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Für und Wider Microservices

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Serviceorientierte Architektur – das Buzzword ist in alle Munde. Auch ich darf mich regelmäßig im Rahmen meiner Arbeit mit diesem Architektur-Typ auseinander setzen.

Die Idee an und für sich ist ja schon interessant: Funktionen werden über wohldefinierte Schnittstellen (z.B. REST) angeboten, wie die Antwort zu einem Request entsteht ist dann völlig unerheblich – das reicht von einer anderen Programmiersprache bis hin zu einem vollständig anderen physikalischen System. Modularisierung auf die Spitze getrieben. Eigentlich der Traum eines jeden Entwicklers sollte man meinen. Minimale Kopplung, wenn ein Service ersetzt werden soll, muss nur noch die Schnittstelle erhalten bleiben, und man kann es sogar ganz einfach umstellen.

Klingt ja erst mal alles vernünftig, aber jede Medaille (und jede Technik) hat bekanntlich zwei Seiten. Wo ist die Schattenseite der Service-Orientierung?

Ein kurzer Ausflug in die Historie hilft uns das Konzept besser zu verstehen. Schon seit geraumer Zeit haben wir uns an eine Art Gewaltenteilung gewöhnt: Daten „leben“ in der Regel in einem eigenen Umfeld, das unterschiedlich ausgestaltet sein kann – sei es eine relationale Datenbank (die es wiederum in verschiedensten Geschmacksrichtungen gibt: MySQL, MariaDB, Postgreß, DB2, etc), in Dateien oder auch in den modernen NoSQL-Datenbanken. Wichtig dabei ist nur: Man sollte die Datenhaltung so wählen, dass sie zum Anwendungszweck passt. Der Blick über den Tellerrand hat auch hier noch nie geschadet: Nur weil man bisher alles in ein relationales Schema gepresst hat, muss das für eine (neue) Anwendung noch lange nicht eine gute Wahl sein.

Ohne es sich groß bewusst zu machen, haben wir hier die erste Stufe einer Service-Orientierung eingeführt – angesprochen wird der Service über eine definierte Schnittstelle. In ganz vielen Fällen ist die Schnittstelle in der Sprache der eigentlichen Applikation bereits etwas abstrahiert um sie leichter nutzen zu können (auch bekannt als „Connector“). Ein ähnliches Konstrukt mit einem anderen Focus hat bereits Dan Bernstein für qmail verwendet. Triebfeder dort war die Sicherheit – auch das bietet eine definierte, gekapselte Schnittstelle.

Ist die Sache mit den Services also nur „neuer Wein in alten Schläuchen“? Ganz so einfach ist es nicht, es hat sich doch einiges geändert – die Schnittstellen haben sich verändert – weg von festen Techniken wie etwa einem MySQL-Adapter – hin zu gerneralisierten Schnittstellen wie SOAP oder JSON als Transport-Kappsel. Das hat natürlich Vorteile – man kann die Services etwas weiter auseinander ziehen, z.B. auf spezielle Server mit angepasster Hardware oder etwa einen zentralen Authentifizierungs-Server für Single-Sign-On.

Ein weiterer oftmals genannter Vorteil ist die Skalierbarkeit: Wenn mehrere Rechner den gleichen Service anbieten, dann kann man die Last darauf gleichmäßig verteilen. Besonders sinnvoll ist es wenn man die Server-Funktion dann noch fachlich genauer eingrenzen kann. So kann man sich vorstellen, dass man mehrere Server aufsetzt und dann alphabetisch anhand der Nutzernamen aufteilt – natürlich so, dass jeder Server im Zweifel die Aufgaben eines anderen nutzen kann – aber durch die Spezialisierung wirken Cache-Mechanismen um ein Vielfaches besser.

Soweit die vielen positiven Aspekte (es gibt noch einige mehr). Aber jede Medaille hat ja zwei Seiten. Was sind Nachteile einer derartigen Struktur?

Ausfallsicherheit gibt es nicht ohne Preis – es müssen ggf. mehrere Server gestartet werden, auch wenn das heute durch Container und Virtualisierungslösungen einfacher geworden ist, man muss sich im administrativen um eine ganze Menge mehr Maschinen kümmern.

Die nächste Stelle an der man mehr Aufwand hat, ist der Aufruf und die Kodierung der Daten. Hier handelt man sich bei Netwerkaufrufen gleich einmal den vollständigen TCP/IP-Stack ein, mit allen seinen sieben Schichten. Das mag nicht übermäßig viel sein, aber es kommt definitiv etwas Latenz hinzu – wenn der entfernte Server dann noch weiter weg steht und womöglich etwas knapp angebunden ist, merkt man das sehr schnell. Besonders heftig ist es, wenn man dann noch (ohne es zu wissen oder zu wollen) eine ganze Kette solcher Services lostritt, weil der abgefragte Server wiederum andere Services anstößt…

Ein weiteres oftmals vernachlässigtes Problem ist die Datenkonsistenz und Datenaggregation: Liegen die Daten alle in einer Datenbank gehört es zum guten Ton Fremdschlüssel zu verwenden und so etwaige Inkonsistenzen zu vermeiden. So kann man beispielsweise sicherstellen, dass mit jeder Veränderung eines Datensatzes der aktuell angemeldete Benutzer mitgeschrieben wird, und dass dieser gültig ist (also zum Beispiel seine ID in der Benutzertabelle existiert). Ändert sich nun der Benutzername, ist das alles kein Drama, die Datenbank bleibt in sich konsistent. Das Löschen einen Benutzers mit noch vorhandenen Datensätzen lässt sich ebenfalls unterbinden. Will man etwas in dieser Form mit getrennten Services realisieren hat man sehr schnell eine Synchronisationshölle geschaffen. Im besten Fall kann man noch eine ID des Benutzers oder dessen Login-Namen als String speichern. Wird dieser dann auf dem Authentifikationsserver gelöscht, bekommt die eigene Anwendung davon gar nichts mit. Der Benutzer kann sich zwar nicht mehr anmelden, aber die Tatsache, dass dieser Datensatz gelöscht wurde (was ggf. für die Applikation sehr interessant sein könnte) wird nicht weiter propagiert. Besonders heftig trifft es wenn Veränderungen am Login-Namen vorgenommen werden. Das passiert häufiger als man denkt: Ein Benutzer heiratet und schwupps ändert sich in vielen Firmen der Login, da er an den Nachnamen gekoppelt ist. Für das aufrufende System ist es ein neuer Benutzer. Der Benutzer kann seine Datensätze vom Vortag nicht mehr editieren, weil er ist ja nicht der Autor. Die Szenarien in dieser Hinsicht sind vielfältigst. Will man diesen Problemen Herr werden benötigt man wieder zusätzliche Services die einen Rückschluss auf die Veränderung zulassen (also z.B. die Frage: Wurde Benutzer x irgerndwann einmal umbenannt?)

Der Weg zu einer „hippen“ Microservice-Architektur will also gut überlegt sein. Es kommt sehr auf den Anwendungsfall an und ob es mir im gegebenen Kontext überhaupt möglich ist einzelne Services so heraus zu lösen, dass sie vollständig eigenständig sind. Praktischerweise ist die Architekturwelt an dieser Stelle nicht vollständig digital bzw. schwarz/weiß, es gibt beliebig viele Abstufungen die man wählen kann und die alle legitim sind. Weder ist ein monolithische Architektur per se falsch und böse, noch sind Microservices das allein seelig machende Allheilmittel. Es hilft, sich über die Rahmenbedingungen im Klaren zu sein:

  • Habe ich tatsächlich unabhängige fachliche Teilbereiche?
  • Wie groß ist die Entwickler-Gruppe – lohnt es sich mehrere Teams zu bilden?
  • Gibt es eine hohe Abhängigkeit von Daten zwischen Anwendungen / Prozessen?

Man kann noch eine Reihe weiterer Fragen stellen um ein genaueres Bild zu erhalten.

Zum Abschluss noch ein kurzer Blick zurück in die Geschichte bzw. ältere Software-Architekturen. Modularisierung von Software gab es ja bereits schon früher. Dort hat sich der Ansatz „high cohesion, loose coupeling“ bewährt. Wenn man es genau betrachtet, sind Mikroservices eine logische Weiterentwicklung dieses Ansatzes. Innerhalb eines Sources-Code-Repositories kann man diese Vorgabe nur als Regel für die Entwickler vorgeben: Es ist zu vermeiden, dass man von jeder beliebigen Stelle im Code andere Funktionen aufruft. Der Ansatz der Objektorientierung hat hier bereits wichtige moderierende Funktion. Ebenso kann man durch den Einsatz von Modulen das Bewusstsein schärfen, wenn ein (fachlicher) Bereich verlassen wird. Microservices schließlich erzwingen das Konzept durch weitere Hürden, wie das Verpacken in universelle Pakete (JSON, SOAP siehe auch oben). Ob derartige Zwänge immer zu besserer Software führen ist jedoch fraglich. Zudem gibt es in jedem Projekt doch immer wieder Funktionen die gleichartig sind – mit Mikroservices nimmt man bewusst in Kauf, dass ggf. Funktionalität zweimal ausprogrammiert wird. Ob das dann gute Architektur ist, darf sich jeder selbst überlegen.

 

 

So bitte nicht – bad / worse practices

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Nachdem ich mich immer wieder mal grün und blau (und nicht blau weil ich beim THW tätig bin) über diversen Software-Design-Schwachsinn ärgere, habe ich mich entschlossen in loser Folge immer einmal wieder eine schlechte Art der Programmierung / Modellierung und natürlich auch Wege wie man es besser machen kann vorzustellen.

Für heute will ich erst einmal mit einigen Grundlagen beginnen, die sicherlich nicht nur für die Programmierung und Software-Entwicklung hilfreich sind, sondern für jeden der ein Projekt in irgendeiner Form betreut.

Ad 1) Klar festlegen was ich eigentlich will – jeder hat es sicherlich schon mal erlebt: „So hab ich mir das aber nicht gedacht gehabt …“ Die Ursache ist meist leicht gefunden: Es mangelt an klarer und eindeutiger Vorgabe – da gehört hinein was man will, aber auch was man gerade nicht will. Es ist sicherlich nicht immer leicht alles möglichst eindeutig und klar zu beschreiben, aber alleine wenn man sich darum bemüht ist schon eine große Menge Missverständnissse aus dem Weg geschafft

Ad 2) Klare Definitionen und einheitliches Vokabular: Jeder Mensch ist einzigartig, mit all seinen Vorlieben, Stärken, Schwächen und Erfahrungen. All diese Einflüsse prägen uns und haben eine Auswirkung auf die Rezeption und Reaktion gegenüber unserer Umwelt. Daher ist es keineswegs selbstverständlich das jeder unter einen Begriff anfänglich genau das gleiche versteht und ihn genauso abgrenzt wie ein anderer Mitarbeiter. Daher klar festlegen was unter einem bestimmten Begriff zu verstehen ist, und was nicht – es mag lästig erscheinen jede Entität und deren Bedeutung im Prozess-Zusammenhang einmal ausführlich zu beleuchten und zu beschreiben, aber es macht im weiteren Verlauf das Leben deutlich leichter. Wichtig ist hierbei: Jeder muss das Vokabular auch entsprechend anwenden, was abgestimmt wurde ist fest, ein „aber ich hab doch eigentlich 0815 anstelle 4711 gemeint“ ist ein absolutes no-go

Ad 3) Kenne deine Werkzeuge: Nicht jeder in einem Projekt muss mit jedem Werkzeug umgehen können – eine Führungskraft muss nicht zwingend mit einem Code-Editor und Compiler hantieren (es schadet nichts wenn sie sich dennoch einmal damit auseinander setzt), aber das tagtägliche Handwerkszeug mit den Routine-Funktionen muss nahezu blind bedienbar sein. Dazu muss auch klar sein: Für welchen Zweck welches Werkzeug? (Das kann von Projekt zu Projekt ein wenig schwanken, auch hier hilft es ggf. niederzulegen welche Mittel zur Verfügung stehen und für welchen Zweck benutzt werden sollen). Wichtig ist gerade in der Software-Entwicklung der sichere Umgang mit der persönlichen Entwicklungsumgebung (da kann jeder Entwickler verwenden was er für richtig hält, es sei denn es gibt zwingende Vorgaben. Gerade im Code ist es aber egal ob jemand eine vollwertige IDE wie Netbeans, KDevelop, Eclipse verwendet oder doch lieber einen schlichten Text-Editor mit ein wenig Syntax-Highlighting. Ebenso gehört der Umgang mit Team-Werkzeugen wie e-mail, Versionskontrolle, Bugtracker, Requirement-Management etc. zum Routine-Werkzeug. Hier muss ggf. geübt werden, aber nach einer gewissen Zeit darf es kein Bremsklotz mehr sein. Für die Arbeit am Rechner empfiehlt sich auch ein flüssiges Tippen und Arbeiten mit reduziertem Mauseinsatz (Shortcuts).

Ganz wichtig: Die ganzen Punkte da oben gelten für alle im Projekt, Neueinsteiger oder auch weitere Führungsebenen muss man da etwas heranführen und klar kommunizieren wie der Hase läuft. Absolut hinderlich ist es, wenn Leute die sehr viel an einem Projekt mitwirken diese einfachen Regeln nicht gebacken bekommen. Das geht auf die Nerven und somit auf die Performance des restlichen Teams.

So weit mal für den Anfang, wie geschrieben: in loser Folge kommen weitere Grausamkeiten der Software-Entwicklung (alles leider Dinge die man immer wieder erlebt, auch das oben ist keineswegs aus den Fingern gesaugt).

Quick’n’Dirty in MySQL und anderen Datenbanken

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Heute habe ich mich mal wieder einer Altlast der Datenbankentwicklung hingegeben, da sich einige Veränderungen ergeben hatten. Ich hatte schon mehrfach, die Hoffnung diese Tabellen der Datenbank endlich einmal längere Zeit in Ruhe lassen zu können um mich neuen Funktionen zu widmen – aber Pustekuchen wars.

Also wieder das Design auf den Prüfstand und schauen wie man es an die neuen Anforderungen anpassen kann. Ich weiß, dass ich vor etwa einem halben Jahr noch mit einem Freund und ausgesprochenen Experten in Sachen Datenbankdesign mich über einige Dinge ausgetauscht habe. An einigen Stellen hatte ich mich für geschickt gehalten bzw. wollte an dem Design nicht mehr übermäßig rütteln. Es hat ja auch alles soweit funktioniert und gerade die Schlüsseldefinitionen folgten auch einer gewissen Logik. Ich hatte mich für einen kombinierten Schlüssel entschieden – ein referenziertes Objekt kann zu einem Zeitpunkt (auf die Sekunde genau) nur an einer Stelle sein – für den Anwendungsfall eine absolut zutreffende Annahme. Zudem hatte ich den Schlüssel dann auch noch über mehrere Tabellen als Fremdschlüssel „durchgeschleift“ – vom damaligen Standpunkt aus war das eine mögliche Lösung die mir eigentlich auch gut gefiel – löste sie doch elegant auch diverse Bezugsprobleme, bzw. ich konnte einen Trigger verwenden um die notwendige Abhängigkeit einer Tabelle von einer anderen automatisch aufzulösen. Es gab also die Basis-Tabelle, eine erweiterte Tabelle und eine Tabelle die in vergleichsweise wenigen Fälle sich auf die erweiterte Tabelle stützte – ein klassisches Prozessgefälle – aus vielen kleinen Datensätzen werden am Ende nur wenige bis zur Blüte oder gar Reife gebracht.

Nun, die Anforderungen haben sich verschoben und die  mittlere/erweiterte Tabelle musste angepasst werden. Wie sich gezeigt hatte brauchten wir für eine spezielle Auswertung nicht nur eine Referenz auf die Basis-Tabelle sondern mindestens zwei, nach eingehender Analyse bin ich auf vier gekommen. Dies liegt in der Tatsache begründet, dass die erweiterte Tabelle eigentlich ein Zusammentreffen mehrer Datensätze aus der Basis-Tabelle abbildet. Das ist mir aber erst im Laufe der weiteren Entwicklung klar geworden – ich denke ich habe das auch beim letzten Mal eher „on the fly“,“mal eben schnell“, „quick’n’dirty“ entwickelt ohne die wahren Beziehungen zu erkennen. Was will man machen – so manches wird einem eben erst im Laufe der Zeit klar.

Erste Konsequenz – der ursprünglich ach so geschickte natürliche Schlüssel über zwei Spalten war nun nicht mehr tragbar – viel zu umständlich: für vier mögliche Referenzen wären es acht Spalten gewesen – Übersichtlichkeit gegen null, zumal die Aussagekraft der jeweiligen Schlüsselpaare zum Gesamtbild nur vergleichsweise wenig beiträgt.- und selbst wenn man es braucht – gejoint ist es dank Indizierung und Foreign Keys doch recht fix. Daher bekommt die Basis-Tabelle neben den natürlichen Spalten ein Surrogat – einen eindeutigen numerischen Primärschlüssel. Wie leicht der einem die Arbeit im weiteren macht ist mir bei der Anpassung des Programmcodes dann aufgefallen.

Wie mit der erweiterten, nunmehr ja eher aggregierenden Tabelle weiter verfahren – außer den vier Spalten für die Referenz – ein natürlicher Primärschlüssel über vier Felder schien mir doch recht gewagt, zumal diese Referenzen sich auch mal im Nachinein noch verändern können. Also auch hier die „künstliche“ Variante mit einem Surrogat.Das entschlackt auch die letzte Tabelle in der Reihe – deren Referenz musste ja auch wieder irgendwie hergestellt werden – nachdem der ursprünglich „durchgereichte“ Schlüssel ja nicht mehr da war musste da eh etwas neues her – auch hier erweist sich die Lösung per Surrogat doch recht tauglich.

Lehrwerte dieser Aktion:

Erstens – natürliche Schlüssel haben einen gewissen Charme – auch wenn sie zur Not aus zwei Spalten bestehen – moderne Datenbank-Systeme stecken das recht gut weg, auch was die Performance betrifft.

Zweitens – eine sorgfältige Analyse und Diskussion eines Entwurfs und die Bedeutung eines Objekts im Gesamtzusammenhang ist durch nichts zu ersetzen – leider zeigt sich hier mal wieder, dass es in meinem Fall keinerlei Prozessdefinition gab und somit natürlich auch die Artefakte nur sehr lückenhaft beschrieben waren. Ein Pflichtenheft wurde aus Kostengründen auch nicht erstellt – stattdessen gab es eine Alt-Datenbank an der man sich orientieren sollte – in bestimmten Dingen war das Design eine Anleitung „wie man es tunlichst nicht machen sollte“ (bei Gelegenheit werde ich dazu mal noch ein paar Zeilen schreiben). Auf einem solchen weichen Untergrund ein solides Fundament und hinterher ein Gebäude zu errichten ist nahezu unmöglich – irgendwo sackt es am Ende doch unangenehm weg.

Drittens – Surrogate sind im ersten Moment oftmals hinderlich und an einigen Stellen „verstellen“ sie teilweise den Blick aufs Wesentliche – man muss sich ggf. die weiterführenden Informationen aus anderen Tabellen erst mal zusammen suchen. Aber sie haben auch eine Menge Vorteile in Sachen Eindeutigkeit und Handhabbarkeit – wenn es einen eindeutigen Wert gibt, erleichtert dass das Auffinden eines Datensatzes und das Instanzieren eines Objekts daraus ganz erheblich.

Mal sehen welche alten Entscheidungen ich demnächst wieder ausgraben muss und mich über meine eigene Schusseligkeit wundern/ärgern darf. In diesem Sinne: Augen auf beim Datenbank-Design.