12 Factor App in Action (12要素应用实战) - 图1

发现一些老铁在构建容器或使用 kubernetes 中还有些不得要领, 于是我结合自己的经验和思考, 把 “CloudNative 圣经” 的 12 Factor App 重新解读了一下, 全文如下:

首先确保你已经仔细阅读了 12 Factor App 的原文:

本文主要是根据我的一些实践经验和思考来解释, 为什么使用容器化或 CloudNative 或 k8s 要遵守 “12 Factor” 中的要素来构建应用.

1. 基准代码 (一份基准代码, 多份部署)

What

基准代码讲的是, 需要有个核心的代码库来存储所有版本.

How

简单来讲, 就是你需要用 Github, 或私有采用 Gitlab 这样的集中化方案来管理你的代码.

Why

集中化意味着方便管理, 试想一下你刚上线的业务突然发生了问题, 你得 BOSS 认为对着你吼就能给你加个 Buff 让你智力 + 10 从而能迅速修复 Bug. 不堪重压的你直接连接到了线上服务器手动修正了问题. 就在这一切平息之后, 度过周末的你完成了新的功能, 忘记了线上有个飞天补丁在运行, 直接上线了新的版本覆盖掉了这一修正, 就在你发布完毕的一刹那, 你听到了你的 BOSS 发出了如同被人踢到了蛋的吼声后朝你走来…

别紧张, 归根结底, 这即是你的问题, 又不是你的问题, 你可能违反了公司的上线流程, 但也暴露了公司本身管理上的漏洞. Anyway, 罗嗦了这么一大段就是为了告诉你有基准代码的好处.

另外, 采用基准代码势必会需要一个平台, 这些集成化管理平台催生了自动化 CI/CD 系统, 想象一下, 你提交代码后, CI/CD 系统自动帮你生成了文档, 自动生成了测试用例, 自动进行了测试, 自动进行了性能测试, 自动生成了报告, 等待最终确认后, 还能完成自动上线. 这个过程你可以全程摸鱼. 是不是很爽? 而这现在已经是现实了.

这一切正是由于采用了基准代码而获得的优势.

2. 依赖 (显式声明依赖关系)

What

显式声明依赖关系指的是通过一份 “依赖清单”, 来声明需要的依赖.

How

这个倒是很简单, 现有的编程语言大部分都提供了包管理系统. 方便大家显示声明依赖. 如果依赖系统库, 这点在 Dockerfile 中也得到了较好的解决, 一般 Dockerfile 都会在初始化阶段去安装该项目依赖的库, 这就是 “显式声明依赖关系” 的具体实现方式. 但需要注意的是, 如果有模糊不清的外部依赖, 或内部依赖, 或者底层依赖, 也需要去做基础设施建设, 这是容易疏漏的地方.

Why

显式声明依赖关系的目的是方便进行再构建. 相信各位都有在 Linux 下手动安装某软件, 然后运行的时候提示缺少动态库 (xxx.so) 或运行 apt 或 yum 安装软件然后安装失败或者遇到了包冲突的经历. 本质上显式声明依赖关系正是为了避免类似问题.

明确声明的依赖可以提供一份完整的清单, 告诉工程师只要满足这些条件, 你需要的东西就能正常运行起来. 试想一下你送了你朋友一个口红, 结果他生气了, 你以为是因为色号不对, 于是又买了一个送他, 没想到他更生气了. 是不是有一种既视感? 对的, 这就跟系统提示缺少 libcurl.so, 结果你扔进去个 libcurl.so.4 还是不能运行, 没想到其实人家要的是 libcurl.so.6…

另外我提到了一些依赖要做基础建设, 举个例子, 你的项目组依赖公司基础平台部门的一个框架, 版本 1.2, 但是其他组却需要这个框架的版本 1.4, 试想一下当你走了以后, 接手的同学决定把依赖的这个框架升级到最新版本. 然后发现版本 1.2 的特性被基础平台部门干掉了… 而且 1.2 的源码找不到了…

而如果公司在基础设施方面建设得好, 比如这个框架作为公共基础项目, 在公司的平台中任何人都可以看到并且可以访问历史版本并且还可以提交 pull request, 这个问题就迎刃而解了. 新来的同学可以提交 issue 告诉基础设施部门, 还有项目依赖这个特性, 甚至如果不复杂的话, 他可以自己修改后提交 pull request, 然后基础平台部门就可以将这个特性重新合并到主干. 这样无论是对于开发者还是管理者, 都是大有裨益的. 甚至可以推动公司内部的工程师文化氛围和协作氛围, 带来更好的工作方式.

3. 配置 (在环境中存储配置)

What

在环境中存储配置指的是, 删掉你的配置文件或硬编码在程序中的配置常量. 改用环境变量中存储配置来取代他们.

How

一般语言都提供了读取环境变量的方法, 如果没有, 也可以尝试在初始化阶段通过读取 stdin 或 argv 的方式来读取. 最差的情况, 也可以让 Dockerfile 根据环境变量生成一个配置文件, 然后程序去读取该临时生成的配置文件.

Why

主要目的是解耦

一切为了解耦, 只有配置与实例松散耦合才适合更大规模的应用, 才能自动化, 程序化部署. 试想一下线上有 20 万个容器, 数据库连接是硬编码在程序中的. 现在数据库扩容, 要切换主从节点的连接配置信息. 20 万个, 手动修改后上线, 好嘛, 一周时间都不用干别的了. 而如果配置存在于环境变量中, 这一切将会变得很简单, 更新下 k8s 环境变量, 然后批量 reload 容器就完事了.

注意这里的在环境变量中存储配置并不代表着必须要存储在环境变量中, 其更广义的意义其实是将配置与代码分离, 不要把配置存储到代码管理系统中.

其次配置注入的时机和配置基准化也很重要

更广义上, 我建议将配置也基准化, 即, 配置也需要一个管理系统. 有的公司喜欢弄一个配置中心程序. 我的想法是, 配置注入需要在运行之前结束. 一旦要推迟到运行时再获取的话, 如果获取不到配置, 服务就直接挂掉了.

有同学会说, 那 k8s 不是在运行时获取配置的么? 这里的获取配置指的是从基准配置系统获取, 而 k8s 更像一个缓存, 不要用 k8s 来当这些配置的永久存储, 理想的情况, 会存在一个基准化的配置分发装置, 比如我们魔改了 Gitlab, 然后每次配置更新, 通过 CI/CD 系统, 将配置更新到 k8s 集群中, 然后应用读取 k8s 注入容器的环境变量. 这样既解决了配置的基准化问题, 也避免了配置中心可用性不高带来的运行时获取配置失败导致应用挂掉的问题. 而 k8s 的可用性是直接跟应用强相关的, k8s 不可用, 自然应用也运行不了, 不会出现 k8s 挂了, 应用获取不到配置, 却奇迹的能启动的情况.

总结

我对配置这一要素的要求比 “12 Factor” 中的要求要更严格一些. 核心总结为:

  • 配置要与代码分离
  • 配置要有基准化
  • 配置对应用来说应该是常量, 即配置要在运行时之前准备好. 不要推迟到运行时再去获取或进行求值.

4. 后端服务 (把后端服务当作附加资源)

What

把后端服务当作附加资源, 更准确地说, 是通过统一资源定位符去调用资源. 本质上讲其实还是强调与其他业务或资源进行解耦.

How

简单来讲, 即不要与资源强耦合, 他的标志是, 切换资源不需要进行修改代码, 仅进行切换配置就可以了.

Why

得益于现在 web 组件的标准化, 现在资源与业务隔离基本都做得很好, 很少有切换个 MySQL 数据库还要修改代码去兼容的情况了. 所以这里更多情况指的是外部第三方服务或需要特殊逻辑 (比如需要注入一些存储过程) 的情况.

具体来讲, 比如以来的第三方发送电子邮件的服务, 每个第三方服务调用方法可能都不尽相同, 这就需要一个边缘业务网关去封装这些调用方式, 然后提供给所有业务一个统一的调用接口. 让调用在这个业务网关进行收束. 隔离复杂度, 让业务内部调用趋于统一.

业务大起来后, 这些边缘型服务的存在是不可避免的. 而这些边缘服务一旦适配完毕, 后续的变更会很少, 所以不用过多担心. 而他们本身只要是无状态的, 也非常方便扩容. 是一钟不错的中间方案.

那么什么时候应该开始建设这些服务呢? 我建议的判断标准 / 指征是, 只要使用第三方服务或需要特殊逻辑, 就要将这些与业务无关与第三方调用过程有关的逻辑封装为边缘业务网关. 不要让这些逻辑耦合进入业务.

至于一些其他的特殊的情况, 比如原来用的是 MySQL, 现在要切换为 MongoDB. 这种情况已经超脱了范畴, 请直接当作新业务进行设计. 不要想着兼容了.

5. 构建, 发布, 运行 (严格分离构建和运行)

What

这里指的是严格区分, 构建, 发布, 运行这几个阶段.

How

想要实现这一条, 需要基准代码管理系统, CI/CD 系统, 以及严格的线上服务管理流程.

Why

刚才也举例了直接修改线上代码会导致问题. 这里还要强调的是, 流程的标准化易于业务的规模化和自动化. 这意味着可以节省工程师的大量工时. 尤其是这种重复性的事务, 每次节生 1 分钟, 累积下来节省的时间就非常可观.

在一开始, 大家可能熟悉了手动部署上线的模式. 但手动操作非常容易出错. 于是公司发展到一定程度后, 可能就会出现自动上线脚本等类似的东西. 业务再发展之后, 便会使用 CI/CD 系统. 一个良好运行的 CI/CD 系统是需要投入很大成本的, 因此我并不反对最开始使用简便的方式去发布业务. 但意识形态的建设可以先行. 作为技术管理者和优秀的工程师, 应该意识到严格区分构建, 发布, 运行等阶段的意义和必要性. 并在工作中严格执行.

有些公司这方面执行得非常呆板, 比如我见过上线要 5 个领导签字的, 还有员工没有权限上线然后加班到半夜要紧急发布, 于是利用 Linux 提权漏洞获取 root 强行上线的. 这既是公司结构膨胀到一定程度和管理水平低下造成的问题. 也有可能是成本和投入之间平衡的考量. 但无论如何, 适合现阶段业务规模的流程模式, 才是好的模式.

6. 进程 (以一个或多个无状态进程运行应用)

What

12 Factor 应用是以一个或多个无状态进程运行应用, 这极大地方便了业务的伸缩. 简单的启动新的进程或关闭现有进程就可以了.

How

想要实现这一点, 需要严格剥离业务中的持久存储到存储资源 (例如数据库) 中. 相信现有 web 业务都能很好地组织这一点了.

Why

符合这一点的业务天然具备了伸缩性, 比如 UNIX 下的组件, 每个都是无状态的, 通过管道等组件即可组建出强大的应用来解决问题. 而 “12 Factor” 业务则强调了其伸缩性, 从而方便构建适应现代互联网发展速度的宏大业务.

这里有同学会问, 那业务中的本地缓存是否算是状态呢? 比如为了提高业务性能, 会把部分数据直接缓存到进程内存中, 从而减少了请求 Redis 等缓存的开销, 以进一步提升性能. 这部分的状态是可以接受的, 但一定要注意这部分的数据状态必须是允许随时丢弃或存在不同步的. 又或者数据的预热问题一定要处理好. 这样就可以扔进进程中.

另外还存在一种负载均衡方式, 按节点 hash 进行负载均衡, 即把特定的流量根据其 hash 特征分发给特定实例. 这是违反了无状态特性的, 因为这种负载均衡模式粒度还是太粗了, 不能假定每单位连接所需求的资源都是固定的, 这种负载均衡模式会造成局部过热, 因此不应该实施. 或仅可作为某些情况下的调试行为存在.

7. 端口绑定 (通过端口绑定提供服务)

What

端口绑定指的是业务通过暴露固定端口的方式来对外提供服务.

How

配置好业务端口就可以了, 现在几乎所有业务和组件都支持通过暴露端口的方式来提供服务.

Why

相信现在大部分业务也都是通过端口来提供服务的了, 所以这一点几乎不用特殊强调. 其实这更多的是为了兼容现有系统, 现有系统跨节点通信最方便的方式仍然是通过 IP 协议进行通信. 而 unix socket 等本地协议不支持跨节点通信, CGI 相关的协议虽然可以跨机但支持度不够. 因此通过端口通信方式是最佳兼容方案.

8. 并发 (通过进程模型进行扩展)

What

其实这一点跟第 6 点是一样的, 通过无状态进程来组件业务, 自然就获得了方便扩展的特性.

How

同第 6 点.

Why

这里强调用进程, 即将业务伸缩归于平台管理, 而不是业务自己管理. 多线程模型更适合业务是个单体应用, 在这种情况业务只要关心自己的性能就可以了. 但是在微服务的情况下, 业务间是要协作的, 因此业务需要将本身的伸缩交给调度系统去管理. 而无状态进程模型更方便调度 (启动新的进程就可以了).

我的建议是, 如果你的业务需要跨机器伸缩, 那么直接使用 k8s. 否则不需要跨机器调度的话, 那就直接用 docker + systemd 来管理容器 (等同于进程) 的生命周期就可以了.

9. 易处理 (快速启动和优雅终止可最大化健壮性)

What

易处理追求更小的启动和停止时间. 以及业务通信尽可能趋于原子性.

How

尽量避免需要预热的业务逻辑并优化启动和退出时间.

Why

更少的启动和停止时间意味着调度时间花费会更少, 可以提升调度性能. 这对于任何调度系统都是一样的. 比如地铁调度系统, 如果每辆车的进站和出站时间越短, 那么单条线路上能容纳的最大车辆数就会提升. 同样, 如果进程启动和退出的越迅速, k8s 调度也会越迅速, 调度能力 (同时调度的容器数量) 也会更高, 达到调度目标的耗时也会更短 (比如系统遇到了流量洪峰, 需要紧急扩容 1000 容器, 在 10 秒内启动 1000 容器和在 10 分钟内启动 1000 容器, 这种差距能直接决定现有业务会不会被流量打垮).

更特殊地, 这一点还要求业务的通信尽可能趋于原子性, 这样可以让启停进程对业务造成的冲击降到最低. 如果业务通信始终处于事务当中, 那么一旦遇到启停, 就会造成事务回滚, 这对于性能和稳定性是冲击性的. 这种情况可能就需要针对业务做出修改, 比如采用补偿性事务来解决这些问题.

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)

What

即线下的环境需要有一个线上仿真环境, 这需要组件, 工具, 数据等全套工作流程的克隆.

How

强调本地使用的组件与线上一致, 避免与线上的差异. 数据的同步可以考虑从定期备份数据中进行恢复以获得同步.

Why

得益于容器化, 代码的线下与线上同步是比较容易的, 只要在 CI/CD 系统中增加一个向本地环境发布的渠道就可以了.

组件是稍微复杂的, 我的建议是组件作为基础设施的一部分进行维护, 比如在镜像库中维护现有线上使用的版本的组件, 本地需要部署的时候直接从镜像库中进行部署. 更高层次则是线上也用自己维护的版本的组件镜像. 这需要一定的投入来维护基础组件.

数据是最困难的, 维持一份与线上同步的数据来提供给开发或测试环境自然可以最大程度的复现真实生产场景. 但维持数据同步本身是非常复杂的. 较好的方式有从定期备份的数据副本中恢复到本地环境. 但如果定期备份的跨度太大, 本地与线上的数据差距还是很大的. 另一种方式是线上数据库本身的存储是网络的, 比如数据库的存储是 iSCSI, SAN, 又或者是 CEPH, 在这样的系统中, 可以通过 ByPass 或其他系统提供的复制方式进行大规模复制. 但这种方式的成本非常高. 又或者可以利用数据库软件本身的副本机制来进行同步, 但这需要投入一定的开发. 甚至还可以复制线上流量到线下进行实时副本写入, 这样的本地成本很可能无法接受.

我的建议是, 在小规模的情况, 利用定期备份数据进行同步是最经济的选择. 而大型企业由于资源比较充足, 就可以按照自己的需求进行定制化了.

当做到了最大化的同部之后, 整个开发流程中测试和发布的时间将会极大地缩短. 从原有的每周内发布甚至可以提升为每天内发布. 享受敏捷带来的提升. 传统软件行业可能开发和部署人员都不是相同部门的, 甚至会存在现场实施人员. 一次交付可能是按月计算的. 而云部署的微服务, 一次小型交付甚至可以在一天内完成数次. 这就是不同架构带来的质的变化.

11. 日志 (把日志当作事件流)

What

即完全不考虑日志组件, 而是最简单的将日志信息写到 stdout 上.

How

将日志信息写到 stdout 上很简单, 大多数编程语言用 printf 等内置方法就能实现. 然后通过统一的日志收集系统, 日志进入大数据处理系统, 索引系统, 时序数据库进行存储并最后归档.

Why

适合伸缩的平台是为了海量流量的大型业务而准备的, 而大型业务的日志自然也是海量的. 试想一下线上有几万实例的业务, 现在想要寻找特定的日志, 这无异于大海捞针. 而统一收集并处理业务, 就可以利用现有的大数据组件, 索引系统进行日志检索和处理. 而更先进系统与日志的融合, 让日志自动化分析, 阈值处理与自动化调度都变为了可能. 量变产生了质变. 传统的日志处理模式已经完全不适合云服务了. 只有这样组织的日志系统才能继续提供服务.

12. 管理进程 (后台管理任务当作一次性进程运行)

What

即一次性任务也应当当作业务去运行, 走正常的编写, 提交, 构建, 发布流程. 而不是随便写一些脚本扔到线上直接跑.

How

按照正常流程来就好, 然后再配置中将该业务标记为一次性的. 比如 k8s 配置中将 restartPolicy 设置为 Never. 这里要注意需要让业务设置执行完毕 Flag. 比如将执行完毕报告写入日志系统, 方便追踪.

Why

我见过一个最有趣的例子是, 有一个同学需要清洗一批线上数据, 于是他编写了一个脚本, 然后将脚本扔到了线上在 terminal 中直接运行. 过了一会, 他下班了. 于是直接关闭了显示器, 让机器继续保持 session 继而脚本继续执行. 结果第二天上班. 发现昨晚物业停电电脑关机了. 数据非但没清洗完毕, 反而变成了只清洗了一半的更脏了的状态. 也许你会说他应该用 screen 命令. 但我想说的是, 如果这个一次性任务时长很长呢? 比如需要一周才能完成. 这期间的进程管理该怎么办? 这就是这条守则存在的意义.

更广义的来说, 一些定时任务也归为此列 (比如定期给用户发送邮件的业务), 定时任务同样需要纳入正常的流程来管理. 这样才能保证这些业务具有与线上业务一致的可靠性与可管理性.

一些实践

对于一个尝试进行容器化, 微服务化的小型公司而言, 我建议的配置大概如下.

代码托管采用 Gitlab, CI/CD 采用 Jenkins 搭配 kubernetes 组件. 容器调度系统采用 kubernetes. 容器运行时用 docker (runc). 镜像存储用 harbor. 分布式数据存储 / 对象存储用 CEPH.

Jenkins 用 webhook 与 Gitlab 连接. 然后 Gitlab 建立一个发布专用账号, 每当有新的提交, 就会通过 webhook 触发 Jenkins 的 CI/CD 流程. 通过 repo 内部维护的脚本进行镜像构建 (发布脚本, Dockerfile, k8s 配置全都是跟 repo 走的, 这些都是内部配置. 只有数据库等外部配置才是需要写到环境变量的). 如果你有配置管理系统, 就把配置提交到管理系统, 如果没有, 那就用一个脚本来将配置直接提交到 kubernetes.

构建完毕的镜像存储到 harbor 中. 然后构建流程完毕后, 进入容器内运行过程, k8s 启动容器, 容器管理系统会自动从 harbor 将刚 build 好的镜像拖下来运行. 至此整个发布流程就结束了.

另外, 还需要维护一个基础设施镜像库, 常用的基础组件, 比如数据库, web 服务器, 动态库等, 都需要维护一个镜像并提交到基础设施镜像库中. 方便开发的版本统一和后续升级.

本地最好有 2 组至少 8 节点 kubernetes 集群作为测试和 beta 测试使用. 数据同步部分则像我上面提出的, 可以考虑用定期备份的数据来进行重新构建.

预期这些业务的搭建和维护需要一个专业的工程师才能搞定. 计算资源的话至少需要 3 台 32 核心的服务器才能完成. 这大概就是最初期的投入了.

总结

总的来讲, “12 Factor” 业务的提出是革命性的. 这些共同的理念催生了 Docker, kubernetes 和 CloudNative. 我回想起我在 2010 年做后端开发的时候, 还没有这些概念. 但我开发的业务或多或少的都有了一些这样的特质.

比如我经常用 Go 和 PHP 编写大型的数据处理业务. 这些业务完全无状态, 然后利用 systemd 来管理任务的生命周期而不是靠 daemon 进程. 虽然这些业务不需要自动伸缩. 但当我需要他们跑的快一点的时候, 我就会在多个机器上启动多个进程, 来提高从数据队列获取数据的速度. 而他们挂了也不必担心, 直接重启就可以了. 甚至我看到有些偷懒的工程师更是如此, 看到程序有内存泄漏, 懒得排查问题, 于是让进程定期重启从而避免了被 OOM Kill 掉.

kubernetes 并不是突然出现的. 现实中我身边学习 Go 语言最多的恰恰是 PHP 工程师. PHP 甚至连 GC 都没有, 为什么? 恰恰是因为它本身在作为 fpm 的时候执行的生命周期非常短, 没等填满内存就已经退出了. 而 kubernetes 内的容器也借鉴了 “就让它崩溃” 的类似思想 (当然有很多系统都是这样的, 比如 Erlang). 容器挂了直接重启. 这样的思想成为了组建庞大系统的核心.

而 “12 Factor” 这是这些思想中提炼出来的精髓. 每一条都值得仔细的思考. 大家看完我这篇狗尾续貂之作后, 能在日常工作的架构中看到类似的影子, 或者有一些感同身受的话, 就是我最大的荣幸了.
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