摘要

软件架构一般会经历初始设计、实际使用、修改完善和退化弃用的过程。为了适应用户的新需求、业务环境和运行环境的变化等，软件架构需要不断地进行自身的演化，即软件架构的演化是为了维持软件架构自身的有用性。本文主要以大型网站系统架构的例子说明软件架构从单体架构到分布式架构的演化，及不同阶段主要解决的问题。

正文

大型网站的技术挑战主要来自于庞大的用户，高并发的访问和海量的数据，任何简单的业务一旦需要处理数以P计的数据和面对数以亿计的用户，问题就会变得很棘手。这也就是大型网站架构主要解决的问题。如春运期间12306的订票网站，双十一期间的淘宝。对于网站的建设初期，一般以实现业务功能为主，在架构层面不会考虑太多，也不适宜考虑太多，可能存在过度设计。需要随着业务的发展需要，能够支持不断的架构演进是架构设计需要重点关注的内容。

第一阶段：单体架构

最开始的网站并没有太多人访问，只需要一台服务器完成程序的部署即可。如图所示，应用程序、数据库、文件等所有资源都可以在一台服务器上。

第二阶段：垂直架构

随着业务的发展，网站访问的用户量会越来越多。随着大量的数据产生，存储空间出现不足的情况，需要将应用和数据分离。如图所示，应用和数据分离后整个网站使用3台服务器：应用服务器、文件服务器和数据库服务器。

第三阶段：使用缓存改善网站性能

随着用户逐渐增多，数据库访问压力大会导致访问延迟，影响网站性能，用户体验受到影响。通过将数据进行缓存，减少数据库的访问压力，提高网站的数据访问速度。缓存有两种方式，分为本地缓存和分布式缓存。本地缓存的访问速度更快，受应用服务器内存限制，缓存数据量有限。分布式缓存使用集群的方式，部署大内存的服务器作为专门的缓存服务器。

第四阶段：使用服务集群改善网站并发处理能力

使用集群式网站解决高并发、海量数据问题的常用手段。使用缓存后，数据访问压力得到有效缓解，应用服务器成为整个网站的瓶颈。这种情况，更恰当的做法式增加一台服务器分担原有服务器的访问和存储压力。从而实现系统的可伸缩性，使应用服务器的压力不再成为整个网站的瓶颈。

第五阶段：数据库读写分离

使用缓存后，大部分数据读操作都可以不通过数据库就能完成，但部分读操作（缓存访问不命中、缓存过期）和全部的写操作都需要访问数据库。利用数据库提供的主从热备功能，应用服务器写数据访问主数据库，应用服务器读数据访问从数据库，从而实现读写分离。

第六阶段：使用反向代理和CDN加速网站响应

随着网站业务的发展，用户规模越来越大，由于区域的差别使网络环境异常复杂。网站访问延迟会导致用户流失，访问越慢，用户越容易失去耐心。为了提升用户体验，加速网站访问速度，主要手段有CDN和反向代理，基本原理都是缓存。尽早返回数据给用户，一方面加快用户访问速度，另一方面减轻后端服务器的负载压力。

第七阶段：使用分布式文件系统和分布式数据库系统

任何强大的单一服务器都满足不了大型网站持续增长的业务需求。数据库经过读写分离后，随着业务发展依然不能满足要求，这种场景下，需要使用分布式数据库，文件系统类似，需要使用分布式文件系统。分布式数据库式网站数据库拆分的最后手段，只有单表数据规模非常庞大的时候才使用。更常用的拆分手段式业务分库，不同业务数据部署在不同的物理服务器上。

第八阶段：使用NoSQL和搜索引擎

随着网站业务的复杂，对数据存储和检索的需求也越来越复杂。需要采用一些非关系数据库技术如NoSQL和非数据库查询技术如搜索引擎。应用服务器则通过一个统一数据访问模块访问各种数据，减轻应用程序管理诸多数据源的麻烦。

第九阶段：业务拆分

大型网站为了应对日益复杂的业务场景，通过使用分而治之的手段将整个网站业务分成不同的产品线。具体到技术上，则是根据产品线划分，将网站拆分成不同的应用，独立部署，通过消息队列进行数据分发，或者访问同一个数据存储系统。

第十阶段：分布式服务

随着业务拆分越来越小，存储系统越来越庞大，应用系统的整体复杂度呈指数级增加。将共用的业务提取出来，独立部署，提供共用业务服务。通过分布式服务调用共用业务服务完成具体业务操作。架构演进到当前阶段，基本上大多数技术问题都得以解决。

综上，本文以大型网站建设的过程为例，基于业务需求发展、性能瓶颈，分别介绍了不同阶段的架构演进过程。较为全面的展示了架构设计对于业务发展的重要性，提供了不同发展阶段的架构设计参考，解决方案思路。

以上内容参考来源《系统架构设计师教程》

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