容器化概觀：微服務 vs. 單體架構的取捨，容器與虛擬化的差異，為什麼這門課選用 Docker 管理容器

前面的章節專注在單一台伺服器上，把 Nginx、Express、WebSocket、SQLite、HTTPS 一路串起來。這一章要換個視角，討論當系統規模擴大到需要多台伺服器協作時該怎麼組織：微服務架構、容器化，以及這些概念背後解決的問題。這一節只涵蓋容器化的基本觀念，多台容器之間怎麼協調（orchestration）、怎麼分配流量，是另一個更龐大的主題，這裡不會深入。

微服務 vs. 單體架構

微服務架構（microservice architecture）是一種由多個鬆散連接的服務組成的軟體架構。它的對照組是單體架構（monolith）：整個系統集中在一個巨大的程式庫裡，例如一整個 PHP 專案，或是用 Python 的 Django 把所有功能都寫在同一個專案裡。這兩者也不是互斥的，一個單體應用程式也可以再串接一堆微服務。

兩種架構各有取捨：

• 單體架構的優點：通常只用一種語言開發，所有人在同一個程式庫裡工作，彼此很清楚對方在做什麼，程式碼衝突的機會也比較低
• 微服務架構的優點：不同服務可以用最適合的語言與框架開發，例如一個團隊寫 React、另一個團隊寫 Angular，甚至也可以用 Java 或 Groovy，只要彼此不需要直接共用程式碼
• 微服務架構的缺點：協調成本高。當每個服務都用不同語言開發、對 API 的設計想法也不同，怎麼讓這些服務之間順利溝通，就變成一個需要額外處理的問題

這種取捨跟 Netflix「自由與責任」的文化很類似：微服務給了每個團隊自由選擇技術棧的空間，但也讓每個團隊必須自己負責跟其他服務對接的責任。近年來微服務越來越受歡迎，主要是因為單一服務的邏輯更容易理解，也能讓不同專長的工程師各自負責自己熟悉的部分；但微服務終究還是需要額外的管理成本，沒有哪一種架構是萬用解答。

容器化跟虛擬化的差異

要實現微服務架構，仰賴的技術是容器化（containerization），概念上跟虛擬化（virtualization）類似，但又更進一步。虛擬化是把一整台實體伺服器切成好幾個獨立的區塊，就像前面買的 VPS（Virtual Private Server）：一台實體主機被切成好幾份，每一份都是一台獨立的虛擬伺服器。

容器化則是把這個概念套用到單一服務的層級。以這門課實作的伺服器為例，目前 Node.js、Nginx、SQLite 全部跑在同一台伺服器上；如果改用容器，就可以把每個服務拆成各自獨立的容器，例如 Node.js 應用程式是一個容器，Nginx 是另一個完全獨立的容器。

這種拆分帶來一個關鍵好處：不同的容器可以在不同時間點各自更新，不會互相干擾。前面每次修改 Nginx 設定，都得重新啟動整個服務，導致網站在那幾秒鐘完全無法回應；如果 Nginx 本身是跑在容器裡的，更新時可以先更新一半的容器，讓另一半繼續正常服務，等全部更新完成後再把流量切換過去，這樣就能做到零停機（zero downtime）更新，這是軟體工程領域相對晚近才普及的概念。

容器的優勢

容器已經成為雲端運算除了虛擬化之外最核心的技術。有了容器，才可能買進一批批伺服器資源，各自跑著應用程式的一小塊，進而讓系統能夠很有效率地水平擴展。這種規模在小型專案上不容易感受到，但像 Netflix 這種規模的公司，光是網站本身就同時運行著數千個容器，資料庫也是數千個實例在同時運作；靠容器化把這一切自動化，遠比手動建立上百台 Ubuntu 伺服器、再逐一照著前面幾章的步驟設定，要有效率得多。

容器最大的特點是跟作業系統無關（OS-agnostic）。這門課目前都在 Ubuntu 上操作，但容器不在乎底層跑的是 Ubuntu、macOS、Red Hat 還是 Fedora，只要有能解析容器規格的執行層，容器就能在任何地方跑起來。這門課會使用 Docker，是目前容器管理領域最主流的工具，其他常見的選擇還有 Amazon ECS、Apache Mesos、CoreOS rkt 等。

容器的優勢可以整理成幾點：

• 輕量：只跑真正需要的那個應用程式，沒有多餘的東西
• 可攜：可以在不同作業系統之間自由搬移
• 開發體驗好：下載別人建好的容器映像檔（image），很快就能在本機跑起來
• 易於管理：跟前面實作 WebSocket 搭配資料庫時的經驗一樣，串接的元件越多，出錯的環節也越多；如果每個容器只跑一個應用程式，出問題時要排查的範圍會小很多
• 啟動快：因為容器裡只有一個應用程式，啟動速度自然比較快
• 把應用程式跟底層基礎設施解耦：這是容器最重要的價值。前面一直強調走 Ubuntu 加 Nginx 這條「standard path」，好處是能直接沿用大量現成工具；但容器讓應用程式完全不需要在乎底層基礎設施或作業系統是什麼，寫好的程式可以到處跑

複習

單體架構跟微服務架構最主要的差異是什麼？

單體架構是一個龐大、通常用單一語言開發、放在同一個程式庫裡的應用程式；微服務架構則是由多個鬆散連接的服務組成，各服務可以用不同語言開發、獨立管理。

容器化的主要優點有哪些？

容器輕量、可以跨作業系統移植、易於管理、啟動速度快，並且能把應用程式跟底層基礎設施解耦。因為每個容器只跑真正需要的應用程式，不會有多餘的負擔。

實作微服務架構時會遇到什麼挑戰？

不同服務之間的協調會變得複雜，因為每個服務可能用不同語言開發、API 設計方式也不一樣，需要額外的溝通與整合機制才能讓它們順利串接。

容器怎麼做到零停機更新？

把不同的元件拆到各自獨立的容器裡，更新時可以先更新一部分容器，讓其他容器繼續正常運作，等全部更新完成後再快速把流量切換過去，避免整個系統因為更新而停機。

容器跟傳統的虛擬化有什麼不同？

虛擬化是把一整台伺服器切分成幾個獨立區塊；容器則更進一步，把每個服務拆成獨立、輕量的單位，只跑真正需要的應用程式，因此效率更高，也更容易在不同作業系統之間移植。

小測驗

單體架構跟微服務架構最主要的差異是什麼？

單體應用程式是單一龐大的程式庫，微服務則是由多個鬆散連接的服務組成

實作微服務架構時，最主要的挑戰是什麼？

協調用不同語言撰寫的服務之間的溝通

容器跟傳統虛擬化有什麼不同？

容器只會執行真正需要的那個應用程式，沒有額外的負擔

使用微服務架構的一個關鍵優點是什麼？

不同團隊可以各自獨立使用自己偏好的程式語言與框架

此文章是 FrontendMasters 上的 Full Stack Fundamentals, v3 課程筆記