云原生之路，漫漫而修遠(yuǎn)，因?yàn)樵圃诎l(fā)展，應(yīng)用也在發(fā)展。如何讓應(yīng)用充分利用云的特性煥發(fā)全新面貌，這是每個(gè)云原生應(yīng)用架構(gòu)領(lǐng)域的人應(yīng)該思考的問題。

本書分為兩篇，從技術(shù)演進(jìn)講起，讓讀者充分了解系統(tǒng)資源、應(yīng)用架構(gòu)和軟件工程的發(fā)展歷程，從而擁有技術(shù)角度的全局視野；然后介紹云原生應(yīng)用的實(shí)踐，手把手教你設(shè)計(jì)一個(gè)云原生應(yīng)用。

本書適合云原生應(yīng)用開發(fā)人員、架構(gòu)師、云計(jì)算從業(yè)者閱讀，部分章節(jié)對產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)、運(yùn)維人員亦有一定的參考價(jià)值。

前言

談到一個(gè)應(yīng)用，我們首先考慮的是運(yùn)行這個(gè)應(yīng)用所需要的系統(tǒng)資源。其次，關(guān)于應(yīng)用自身的架構(gòu)模式也要考慮，從傳統(tǒng)的單體架構(gòu)模式到后來的微服務(wù)模式、服務(wù)網(wǎng)格，以業(yè)務(wù)功能為維度進(jìn)行分拆更有利于應(yīng)用的不斷演進(jìn)。后，還需要從軟件工程的角度來考慮云原生應(yīng)用的設(shè)計(jì)、開發(fā)、部署、運(yùn)維等不同階段。

設(shè)計(jì)云原生應(yīng)用需要從以上三個(gè)維度進(jìn)行全方位的思考。所謂原生為云設(shè)計(jì)的應(yīng)用，就是指從初便被設(shè)計(jì)為在云上以方式運(yùn)行的應(yīng)用，這種應(yīng)用能充分發(fā)揮云平臺的各種優(yōu)勢。

架構(gòu)師是推動(dòng)上述應(yīng)用設(shè)計(jì)、開發(fā)，真正將云原生應(yīng)用落地的人。那么何為架構(gòu)師？

架構(gòu)師的基本職責(zé)是在項(xiàng)目早期就設(shè)計(jì)好基本的框架，這個(gè)框架既能夠確保團(tuán)隊(duì)成員順利編寫代碼，滿足近期業(yè)務(wù)需求的變化，又能為進(jìn)一步的發(fā)展留出空間（所謂scalability），即確定技術(shù)選型。

20多年前的經(jīng)典著作DesignPatterns中講過學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)模式的意義，放在架構(gòu)師的定義中非常貼切：成為架構(gòu)師并不是要我們學(xué)習(xí)一種新的技術(shù)或者編程語言，而是要建立一種用于交流的共同語言和詞匯，在設(shè)計(jì)方案時(shí)方便溝通，同時(shí)也幫助我們從更抽象的層次去分析問題本質(zhì)，不被一些實(shí)現(xiàn)的細(xì)枝末節(jié)所困擾。當(dāng)把很多問題抽象出來之后，我們也能更深入、更好地去了解現(xiàn)有系統(tǒng)這些意義，對于今天的后端系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，也仍然是正確的。

總而言之，架構(gòu)設(shè)計(jì)對應(yīng)用有著深遠(yuǎn)的影響，它的好壞決定了應(yīng)用的整體質(zhì)量，并且決定了開發(fā)人員開發(fā)、維護(hù)和擴(kuò)展應(yīng)用的難易程度。

對架構(gòu)師而言，不能為了架構(gòu)而設(shè)計(jì)架構(gòu)，在選擇架構(gòu)前，要始終理解問題和需求，不要本末倒置。一方面，需要精心設(shè)計(jì)應(yīng)用架構(gòu)；另一方面，需要對前端UI、測試、運(yùn)維、數(shù)據(jù)管理等方面都非常熟悉，從而做出正確的決定。

本書將從全棧視角出發(fā)，從系統(tǒng)資源到應(yīng)用架構(gòu)，再到軟件工程，深入淺出地講解計(jì)算機(jī)技術(shù)的演進(jìn)，給架構(gòu)師或想要成為架構(gòu)師的人一個(gè)非常好的角度來看待不同時(shí)代的技術(shù)，以及其能解決的問題。本書還會介紹在現(xiàn)有的云原生技術(shù)下，如何以的形態(tài)和方式來構(gòu)建一個(gè)應(yīng)用，使其能夠真正發(fā)揮云的能力，從而達(dá)到1 1>2的效果。

本書內(nèi)容

本書分為技術(shù)演進(jìn)篇和實(shí)踐篇兩篇，涉及4個(gè)部分，共19章，大概的內(nèi)容分布及簡介如下。

技術(shù)演進(jìn)篇

第1部分系統(tǒng)資源（第1~5章）

基礎(chǔ)架構(gòu)解決的是一些通用性問題，主要涉及應(yīng)用運(yùn)行時(shí)所需要的系統(tǒng)資源，這些系統(tǒng)資源是設(shè)計(jì)任何類型的應(yīng)用都需要重視的內(nèi)容。針對不同的系統(tǒng)資源，應(yīng)用的部署、運(yùn)行方式也不盡相同。這一部分將首先介紹操作系統(tǒng)、虛擬化等基本知識，然后講解云計(jì)算相關(guān)內(nèi)容，以及容器與容器編排的核心知識。

第2部分應(yīng)用架構(gòu)（第6~11章）

架構(gòu)的重要性在于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的非功能性需求。非功能性需求往往能決定一個(gè)應(yīng)用運(yùn)行時(shí)的質(zhì)量，也能決定開發(fā)時(shí)的質(zhì)量。這一部分將宏觀介紹應(yīng)用架構(gòu)的定義、分類、目標(biāo)等，列舉主流架構(gòu)視圖，并按照技術(shù)演進(jìn)過程介紹單體架構(gòu)、分布式架構(gòu)、SOA架構(gòu)、微服務(wù)架構(gòu)等內(nèi)容。

第3部分軟件工程（第12~16章）

1968年，世界各地的計(jì)算機(jī)科學(xué)家在德國的Garmisch召開了一次國際會議，在會上正式提出了軟件工程一詞。軟件工程管理的核心目的是支撐新的演進(jìn)式架構(gòu)。軟件工程的整個(gè)流程分為5個(gè)階段：應(yīng)用設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)、開發(fā)運(yùn)維一體化、SRE運(yùn)維、數(shù)字化運(yùn)營。在這一部分中，我們將緊密圍繞以上5個(gè)技術(shù)演進(jìn)階段，從軟件工程角度講解云原生應(yīng)用架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。

實(shí)踐篇

第4部分架構(gòu)、應(yīng)用落地與中臺構(gòu)建（第17~19章）

在這一部分中，我們將詳細(xì)剖析云原生架構(gòu)，介紹其定義、涉及的關(guān)鍵技術(shù)，以及具體的實(shí)現(xiàn)過程。本部分還會介紹應(yīng)用落地的實(shí)踐，涉及應(yīng)用改造、應(yīng)用拆分、API設(shè)計(jì)與治理等。此外，中臺這個(gè)概念也與云原生密不可分，本部分還會闡述云原生應(yīng)用與中臺之間的關(guān)系，以及如何通過中臺使應(yīng)用的云原生化更加便捷。

目錄

技術(shù)演進(jìn)篇

第1部分系統(tǒng)資源 2

第1章操作系統(tǒng) 3
1.1 操作系統(tǒng)簡介 3
1.1.1 主要功能 4
1.1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 5
1.2 CPU指令集原理 6
1.2.1 特權(quán)指令集和非特權(quán)指令集 6
1.2.2 保護(hù)模式及內(nèi)核態(tài)、用戶態(tài) 7
1.2.3 指令工作流程 8
1.3 內(nèi)核 9
1.3.1 組成模塊化 9
1.3.2 單內(nèi)核 9
1.3.3 微內(nèi)核 10
1.3.4 外內(nèi)核 11

第2章虛擬化 13
2.1 虛擬化概述 13
2.1.1 直接使用物理設(shè)備 13
2.1.2 虛擬化原理 14
2.2 虛擬化指令集 16
2.2.1 敏感指令集 17
2.2.2 虛擬化指令集的工作模式 17
2.3 虛擬化類型 20
2.3.1 全虛擬化 20
2.3.2 類虛擬化 21
2.3.3 硬件輔助虛擬化 22
2.4 虛擬化架構(gòu) 24
2.4.1 裸金屬架構(gòu) 24
2.4.2 宿主模式架構(gòu) 25
2.5 常見的虛擬化產(chǎn)品 25
2.5.1 VMware 25
2.5.2 Xen 26
2.5.3 KVM 26
2.5.4 QEMU 27
2.5.5 NEMU 28
2.5.6 Firecracker 28
2.5.7 VirtualBox 28
2.5.8 Libvirt 29
2.5.9 Vagrant 30

第3章云計(jì)算 32
3.1 云計(jì)算概述 32
3.1.1 虛擬化的不足 32
3.1.2 云計(jì)算的特點(diǎn) 33
3.2 IaaS 34
3.2.1 云的部署模式 34
3.2.2 IaaS的主要功能 36
3.2.3 IaaS架構(gòu) 36
3.2.4 云平臺組織架構(gòu) 37
3.2.5 OpenStack 39
3.2.6 云平臺部署架構(gòu) 41
3.3 PaaS 42
3.3.1 簡介 43
3.3.2 核心功能 45
3.3.3 微軟Azure 47
3.3.4 PaaS的優(yōu)缺點(diǎn) 48
3.4 SaaS 49

第4章容器 53
4.1 容器簡介 53
4.1.1 容器技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn) 53
4.1.2 大事記 54
4.2 基本技術(shù) 55
4.2.1 namespace 56
4.2.2 cgroup 59
4.2.3 rootfs 60
4.3 Docker 61
4.3.1 容器運(yùn)行時(shí) 61
4.3.2 鏡像 63
4.3.3 Docker總結(jié) 64
4.4 內(nèi)核容器技術(shù) 64
4.4.1 Kata 64
4.4.2 Firecracker 65
4.4.3 gVisor 66
4.4.4 Unikernel 67
4.5 容器與虛擬機(jī) 68
4.6 容器與PaaS 69

第5章容器編排 70
5.1 容器編排簡介 70
5.1.1 大事記 70
5.1.2 Swarm與Kubernetes之爭 71
5.1.3 容器編排工具的核心功能 73
5.2 Kubernetes 74
5.2.1 設(shè)計(jì)理念與特性 74
5.2.2 運(yùn)行架構(gòu) 76
5.2.4 API對象 80
5.3 容器編排與PaaS 90
5.4 Kubernetes企業(yè)級實(shí)戰(zhàn)：OpenShift 91
5.5 實(shí)現(xiàn)有狀態(tài)應(yīng)用和無狀態(tài)應(yīng)用 91
5.5.1 無狀態(tài)應(yīng)用與有狀態(tài)應(yīng)用 92
5.5.2 從無狀態(tài)應(yīng)用到Severless 92
5.5.3 Kubernetes對有狀態(tài)應(yīng)用的管理 92
5.5.4 容器編排的終目標(biāo) 93

第2部分應(yīng)用架構(gòu) 95

第6章應(yīng)用架構(gòu)概述 96
6.1 架構(gòu)與框架的區(qū)別 97
6.2 狹義的和廣義的應(yīng)用架構(gòu) 97
6.2.1 狹義的應(yīng)用架構(gòu) 97
6.2.2 廣義的應(yīng)用架構(gòu) 98
6.3 應(yīng)用架構(gòu)的定義 98
6.4 應(yīng)用架構(gòu)的目標(biāo) 99

第7章主流架構(gòu) 101
7.1 4 1架構(gòu)視圖 101
7.1.1 邏輯視圖 102
7.1.2 開發(fā)視圖 102
7.1.3 進(jìn)程視圖 102
7.1.4 物理視圖 103
7.1.5 場景視圖 103
7.2 ArchiMate 104
7.2.1 ArchiMate概述 104
7.2.2 業(yè)務(wù)層 106
7.2.3 應(yīng)用層 106
7.2.4 技術(shù)層 107
7.3 TOGAF框架 109

第8章架構(gòu)詳解 114
8.1 業(yè)務(wù)架構(gòu) 114
8.1.1 業(yè)務(wù)場景 114
8.1.2 業(yè)務(wù)用例 115
8.1.3 業(yè)務(wù)實(shí)體 115
8.1.4 業(yè)務(wù)流程 116
8.2 應(yīng)用架構(gòu) 116
8.2.1 功能架構(gòu) 117
8.2.2 數(shù)據(jù)架構(gòu) 121
8.2.3 實(shí)現(xiàn)架構(gòu) 124
8.3 基礎(chǔ)架構(gòu) 131
8.3.1 物理架構(gòu) 131
8.3.2 運(yùn)行架構(gòu) 131

第9章典型的應(yīng)用架構(gòu)模式 133
9.1 單體架構(gòu) 133
9.1.1 單體架構(gòu)的特點(diǎn) 133
9.1.2 功能架構(gòu) 134
9.1.3 單體應(yīng)用的數(shù)據(jù)優(yōu)化 136
9.1.4 單體架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn) 142
9.2 基于組件的架構(gòu) 143
9.2.1 特性 144
9.2.2 微內(nèi)核架構(gòu) 145
9.2.3 兩種基于組件的應(yīng)用開發(fā)、運(yùn)行框架 145
9.2.4 組件設(shè)計(jì)原則 146
9.3 分布式與SOA 148
9.3.1 分布式 148
9.3.2 SOA 150

第10章微服務(wù)架構(gòu) 160
10.1 微服務(wù)架構(gòu)簡介 160
10.1.1 微服務(wù)與應(yīng)用 161
10.1.2 微服務(wù)架構(gòu)與SOA 162
10.1.3 微服務(wù)架構(gòu)與容器編排 162
10.1.4 微服務(wù)架構(gòu)與組織架構(gòu) 163
10.2 采用微服務(wù)架構(gòu)的優(yōu)勢與難點(diǎn) 163
10.3 微服務(wù)架構(gòu)詳解 165
10.3.1 功能架構(gòu) 165
10.3.2 實(shí)現(xiàn)架構(gòu) 166
10.3.3 部署單元 167
10.4 設(shè)計(jì)原則 167
10.4.1 服務(wù)注冊中心 167
10.4.2 API網(wǎng)關(guān) 168
10.4.3 跨服務(wù)通信 169
10.4.4 API設(shè)計(jì) 170
10.4.5 數(shù)據(jù)一致性處理 172

第11章微服務(wù)框架 181
11.1 微服務(wù)架構(gòu)與微服務(wù)框架 181
11.2 核心功能 182
11.2.1 服務(wù)注冊發(fā)現(xiàn) 182
11.2.2 服務(wù)負(fù)載路由 183
11.2.3 統(tǒng)一配置 184
11.2.4 服務(wù)編排與彈性伸縮 184
11.2.5 流量管控 185
11.2.6 可觀察運(yùn)維 186
11.3 框架分類 188
11.3.1 業(yè)務(wù)處理框架 188
11.3.2 SDK框架 189
11.3.3 服務(wù)網(wǎng)格 190

第3部分軟件工程 195

第12章應(yīng)用設(shè)計(jì) 196
12.1 明確愿景 196
12.1.1 目標(biāo)對象 197
12.1.2 度量價(jià)值 197
12.1.3 詳細(xì)描述 198
12.1.4 上下文圖 198
12.2 明確組織架構(gòu) 200
12.3 頂層業(yè)務(wù)建模 201
12.3.1 概述 201
12.3.2 業(yè)務(wù)領(lǐng)域 202
12.3.3 業(yè)務(wù)場景 205
12.4 應(yīng)用需求分析 209
12.4.1 概述 209
12.4.2 識別角色 210
12.4.3 業(yè)務(wù)實(shí)體 210
12.4.4 業(yè)務(wù)流程 212
12.5 應(yīng)用設(shè)計(jì)建模 214
12.5.1 概述 214
12.5.2 圈定微服務(wù) 215
12.5.3 應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì) 216
12.6 領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)建模 218
12.6.1 分布式應(yīng)用建模的痛點(diǎn) 219
12.6.2 DDD概述 219
12.6.3 DDD的優(yōu)勢 220
12.6.4 基本概念 221
12.6.5 實(shí)施步驟 229
12.6.6 DDD與應(yīng)用設(shè)計(jì) 238

第13章軟件開發(fā) 240
13.1 瀑布模型 240
13.2 敏捷開發(fā)模型 242
13.2.1 敏捷宣言 243
13.2.2 Scrum 244
13.2.3 極限編程方法 245

第14章開發(fā)運(yùn)維一體化：DevOps 248
14.1 精益思想 248
14.1.1 起源 248
14.1.2 精益生產(chǎn) 249
14.1.3 精益原則 250
14.1.4 精益軟件開發(fā) 251
14.1.5 價(jià)值探索 253
14.1.6 IT價(jià)值流 253
14.1.7 精益和敏捷 255
14.2 持續(xù)集成 255
14.2.1 原則 255
14.2.2 步驟 256
14.3 持續(xù)交付與持續(xù)部署 258
14.3.1 持續(xù)交付 258
14.3.2 持續(xù)部署 259
14.3.3 特性發(fā)布 263
14.4 DevOps與CI/CD 269
14.4.1 定義 270
14.4.2 原則與推廣 271
14.4.3 三步工作法 272
14.5 測試 275
14.5.1 概述 275
14.5.2 功能性測試 277
14.5.3 非功能性測試 281
14.6 DevOps與敏捷開發(fā)、Kubernetes、微服務(wù)、應(yīng)用架構(gòu)模式的關(guān)系 283

第15章 SRE運(yùn)維 286
15.1 SRE運(yùn)維簡介 286
15.1.1 SLA 287
15.1.2 運(yùn)維的發(fā)展階段 288
15.1.3 架構(gòu)層次 288
15.2 監(jiān)控 289
15.2.1 監(jiān)控概述 289
15.2.2 多層監(jiān)控 291
15.2.3 告警 292
15.3 日志 293
15.3.1 日志系統(tǒng)架構(gòu) 293
15.3.2 日志的采集、匯總與展示 294
15.4 故障排查 295
15.4.1 具體步驟 295
15.4.2 監(jiān)控檢查 296
15.5 作業(yè)運(yùn)行 296

第16章數(shù)字化運(yùn)營 298
16.1 數(shù)字化運(yùn)營概述 298
16.1.1 運(yùn)營數(shù)據(jù) 298
16.1.2 角色分類 299
16.1.3 用戶畫像 299
16.2 數(shù)據(jù)處理 300
16.2.1 數(shù)據(jù)采集 300
16.2.2 數(shù)據(jù)建模 301
16.2.3 數(shù)據(jù)分析 301
16.2.4 指標(biāo)分析 302
16.3 反饋流程 303
16.4 驗(yàn)證模式 304
16.4.1 A/B測試 304
16.4.2 灰度發(fā)布 305
16.5 平臺架構(gòu) 306
16.5.1 運(yùn)維數(shù)據(jù)平臺 306
16.5.2 智能化運(yùn)維 306

實(shí)踐篇

第4部分架構(gòu)、應(yīng)用落地與中臺構(gòu)建 310

第17章云原生架構(gòu) 311
17.1 云原生的定義 311
17.1.1 12因子應(yīng)用 311
17.1.2 云原生架構(gòu)的特征 313
17.1.3 CNCF對云原生的定義 314
17.1.4 本書對云原生的定義 315
17.2 關(guān)鍵技術(shù) 318
17.2.1 不可變基礎(chǔ)設(shè)施（容器） 318
17.2.2 聲明式編排（Kubernetes） 319
17.2.3 微服務(wù)架構(gòu)（解耦性） 320
17.2.4 動(dòng)態(tài)賦能（服務(wù)網(wǎng)格） 320
17.2.5 適應(yīng)度函數(shù)（引導(dǎo)性） 320
17.2.6 領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)建模（統(tǒng)一模型） 321
17.2.7 CI/CD/CO 321
17.3 云原生應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)過程 322

第18章應(yīng)用落地實(shí)踐 323
18.1 云原生化條件 323
18.1.1 團(tuán)隊(duì)能力建設(shè) 323
18.1.2 推薦引入云原生化的場景 324
18.1.3 不推薦引入云原生化的場景 326
18.2 演進(jìn)式的流程 327
18.3 應(yīng)用改造模式 328
18.3.1 雙胞胎模式 328
18.3.2 絞殺者模式 328
18.3.3 修繕者模式 329
18.4 應(yīng)用拆分原則 330
18.4.1 按業(yè)務(wù)能力拆分 330
18.4.2 按DDD子領(lǐng)域拆分 330
18.4.3 其他原則 332
18.5 API設(shè)計(jì)與治理 333
18.5.1 前后端分離 334
18.5.2 規(guī)范化API 334
18.5.3 并行或異步調(diào)用 336
18.5.4 業(yè)務(wù)聚合 336
18.6 應(yīng)用狀態(tài)分1

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