以下主要介绍PaaS平台设计架构中使用到的方法论，统称为12-Factor(要素)

简介

软件通常会作为一种服务来交付，即软件即服务(SaaS)。12-Factor原则为构建SaaS应用提供了以下的方法论：

  • 使用标准化流程自动配置，减少开发者的学习成本。
  • 和操作系统解耦，使其可以在各个系统间提供最大的移植性。
  • 适合部署在现代的云计算平台上，从而在服务器和系统管理方面节省资源。
  • 将开发环境与生产环境的差异降至最低，并使用持续交付实施敏捷开发。
  • 可以在工具、架构和开发流程不发生明显变化的前提下实现拓展

该理论适应于任何语言和后端服务(数据库、消息队列、缓存等)开发的应用程序。

1. 基准代码

一份基准代码，多份部署

应用代码使用版本控制系统来管理，常用的有Git、SVN等。一份用来跟踪代码所有修订版本的数据库称为代码库。

1.1. 一份基准代码

基准代码和应用之间总是保持一一对应的关系：

  • 一旦有多个基准代码，则不能称之为一个应用，而是一个分布式系统。分布式系统中的每个组件都是一个应用，每个应用都可以使用12-Factor原则进行开发。
  • 多个应用共享一份基准代码有悖于12-Factor原则。解决方法是将共享的代码拆成独立的类库，通过依赖管理去使用它们。

1.2. 多份部署

每个应用只对应一份基准代码，但可以同时存在多份的部署，每份部署相当于运行了一个应用的实例。

多份部署的区别在于：

  • 可以存在不同的配置文件对应不同的环境。例如开发环境、预发布环境、生产环境等。
  • 可以使用不同的版本。例如开发环境的版本可能高于预发布环境版本，还没同步到预发布环境版本，同理，预发布环境版本可能高于生产环境版本。

2. 依赖

显式声明依赖关系

大多数的编程语言都会提供一个包管理系统或工具，其中包含所有的依赖库，例如Golang的vendor目录存放了该应用的所有依赖包。

12-Factor原则下的应用会通过依赖清单来显式确切地声明所有的依赖项。在运行工程中通过依赖隔离工具来保证应用不会去调用系统中存在但依赖清单中未声明的依赖项。

显式声明依赖项的优点在于可以简化环境配置流程，开发者关注应用的基准代码，而依赖库则由依赖库管理工具来管理和配置。例如，Golang中的包管理工具dep等。

3. 配置

在环境中存储配置

通常，应用的配置在不同的发布环境中(例如：开发、预发布、生产环境)会有很大的差异，其中包括：

  • 数据库、Redis等后端服务的配置
  • 每份部署特有的配置，例如域名
  • 第三方服务的证书等

12-Factor原则要求代码和配置严格分离，而不应该通过代码常量的形式写在代理里面。配置在不同的部署环境中存在大幅差异，但是代码却是完全一致的。

判断一个应用是否正确地将配置排除在代码外，可以看应用的基准代码是否可以立即开源而不担心暴露敏感信息。

12-Factor原则建议将应用的配置存储在环境变量中，环境变量可以方便在不同的部署环境中修改，而不侵入原有的代码。(例如，k8s的大部分代码配置是通过环境变量的方式来传入的)。

12-Factor应用中，环境变量的粒度要足够小且相对独立。当应用需要拓展时，可以平滑过渡。

4. 后端服务

把后端服务当作附加资源

后端服务指程序运行时所需要通过网络调用的各种服务，例如：数据库（MySQL，CouchDB），消息/队列系统（RabbitMQ，Beanstalkd），SMTP 邮件发送服务（Postfix），以及缓存系统（Memcached）。

其中可以根据管理对象分为本地服务(例如本地数据库)和第三方服务(例如Amason S3)。对于12-Factor应用来说都是附加资源，没有区别对待，当其中一份后端服务失效后，可以通过切换到原先备份的后端服务中，而不需要修改代码(但可能需要修改配置)。12-Factor应用与后端服务保持松耦合的关系。

5. 构建，发布，运行

严格分离构建和运行

基准代码转化成一份部署需要经过三个阶段：

  • 构建阶段：指代码转化为可执行包的过程。构建过程会使用指定版本的代码，获取依赖项，编译生成二进制文件和资源文件。
  • 发布阶段：将构建的结果与当前部署所需的配置结合，并可以在运行环境中使用。
  • 运行阶段（运行时）：指针对指定的发布版本在执行环境中启动一系列应用程序的进程。

12-Factor应用严格区分构建、发布、运行三个步骤，每一个发布版本对应一个唯一的发布ID，可以使用时间戳或递增的版本序列号。

如果需要修改则需要产生一个新的发布版本，如果需要回退，则回退到之前指定的发布版本。

新代码部署之前，由开发人员触发构建操作，构建阶段可以相对复杂一些，方便错误信息可以展示出来得到妥善处理。运行阶段可以人为触发或自动运行，运行阶段应该保持尽可能少的模块。

6. 进程

以一个或多个无状态进程运行应用

12-Factor应有的进程必须是无状态且无共享的，任何需要持久化的数据存储在后端服务中，例如数据库。

内存区域和磁盘空间可以作为进程的缓存，12-Factor应用不需要关注这些缓存的持久化，而是允许其丢失，例如重启的时候。

进程的二进制文件应该在构建阶段执行编译而不是运行阶段。

当应用使用到粘性Session，即将用户的session数据缓存到进程的内存中，将同一用户的后续请求路由到同一个进程。12-Factor应用反对这种处理方式，而是建议将session的数据保存在redis/memcached带有过期时间的缓存中。

7. 端口绑定

通过端口绑定提供服务

应用通过端口绑定来提供服务，并监听发送至该端口的请求。端口绑定的方式意味着一个应用也可以成为另一个应用的后端服务，例如提供某些API请求。

8. 并发

通过进程模型进行扩展

12-Factor应用中，开发人员可以将不同的工作分配给不同类型进程，例如HTTP请求由web进程来处理，常驻的后台工作由worker进程来处理（k8s的设计中就经常用不同类型的manager来处理不同的任务）。

12-Factor应用的进程具备无共享、水平分区的特性，使得水平扩展较为容易。

12-Factor应用的进程不需要守护进程或是写入PID文件，而是通过进程管理器（例如 systemd）来管理输出流，响应崩溃的进程，以及处理用户触发的重启或关闭超级进程的操作。

9. 易处理

快速启动和优雅终止可最大化健壮性

12-Factor应用的进程是易处理的，即它们可以快速的开启或停止，这样有利于快速部署迭代和弹性伸缩实例。

进程应该追求最小的启动时间，这样可以敏捷发布，增加健壮性，当出现问题可以快速在别的机器部署一个实例。

进程一旦接收到终止信号(SIGTERM)就会优雅终止。优雅终止指停止监听服务的端口，拒绝所有新的请求，并继续执行当前已接收的请求，然后退出。

进程还需在面对突然挂掉的情况下保持健壮性，例如通过任务队列的方式来解决进程突然挂掉而没有完成处理的事情，所以应该设计为任务执行是幂等的，可以被重复执行，重复执行的结果是一致的。

10. 开发环境与线上环境等价

尽可能的保持开发，预发布，线上环境相同

不同的发布环境可能存在以下差异：

  • 时间差异：开发到部署的周期较长。
  • 人员差异：开发人员只负责开发，运维人员只负责部署。分工过于隔离。
  • 工具差异：不同环境的配置和运行环境，使用的后端类型可能存在不同。

应尽量缩小本地与线上的差异，缩短上线周期，开发运维一体化，保证开发环境与线上运行的环境一致（例如，可以通过Docker容器的方式）。

11. 日志

把日志当作事件流

日志应该是事件流的汇总。12-Factor应用本身不考虑存储自己的日志输出流，不去写或管理日志文件，而是通过标准输出（stdout）的方式。

日志的标准输出流可以通过其他组件截获，整合其他的日志输出流，一并发给统一的日志中心处理，用于查看或存档。例如：日志收集开源工具Fluentd。

截获的日志流可以输出至文件，或者在终端实时查看。最重要的是可以发送到Splunk这样的日志索引及分析系统，提供后续的分析统计及监控告警等功能。例如：

  • 找出过去一段时间的特殊事件。
  • 图形化一个大规模的趋势，如每分钟的请求量。
  • 根据用户定义的条件触发告警，如每分钟报错数超过某个警戒线。

12. 管理进程

后台管理任务当作一次性进程运行

开发人员经常需要执行一些管理或维护应用的一次性任务，一次性管理进程应该和常驻进程使用相同的运行环境，开发人员可以通过ssh方式来执行一次性脚本或任务。

参考：