从分层架构到微服务架构（三）之管道架构

最新推荐文章于 2025-01-21 09:36:24 发布

元闰子

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分类专栏：软件设计文章标签：架构软件架构

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《从分层架构到微服务架构》是一系列介绍《Fundamentals of Software Architecture》中提到的8种架构模式的文章，这里不会事无巨细地介绍所有的细节，而是会挑选其中关键内容，更多详情请阅读原书。

往期精彩：

从分层架构到微服务架构（一）
从分层架构到微服务架构（二）之分层架构

前言

管道架构（Pipeline Architecture），通常也被称为管道-过滤器架构（Pipes and Filter Architecture），是最常用的架构模式之一。大部分软件工程师都是通过Unix终端初次接触到该架构模式，Unix终端的Shell语言，对管道-过滤器有着原生的支持。

比如，现在需要实现这样的一个功能：读取一个文本文件的内容，找到使用频率最高的5个单词，并按照使用频率的大小顺序打印出单词及其使用频率。

那么，使用Shell可以这样来实现：

cat content.txt |     # step1: 读取文件内容
tr -cs A-Za-z '\n' |  # step2: 将单词按行输出
tr A-Z a-z |          # step3: 将所有单词转换为
sort |                # step4: 对单词进行排序
uniq -c |             # step5: 计算出单词的频率
sort -rn |            # step6: 按照频率对单词进行排序
head -n 5             # step7: 获取排序前5的单词
# 输出结果示例：
   4 to
   4 and
   3 the
   3 networks
   3 linux

这段Shell代码就是一个简单的管道架构实现，其中|表示管道pipe，每一个step就相当于一个过滤器filter。每个filter都将上一个filter的输出结果作为输入数据，对数据进行处理后再将结果输出到管道中。

除了Shell语言之外，MapReduce也是基于管道架构搭建，其中的map和reduce可以看成是过滤器，只是它们通信的管道为HDFS。

Shell语言和MapReduce编程模型都可以看成是管道架构的low-level实现，当然，它也能应用于higher-level的系统应用上，下面我们来介绍管道架构模式的架构视图。

架构视图

管道架构由管道pipe和过滤器filter组成：

管道架构架构视图

pipe作为filter之间的数据传输通道，通常都是单向、点对点通信的，这样的设计不仅实现简单，在性能上也能取得较好的效果。另外，pipe上传输的数据并没有统一的格式，每个系统都可以根据自身的特点选择合适的数据结构。

filter作为数据处理的组件，通常是无状态的。每个filter都应当只完成一项工作，满足单一职责原则，复杂的工作流应该由多个filter组合而成。一般地，我们将filter分成以下几种类型：

Producer: 有时候也称为Source，是整个pipeline的start point，负责从数据源中接收数据，并将数据输出到pipe中。
Transformer: 从pipe中接收输入数据，然后对部分或全部数据进按照一定的规则行转换，并将结果输出到pipe中。在函数式编程里，该步骤通常被称为map。
Tester: 从pipe中接收数据，然后对数据进行一些条件判断，并根据判断结果选择是否将数据传递到下游的pipe中。需要注意的是，tester并未对数据进行任何修改。
Consumer: 是整个pipeline的end point，通常将从pipe中读取到的数据持久化到数据库或呈现到用户界面上。

一个系统中可以有多个producer和consumer，比如我们可以同时通过Kafka和REST接口接收输入数据，经过系统的处理后，将结果数据存储到MySQL中，同时也传递一份到数据仓库上用作数据分析。总之，管道架构模式有着很大的灵活性。

应用例子

管道架构模式被广泛应用在很多应用上，下面我们以一个ETL系统作为例子来理解该模式的运作方式。

ETL（Extract, Transform, Load）是将业务系统的数据经过抽取、清洗转换之后加载到数据仓库的过程，目的是将企业中的分散、零乱、标准不统一的数据整合到一起，为企业的决策提供分析依据。

管道架构模式应用例子

业务应用系统在运行过程中会产生各种各样的数据输出到kafka中，ETL系统会消费相关数据，并在经过处理后将结果存储到数据库上。在上图的ETL系统里，各个过滤器的作用如下所述：

Service Info Capture: 订阅kafka的topic，从中消费业务系统产生的数据，然后通过pipe传送到下游filter。
Duration Filter: 判断数据是否与计算服务请求的处理时长（duration）指标相关，是则将数据传递给Duration Calculator，否则传递给Uptime Filter。
Duration Calculator: 计算服务请求的处理时长，并将计算结果传递给Database Output。
Uptime Filter: 判断数据是否与计算系统正常运行时长（uptime）指标相关，是则将数据传递给Uptime Calculator，否则认为数据并非本ETL系统所关系，结束数据流程。
Uptime Calculator: 计算系统正常运行时长，并将结果传递给Database Output。
Database Output: 将数据持久化到MongoDB中。

上述的ETL系统由1个producer filter，2个tester filter，2个transform filter和1个consumer filter组成，主要的数据处理逻辑是计算系统的遥测指标。系统在架构上具有很高的可扩展性，比如后续想要新增一个指标计算，我们可以在Uptime Filter之后加上新的tester和transform，系统原有的指标计算无需改动；又比如系统后续打算用HBase替换MongoDB，那么我们可以新开发一个HBase Output替换掉原有的Database Output，系统的其他流程同样无需改动。

架构评分

管道架构模式的架构评分

管道架构模式通常被实现为单体架构，同分层架构模式一样，因为单体架构本身的劣势，其在Elasticity、Fault tolerance、Scalability方面都具有很低的评分。Simplicity是管道架构模式的主要优点之一，filter和pipe实现简单，可以快速构建起一个基于管道架构风格的系统，因此也具有很高的Overall cost评分。

另外，相比于分层架构模式，管道架构模式在Modularity、Evolutionary和Testability上都有着较高的评分，这得益于filter之间的松耦合，我们可以很容易扩展系统的filter，以及对单个filter进行测试。

总结

本文主要介绍了管道架构模式，它由管道pipe和过滤器filter组成。根据具体的数据处理逻辑，它将filter划分为producer、transformer、tester和consumer四种类型，是一种典型的technical partition软件架构风格。管道架构模式因为其可扩展性很高的特点而被广泛应用，其中不乏有Shell语言这种low-level的实现，也有ETL系统这种high-level的实现。

虽说该模式通常被实现为单体架构，但也有像MapReduce这种基于分布式系统的编程模式实现，总之，如果你需要为一个数据处理型的系统选型，那么可以认真地考虑是否采用管道架构模式。

每种架构模式都有其合适的应用场景，只有熟悉常用的几种架构模式，才能设计出更好的软件系统。下一篇文章，我们将继续介绍微内核架构。