摘要：由于文章內(nèi)容較長，所以我把它分成兩篇小文章，在第一篇優(yōu)秀架構(gòu)師必須掌握的架構(gòu)思維中，我會(huì)先介紹抽象分層分治和演化這四種應(yīng)對(duì)復(fù)雜性的基本思維。另外，上面的算法是兩路歸并，也可以采用多路歸并，甚至是采用堆排序進(jìn)行優(yōu)化，但是總體分治思路沒有變化。

架構(gòu)的本質(zhì)是管理復(fù)雜性，抽象、分層、分治和演化思維是我們工程師/架構(gòu)師應(yīng)對(duì)和管理復(fù)雜性的四種最基本武器。

最近團(tuán)隊(duì)來了一些新人，有些有一定工作經(jīng)驗(yàn)，是以高級(jí)工程師/架構(gòu)師身份進(jìn)來的，但我發(fā)現(xiàn)他們大部分人思維偏應(yīng)用和細(xì)節(jié)，抽象能力弱。所以作為團(tuán)隊(duì)技術(shù)培訓(xùn)的一部分，我整理了這篇文章，希望對(duì)他們樹立正確的架構(gòu)設(shè)計(jì)思維有幫助。我認(rèn)為，對(duì)思維習(xí)慣和思考能力的培養(yǎng)，其重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)實(shí)際技術(shù)工具的掌握。

由于文章內(nèi)容較長，所以我把它分成兩篇小文章，在第一篇《優(yōu)秀架構(gòu)師必須掌握的架構(gòu)思維》中，我會(huì)先介紹抽象、分層、分治和演化這四種應(yīng)對(duì)復(fù)雜性的基本思維。在第二篇《四個(gè)架構(gòu)設(shè)計(jì)案例及其思維方式》中，我會(huì)通過四個(gè)案例，講解如何綜合運(yùn)用這些思維，分別對(duì)小型系統(tǒng)，中型系統(tǒng)，基礎(chǔ)架構(gòu)，甚至是組織技術(shù)體系進(jìn)行架構(gòu)和設(shè)計(jì)。

在進(jìn)入正文之前，順便給大家推薦一個(gè)架構(gòu)方面的交流學(xué)習(xí)群：650385180，里面會(huì)分享一些資深架構(gòu)師錄制的視頻錄像：有Spring，MyBatis，Netty源碼分析，高并發(fā)、高性能、分布式、微服務(wù)架構(gòu)的原理，JVM性能優(yōu)化這些成為架構(gòu)師必備的知識(shí)體系。相信對(duì)于已經(jīng)工作和遇到技術(shù)瓶頸的同學(xué)，在這個(gè)群里會(huì)有你需要的內(nèi)容。有需要的同學(xué)請(qǐng)抓緊時(shí)間加入進(jìn)來。

如果要問軟件研發(fā)/系統(tǒng)架構(gòu)中最重要的能力是什么，我會(huì)毫不猶豫回答是抽象能力。抽象(abstraction)這個(gè)詞大家經(jīng)常聽到，但是真正理解和能講清楚什么是抽象的人少之又少。抽象其實(shí)是這樣定義的：

對(duì)某種事物進(jìn)行簡化表示或描述的過程，抽象讓我們關(guān)注要素，隱藏額外細(xì)節(jié)。

舉一個(gè)例子，見下圖：

你看到什么？你看到的是一扇門，對(duì)不對(duì)？你看到的不是木頭，也不是碳原子，這個(gè)門就是抽象，而木頭或者碳原子是細(xì)節(jié)。另外你可以看到門上有個(gè)門把手，你看到的不是鐵，也不是鐵原子，門把手就是抽象，鐵和鐵原子是細(xì)節(jié)。

在系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計(jì)中，抽象幫助我們從大處著眼（get our mind about big picture），隱藏細(xì)節(jié)（temporarily hide details）。抽象能力的強(qiáng)弱，直接決定我們所能解決問題的復(fù)雜性和規(guī)模大小。

下圖是我們小時(shí)候玩的積木，我發(fā)現(xiàn)小時(shí)候喜歡玩搭積木的，并且搭得快和好的小朋友，一般抽象能力都比較強(qiáng)。

上圖右邊的積木城堡就是抽象，這個(gè)城堡如果你細(xì)看的話，它其實(shí)還是由若干個(gè)子模塊組成，這些模塊是子抽象單元，左邊的各種形狀的積木是細(xì)節(jié)。搭積木的時(shí)候，小朋友腦袋里頭先有一個(gè)城堡的大圖（抽象），然后他/她大腦里頭會(huì)有一個(gè)初步的子模塊分解（潛意識(shí)中完成），然用利用積木搭建每一個(gè)子模塊，最終拼裝出最后的城堡。這里頭有一個(gè)自頂向下的分治設(shè)計(jì)，然后自底向上的組合過程，這個(gè)分治思維非常重要，我們后面會(huì)講。

我認(rèn)為軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和小朋友搭積木無本質(zhì)差異，只是解決的問題域和規(guī)模不同罷了。架構(gòu)師先要在大腦中形成抽象概念，然后是子模塊分解，然后是依次實(shí)現(xiàn)子模塊，最后將子模塊拼裝組合起來，形成最后系統(tǒng)。所以我常說編程和架構(gòu)設(shè)計(jì)就是搭積木，優(yōu)秀的架構(gòu)師受職業(yè)習(xí)慣影響，眼睛里看到的世界都是模塊化拼裝組合式的。

抽象能力不僅對(duì)軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)重要，對(duì)建筑、商業(yè)、管理等人類其它領(lǐng)域活動(dòng)同樣非常重要。其實(shí)可以這樣認(rèn)為，我們生存的世界都是在抽象的基礎(chǔ)上構(gòu)建起來的，離開抽象人類將寸步難行。

這里順便提一下抽象層次跳躍問題，這個(gè)在開發(fā)中是蠻普遍的。有經(jīng)驗(yàn)的程序員寫代碼會(huì)保持抽象層次的一致性，代碼讀起來像講故事，比較清晰易于理解；而沒有經(jīng)驗(yàn)的程序員會(huì)有明顯的抽象層次跳躍問題，代碼讀起來就比較累，這個(gè)是抽象能力不足造成。舉個(gè)例子:

一個(gè)電商網(wǎng)站在處理訂單時(shí)，一般會(huì)走這樣一個(gè)流程：

更新庫存(InventoryUpdate)
打折計(jì)算(Discounting)
支付卡校驗(yàn)(PaycardVerification)
支付(Pay)
送貨(Shipping)
上述流程中的抽象是在同一個(gè)層次上的，比較清晰易于理解，但是沒有經(jīng)驗(yàn)的程序員在實(shí)現(xiàn)這個(gè)流程的時(shí)候，代碼層次會(huì)跳，比方說主流程到支付卡校驗(yàn)一塊，他的代碼會(huì)突然跳出一行某銀行API遠(yuǎn)程調(diào)用，這個(gè)就是抽象跳躍，銀行API調(diào)用是細(xì)節(jié)，應(yīng)該封裝在PaycardVerification這個(gè)抽象里頭。

除了抽象，分層也是我們應(yīng)對(duì)和管理復(fù)雜性的基本思維武器，如下圖，為了構(gòu)建一套復(fù)雜系統(tǒng)，我們把整個(gè)系統(tǒng)劃分成若干個(gè)層次，每一層專注解決某個(gè)領(lǐng)域的問題，并向上提供服務(wù)。有些層次是縱向的，它貫穿所有其它層次，稱為共享層。分層也可以認(rèn)為是抽象的一種方式，將系統(tǒng)抽象分解成若干層次化的模塊。

分層架構(gòu)的案例很多，一個(gè)中小型的Spring Web應(yīng)用程序，我們一般會(huì)設(shè)計(jì)成三層架構(gòu)：

操作系統(tǒng)是經(jīng)典的分層架構(gòu)，如下圖：

TCP/IP協(xié)議棧也是經(jīng)典的分層架構(gòu)，如下圖：

如果你關(guān)注人類文明演化史，你會(huì)發(fā)現(xiàn)今天的人類世界也是以分層方式一層層搭建和演化出來的。今天的互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以認(rèn)為是現(xiàn)代文明的一個(gè)層次，其上是基于互聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代商業(yè)，其下是現(xiàn)代電子工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，諸如此類。

分而治之(divide and combine或者split and merge)也是應(yīng)對(duì)和管理復(fù)雜性的一般性方法，下圖展示一個(gè)分治的思維流程：

對(duì)于一個(gè)無法一次解決的大問題，我們會(huì)先把大問題分解成若干個(gè)子問題，如果子問題還無法直接解決，則繼續(xù)分解成子子問題，直到可以直接解決的程度，這個(gè)是分解(divide)的過程；然后將子子問題的解組合拼裝成子問題的解，再將子問題的解組合拼裝成原問題的解，這個(gè)是組合(combine)的過程。

面試時(shí)為了考察候選人的分治思維，我經(jīng)常會(huì)面一個(gè)分治題：給你一臺(tái)8G內(nèi)存/500G磁盤空間的普通電腦，如何對(duì)一個(gè)100G的大文件進(jìn)行排序？假定文件中都是字符串記錄，一行約100個(gè)字符。

這是一個(gè)典型的分治問題，100G的大文件肯定無法一次加載到內(nèi)存直接排序，所以需要先切分成若干小問題來解決。那么8G內(nèi)存的計(jì)算機(jī)一次大概能排多大的數(shù)據(jù)量，可以在有限的時(shí)間內(nèi)排完呢？也就是100G的大文件要怎么切法，切成多少份比較合適？這個(gè)是考察候選人的時(shí)間空間復(fù)雜度估算能力，需要一定的計(jì)算機(jī)組織和算法功底，也需要一定實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)和sense。實(shí)際上8G內(nèi)存的話，操作系統(tǒng)要用掉一部分，如果用Java開發(fā)排序程序，大致JVM可用2~4G內(nèi)存，基于一般的經(jīng)驗(yàn)值，一次排1G左右的數(shù)據(jù)應(yīng)該沒有問題（我實(shí)際在計(jì)算機(jī)上干過1G數(shù)據(jù)的排序，是OK的）。所以100G的文件需要先切分成100份，每份1G，這樣每個(gè)子文件可以直接加載到內(nèi)存進(jìn)行排序。對(duì)于1G數(shù)據(jù)量的字符串排序，采用Java里頭提供的快速排序算法是比較合適的。

好，經(jīng)過有限時(shí)間的排序（取決于計(jì)算機(jī)性能，快的一天內(nèi)能排完），假定100個(gè)1G的文件都已經(jīng)排好了，相當(dāng)于現(xiàn)在硬盤上有100個(gè)已經(jīng)排好序的文件，但是我們最終需要的是一個(gè)排好序的文件，下面該怎么做？這個(gè)時(shí)候我們需要把已經(jīng)解決的子問題組合起來，合并成我們需要的最終結(jié)果文件。這個(gè)時(shí)候該采用什么算法呢？這里考察候選人對(duì)外排序和歸并排序算法的掌握程度，我們可以將100個(gè)排好序的文件進(jìn)行兩兩歸并排序，這樣不斷重復(fù)，我們就會(huì)得到50個(gè)排好序的文件，每個(gè)大小是2G。然后再兩兩歸并，不斷重復(fù)，直到最后兩個(gè)文件歸并成目標(biāo)文件，這個(gè)文件就是100G并且是排好序的。因?yàn)槭峭馀判?歸并排序，每次只需要讀取當(dāng)前索引指向的文件記錄到內(nèi)存，進(jìn)行比較，小的那個(gè)輸出到目標(biāo)文件，內(nèi)存占用極少。另外，上面的算法是兩路歸并，也可以采用多路歸并，甚至是采用堆排序進(jìn)行優(yōu)化，但是總體分治思路沒有變化。

總體上這是一個(gè)非常好的面試題，除了考察候選人的分治思維之外，還考察對(duì)各種排序算法（快排，外排序，歸并排序，堆排序）的理解，計(jì)算的時(shí)間空間復(fù)雜度估算，計(jì)算機(jī)的內(nèi)外存特性和組織，文件操作等等。實(shí)際上能完全回答清楚這個(gè)問題的候選人極少，如果有幸被我面到一個(gè)，我會(huì)如獲至寶，因?yàn)檫@個(gè)人有成長為優(yōu)秀架構(gòu)師的潛質(zhì)。

另外，遞歸也是一種特殊的分治技術(shù)，掌握遞歸技術(shù)的開發(fā)人員，相當(dāng)于掌握了一種強(qiáng)大的編程武器，可以解決一些一般開發(fā)人員無法解決的問題。比方說最近我的團(tuán)隊(duì)在研發(fā)一款新的服務(wù)框架，其中包括契約解析器(parser)，代碼生產(chǎn)器(code generator)，序列化器(serializer)等組件，里頭大量需要用到遞歸的思維和技術(shù)，沒有這個(gè)思維的開發(fā)人員就干不了這個(gè)事情。所以我在面試候選人的時(shí)候，一般都會(huì)出遞歸相關(guān)的編程題，考察候選人的遞歸思維。

大自然中遞歸結(jié)構(gòu)比比皆是，如下圖，大家有興趣不妨思考，大自然通過遞歸給我們?nèi)祟惡畏N啟示？

社區(qū)里頭經(jīng)常有人在討論：架構(gòu)是設(shè)計(jì)出來的？還是演化出來的？我個(gè)人基于十多年的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，架構(gòu)既是設(shè)計(jì)出來的，同時(shí)也是演化出來的，對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，基本上可以說是三分設(shè)計(jì)，七分演化，而且是在設(shè)計(jì)中演化，在演化中設(shè)計(jì)，一個(gè)不斷迭代的過程。

在互聯(lián)網(wǎng)軟件系統(tǒng)的整個(gè)生命周期過程中，前期的設(shè)計(jì)和開發(fā)大致只占三分，在后面的七分時(shí)間里，架構(gòu)師需要根據(jù)用戶的反饋對(duì)架構(gòu)進(jìn)行不斷的調(diào)整。我認(rèn)為架構(gòu)師除了要利用自身的架構(gòu)設(shè)計(jì)能力，同時(shí)也要學(xué)會(huì)借助用戶反饋和進(jìn)化的力量，推動(dòng)架構(gòu)的持續(xù)演進(jìn)，這個(gè)就是演化式架構(gòu)思維。

當(dāng)然一開始的架構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要，架構(gòu)定系統(tǒng)基本就成型了，不容馬虎。同時(shí)，優(yōu)秀的架構(gòu)師深知，能夠不斷應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的系統(tǒng)，才是有生命力的系統(tǒng)，架構(gòu)的好壞，很大部分取決于它應(yīng)對(duì)變化的靈活性。所以具有演化式思維的架構(gòu)師，能夠在一開始設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到后續(xù)架構(gòu)的演化特性，并且將靈活應(yīng)對(duì)變化的能力作為架構(gòu)設(shè)計(jì)的主要考量。

當(dāng)前，社區(qū)正在興起一種新的架構(gòu)方法學(xué)~演化式架構(gòu)，微服務(wù)架構(gòu)就是一種典型的演化式架構(gòu)，它能夠快速響應(yīng)市場用戶需求的變化，而單塊架構(gòu)就缺乏這種靈活性。馬丁·福樂曾經(jīng)在其博客上給出過一張微服務(wù)架構(gòu)的演化路線圖[附錄8.2]，可以用來解釋設(shè)計(jì)式思維和演化式思維的差異，如下圖所示：

上面的路線是一開始就直奔微服務(wù)架構(gòu)，其實(shí)背后體現(xiàn)的是設(shè)計(jì)式架構(gòu)的思維，認(rèn)為架構(gòu)師可以完全設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)和它的演化方向。馬丁認(rèn)為這種做法風(fēng)險(xiǎn)非常高，一個(gè)是成本高昂，另外一個(gè)是剛開始架構(gòu)師對(duì)業(yè)務(wù)域理解不深，無法清晰劃分領(lǐng)域邊界，開發(fā)出來的系統(tǒng)很可能無法滿足用戶需求。

下面的路線是從單塊架構(gòu)開始，隨著架構(gòu)師對(duì)業(yè)務(wù)域理解的不斷深入，也隨著業(yè)務(wù)和團(tuán)隊(duì)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，漸進(jìn)式地把單塊架構(gòu)拆分成微服務(wù)架構(gòu)的思路，這就是演化式架構(gòu)的思維。如果你觀察現(xiàn)實(shí)世界中一些互聯(lián)網(wǎng)公司（例如eBay，阿里，Netflix等等）的系統(tǒng)架構(gòu)，大部分走得都是演化式架構(gòu)的路線。

下圖是建筑的演化史，在每個(gè)階段，你可以看到設(shè)計(jì)的影子，但如果時(shí)間線拉得足夠長，演化的特性就出來了。

良好的架構(gòu)設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)，離不開工作中大量高質(zhì)量項(xiàng)目的實(shí)戰(zhàn)鍛煉，然后是平時(shí)的學(xué)習(xí)、思考和提煉總結(jié)。

另外，基本的架構(gòu)設(shè)計(jì)思維，其實(shí)在我們大學(xué)計(jì)算機(jī)課程（比如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法）中可以找到影子，只不過當(dāng)時(shí)以學(xué)習(xí)為主，問題域比較小和理想化。所以大學(xué)教育其實(shí)非常重要，基本的架構(gòu)設(shè)計(jì)思維在那個(gè)時(shí)候就已經(jīng)埋下種子，后面工程實(shí)踐中進(jìn)一步消化和應(yīng)用，隨著經(jīng)驗(yàn)的積累，我們能夠解決的問題域復(fù)雜性和規(guī)模逐漸變大，但基本的武器還是抽象、分層和分治等思維。

我認(rèn)為一個(gè)架構(gòu)師的成長高度和他大學(xué)期間的思維習(xí)慣的養(yǎng)成關(guān)系密切。我所知道世界一流的互聯(lián)網(wǎng)公司，例如谷歌等，招聘工程師新人時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的要求可以用苛刻來形容，這個(gè)可以理解，谷歌級(jí)別公司要解決的問題都是超級(jí)復(fù)雜的，基本思維功底薄弱根本無法應(yīng)對(duì)。

對(duì)于工作經(jīng)驗(yàn)<5年的工程師新手，如果你大學(xué)時(shí)代是屬于荒廢型的，建議工作之余把相關(guān)課程再好好自學(xué)一把。個(gè)人推薦參考美國Berkeley大學(xué)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程CS61B[附錄8.1]進(jìn)行學(xué)習(xí)，對(duì)建立抽象編程思維非常有幫助，我本人在研究生階段自學(xué)過這門課程，現(xiàn)在回想起來確實(shí)受益匪淺，注意該課程中的所有Lab/Homework/Project都要實(shí)際動(dòng)手做一遍，才有好的效果。

對(duì)于演化設(shè)計(jì)思維，當(dāng)前的大學(xué)教育其實(shí)培養(yǎng)很少，相反，當(dāng)前大學(xué)教育大都采用脫離現(xiàn)實(shí)場景的簡化理想模型，有些還是固定答案的應(yīng)試教學(xué)，這種方式會(huì)造成學(xué)生思維確定化，不利于培養(yǎng)演化式設(shè)計(jì)思維。我個(gè)人的體會(huì)，演化式設(shè)計(jì)思維更多在實(shí)際工作中通過實(shí)戰(zhàn)鍛煉和培養(yǎng)。

架構(gòu)的本質(zhì)是管理復(fù)雜性，抽象、分層、分治和演化思維是架構(gòu)師征服復(fù)雜性的四種根本性武器。
掌握了抽象、分層、分治和演化這四種基本的武器，你可以設(shè)計(jì)小到一個(gè)類，一個(gè)模塊，一個(gè)子系統(tǒng)，或者一個(gè)中型的系統(tǒng)，也可以大到一個(gè)公司的基礎(chǔ)平臺(tái)架構(gòu)，微服務(wù)架構(gòu)，技術(shù)體系架構(gòu)，甚至是組織架構(gòu)，業(yè)務(wù)架構(gòu)等等。
架構(gòu)設(shè)計(jì)不是靜態(tài)的，而是動(dòng)態(tài)演化的。只有能夠不斷應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的系統(tǒng)，才是有生命力的系統(tǒng)。所以即使你掌握了抽象、分層和分治這三種基本思維，仍然需要演化式思維，在設(shè)計(jì)的同時(shí)，借助反饋和進(jìn)化的力量推動(dòng)架構(gòu)的持續(xù)演進(jìn)。
架構(gòu)師在關(guān)注技術(shù)，開發(fā)應(yīng)用的同時(shí)，需要定期梳理自己的架構(gòu)設(shè)計(jì)思維，積累時(shí)間長了，你看待世界事物的方式會(huì)發(fā)生根本性變化，你會(huì)發(fā)現(xiàn)我們生活其中的世界，其實(shí)也是在抽象、分層、分治和演化的基礎(chǔ)上構(gòu)建起來的。另外架構(gòu)設(shè)計(jì)思維的形成，會(huì)對(duì)你的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)能力產(chǎn)生重大影響。可以說對(duì)抽象、分層、分治和演化掌握的深度和靈活應(yīng)用的水平，直接決定架構(gòu)師所能解決問題域的復(fù)雜性和規(guī)模大小，是區(qū)分普通應(yīng)用型架構(gòu)師和平臺(tái)型/系統(tǒng)型架構(gòu)師的一個(gè)分水嶺。
參考
Berkeley CS61B http://datastructur.es/sp17/

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