Chris Richardson微服务翻译：构建微服务之微服务架构的进程通讯

原文链接：Building Microservices: Inter-Process Communication in a Microservices Architecture

简介

在单体应用中，模块间使用编程语言级别的方法或函数彼此调用。而基于微服务架构的本质是是运行在多台机器上的分布式应用，每个服务都是一个进程。如下图所示，微服务之间必须使用进程间通信（IPC）的机制实现交互：

稍后我们将讨论 IPC 技术，先看下设计相关的问题。

交互模式

当为某个服务选择 IPC 机制时，首先要考虑服务间如何交互。client 和 server 端有很多交互的方式，可以按两个维度分类：

第一个维度是一对一还是一对多：

• 一对一：每个 client 请求只会被一个 server 处理

• 一对多：每个 client 请求会被多个 server 处理

第二个维度是交互是同步还是异步：

• 同步模式：client 期望来自 server 的及时响应，甚至可能由于等待而阻塞

• 异步模式：client 等待响应时不会阻塞，不需要及时响应

下面表格展示了两种方式的不同：

下面有几种一对一的交互模式：

• 请求/响应：client 向 server 发送请求并等待响应，client 期望响应能及时到达。在一个基于线程的应用中，请求的线程可能在等待时阻塞线程的执行。

• 通知（单向请求）：client 往 server 发送请求，但不期望响应。

• 请求/异步响应：client 往 server 发送请求，server 异步响应。client 不会阻塞，因为设计时就默认请求不会立即返回。

下面有几种一对多的交互模式：

• 发布/订阅模式：client 发布一个通知消息，消息会被 0 或多个感兴趣的服务消费。

• 发布/异步响应模式：client 发布一个请求消息，在一定时间内等待感兴趣服务的响应。

每个服务都是以上几种模式的组合，对某些服务来说，一个 IPC 机制就能满足了，另外一些服务可能需要多个 IPC 机制的组合。下图展示了用户叫车应用中，用户请求行程时，服务是如何交互的：

上图服务使用了通知、请求/响应、发布/订阅的方式。例如：乘客在移动端向『行程管理服务』发送接送需求的通知；『行程管理服务』使用 请求/响应 模式 调用『乘客服务』来验证乘客账号是否有效；然后『行程管理服务』创建行程并使用 发布/订阅 模式来通知其他服务（定位可用司机的『调度服务』等）。

我们讨论了交互风格，下面看下如何定义 API。

定义API

API 是服务端和客户端的契约。无论选择选择哪种 IPC 机制，都需要使用接口定义语言（IDL）来定义 服务的API。开发服务前，先定义服务接口，并与 client端开发者一起 review，后续再对 API 进行迭代。这样设计能帮助你构建更符合客户需求的服务。

文章后半段你会发现，API 的定义依赖选择的 IPC 机制。如果使用消息机制，API 则由消息频道和消息类型组成。如果使用 HTTP， API 则是由 URL 和 request/response 格式组成。后面我们将讨论 IDL 的细节。

API进化

服务的 API 不可避免的随着时间进化。单体应用中，可以直接修改 API 并更新所有的调用者。但在微服务应用中，即时 API 的所有调用者都在一个应用中，去更新其他服务也是很困难的，通常不能强制让所有 client 升级来保持和 server 端一致。此外，你可能还会增加部署新的服务版本，与老版本同时运行。了解处理这些问题的策略是非常重要的。

如何根据更改的大小来处理 API 呢？有的变化很小，通常可以与旧版本做到向后兼容，例如：为请求或响应添加了一个属性。对此，设计服务时考虑鲁棒性是很有必要的：使用旧版本 API 的 client 在新版本的 API 下能正常工作；server 为缺失的属性提供默认值；client 忽略响应中额外添加的属性。

有时候 API 不得不做一些大的、不兼容的变动，此时又不能强制让所有 client 立即升级，因此，旧版本 API 还需要运行一段时间。如果使用的是基于 HTTP 的 IPC，可以在 URL 里嵌入服务版本，每个服务实例可以同时处理多个版本。另一种方式也可以选择为每个版本单独部署。

处理局部故障

分布式系统普遍存在局部失败的问题，由于 client 和 server 是运行在独立的进程中，server 可能因为挂了或维护而暂时不可用，不能及时响应 client 的请求，或者因为过载而导致响应很慢。

以上篇文章提到的商品详情页场景为例，假设推荐服务没有响应，client 可能无限期的等待服务响应而导致阻塞，这不仅导致用户体验很糟糕，而且会占用线程等宝贵资源，就像下图所示，运行时线程耗尽，而无法响应任何请求：

为解决此类问题，设计时需要考虑局部故障的问题：

Netfilix 提供了较好的解决方案：

• 网络超时：等待响应时不设置无期限阻塞，而采用超时策略，保证资源不会无限被占用。

• 限制请求数量：为 client 对某个服务的请求设置访问上限，如果请求达到上限，则不再处理任何请求，做到快速失败。

• 熔断器模式：记录成功和失败的请求数量，如果失败率超过一个阀值，触发熔断器使得后面的请求立刻失败。如果大量请求失败，那这个服务可认为不可用，继续请求也没有意义。一段时间后，client 可以再次重试，如果成功，则关闭熔断器。

• 提供 fallback 机制：请求失败时提供 fallback，例如：返回缓存或一个默认值

Netflix Hystrix 是一个实现相关模式的开源库。如果使用 JVM，那么推荐使用 Hystrix。如果使用的非 JVM 环境，也可以使用类似的库。

IPC 技术

现在有不同的 IPC 技术可选择：基于 请求/响应 的同步通信模式，例如基于 HTTP 的 Rest 或 Thrift；也可以选择异步的、基于消息的通信模式，例如AMQP、STOMP。这些通信有着不同的消息格式，服务可以选择基于文本、方便阅读的 JSON 或 XML格式，或者效率更高的二进制格式（例如 Avro、Protocol Buffers）。

异步，基于消息的通信

使用消息模式时，进程间通过异步消息的方式来通信，client 发送消息来请求 server，如果期望 server 响应，则 server 会发送另外一条消息给 client。由于通信是异步的，client 不会因为等待响应而阻塞，同时 client 编程时也以服务不会立即响应来处理。

消息由消息头（元数据和发送者）和消息体组成，消息通过频道进行交换，任意数量的生产者都可以往频道里发送消息，同样，任意数量的消费者都可以从频道里消费消息。频道分为点对点、订阅/发布两种：

• 点对点模式：频道中的消息只会被交付给某个消费者，这种适用于前面提到的一对一的交互方式

• 订阅/发布模式：频道中的消息会被交付到所有感兴趣的消费者，这种适用于一对多的交互方式

下图展示了打车软件中如何使用 发布/订阅 模式：

行程管理服务向『订阅-发布』频道写入『创建行程』的消息，通知调度服务有新的行程请求。调度服务查找空闲的司机，并通过『发布-订阅』频道写入『推荐司机』的消息，通知其他服务。

有多种消息系统供我们选择，当然我们尽可能选择支持多种编程语言的。一些消息系统支持 AMQP和 STOMP 这样的标准协议，有的则支持专有的协议。开源的消息系统例如：RabbitMQ、Apacha Kafka、Apache ActiveMQ 和 NSQ。统一来看，他们都支持一些消息和频道，都致力于高可用、高性能和高可扩展性。

使用消息系统有很多优点：

• client 和 server 解耦，client 只需要将消息发送到合适的频道，完全不需要感知 server 的存在，因此不需要再去使用服务发现机制来确定服务实例的位置。

• 消息缓冲：在 HTTP 这样的请求/响应协议下，client 和 server 交互期间需要保证双方的可用性。然而在消息模式中，消息组件会将消息按照队列方式进行管理，直到消息被消费者消费。例如：即使订单系统很慢或不可用，在线商店仍旧可以接受客户的下单请求，只需要将下单消息放入队列即可。

• 灵活的 client-server 交互方式：消息支持前面提到的所有交互风格。

• 清晰的进程间通信：基于 RPC 的通信机制视图使调用远程服务像调用本地服务一样，然而，由于局部故障的可能，他们大不相同。消息机制使这些差异直观明显，开发者不会产生安全错觉。

当然，消息系统也有缺点：

• 额外的运维复杂度：消息系统组件的安装、部署、运维等工作，消息系统的高可用保障，否则会影响到系统的可用性。

• 实现 请求/响应 交互模式的复杂度：每条请求消息需要包含一个 回复渠道ID 和 关联ID，server 发送包含关联ID的响应消息到渠道中，client 使用关联ID 去匹配对应的响应。这种情况下，使用支持请求/响应的 IPC 机制会更容易些。

同步，请求/响应 IPC

使用同步、请求/响应的 IPC 时，client 请求 server 时有可能由于等待 server 响应而被阻塞。另外一些client 会使用异步、事件驱动的代码，例如封装好的 Future 或者 Rx Observable。这个模式最常见的协议是 Rest 和Thrift。

Rest

当前流行开发 RESTful 风格的 API。 Rest 是基于 HTTP 的 IPC 机制，其核心概念是使用 URL 来表示资源（用户或产品的一组业务对象）。例如：GET 请求会返回一个资源的信息，可能是 XML 文档 或 JSON 对象格式；POST 请求会创建新的资源；PUT 请求会更新资源。REST 之父 Roy Fielding 曾经说过：

REST provides a set of architectural constraints that, when applied as a whole, emphasizes scalability of component interactions, generality of interfaces, independent deployment of components, and intermediary components to reduce interaction latency, enforce security, and encapsulate legacy systems.

Rest 提供了一些列架构系统参数作为整体使用，强调组件交互的扩展性、接口的通用性、组件的独立部署、减少交互延迟的中间件，他强化安全，也能封装遗留系统。

下面展示打车软件使用 Rest 的场景：

乘客向行程管理服务的 /trips 资源发送了 POST 请求，行程管理服务然后向乘客管理服务发送 GET 请求获取乘客信息，当乘客认证完成后，创建一个行程，并返回 201 响应。

Leonard Richardson 为 REST  定义了一个成熟度模型，分为如下四个层次：

• Level 0：web 服务使用 HTTP 作为传输方式，调用固定的 URL，每次请求指定方法和参数

• Level 1：引入了资源的概念，要执行对资源的操作，请求通过 POST，指定要执行的操作和参数

• Level 2：使用 HTTP 的语法来执行操作，例如：GET 表示获取，POST 表示创建，PUT 表示更新

• Level 3：API 定义按照 HATEOAS（Hypertext As The Engine Of Application State）设计原则，基本思想 GET 请求返回资源的一些对资源允许操作的链接。例如：client 使用 GET 订单资源中包含的链接取消某一订单。HATEOAS 的一个优点就是无需在 client 代码中写入硬链接的 URL。此外，返回的资源信息中包含了对资源允许操作的链接，client 无需再猜测当前资源下所能做哪些操作了

基于 HTTP 协议的优点：

• 简单，为大家所熟悉

• 可使用浏览器、postman，curl 之类的命令行测试 API

• 支持 请求/响应 模式的通信

• 不需要中间代理，减价系统架构

HTTP 不足之处：

• 只支持 请求/响应的交互

• client 和 server 之间没有消息缓冲机制，要求交互时双方必须同时运行

• client 需要知道每个 server实例 的url

Thrift

Apache Thrift 是 REST 的一个有趣的替代品，实现了跨语言的客户端和服务端RPC通信的框架，Thrift 提供了 C 语言风格的接口定义语言来定义 API，可以通过编译生成客户端Stub 和 服务端的骨架，可以生成多种语言的代码（包括 C++、Java、Python、PHP、Ruby、Erlang、Node.js）。

Thrift 接口通常包含一个或多个服务，服务定义与 Java 接口类似，是一组强类型方法的集合。Thrift 能返回值，也可以定义为单向通信。如果需要返回值就需要实现 请求/响应风格的交互，客户端等待响应时可以抛出异常；单向通信就是通知模式，服务端不需要返回响应。

Thrift 支持 JSON、二进制、压缩二进制等不同的消息格式。二进制解码比 JSON 更快，更为高效；压缩二进制比 JSON 空间利用率更高； JSON 则更易读。Thrift 也支持不同的通信协议：TCP 或 HTTP，TCP 比 HTTP 更加高效，而 HTTP 对防火墙、人及浏览器更加友好。

消息格式

选择一种支持多语言的消息格式非常重要，哪怕你只用一种语言实现微服务，谁又能保证以后不会使用新的语言呢？

目前有文本和二进制两种格式。文本格式包括 JSON 和 XML。这种格式优点不仅可读，而且是自描述的。JSON中，对象的属性是键值对的集合；XML中，属性表示为命名的元素和值。消费者能选择感兴趣的值而忽略其他部分，对格式的修改也能容易的向后兼容。

XML文档的结构是 XML Schema 定义的，随着时间的发展，开发者意识到 JSON 也需要一个类似的机制，方法一是使用 JSON Schema，要么独立使用，要么作为 Swagger 这类 IDL的一部分使用。

文本格式的一大缺点是消息会变的冗长，尤其是 XML：因为消息是自描述的，每条消息除了值之外还包括属性的名称。另一大缺点是解析文本的开销略大，此时可以考虑二进制格式。

二进制格式也很多，如果使用 Thrift，那么可以用二进制Thrift；如果使用其他消息格式，常用的还包括 Protocol Buffers 和 Apache Avro，两者都提供了 IDL 来定义消息结构。差异之处在于  Protocol Buffers 使用标记字段，而 Avro 消费者需要了解 Schema 来解析消息，使用 Protocol Buffers 时，API进化比 Avro 更容易。Martin Kleppmann 的 博客文章 对Thrift、Protocol Buffers 和 Avor 进行了详细的比较。

总结

微服务需要使用进程间消息通信机制来交互，设计服务的通信模式时，需要考虑一下几个问题：服务如何交互、如何定义 API、如何升级 API，如何处理局部故障。微服务架构有两种 IPC 机制可用：异步消息机制和同步请求/响应机制。下篇文章中，我们会讨论微服务架构中的服务发现问题。

作者：butterfly100
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