單體到微服務架構，什麼是微服務架構，為什麼是微服務架構

1. 引言

隨著互聯網和大規模應用程式的發展，軟體架構也經歷了從單體到微服務的不斷演變。單體架構曾經是主流的開發模式，然而，隨著系統規模的擴大和功能的複雜化，單體架構逐漸暴露出擴展性差、部署複雜、維護成本高等問題。

微服務作為一種新的架構模式，憑藉其模組化、獨立部署等優勢，逐漸成為許多大型網路企業的首選。那麼，什麼是微服務呢？為什麼選擇微服務？本文將對這些問題進行詳細的探討，並透過架構圖直觀地展示兩種架構的對比和演進過程。

2. 單體架構概述

單體架構（Monolithic Architecture）指的是將應用的所有功能模組打包在一個整體應用程式中進行部署的架構模式。一個典型的單體架構應用程式包括多個功能模組，例如使用者管理、訂單處理、支付系統等，它們共用一個程式碼庫，統一編譯、打包，並且一起部署。

單體架構的特性：

• 緊密耦合：所有功能模組被整合在一個程式碼庫中，彼此之間高度依賴。
• 統一部署：每次應用程式更新時，整個系統必須重新建置、打包並部署，即使只是一個小功能模組的變更。
• 性能較優：由於所有功能都在同一個進程中運行，內部調用往往是直接的函數調用，速度較快。

單體架構的優缺點：

• 優點：

  • 開發初期簡單直觀，適用於小型應用。
  • 開發工具和基礎設施相對簡單，建置和調試成本較低。
  • 部署相對容易，所有功能一起發布。

• 缺點：

  • 擴展性差：隨著應用程式規模和功能的增加，程式碼庫會變得龐大且複雜，難以維護和擴展。
  • 部署效率低：一個小的功能修改也需要重新部署整個應用，耗時且風險大。
  • 可維護性差：由於模組之間的高耦合性，一個模組的問題可能會影響整個系統。

3. 微服務的定義

微服務架構（Microservices Architecture）是將應用程式劃分為一組小型的、獨立的服務，每個服務都是獨立運行和部署的，並且透過網路協定（如HTTP/REST、gRPC等）進行通訊。每個微服務都有其獨立的資料庫和業務邏輯，彼此解耦且可以單獨開發和部署。

微服務的特徵：

• 模組化與解耦：微服務將複雜系統劃分為多個獨立的服務，每個服務只專注於一個特定的業務功能。
• 獨立部署：每個微服務可以獨立部署、更新和擴展，不必依賴其他服務。
• 科技異構：微服務允許每個服務使用不同的技術堆疊或程式語言，以最適合其功能需求。例如，使用者管理服務可以使用Java開發，而訂單處理服務可以用Node.js來實現，彼此透過API或訊息佇列通訊。

微服務與單體架構的比較：

微服務架構圖

在此圖中，應用程式被分解為若干個服務，每個服務擁有獨立的資料庫和業務邏輯。這些服務透過API網關或服務發現機制進行通信，客戶端無需直接存取所有服務，而是透過網關進行請求的路由。每個服務還可以單獨擴充和部署。

4. 為什麼選擇微服務？

隨著應用程式規模的成長和用戶需求的變化，越來越多的企業選擇微服務架構。微服務架構的核心價值在於提供了更強的靈活性、擴展性和獨立性，尤其在面對大型分散式系統時，能夠顯著提高系統的維護性和可靠性。

1. 可擴展性

微服務架構支援水平擴展，即可以針對不同的服務單獨擴展資源。例如，如果訂單服務的流量激增，我們可以只擴展訂單服務的實例數量，而不需要擴展整個應用程式。這種按需擴展的方式極大地提高了資源利用率。

2. 獨立部署與發布

在單體架構中，任何一次功能更新都需要重新部署整個應用，可能導致系統停機或影響其他功能。而在微服務架構中，每個服務都可以獨立部署和發布，因此一個服務的更新不會影響其他服務。這種特性使得持續整合和持續交付（CI/CD）變得更加容易。

3. 技術異質與彈性

微服務讓各個團隊可以根據特定需求選擇最適合的技術堆疊。例如，某些服務可能需要高效能運算，可以使用Go語言，而有些服務可能更適合Python的開發效率。這種技術異質性使得開發團隊可以自由選擇工具，避免被某種技術鎖定。

4. 團隊獨立與敏捷開發

由於微服務的獨立性，不同團隊可以平行開發不同的服務，彼此不互相依賴。這種團隊獨立性極大地促進了敏捷開發和持續交付，使開發流程更加有效率。

微服務的挑戰

儘管微服務架構帶來了許多優勢，但它也有自己的挑戰：

• 複雜性增加：微服務的分散式特性使得系統的運作變得複雜。需要額外的工具和技術來管理服務之間的通訊、監控和故障處理。
• 數據一致性問題：在單體架構中，資料一致性相對容易管理，因為所有模組共用同一個資料庫。然而，在微服務中，各個服務往往擁有獨立的資料庫，保持資料一致性變得更加困難。
• 服務間通訊的開銷：由於服務之間透過網路通信，效能可能受到影響，特別是在高並發場景下，如何優化服務之間的通訊成為關鍵問題。

5. 單體到微服務的演進路徑

從單體架構到微服務架構的遷移並非一蹴而就，通常需要經過一個漸進式演進的過程。以下是一些常見的遷移路徑和策略：

1. 模組化單體

第一步是將單體架構模組化，將系統依照業務功能劃分為多個模組。這些模組依然在同一個程式碼庫中，但透過模組化設計降低耦合度，為未來的服務化打下基礎。

2. 拆分服務

在模組化單體的基礎上，選擇最適合微服務化的部分進行拆分，逐步將系統的一部分功能獨立出來。例如，可以先將使用者管理功能拆分為一個獨立的服務，透過API與其他模組通訊。

3. 服務化與API介面

隨著分割的深入，越來越多的模組被轉換為獨立服務，這時需要透過API網關或服務發現機制來管理服務之間的通訊。 API閘道作為所有請求的入口，負責請求路由、認證授權、負載平衡等工作。

4. 最終完全微服務化

當系統中的大部分功能都被分割為獨立的服務，且各服務能夠獨立擴展和部署時，系統就進入了完全的微服務化狀態。

架構圖：

此圖展示了系統從單體架構逐步拆分為微服務架構的過程，左邊則是完整的單體應用，右邊則是分割後的獨立服務。

6. 結論

微服務架構的核心概念是透過模組化、解耦、獨立部署和擴展，使得系統更加靈活、可擴展和易於維護。雖然微服務帶來了新的挑戰，特別是在維運和資料管理方面，但對於大規模、複雜的應用程式而言，它提供了更具彈性的解決方案。

未來，隨著雲端運算、容器化技術（如Docker、Kubernetes）以及DevOps文化的普及，微服務架構將持續演進，幫助企業應對不斷成長的需求。每個企業在選擇架構時，應根據自身的業務規模和技術需求來權衡單體架構和微服務架構的優劣，以便做出最適合的決策。