京东云开发者|软件架构可视化及C4模型:架构设计不仅仅是UML

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软件系统架构设计的目标不在于设计本身,而在于架构设计意图的传达。图形化有助于在团队间进行高效的信息同步,但不同的图形化方式需要语义一致性和效率间实现平衡。C4模型通过不同的抽象层级来表达系统的静态结构,并提供了最小集的抽象建模元素,为设计人员提供了一种低认知负载、易于学习和使用的高效建模方式。


1 为什么要进行架构可视化?

软件系统架构设计的目标不在于设计本身,而在于架构设计意图的传达。如果不能清晰、一致的在干系人间进行设计意图的同步,即使再好的设计也只是空中楼阁。软件架构设计本质上也是一种抽象和建模的过程(对模型和抽象的本质参考文章《 领域驱动设计开篇 》),软件架构设计模型的表达有多种方式:图形化、语言和文字。绝大部分场景下,图形化在架构设计的表现力层面效果更佳。因此,对于软件系统架构进行可视化表达是有价值,且是必要的。

软件架构可视化的方式有多种,不同的团队有不同的实践方式,最为常见的由如下几种:

线框图:通过线框图和连线表达架构元素及之间的关系

UML:统一建模语言,表达系统的静态结构和动态行为

草图:非正式的图形

不同的可视化方式各有优劣,以下部分将对不同的表现形式进行说明

1.1 可视化方式-线框图

线框图是最为通用的可视化表达方式之一,架构师或设计人员大量的架构图,比如技术架构、功能架构、数据架构、逻辑架构等等都通过线框图的形式表达。该种可视化方式的优势是:

建模工具多样化:你可以基于Viso、Drawio、PPT等任何一款支持线框图的软件进行建模工作

学习成本低:设计人员几乎不需要进行专门的建模语言以及建模工具的学习,门槛较低

但,基于线框图表达软件系统架构存在的问题也非常明显:语义的一致性问题

你可能自己画过很多软件系统架构图,也可能参与评审过其他团队的架构图,我相信,对你而言并不是的所有的图都是“清晰且易于理解的”。举个简单的场景,如果我们在百度搜索 “架构图” ,你可能得到以下结果:

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各式各样的 “架构图”:不同形状和颜色的图形元素、不同形状和颜色的连线、不同的意图。

我们可以看出:线框图虽然简单,但其其图形化的语义一致性是大问题。虽然都是通过线框表达软件系统架构,但不同的人可能使用不同的元素、不同的颜色、不同的连线和分层等等,线框自由表达的灵活性和图形化语义的一致性存在潜在冲突,最终都会阻碍架构设计意图传达。

1.2 可视化方式-UML

UML是统一建模语言,相比于线框图而言,其优势是在软件建模层面提供了一致性的建模元语言。简单来说,UML提供了大家达成一致的(UML支持扩展的场景除外)建模元素。如果团队成员比较熟悉UML,那么通过UML表达的系统架构图天然具有认知一致性。

丰富灵活的建模元语言在提升语义一致性的同时,也必然会导致复杂性的上升。掌握UML具有一定的学习成本,而熟练的应用对研发人员也提出了更高的要求。基于 Simon Brown给出的数据,实际情况只有少数团队真正使用UML。不论是UML的复杂度和学习成本原因,还是敏捷化下对UML的排斥,很多团队都放弃了UML。

我们不能否认UML的价值,基于统一建模语言能够更有效的进行架构设计的信息传递和沟通,也能基于UML提供的详细的模型图元素进行充分的设计表达。团队中是否要基于UML进行沟通需要权衡,虽然UML不能表达你所要传达的全部的架构信息,但其在某些维度的表达相对比较适合。

• 表达流程和工作流可以采用UML活动图

• 表达运行时的交互可以采用UML时序图

• 表达领域模型或者设计模式可以采用UML类图

• 表达状态转换可以采用UML状态机

• 表达系统的部署结构可以使用UML部署图

1.3 可视化方式-草图

架构可视化另一个非常常见的方式是:草图。草图是一种非正式的、易于快速沟通的图形化方式。团队基于特定的场景,可以通过草图的形式进行快速的沟通,以便高效的在干系人间拉齐关键信息。

但,草图的劣势与线框图一样:语义一致性低

我们可以在白板上 “随心所欲” 的画各式各样的草图,草图上的元素、连线,又或者布局都可能是涌现式的、临时性的,这些草图的价值在于 “会话周期内的高效沟通”。如果干系人没有完全参与到草图的讨论,又或是后置查看,大概也很难精准捕获这些草图所要表达的设计意图。

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2 C4 模型

2.1 C4模型的统一抽象

团队需要统一语言进行高效沟通 !!!

C4模型在不同的级别提供了统一的抽象以表达软件系统的静态结构。如下图所示:

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软件系统:最顶层的抽象,其对用户提供价值。包含待构建的系统以及外部依赖的系统

容器:表示一个应用或者数据存储,容器需要运行以支持系统的正常运转。每个容器都是独立部署或运行的单元,容器间的通信一般式跨进程交互

组件:提供一定能力封装的单元。在C4模型上下文中,组件不是独立部署的单元,一般情况下运行于容器之中

代码:系统的实现细节相关

:系统的使用用户

2.2 上下文图:System Context Diagram

我们要构建的系统不会孤立存在,都会依赖现有的IT设施。要明确我们构建的系统是什么,宏观上需要回答:我们的系统如何融入到现有的IT设施

系统上下文图正是从高层视角表述待构建系统与当前IT设施的交互及边界。通过上下文图:

• 展示与软件系统交互的各方及相互关系

• 展示软件系统与外部环境的边界

• 作为了解系统架构的切入点

• 确保所有人都理解、认可系统的工作范围

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2.3 容器图:Container Diargram

更进一步的剖析核心系统,回答:系统由哪些容器组成?容器的职责是什么?以及相关的高层的技术选型是什么?

与Docker的容器概念不同,C4模型的容器是在 “系统” 作用域之下,其表达的是组成系统的可独立可部署的物理单元。以下图为例:单个容器元素重包含了名称、职责描述、技术选型,同时,容器间的连线及标注标识了其高层的交互协议及交互形式。

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2.4 组件图:Component Diagram

进一步的剖析容器,回答:容器由哪些组件组成?这些组件的职责及组件间的交互形式是什么?

具体到每个容器内部,通过多个组件及组件间的关系表达容器的组成。“组件” 本身是一个泛化的概念,C4模型的组件是在 “容器” 的作用域之下,其表现形式可能是独立的Jar包,或者是应用内独立的包,也可能是类级别,但逻辑上都能够表达一个组件的概念。对于组件图关键的是要表示清楚组件的实现选型、组件职责以及组件间的交互关系。

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2.5 代码

代码处于C4模型的最低层,且是可选的,其关注的是实现相关。C4模型并没有对实现层面的可视化进行统一抽象,开发人员可以选择UML类图、E-R图等进行可视化。是否需要提现代码层面研发人员基于具体情况具体分析,一般情况下,如果系统中需要重点关注的部分可以考虑一些代码级别的图支持,比如,我们非常关注系统设计的可扩展性,则关键部分可能需要一些类图表达;又或者非常关注底层数据模型,则E-R图可以纳入考虑范围。

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3 C4模型实践中的决策和问题

连线表达依赖关系还是数据流向 ?

都可以,C4模型中的连线既可以表达依赖方向,也可以表达数据流向。原则上,设计人员需要保证其清晰且无歧义。实践中一般通过合理的文字说明来明确的表达元素间的关系。

Jar或类库应该建模为“容器”? “组件” ?

Jar包或类库一般是链接到调用方的进程中,作为进程中的一部分存在,这种依赖一般不表示为容器,而是组件。当然,是否要将Jar,比如SDK表示为组件并体现在组件图上需要设计人员具体情况具体分析。

数据存储系统应该建模为 “软件系统” 还是 “容器” ?

数据存储系统,比如MySQL、DFS等一般是作为独立的外部存储集群存在,集群的运维可能归属于公司的运维团队。以OSS为例,但从应用角度而言,即使集群的运维不归属当前开发团队,团队也会申请租户隔离的专属空间,因此,在C4模型中这种情况应该表述为 “容器”。

消息系统应该如何建模 ?

消息系统一般作为两个容器间的交互媒介,因此在C4模型中消息系统的建模存在两种方式:

• 依赖消息系统的容器都显示与消息系统交互,明确的表达各自与消息系统的依赖关系或数据流向

• 屏蔽消息系统,只提现容器间的依赖关系,并对依赖进行明确说明

图形化的过期问题

C4模型本身也是一种文档化机制,同样也存在过期问题。只不过C4模型通过对系统在不同的层级进行抽象,每个抽象层级的过期频率不同,由上到下逐渐增大,上下文图的变化频率最小,而代码级则变化最大。

为什么C4不涉及业务流、状态机、数据模型等建模

C4模型仅对系统的静态结构进行建模,并不试图囊括或替代其它建模方式,C4模型并不适合所有维度的可视化表达。对于业务流可以基于BPML、UML活动图进行表达,状态机可以基于UML状态机图进行表达,而数据模型可以通过E-R图表达,不同建模语言相互补充。

4 系统架构设计关注不同维度

作为架构师或系统设计人员,在进行系统架构设计时一般会关注不同维度,一般情况下,对于业务系统建设而言,会关注以下维度。在架构设计(架构和设计)过程中,基于C4模型、UML及BPML等多种建模方式相互补充,不同表现维度下可以采用不同的建模方式

• 业务流程:泳道图或UML活动图,表达核心的业务流

• 业务用例、系统用例:UML用例图

• 领域模型:UML类图

• 系统边界:C1,系统上下文图

• 高层技术选型:C2,容器图

• 系统职责分配:用线框图表示功能架构

• 关键部分的实现:C3,组件图

• 系统关键的交互逻辑:UML时序图

• 数据模型:E-R图

• 关键实体的状态机:UML状态机图

• 不同的高优先级架构属性的设计:比如,缓存方案、幂等性设计方案、定时任务补偿策略、降级限流策略等等,这些都与具体的需求所关注的高优先级的架构属性相关。

• 部署架构:UML部署图

5 总结

软件架构设计的终极目标不在于设计本身,而在于架构设计意图的传达。图形化有助于在团队间进行高效的信息同步,但不同的图形化方式在语义一致性和效率间存在平衡。C4模型通过不同的抽象层级来表达系统的静态结构,并提供了最小及的抽象建模元素,为设计人员提供了一种低认知负载、易于学习和使用的高效的建模方式。在实际项目落地过程中,结合C4模型以及UML、线框图等组合方式对架构设计进行可视化表达,一定程度上能够提升团队对架构设计认知的一致性以及建模效率。

作者:倪新明

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