场景驱动且自底向上的单体系统微服务拆分方法-丁丹，彭鑫，郭晓峰，张健，吴毅坚.pdf

上善若水

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2022-05-24

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软件学报 ISSN 1000-9825, CODEN RUXUEW E-mail: jos@iscas.ac.cn

Journal of Software, [doi: 10.13328/j.cnki.jos.006031] http://www.jos.org.cn

场景驱动、自底向上的单体系统微服务拆分方法





丁

丹

1,2

彭

鑫

1,2

郭晓峰

1,2

张

健

1,2

吴毅坚

1,2

(复旦大学计算机科学技术学院,上海 201203)

(上海市数据科学重点实验室(复旦大学),上海 201203)

通讯作者: 彭鑫, E-mail: pengxin@fudan.edu.cn

摘要: 作为云原生应用的一种典型形态,微服务架构已经在各种企业应用系统中被广泛使用.在企业实践中,许

多微服务都是在单体架构的遗留系统基础上通过微服务拆分和改造形成的,其中的拆分决策（特别是数据库拆分）

对于微服务系统的质量有着很大的影响.目前单体系统的微服务拆分决策主要依赖于人的主观经验,整个过程成本

高、耗时长、结果不确定性很高.针对这一问题,本文提出了一种场景驱动、自底向上的单体系统微服务拆分方法.

该方法以场景驱动的方式,通过动态分析获取单体遗留系统运行时的方法调用和数据库操作信息,然后基于数据表

之间的关联分析生成数据库拆分方案,接着再自底向上进行搜索,产生相应的代码模块拆分方案.基于这种方法,本

文实现了一个原型工具 MSDecomposer,将拆分过程可视化,并支持多种维度的反馈调整策略.本文基于多个开源软

件系统进行了案例研究,研究结果表明,本文提出的方法能够显著加快微服务拆分决策的速度,减轻开发人员的决策

负担,得到的拆分结果合理.

关键词: 单体系统;微服务;场景驱动;自底向上;拆分

中图法分类号: TP311

中文引用格式 : 丁丹 , 彭鑫 , 郭晓峰 , 张健 , 吴毅坚 . 场景驱动、自底向上的单体系统微服务拆分方法 . 软件学报 .

http://www.jos.org.cn/1000-9825/6031.htm

英文引用格式: Ding D, Peng X, Guo XF, Zhang J, Wu YJ. Scenario-Driven and Bottom-Up Microservice Decomposition for

Monolithic Systems. Ruan Jian Xue Bao/Journal of Software, (in Chinese). http://www.jos.org.cn/1000-9825/6031.htm

Scenario-Driven and Bottom-Up Microservice Decomposition for Monolithic Systems

DING Dan

1,2

, PENG Xin

1,2

, GUO Xiao-Feng

1,2

, ZHANG Jian

1,2

, WU Yi-Jian

1,2

(School of Computer Science, Fudan University, Shanghai 201203, China)

(Shanghai Key Laboratory of Data Science, Fudan University, Shanghai 201203, China)

Abstract: As a typical form of cloud-native application, microservice architecture has been widely used in various enterprise

applications. In enterprise practice, many microservices are formed by decomposing and transforming the legacy system of monolithic

architecture. The decomposition decision, especially database decomposition, has a great impact on the quality of the microservice system.

At present, the microservice decomposition decision mainly depends on the human subjective experience. The whole process is costly,

time-consuming and the uncertain. To solve this problem, this paper proposes a scenario-driven, bottom-up microservice decomposition

method for monolithic system. This method uses scenario-driven method to obtain the method call and database operation information of

monolithic system by dynamic analysis, generate database decomposition scheme based on analyzing the association among data tables,

and then it searches from the bottom up to generate the corresponding code module decomposition scheme. Based on this method, this

paper implemetns a prototype tool MSDecomposer, which visualizes the decomposing process and supports feedback adjustment

strategies of multiple dimensions. This paper conducts case studies baed on severial open-source software systems, and the results show



基金项目: 国家重点研发计划(2018YFB1004803)

Foundation item: National Key R&D Program of China(2018YFB1004803)

收稿时间: 2019-12-02; 修改时间: 2020-02-07; 采用时间: 2020-03-09; jos 在线出版时间: 2020-04-21

Journal of Software 软件学报

that the method proposed in this paper can significantly speed up the decision-making of microservice decomposition, reduce the

decision-making burden of developers and the final result is reasonable.

Key words: monolithic system; microservice; scenario-driven; bottom-up; decomposition

传统软件系统大多采用所谓的单体架构,即所有代码被统一构建和部署,数据集中化管理.随着需求的变更

和软件的演化,单体系统的规模往往会不断变大、复杂度越来越高、使用的技术逐渐过时,导致维护成本大幅

提升、新特性的交付周期延长.在过去几年里,大部分云计算基础设施都具备了弹性、自恢复和可伸缩的能力,

虚拟化和容器技术发展迅速,这些因素共同促进了微服务（Microservices）,一种区别于单体架构的软件架构风

格被广泛接受和应用.

微服务将一个大型复杂的软件系统分解成一组独立运行、以轻量级通信机制进行交互的相对较小的服务

[1]

.这些服务围绕业务功能进行构建,可以独立开发、测试、部署和更新,以此带来的好处包括系统架构的解耦、

单个服务的交付周期缩短、技术选型更灵活、可扩展性更好、复用性更高等等

[1]

.Neal Ford 于 2018 年 12 月发

布的“微服务成熟度状态”报告

[2]

显示,在调查涉及的 866 个受访者中,超过 50%的人表示,他们的组织中有超

过一半的新项目使用了微服务,近 70%的人使用了容器作为微服务的部署方式,86%的人认为他们的微服务项

目已经取得了部分成功.这很大程度上说明微服务已经成为一种趋势,并成功运用于生产实践中.

在企业实践中,许多微服务系统都是在单体架构的遗留系统基础上通过微服务拆分和改造形成的.微服务

相对于单体架构有诸多优势,但将已有的单体系统拆分成微服务并不是一件容易的事情,Netflix 公司花费了 7

年时间才完成从单体到微服务的架构迁移

[3]

.同时,不正确、不合理的微服务架构反而会加大系统调试和故障定

位的难度

[4,5]

.Eric Evans 提出的“领域驱动设计”（Domain Driven Design）

[6]

方法,由于其所强调的限界上下文

（Bounded Context）的概念能够自然地映射成微服务,被广泛用作微服务设计的指导原则.但这种方法缺乏正

式的建模语言和工具支持

[7]

,要求架构师对业务领域有深入的了解,很难在短时间内得出合适的拆分方案.除此

之外,实际的单体系统往往规模庞大、年代久远、实现与文档偏差大,导致原设计文档不可信,加大了人工分析

的难度.

针对以上问题,本文提出了一种场景驱动、自底向上的单体系统微服务拆分方法.该方法基于测试驱动的

理念,通过监控典型应用场景测试用例的执行,动态分析获取单体系统运行时的方法调用和数据库操作信息,生

成系统的数据访问轨迹图.根据数据访问轨迹图对底层的数据表图进行加权和聚合,基于数据表之间的关联分

析生成数据库拆分方案,接着再自底向上进行搜索,产生相应的代码模块拆分方案.为了验证方法的可行性,本

文在使用已有工具 Kieker

[8,9]

获取系统运行时数据的基础之上 , 开发了一个微服务拆分辅助工具

MSDecomposer,并在多个开源软件系统上进行了经验研究.实验结果表明这种方法得到的拆分结果合理,且能

够显著加快微服务拆分决策的速度,减轻开发人员的决策负担.

1 背景及相关工作

传统软件系统的模块化重构是软件工程研究领域的一个重要分支,早在 1972 年 Parnas 就提出了对系统进

行模块化解构的标准

[10]

,随后围绕着信息隐藏、高内聚低耦合等原则,依赖静态结构分析、性能数据分析、仓

库挖掘等手段,诞生了一系列软件模块化方法和工具

[11,12,13,14]

.然而,微服务的模块化和重构作为微服务实践的

一大挑战

[15]

,目前仍然缺少实用的方法和工具支持

[16]

,相关研究主要集中在经验总结和方法论上.

Francesco 等人

[17]

对 18 位在工业界真实参与了微服务化迁移改造的工程师进行了访谈,将迁移过程分成

了逆向工程、架构转移和前向工程三个子过程,分别总结了这三个子过程在具体实施时遇到的主要问题和挑

战.Taibi 等人

[18]

则将微服务化改造过程分成三种类型,包括现有功能的迁移、重新开发以及通过“绞杀模式”

实现新功能,并总结提出了一个迁移过程框架.Jonas 等人

[19]

在文献数据库中进行关键词搜索,筛选出十篇与微

服务拆分相关的论文,总结其中涉及的重构方法,并将方法分成了静态代码分析、元数据（架构描述、UML 图

等）导向、工作流数据（通信数据、性能检测数据等）导向以及动态微服务拆分（依据运行时环境、资源消

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