云原生基础与微服务

🎯学习目标

• 掌握 CNCF 对云原生的定义及四大核心要素；
• 了解 12 要素应用（12Factor App）的核心原则；
• 对比单体架构与微服务架构，理解服务拆分策略与原则；
• 掌握微服务通信方式（REST / gRPC / 消息队列）及选型；
• 理解服务注册与发现、负载均衡、API 网关；
• 掌握熔断器、限流、降级等容错模式与 Docker Compose 编排。

1云原生的定义（CNCF）

拆解理解：
• Cloud：应用长在云上（具备云计算五大本质：按需自服务、弹性扩展、资源池化、网络访问、按量计费）；
• Native：应用从写代码第一天起，就是为适应云环境而设计的。

2四大核心要素 ⭐

可变 vs 不可变基础设施

3十二要素应用（12Factor App）

由 Heroku 联合创始人 Adam Wiggins 于 2011 年提出，为构建现代 SaaS 应用提供最佳实践指南。

4单体架构 vs 微服务架构 ⭐

单体架构：一个紧密耦合的整体，开发快、部署简单，但难以独立扩展和迭代。
微服务（Martin Fowler & James Lewis, 2014）：将应用构建为一组小型、自治的服务，每个围绕特定业务能力构建，独立部署，通过轻量级机制（通常 HTTP API）通信。

核心特征与对比

微服务核心特征：单一职责、独立部署、独立扩展、技术异构、轻量级通信、去中心化治理、去中心化数据（Database per Service）、容错设计（熔断/降级/重试）。

5服务拆分策略与原则

如何确定服务边界？

• ① 按业务领域拆分（DDD）：基于领域驱动设计的限界上下文（Bounded Context），每个上下文对应一个微服务。例：电商系统 = 用户服务 + 商品服务 + 订单服务 + 支付服务 + 库存服务。
• ② 按数据边界拆分：每服务拥有自己的数据库，服务间不直接访问对方数据库，通过 API 或事件交换数据。
• ③ 按变更频率拆分：变更频率高的功能独立为服务，稳定功能保持在一起。

拆分原则

6微服务通信方式：REST vs gRPC

同步通信

syntax = "proto3";
service UserService {
  rpc GetUser (GetUserRequest) returns (User) {}
  rpc ListUsers (ListUsersRequest) returns (stream User) {}   // 服务端流式
}
message GetUserRequest { string user_id = 1; }
message User { string id = 1; string name = 2; string email = 3; }

异步通信：消息队列

以消息队列为核心（Kafka、RabbitMQ），将生产者消息暂存并异步交付给消费者，实现服务解耦。优势：削峰填谷、保障最终一致性。适用于事件通知、异步处理、跨服务数据同步。

7服务发现与注册

微服务实例 IP/端口动态变化（扩缩容、故障重启、迁移），硬编码地址行不通，需动态发现服务位置。

主流服务注册中心

8负载均衡

将流量/负载分发到多个实例，提高可用性、提升性能、避免单点过载。

9容错模式：熔断 / 限流 / 降级 ⭐

问题：级联故障（雪崩效应）

A 调 B、B 调 C，若 C 崩溃 → B 线程阻塞 → 线程池耗尽 → A 也阻塞 → 整条链路崩溃。

熔断器三种状态

配套容错模式

重试 Retry（配合指数退避）、超时 Timeout（防长时间阻塞）、舱壁 Bulkhead（资源隔离，独立线程池/连接池）、降级 Fallback（返回默认值或缓存）。

限流算法

降级策略

返回默认值（推荐服务降级→热门商品）、返回缓存（用户画像降级→缓存画像）、功能裁剪（高峰关闭评论/推荐）、流量排队（秒杀排队）。

10API 网关与 Docker Compose

API 网关

微服务架构的统一入口，接收所有客户端请求，进行路由、认证、限流、协议转换后转发到后端微服务。功能：请求路由、认证鉴权、限流熔断、负载均衡、协议转换（外部 REST → 内部 gRPC）、请求聚合、日志监控。

Docker Compose 多容器编排

用于定义和运行多容器 Docker 应用，使用 YAML 描述服务、网络和卷，一次声明、一键拉起整个集群（docker-compose up）。五大顶级 key：services、networks、volumes、configs、secrets。

services:
  gateway:
    build: ./gateway
    ports: ["8080:80"]
    depends_on: [userservice]
    networks: [frontend, backend]
  userservice:
    image: user:latest
    environment: [DB_HOST=userdb]
    networks: [backend]
  userdb:
    image: postgres:15
    volumes: [./data:/var/lib/postgresql/data]
    networks: [backend]
networks:
  frontend:            # 外部可访问
    driver: bridge
  backend:             # 内部服务网络
    driver: bridge
    internal: true     # 禁止外部访问

⭐重点例题

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