单体架构 vs 微服务架构

在上一章，我们了解了什么是可观察性。本节将深入探讨：为什么在微服务架构中需要可观察性？

本节将从架构演进开始，理解从单体架构到微服务架构的转变，以及这种转变带来的挑战。

架构演进历程

第一阶段：单体架构（Monolith）

在 2000 年代到 2010 年代初期，大多数应用都是单体架构。所有功能集中在一个应用中，使用同一个代码库、同一个数据库。

这种架构的特点：

• 所有功能集中在一个应用中
• 简单的部署和管理：只需要部署一个应用
• 开发速度快：不需要考虑服务间通信
• 适合小规模团队：代码集中，容易理解

第二阶段：微服务架构（Microservices）

从 2010 年代开始，随着业务规模的增长和团队规模的扩大，单体架构逐渐无法满足需求，微服务架构开始流行。

微服务架构的特点：

• 功能拆分为独立的服务：每个服务负责一个业务域
• 每个服务独立部署和扩展：可以根据负载独立扩展
• 技术栈灵活：不同服务可以使用不同的技术栈
• 适合大规模团队：团队可以独立开发和服务

演进的原因：

• 业务规模增长：单体应用无法应对大规模业务
• 团队规模扩大：需要多人协作开发
• 技术栈多样化：不同功能需要不同的技术栈
• 部署和扩展需求：需要独立部署和扩展

这就是架构演进的过程。但这种演进也带来了新的挑战。

单体架构的特点

单体架构的示意图：

所有的功能模块——用户模块、商品模块、订单模块、支付模块——都在一个应用中。它们共享同一个数据库，运行在同一个进程里。

单体架构的优点：

首先是简单。架构简单，容易理解。所有功能都在一个地方，不需要考虑服务间通信、网络延迟等问题。

其次是开发快。不需要考虑服务间通信，开发效率高。开发者可以直接调用函数，而不是调用远程 API。

第三是部署简单。只需要部署一个应用，不需要考虑服务间的依赖关系。

第四是测试容易。所有功能在同一个应用中，可以很容易地进行集成测试。

单体架构的缺点：

首先是扩展困难。所有功能绑定在一起，无法独立扩展。如果只需要扩展订单功能，但必须扩展整个应用。

其次是技术栈固定。所有功能必须使用相同的技术栈。如果想用 Python 开发某个功能，但应用是 Java 的，则不可行。

第三是团队协作困难。多人修改同一个代码库，容易产生冲突。团队规模大了之后，协作成本很高。

第四是故障影响大。一个模块出问题，可能影响整个应用。例如支付模块出问题，可能影响整个系统。

这就是为什么需要微服务架构的原因。

微服务架构的特点

微服务架构的示意图：

功能被拆分为独立的服务——用户服务、商品服务、订单服务。它们各自有独立的代码库、独立的数据库（或共享数据库的不同表）。它们通过 API Gateway 对外提供服务，通过 HTTP 或消息队列通信。

微服务架构的优点：

首先是独立扩展。每个服务可以独立扩展。如果订单服务负载高，可以只扩展订单服务，而不需要扩展整个系统。

其次是技术栈灵活。不同服务可以使用不同的技术栈。用户服务可以用 Java，商品服务可以用 Python，订单服务可以用 Go。每个团队可以选择最适合的技术。

第三是团队协作。团队可以独立开发服务，减少代码冲突。每个团队负责一个服务，协作成本低。

第四是故障隔离。一个服务出问题，不影响其他服务。例如支付服务出问题，其他服务仍然可以正常工作。

微服务架构的缺点：

首先是复杂度高。架构复杂，难以理解。需要理解多个服务之间的关系。

其次是开发慢。需要考虑服务间通信、网络延迟、服务发现等问题，开发效率可能降低。

第三是部署复杂。需要管理多个服务，需要处理服务间的依赖关系。

第四是故障排查困难。问题可能涉及多个服务，需要追踪多个服务才能定位问题。

这就是为什么在微服务架构中需要可观察性的原因。

微服务架构带来的挑战

微服务架构带来了四个主要挑战：

第一个挑战：系统复杂性增加

在单体架构中，可能只需要管理一个应用。但在微服务架构中，可能需要管理 10+ 个服务。这些服务之间有复杂的调用关系。一个用户请求可能经过：

• API Gateway → User Service → Database
• API Gateway → Product Service → Cache → Database
• API Gateway → Order Service → Payment Service → External API

服务间的依赖关系难以理解。一个服务的故障可能影响多个服务。

第二个挑战：故障定位困难

在单体架构中，如果出现问题，只需要在一个应用中查找。但在微服务架构中，问题可能发生在任何服务。例如订单处理失败，可能的原因有：

• User Service 超时？
• Product Service 错误？
• Order Service 异常？
• Payment Service 失败？

需要追踪多个服务才能定位问题。传统的排查方法可能需要登录多个服务器，查看多个日志文件。

第三个挑战：性能优化困难

在单体架构中，可以直接看到代码的执行路径。但在微服务架构中，无法直观看到完整调用链。例如 API 响应慢，瓶颈在哪里？

• 前端渲染慢？
• API Gateway 延迟？
• 某个服务慢？
• 数据库查询慢？

瓶颈点难以识别，优化方向不明确。

第四个挑战：运维管理复杂

在单体架构中，只需要监控一个应用。但在微服务架构中，需要监控多个服务。需要监控：

• 每个服务的 CPU、内存使用率
• 每个服务的错误率
• 每个服务的日志
• 服务间的通信情况

配置管理复杂，日志分散，运维成本高。

这就是微服务架构带来的挑战。可观察性就是为了解决这些挑战。

可观察性如何解决这些挑战

第一个解决方案：应对系统复杂性

可观察性通过 Traces 让开发者看到完整的请求路径。无论一个请求经过多少个服务，都能看到一个完整的 Trace，理解服务间的依赖关系。

传统方法需要查看多个日志文件，手动拼凑调用链。使用可观察性，只需要一个 Trace ID，就能看到完整的链路。效率提升 60-80%。

第二个解决方案：应对故障定位困难

可观察性提供统一的 Dashboard 展示所有服务状态。通过 Trace ID，可以关联 Traces、Metrics、Logs，从问题现象到根因的快速定位。

传统方法可能需要 2-4 小时才能定位问题。使用可观察性，可以在 15-30 分钟内定位问题。效率提升 75-87%。

第三个解决方案：应对性能优化困难

可观察性通过 Traces 显示每个 Span 的耗时，通过 Metrics 显示每个服务的性能指标，通过 Logs 提供详细的执行信息。开发者可以一目了然地看到瓶颈点。

传统方法无法直观看到瓶颈，需要猜测和验证。使用可观察性，能直接看到瓶颈点，优化方向明确。优化效率提升 60-80%。

第四个解决方案：应对运维管理复杂

可观察性提供统一的 Dashboard 展示所有服务，集中化日志管理（如 Loki），自动化告警和通知。不需要登录多个服务器，就能看到所有信息。

传统方法需要登录多个服务器，查看多个日志文件。使用可观察性，只需要一个 Dashboard，就能看到所有信息。运维效率提升 50-70%。

这就是可观察性在微服务架构中的价值。

本节小结

在本节中，我们学习了：

• 架构演进历程：从单体架构到微服务架构
• 单体架构的特点：简单但扩展困难
• 微服务架构的特点：灵活但复杂
• 微服务架构带来的挑战：系统复杂性、故障定位困难、性能优化困难、运维管理复杂
• 可观察性如何解决这些挑战：端到端追踪、统一监控、关联分析

核心观点是：微服务架构带来更高的复杂性，而可观察性就是应对这些复杂性的解决方案。

没有可观察性，微服务架构的复杂性会让开发者寸步难行。有了可观察性，就能驾驭微服务架构的复杂性，发挥微服务架构的优势。

在下一节，我们将深入讨论分布式系统的复杂性：服务间调用的复杂性、故障定位的困难、性能优化的挑战。