基于無服務(wù)器架構(gòu)的云原生應(yīng)用軟件研究

張國(guó)生

(云南大學(xué)，云南 昆明 650500)

0 引 言

軟件開發(fā)正在經(jīng)歷根本性的變革，大而全的應(yīng)用，長(zhǎng)時(shí)間的構(gòu)建、測(cè)試和發(fā)布周期，難以快速迭代用戶反饋等嚴(yán)重制約了軟件工程的發(fā)展。單體應(yīng)用的程序代碼復(fù)雜，擴(kuò)展能力受限，缺乏動(dòng)態(tài)縮放和有效添加新功能的能力，阻礙了技術(shù)創(chuàng)新，難于開發(fā)、維護(hù)、擴(kuò)展、部署和故障隔離，微服務(wù)架構(gòu)將單體應(yīng)用拆分成多個(gè)獨(dú)立的微服務(wù)，易于開發(fā)和擴(kuò)展,技術(shù)棧不受限制,能按需伸縮，但資源利用率低，運(yùn)行和維護(hù)成本高。良好的軟件產(chǎn)品建立在快速構(gòu)建、及時(shí)理解用戶反饋的基礎(chǔ)上，開發(fā)人員利用云計(jì)算資源、開源軟件和第三方服務(wù)，整合一流技術(shù)，縮短軟件產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間。云計(jì)算時(shí)代出現(xiàn)大量XaaS(X as a Service)形式的概念，從基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(Infrastructure as a Service，IaaS)、平臺(tái)即服務(wù)(Platform as a Service，PaaS)、軟件即服務(wù)(Software as a Service，SaaS)到容器云引領(lǐng)的容器即服務(wù)(Container as a Service，CaaS)，再到微服務(wù)架構(gòu)，它們都試圖將各種軟硬件資源抽象為一種服務(wù)，提供給開發(fā)人員使用，使他們不再關(guān)注基礎(chǔ)設(shè)施、資源調(diào)配、中間件等，減輕開發(fā)負(fù)擔(dān)的同時(shí)更好地聚焦于業(yè)務(wù)功能和性能。軟件開發(fā)需要全新的基礎(chǔ)設(shè)施棧，使開發(fā)人員專注于提升業(yè)務(wù)價(jià)值?；A(chǔ)設(shè)施抽象、自動(dòng)伸縮和更好的資源利用使無服務(wù)器計(jì)算獲得成功，無服務(wù)器重新定義了軟件的開發(fā)、部署、運(yùn)維、管理和商品化。

2019年，無服務(wù)器被Gartner稱為最有潛力的云計(jì)算技術(shù)發(fā)展方向，并被賦予是必然性的發(fā)展趨勢(shì)。無服務(wù)器從底層開始變革計(jì)算資源的形態(tài)，為軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)用服務(wù)、軟件部署帶來了新的設(shè)計(jì)思路，無服務(wù)器架構(gòu)作為一種新技術(shù)迅速涌現(xiàn)。無服務(wù)器計(jì)算能幫助企業(yè)構(gòu)建輕量級(jí)、高度靈活和無狀態(tài)的應(yīng)用程序，得到了企業(yè)的青睞，許多企業(yè)已經(jīng)將無服務(wù)器計(jì)算納入他們的解決方案。

無服務(wù)器計(jì)算是一種新興的范式，支持高度可擴(kuò)展、事件驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用程序，云提供商充當(dāng)服務(wù)器，動(dòng)態(tài)管理計(jì)算資源的分配[1]。Google將云函數(shù)描述為一種基于事件、輕量、異步的計(jì)算解決方案，用于創(chuàng)建更小的單任務(wù)函數(shù)響應(yīng)不同的云事件，無服務(wù)器零運(yùn)維，無需管理服務(wù)器及其運(yùn)行時(shí)環(huán)境[2]。在編寫事件驅(qū)動(dòng)的無服務(wù)器應(yīng)用程序時(shí)，使用高級(jí)語(yǔ)言編寫，第三方服務(wù)和微服務(wù)通過函數(shù)調(diào)用或直接調(diào)用融入事件驅(qū)動(dòng)服務(wù)中。用戶使用無服務(wù)器模型構(gòu)建應(yīng)用程序，底層基礎(chǔ)設(shè)施具有良好彈性，按使用量計(jì)費(fèi)降低了成本，易于使用的接口和配置，使開發(fā)人員不用理解基礎(chǔ)設(shè)施，不再將基礎(chǔ)設(shè)施作為應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的一部分。

無服務(wù)器計(jì)算將應(yīng)用程序分解為多個(gè)獨(dú)立的無狀態(tài)細(xì)粒度函數(shù)[3]。函數(shù)僅在響應(yīng)事件時(shí)執(zhí)行，并且可以獨(dú)立擴(kuò)展，函數(shù)是無狀態(tài)的，無服務(wù)器計(jì)算也被稱為函數(shù)即服務(wù)(Function as a Service，F(xiàn)aaS)[4]。開發(fā)人員只需在無服務(wù)器平臺(tái)上編寫代碼并部署函數(shù)，平臺(tái)負(fù)責(zé)函數(shù)執(zhí)行、存儲(chǔ)、容器、網(wǎng)絡(luò)通信和容錯(cuò)，根據(jù)請(qǐng)求數(shù)擴(kuò)展函數(shù)，用戶只需為每次函數(shù)調(diào)用使用的計(jì)算資源付費(fèi)[5]。無服務(wù)器計(jì)算在網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算、科學(xué)計(jì)算和移動(dòng)計(jì)算等方面是很有潛力的方法[6]。無服務(wù)器與人工智能結(jié)合，可以快速實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別、車牌識(shí)別、人工智能推理等應(yīng)用。主要的云服務(wù)提供商Amazon Web Services(AWS)Lambda、Azure函數(shù)、IBM云函數(shù)和Google云函數(shù)都為無服務(wù)器計(jì)算提供解決方案。

無服務(wù)器計(jì)算使開發(fā)人員從簡(jiǎn)單的部署、少量的操作中獲益，云提供商則以較少的計(jì)算資源高效地為大量用戶提供服務(wù)。無服務(wù)器計(jì)算的實(shí)現(xiàn)流程：開發(fā)人員編碼、上傳、部署函數(shù)，選擇觸發(fā)事件，云提供商管理基礎(chǔ)設(shè)施以及應(yīng)用程序的伸縮、性能和計(jì)費(fèi)。云計(jì)算將業(yè)務(wù)無關(guān)的管理和運(yùn)維下沉到基礎(chǔ)設(shè)施，使應(yīng)用程序聚焦于業(yè)務(wù)功能的開發(fā)和運(yùn)行，逐步演化出無服務(wù)器范式，無服務(wù)器計(jì)算使開發(fā)人員無需關(guān)注服務(wù)器，只要提交業(yè)務(wù)代碼，就能得到相應(yīng)的功能和服務(wù)。無服務(wù)器函數(shù)按實(shí)際調(diào)用的執(zhí)行時(shí)間計(jì)費(fèi)，對(duì)于工作負(fù)載不規(guī)則的應(yīng)用程序是理想的選擇。無服務(wù)器計(jì)算適合無狀態(tài)、事件驅(qū)動(dòng)和短運(yùn)行時(shí)間的應(yīng)用程序。

無服務(wù)器計(jì)算越來越普及，但該技術(shù)仍處于起步階段，存在一定限制，阻礙了其廣泛應(yīng)用。目前的無服務(wù)器計(jì)算側(cè)重于操作靈活性、異步和可伸縮性，不支持函數(shù)的直接組合，必須通過相應(yīng)的云事件才能觸發(fā)函數(shù)。一方面，這種限制是有益的，因?yàn)殚_發(fā)人員必須將函數(shù)設(shè)計(jì)為高度細(xì)粒度、可復(fù)用的組件。另一方面，開放性和細(xì)粒度增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，開發(fā)人員無法假設(shè)函數(shù)之間的順序一致性或可串行性，使全局語(yǔ)義的推理變得復(fù)雜。

1 云原生技術(shù)

本質(zhì)上，用戶對(duì)云的期望是一個(gè)運(yùn)行時(shí)環(huán)境，用戶更關(guān)心業(yè)務(wù)邏輯，不關(guān)心或少關(guān)心技術(shù)邏輯，這也是云原生應(yīng)用產(chǎn)生的背景。云原生技術(shù)有利于企業(yè)在公有云、私有云和混合云上構(gòu)建和運(yùn)行可彈性伸縮的應(yīng)用。云原生的代表技術(shù)包括容器、微服務(wù)、服務(wù)網(wǎng)格、不可變基礎(chǔ)設(shè)施和聲明式API[7]。這些技術(shù)能構(gòu)建容錯(cuò)性好、易于管理、便于測(cè)試的松散耦合系統(tǒng)，結(jié)合可靠的自動(dòng)化手段，云原生技術(shù)使開發(fā)人員對(duì)應(yīng)用程序做出頻繁、可預(yù)測(cè)的變更。

容器是一種輕量的虛擬化技術(shù)，能提供可移植、可復(fù)用的模式打包、分發(fā)和運(yùn)行應(yīng)用程序，可以將不同應(yīng)用程序的不同組件組裝在一起，也可以將它們彼此隔離。容器技術(shù)簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序的分發(fā)和部署，是云原生應(yīng)用的基石。微服務(wù)架構(gòu)將應(yīng)用程序按功能拆分成多個(gè)獨(dú)立自治的微服務(wù)，每個(gè)微服務(wù)僅實(shí)現(xiàn)一種功能，具有明確的業(yè)務(wù)邊界。微服務(wù)之間采用標(biāo)準(zhǔn)接口通信和交換數(shù)據(jù)，形成一種松散耦合的交互模式。服務(wù)網(wǎng)格是微服務(wù)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中微服務(wù)之間的通信，調(diào)和微服務(wù)與外部應(yīng)用程序，輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)代理能可靠地實(shí)現(xiàn)微服務(wù)請(qǐng)求，提供網(wǎng)絡(luò)彈性機(jī)制，與微服務(wù)部署在一起，但微服務(wù)感知不到，對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用是透明的[8]。不可變基礎(chǔ)設(shè)施是指基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境創(chuàng)建后不接受更新和修改，只能通過整體替換來創(chuàng)建和變更，保持基礎(chǔ)設(shè)施的一致、可靠以及簡(jiǎn)單、可預(yù)測(cè)的部署過程。聲明式API描述要達(dá)到的目標(biāo)并提交給API服務(wù)器，由其負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，減少開發(fā)、運(yùn)維人員的工作量，提高開發(fā)效率。

無服務(wù)器計(jì)算所具備的特征優(yōu)勢(shì)、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和費(fèi)用優(yōu)勢(shì)，將成為新一代云計(jì)算的發(fā)展方向，無服務(wù)器架構(gòu)推進(jìn)了云原生應(yīng)用的開發(fā)，利用云計(jì)算的強(qiáng)大算力，使云原生應(yīng)用成為企業(yè)業(yè)務(wù)助推器。云函數(shù)作為虛擬機(jī)、容器技術(shù)之后的下一代計(jì)算形態(tài)，將引發(fā)云計(jì)算新的熱潮，圍繞云函數(shù)構(gòu)建的產(chǎn)品、工具、生態(tài)以及應(yīng)用，也將帶來新的發(fā)展，隨著無服務(wù)器產(chǎn)品和生態(tài)走向成熟，將逐步承載企業(yè)核心業(yè)務(wù)。

2 無服務(wù)器計(jì)算

無服務(wù)器計(jì)算的主要特征是事件驅(qū)動(dòng)、無狀態(tài)、短運(yùn)行時(shí)間、敏捷自動(dòng)伸縮和低成本。無狀態(tài)函數(shù)、云服務(wù)與數(shù)據(jù)對(duì)象存儲(chǔ)的組合，擴(kuò)大了應(yīng)用程序的范圍。由于其簡(jiǎn)單性、固有的彈性和計(jì)費(fèi)模型，函數(shù)即服務(wù)正成為云計(jì)算中流行的模式。FaaS編程模型是基于事件的，可以觸發(fā)函數(shù)響應(yīng)特定的云事件，F(xiàn)aaS可視為反應(yīng)式系統(tǒng)，具備四個(gè)必需的屬性：響應(yīng)性、恢復(fù)力、彈性和事件驅(qū)動(dòng)。云函數(shù)和對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)的分離促進(jìn)了應(yīng)用程序在并行處理海量數(shù)據(jù)時(shí)的彈性和靈活性。

無服務(wù)器計(jì)算是開發(fā)云原生應(yīng)用軟件的新方法。IBM將其定義為一種計(jì)算方法，將公共基礎(chǔ)設(shè)施管理任務(wù)，如擴(kuò)展、調(diào)度、恢復(fù)、資源調(diào)配等轉(zhuǎn)移給云提供商，使開發(fā)人員將時(shí)間和精力集中在應(yīng)用程序和業(yè)務(wù)邏輯上[9]。無服務(wù)器平臺(tái)使開發(fā)人員專注于核心產(chǎn)品及其業(yè)務(wù)功能，而不是安裝服務(wù)器、更新操作系統(tǒng)和運(yùn)行時(shí)環(huán)境、管理訪問控制策略、資源調(diào)配、調(diào)整程序大小、擴(kuò)展和可用性等，云提供商負(fù)責(zé)管理基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)行時(shí)環(huán)境，為用戶制定精細(xì)的計(jì)費(fèi)策略，降低了使用成本。開發(fā)人員不直接操作云基礎(chǔ)設(shè)施，而是以函數(shù)的形式提供短時(shí)運(yùn)行代碼，由無服務(wù)器平臺(tái)執(zhí)行。對(duì)于高吞吐量應(yīng)用程序，無服務(wù)器計(jì)算采用自動(dòng)伸縮資源模式動(dòng)態(tài)匹配負(fù)載峰值。

2.1 無狀態(tài)云函數(shù)

無服務(wù)器計(jì)算是一種編程模型，代碼在預(yù)先配置的云計(jì)算資源中按需執(zhí)行，通過集中資源和管理運(yùn)行平臺(tái)，無服務(wù)器能跨多個(gè)物理服務(wù)器平衡工作負(fù)載實(shí)現(xiàn)高度彈性擴(kuò)展。將無服務(wù)器代碼與虛擬運(yùn)行環(huán)境捆綁在一起的容器，可以在物理服務(wù)器之間部署，無服務(wù)器可以創(chuàng)建多個(gè)容器動(dòng)態(tài)擴(kuò)展應(yīng)用程序的實(shí)例，為了實(shí)現(xiàn)這種方法，無服務(wù)器應(yīng)用程序代碼被組織成無狀態(tài)的云函數(shù)。在無服務(wù)器計(jì)算中，計(jì)算單元是函數(shù)，函數(shù)沒有狀態(tài)，無狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)伸縮，無服務(wù)器平臺(tái)根據(jù)請(qǐng)求數(shù)伸縮函數(shù)實(shí)例。

在無服務(wù)器應(yīng)用程序開發(fā)中，開發(fā)人員使用云提供商支持的編程語(yǔ)言將業(yè)務(wù)功能定義為無狀態(tài)函數(shù)及其組合，Python和JavaScript是無服務(wù)器平臺(tái)支持的常見腳本語(yǔ)言。無狀態(tài)編程模型為開發(fā)人員提供了對(duì)應(yīng)用程序的更多控制，允許他們透明地提供安全補(bǔ)丁并優(yōu)化程序，動(dòng)態(tài)擴(kuò)展無服務(wù)器函數(shù)支持云彈性，無服務(wù)器函數(shù)不在運(yùn)行時(shí)保存狀態(tài)，但開發(fā)人員可以在函數(shù)中編寫程序獲取或更新需要的狀態(tài)，還可以訪問表示函數(shù)運(yùn)行環(huán)境的上下文對(duì)象。由于使用了無狀態(tài)、短時(shí)運(yùn)行的函數(shù)，函數(shù)的資源并發(fā)度可以在函數(shù)級(jí)別而不是應(yīng)用程序級(jí)別自動(dòng)調(diào)整，函數(shù)的無狀態(tài)性使平臺(tái)能動(dòng)態(tài)并發(fā)調(diào)用函數(shù)。

無服務(wù)器計(jì)算以函數(shù)作為其基本設(shè)計(jì)單元，無狀態(tài)函數(shù)使開發(fā)人員能構(gòu)建松散耦合的代碼，無狀態(tài)函數(shù)比有狀態(tài)組件更易于水平擴(kuò)展，增加了函數(shù)設(shè)計(jì)的靈活性。函數(shù)運(yùn)行結(jié)束后，在函數(shù)生命周期內(nèi)生成的狀態(tài)數(shù)據(jù)全部自動(dòng)刪除，除非顯式持久化到外部存儲(chǔ)。函數(shù)是無狀態(tài)和冪等的，當(dāng)函數(shù)調(diào)用失敗時(shí)，可以再次調(diào)用執(zhí)行而沒有副作用。開發(fā)人員設(shè)計(jì)函數(shù)時(shí)遵循單一職責(zé)原則(Single Responsibility Principle，SRP)，一個(gè)函數(shù)僅完成一種任務(wù)，使函數(shù)更易于測(cè)試，運(yùn)行更穩(wěn)定，產(chǎn)生的錯(cuò)誤和異常更少。無服務(wù)器計(jì)算以松散耦合模式集成無狀態(tài)函數(shù)、第三方服務(wù)和微服務(wù)，構(gòu)建易于開發(fā)、易于管理的復(fù)雜應(yīng)用程序，擁有明確定義接口的無狀態(tài)細(xì)粒度函數(shù)易于在無服務(wù)器架構(gòu)中被復(fù)用。

2.2 事件驅(qū)動(dòng)云函數(shù)

事件驅(qū)動(dòng)由于其良好的解耦和可擴(kuò)展的架構(gòu)，成為分布式系統(tǒng)的骨干。無服務(wù)器計(jì)算是事件驅(qū)動(dòng)的云執(zhí)行模型，http請(qǐng)求、文件上傳、數(shù)據(jù)庫(kù)修改、消息發(fā)送等都可以定義為無服務(wù)器事件。云函數(shù)運(yùn)行是事件驅(qū)動(dòng)的，程序進(jìn)程在事件觸發(fā)時(shí)產(chǎn)生，在事件處理后終止，降低了執(zhí)行事件驅(qū)動(dòng)工作負(fù)載的操作成本和復(fù)雜度。無服務(wù)器函數(shù)與“監(jiān)聽-處理”類程序不同，不是一直在線，而是按需啟動(dòng)。

FaaS遵循事件驅(qū)動(dòng)的方法，應(yīng)用程序由函數(shù)組成，函數(shù)在事件觸發(fā)時(shí)調(diào)用，開發(fā)人員可以定義函數(shù)及其依賴，而不受平臺(tái)限制，函數(shù)部署到無服務(wù)器平臺(tái)，為函數(shù)指定觸發(fā)事件，當(dāng)函數(shù)被觸發(fā)時(shí)，代碼加載到容器，在容器中運(yùn)行，容器在函數(shù)運(yùn)行結(jié)束后被移除或緩存以備將來復(fù)用，容器是無服務(wù)器范式的關(guān)鍵推動(dòng)者之一。函數(shù)加載到容器中運(yùn)行，代碼更安全，且容器易于打包、部署和移除，每個(gè)容器進(jìn)程運(yùn)行在一個(gè)沙箱中，對(duì)其他容器不可見，容器被多個(gè)平臺(tái)支持，可以跨平臺(tái)移植。

無服務(wù)器計(jì)算的核心功能之一是事件驅(qū)動(dòng)，如圖1所示,平臺(tái)管理一系列用戶定義的函數(shù)，接收通過用戶接口(User Interface，UI)、API網(wǎng)關(guān)、消息隊(duì)列、對(duì)象存儲(chǔ)、日志服務(wù)或云事件源(Cloud Event Sources，CES)產(chǎn)生的事件，確定向哪個(gè)函數(shù)發(fā)送事件，查找函數(shù)的現(xiàn)有實(shí)例或創(chuàng)建新實(shí)例，將事件傳遞給函數(shù)實(shí)例，等待響應(yīng)，收集執(zhí)行日志，將響應(yīng)反饋給用戶，運(yùn)行結(jié)束終止該函數(shù)。平臺(tái)必須快速有效地啟動(dòng)函數(shù)并處理其輸入，對(duì)事件排隊(duì)，根據(jù)隊(duì)列的狀態(tài)和事件分布，合理安排函數(shù)執(zhí)行，終止空閑函數(shù)實(shí)例并釋放資源，處理程序異常。

圖1 事件驅(qū)動(dòng)云函數(shù)及其函數(shù)實(shí)例并發(fā)

2.3 云函數(shù)彈性伸縮及其并發(fā)

無服務(wù)器應(yīng)用程序可以快速、無縫地自動(dòng)擴(kuò)展，當(dāng)并發(fā)用戶數(shù)量增加或減少時(shí)，應(yīng)用程序自動(dòng)伸縮其規(guī)模，根據(jù)負(fù)載動(dòng)態(tài)分配無服務(wù)器架構(gòu)中的資源，使平臺(tái)能應(yīng)對(duì)突發(fā)的請(qǐng)求峰值。業(yè)務(wù)邏輯映射到函數(shù)計(jì)算中，業(yè)務(wù)高峰期，函數(shù)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展支持業(yè)務(wù)高并發(fā)，這個(gè)過程不需要管理軟硬件環(huán)境。針對(duì)業(yè)務(wù)請(qǐng)求數(shù)，平臺(tái)自動(dòng)彈性生成恰當(dāng)?shù)暮瘮?shù)實(shí)例來承載實(shí)際業(yè)務(wù)量，當(dāng)沒有請(qǐng)求時(shí)，無實(shí)例運(yùn)行。云函數(shù)由事件觸發(fā)，觸發(fā)啟動(dòng)的一個(gè)云函數(shù)實(shí)例僅實(shí)現(xiàn)一種具體的功能，在函數(shù)代碼中不考慮并發(fā)，開發(fā)效率更高，云函數(shù)實(shí)例的高并發(fā)，提高了軟件性能。

無服務(wù)器計(jì)算在執(zhí)行過程中，根據(jù)請(qǐng)求數(shù)動(dòng)態(tài)擴(kuò)容函數(shù)滿足用戶需求，這個(gè)過程對(duì)用戶是透明的。無服務(wù)器函數(shù)的無狀態(tài)性使平臺(tái)能動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，當(dāng)平臺(tái)監(jiān)測(cè)到缺少函數(shù)的運(yùn)行實(shí)例，可以啟動(dòng)該函數(shù)的其他實(shí)例，通過并行執(zhí)行多個(gè)函數(shù)實(shí)例動(dòng)態(tài)處理業(yè)務(wù)負(fù)載峰值，如果有太多函數(shù)實(shí)例，可以終止空閑實(shí)例。無服務(wù)器以大規(guī)模并發(fā)模式執(zhí)行云函數(shù)程序，響應(yīng)事件驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)高并發(fā)，如圖1所示，云提供商負(fù)責(zé)配置和管理運(yùn)行程序的彈性計(jì)算云服務(wù)器，為用戶提供高可信、高彈性的云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施。

2.4 云函數(shù)冷啟動(dòng)

函數(shù)程序執(zhí)行之前，需要分配服務(wù)器、啟動(dòng)容器、初始化相關(guān)代碼、包、設(shè)置工作程序、在內(nèi)存中加載函數(shù)，運(yùn)行函數(shù)。無服務(wù)器函數(shù)收縮為零后，再次運(yùn)行將引發(fā)冷啟動(dòng)。冷狀態(tài)容器初始化需要消耗時(shí)間，當(dāng)啟動(dòng)多個(gè)函數(shù)并且每個(gè)函數(shù)都需要初始化容器時(shí)，將導(dǎo)致大量的系統(tǒng)延遲。當(dāng)容器處于暖狀態(tài)時(shí)，在內(nèi)存中已準(zhǔn)備就緒，可以立即為用戶請(qǐng)求提供函數(shù)服務(wù)，容器中函數(shù)實(shí)例運(yùn)行結(jié)束后，可以為該容器分配新實(shí)例，也可以使用定時(shí)事件周期性地運(yùn)行，保持容器為暖狀態(tài)，減少冷啟動(dòng)[10]。函數(shù)執(zhí)行時(shí)間是代碼執(zhí)行時(shí)間與初始化要執(zhí)行的代碼和容器所需的額外時(shí)間之和，通過優(yōu)化函數(shù)調(diào)用資源，使用暖狀態(tài)容器運(yùn)行函數(shù)實(shí)例，減少額外時(shí)間[11]。用函數(shù)執(zhí)行進(jìn)程中保存的快照恢復(fù)、預(yù)熱函數(shù)，減少函數(shù)副本的執(zhí)行時(shí)間，降低總體延遲[12]。

當(dāng)收到用戶請(qǐng)求時(shí)，平臺(tái)為用戶的每個(gè)請(qǐng)求分配一個(gè)函數(shù)實(shí)例。用戶首次請(qǐng)求觸發(fā)函數(shù)時(shí)，平臺(tái)立刻啟動(dòng)相關(guān)資源，這個(gè)過程將產(chǎn)生一定的冷啟動(dòng)時(shí)間。為減少冷啟動(dòng)，無服務(wù)器平臺(tái)預(yù)先初始化一批不同規(guī)格的容器放在資源池中，當(dāng)用戶請(qǐng)求進(jìn)入時(shí)，可以快速?gòu)馁Y源池申請(qǐng)一個(gè)容器運(yùn)行函數(shù)實(shí)例，從而降低資源申請(qǐng)的時(shí)間延遲。平臺(tái)根據(jù)歷史并發(fā)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，為用戶預(yù)留一定數(shù)量的容器，預(yù)先加載函數(shù)實(shí)例，不僅減少了冷啟動(dòng)，也提高了函數(shù)復(fù)用幾率和動(dòng)態(tài)伸縮性能。如果更新函數(shù)版本，則其后的函數(shù)請(qǐng)求都將重新冷啟動(dòng)，可以預(yù)先下載新版本函數(shù)并創(chuàng)建一些實(shí)例，逐步將用戶請(qǐng)求平滑遷移到新版本函數(shù)。

2.5 云函數(shù)調(diào)用模式

無服務(wù)器為用戶提供在資源池上構(gòu)建和托管事件驅(qū)動(dòng)應(yīng)用程序的能力，應(yīng)用程序工作流由一系列函數(shù)組成，由預(yù)定義的事件觸發(fā)運(yùn)行，根據(jù)用戶請(qǐng)求動(dòng)態(tài)分配資源。應(yīng)用程序中的計(jì)算邏輯由函數(shù)表征，可以將函數(shù)與其他云服務(wù)組合在一起，創(chuàng)建業(yè)務(wù)工作流。無服務(wù)器中的應(yīng)用程序工作流遵循事件驅(qū)動(dòng)模型，函數(shù)由事件觸發(fā)調(diào)用，由于函數(shù)無狀態(tài)，可以獨(dú)立伸縮。為確保開發(fā)人員將函數(shù)設(shè)計(jì)成小型獨(dú)立的代碼單元，平臺(tái)對(duì)函數(shù)的大小和運(yùn)行時(shí)環(huán)境進(jìn)行了限制，以函數(shù)為基本粒度，降低了開發(fā)難度。

云函數(shù)異步調(diào)用執(zhí)行模式主要有：序列模式、瀑布模式和并發(fā)模式。序列模式依次調(diào)用一系列函數(shù)，每個(gè)函數(shù)的運(yùn)行結(jié)果在序列結(jié)束后，進(jìn)行統(tǒng)一處理存入云數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖2所示。瀑布模式依次執(zhí)行一組函數(shù)，前一個(gè)函數(shù)的運(yùn)行結(jié)果傳遞給下一個(gè)函數(shù)，最后一個(gè)函數(shù)的運(yùn)行結(jié)果存入云數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖3所示。如果函數(shù)可以并發(fā)執(zhí)行而不需要等待其他函數(shù)結(jié)束，可以使用并發(fā)模式，每個(gè)函數(shù)的運(yùn)行結(jié)果分別存入云數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖4所示。

圖2 云函數(shù)異步調(diào)用執(zhí)行序列模式

圖3 云函數(shù)異步調(diào)用執(zhí)行瀑布模式

圖4 云函數(shù)異步調(diào)用執(zhí)行并發(fā)模式

3 無服務(wù)器架構(gòu)及其云原生應(yīng)用

無服務(wù)器計(jì)算是一種資源池化和資源利用的模型，包括操作系統(tǒng)、運(yùn)行時(shí)環(huán)境和應(yīng)用程序。無服務(wù)器計(jì)算被定義為一種軟件架構(gòu)，其中應(yīng)用程序被分解為觸發(fā)事件和動(dòng)作函數(shù)，并且提供無縫托管和運(yùn)行時(shí)環(huán)境。在無服務(wù)器計(jì)算中，云提供商管理數(shù)據(jù)中心、云函數(shù)、服務(wù)器、運(yùn)行時(shí)環(huán)境、第三方服務(wù)和微服務(wù)。開發(fā)人員專注于價(jià)值密度更高的業(yè)務(wù)邏輯，將應(yīng)用程序分解為多個(gè)相互依賴的函數(shù)集合，每個(gè)函數(shù)集合實(shí)現(xiàn)一部分業(yè)務(wù)功能，平臺(tái)管理資源供給和分配，使整體業(yè)務(wù)輕量化。

無服務(wù)器架構(gòu)可以分為兩個(gè)部分：函數(shù)即服務(wù)FaaS和后端即服務(wù)(Backend as a Service，BaaS)。FaaS將服務(wù)端代碼，從持久運(yùn)行的組件演化成短時(shí)運(yùn)行的函數(shù)實(shí)例。BaaS不再編寫、管理服務(wù)端組件，通過業(yè)務(wù)領(lǐng)域通用的遠(yuǎn)程組件為用戶提供服務(wù)，BaaS依賴于第三方服務(wù)和微服務(wù)，如加密、用戶認(rèn)證、云數(shù)據(jù)庫(kù)及后端微服務(wù)，可以直接在應(yīng)用程序中調(diào)用或者觸發(fā)函數(shù)調(diào)用。開發(fā)人員編寫函數(shù)部署到無服務(wù)器平臺(tái)，不用持久運(yùn)行進(jìn)程等待HTTP請(qǐng)求或API網(wǎng)關(guān)調(diào)用，而是通過事件驅(qū)動(dòng)觸發(fā)函數(shù)運(yùn)行。

無服務(wù)器平臺(tái)根據(jù)工作負(fù)載管理資源的分配和釋放，隨著應(yīng)用程序動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性的增加，動(dòng)態(tài)分配容器、監(jiān)控服務(wù)和響應(yīng)工作負(fù)載變化的任務(wù)越來越頻繁，通過組合函數(shù)即服務(wù)和后端即服務(wù)，開發(fā)人員可以快速構(gòu)建云原生應(yīng)用軟件。無服務(wù)器是自動(dòng)彈性擴(kuò)縮容的，業(yè)務(wù)高峰時(shí)，計(jì)算能力、容量自動(dòng)擴(kuò)展，承載更多的用戶請(qǐng)求，業(yè)務(wù)下降時(shí)，所使用的資源同時(shí)收縮。無服務(wù)器函數(shù)是按需啟動(dòng)的，函數(shù)僅在事件觸發(fā)時(shí)被加載運(yùn)行，空閑狀態(tài)下函數(shù)不占用計(jì)算資源。無服務(wù)器架構(gòu)解耦基礎(chǔ)設(shè)施與業(yè)務(wù)，應(yīng)用程序被解構(gòu)成若干個(gè)細(xì)粒度的無狀態(tài)函數(shù)，開發(fā)人員聚焦于單任務(wù)函數(shù)的開發(fā)、迭代和升級(jí)，快速實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)功能，縮短軟件上市時(shí)間。

無服務(wù)器架構(gòu)提供一種更小更靈活的動(dòng)態(tài)容器，函數(shù)由事件觸發(fā)在容器中運(yùn)行，程序不需要編譯，部署到平臺(tái)就可以運(yùn)行，開發(fā)人員重點(diǎn)關(guān)注業(yè)務(wù)流程、場(chǎng)景，以及對(duì)用戶需求的快速理解、迭代和實(shí)現(xiàn)。無服務(wù)器架構(gòu)及其云原生應(yīng)用，如圖5所示，在無服務(wù)器架構(gòu)中，沒有傳統(tǒng)的后端，Web應(yīng)用程序、Mobile APP、物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)設(shè)備等通過API網(wǎng)關(guān)與各種不同的函數(shù)進(jìn)行通信，也可以通過事件觸發(fā)器觸發(fā)函數(shù)運(yùn)行。API網(wǎng)關(guān)定義了路由和節(jié)點(diǎn)，每個(gè)路由與處理該路由的資源相關(guān)聯(lián)。當(dāng)API網(wǎng)關(guān)接收到請(qǐng)求時(shí)，查找與該請(qǐng)求匹配的路由配置，將HTTP請(qǐng)求參數(shù)映射到函數(shù)的輸入，或者將HTTP請(qǐng)求作為JSON對(duì)象傳遞給調(diào)用函數(shù)，函數(shù)執(zhí)行其業(yè)務(wù)邏輯并將結(jié)果返回到API網(wǎng)關(guān)，API網(wǎng)關(guān)將結(jié)果轉(zhuǎn)換成HTTP響應(yīng)，傳遞給原始調(diào)用方。

圖5 無服務(wù)器架構(gòu)及其云原生應(yīng)用

用戶可以直接和身份認(rèn)證、云數(shù)據(jù)庫(kù)、文件存儲(chǔ)等第三方服務(wù)通信,獲取相應(yīng)的服務(wù)功能，不需要經(jīng)過API網(wǎng)關(guān)，就可以在應(yīng)用程序中調(diào)用，節(jié)省了開發(fā)時(shí)間。查詢搜索微服務(wù)、支付微服務(wù)、數(shù)據(jù)分析微服務(wù)、通知微服務(wù)、日志微服務(wù)等可以通過事件觸發(fā)函數(shù)，調(diào)用后端微服務(wù)集成到應(yīng)用程序，為用戶提供相應(yīng)的業(yè)務(wù)功能。

4 結(jié) 語(yǔ)

無服務(wù)器計(jì)算是對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源、服務(wù)和運(yùn)維體系的抽象，無服務(wù)器應(yīng)用程序運(yùn)行成本低、構(gòu)建速度快、部署簡(jiǎn)單、自動(dòng)按需擴(kuò)展、節(jié)約成本和資源、細(xì)粒度、高效的軟件設(shè)計(jì)和更好的容錯(cuò)性，被越來越多的企業(yè)和軟件開發(fā)人員接受。在無服務(wù)器架構(gòu)中，函數(shù)即服務(wù)為開發(fā)人員提供函數(shù)的編碼、上傳和部署，并在高性能云平臺(tái)運(yùn)行，微服務(wù)后端即服務(wù)化,使開發(fā)人員更加重視領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。無服務(wù)器計(jì)算是一種新范式，切合云計(jì)算發(fā)展方向，為用戶提供強(qiáng)大的基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)，無服務(wù)器函數(shù)的快速開發(fā)、迭代、升級(jí)和復(fù)用，提高了軟件性能和開發(fā)效率。

未來低代碼甚至零代碼與無服務(wù)器的組合將是云計(jì)算的優(yōu)先解決方案，利用低代碼或零代碼平臺(tái)可視化實(shí)現(xiàn)通用服務(wù)，組合用戶定制函數(shù)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化服務(wù)。無服務(wù)器架構(gòu)將成為新的云計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)和最佳實(shí)踐，是開發(fā)人員和企業(yè)的優(yōu)選。