分层架构（Layered Architecture）

概述

分层架构是最经典和广泛使用的软件架构模式之一，它将系统组织成水平的层次结构，每一层都为上层提供服务，并作为下层的客户端。这种架构模式强调关注点分离，使得系统更易于理解、开发和维护。

架构图

┌─────────────────────────────────────┐
│           表示层 (Presentation)      │
│     ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
│     │   Web UI    │ │  Mobile App │ │
│     └─────────────┘ └─────────────┘ │
└─────────────────┬───────────────────┘
                  │
┌─────────────────┴───────────────────┐
│            业务层 (Business)         │
│  ┌─────────────┐ ┌─────────────────┐ │
│  │ 业务逻辑服务  │ │   业务规则引擎   │ │
│  └─────────────┘ └─────────────────┘ │
└─────────────────┬───────────────────┘
                  │
┌─────────────────┴───────────────────┐
│           持久层 (Persistence)       │
│  ┌─────────────┐ ┌─────────────────┐ │
│  │  数据访问层  │ │    缓存管理     │ │
│  └─────────────┘ └─────────────────┘ │
└─────────────────┬───────────────────┘
                  │
┌─────────────────┴───────────────────┐
│           数据层 (Database)          │
│  ┌─────────────┐ ┌─────────────────┐ │
│  │  关系数据库  │ │    文件系统     │ │
│  └─────────────┘ └─────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────┘

核心概念

1. 表示层（Presentation Layer）

职责：

• 处理用户界面和用户交互
• 接收用户输入并显示输出
• 格式化数据以供显示
• 处理用户会话管理

组件：

• Web界面（HTML/CSS/JavaScript）
• 移动应用界面
• 桌面应用界面
• API控制器

特点：

• 不包含业务逻辑
• 专注于用户体验
• 可以有多种实现形式

2. 业务层（Business Layer）

职责：

• 实现核心业务逻辑
• 执行业务规则和验证
• 协调不同业务组件
• 处理业务流程

组件：

• 业务服务类
• 业务规则引擎
• 工作流引擎
• 业务实体模型

特点：

• 独立于表示层和数据层
• 包含系统的核心价值
• 可重用性强

3. 持久层（Persistence Layer）

职责：

• 提供数据访问抽象
• 管理数据库连接
• 实现数据的CRUD操作
• 处理数据映射和转换

组件：

• 数据访问对象（DAO）
• 对象关系映射（ORM）
• 数据库连接池
• 缓存管理器

特点：

• 隔离业务层和数据层
• 提供统一的数据访问接口
• 支持多种数据源

4. 数据层（Database Layer）

职责：

• 存储和管理数据
• 保证数据完整性
• 提供数据查询能力
• 处理并发访问

组件：

• 关系型数据库
• NoSQL数据库
• 文件系统
• 外部数据源

设计原则

1. 单向依赖原则

表示层 → 业务层 → 持久层 → 数据层

• 上层可以调用下层
• 下层不能直接调用上层
• 避免循环依赖

2. 关注点分离

• 每层专注于特定职责
• 层间接口清晰定义
• 降低耦合度

3. 抽象隔离

• 通过接口定义层间交互
• 隐藏实现细节
• 便于替换和扩展

架构变体

1. 严格分层架构

┌─────────────┐
│   表示层    │
└──────┬──────┘
       │ 只能调用业务层
┌──────▼──────┐
│   业务层    │
└──────┬──────┘
       │ 只能调用持久层
┌──────▼──────┐
│   持久层    │
└──────┬──────┘
       │ 只能调用数据层
┌──────▼──────┐
│   数据层    │
└─────────────┘

特点：

• 严格的层次调用关系
• 更好的封装性
• 可能影响性能

2. 开放分层架构

┌─────────────┐
│   表示层    │ ──┐
└──────┬──────┘   │
       │          │ 可以跨层调用
┌──────▼──────┐   │
│   业务层    │ ──┤
└──────┬──────┘   │
       │          │
┌──────▼──────┐   │
│   持久层    │ ◄─┘
└──────┬──────┘
       │
┌──────▼──────┐
│   数据层    │
└─────────────┘

特点：

• 允许跨层调用
• 更好的性能
• 可能增加耦合度

优势

1. 易于理解和开发

• 清晰的层次结构
• 职责分明
• 学习成本低

2. 便于维护

• 修改影响范围可控
• 易于定位问题
• 代码组织清晰

3. 可重用性

• 业务层可被多个表示层使用
• 持久层可支持多种数据源
• 组件可独立测试

4. 团队协作

• 不同团队可负责不同层
• 并行开发
• 技能专业化

劣势

1. 性能开销

• 层间调用开销
• 数据在层间传递
• 可能的序列化成本

2. 过度设计风险

• 简单功能可能被过度分层
• 增加不必要的复杂性
• 代码量增加

3. 跨层访问困难

• 严格分层限制灵活性
• 某些场景需要跨层优化
• 可能导致性能问题

4. 单体架构限制

• 难以独立部署
• 技术栈相对固定
• 扩展性有限

适用场景

1. 传统企业应用

• 业务逻辑复杂
• 数据一致性要求高
• 用户界面相对稳定

2. 中小型项目

• 团队规模适中
• 技术栈相对统一
• 开发周期较短

3. 学习和原型开发

• 概念清晰易懂
• 快速搭建原型
• 教学示例

实施建议

1. 层次划分

• 根据业务复杂度确定层数
• 避免过度细分
• 保持层次清晰

2. 接口设计

• 定义清晰的层间接口
• 使用依赖注入
• 面向接口编程

3. 数据传输

• 使用DTO（数据传输对象）
• 避免直接传递实体对象
• 控制数据传输量

4. 异常处理

• 统一异常处理机制
• 层间异常转换
• 记录和监控

与其他架构的关系

1. 向微服务演进

• 业务层可拆分为微服务
• 持久层可独立部署
• 渐进式重构

2. 结合DDD

• 业务层采用领域驱动设计
• 更好的业务建模
• 清晰的边界上下文

3. 云原生改造

• 各层容器化部署
• 水平扩展能力
• 服务发现和配置管理

总结

分层架构作为最基础的架构模式，为软件系统提供了清晰的组织结构和职责分离。虽然在现代分布式系统中可能显得相对简单，但它仍然是许多复杂架构的基础，特别适合传统企业应用和中小型项目。

选择分层架构时，需要权衡其简单性和性能之间的关系，并根据具体的业务需求和技术约束做出合适的设计决策。随着系统的发展，分层架构也可以作为向更复杂架构演进的起点。