CQRS: Komandu un vaicājumu atbildības sadalīšanas apgūšana

Pastāvīgi mainīgajā programmatūras arhitektūras pasaulē izstrādātāji nemitīgi meklē modeļus un prakses, kas veicina mērogojamību, uzturamību un veiktspēju. Viens no šādiem modeļiem, kas ir ieguvis ievērojamu popularitāti, ir CQRS (Command Query Responsibility Segregation — komandu un vaicājumu atbildības sadalīšana). Šis raksts sniedz visaptverošu ceļvedi par CQRS, izpētot tā principus, priekšrocības, ieviešanas stratēģijas un reālās pasaules pielietojumus.

Kas ir CQRS?

CQRS ir arhitektūras modelis, kas atdala datu krātuves lasīšanas un rakstīšanas operācijas. Tas iestājas par atšķirīgu modeļu izmantošanu komandu (operācijas, kas maina sistēmas stāvokli) un vaicājumu (operācijas, kas iegūst datus, nemainot stāvokli) apstrādei. Šī atdalīšana ļauj optimizēt katru modeli neatkarīgi, tādējādi uzlabojot veiktspēju, mērogojamību un drošību.

Tradicionālās arhitektūras bieži apvieno lasīšanas un rakstīšanas operācijas vienā modelī. Lai gan sākotnēji to ir vienkāršāk ieviest, šī pieeja var radīt vairākas problēmas, īpaši, ja sistēmas sarežģītība pieaug:

• Veiktspējas vājās vietas: Viens datu modelis var nebūt optimizēts gan lasīšanas, gan rakstīšanas operācijām. Sarežģīti vaicājumi var palēnināt rakstīšanas operācijas, un otrādi.
• Mērogojamības ierobežojumi: Monolītas datu krātuves mērogošana var būt sarežģīta un dārga.
• Datu konsekvences problēmas: Datu konsekvences uzturēšana visā sistēmā var kļūt sarežģīta, īpaši sadalītās vidēs.
• Sarežģīta domēna loģika: Lasīšanas un rakstīšanas operāciju apvienošana var novest pie sarežģīta un cieši saistīta koda, padarot to grūtāk uzturamu un attīstāmu.

CQRS risina šīs problēmas, ieviešot skaidru atbildību sadalīšanu, kas ļauj izstrādātājiem pielāgot katru modeli tā specifiskajām vajadzībām.

CQRS pamatprincipi

CQRS ir balstīts uz vairākiem galvenajiem principiem:

• Atbildību sadalīšana: Pamatprincips ir sadalīt komandu un vaicājumu atbildības atsevišķos modeļos.
• Neatkarīgi modeļi: Komandu un vaicājumu modeļus var ieviest, izmantojot dažādas datu struktūras, tehnoloģijas un pat fiziskas datu bāzes. Tas ļauj veikt neatkarīgu optimizāciju un mērogošanu.
• Datu sinhronizācija: Tā kā lasīšanas un rakstīšanas modeļi ir atdalīti, datu sinhronizācija ir ļoti svarīga. To parasti panāk, izmantojot asinhrono ziņojumapmaiņu vai notikumu avotošanu.
• Eventuālā konsekvence: CQRS bieži izmanto eventuālo konsekvenci, kas nozīmē, ka datu atjauninājumi var nebūt uzreiz redzami lasīšanas modelī. Tas ļauj uzlabot veiktspēju un mērogojamību, bet prasa rūpīgu potenciālās ietekmes uz lietotājiem izvērtēšanu.

CQRS priekšrocības

CQRS ieviešana var piedāvāt daudzas priekšrocības, tostarp:

• Uzlabota veiktspēja: Optimizējot lasīšanas un rakstīšanas modeļus neatkarīgi, CQRS var ievērojami uzlabot kopējo sistēmas veiktspēju. Lasīšanas modeļus var izveidot īpaši ātrai datu izgūšanai, savukārt rakstīšanas modeļi var koncentrēties uz efektīviem datu atjauninājumiem.
• Paplašināta mērogojamība: Lasīšanas un rakstīšanas modeļu atdalīšana ļauj veikt neatkarīgu mērogošanu. Var pievienot lasīšanas replikas, lai apstrādātu palielinātu vaicājumu slodzi, savukārt rakstīšanas operācijas var mērogot atsevišķi, izmantojot tādas metodes kā sadalīšana (sharding).
• Vienkāršota domēna loģika: CQRS var vienkāršot sarežģītu domēna loģiku, atdalot komandu apstrādi no vaicājumu apstrādes. Tas var novest pie uzturamāka un testējamāka koda.
• Palielināta elastība: Dažādu tehnoloģiju izmantošana lasīšanas un rakstīšanas modeļiem nodrošina lielāku elastību, izvēloties pareizos rīkus katram uzdevumam.
• Uzlabota drošība: Komandu modeli var izveidot ar stingrākiem drošības ierobežojumiem, savukārt lasīšanas modeli var optimizēt publiskai lietošanai.
• Labāka auditējamība: Apvienojumā ar notikumu avotošanu, CQRS nodrošina pilnīgu visu sistēmas stāvokļa izmaiņu audita pierakstu.

Kad izmantot CQRS

Lai gan CQRS piedāvā daudzas priekšrocības, tas nav universāls risinājums. Ir svarīgi rūpīgi apsvērt, vai CQRS ir pareizā izvēle konkrētam projektam. CQRS ir visizdevīgākais šādos scenārijos:

• Sarežģīti domēna modeļi: Sistēmas ar sarežģītiem domēna modeļiem, kas prasa dažādas datu reprezentācijas lasīšanas un rakstīšanas operācijām.
• Augsta lasīšanas/rakstīšanas attiecība: Lietojumprogrammas ar ievērojami lielāku lasīšanas apjomu nekā rakstīšanas apjomu.
• Mērogojamības prasības: Sistēmas, kurām nepieciešama augsta mērogojamība un veiktspēja.
• Integrācija ar notikumu avotošanu: Projekti, kuros plānots izmantot notikumu avotošanu datu saglabāšanai un auditēšanai.
• Neatkarīgas komandu atbildības: Situācijas, kurās dažādas komandas ir atbildīgas par lietojumprogrammas lasīšanas un rakstīšanas pusēm.

Un otrādi, CQRS var nebūt labākā izvēle vienkāršām CRUD lietojumprogrammām vai sistēmām ar zemām mērogojamības prasībām. Šādos gadījumos CQRS pievienotā sarežģītība var atsvērt tā priekšrocības.

CQRS ieviešana

CQRS ieviešana ietver vairākus galvenos komponentus:

• Komandas: Komandas atspoguļo nodomu mainīt sistēmas stāvokli. Tās parasti nosauc, izmantojot pavēles izteiksmes darbības vārdus (piemēram, `CreateCustomer`, `UpdateProduct`). Komandas tiek nosūtītas komandu apstrādātājiem izpildei.
• Komandu apstrādātāji: Komandu apstrādātāji ir atbildīgi par komandu izpildi. Tie parasti mijiedarbojas ar domēna modeli, lai atjauninātu sistēmas stāvokli.
• Vaicājumi: Vaicājumi atspoguļo datu pieprasījumus. Tos parasti nosauc, izmantojot aprakstošus lietvārdus (piemēram, `GetCustomerById`, `ListProducts`). Vaicājumi tiek nosūtīti vaicājumu apstrādātājiem izpildei.
• Vaicājumu apstrādātāji: Vaicājumu apstrādātāji ir atbildīgi par datu izgūšanu. Tie parasti mijiedarbojas ar lasīšanas modeli, lai apmierinātu vaicājumu.
• Komandu maģistrāle: Komandu maģistrāle ir starpnieks, kas novirza komandas uz atbilstošo komandu apstrādātāju.
• Vaicājumu maģistrāle: Vaicājumu maģistrāle ir starpnieks, kas novirza vaicājumus uz atbilstošo vaicājumu apstrādātāju.
• Lasīšanas modelis: Lasīšanas modelis ir datu krātuve, kas optimizēta lasīšanas operācijām. Tas var būt denormalizēts datu skats, kas īpaši izstrādāts vaicājumu veiktspējai.
• Rakstīšanas modelis: Rakstīšanas modelis ir domēna modelis, ko izmanto sistēmas stāvokļa atjaunināšanai. Tas parasti ir normalizēts un optimizēts rakstīšanas operācijām.
• Notikumu maģistrāle (pēc izvēles): Notikumu maģistrāli izmanto, lai publicētu domēna notikumus, kurus var patērēt citas sistēmas daļas, ieskaitot lasīšanas modeli.

Piemērs: E-komercijas lietojumprogramma

Apsveriet e-komercijas lietojumprogrammu. Tradicionālā arhitektūrā viena `Product` entītija varētu tikt izmantota gan produktu informācijas attēlošanai, gan produktu detaļu atjaunināšanai.

CQRS implementācijā mēs atdalītu lasīšanas un rakstīšanas modeļus:

• Komandu modelis:
• `CreateProductCommand`: Satur informāciju, kas nepieciešama jauna produkta izveidei.
• `UpdateProductPriceCommand`: Satur produkta ID un jauno cenu.
• `CreateProductCommandHandler`: Apstrādā `CreateProductCommand`, izveidojot jaunu `Product` agregātu rakstīšanas modelī.
• `UpdateProductPriceCommandHandler`: Apstrādā `UpdateProductPriceCommand`, atjauninot produkta cenu rakstīšanas modelī.
• Vaicājumu modelis:
• `GetProductDetailsQuery`: Satur produkta ID.
• `ListProductsQuery`: Satur filtrēšanas un lapošanas parametrus.
• `GetProductDetailsQueryHandler`: Iegūst produkta detaļas no lasīšanas modeļa, kas optimizēts attēlošanai.
• `ListProductsQueryHandler`: Iegūst produktu sarakstu no lasīšanas modeļa, piemērojot norādītos filtrus un lapošanu.

Lasīšanas modelis varētu būt denormalizēts produktu datu skats, kas satur tikai attēlošanai nepieciešamo informāciju, piemēram, produkta nosaukumu, aprakstu, cenu un attēlus. Tas ļauj ātri izgūt produktu detaļas, neveicot savienojumus starp vairākām tabulām.

Kad tiek izpildīta `CreateProductCommand`, `CreateProductCommandHandler` izveido jaunu `Product` agregātu rakstīšanas modelī. Šis agregāts pēc tam izraisa `ProductCreatedEvent` notikumu, kas tiek publicēts notikumu maģistrālē. Atsevišķs process abonē šo notikumu un attiecīgi atjaunina lasīšanas modeli.

Datu sinhronizācijas stratēģijas

Var izmantot vairākas stratēģijas, lai sinhronizētu datus starp rakstīšanas un lasīšanas modeļiem:

• Notikumu avotošana: Notikumu avotošana saglabā lietojumprogrammas stāvokli kā notikumu secību. Lasīšanas modelis tiek veidots, atkārtojot šos notikumus. Šī pieeja nodrošina pilnīgu audita pierakstu un ļauj atjaunot lasīšanas modeli no nulles.
• Asinhronā ziņojumapmaiņa: Asinhronā ziņojumapmaiņa ietver notikumu publicēšanu ziņojumu rindā vai brokerī. Lasīšanas modelis abonē šos notikumus un attiecīgi atjaunina sevi. Šī pieeja nodrošina vāju sasaisti starp rakstīšanas un lasīšanas modeļiem.
• Datu bāzes replicēšana: Datu bāzes replicēšana ietver datu replicēšanu no rakstīšanas datu bāzes uz lasīšanas datu bāzi. Šī pieeja ir vienkāršāk īstenojama, bet var radīt latentuma un konsekvences problēmas.

CQRS un notikumu avotošana

CQRS un notikumu avotošana bieži tiek izmantoti kopā, jo tie labi papildina viens otru. Notikumu avotošana nodrošina dabisku veidu, kā saglabāt rakstīšanas modeli un ģenerēt notikumus lasīšanas modeļa atjaunināšanai. Apvienojumā CQRS un notikumu avotošana piedāvā vairākas priekšrocības:

• Pilnīgs audita pieraksts: Notikumu avotošana nodrošina pilnīgu visu sistēmas stāvokļa izmaiņu audita pierakstu.
• Laika ceļojumu atkļūdošana: Notikumu avotošana ļauj atkārtot notikumus, lai rekonstruētu sistēmas stāvokli jebkurā laika brīdī. Tas var būt nenovērtējami atkļūdošanai un auditēšanai.
• Temporālie vaicājumi: Notikumu avotošana nodrošina temporālos vaicājumus, kas ļauj vaicāt sistēmas stāvokli, kāds tas pastāvēja noteiktā laika brīdī.
• Vienkārša lasīšanas modeļa atjaunošana: Lasīšanas modeli var viegli atjaunot no nulles, atkārtojot notikumus.

Tomēr notikumu avotošana arī palielina sistēmas sarežģītību. Tā prasa rūpīgu notikumu versiju veidošanas, shēmas evolūcijas un notikumu glabāšanas apsvēršanu.

CQRS mikropakalpojumu arhitektūrā

CQRS dabiski iederas mikropakalpojumu arhitektūrā. Katrs mikropakalpojums var ieviest CQRS neatkarīgi, ļaujot optimizēt lasīšanas un rakstīšanas modeļus katrā pakalpojumā. Tas veicina vāju sasaisti, mērogojamību un neatkarīgu izvietošanu.

Mikropakalpojumu arhitektūrā notikumu maģistrāle bieži tiek īstenota, izmantojot sadalītu ziņojumu rindu, piemēram, Apache Kafka vai RabbitMQ. Tas nodrošina asinhronu saziņu starp mikropakalpojumiem un nodrošina notikumu uzticamu piegādi.

Piemērs: Globāla e-komercijas platforma

Apsveriet globālu e-komercijas platformu, kas veidota, izmantojot mikropakalpojumus. Katrs mikropakalpojums var būt atbildīgs par noteiktu domēna jomu, piemēram:

• Produktu katalogs: Pārvalda produktu informāciju, ieskaitot nosaukumu, aprakstu, cenu un attēlus.
• Pasūtījumu pārvaldība: Pārvalda pasūtījumus, ieskaitot izveidi, apstrādi un izpildi.
• Klientu pārvaldība: Pārvalda klientu informāciju, ieskaitot profilus, adreses un maksājumu metodes.
• Inventāra pārvaldība: Pārvalda krājumu līmeņus un pieejamību.

Katrs no šiem mikropakalpojumiem var ieviest CQRS neatkarīgi. Piemēram, Produktu kataloga mikropakalpojumam var būt atsevišķi lasīšanas un rakstīšanas modeļi produktu informācijai. Rakstīšanas modelis varētu būt normalizēta datu bāze, kas satur visus produktu atribūtus, savukārt lasīšanas modelis varētu būt denormalizēts skats, kas optimizēts produktu detaļu attēlošanai vietnē.

Kad tiek izveidots jauns produkts, Produktu kataloga mikropakalpojums publicē `ProductCreatedEvent` ziņojumu rindā. Pasūtījumu pārvaldības mikropakalpojums abonē šo notikumu un atjaunina savu vietējo lasīšanas modeli, lai iekļautu jauno produktu pasūtījumu kopsavilkumos. Līdzīgi, Klientu pārvaldības mikropakalpojums varētu abonēt `ProductCreatedEvent`, lai personalizētu produktu ieteikumus klientiem.

CQRS izaicinājumi

Lai gan CQRS piedāvā daudzas priekšrocības, tas rada arī vairākus izaicinājumus:

• Palielināta sarežģītība: CQRS pievieno sarežģītību sistēmas arhitektūrai. Tas prasa rūpīgu plānošanu un projektēšanu, lai nodrošinātu, ka lasīšanas un rakstīšanas modeļi ir pareizi sinhronizēti.
• Eventuālā konsekvence: CQRS bieži izmanto eventuālo konsekvenci, kas var būt izaicinājums lietotājiem, kuri sagaida tūlītējus datu atjauninājumus.
• Datu sinhronizācija: Datu sinhronizācijas uzturēšana starp lasīšanas un rakstīšanas modeļiem var būt sarežģīta un prasa rūpīgu potenciālo datu neatbilstību apsvēršanu.
• Infrastruktūras prasības: CQRS bieži prasa papildu infrastruktūru, piemēram, ziņojumu rindas un notikumu krātuves.
• Mācīšanās līkne: Izstrādātājiem ir jāapgūst jauni jēdzieni un metodes, lai efektīvi ieviestu CQRS.

Labākās prakses CQRS

Lai veiksmīgi ieviestu CQRS, ir svarīgi ievērot šīs labākās prakses:

• Sāciet vienkārši: Nemēģiniet ieviest CQRS visur uzreiz. Sāciet ar nelielu, izolētu sistēmas daļu un pakāpeniski paplašiniet tā izmantošanu pēc nepieciešamības.
• Koncentrējieties uz biznesa vērtību: Izvēlieties sistēmas jomas, kurās CQRS var sniegt vislielāko biznesa vērtību.
• Izmantojiet notikumu avotošanu pārdomāti: Notikumu avotošana var būt spēcīgs rīks, bet tas arī pievieno sarežģītību. Izmantojiet to tikai tad, ja ieguvumi atsver izmaksas.
• Uzraugiet un mēriet: Uzraugiet lasīšanas un rakstīšanas modeļu veiktspēju un veiciet pielāgojumus pēc nepieciešamības.
• Automatizējiet datu sinhronizāciju: Automatizējiet datu sinhronizācijas procesu starp lasīšanas un rakstīšanas modeļiem, lai samazinātu datu neatbilstību potenciālu.
• Komunicējiet skaidri: Informējiet lietotājus par eventuālās konsekvences ietekmi.
• Rūpīgi dokumentējiet: Rūpīgi dokumentējiet CQRS implementāciju, lai nodrošinātu, ka citi izstrādātāji to var saprast un uzturēt.

CQRS rīki un ietvari

Vairāki rīki un ietvari var palīdzēt vienkāršot CQRS implementāciju:

• MediatR (C#): Vienkārša starpnieka implementācija .NET, kas atbalsta komandas, vaicājumus un notikumus.
• Axon Framework (Java): Visaptverošs ietvars CQRS un uz notikumiem balstītu lietojumprogrammu veidošanai.
• Broadway (PHP): CQRS un notikumu avotošanas bibliotēka PHP.
• EventStoreDB: Speciāli veidota datu bāze notikumu avotošanai.
• Apache Kafka: Sadalīta straumēšanas platforma, ko var izmantot kā notikumu maģistrāli.
• RabbitMQ: Ziņojumu brokeris, ko var izmantot asinhronai saziņai starp mikropakalpojumiem.

Reālās pasaules CQRS piemēri

Daudzas lielas organizācijas izmanto CQRS, lai veidotu mērogojamas un uzturamas sistēmas. Šeit ir daži piemēri:

• Netflix: Netflix plaši izmanto CQRS, lai pārvaldītu savu plašo filmu un TV šovu katalogu.
• Amazon: Amazon izmanto CQRS savā e-komercijas platformā, lai apstrādātu lielu transakciju apjomu un sarežģītu biznesa loģiku.
• LinkedIn: LinkedIn izmanto CQRS savā sociālā tīkla platformā, lai pārvaldītu lietotāju profilus un savienojumus.
• Microsoft: Microsoft izmanto CQRS savos mākoņpakalpojumos, piemēram, Azure un Office 365.

Šie piemēri parāda, ka CQRS var veiksmīgi pielietot plašam lietojumprogrammu klāstam, sākot no e-komercijas platformām līdz sociālo tīklu vietnēm.

Noslēgums

CQRS ir spēcīgs arhitektūras modelis, kas var ievērojami uzlabot sarežģītu sistēmu mērogojamību, uzturamību un veiktspēju. Atdalot lasīšanas un rakstīšanas operācijas atsevišķos modeļos, CQRS ļauj veikt neatkarīgu optimizāciju un mērogošanu. Lai gan CQRS rada papildu sarežģītību, daudzos scenārijos ieguvumi var atsvērt izmaksas. Izprotot CQRS principus, priekšrocības un izaicinājumus, izstrādātāji var pieņemt pamatotus lēmumus par to, kad un kā piemērot šo modeli saviem projektiem.

Neatkarīgi no tā, vai veidojat mikropakalpojumu arhitektūru, sarežģītu domēna modeli vai augstas veiktspējas lietojumprogrammu, CQRS var būt vērtīgs rīks jūsu arhitektūras arsenālā. Pielietojot CQRS un ar to saistītos modeļus, jūs varat veidot sistēmas, kas ir mērogojamākas, uzturamākas un noturīgākas pret izmaiņām.

Papildu materiāli

• Martina Foulera raksts par CQRS: https://martinfowler.com/bliki/CQRS.html
• Grega Janga CQRS dokumenti: Tos var atrast, meklējot "Greg Young CQRS".
• Microsoft dokumentācija: Meklējiet CQRS un mikropakalpojumu arhitektūras vadlīnijas Microsoft Docs.

Šī CQRS izpēte piedāvā stabilu pamatu šī spēcīgā arhitektūras modeļa izpratnei un ieviešanai. Atcerieties apsvērt sava projekta specifiskās vajadzības un kontekstu, lemjot, vai pieņemt CQRS. Veiksmi jūsu arhitektūras ceļojumā!