前言

微內(nèi)核架構(gòu) （Microkernel Architecture），也被稱為 插件式架構(gòu) （plug-in architecture），作為一個在幾十年前就被創(chuàng)建出來的架構(gòu)模式，它如今仍然被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域中。比如在Web瀏覽器領(lǐng)域，谷歌的Chrome瀏覽器之所以被認為功能強大，一個很重要的原因是它有著豐富的插件類型；在開發(fā)工具領(lǐng)域，微軟的VS Code初始安裝后還只是個簡單的文本編輯器，但用戶可以安裝各種插件，從而讓它搖身一變成為功能強大的IDE。

Chrome和VS Code都是微內(nèi)核架構(gòu)的典型應(yīng)用例子，它們提供一個具備最基礎(chǔ)能力的核心系統(tǒng)，并定義好插件的開發(fā)接口。至于需要開發(fā)或安裝哪種類型的插件，則完全由普通開發(fā)者和用戶決定，這樣的設(shè)計讓系統(tǒng) 具備了極強的可定制化和可擴展能力 。

架構(gòu)視圖

微內(nèi)核架構(gòu)由以下兩部分組成： 核心系統(tǒng) （core system）和 插件 （plug-in component）， 將應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯拆分成核心系統(tǒng)和插件，能夠提供很好的可擴展性和靈活性，極大地方便了后續(xù)需求的新增和修改 。

微內(nèi)核架構(gòu)架構(gòu)視圖

核心系統(tǒng)

核心系統(tǒng)通常只需提供能夠支撐整個系統(tǒng)正常運行的基本功能 ，比如前文所舉的VS Code例子，用戶初始安裝的是VS Code的核心系統(tǒng)，它只是一個提供了打開文件、編輯文件內(nèi)容和保存文件等基本功能的文本編輯器，其他的擴展功能（如語法檢查）都是通過安裝插件集成的。 將復雜的業(yè)務(wù)邏輯從核心系統(tǒng)中剝離出來，并通過插件實現(xiàn)，能夠提升系統(tǒng)的可擴展性和可維護性 。同時，因為復雜的功能都成了互不干擾的插件，系統(tǒng)的可測性也得到了提高。

考慮現(xiàn)在需要實現(xiàn)一個電子設(shè)備回收系統(tǒng)，在回收之前，每種型號的手機設(shè)備的回收流程都不一樣，那么我們可以這樣去實現(xiàn)：

public void assessDevice(String deviceID) {
   if (deviceID.equals("iPhone6s")) {
      assessiPhone6s();
   } else if (deviceID.equals("iPad1"))
      assessiPad1();
   } else if (deviceID.equals("Galaxy5"))
      assessGalaxy5();
   } else ...
      ...
   }
}

如果我們把assessDevice看成是核心系統(tǒng)，那么后面每次新增一個型號的手機，都需要新增一個if分支，也即對核心系統(tǒng)進行了改動。這樣的設(shè)計會導致核心系統(tǒng)非常地脆弱，正所謂 改的越多，出問題的概率也越大 。

比起這種將所有的可定制業(yè)務(wù)邏輯放在核心系統(tǒng)上的設(shè)計，更好的應(yīng)該是將它們實現(xiàn)為插件的形式，這樣不僅每個設(shè)備回收邏輯都解耦了，還提供了強大的可擴展性：添加一個新的回收設(shè)備類型，只需新增一種插件即可，核心系統(tǒng)無需變動。

public void assessDevice(String deviceID) {
  String plugin = pluginRegistry.get(deviceID);
 DevicePlugin devicePlugin =
  (DevicePlugin)constructor.newInstance();
 DevicePlugin.assess();
}

微內(nèi)核架構(gòu)在實現(xiàn)時通常都結(jié)合了其他架構(gòu)模式 ，這主要體現(xiàn)在核心系統(tǒng)的設(shè)計上，比如根據(jù)具體的業(yè)務(wù)特點，我們可以將核心系統(tǒng)設(shè)計成technically partitioned的分層架構(gòu)，或者是domain partitioned的模塊化架構(gòu)。

核心系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計

插件

插件就是一些包含了定制化業(yè)務(wù)邏輯、擴展功能、附加功能的獨立組件，用于擴充核心系統(tǒng)的功能 。插件之間是獨立的，插件與核心系統(tǒng)之間則一般是“點對點”通信：核心系統(tǒng)通過調(diào)用插件提供的接口（比如插件類的方法）使用擴展功能。

插件可以劃分為編譯時插件和運行時插件兩種類型，前者每次變更都需要重新構(gòu)建和部署整個系統(tǒng)，但實現(xiàn)較為簡單；后者則可以在系統(tǒng)運行時進行插件的新增和刪除操作，相對地，實現(xiàn)也較為復雜。

編譯時插件

在編譯時插件中，插件通常以package或namespace實現(xiàn)，比如在package中可以以這樣的命名規(guī)則來區(qū)分插件：app.plug-in..。

編譯時插件實現(xiàn)

運行時插件

運行時插件中插件的實現(xiàn)通常是動態(tài)庫的形式，比如.jar 、.so、.dll文件。在上述的設(shè)備回收系統(tǒng)的例子中，每種型號的手機設(shè)備回收邏輯包含在一個獨立的.jar文件中：

運行時插件實現(xiàn)

遠端插件

當然，插件和核心系統(tǒng)并非只能通過本地接口調(diào)用進行通信，還可以采用REST/消息隊列/RPC等方式，這種場景下，插件就變成了一個獨立部署的服務(wù)。遠程插件具備運行時插件的特點，而且能夠提供更好的scalability： 插件和核心系統(tǒng)甚至都不必使用相同的技術(shù)棧實現(xiàn)，只需遵守既定的REST接口即可 。

遠端插件

為了提升系統(tǒng)處理請求的responsiveness，我們還可以將核心系統(tǒng)調(diào)用插件的過程實現(xiàn)為異步通信 。以前文的電子設(shè)備回收系統(tǒng)為例，在異步通信的架構(gòu)下，系統(tǒng)通過一個線程觸發(fā)插件啟動對某個設(shè)備的回收流程。之后，該線程無需一直等待回收結(jié)束，它可以去繼續(xù)回收別的設(shè)備。當設(shè)備回收結(jié)束后，插件會通過異步隊列告知核心系統(tǒng)。這樣的異步設(shè)計可以減少無謂的等待流程，明顯改善系統(tǒng)的responsiveness。

如果涉及到讀寫數(shù)據(jù)庫，為了能夠維持插件的獨立性，每個插件最好能夠擁有獨立的數(shù)據(jù)庫 。如果插件間有著無可避免的數(shù)據(jù)交互，則可以為核心系統(tǒng)配置一個中心數(shù)據(jù)庫，并通過它來進行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。

插件的的獨立數(shù)據(jù)庫

插件中心

核心系統(tǒng)在加載插件前，必須得知道 當前有哪些可用的插件 ，以及 這些插件在哪里可以獲取 。這要求系統(tǒng)有一個地方去管理插件，這就是 插件中心 （plug-in registry）的功能。插件中心類似于服務(wù)化架構(gòu)中服務(wù)注冊中心的作用，它保存了所有插件的基本信息，包括名稱、數(shù)據(jù)契約、通信協(xié)議、加載地址等。

我們可以簡單地將插件中心實現(xiàn)為一個本地的map表，其中key可以是插件名稱，value為獲取插件的地址：

Map<String, String> registry = new HashMap<String, String>();
static {
  //point-to-point access example
  registry.put("iPhone6s", "Iphone6sPlugin");

  //messaging example
  registry.put("iPhone6s", "iphone6s.queue");

  //restful example
  registry.put("iPhone6s", "https://atlas:443/assess/iphone6s");
}

為了實現(xiàn)一些較為復雜的功能，如插件上下線通知等，我們還可以借助Apache ZooKeeper、ETCD這類的分布式協(xié)同系統(tǒng)實現(xiàn) 遠程插件中心 。

通信契約

通信契約定義了插件與核心系統(tǒng)之間的通信方式、交互行為和數(shù)據(jù)格式。通信方式可以是本地接口調(diào)用、REST、RPC、消息隊列等；交互行為則可以理解為插件對核心系統(tǒng)提供的接口，比如本地的函數(shù)/方法、REST的URI等；對本地插件而言，數(shù)據(jù)格式通常是一個類/結(jié)構(gòu)體，對遠程插件而言，常用的數(shù)據(jù)格式有JSON、XML、ProtoBuf等。

考慮電子設(shè)備回收系統(tǒng)的例子，系統(tǒng)有著如下定義的通信契約：

public interface AssessmentPlugin {
  // 回收設(shè)備流程
 public AssessmentOutput assess();
  // 將該插件注冊到插件中心
 public String register();
  // 從插件中心去注冊
 public String deregister();
}

public class AssessmentOutput {
  // 回收報告，僅僅用于展示結(jié)構(gòu)給用戶看，核心系統(tǒng)無需了解該格式
 public String assessmentReport;
  // 用于標識該設(shè)備是否可以在二手市場上重新售賣
 public Boolean resell;
  // 表示該設(shè)備的價值
 public Double value;
  // 表示推薦的售賣價格
 public Double resellPrice;
}

從該契約定義中可以看出，通信方式為本地接口調(diào)用（AssessmentPlugin接口）；它有著3個交互行為，assess()為回收設(shè)備流程、register()表示將該插件注冊到插件中心、deregister表示去注冊；數(shù)據(jù)格式則是AssessmentOutput類，它定義了回收流程的結(jié)果。

架構(gòu)評分

微內(nèi)核架構(gòu)的架構(gòu)評分

和之前介紹的分層架構(gòu)、管道架構(gòu)一樣，微內(nèi)核架構(gòu)同樣屬于單體架構(gòu)，因此Simplicity和Overall cost是該架構(gòu)模式主要優(yōu)勢；而Elasticity、Fault tolerance和Scalability是主要劣勢。

另外，微內(nèi)核架構(gòu)的Testability、Deployability、Reliability、Modularity之所以能夠取得3顆星，得益于不同的功能能夠被拆分至獨立的插件上，特別地，運行時插件的增刪無需重新部署系統(tǒng)。 這使得系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)需求變更，具備很高的擴展性 。比如對于前面的電子設(shè)備回收系統(tǒng)，如果需要新增一種新的電子設(shè)備回收流程，只需新增一個插件即可；如果某種設(shè)備不再需要回收，則去除對應(yīng)插件即可。

微內(nèi)核架構(gòu)比較特別的一點是，它既可以是technically partitioned，也可以是domain partitioned，這取決于核心系統(tǒng)的實現(xiàn)方式，前文也有介紹。

總結(jié)

Robert C.Martin曾經(jīng)說過， 軟件開發(fā)技術(shù)發(fā)展的歷史就是一個如何想方設(shè)法方便地增加插件，從而構(gòu)建一個可擴展、可維護的系統(tǒng)架構(gòu)的故事 。在敏捷開發(fā)的潮流之下，需求的變更如同家常便飯，系統(tǒng)不應(yīng)該因為某一部分發(fā)生變更從而導致其他不相關(guān)的部分出現(xiàn)問題。將系統(tǒng)設(shè)計為微內(nèi)核架構(gòu)，就等于構(gòu)建起了一面變更無法逾越的防火墻，插件發(fā)生的變更就不會影響系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)邏輯。

微內(nèi)核架構(gòu)的設(shè)計思想，能夠極大提升系統(tǒng)的可擴展性和健壯性 ，在其他的一些軟件方法論里，我們也隱約能看到它的影子。比如在領(lǐng)域驅(qū)動設(shè)計中，領(lǐng)域?qū)?/strong>就相當于核心系統(tǒng)，它定義了系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)邏輯；基礎(chǔ)設(shè)施層則相當于插件，切換不同的基礎(chǔ)設(shè)施并不會影響系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯，這得益于基礎(chǔ)設(shè)施層依賴倒置的設(shè)計原則。