shù)據(jù)庫間通過 JDBC 協(xié)議進(jìn)行交互。

應(yīng)用集群化，會(huì)面臨很多挑戰(zhàn)，主要的焦點(diǎn)是如何有效的分配用戶請(qǐng)求。

DNS 輪詢

首先要解決的問題便是，用戶如何將請(qǐng)求發(fā)送到不同的 Nginx 中，最常見的方式便是 DNS 輪詢。

大多域名注冊(cè)商都支持多條 A 記錄的解析，其實(shí)這就是 DNS 輪詢，DNS 服務(wù)器將解析請(qǐng)求按照 A 記錄的順序，逐一分配到不同的 IP 上，這樣就完成了簡單的負(fù)載均衡。

負(fù)載均衡器

這里的負(fù)載均衡器主要指的是 Nginx 的反向代理功能。當(dāng)用戶請(qǐng)求發(fā)送到 Nginx 后，Nginx 需要決定將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到哪臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器上。

反向代理(Reverse Proxy)是指以代理服務(wù)器來接受 Internet 上的連接請(qǐng)求，然后將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器，并將從服務(wù)器上得到的結(jié)果返回給 Internet 上請(qǐng)求連接的客戶端，此時(shí)代理服務(wù)器對(duì)外就表現(xiàn)為一個(gè)反向代理服務(wù)器。

Nginx 對(duì)于后臺(tái)服務(wù)器配置比較靈活，可以同時(shí)配置多臺(tái)服務(wù)器，并根據(jù)負(fù)載策略將請(qǐng)求分發(fā)給后臺(tái)服務(wù)器。

會(huì)話問題

在單機(jī)時(shí)代，我們的請(qǐng)求只會(huì)發(fā)送到同一臺(tái)機(jī)器上，不存在會(huì)話問題。當(dāng)將應(yīng)用集群部署時(shí)，用戶的多次請(qǐng)求會(huì)發(fā)送到不同的應(yīng)用服務(wù)器上。此時(shí)，如何對(duì)會(huì)話進(jìn)行同步便是棘手問題。

①Session Sticky

這種方案主要由 Nginx 處理，讓同樣 Session 請(qǐng)求每次都發(fā)送到同一臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行處理。

Nginx 會(huì)將相同用戶的請(qǐng)求發(fā)送到同一臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器中。

這是最簡單的策略，但存在一定的問題：

• Web 服務(wù)器重啟 Session 丟失。
• 負(fù)載均衡需要進(jìn)行應(yīng)用層解析(第 7 層)，性能損耗較大。
• 負(fù)載均衡器變?yōu)橐粋€(gè)有狀態(tài)的點(diǎn)，不易容災(zāi)。

②Session Replication

會(huì)話問題的根源在于 Session 由多個(gè)應(yīng)用維護(hù)，我們可以使用某種機(jī)制，在多臺(tái) Web 服務(wù)間進(jìn)行 Session 的數(shù)據(jù)同步。

由 Session 同步器在各個(gè) Java 應(yīng)用程序間完成 Session 的同步，最終使每個(gè)服務(wù)器中都存在所有用戶的 Session 數(shù)據(jù)。

這個(gè)方案的問題：

• 造成網(wǎng)絡(luò)開銷。
• 每臺(tái) Web 服務(wù)器都保存所有的 Session，內(nèi)存開銷大。

③集中式 Session

我們可以將 Session 從 Web 服務(wù)中抽取出來，并對(duì)其進(jìn)行集中存儲(chǔ)。

將 Session 信息保存到 Session 存儲(chǔ)集群中，Java 應(yīng)用程序不在負(fù)責(zé) Session 的存儲(chǔ)。

這個(gè)方案的問題：

• 讀取 Session 引入了網(wǎng)絡(luò)開銷。
• 存儲(chǔ)設(shè)施問題影響應(yīng)用。

④Cookie Based Session

還可以將 Session 數(shù)據(jù)放在 Cookie 中，然后在 Web 服務(wù)器上從 Cookie 中生成對(duì)應(yīng)的 Session 數(shù)據(jù)。

將 Session 數(shù)據(jù)編碼到 Cookie 中，每次 Java 應(yīng)用程序使用 Session 時(shí)，都從 Cookie 中重建 Session。

該方案的問題：

• 受到 Cookie 大小的限制。
• 存在安全性問題。
• 每次都攜帶巨大的 Cookie，帶寬消耗嚴(yán)重。
• 每次都進(jìn)行 Session 數(shù)據(jù)恢復(fù)，加大應(yīng)用服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。

隨著系統(tǒng)訪問量的持續(xù)增加，面對(duì)大量的數(shù)據(jù)讀取請(qǐng)求，數(shù)據(jù)庫有些不堪重負(fù)。此時(shí)，我們需要對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行優(yōu)化。

數(shù)據(jù)庫讀寫分離

通常情況下，數(shù)據(jù)庫的讀會(huì)成為系統(tǒng)的瓶頸。對(duì)此，我們可以使用數(shù)據(jù)庫主從機(jī)制，通過添加多個(gè)從庫來減緩讀壓力。

與之前部署相比，該架構(gòu)只是為數(shù)據(jù)庫增加了若干個(gè)從庫：

• 對(duì)數(shù)據(jù)庫實(shí)施主從部署策略。
• 對(duì)于數(shù)據(jù)的寫請(qǐng)求，只能在主庫上進(jìn)行。
• 對(duì)于數(shù)據(jù)的讀請(qǐng)求，可以在任意的從庫上進(jìn)行。
• 主庫與從庫間，通過數(shù)據(jù)庫同步策略進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。

由于主庫與從庫間的數(shù)據(jù)同步需要時(shí)間，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的情況，這塊是業(yè)務(wù)上需要慎重考慮的一點(diǎn)。

隨著業(yè)務(wù)越來越復(fù)雜，對(duì)功能和性能的要求也越來越高，最常見的便是數(shù)據(jù)庫 like 語句性能已經(jīng)無法滿足需求;對(duì)于某些熱點(diǎn)數(shù)據(jù)的訪問，其性能也下降很快。

此時(shí)，我們需要引入其他組件來有針對(duì)性的解決問題。

引入搜索和緩存

針對(duì)數(shù)據(jù)庫的 like 語句，通常情況下，是通過引入搜索引擎來解決;而熱點(diǎn)數(shù)據(jù)的訪問加速，是通過引入緩存服務(wù)來解決。

該架構(gòu)的特征如下：

• 添加搜索集群，用以提升數(shù)據(jù)檢索性能。
• 添加緩存集群，用以提升熱點(diǎn)數(shù)據(jù)訪問性能。

在對(duì)數(shù)據(jù)查詢進(jìn)行優(yōu)化后，慢慢的系統(tǒng)的寫性能成為了瓶頸。此時(shí)，需要對(duì)數(shù)據(jù)的寫性能進(jìn)行擴(kuò)展。

數(shù)據(jù)庫分庫分表

隨著數(shù)據(jù)量的增長，寫請(qǐng)求量的增加，數(shù)據(jù)庫的寫入逐漸成為了瓶頸。常規(guī)的寫性能優(yōu)化便是對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分庫分表。

垂直拆分

將不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)放到不同的數(shù)據(jù)庫實(shí)例中。

水平切分

把同一個(gè)表中的數(shù)據(jù)拆分到多個(gè)數(shù)據(jù)庫中。

隨著研發(fā)團(tuán)隊(duì)的規(guī)模越來越多，大家同時(shí)在一個(gè)項(xiàng)目中進(jìn)行開發(fā)，導(dǎo)致頻繁的沖突和相互影響。

此時(shí)，會(huì)將整個(gè)應(yīng)用程序根據(jù)功能模塊進(jìn)行拆分，從而形成多個(gè)子網(wǎng)站或子頻道。

應(yīng)用垂直拆分

面對(duì)一個(gè)巨無霸式的應(yīng)用，就像面對(duì)一團(tuán)毛線團(tuán)，總有一種無法下手的感覺。對(duì)此，可以將其進(jìn)行拆分，將其拆分為多個(gè)應(yīng)用，每個(gè)應(yīng)用獨(dú)立開發(fā)、獨(dú)立部署、獨(dú)立維護(hù)。

該部署方案更加靈活，大大降低維護(hù)成本：

• 通過不同的域名或 URL 將整個(gè)系統(tǒng)分解為多個(gè)子系統(tǒng)。
• 用戶通過瀏覽器將各子系統(tǒng)拼接成一個(gè)完整的系統(tǒng)。
• 各系統(tǒng)間存在少量交互，甚至沒有交互。

問題慢慢展現(xiàn)出來，系統(tǒng)間公共部分沒有統(tǒng)一維護(hù)點(diǎn)，同樣的功能、同樣的代碼分布在各個(gè)系統(tǒng)中。

當(dāng)然，我們可以通過發(fā)布 jar 包的方式，共享功能代碼;但當(dāng) jar 升級(jí)時(shí)，就需要所有的子系統(tǒng)同步升級(jí)，運(yùn)維開銷巨大。此時(shí)，我們需要引入服務(wù)化架構(gòu)。

服務(wù)化架構(gòu)

我們可以將通用功能封裝成一個(gè)服務(wù)，獨(dú)立開發(fā)、獨(dú)立部署、獨(dú)立維護(hù)。

在該方案中，我們將業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行了進(jìn)一步拆分：

• 整理各個(gè)系統(tǒng)間通用業(yè)務(wù)功能，將其封裝為服務(wù)，以承載核心業(yè)務(wù)邏輯，構(gòu)建成服務(wù)集群。
• 原來的子系統(tǒng)或子頻道，變成薄薄的一層，不承載核心業(yè)務(wù)，只是根據(jù)業(yè)務(wù)流程對(duì)業(yè)務(wù)服務(wù)進(jìn)行編排。
• 應(yīng)用服務(wù)與業(yè)務(wù)服務(wù)間通過 HTTP 或其他協(xié)議進(jìn)行通信，常見的包括 Dubbo、Thrift 等。

服務(wù)化解決了系統(tǒng)之間的直接調(diào)用問題，也就是常說的 RPC，整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)點(diǎn)全部由應(yīng)用服務(wù)完成。

這種架構(gòu)適用于多種場景，但在一些需要異步處理的極端場景就顯得有心無力了。此時(shí)，我們需要引入消息中間件。

引入消息隊(duì)列

服務(wù)化解決了直接調(diào)用問題，對(duì)于異步調(diào)用，最常見的便是消息中間件。

相比之前的架構(gòu)，變化很小，只是在各個(gè)業(yè)務(wù)服務(wù)間添加了另外的一種調(diào)用方式。

小結(jié)

冰凍三尺非一日之寒，一個(gè)大型系統(tǒng)的構(gòu)建也不是一朝一夕的事情。我們需要根據(jù)業(yè)務(wù)情況、數(shù)據(jù)量情況、請(qǐng)求量情況對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理規(guī)劃。

切記，架構(gòu)不是越復(fù)雜越好，而是“適合自己的便是最好的”。