前言

微內(nèi)核架構(gòu) （Microkernel Architecture），也被稱為 插件式架構(gòu) （plug-in architecture），作為一個(gè)在幾十年前就被創(chuàng)建出來(lái)的架構(gòu)模式，它如今仍然被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中。比如在Web瀏覽器領(lǐng)域，谷歌的Chrome瀏覽器之所以被認(rèn)為功能強(qiáng)大，一個(gè)很重要的原因是它有著豐富的插件類(lèi)型；在開(kāi)發(fā)工具領(lǐng)域，微軟的VS Code初始安裝后還只是個(gè)簡(jiǎn)單的文本編輯器，但用戶可以安裝各種插件，從而讓它搖身一變成為功能強(qiáng)大的IDE。

Chrome和VS Code都是微內(nèi)核架構(gòu)的典型應(yīng)用例子，它們提供一個(gè)具備最基礎(chǔ)能力的核心系統(tǒng)，并定義好插件的開(kāi)發(fā)接口。至于需要開(kāi)發(fā)或安裝哪種類(lèi)型的插件，則完全由普通開(kāi)發(fā)者和用戶決定，這樣的設(shè)計(jì)讓系統(tǒng) 具備了極強(qiáng)的可定制化和可擴(kuò)展能力 。

架構(gòu)視圖

微內(nèi)核架構(gòu)由以下兩部分組成： 核心系統(tǒng) （core system）和 插件 （plug-in component）， 將應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯拆分成核心系統(tǒng)和插件，能夠提供很好的可擴(kuò)展性和靈活性，極大地方便了后續(xù)需求的新增和修改 。

微內(nèi)核架構(gòu)架構(gòu)視圖

核心系統(tǒng)

核心系統(tǒng)通常只需提供能夠支撐整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本功能 ，比如前文所舉的VS Code例子，用戶初始安裝的是VS Code的核心系統(tǒng)，它只是一個(gè)提供了打開(kāi)文件、編輯文件內(nèi)容和保存文件等基本功能的文本編輯器，其他的擴(kuò)展功能（如語(yǔ)法檢查）都是通過(guò)安裝插件集成的。 將復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯從核心系統(tǒng)中剝離出來(lái)，并通過(guò)插件實(shí)現(xiàn)，能夠提升系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性 。同時(shí)，因?yàn)閺?fù)雜的功能都成了互不干擾的插件，系統(tǒng)的可測(cè)性也得到了提高。

考慮現(xiàn)在需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)電子設(shè)備回收系統(tǒng)，在回收之前，每種型號(hào)的手機(jī)設(shè)備的回收流程都不一樣，那么我們可以這樣去實(shí)現(xiàn)：

public void assessDevice(String deviceID) {
   if (deviceID.equals("iPhone6s")) {
      assessiPhone6s();
   } else if (deviceID.equals("iPad1"))
      assessiPad1();
   } else if (deviceID.equals("Galaxy5"))
      assessGalaxy5();
   } else ...
      ...
   }
}

如果我們把assessDevice看成是核心系統(tǒng)，那么后面每次新增一個(gè)型號(hào)的手機(jī)，都需要新增一個(gè)if分支，也即對(duì)核心系統(tǒng)進(jìn)行了改動(dòng)。這樣的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致核心系統(tǒng)非常地脆弱，正所謂 改的越多，出問(wèn)題的概率也越大 。

比起這種將所有的可定制業(yè)務(wù)邏輯放在核心系統(tǒng)上的設(shè)計(jì)，更好的應(yīng)該是將它們實(shí)現(xiàn)為插件的形式，這樣不僅每個(gè)設(shè)備回收邏輯都解耦了，還提供了強(qiáng)大的可擴(kuò)展性：添加一個(gè)新的回收設(shè)備類(lèi)型，只需新增一種插件即可，核心系統(tǒng)無(wú)需變動(dòng)。

public void assessDevice(String deviceID) {
  String plugin = pluginRegistry.get(deviceID);
 DevicePlugin devicePlugin =
  (DevicePlugin)constructor.newInstance();
 DevicePlugin.assess();
}

微內(nèi)核架構(gòu)在實(shí)現(xiàn)時(shí)通常都結(jié)合了其他架構(gòu)模式 ，這主要體現(xiàn)在核心系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，比如根據(jù)具體的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，我們可以將核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)成technically partitioned的分層架構(gòu)，或者是domain partitioned的模塊化架構(gòu)。

核心系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

插件

插件就是一些包含了定制化業(yè)務(wù)邏輯、擴(kuò)展功能、附加功能的獨(dú)立組件，用于擴(kuò)充核心系統(tǒng)的功能 。插件之間是獨(dú)立的，插件與核心系統(tǒng)之間則一般是“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”通信：核心系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用插件提供的接口（比如插件類(lèi)的方法）使用擴(kuò)展功能。

插件可以劃分為編譯時(shí)插件和運(yùn)行時(shí)插件兩種類(lèi)型，前者每次變更都需要重新構(gòu)建和部署整個(gè)系統(tǒng)，但實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單；后者則可以在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行插件的新增和刪除操作，相對(duì)地，實(shí)現(xiàn)也較為復(fù)雜。

編譯時(shí)插件

在編譯時(shí)插件中，插件通常以package或namespace實(shí)現(xiàn)，比如在package中可以以這樣的命名規(guī)則來(lái)區(qū)分插件：app.plug-in..。

編譯時(shí)插件實(shí)現(xiàn)

運(yùn)行時(shí)插件

運(yùn)行時(shí)插件中插件的實(shí)現(xiàn)通常是動(dòng)態(tài)庫(kù)的形式，比如.jar 、.so、.dll文件。在上述的設(shè)備回收系統(tǒng)的例子中，每種型號(hào)的手機(jī)設(shè)備回收邏輯包含在一個(gè)獨(dú)立的.jar文件中：

運(yùn)行時(shí)插件實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)端插件

當(dāng)然，插件和核心系統(tǒng)并非只能通過(guò)本地接口調(diào)用進(jìn)行通信，還可以采用REST/消息隊(duì)列/RPC等方式，這種場(chǎng)景下，插件就變成了一個(gè)獨(dú)立部署的服務(wù)。遠(yuǎn)程插件具備運(yùn)行時(shí)插件的特點(diǎn)，而且能夠提供更好的scalability： 插件和核心系統(tǒng)甚至都不必使用相同的技術(shù)棧實(shí)現(xiàn)，只需遵守既定的REST接口即可 。

遠(yuǎn)端插件

為了提升系統(tǒng)處理請(qǐng)求的responsiveness，我們還可以將核心系統(tǒng)調(diào)用插件的過(guò)程實(shí)現(xiàn)為異步通信 。以前文的電子設(shè)備回收系統(tǒng)為例，在異步通信的架構(gòu)下，系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)線程觸發(fā)插件啟動(dòng)對(duì)某個(gè)設(shè)備的回收流程。之后，該線程無(wú)需一直等待回收結(jié)束，它可以去繼續(xù)回收別的設(shè)備。當(dāng)設(shè)備回收結(jié)束后，插件會(huì)通過(guò)異步隊(duì)列告知核心系統(tǒng)。這樣的異步設(shè)計(jì)可以減少無(wú)謂的等待流程，明顯改善系統(tǒng)的responsiveness。

如果涉及到讀寫(xiě)數(shù)據(jù)庫(kù)，為了能夠維持插件的獨(dú)立性，每個(gè)插件最好能夠擁有獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù) 。如果插件間有著無(wú)可避免的數(shù)據(jù)交互，則可以為核心系統(tǒng)配置一個(gè)中心數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)它來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。

插件的的獨(dú)立數(shù)據(jù)庫(kù)

插件中心

核心系統(tǒng)在加載插件前，必須得知道 當(dāng)前有哪些可用的插件 ，以及 這些插件在哪里可以獲取 。這要求系統(tǒng)有一個(gè)地方去管理插件，這就是 插件中心 （plug-in registry）的功能。插件中心類(lèi)似于服務(wù)化架構(gòu)中服務(wù)注冊(cè)中心的作用，它保存了所有插件的基本信息，包括名稱、數(shù)據(jù)契約、通信協(xié)議、加載地址等。

我們可以簡(jiǎn)單地將插件中心實(shí)現(xiàn)為一個(gè)本地的map表，其中key可以是插件名稱，value為獲取插件的地址：

Map<String, String> registry = new HashMap<String, String>();
static {
  //point-to-point access example
  registry.put("iPhone6s", "Iphone6sPlugin");

  //messaging example
  registry.put("iPhone6s", "iphone6s.queue");

  //restful example
  registry.put("iPhone6s", "https://atlas:443/assess/iphone6s");
}

為了實(shí)現(xiàn)一些較為復(fù)雜的功能，如插件上下線通知等，我們還可以借助Apache ZooKeeper、ETCD這類(lèi)的分布式協(xié)同系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 遠(yuǎn)程插件中心 。

通信契約

通信契約定義了插件與核心系統(tǒng)之間的通信方式、交互行為和數(shù)據(jù)格式。通信方式可以是本地接口調(diào)用、REST、RPC、消息隊(duì)列等；交互行為則可以理解為插件對(duì)核心系統(tǒng)提供的接口，比如本地的函數(shù)/方法、REST的URI等；對(duì)本地插件而言，數(shù)據(jù)格式通常是一個(gè)類(lèi)/結(jié)構(gòu)體，對(duì)遠(yuǎn)程插件而言，常用的數(shù)據(jù)格式有JSON、XML、ProtoBuf等。

考慮電子設(shè)備回收系統(tǒng)的例子，系統(tǒng)有著如下定義的通信契約：

public interface AssessmentPlugin {
  // 回收設(shè)備流程
 public AssessmentOutput assess();
  // 將該插件注冊(cè)到插件中心
 public String register();
  // 從插件中心去注冊(cè)
 public String deregister();
}

public class AssessmentOutput {
  // 回收?qǐng)?bào)告，僅僅用于展示結(jié)構(gòu)給用戶看，核心系統(tǒng)無(wú)需了解該格式
 public String assessmentReport;
  // 用于標(biāo)識(shí)該設(shè)備是否可以在二手市場(chǎng)上重新售賣(mài)
 public Boolean resell;
  // 表示該設(shè)備的價(jià)值
 public Double value;
  // 表示推薦的售賣(mài)價(jià)格
 public Double resellPrice;
}

從該契約定義中可以看出，通信方式為本地接口調(diào)用（AssessmentPlugin接口）；它有著3個(gè)交互行為，assess()為回收設(shè)備流程、register()表示將該插件注冊(cè)到插件中心、deregister表示去注冊(cè)；數(shù)據(jù)格式則是AssessmentOutput類(lèi)，它定義了回收流程的結(jié)果。

架構(gòu)評(píng)分

微內(nèi)核架構(gòu)的架構(gòu)評(píng)分

和之前介紹的分層架構(gòu)、管道架構(gòu)一樣，微內(nèi)核架構(gòu)同樣屬于單體架構(gòu)，因此Simplicity和Overall cost是該架構(gòu)模式主要優(yōu)勢(shì)；而Elasticity、Fault tolerance和Scalability是主要劣勢(shì)。

另外，微內(nèi)核架構(gòu)的Testability、Deployability、Reliability、Modularity之所以能夠取得3顆星，得益于不同的功能能夠被拆分至獨(dú)立的插件上，特別地，運(yùn)行時(shí)插件的增刪無(wú)需重新部署系統(tǒng)。 這使得系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)需求變更，具備很高的擴(kuò)展性 。比如對(duì)于前面的電子設(shè)備回收系統(tǒng)，如果需要新增一種新的電子設(shè)備回收流程，只需新增一個(gè)插件即可；如果某種設(shè)備不再需要回收，則去除對(duì)應(yīng)插件即可。

微內(nèi)核架構(gòu)比較特別的一點(diǎn)是，它既可以是technically partitioned，也可以是domain partitioned，這取決于核心系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式，前文也有介紹。

總結(jié)

Robert C.Martin曾經(jīng)說(shuō)過(guò)， 軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)發(fā)展的歷史就是一個(gè)如何想方設(shè)法方便地增加插件，從而構(gòu)建一個(gè)可擴(kuò)展、可維護(hù)的系統(tǒng)架構(gòu)的故事 。在敏捷開(kāi)發(fā)的潮流之下，需求的變更如同家常便飯，系統(tǒng)不應(yīng)該因?yàn)槟骋徊糠职l(fā)生變更從而導(dǎo)致其他不相關(guān)的部分出現(xiàn)問(wèn)題。將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為微內(nèi)核架構(gòu)，就等于構(gòu)建起了一面變更無(wú)法逾越的防火墻，插件發(fā)生的變更就不會(huì)影響系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)邏輯。

微內(nèi)核架構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，能夠極大提升系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和健壯性 ，在其他的一些軟件方法論里，我們也隱約能看到它的影子。比如在領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，領(lǐng)域?qū)?/strong>就相當(dāng)于核心系統(tǒng)，它定義了系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)邏輯；基礎(chǔ)設(shè)施層則相當(dāng)于插件，切換不同的基礎(chǔ)設(shè)施并不會(huì)影響系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯，這得益于基礎(chǔ)設(shè)施層依賴倒置的設(shè)計(jì)原則。