CQRS: Опанування розподілу відповідальності між командами та запитами

У світі архітектури програмного забезпечення, що постійно розвивається, розробники невпинно шукають патерни та практики, які сприяють масштабованості, підтримуваності та продуктивності. Одним із таких патернів, що набув значної популярності, є CQRS (Command Query Responsibility Segregation — розподіл відповідальності між командами та запитами). Ця стаття є вичерпним посібником з CQRS, що розглядає його принципи, переваги, стратегії впровадження та застосування в реальному світі.

Що таке CQRS?

CQRS — це архітектурний патерн, який розділяє операції читання та запису для сховища даних. Він пропагує використання окремих моделей для обробки команд (операцій, що змінюють стан системи) та запитів (операцій, що отримують дані без зміни стану). Таке розділення дозволяє оптимізувати кожну модель незалежно, що призводить до покращення продуктивності, масштабованості та безпеки.

Традиційні архітектури часто поєднують операції читання та запису в одній моделі. Хоча такий підхід простіший у початковій реалізації, він може призвести до кількох проблем, особливо коли система стає складнішою:

• Вузькі місця у продуктивності: Єдина модель даних може бути не оптимізована одночасно для операцій читання та запису. Складні запити можуть сповільнювати операції запису, і навпаки.
• Обмеження масштабованості: Масштабування монолітного сховища даних може бути складним і дорогим.
• Проблеми з узгодженістю даних: Підтримка узгодженості даних у всій системі може стати складною, особливо в розподілених середовищах.
• Складна доменна логіка: Поєднання операцій читання та запису може призвести до складного та сильно зв'язаного коду, який важче підтримувати та розвивати.

CQRS вирішує ці проблеми, запроваджуючи чітке розділення відповідальностей, що дозволяє розробникам налаштовувати кожну модель відповідно до її конкретних потреб.

Основні принципи CQRS

CQRS базується на кількох ключових принципах:

• Розділення відповідальностей: Фундаментальний принцип полягає у розділенні відповідальностей за команди та запити на окремі моделі.
• Незалежні моделі: Моделі команд та запитів можуть бути реалізовані з використанням різних структур даних, технологій і навіть фізичних баз даних. Це дозволяє здійснювати незалежну оптимізацію та масштабування.
• Синхронізація даних: Оскільки моделі читання та запису розділені, синхронізація даних є надзвичайно важливою. Зазвичай це досягається за допомогою асинхронного обміну повідомленнями або джерела подій (event sourcing).
• Зрештою узгодженість (Eventual Consistency): CQRS часто використовує концепцію зрештою узгодженості, що означає, що оновлення даних можуть не відразу відображатися в моделі читання. Це дозволяє підвищити продуктивність та масштабованість, але вимагає ретельного розгляду потенційного впливу на користувачів.

Переваги CQRS

Впровадження CQRS може надати численні переваги, зокрема:

• Покращена продуктивність: Завдяки незалежній оптимізації моделей читання та запису, CQRS може значно підвищити загальну продуктивність системи. Моделі читання можуть бути розроблені спеціально для швидкого отримання даних, тоді як моделі запису можуть зосереджуватися на ефективному оновленні даних.
• Підвищена масштабованість: Розділення моделей читання та запису дозволяє незалежне масштабування. Можна додавати репліки для читання, щоб впоратися зі збільшеним навантаженням на запити, тоді як операції запису можна масштабувати окремо за допомогою таких технік, як шардинг.
• Спрощена доменна логіка: CQRS може спростити складну доменну логіку, відокремивши обробку команд від обробки запитів. Це може призвести до коду, який легше підтримувати та тестувати.
• Збільшена гнучкість: Використання різних технологій для моделей читання та запису надає більшу гнучкість у виборі правильних інструментів для кожного завдання.
• Покращена безпека: Модель команд може бути розроблена з суворішими обмеженнями безпеки, тоді як модель читання може бути оптимізована для публічного доступу.
• Кращий аудит: У поєднанні з джерелом подій CQRS забезпечує повний журнал аудиту всіх змін стану системи.

Коли варто використовувати CQRS

Хоча CQRS пропонує багато переваг, це не є універсальним рішенням. Важливо ретельно зважити, чи є CQRS правильним вибором для конкретного проєкту. CQRS є найбільш корисним у таких сценаріях:

• Складні доменні моделі: Системи зі складними доменними моделями, які вимагають різного представлення даних для операцій читання та запису.
• Високе співвідношення читання/запису: Застосунки зі значно вищим обсягом операцій читання, ніж запису.
• Вимоги до масштабованості: Системи, що вимагають високої масштабованості та продуктивності.
• Інтеграція з джерелом подій (Event Sourcing): Проєкти, які планують використовувати джерело подій для збереження даних та аудиту.
• Незалежні обов'язки команд: Ситуації, коли різні команди відповідають за сторони читання та запису застосунку.

І навпаки, CQRS може бути не найкращим вибором для простих CRUD-застосунків або систем з низькими вимогами до масштабованості. Додаткова складність CQRS у таких випадках може переважити його переваги.

Реалізація CQRS

Реалізація CQRS включає кілька ключових компонентів:

• Команди: Команди представляють намір змінити стан системи. Зазвичай вони називаються за допомогою наказових дієслів (наприклад, `CreateCustomer`, `UpdateProduct`). Команди відправляються до обробників команд для виконання.
• Обробники команд: Обробники команд відповідають за виконання команд. Зазвичай вони взаємодіють з доменною моделлю для оновлення стану системи.
• Запити: Запити представляють запит на отримання даних. Зазвичай вони називаються за допомогою описових іменників (наприклад, `GetCustomerById`, `ListProducts`). Запити відправляються до обробників запитів для виконання.
• Обробники запитів: Обробники запитів відповідають за отримання даних. Зазвичай вони взаємодіють з моделлю читання для задоволення запиту.
• Шина команд (Command Bus): Шина команд — це посередник, який направляє команди до відповідного обробника команд.
• Шина запитів (Query Bus): Шина запитів — це посередник, який направляє запити до відповідного обробника запитів.
• Модель читання (Read Model): Модель читання — це сховище даних, оптимізоване для операцій читання. Це може бути денормалізоване представлення даних, спеціально розроблене для швидкості виконання запитів.
• Модель запису (Write Model): Модель запису — це доменна модель, яка використовується для оновлення стану системи. Зазвичай вона є нормалізованою та оптимізованою для операцій запису.
• Шина подій (Event Bus) (опційно): Шина подій використовується для публікації доменних подій, які можуть бути спожиті іншими частинами системи, включаючи модель читання.

Приклад: Застосунок для електронної комерції

Розглянемо застосунок для електронної комерції. У традиційній архітектурі одна сутність `Product` може використовуватися як для відображення інформації про товар, так і для оновлення його деталей.

У реалізації CQRS ми б розділили моделі читання та запису:

• Модель команд:
• `CreateProductCommand`: Містить інформацію, необхідну для створення нового товару.
• `UpdateProductPriceCommand`: Містить ідентифікатор товару та нову ціну.
• `CreateProductCommandHandler`: Обробляє `CreateProductCommand`, створюючи новий агрегат `Product` у моделі запису.
• `UpdateProductPriceCommandHandler`: Обробляє `UpdateProductPriceCommand`, оновлюючи ціну товару в моделі запису.
• Модель запитів:
• `GetProductDetailsQuery`: Містить ідентифікатор товару.
• `ListProductsQuery`: Містить параметри фільтрації та пагінації.
• `GetProductDetailsQueryHandler`: Отримує деталі товару з моделі читання, оптимізованої для відображення.
• `ListProductsQueryHandler`: Отримує список товарів з моделі читання, застосовуючи вказані фільтри та пагінацію.

Модель читання може бути денормалізованим представленням даних про товар, що містить лише інформацію, необхідну для відображення, таку як назва товару, опис, ціна та зображення. Це дозволяє швидко отримувати деталі товару без необхідності об'єднувати кілька таблиць.

Коли виконується `CreateProductCommand`, `CreateProductCommandHandler` створює новий агрегат `Product` у моделі запису. Цей агрегат потім генерує подію `ProductCreatedEvent`, яка публікується в шині подій. Окремий процес підписується на цю подію та відповідно оновлює модель читання.

Стратегії синхронізації даних

Для синхронізації даних між моделями запису та читання можна використовувати кілька стратегій:

• Джерело подій (Event Sourcing): Джерело подій зберігає стан застосунку як послідовність подій. Модель читання будується шляхом відтворення цих подій. Цей підхід забезпечує повний журнал аудиту і дозволяє відновлювати модель читання з нуля.
• Асинхронний обмін повідомленнями: Асинхронний обмін повідомленнями передбачає публікацію подій у чергу повідомлень або брокер. Модель читання підписується на ці події та оновлюється відповідно. Цей підхід забезпечує слабку зв'язаність між моделями запису та читання.
• Реплікація бази даних: Реплікація бази даних передбачає копіювання даних з бази даних для запису в базу даних для читання. Цей підхід простіший у реалізації, але може створювати затримки та проблеми з узгодженістю.

CQRS та джерело подій (Event Sourcing)

CQRS та джерело подій часто використовуються разом, оскільки вони добре доповнюють один одного. Джерело подій надає природний спосіб зберігання моделі запису та генерації подій для оновлення моделі читання. У поєднанні CQRS та джерело подій пропонують кілька переваг:

• Повний журнал аудиту: Джерело подій забезпечує повний журнал аудиту всіх змін стану системи.
• Налагодження у часі (Time Travel Debugging): Джерело подій дозволяє відтворювати події для відновлення стану системи в будь-який момент часу. Це може бути неоціненним для налагодження та аудиту.
• Часові запити (Temporal Queries): Джерело подій уможливлює часові запити, які дозволяють запитувати стан системи, яким він був на певний момент часу.
• Легке відновлення моделі читання: Модель читання можна легко відновити з нуля, відтворивши події.

Однак джерело подій також додає складності системі. Воно вимагає ретельного розгляду версіонування подій, еволюції схеми та зберігання подій.

CQRS в архітектурі мікросервісів

CQRS природно вписується в архітектуру мікросервісів. Кожен мікросервіс може реалізовувати CQRS незалежно, що дозволяє оптимізувати моделі читання та запису в межах кожного сервісу. Це сприяє слабкій зв'язаності, масштабованості та незалежному розгортанню.

В архітектурі мікросервісів шина подій часто реалізується за допомогою розподіленої черги повідомлень, такої як Apache Kafka або RabbitMQ. Це дозволяє здійснювати асинхронну комунікацію між мікросервісами та гарантує надійну доставку подій.

Приклад: Глобальна платформа електронної комерції

Розглянемо глобальну платформу електронної комерції, побудовану на основі мікросервісів. Кожен мікросервіс може відповідати за певну доменну область, наприклад:

• Каталог товарів: Керує інформацією про товари, включаючи назву, опис, ціну та зображення.
• Управління замовленнями: Керує замовленнями, включаючи створення, обробку та виконання.
• Управління клієнтами: Керує інформацією про клієнтів, включаючи профілі, адреси та способи оплати.
• Управління запасами: Керує рівнем запасів та наявністю товару на складі.

Кожен з цих мікросервісів може реалізовувати CQRS незалежно. Наприклад, мікросервіс каталогу товарів може мати окремі моделі читання та запису для інформації про товари. Модель запису може бути нормалізованою базою даних, що містить усі атрибути товару, тоді як модель читання може бути денормалізованим представленням, оптимізованим для відображення деталей товару на веб-сайті.

Коли створюється новий товар, мікросервіс каталогу товарів публікує `ProductCreatedEvent` у чергу повідомлень. Мікросервіс управління замовленнями підписується на цю подію та оновлює свою локальну модель читання, щоб включити новий товар у зведення замовлень. Аналогічно, мікросервіс управління клієнтами може підписатися на `ProductCreatedEvent`, щоб персоналізувати рекомендації товарів для клієнтів.

Виклики CQRS

Хоча CQRS пропонує багато переваг, він також створює кілька викликів:

• Підвищена складність: CQRS додає складності архітектурі системи. Він вимагає ретельного планування та проєктування, щоб забезпечити належну синхронізацію моделей читання та запису.
• Зрештою узгодженість: CQRS часто використовує концепцію зрештою узгодженості, що може бути складним для користувачів, які очікують негайного оновлення даних.
• Синхронізація даних: Підтримка синхронізації даних між моделями читання та запису може бути складною і вимагає ретельного розгляду потенціалу для неузгодженості даних.
• Вимоги до інфраструктури: CQRS часто вимагає додаткової інфраструктури, такої як черги повідомлень та сховища подій.
• Крива навчання: Розробникам потрібно вивчити нові концепції та техніки для ефективної реалізації CQRS.

Найкращі практики для CQRS

Щоб успішно впровадити CQRS, важливо дотримуватися цих найкращих практик:

• Починайте з простого: Не намагайтеся впровадити CQRS всюди відразу. Почніть з невеликої, ізольованої області системи та поступово розширюйте його використання за потребою.
• Зосередьтеся на бізнес-цінності: Обирайте ті області системи, де CQRS може принести найбільшу бізнес-цінність.
• Використовуйте джерело подій розумно: Джерело подій може бути потужним інструментом, але воно також додає складності. Використовуйте його лише тоді, коли переваги переважують витрати.
• Моніторте та вимірюйте: Слідкуйте за продуктивністю моделей читання та запису та вносьте корективи за потребою.
• Автоматизуйте синхронізацію даних: Автоматизуйте процес синхронізації даних між моделями читання та запису, щоб мінімізувати потенціал для неузгодженості даних.
• Чітко комунікуйте: Пояснюйте користувачам наслідки зрештою узгодженості.
• Ретельно документуйте: Ретельно документуйте реалізацію CQRS, щоб інші розробники могли її зрозуміти та підтримувати.

Інструменти та фреймворки для CQRS

Кілька інструментів та фреймворків можуть допомогти спростити реалізацію CQRS:

• MediatR (C#): Проста реалізація посередника для .NET, яка підтримує команди, запити та події.
• Axon Framework (Java): Комплексний фреймворк для створення застосунків на основі CQRS та джерела подій.
• Broadway (PHP): Бібліотека для CQRS та джерела подій для PHP.
• EventStoreDB: Спеціалізована база даних для джерела подій.
• Apache Kafka: Розподілена стрімінгова платформа, яка може використовуватися як шина подій.
• RabbitMQ: Брокер повідомлень, який може використовуватися для асинхронної комунікації між мікросервісами.

Реальні приклади використання CQRS

Багато великих організацій використовують CQRS для створення масштабованих систем, що легко підтримувати. Ось кілька прикладів:

• Netflix: Netflix широко використовує CQRS для управління своїм величезним каталогом фільмів та телешоу.
• Amazon: Amazon використовує CQRS у своїй платформі електронної комерції для обробки великих обсягів транзакцій та складної бізнес-логіки.
• LinkedIn: LinkedIn використовує CQRS у своїй соціальній мережі для управління профілями користувачів та зв'язками.
• Microsoft: Microsoft використовує CQRS у своїх хмарних сервісах, таких як Azure та Office 365.

Ці приклади демонструють, що CQRS можна успішно застосовувати до широкого спектра застосунків, від платформ електронної комерції до соціальних мереж.

Висновок

CQRS — це потужний архітектурний патерн, який може значно покращити масштабованість, підтримуваність та продуктивність складних систем. Розділяючи операції читання та запису на окремі моделі, CQRS дозволяє здійснювати незалежну оптимізацію та масштабування. Хоча CQRS додає складності, у багатьох сценаріях переваги можуть переважити витрати. Розуміючи принципи, переваги та виклики CQRS, розробники можуть приймати обґрунтовані рішення про те, коли і як застосовувати цей патерн у своїх проєктах.

Незалежно від того, чи ви будуєте архітектуру мікросервісів, складну доменну модель або високопродуктивний застосунок, CQRS може стати цінним інструментом у вашому архітектурному арсеналі. Застосовуючи CQRS та пов'язані з ним патерни, ви можете створювати системи, які є більш масштабованими, підтримуваними та стійкими до змін.

Подальше вивчення

• Стаття Мартіна Фаулера про CQRS: https://martinfowler.com/bliki/CQRS.html
• Документи Грега Янга про CQRS: Їх можна знайти, здійснивши пошук за запитом "Greg Young CQRS".
• Документація Microsoft: Шукайте рекомендації щодо архітектури CQRS та мікросервісів на Microsoft Docs.

Це дослідження CQRS пропонує міцну основу для розуміння та впровадження цього потужного архітектурного патерну. Не забувайте враховувати конкретні потреби та контекст вашого проєкту, вирішуючи, чи варто впроваджувати CQRS. Успіхів у вашій архітектурній подорожі!