设计云原生应用那些最关键的原则和你必须知道的要点

设计云原生应用,其核心思想不是简单地把现有的软件搬到云服务器上运行，而是要从零开始，就让这个应用是为云环境而生的，这就像不是把一辆普通汽车开到轮船上进行跨海运输，而是直接造一艘天生就能在海上航行的船，要实现这个目标，有几个最根本的原则和要点你必须放在心上。

第一个最关键的原则是“微服务架构”，这是云原生的基石，传统的应用通常是一个庞大的、所有功能都紧密交织在一起的单体结构，一旦某个小功能需要修改或出现问题，整个应用都得重新部署和测试，牵一发而动全身，微服务架构则要求你把应用拆分成一系列小的、独立的服务，一个电商应用可以拆分成用户服务、商品目录服务、订单服务、支付服务等，每个服务都可以由不同的团队独立开发、独立部署、独立扩展，这样做的好处是灵活性极高，某个服务出问题不会导致整个网站崩溃，而且你可以只对访问量大的服务进行扩容，节省成本，这个思想在Martin Fowler和James Lewis合著的文章《Microservices》中有非常清晰的阐述。

第二个原则与第一个紧密相关,叫做“容器化”，微服务拆开了，但每个服务运行的环境可能不一样，依赖的库也不同，怎么保证它们在任何地方都能一致地运行呢？答案就是容器化，其中最主流的技术就是Docker，你可以把每个服务连同它所有的依赖项（比如编程语言环境、系统工具库等）一起打包成一个标准的、轻量级的“容器镜像”，这个镜像在任何支持容器的环境中（无论是开发者的笔记本电脑，还是测试环境，或是云上的生产环境）运行起来的表现都是一模一样的，这就彻底解决了“在我电脑上好好的，怎么到服务器上就不行了”这个经典难题，容器化是实现微服务可移植性和一致性的技术基础。

第三个原则是“动态编排与管理”，当你有成百上千个微服务容器在运行时，手动去管理它们是根本不可能的，你需要一个自动化的“调度官”，这就是Kubernetes这类容器编排平台的作用，它负责的事情包括：当某个容器挂了，它能自动重启一个新的；当流量增大时，它能自动增加容器的数量（扩容）；当流量减少时，它能自动减少容器数量以节约资源（缩容），它还能帮我们处理服务发现（一个服务如何找到它依赖的另一个服务）、负载均衡等复杂问题，CNCF（云原生计算基金会）将可编排性列为云原生的核心特质之一。

第四个至关重要的原则是“声明式API和自动化”，这是什么意思呢？传统的做法可能是“ imperative”（命令式）的，比如你手动登录服务器，执行一系列命令来部署应用，而声明式则是你告诉系统一个“最终期望的状态”，我需要运行3个副本的订单服务”，然后系统会自动地、持续地工作，确保现实始终符合你这个期望，如果意外变成了2个，系统会自动补上1个，这种模式非常适合通过编写配置文件（通常是YAML或JSON文件）来实现，而这些配置文件可以被纳入版本控制系统（如Git），从而实现基础设施即代码，这意味着你的整个应用部署流程都是可以版本化、可重复、可审计的，极大地提升了效率和可靠性，Kubernetes本身就是声明式API的典范。

第五个原则是关于应用自身的韧性设计,即“抗故障能力”，在云环境中，尤其是大规模分布式系统中，网络中断、服务器宕机、服务暂时不可用都是常态，而不是例外，你的应用设计必须默认这些故障会发生，并且能优雅地应对，这包括实施一些经典的设计模式，“熔断器”模式，当某个服务连续失败时，快速停止向其发送请求，给它恢复的时间，避免雪崩效应；“重试机制”，对 transient（临时性）失败进行智能重试；“限流和降级”，在系统压力过大时，果断拒绝部分非核心请求或返回简化结果，保住核心功能的可用性，Netflix因其在云上的大规模实践而总结出的一系列此类模式，极大地影响了整个行业。

第六个要点是“通过CI/CD实现敏捷交付”，CI/CD代表持续集成和持续部署，它要求开发者频繁地将代码变更合并到主干，每次合并都会自动触发一套自动化流程：包括编译、运行自动化测试、打包成容器镜像、扫描安全漏洞，并自动部署到测试或生产环境，这套流水线确保了软件可以快速、安全、频繁地发布，在云原生环境下，CI/CD与容器、编排系统无缝集成，是实现业务敏捷性的关键工程实践，Jez Humble和David Farley在《持续交付：发布可靠软件的系统方法》一书中奠定了这方面的理论基础。

但绝非不重要的是“可观测性”，对于一个由众多动态变化的微服务构成的复杂系统，传统的监控（主要关注CPU、内存等指标）已经不够了，你需要更强大的可观测性，它通常基于三大支柱：1. 指标：随时间变化的数值度量，如请求量、错误率、响应延迟，2. 日志：服务记录的离散事件，用于追踪具体发生了什么，3. 追踪：跟踪一个请求穿过所有服务的完整路径，帮你快速定位性能瓶颈或故障根因，只有具备了强大的可观测性，你才能真正理解系统内部的行为，快速发现和解决问题。

设计云原生应用是一场思维方式的转变,它要求你从构建一个坚不可摧的巨石，转变为设计一个由无数个有生命力、可独立生存和扩展的细胞组成的有机体，这个有机体能够拥抱变化，容忍失败，并且具备持续进化、自我修复的能力，以上这些原则和要点，相互关联，共同构成了云原生应用设计的核心蓝图。