介紹

微服務(wù)的興起以及現(xiàn)代軟件架構(gòu)對(duì)可擴(kuò)展性、靈活性和可維護(hù)性的需求，促使開(kāi)發(fā)者采用各種設(shè)計(jì)模式。近年來(lái)，命令查詢責(zé)任分離（Command Query Responsibility Segregation，CQRS）模式在實(shí)踐中獲得大量推廣。CQRS特別適用于那些命令（用于修改狀態(tài)）和查詢（用于讀取狀態(tài)）之間存在明顯區(qū)別的系統(tǒng)。本文將深入探討CQRS，并演示如何使用Spring微服務(wù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

什么是 CQRS？

命令查詢職責(zé)分離（CQRS）是一種架構(gòu)模式，建議將數(shù)據(jù)修改操作（命令）與數(shù)據(jù)檢索操作（查詢）分離。這種分離允許為查詢和更新數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)專門的模型，提高應(yīng)用程序的清晰度和可擴(kuò)展性。

CQRS 的核心目標(biāo)是通過(guò)確保每個(gè)任務(wù)負(fù)責(zé)單個(gè)操作（命令或查詢，但絕不會(huì)同時(shí)負(fù)責(zé)兩者）來(lái)簡(jiǎn)化任務(wù)。

起源和演進(jìn)

CQRS并不是一個(gè)全新的概念。它的根源可以追溯到CQS（Command Query Separation，命令查詢分離）原則，該原則由Eiffel編程語(yǔ)言的創(chuàng)建者Bertrand Meyer推廣。盡管CQS主要關(guān)注方法層面，即一個(gè)方法應(yīng)該執(zhí)行命令或回答查詢，但CQRS將這一原則擴(kuò)展到了應(yīng)用程序的架構(gòu)層面，建議使用獨(dú)立的架構(gòu)組件處理命令和查詢。

為什么使用CQRS？

• 可擴(kuò)展性：CQRS允許水平擴(kuò)展，可以根據(jù)需求部署多個(gè)命令或查詢服務(wù)的實(shí)例。讀操作和寫操作可以獨(dú)立進(jìn)行擴(kuò)展，優(yōu)化資源利用率。
• 靈活性：命令和查詢之間職責(zé)明確，意味著開(kāi)發(fā)者可以針對(duì)每個(gè)操作使用最適合的持久化機(jī)制、策略和優(yōu)化方式。例如，雖然關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)可能用于事務(wù)性命令操作，但非規(guī)范化的視圖存儲(chǔ)甚至全文搜索引擎可以用于處理查詢。
• 可維護(hù)性：良好實(shí)現(xiàn)的CQRS模式簡(jiǎn)化了代碼庫(kù)。通過(guò)為讀操作和寫操作分別建立模型，開(kāi)發(fā)者可以專注于每個(gè)操作的具體內(nèi)容，而不會(huì)被無(wú)關(guān)的問(wèn)題分散注意力。這種分離有利于開(kāi)發(fā)出更清晰、更易于維護(hù)和擴(kuò)展的代碼。
• 增強(qiáng)安全性：CQRS本質(zhì)上促進(jìn)了更好的安全實(shí)踐。通過(guò)分離命令和查詢操作，可以更容易地對(duì)寫操作進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證和授權(quán)檢查，同時(shí)優(yōu)化讀操作以提高性能。

CQRS在微服務(wù)中的應(yīng)用

在分布式系統(tǒng)中，服務(wù)通常需要具有自治性和高度解耦，CQRS提供了一個(gè)清晰的路徑。每個(gè)微服務(wù)都可以采用CQRS模式，確保它處理命令和查詢的內(nèi)部細(xì)節(jié)與其他服務(wù)分離。這也與領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)（DDD）非常契合，其中領(lǐng)域事件可以觸發(fā)不同微服務(wù)中的命令操作。

潛在的問(wèn)題

盡管CQRS帶來(lái)了許多好處，但也存在一些挑戰(zhàn)：

• 復(fù)雜性增加：引入CQRS可能會(huì)增加開(kāi)銷，特別是在讀操作和寫操作之間的區(qū)別不明顯的系統(tǒng)中。并不總是需要將每個(gè)讀操作和寫操作分離，這樣做可能會(huì)導(dǎo)致不必要的復(fù)雜性增加。
• 一致性：考慮到寫存儲(chǔ)和讀存儲(chǔ)可能是不同的，確保它們之間的數(shù)據(jù)一致性可能具有挑戰(zhàn)性，特別是在分布式系統(tǒng)中。

使用Spring微服務(wù)實(shí)現(xiàn)CQRS

Spring生態(tài)系統(tǒng)中豐富的工具和框架非常適合在微服務(wù)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)CQRS模式。

新建一個(gè)Spring Boot項(xiàng)目

第一步是創(chuàng)建一個(gè)基本的Spring Boot項(xiàng)目。如果你是第一次使用Spring Boot，可以使用Spring Initializr初始化項(xiàng)目。可以根據(jù)自己偏好引入一些必需的依賴項(xiàng)包括Spring Web、Spring Data JPA、數(shù)據(jù)庫(kù)連接器等。

命令、命令處理器和聚合

在基于Spring的CQRS系統(tǒng)中，命令表示改變某個(gè)狀態(tài)的意圖，而命令處理器則用于處理這些命令。

命令示例如下：

public class CreateUserCommand {
    private final String userId;
    private final String username;

    // 構(gòu)造函數(shù), getters，以及其他方法...
}

對(duì)于每個(gè)命令，都需要定義了相應(yīng)的命令處理器。該處理器需要包含處理命令的實(shí)際邏輯，如下：

@Service
public class CreateUserCommandHandler implements CommandHandler<CreateUserCommand> {
    
    @Autowired
    private UserRepository userRepository;

    @Override
    public void handle(CreateUserCommand command) {
        User user = new User(command.getUserId(), command.getUsername());
        userRepository.save(user);
    }
}

在領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)（DDD）的上下文中，狀態(tài)變更通常發(fā)生在聚合根上。這些聚合根需要遵循所有領(lǐng)域規(guī)則，然后在對(duì)數(shù)據(jù)變更進(jìn)行持久化。

查詢和查詢處理器

類似地，查詢表示讀取某些狀態(tài)的請(qǐng)求，而查詢處理器則處理這些請(qǐng)求。

查詢命令示例：

public class GetUserByIdQuery {
    private final String userId;

    // 構(gòu)造函數(shù), getters, 以及其他方法
}

對(duì)應(yīng)的查詢處理器：

@Service
public class GetUserByIdQueryHandler implements QueryHandler<GetUserByIdQuery, User> {
    
    @Autowired
    private UserRepository userRepository;

    @Override
    public User handle(GetUserByIdQuery query) {
        return userRepository.findById(query.getUserId()).orElse(null);
    }
}

事件溯源及Axon框架集成

盡管CQRS提供了分離的機(jī)制，但使用事件溯源可以簡(jiǎn)化在命令和查詢之間維護(hù)狀態(tài)的過(guò)程。Axon Framework是一個(gè)實(shí)現(xiàn)了CQRS和事件溯源的流行框架。

在Axon中，事件在命令處理后進(jìn)行發(fā)布。這些事件可以被持久化，然后用于重新創(chuàng)建聚合根的狀態(tài)，有助于保持查詢端與命令端的同步。

使用Apache Kafka進(jìn)行異步通信

考慮到微服務(wù)的分布式特性，實(shí)現(xiàn)服務(wù)之間的異步通信是非常有必要的。可以將Apache Kafka集成到Spring生態(tài)系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的事件驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，這在CQRS設(shè)置中尤其有用。

由命令端產(chǎn)生的事件可以推送到Kafka的主題中，查詢端可以消費(fèi)這些事件來(lái)更新自己的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。這確保了命令端和查詢端之間的解耦，使系統(tǒng)更具彈性和可擴(kuò)展性。

事件溯源和CQRS

盡管CQRS專注于分離命令和查詢的責(zé)任，但事件溯源確保將應(yīng)用程序狀態(tài)的每次更改捕獲在事件對(duì)象中，并按照應(yīng)用順序存儲(chǔ)在相同聚合根上。這樣允許你重建過(guò)去的狀態(tài)，在與CQRS結(jié)合使用時(shí)特別有優(yōu)勢(shì)。

事件溯源的核心思想

事件溯源是一種將領(lǐng)域事件持久化而不是持久化狀態(tài)本身的方式。這些事件捕獲狀態(tài)轉(zhuǎn)換。通過(guò)重新播放這些事件，可以重建聚合根的當(dāng)前狀態(tài)。

例如，可以存儲(chǔ)銀行賬戶的所有交易（像存款和提款這樣的事件），而不是僅存儲(chǔ)當(dāng)前余額。通過(guò)重新播放這些事件，可以計(jì)算出當(dāng)前余額。

事件溯源的好處

• 審計(jì)追蹤：事件溯源提供了自然的更改審計(jì)日志，這對(duì)于需要追溯性和歷史記錄的領(lǐng)域非常重要。
• 時(shí)間查詢：可以確定系統(tǒng)在任何時(shí)間點(diǎn)的狀態(tài)。這對(duì)于調(diào)試和理解過(guò)去的狀態(tài)非常有用。
• 事件重放：通過(guò)重新播放事件，可以重新生成面向讀取的優(yōu)化視圖。當(dāng)你想要?jiǎng)?chuàng)建新投影或重建損壞的投影時(shí)，這特別有用。

事件溯源與CQRS集成

CQRS和事件溯源是相輔相成的，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

• 解耦：就像CQRS中的命令和查詢解耦一樣，通過(guò)事件溯源，事件（代表狀態(tài)變化）與實(shí)際狀態(tài)解耦，這促進(jìn)了松散耦合的架構(gòu)。
• 可擴(kuò)展性：CQRS中讀操作和寫操作的分離性與事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)非常契合。命令模型處理命令并生成事件，而查詢模型處理查詢并可以通過(guò)偵聽(tīng)這些事件進(jìn)行更新。
• 彈性：通過(guò)重播事件，可以在發(fā)生故障甚至遷移到全新系統(tǒng)時(shí)重新構(gòu)建系統(tǒng)的狀態(tài)。

使用Spring和Axon框架實(shí)現(xiàn)

正如之前提到的，Axon Framework為在Spring應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)CQRS和事件溯源提供了一種無(wú)縫的方案：

• 聚合根和事件處理：在Axon中，聚合根負(fù)責(zé)處理命令和生成事件。在處理完命令后，它們會(huì)應(yīng)用導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)變化的事件。

@Aggregate
public class Account {
    @AggregateIdentifier
    private String accountId;
    private int balance;

    @CommandHandler
    public void handle(WithdrawMoneyCommand cmd) {
        if (cmd.getAmount() > balance) {
            throw new InsufficientFundsException();
        }
        apply(new MoneyWithdrawnEvent(cmd.getAccountId(), cmd.getAmount()));
    }

    @EventSourcingHandler
    public void on(MoneyWithdrawnEvent evt) {
        this.balance -= evt.getAmount();
    }
}

• 事件存儲(chǔ)：Axon提供了一種存儲(chǔ)和檢索事件的機(jī)制。這些事件可以重播，以重建聚合根的狀態(tài)。
• 投影：Axon中的投影提供了CQRS的查詢端。它們監(jiān)聽(tīng)事件并更新讀取優(yōu)化的視圖。這樣，查詢模型始終與最新的更改保持同步。

挑戰(zhàn)和考慮因素

盡管CQRS和事件溯源可以帶來(lái)巨大的好處，但也帶來(lái)了復(fù)雜性。

復(fù)雜性開(kāi)銷

• 架構(gòu)復(fù)雜性：CQRS和事件溯源引入了額外的層次和組件到系統(tǒng)中，如事件存儲(chǔ)、命令和事件總線以及同步機(jī)制。
• 學(xué)習(xí)曲線：對(duì)于不熟悉這些模式的團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，需要一個(gè)學(xué)習(xí)階段。從傳統(tǒng)的基于CRUD的系統(tǒng)轉(zhuǎn)變思維可能是具有挑戰(zhàn)性的。

數(shù)據(jù)一致性

• 最終一致性：由于命令和查詢模型的分隔性質(zhì)，即時(shí)一致性常常被犧牲以換取最終一致性。這意味著在命令端進(jìn)行的更改在查詢端反映出來(lái)之前可能會(huì)有延遲。
• 事件順序：確保事件按照生成的順序進(jìn)行處理，特別是在分布式系統(tǒng)中，可能會(huì)很棘手，但對(duì)于維護(hù)一致的狀態(tài)至關(guān)重要。

事件版本控制

隨著時(shí)間的推移，事件的結(jié)構(gòu)或語(yǔ)義可能會(huì)發(fā)生變化，從而帶來(lái)以下挑戰(zhàn)：

• 版本不匹配：處理同一事件類型的不同版本可能變得復(fù)雜。
• 事件升級(jí)：隨著事件的演變，系統(tǒng)必須能夠?qū)⑴f版本的事件升級(jí)到新版本，而不修改存儲(chǔ)的事件。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和重放

• 存儲(chǔ)考慮：由于所有事件都被存儲(chǔ)，事件存儲(chǔ)庫(kù)可能會(huì)迅速增長(zhǎng)，導(dǎo)致存儲(chǔ)成本增加和潛在的性能問(wèn)題。
• 重放持續(xù)時(shí)間：通過(guò)重放大量歷史事件來(lái)重建系統(tǒng)狀態(tài)可能耗時(shí)很長(zhǎng)，影響系統(tǒng)的恢復(fù)和初始化時(shí)間。

其他系統(tǒng)集成

使用CQRS和事件溯源的系統(tǒng)與不遵循這些模式的外部系統(tǒng)集成可能具有挑戰(zhàn)性，特別是在數(shù)據(jù)同步和事務(wù)管理方面。

邊界確定

• 粒度決策：決定應(yīng)用CQRS和事件溯源的粒度非常重要。在微觀級(jí)別實(shí)施可能導(dǎo)致過(guò)度復(fù)雜化，而過(guò)于廣泛地實(shí)施可能會(huì)削弱其好處。
• 領(lǐng)域復(fù)雜性：對(duì)于簡(jiǎn)單的域來(lái)說(shuō)，這些模式可能過(guò)于復(fù)雜。它們更適用于復(fù)雜的領(lǐng)域，其中好處超過(guò)了實(shí)施和維護(hù)成本。

工具和基礎(chǔ)設(shè)施

雖然有像Axon這樣的工具和框架支持CQRS和事件溯源，但它們可能并不完全適合所有場(chǎng)景。可能需要進(jìn)行定制實(shí)現(xiàn)，這可能會(huì)增加項(xiàng)目的復(fù)雜性和持續(xù)時(shí)間。

結(jié)論

CQRS為擴(kuò)展和組織微服務(wù)提供了一種獨(dú)特的方式。當(dāng)與Spring生態(tài)系統(tǒng)結(jié)合使用時(shí)，它可以提供一個(gè)強(qiáng)大的工具包，用于構(gòu)建健壯、可擴(kuò)展和易于維護(hù)的系統(tǒng)。然而，就像所有架構(gòu)決策一樣，需要權(quán)衡利弊并確保它是否適合你的實(shí)際場(chǎng)景。