對于大多數(shù)商業(yè)和政府系統(tǒng)而言，在開發(fā)與部署的初期，可伸縮性并非首要需求，可用性以及實用的新功能才是開發(fā)周期的主要推動因素。只要系統(tǒng)能夠滿足正常負載，便會持續(xù)添加新功能以提升系統(tǒng)的業(yè)務價值。然而，當系統(tǒng)發(fā)展到一定階段時，性能和可伸縮性會成為緊迫問題，甚至關乎系統(tǒng)的生存。在這種情況下，架構師有責任將系統(tǒng)演變?yōu)橐粋€響應迅速且可伸縮的系統(tǒng)。

成本和伸縮性之間的關系

系統(tǒng)進行伸縮的核心原則之一是能夠便捷地增添新資源以應對增長的負載。就許多系統(tǒng)來說，一種簡單且有效的方法是部署多個無狀態(tài)服務器實例，并利用負載均衡器在這些實例之間分配請求，如下圖所示。

圖片

倘若這些資源部署在云平臺上，其成本包括：每個服務器實例的虛擬機部署成本，以及由新請求和活躍請求的數(shù)量、所處理的數(shù)據(jù)量決定的負載均衡器成本。

在此場景中，隨著請求負載的增加，已部署的虛擬機需具備更大的處理能力，這便導致了更高的成本。同時，負載均衡器的開銷也會隨請求負載和數(shù)據(jù)大小成比例增長。所以，成本與規(guī)模相互關聯(lián)，可伸縮性的設計決策必然會影響部署成本。若忽視這一點，可能會收到意想不到的巨額部署賬單。

那么，該如何降低成本呢？主要有兩種方式。其一，使用彈性負載均衡器，依據(jù)實時請求負載來調整服務器實例的數(shù)量。其二，增加每個服務器實例的容量，這通常是通過調整服務器部署參數(shù)（如線程數(shù)、連接數(shù)、堆大小等）來實現(xiàn)。精心選擇參數(shù)設置能夠顯著提升性能，進而提高容量。

注意系統(tǒng)瓶頸

對一個系統(tǒng)進行伸縮，本質上是要提升它的容量。在上述示例中，我們通過部署更多的服務器實例來增強請求處理能力。然而，軟件系統(tǒng)是由多個相互依存的處理元素或微服務構成的，所以在增加一部分微服務容量時，不可避免地會受到其他一些微服務的牽制。在我們的負載均衡示例里，假設服務器實例都連接至同一個共享數(shù)據(jù)庫。隨著部署的服務器數(shù)量增多，數(shù)據(jù)庫的請求負載也隨之增加（如下圖）。

圖片

在某個階段，數(shù)據(jù)庫會達到飽和狀態(tài)，數(shù)據(jù)庫訪問將開始出現(xiàn)較大的延遲。此時，數(shù)據(jù)庫成為瓶頸 —— 即便增加更多的服務器處理能力也于事無補。若要進一步進行伸縮，就需要以某種方式增加數(shù)據(jù)庫的容量。可以嘗試優(yōu)化查詢，或者增添更多的 CPU 或內存，也可以對數(shù)據(jù)庫進行復制或分片。除此之外，還有許多其他解決方案。系統(tǒng)中的共享資源都有可能成為瓶頸。

當在架構的某些部分增加容量時，需要仔細考量下游的容量，確保不會突然對系統(tǒng)造成沖擊。因為這樣會迅速引發(fā)級聯(lián)故障（參見下一條規(guī)則），并致使整個系統(tǒng)崩潰。數(shù)據(jù)庫、消息隊列、長延遲網絡連接、線程和連接池以及共享微服務都是潛在的瓶頸。可以肯定的是，高流量負載會很快使這些瓶頸顯露出來。關鍵在于當瓶頸暴露時，能夠防止系統(tǒng)突然崩潰，并迅速部署更多的能力。

慢服務比故障服務更有害

在正常情況下，系統(tǒng)應當能夠為微服務和數(shù)據(jù)庫提供穩(wěn)定且低延遲的通信。當系統(tǒng)負載處于正常的配置水平時，性能是可預測、一致且快速的，如下圖所示。

圖片

一旦客戶端負載超出正常水平，微服務之間的請求延遲便會開始增加。特別是在傳入的請求負載持續(xù)超過容量（如服務 B）的情況下，未完成的請求會在微服務 A 中堆積，由于下游延遲變慢，該微服務此時接收的請求比已完成的請求更多。

圖片

當一個服務因抖動或資源耗盡而不堪重負時，服務將無法響應客戶端，客戶端也會陷入停滯狀態(tài)。其直接結果就是級聯(lián)故障 —— 緩慢的服務會致使請求沿著請求路徑不斷累積，直至整個系統(tǒng)崩潰。一些架構模式（如回路斷路器和隔板）可用于防止級聯(lián)故障。若服務的延遲超過指定值，斷路器會調節(jié)請求負載，甚至將其斷開。當僅有一個下游依賴項發(fā)生故障時，隔板能夠保護上游的微服務不發(fā)生故障。這些措施可用于構建具有彈性且高度可伸縮的架構。