万字详解微服务世纪难题：如何平滑拆分单体？

徐强,张均杰,黄威 2024-01-18 10:35:39

 

一、背景

 

部门中维护了一个老系统，功能都耦合在一个单体应用中(300+接口)，表也放在同一个库中(200+表)，导致系统存在很多风险和缺陷。经常出现问题：如数据库的单点、性能问题，应用的扩展受限，复杂性高等问题。

 

从下图可见。各业务相互耦合无明确边界，调用关系错综复杂。

 

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随着业务快速发展，各种问题越来越明显，急需对系统进行微服务改造优化。经过思考，整体改造将分为三个阶段进行：

 

  • 数据库拆分：数据库按照业务垂直拆分。

  • 应用拆分：应用按照业务垂直拆分。

  • 数据访问权限收口：数据权限按照各自业务领域，归属到各自的应用，应用与数据库一对一，禁止交叉访问。

 

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二、数据库拆分

 

单体数据库的痛点：未进行业务隔离，一个慢SQL易导致系统整体出现问题；读写压力大，性能下降；

 

 
1.数据库改造

 

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根据业务划分，我们计划将数据库拆分为9个业务库。数据同步方式采用主从复制的方式，我们提前整理好表和新数据库的对应关系交给运维同学，运维同学通过binlog过滤将对应的表和数据同步到对应的新数据库中，每个新数据库中只包含自己业务的表。

 

 
2.代码改造方案

 

如果一个接口中操作了多张表，之前这些表属于同一个库，数据库拆分后可能会分属于不同的库。所以需要针对代码进行相应的改造。

 

1）目前存在问题的位置：

 

  • 数据源选择：系统之前是支持多数据源切换的，在service上添加注解来选择数据源。数据库拆分后出现的情况是同一个service中操作的多个mapper从属于不同的库。

  • 事务：事务注解目前是存在于service上的，并且事务会缓存数据库链接，一个事务内不支持同时操作多个数据库。

 

2）改造点梳理：

 

  • 同时写入多个库，且是同一事务的接口6个：需改造数据源，需改造事务，需要关注分布式事务；

  • 同时写入多个库，且不是同一事务的接口50+：需改造数据源，需改造事务，无需关注分布式事务；

  • 同时读取多个库 或 读取一个库写入另一个库的接口200+：需改造数据源，但无需关注事务；

  • 涉及多个库的表的联合查询8个：需进行代码逻辑改造

 

3）梳理方式：

 

采用部门中的切面工具，抓取入口和表的调用关系（可识别表的读/写操作），找到一个接口中操作了多个表，并且多个表分属于不同业务库的情况；

 

4）分布式事务：

 

进行应用拆分和数据访问权限收口之后，是不存在分布式事务的问题的，因为操作第二个库会调用对应系统的RPC接口进行操作。所以本次不会正式支持分布式事务，而是采用代码逻辑保证一致性的方式来解决；

 

方案一

 

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将service中分别操作多个库的mapper，抽取成多个Service。分别添加切换数据源注解和事务注解。

 

问题：改动位置多，涉及改动的每个方法都需要梳理历史业务；service存在很多嵌套调用的情况，有时难以理清逻辑；修改200+位置改动工作量大，风险高；

 

方案二

 

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如图所示，方案二将数据源注解移动到Mapper上，并使用自定义的事务实现来处理事务。

 

将多数据源注解放到Mapper上的好处是，不需要梳理代码逻辑，只需要在Mapper上添加对应数据源名称即可。但是这样又有新的问题出现，

 

问题1：如上图，事务的是配置在Service层，当事务开启时，数据源的连接并没有获取到，因为真正的数据源配置在Mapper上。所以会报错，这个错误可以通过多数据源组件的默认数据源功能解决。

 

问题2：mybatis的事务实现会缓存数据库链接。当第一次缓存了数据库链接后，后续配置在mapper上的数据源注解并不会重新获取数据库链接，而是直接使用缓存起来的数据库链接。如果后续的mapper要操作其余数据库，会出现找不到表的情况。鉴于以上问题，我们开发了一个自定义的事务实现类，用来解决这个问题。

 

下面将对方案中出现的两个组件进行简要说明原理。

 

 
3.多数据源组件

 

多数据源组件是单个应用连接多个数据源时使用的工具，其核心原理是通过配置文件将数据库链接在程序启动时初始化好，在执行到存在注解的方法时，通过切面获取当前的数据源名称来切换数据源，当一次调用涉及多个数据源时，会利用栈的特性解决数据源嵌套的问题。

 

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/** * 切面方法 */public Object switchDataSourceAroundAdvice(ProceedingJoinPoint pjp) throws Throwable {        //获取数据源的名字        String dsName = getDataSourceName(pjp);        boolean dataSourceSwitched = false;        if (StringUtils.isNotEmpty(dsName)                && !StringUtils.equals(dsName, StackRoutingDataSource.getCurrentTargetKey())) {            // 见下一段代码            StackRoutingDataSource.setTargetDs(dsName);            dataSourceSwitched = true;        }        try {            // 执行切面方法            return pjp.proceed();        } catch (Throwable e) {            throw e;        } finally {            if (dataSourceSwitched) {                StackRoutingDataSource.clear();            }        }    }

 

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public static void setTargetDs(String dbName) {    if (dbName == null) { throw new NullPointerException();    }    if (contextHolder.get() == null) {        contextHolder.set(new Stack<String>());    }    contextHolder.get().push(dbName);    log.debug("set current datasource is " + dbName);}

 

StackRoutingDataSource继承 AbstractRoutingDataSource类，AbstractRoutingDataSource是spring-jdbc包提供的一个了AbstractDataSource的抽象类，它实现了DataSource接口的用于获取数据库链接的方法。

 

 
4.自定义事务实现

 

从方案二的图中可以看到默认的事务实现使用的是mybatis的SpringManagedTransaction。

 

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如上图，Transaction和SpringManagedTransaction都是mybatis提供的类，他提供了接口供SqlSession使用，处理事务操作。通过下边的一段代码可以看到，事务对象中存在connection变量，首次获得数据库链接后，后续当前事务内的所有数据库操作都不会重新获取数据库链接，而是会使用现有的数据库链接，从而无法支持跨库操作。

 

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public class SpringManagedTransaction implements Transaction {
  private static final Log LOGGER = LogFactory.getLog(SpringManagedTransaction.class);
  private final DataSource dataSource;
  private Connection connection;
  private boolean isConnectionTransactional;
  private boolean autoCommit;
  public SpringManagedTransaction(DataSource dataSource) {    notNull(dataSource, "No DataSource specified");    this.dataSource = dataSource;  }  // 下略}

 

MultiDataSourceManagedTransaction

是我们自定义的事务实现，继承自SpringManagedTransaction类，并在内部支持维护多个数据库链接。每次执行数据库操作时，会根据数据源名称判断，如果当前数据源没有缓存的链接则重新获取链接。这样，service上的事务注解其实控制了多个单库事务，且作用域范围相同，一起进行提交或回滚。

 

代码如下：

 

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public class MultiDataSourceManagedTransaction extends SpringManagedTransaction {    private DataSource dataSource;
    public ConcurrentHashMap<String, Connection> CON_MAP = new ConcurrentHashMap<>();

    public MultiDataSourceManagedTransaction(DataSource dataSource) {        super(dataSource);        this.dataSource = dataSource;    }
    @Override    public Connection getConnection() throws SQLException {        Method getCurrentTargetKey;        String dataSourceKey;        try {            getCurrentTargetKey = dataSource.getClass().getDeclaredMethod("getCurrentTargetKey");            getCurrentTargetKey.setAccessible(true);            dataSourceKey = (String) getCurrentTargetKey.invoke(dataSource);        } catch (Exception e) {            log.error("MultiDataSourceManagedTransaction invoke getCurrentTargetKey 异常", e);            return null;        }
        if (CON_MAP.get(dataSourceKey) == null) {            Connection connection = dataSource.getConnection();            if (!TransactionSynchronizationManager.isActualTransactionActive()) {                connection.setAutoCommit(true);            } else {                connection.setAutoCommit(false);            }            CON_MAP.put(dataSourceKey, connection);            return connection;        }
        return CON_MAP.get(dataSourceKey);    }
    @Override    public void commit() throws SQLException {        if (CON_MAP == null || CON_MAP.size() == 0) {            return;        }        Set<Map.Entry<String, Connection>> entries = CON_MAP.entrySet();        for (Map.Entry<String, Connection> entry : entries) {            Connection value = entry.getValue();            if (!value.isClosed() && !value.getAutoCommit()) {                value.commit();            }        }    }
    @Override    public void rollback() throws SQLException {        if (CON_MAP == null || CON_MAP.size() == 0) {            return;        }        Set<Map.Entry<String, Connection>> entries = CON_MAP.entrySet();        for (Map.Entry<String, Connection> entry : entries) {            Connection value = entry.getValue();            if (value == null) {                continue;            }            if (!value.isClosed() && !value.getAutoCommit()) {                entry.getValue().rollback();            }        }    }
    @Override    public void close() throws SQLException {        if (CON_MAP == null || CON_MAP.size() == 0) {            return;        }        Set<Map.Entry<String, Connection>> entries = CON_MAP.entrySet();        for (Map.Entry<String, Connection> entry : entries) {            DataSourceUtils.releaseConnection(entry.getValue(), this.dataSource);        }        CON_MAP.clear();    }}

 

注：上面并不是分布式事务。在数据访问权限收口之前，它只存在于同一个JVM中。如果项目允许，可以考虑使用Atomikos和Mybatis整合的方案。

 

 
5.数据安全性

 

本次进行了很多代码改造，如何保证数据安全，保证数据不丢失，我们的机制如下，分为三种情况进行讨论：

 

  • 跨库事务：6处，采用了代码保证一致性的改造方式；上线前经过重点测试，保证逻辑无问题；

  • 单库事务：依赖于自定义事务实现，针对自定义事务实现这一个类进行充分测试即可，测试范围小，安全性有保障；

  • 其余单表操作：相关修改是在mapper上添加了数据源切换注解，改动位置几百处，几乎是无脑改动，但也存在遗漏或错改的可能；测试同学可以覆盖到核心业务流程，但边缘业务可能会遗漏；我们添加了线上监测机制，当出现找不到表的错误时（说明数据源切换注解添加错误），记录当前执行sql并报警，我们进行逻辑修复与数据处理。

 

综上，通过对三种情况的处理来保证数据的安全性。

 

二、应用拆分

 

系统接近单体架构，存在以下风险：

 

  • 系统性风险：一个组件缺陷会导致整个进程崩溃，如内存泄漏、死锁。

  • 复杂性高：系统代码繁多，每次修改代码都心惊胆战，任何一个bug都可能导致整个系统崩溃，不敢优化代码导致代码可读性也越来越差。

  • 测试环境冲突，测试效率低：业务都耦合在一个系统，只要有需求就会出现环境抢占，需要额外拉分支合并代码。

 

 
1.拆分方案

 

与数据库拆分相同，系统拆分也是根据业务划分拆成9个新系统。

 

方案一：搭建空的新系统，然后将老系统的相关代码挪到新系统。

 

  • 优点：一步到位。

  • 缺点：需要主观挑选代码，然后挪到新系统，可视为做了全量业务逻辑的变动，需要全量测试，风险高，周期长。

 

方案二：从老系统原样复制出9个新系统，然后直接上线，通过流量路由将老系统流量转发到新系统，后续再对新系统的冗余代码做删减。

 

  • 优点：拆分速度快，首次上线前无业务逻辑改动，风险低；后续删减代码时依据接口调用量情况来判定，也可视为无业务逻辑的改动，风险较低，并且各系统可各自进行，无需整体排期，较为灵活。

  • 缺点：分为了两步，拆分上线和删减代码

 

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拆分方案对比

 

我们在考虑拆分风险和拆分效率后，最终选择了方案二。

 

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方案二原理

 

 
2.拆分实践

 

1）搭建新系统

 

直接复制老系统代码，修改系统名称，部署即可。

 

2）流量路由

 

路由器是拆分的核心，负责分发流量到新系统，同时需要支持识别测试流量，让测试同学可以提前在线上测试新系统。我们这边用filter来作为路由器的，源码见下方。

 

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@Overridepublic void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response, FilterChain filterChain) throws ServletException, IOException {    HttpServletRequest servletRequest = (HttpServletRequest) request;    HttpServletResponse servletResponse = (HttpServletResponse) response;    // 路由开关(0-不路由, 1-根据指定请求头路由, 2-全量路由)    final int systemRouteSwitch = configUtils.getInteger("system_route_switch", 1);    if (systemRouteSwitch == 0) {        filterChain.doFilter(request, response);        return;    }    // 只路由测试流量    if (systemRouteSwitch == 1) {        // 检查请求头是否包含测试流量标识 包含才进行路由        String systemRoute = ((HttpServletRequest) request).getHeader("systemRoute");        if (systemRoute == null || !systemRoute.equals("1")) {            filterChain.doFilter(request, response);            return;        }    }
    String systemRouteMapJsonStr = configUtils.getString("route.map", "");    Map<String, String> map = JSONObject.parseObject(systemRouteMapJsonStr, Map.class);    String rootUrl = map.get(servletRequest.getRequestURI());
    if (StringUtils.isEmpty(rootUrl)) {        log.error("路由失败，本地服务内部处理。原因：请求地址映射不到对应系统, uri : {}", servletRequest.getRequestURI());        filterChain.doFilter(request, response);        return;    }
    String targetURL = rootUrl + servletRequest.getRequestURI();    if (servletRequest.getQueryString() != null) {        targetURL = targetURL + "?" + servletRequest.getQueryString();    }    RequestEntity<byte[]> requestEntity = null;    try {        log.info("路由开始 targetURL = {}", targetURL);        requestEntity = createRequestEntity(servletRequest, targetURL);        ResponseEntity responseEntity = restTemplate.exchange(requestEntity, byte[].class);        if (requestEntity != null && requestEntity.getBody() != null && requestEntity.getBody().length > 0) {            log.info("路由完成-请求信息: requestEntity = {}, body = {}", requestEntity.toString(), new String(requestEntity.getBody()));        } else {            log.info("路由完成-请求信息: requestEntity = {}", requestEntity != null ? requestEntity.toString() : targetURL);        }
        HttpHeaders headers = responseEntity.getHeaders();        String resp = null;        if (responseEntity.getBody() != null && headers != null && headers.get("Content-Encoding") != null && headers.get("Content-Encoding").contains("gzip")) {            byte[] bytes = new byte[30 * 1024];            int len = new GZIPInputStream(new ByteArrayInputStream((byte[]) responseEntity.getBody())).read(bytes, 0, bytes.length);            resp = new String(bytes, 0, len);        }

        log.info("路由完成-响应信息: targetURL = {}, headers = {}, resp = {}", targetURL, JSON.toJSONString(headers), resp);        if (headers != null && headers.containsKey("Location") && CollectionUtils.isNotEmpty(headers.get("Location"))) {            log.info("路由完成-需要重定向到 {}", headers.get("Location").get(0));            ((HttpServletResponse) response).sendRedirect(headers.get("Location").get(0));        }        addResponseHeaders(servletRequest, servletResponse, responseEntity);        writeResponse(servletResponse, responseEntity);    } catch (Exception e) {        if (requestEntity != null && requestEntity.getBody() != null && requestEntity.getBody().length > 0) {            log.error("路由异常-请求信息: requestEntity = {}, body = {}", requestEntity.toString(), new String(requestEntity.getBody()), e);        } else {            log.error("路由异常-请求信息: requestEntity = {}", requestEntity != null ? requestEntity.toString() : targetURL, e);        }        response.setCharacterEncoding("UTF-8");        ((HttpServletResponse) response).addHeader("Content-Type", "application/json");        response.getWriter().write(JSON.toJSONString(ApiResponse.failed("9999", "网络繁忙哦~，请您稍后重试")));    }}

 

3）接口抓取&归类

 

路由filter是根据接口路径将请求分发到各个新系统的，所以需要抓取一份接口和新系统的映射关系。我们这边自定义了一个注解@TargetSystem，用注解标识接口应该路由到的目标系统域名，

 

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@TargetSystem(value = "http://order.demo.com")@GetMapping("/order/info")public ApiResponse orderInfo(String orderId) {    return ApiResponse.success();}

 

然后遍历获取所有controller根据接口地址和注解生成路由映射关系map。

 

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    /**     * 生成路由映射关系MAP     * key：接口地址 ，value：路由到目标新系统的域名     */    public Map<String, String> generateRouteMap() {        Map<RequestMappingInfo, HandlerMethod> handlerMethods = requestMappingHandlerMapping.getHandlerMethods();        Set<Map.Entry<RequestMappingInfo, HandlerMethod>> entries = handlerMethods.entrySet();        Map<String, String> map = new HashMap<>();        for (Map.Entry<RequestMappingInfo, HandlerMethod> entry : entries) {            RequestMappingInfo key = entry.getKey();            HandlerMethod value = entry.getValue();            Class declaringClass = value.getMethod().getDeclaringClass();            TargetSystem targetSystem = (TargetSystem) declaringClass.getAnnotation(TargetSystem.class);            String targetUrl = targetSystem.value();            String s1 = key.getPatternsCondition().toString();            String url = s1.substring(1, s1.length() - 1);            map.put(url, targetUrl);        }        return map;    }

 

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路由映射关系MAP

 

4）测试流量识别

 

测试可以用利用抓包工具charles，为每个请求都添加固定的请求头，也就是测试流量标识，路由器拦截请求后判断请求头内是否包含测试流量标，包含就路由到新系统，不包含就是线上流量留在老系统执行。

 

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路由流程

 

5）需求代码合并

 

执行系统拆分的过程中，还是有需求正在并行开发，并且需求代码是写在老系统的，系统拆分完成上线后，需要将这部分需求的代码合并到新系统，同时要保证git版本记录不能丢失，那应该怎么做呢？

 

我们利用了git可以添加多个多个远程仓库来解决需求合并的痛点，命令：git remote add origin 仓库地址，把新系统的git仓库地址添加为老系统git的远程仓库，老系统的git变动就可以同时push到所有新系统的仓库内，新系统pull下代码后进行合并。

 

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需求代码合并方案

 

6）上线风险

 

风险一：JOB在新老系统并行执行。新系统是复制的老系统，JOB也会复制过来，导致新老系统有相同的JOB，如果这时候上线新系统，新系统的JOB就会执行，老系统的JOB也一直在run，这样一个JOB就会执行2次。新系统刚上线还没经过测试验证，这时候执行JOB是有可能失败的。以上2种情况都会引起线上Bug，影响系统稳定性。

 

风险二：新系统提前消费MQ。和风险一一样，新系统监听和老系统一样的topic，如果新系统直接上线，消息是有可能被新系统消费的，新系统刚上线还没经过测试验证，消费消息有可能会出异常，造成消息丢失或其他问题，影响系统稳定性。

 

如何解决以上2个上线风险呢？

 

我们用“动态开关”解决了上述风险，为新老系统的JOB和MQ都加了开关，用开关控制JOB和MQ在新/老系统执行。上线后新系统的JOB和MQ都是关掉的，待QA测试通过后，把老系统的JOB和MQ关掉，把新系统的JOB和MQ打开就可以了。

 

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上线风险解决方案

 

 
3.系统瘦身

 

拆分的时候已经梳理出了一份“入口映射关系map”，每个新系统只需要保留自己系统负责的接口、JOB、MQ代码就可以了，除此之外都可以进行删除。

 

拆分带来的好处：

 

  • 系统架构更合理，可用性更高：即使某个服务挂了也不会导致整个系统崩溃。

  • 复杂性可控：每个系统都是单一职责，系统逻辑清晰。

  • 系统性能提升上限大：可以针对每个系统做优化，如加缓存。

  • 测试环境冲突的问题解决：不会因为多个系统需求并行而抢占环境。

 

四、数据访问权限收口

 

 
1.问题介绍

 

数据访问权限未收口：一个业务的数据库被其余业务应用直接访问，未通过rpc接口将数据访问权限收口到数据拥有方自己的应用。数据访问逻辑分散，存在业务耦合，阻碍后续迭代和优化。

 

问题产生的背景：之前是单体应用和单体数据库，未进行业务隔离。在进行数据库拆分和系统拆分时，为解决系统稳定性的问题需快速上线，所以未优化拆分后跨业务访问数据库的情况。本阶段是对数据库拆分和应用拆分的延伸和补充。

 

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业务改造前后对比

 

 
2.改造过程

 

1）RPC接口统计（如图一）

 

进行比对，如程序入口归类和调用的业务DB归类不一致，则认为Dao方法需提供RPC接口。

 

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图一

 

经统计，应用访问非本业务数据库的位置有260+。由于涉及位置多，人工改造成本高、效率较低，且有错改和漏掉的风险，我们采用了开发工具，用工具进行代码生成和批量修改的方式进行改造。

 

2）RPC接口生成（如图二）

 

  • 读取需要生成RPC接口的Dao文件，进行解析。

  • 获取文件名称，Dao方法列表，import导包列表等，放入ClassContext上下文。

  • 匹配api、rpc文件模板，从classContext内取值替换模板变量，通过package路径生成java文件到指定服务内。

  • 批量将服务内Dao名称后缀替换为Rpc服务名，减少人工改动风险，例：SettleRuleDao -> SettleRuleRpc 。

 

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图二

 

名词解释：

 

  • ftl：Freemarker模板的文件后缀名，FreeMarker是一个模版引擎，一个基于文本的模板输出工具

  • interfaceName：用存放api文件名称

  • className：用于存放serviceImpl文件名称

  • methodList：用于存放方法列表，包含入参、出参、返回值等信息

  • importList：用于存放api和impl文件内其他引用实体的导包路径

  • apiPackage：用于存放生成的Api接口类包名

  • implPackage：用于存放生成的Api实现类包名

  • rpcPackage：用于存放生成的rpc调用类包名

 

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代码示例1

 

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代码示例2

 

3）灰度方案（如图三）

 

  • 数据操作统一走RPC层处理，初期阶段RPC层兼顾RPC调用，也有之前的DAO调用，使用开关切换。

  • RPC层进行双读，进行Api层和Dao层返回结果的比对，前期优先返回Dao层结果，验证无问题后，在全量返回RPC的结果，清除其他业务数据库连接。

  • 支持开关一键切换，按流量进行灰度，降低数据访问权限收口风险。

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图三

 

收益：

  • 业务数据解耦，数据操作统一由各自垂直系统进行，入口统一。

  • 方便后续在接口粒度上增加缓存和降级处理。

 

五、总结

 

以上，是我们对单体系统的改造过程，经过了三步优化、上线，将单体系统平滑过渡到了微服务结构。解决了数据库的单点问题、性能问题，应用业务得到了简化，更利于分工，迭代。并且可以针对各业务单独进行优化升级，扩容、缩容，提升了资源的利用率。

 

作者丨徐强,张均杰,黄威
来源丨公众号：达达集团技术（ID：dada-tech）
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最新评论
访客 2024年04月08日

如果字段的最大可能长度超过255字节，那么长度值可能…

访客 2024年03月04日

只能说作者太用心了，优秀

访客 2024年02月23日

感谢详解

访客 2024年02月20日

一般干个7-8年（即30岁左右），能做到年入40w-50w；有…

访客 2023年08月20日

230721

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