微服务架构下，如何通过弱依赖原则保障系统高可用？

比眉伴天荒 2024-04-28 13:25 8阅读 0赞

## **前言** ##

当我初次接触高可用这个概念的时候，对高可用的【少依赖原则】和【弱依赖原则】的边界感模糊，甚至有些“傻傻分不清楚”。这两个原则都关注降低模块之间的依赖关系，但它们之间的确存在某些差异。

**那么，「少依赖原则」和「弱依赖原则」它们之间本质的区别究竟是啥？**

少依赖原则和弱依赖原则都是旨在提高系统的可靠性和稳定性，但是它们之间的本质区别在于对依赖关系的**管理**和**控制**。

1.**少依赖原则（Less Dependency Principle）** ：这一原则强调系统**设计阶段**的模块独立性，目的是从**源头**上降低故障传播的风险，通过降低模块之间的耦合度，让各个模块独立完成特定功能，减少不必要的依赖。

2.**弱依赖原则（Weak Dependency Principle）** ：弱依赖原则关注的是在系统**运行过程中**，如何管理和控制模块之间的依赖关系，以便在某个模块出现故障时，其他模块仍能正常运行。通过实现弱依赖，使得系统具备更好的**容错能力**和**高可用性**。

当然，这两个原则并不是绝对的，两者之间有一定的关联性，我们可以根据系统的复杂性和实际需求，灵活地调整模块之间的依赖关系。在实际应用中，少依赖原则和弱依赖原则也可以**相互配合**，共同提高系统的高可用性。

## 一、基于弱依赖原则的架构策略 ##

> **弱依赖原则**：一定要依赖的，尽可能弱依赖，越弱越好 事物a强依赖事物b，一旦b出问题时，那么a也会出问题，一损俱损。 所以任何强依赖都要尽可能的转化成弱依赖，可以直接降低出问题的概率。

### 1、微服务架构 ###

模块拆分：微服务架构将复杂的应用程序拆分为多个独立的、可组合的服务模块。每个服务具有明确的功能边界和职责，相互之间具备松耦合的特点。这样，当某个服务出现故障时，其他服务可以继续独立运行，保证系统的整体可用性。

独立部署：各个模块有自己独立的代码仓库，可以独立进行分组部署和升级，无需其他模块的配合。当某个服务发生故障或需要升级时，不会影响到其他服务的正常运行。特别针对黄金交易链路上的系统，有条件的话尽量考虑提供独立的数据资源（DB、redis），并进行垂直分组部署。

需要注意的是：部署隔离需要充足的部署资源，以及上下游配合，尽量提前做好该工作。当然，**模块隔离必须建立在低耦合的基础上**进行才有意义。如果组件之间的耦合关系千头万绪、混乱不堪，模块隔离只会让这种混乱雪上加霜。

### 2、异步通信 ###

异步通信可以认为是在模块隔离基础上的进一步解耦，将物理上已经分割的模块之间的强依赖关系进一步削弱，使故障无法传播扩散，提高系统可用性。异步在架构上的实现手段主要是使用消息队列，当一个模块发生故障时，另一个模块可以继续处理任务，不会受到太大影响。

以我正在做的职能架构升级项目为例，其中创建员工账号的场景：新员工在PC页面提交创建账号的请求后，需要将员工信息进行数据持久化，并发送创建成功的短信和邮件给员工，此外，还需将员工信息同步给人资系统。

如果用微服务同步调用的方式，那么**后续操作任何一个故障，都会导致业务处理失败**，员工无法创建成功。我们通过使用消息队列的异步架构，新员工创建时发mq后就立即响应「创建成功」，后续的操作通过消费消息来完成，即使某个操作发生故障，后续再补偿也不会影响员工的创建流程。

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图1.1 创建员工业务流程图

### 3、接口抽象 ###

耦合度过高是软件设计的万恶之源，也是造成系统可用性问题的罪魁祸首。一个高度耦合的系统，可谓“牵一发而动全身”，任何微小的改动都可能会引发意想不到的bug和系统崩溃。连最基本的功能维护都已经勉为其难，更不用奢谈什么高可用了。

我们可以通过定义抽象的策略接口，这个抽象接口通常是从多个具有共同特征行为的类中抽象出来的，而具体实现类的指定都交给工厂类去完成，从而实现模块之间的松耦合。这样，当某个模块发生变化时，也不会影响其他模块的正常运行。接口抽象的方式，我将在后文的「实际场景分析」，针对具体案例展开详细的讨论。

### 4、故障切换与容错 ###

设置完善的故障处理机制，包括故障检测、故障切换和故障恢复。当检测到故障时，系统可以快速切换到备用组件或恢复服务，保证系统的可用性。

数据分片：存储数据时，将其分布在多个存储节点上。当某个存储节点发生故障时，数据可以从其他节点恢复，从而提高数据的可用性和容错性。

读写分离：对于接受弱一致性的场景，将读操作分配给从数据库，写操作分配给主数据库，以提高系统的性能和稳定性，并支持主从切换；数据量大时，也可以进行分库分表处理。

兜底降级：当一个系统中的强依赖服务数量较少时，其整体基础稳定性便会越高。对于那些特殊数据依赖较多而逻辑依赖较少的系统，我们可以采取**去依赖的架构设计策略**。具体来说，就是将依赖服务数据**持久化异构**到自己的数据库，并通过异步方式进行同步更新维护，从而降低对其他系统的依赖程度，进一步提升系统的稳定性。然而，这种方法也存在一定的弊端：数据冗余可能导致在特定时间窗口内出现数据不一致的情况。

### 5、松耦合的业务逻辑 ###

将业务逻辑进行解耦，使其相互独立。例如：目前线下店仓系统中专卖店、大商超、超级大店三个业态是公用一套代码，各个业态之间设计上是松耦合的，不同业态扩展点的实现相互隔离，这样当某个业务逻辑出现故障时，其他业务逻辑可以继续运行，降低故障影响范围。

## 二、实际场景分析 ##

### 1、case 1：中间件弱依赖 ###

#### i、消息队列弱依赖 ####

日常开发中经常会遇到分布式事务的场景，同一个事务内涉及「RPC调用、写DB、对外消息发送」等一系列原子操作，可能存在某一个环节请求异常的情况，为了保证**事务的最终一致性**，需要采用失败重试策略。对一个简单的应用流程来说，抛出异常业务中断回滚即可；但是对于复杂业务流程是不可行的，发生请求异常时，上游应用可能已经执行完毕，尤其是多个异步流程组合一个整体流程的场景，其他前置的流程可能已经执行完毕，无法回滚。

以店仓生产缺货取消单据的场景为例，店仓拣货环节，若商品全部缺货、或者用户选择“缺货取消订单”的发货策略时，此时拣货缺货，会调用下游接口取消订单。经常会出现前置操作（如RPC调用、写DB等）完成后，调用订单取消接口失败或者异常的情况。调用失败会触发UMP报警，需人工干预进行处理。

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图2.1 生产缺货取消回写opc流程

为了避免以上问题，保障数据的最终一致性，初期优化采用mq自产自消的方式，进行重试。

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图2.2 JMQ解决回调取消接口失败

这样一来，业务系统的稳定性与JMQ中间件的稳定性就强关联了，自然对JMQ的稳定性有较高要求。为了降低对JMQ的强依赖，保证业务的顺利执行，通过技术手段提升用户体验，减轻研发值班人员压力，最终形成了任务重试工具。

其核心思想是将**分布式事务拆分成本地事务**进行处理，具体实现方式是：将任务落库，保证业务操作表与纯任务表在同一个数据库，通过数据库事务保证业务操作与任务持久化的强一致性。在一定程度上，将业务操作与中间件依赖解耦。

采用回调函数的机制实现调用者和底层驱动的解耦，提升了组件的灵活性，对业务侵入性小。

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图2.3 任务重试组件工作流程

#### ii、数据库弱依赖 ####

第二个涉及中间件弱依赖的场景是数据库弱依赖，在日常开发中，数据库操作异常的情况屡见不鲜，比如网络链路问题、慢SQL导致的性能下降，以及引发的故障等。这些问题往往会导致交易黄金链路在短时间内无法正常工作，给业务带来不小的损失。为了应对这些情况，我们考虑引入灾备机制，以确保在异常情况下仍能维持较高的交易成功率，保障订单履约时效。

该方案的核心思路是：在DB操作出现故障的时间段内，通过其他存储介质（如redis）临时存储数据。然后，通过MQ异步补偿还原DB操作，从而保障数据的最终一致性。

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图2.4 数据灾备方案

这个方案显著提升了我们应对数据库操作异常的处理能力，确保了黄金交易链路的平稳运行。通过实施灾备策略，我们在确保数据最终一致性的同时，也有效减小了故障对业务的影响。

### 2、case 2：依赖倒置解耦业务逻辑 ###

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图2.5 定义抽象接口进行解耦

#### i、背景 ####

代码层面的依赖优化案例，是基于依赖倒置的设计原则，将业务模块进行解耦。在需求迭代的过程中，我们经常为了图方便，将具体类直接依赖于具体类，也就是所谓的高层模块依赖于低层模块。但是这样是极其不利于扩展的，随着新功能的不断追加，系统的功能会越来越臃肿，核心功能也会越来越模糊，这种情况下，系统的高可用性会受到影响。

请看下面这个案例：历史代码中，执行发货单取消逻辑十分复杂，不同类型、不同来源的单据在不同生产环节取消处理逻辑存在差异，这里的doCandel方法就是高层模块，而调用取消接口和发送取消消息是低层模块，这是一个典型的**高层模块依赖于低层模块**的编码形式。

#### ii、优化前的实现方式 ####

以下一个代码片段是系统中的**历史代码负债，耦合性强，可读性和可扩展性差。**

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图2.6 历史代码

#### iii、优化后的实现方式 ####

弱依赖原则强调应该尽量让模块之间的依赖关系变得弱化。这意味着模块之间的相互作用应该尽量简单，避免复杂的依赖关系。我们优化的核心思想是采用 **工厂模式+模板模式** 去抽象接口，实现不同环节单据取消后续处理逻辑差异。

a.首先，我们通过定义一个抽象的策略类AbstractDoCancelNodeStrategy，将取消单据后的核心流程进行拆解，最终将拆解的四个步骤定义为四个抽象方法。

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图2.7 抽象策略类定义

b.然后，我们创建了4个具体实现策略类，分别用于处理不同环节取消单据的逻辑。主要是提供相同行为的不同实现，业务上可以根据不同条件选择进入不同的实现类。

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图2.8 不同策略实现

c.其次，创建获取不同生产环节取消单据的策略工厂：采用启动时加载策略的方式，在项目启动时，把接口的实现类的实例放在Map里，系统运行过程中，可以通过取消节点对应的key，找到这个实现类的标识，进行相应的逻辑处理。

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图2.9 策略工厂

d.这样一来，高层模块可以依赖于这个策略类，而不是具体的策略实现。这样，当业务需求发生变更，需要对新的单据类型进行取消消息广播，只需实现一个新的处理策略类，而无需修改高层模块的代码。

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图2.10 高层模块代码

这样优化后，相当于把高层模块和具体的RPC调用的底层模块逻辑进行了间接解耦。并且提供了对开闭原则的完美支持，可以在不修改主流程代码的情况下，灵活增加新算法。总之，**以抽象为基准**比以细节为基准搭建起来的架构要稳定得多，因此咱们在日常开发中，要多尝试面相接口编程，采用先顶层设计再细节的去设计代码结构。

## 三、强弱依赖治理 ##

服务依赖是决定系统复杂度的一个重要因素，随着业务的不断迭代，服务依赖可能会变得越来越复杂，导致系统难以维护和扩展。在没有明确强弱依赖的前提下，我们很难进行熔断、降级、限流的相关操作，也不能有效的对系统进行相关优化改造、持续推进系统稳定性提升。因此，服务依赖治理变得至关重要。我们需要定期检查我们的依赖模型是否合理，识别不合理的依赖将其合理化。具体的治理流程包括：

1、依赖标记：通过人工梳理代码的形式，对系统核心链路上的所有依赖进行梳理，分析并标注依赖关系及强弱。

2、强弱依赖验证：采用混沌工程等方式模拟链路故障，核心思路就是不断给系统“找麻烦”来验证系统能力，模拟某个依赖服务出现故障的场景，从而验证人工标注的有效性。

3、依赖治理：依赖治理的目标体现在如下几个方面：

•筛选出那些不是真的强依赖的部分，将其转换为弱依赖，实现强依赖最少化。

•对强依赖进行解耦合，建立核心链路的降级预案，并对预案持续保活。

•对弱依赖做合理的异常捕获逻辑，配置合理的超时、熔断以及限流。针对具体的业务场景，以场景为最小单位，编写止损可控的兜底逻辑，并配置相应的动态切换开关，当异常发生时，可一键切换至兜底逻辑。

•弱依赖支持平滑停用，支持突发场景下舍军保帅。

## **四、结语** ##

当然，除了通过以上措施去构建遵循弱依赖原则的高可用系统，还有一些高可用的架构方案：

比如，在架构设计时，我们还需要考虑到不同层级的异常监控（业务层、应用层、中间件层、基础层），数据采集包含日志、埋点、链路追踪等，数据告警通过电话、短信、邮件、京me等方式通知到值班人员。通过建立完善的监控体系，实时收集系统运行状态，并进行预警。这样，当系统出现潜在故障时，可以及时发现并采取措施进行修复。

此外，对于改造量比较大的新业务上线后，可以通过ducc控制灰度切流的方式，降低软件编码错误带来的影响。观察没有问题，再全量切流，保证即使程序有Bug，也可以流量切回，产生的影响也控制在较小的范围内。这样的系统在面对故障时，具有更强的容错能力和抗故障能力，才能确保系统整体运行的稳定性和可用性。

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