可扩展架构

可扩展架构

可扩展架构是一种能够随着工作负载增加而扩展的架构。换句话说，如果工作负载超出了现有软件和硬件的容量，您可以通过扩展系统（包括软件和硬件）来应对更大的工作负载。

可扩展性因素

当您扩展系统的硬件容量时，理想情况下，系统能够处理的工作负载也应当以相同的比例扩展。如果硬件容量增加一倍，系统应当能够处理两倍的工作负载。这种理想的情况被称为“线性可扩展性”。

然而，线性可扩展性往往难以实现。扩展硬件通常会带来一些额外的开销，这意味着硬件容量增加一倍时，系统所能处理的工作负载往往不足两倍。

在扩展硬件时，系统可以处理的额外工作负载就构成了系统的可扩展性因素。可扩展性因素可能因扩展的系统部分而异。

垂直和水平可扩展性

扩展系统的方式主要有两种：垂直扩展和水平扩展。

垂直扩展

垂直扩展是指通过将软件部署到硬件更强大的计算机上来扩展系统。新的计算机通常具有比现有计算机更强大的 CPU、更多内存、更快的硬盘等硬件资源。

水平扩展

水平扩展则是通过增加更多部署了软件的计算机来扩展系统。新增的计算机一般具有与当前计算机相同的硬件容量，或者与现有硬件在购买时的性能相当（随着时间的推移，计算机性能会不断提升）。

架构可扩展性要求

从开发者的角度来看，垂直扩展是扩展软件最简单的方法。您只需将软件部署到更强大的机器上，性能便能得到提升。然而，一旦您满足了标准硬件要求，继续购买更强大的 CPU、更大更快的内存模块和硬盘等，额外的性能提升将不成比例地增加成本。更重要的是，如果您的软件没有优化以利用更多的 CPU，那么即使添加更多 CPU，性能也不会得到显著提升。

相较之下，水平扩展的实现较为复杂。为了使您的软件能够充分利用多台计算机，软件需要具备并行执行任务的能力。软件并行任务执行的能力越强，其水平扩展的潜力就越大。

任务并行化

任务的并行化可以在多个层面上实现：

• 将独立的任务分配到不同的计算机上。
• 将独立的任务分配到同一计算机上的不同 CPU 上。
• 将独立的任务分配到同一 CPU 上的多个线程中。

此外，您还可以利用计算机上的特殊硬件，例如具有多个 CPU 核心的显卡，或者 InfiniBand 网络接口卡等。

负载平衡

将任务分配到多个计算机上通常称为“负载平衡”。负载平衡将在未来的文章中更详细探讨。

多任务处理与多线程

在同一台计算机上执行多个不同的应用程序（可能使用同一个 CPU 或不同的 CPU）称为“多任务处理”。多任务处理通常由操作系统来管理，因此软件开发者不需要过多干预。开发者需要关注的则是如何将应用程序分解为更小、更独立但又能协作的进程，这些进程可以被分配到不同的 CPU 或计算机上。

将同一应用程序内的任务分配到不同的线程上称为“多线程”。我有一篇关于 Java 多线程的单独教程，因此这里不再深入探讨该话题。

完全并行化

为了实现完全的并行化，任务必须独立于其他并行执行的任务。这意味着每个并行任务不应依赖于其他任务的数据或状态。

为了能够完全分发任务到任意计算机上，任务必须能够访问执行所需的数据。具体而言，这取决于您开发的应用程序类型，因此在这里无法详细展开。