软件架构

前言 “架构制图”这词乍一听似乎有些晦涩，但如果提起“工程制图”，相信绝大部分工科背景的程序员们都不会陌生，甚至还能共同感慨下那些年一起伏在宿舍左手圆规，右手直尺，徒手作图到深夜的日子。 软件工程也是工程，因此传统工程制图的一些基本理论，在软件行业同样适用。但另一方面，软件与实体制造业之间还是有着本质区别，所以在制图方面的需求和方式也大相径庭，无法直接套用。作为软件行业的从业者，你可以完全不懂工程制图，但你不得不懂架构制图 —— 这是任何程序员职业生涯的的必修课。 本文在后半段将介绍如何用图去描述（describe）和传达（communicate）你的架构设计。值得强调的是，本文并不会侧重于单一的方法和工具，而是更希望关注那些优秀方法背后的通用方法论，即架构制图的本质、共性和最佳实践。希望本文能起到引子作用，激发大家对自己日常工作中关于架构和制图部分的关注、审视与思考；如果还真能帮助大家提升一点点制图效率和效果，那就更好不过了。 什么是软件架构？ 1. 软件架构定义 IEEE 给出的定义：架构是环境中该系统的一组基础概念（concepts）和属性（properties），具体表现就是它的元素（elements）、关系（relationships），以及设计与演进的基本原则（principles）。 CMU 软件工程研究院的定义：架构是用于推演出该系统的一组结构（structures），具体是由软件元素（elements）、元素之间的关系（relationships），以及各自的**属性（properties）**共同组成。 Uncle Bob 在 Clean Architecture 一书中给出的定义：架构是创建者给予该系统的形态（shape）。这个形态的具体形式来源于对系统组件（components）的划分和排列，以及这些组件之间互相通讯的方式。 2. 架构核心要素 综合上述各种权威定义，软件系统的架构通常需要包含如下四类核心要素： 元素（elements）：将系统拆分为一组元素 - 模块、组件、结构体、子系统； 关系（relationships）：不同元素之间的关系 - 交互、依赖 、继承、组合、聚合； 属性（properties）：每个元素具备的属性 - 名称、职责、接口、实现限制等； 原理（principles）：为什么这么设计 - 拆分依据、设计原则、决策原因等。 为什么架构很重要？ 1. 架构是系统实现的蓝图 最近有部很火的网剧叫《摩天大楼》，讲述了一段匪夷所思的悬疑故事。为什么扯这个呢？因为我想借用这个剧的标题来问个问题：摩天大楼是由谁建起来的？也许你心里会默念：废话，不就是建筑工人们一砖一瓦堆起来的嘛。仔细再想想？背后是不是还有一堆操碎了心的建筑设计师（比如剧中帅气的林大森）和土木工程师们？他们虽然不搬砖也不扛水泥，但如果没有他们产出的那些繁琐严谨的设计图纸，摩天大楼是是不可能像农村自建房一样仅凭工人们各自的经验与想象力就能快速平稳地竖立起来的。 正是靠着这些图纸所描绘出来的工程蓝图（blueprints），才让成百上千工人们的分工合作和验收标准有了依据：大家只需要照着蓝图，按部就班地把自己所负责的那些砖瓦添上去就行了；只要蓝图正确，且施工过程也没有偏差，最终顺利完工只是个时间问题。 与建筑、汽车或者任何其他工程行业一样，软件在落地实现（编码）之前也需要先有蓝图；而其中最重要的一份蓝图，就是架构设计。没有架构，仅凭程序员自己脑子里的模糊设想，也许你可以像传统手艺人一样独自创造出一些美好有用的小东西（比如 Linux 0.01 版本），但不太可能以工程的方式协同一个团队共同建造起一个与摩天大楼规模类似的复杂软件系统（比如现代的 Linux 系统）。一方面，人类的思维能力终归有限，必须依靠架构这种高度抽象和简化的蓝图，才能让复杂系统的创造、理解、分析和治理变得可行；另一方面，量级达到一定程度的大型系统，也只能依靠多人分工合作才能完成，而架构也正是多人沟通协作的重要基础。 2. 架构是沟通协作的基础 软件项目的最终价值产出就是软件系统，而架构作为软件系统的灵魂和骨架，可以起到如下作用： 理解对齐：所有软件系统的目的都是为了实现用户需求，但实现的途径有无限种可能性（相比传统工程行业，软件的灵活性更大、知识迭代更快）。架构设计就是去选择其中一条最合适的实现途径，因此其中会涉及非常多关键的选路决策（为什么要这么拆分？为什么选择 A 技术而不是 B？）。这些重要的技术决策需要通过架构描述这种形式被记录和同步，才能让项目组所有成员对整个系统的理解对齐，形成共识。 工作量化：项目管理最重要的步骤之一就是工时评估，它是确定项目排期和里程碑的直接依据。显然，只通过 PRD / 交互图是无法科学量化出项目工作量的，因为很难直观判断出一句简短需求或一个简单页面背后，究竟要写多少代码、实现起来难度有多大。有了清晰明确的架构之后，理论上绝大部分开发工作都能做到可见、可预测和可拆解，自然而然也就能够被更准确地量化。当然，精准的工作量评估在 IT 行业内也一直是个未解之谜，实际的工期会受太多未知因素影响，包括程序员的技能熟练度、心情好不好、有没有吃饱等。 标准术语：编程作为一种具有创造力的工作，从某种角度看跟写科幻小说是类似的。好的科幻小说都喜欢造概念，比如三体中的智子，如果没看过小说肯定不知道这是个啥玩意儿。软件系统在造概念这一点上，相比科幻小说只有过之而无不及，毕竟小说里的世界通常还是以现实为背景，而软件中的世界就全凭造物者（程序员）的想象（建模）了。稍微复杂一点的软件系统，都会引入一些领域特定甚至全新创作的概念。为了避免在项目过程中出现鸡同鸭讲的沟通障碍和理解歧义，就必须对描述这些概念的术语进行统一。而架构的一个重要目的，就是定义和解释清楚系统中涉及的所有关键概念，并在整个架构设计和描述过程中使用标准和一致的术语，真正做到让大家的沟通都在一个频道上。 言之有物：就跟讨论产品交互时需要对着原型图、讨论代码细节时需要直接看代码一样，架构是在讨论一些较高维技术问题时的必要实物（具体的实物化形式就是所谓架构描述）。否则，要么一堆人对着空气谈（纸上谈兵都说不上），要么每次沟通时都重新找块白板画一画（费时费力且容易遗落信息，显然不是长久之计）。 知识沉淀 & 新人培训：架构应该被作为与代码同等重要的文档资产持续沉淀和维护，同时也是项目新人快速理解和上手系统的重要依据。不要让你的系统跟公司内某些祖传遗留系统一样 —— 只有代码遗留了下来，架构文档却没有；只能靠一些口口相传的残留设计记忆，苦苦维系着项目的生命延续。 3. 架构决定了产品质量 如何衡量一个软件产品的质量？上图是 ISO/IEC 25010 标准定义的软件产品质量模型，包括以下 8 个大类：...