به صورت عام، functionality اکثر پروژه‌های نرم افزاری تجاری خلاصه میشود به مخفف معروفی به نام CRUD، که objectها را میسازیم، آنها را میخوانیم و تغییر میدهیم.
اپلیکیشن‌های طراحی شده بدین صورت، قابلیت خوانایی بالایی خواهند داشت و دیاگرام طراحی آنها چیزی شبیه به تصویر زیر میباشد
در واقع ما یک سیستمی داریم که شامل مدلی است از دیتا‌های ما و از این مدل برای کوئری گرفتن از دیتابیس استفاده میشود، که البته برای بیشتر پروژه‌های نرم افزاری، معماری درست و ترجیح داده شده‌ای هم میباشد.
زمانیکه نیاز‌های پروژه روز به روز افزورده و پیچیده‌تر میشود، مدل CRUD بصورت پیوسته از ارزشش کاسته میشود و از آن سادگی اولیه‌ی در درک و خوانایی آن دور خواهد شد.
ذات CQRS بر آن است که شما مدل‌های مختلفی را برای خواندن و نوشتن دیتا داشته باشید. الگوی آن چیزی شبیه به تصویر زیر است
چیزی که در این روش مشهود است این میباشد که برنامه نویسان باید قسمت‌های Command و Query را به صورت جداگانه طراحی نمایند.
CQRS این قابلیت را به شما میدهد که interface و Datastore و حتی بطور کامل Technology مجزایی در قسمت‌های CQ داشته باشید.
Event Sourcing
قسمت دوم و متمایز، معماری Event Sourcing یا ES میباشد که بصورت کوتاه، ES یک روش متفاوت برای Data storage میباشد.
اکثرا ما از Datastoreهایی که مدلی از دیتا را انعکاس می‌دهند استفاده میکنیم. به مثال ساده‌ی زیر توجه کنید
ES از برنامه نویسان میخواهد که مدل سنتی CRUD را فراموش کرده و بجای آن تغییراتی را که روی دیتا صورت گرفته، نیز درج نمایند. اینکار به وسیله‌ی یک دیتابیس Append-only انجام میشود که به نام Event Store شناخته میشود.
در این معماری ما همه‌ی تغییرات روی دیتا را به صورت Serialize Event ذخیره میکنیم که میتواند دوباره در هر زمانی اجرا شده و current state هر objectی را در اختیار بگذارد.
این روش به ما کمک بزرگی میکند تا وضعیت یک object را در گذشته به راحتی پیدا کنیم و از آن میتوان به غیر از فوایدی که دارد، به عنوان یک Logger نیز استفاده نمود. به دلیل اینکه جزء به جزء تغییرات بر روی state سیستم، در آن ثبت شده است. از آنجاییکه دیتا بصورت serialize ذخیره میشود، بارگزاری آن نیز با سرعت بالایی انجام خواهد شد.
پس بصورت خلاصه در معماری Command Query Responsibility Segregation ابتدا باید به این موضوع توجه داشت که قسمت‌های Read و Write نرم افزار به صورت مجزایی طراحی میشوند و Event Sourcing شامل تغییراتی که روی data انجام شده است، میباشد و به‌صورت Serialize شده ذخیره میشود. ما تنها به یک دیتابیس و یک جدول برای نمایش event store نیازمندیم (بستگی به نیازتان میتوان تعداد آن را نیز بیشتر نمود و همچنین حتما لزومی ندارد که از دیتابیس‌های رابطه‌ای استفاده شود؛ بصورت مثال پیاده سازی این قسمت را میتوان با استفاده از Redis که دیتابیسی غیر رابطه‌ای و باسرعت میباشد استفاده نمود).
برای شروع کار (نه پیاده سازی کامل) باید با قسمت‌های مختلف طراحی در این معماری آشنا شویم:
Domain Object
نکته: SimpleCqrs فریم ورکی برای پیاده سازی معماری CQRS , ES میباشد که برای ساده‌تر شدن کار، از آن استفاده شده است (شما حتی میتوانید پیاده سازی خود را داشته باشید)
مدل Movie از کلاسی به نام AggregateRoot ارث بری کرده‌است که توسط SimpleCQRS پیاده سازی شده‌است و یک guid key در آن تعبیه شده است (Aggregate root از مباحث Domain Driven برگرفته شده است و آشنایی با آن کمک شایانی به درک عمیق‌تر روی این مباحث مینماید).
public class Movie : AggregateRoot
{
public string Title { get; set; }
public DateTime ReleaseDate { get; set; }
public int RunningTimeMinutes { get; set; }
public Movie() { }
public Movie(Guid movieId, string title, DateTime releaseDate, int runningTimeMinutes)
{
//پیاده سازی خواهد شد
}
} توجه: SimpleCQRS فقط پیاده سازی guid برای کلید مربوط به هر مدل را پیاده سازی نموده است؛ بنابراین کلید مدل نمیتواند integer باشد.
Commands
command دستوراتی است که توسط end user فراخوانی میشود که باعث تغییرات خواهد شد. وقتی اپلیکیشن یک command را دریافت مینماید، command handler به پردازش آن برای فهمیدن خواسته کاربر میپردازد و پس از آن event مربوطه را برای اجرای آن وظیفه‌ی خاص صدا میزند.
همه‌ی commandها تغییراتی بر روی state جاری خواهند داشت. در نتیجه دیتا‌های ذخیره شده درون دیتابیس تغییرات خواهند کرد. هر commandی که تغییری بر روی State سیستم نداشته باشد، یک دستور غلط محسوب شده و باید در سمت queryها آن را پیاده سازی نمود.
در نتیجه Commnadها دستوراتی هستند که از طرف کاربر برای تغییرات بر روی دیتا‌های ذخیره شده، ارسال میشوند.
فرض کنید Domain Objectی برای Movie تعریف کرده‌ایم و میخواهیم دستور اضافه کردن فیلم را پیاده سازی نماییم
public class CreateMovieCommand : ICommand
{
public string Title { get; set; }
public DateTime ReleaseDate { get; set; }
public int RunningTimeMinutes { get; set; }
public CreateMovieCommand(string title, DateTime releaseDate, int runningTime)
{
Title = title;
ReleaseDate = releaseDate;
RunningTimeMinutes = runningTime;
}
} Command Handler
بعد از اینکه Command مورد نیاز نوشته شد، حال احتیاج به پیاده سازی CommandHandler مربوطه که دستور متناظر را پردازش میکند، داریم.
public class CreateMovieCommandHandler : CommandHandler<CreateMovieCommand>
{
protected IDomainRepository _repository;
public CreateMovieCommandHandler(IDomainRepository repository)
{
_repository = repository;
}
public override void Handle(CreateMovieCommand command)
{
var movie = new Domain.Movie(Guid.NewGuid(), command.Title,
command.ReleaseDate, command.RunningTimeMinutes);
_repository.Save(movie);
}
} برای رسیدگی کردن به دستور مربوطه احتیاج به override کردن متد Handle میباشد.
کار اساسی توسط متد Save انجام میشود که همه‌ی eventهای pending شده توسط Domain Object را گرفته و آنها را به Event Store میفرستد.
Events
eventها تغییراتی هستند بر روی State جاری سیستم که توسط کاربر به وسیله‌ی Commandها فراخوانی میشوند.
رویدادها serialize میشوند و درون Event Store ذخیره میشوند؛ بنابراین میتوان فراخوانی آنها را در هر لحظه انجام داد.
هر تعداد Event میتواند توسط یک دستور raise شود.
ساخت یک Event:
قبلا دستوری را برای ساخت یک movie نوشتیم و حال احتیاج به event مربوطه را داریم:
public class MovieCreatedEvent : DomainEvent
{
public Guid MovieId
{
get { return AggregateRootId; }
set { AggregateRootId = value;}
}
public string Title { get; set; }
public DateTime ReleaseDate { get; set; }
public int RunningTimeMinutes { get; set; }
public MovieCreatedEvent(Guid movieId, string title, DateTime releaseDate, int runningTime)
{
MovieId = movieId;
Title = title;
ReleaseDate = releaseDate;
RunningTimeMinutes = runningTime;
}
} public class Movie : AggregateRoot
{
public string Title { get; set; }
public DateTime ReleaseDate { get; set; }
public int RunningTimeMinutes { get; set; }
public Movie(Guid movieId, string title, DateTime releaseDate, int runningTimeMinutes)
{
Apply(new MovieCreatedEvent(Guid.NewGuid(), title, releaseDate, runningTimeMinutes));
}
} Event Handler
هر Event Handler میتواند تعداد زیادی از IHandleDomainEvents ها را پیاده سازی نماید. حال متد Handle این اینترفیس را پیاده سازی نمودیم.
public class MovieEventHandler : IHandleDomainEvents<MovieCreatedEvent>
{
public void Handle(MovieCreatedEvent createdEvent)
{
using (MoviesContext entities = new MoviesContext())
{
entities.Movies.Add(new Movie()
{
Id = createdEvent.AggregateRootId,
Title = createdEvent.Title,
ReleaseDate = createdEvent.ReleaseDate,
RunningTimeMinutes = createdEvent.RunningTimeMinutes
});
entities.SaveChanges();
}
}
} مثلا در این قسمت با استفاده از ORM، شیء مورد نظر به صورت فیزیکی درون دیتابیس ذخیره میشود.
در قسمت آخر نیازمندیم که تغییرات زیر را به Movie اضافه نماییم.
درون Doamin Objectی که قبلا تعریف کرده بودیم متدی را به صورت زیر پیاده سازی مینماییم
protected void OnMovieCreated(MovieCreatedEvent domainEvent)
{
Id = domainEvent.AggregateRootId;
Title = domainEvent.Title;
ReleaseDate = domainEvent.ReleaseDate;
RunningTimeMinutes = domainEvent.RunningTimeMinutes;
} پس از ترکیب CQRS و ES معماری اولیه‌ی سیستم چیزی شبیه به دیاگرام زیر خواهد بود (بسته به سناریوهای خاص میتواند سفارشی سازی شود)
خلاصه:
کاربر دستوری را از طریق برنامه به سیستم ارسال مینماید.
command مربوطه دریافت میشود و به روی Command Bus قرار داده میشود.
Command Handler وظیفه‌ی تفسیر کردن Command مربوطه را به عهده میگیرد و به وسیله‌ی Domain object آن event مورد نظر فراخوانی خواهد شد و باعث میشود domain object بروزرسانی گردد.
Event همان objectی است که باید به صورت serialize شده درون append only database ذخیره شود.
Event handler رویداد مربوطه را گرفته و بصورت فیزیکی مقادیر مورد نظر را در دیتابیس ذخیره مینماید.
Query
از آنجاییکه قسمت Read، در سیستم به صورت CQRS طراحی میشود، به راحتی میتوان queryها را optimize کرده و به صورت مثال به جای استفاده از ORMهای معمول بطور مستقیم Stored Procedure فراخوانی کرده، تا جای ممکن کیفیت queryها بهترین حالت ممکن باشند. در حالیکه در مدل CRUD بهینه کردن بخش read بسیار پیچیده و بعضا غیر ممکن میباشد.
مزایای استفاده از این مدل
Distributed Systems Capabilities
یکی از مهمترین مزیت‌های این مدل تسهیم گسترش پذیری سیستم بر روی ماشین‌های فیزیکی مختلف از طریق messaging pattern میباشد.
High Availability
از آنجایی که سیستم توزیع پذیر طراحی شده‌است، هر قسمت از آن میتواند بدون توجه به fail شدن قسمت‌های دیگر به کار خود ادامه دهد.
Reduce Complexity
در domainهای پیچیده طراحی و پیاده سازی objectهایی که مسئول دو قسمت read و write هستند، میتواند کار را بیش از حد پیچیده کرده و در این صورت چون business logic و read logic در هم ترکیب میشوند، مدیریت کردن موارد multiple user, shared data, performance, transactions, consistency سخت و سخت‌تر میشود.
Facilitates Building Task-based UI
وقتی شما به پیاده سازی الگوی CQRS میپردازید، اصولا هر عملی که توسط End user از طریق ui ارسال میشود، معادل command مربوط به آن وجود دارد. به همین جهت میتوان عملیات لازم برای اجرای یک پروسه را بصورت واضحی درک کرد.
Maintenance And Flexibility
هر چند پیاده سازی این مدل سخت خواهد بود، اما در ابعاد وسیع‌تر به دلیل اینکه هر قسمت به صورت مجزایی طراحی شده و اینکه دستورات و رویدادها به صورت تفکیک شده پیاده سازی شده‌اند، همچنین وجود ES، قابلیت زیادی به debug سیستم میدهد.
نکته: ES مدل مورد قبولی برای اکثر معماری‌های نوین سیستم‌های نرم افزاری امروزی میباشد و فقط مختص به CQRS نمیباشد. بطور مثال در معماری Microservices به وفور از Event Sourcing استفاده میشود.
مشکلات استفاده از این مدل
- ذاتا پیاده سازی این مدل سخت و دشوار است و از آنجاییکه سادگی در پیاده سازی سیستم‌های نرم افزاری، یک اصل مهم محسوب میشود، بنابراین استفاده از این مدل محدود میشود به سیستم‌های نرم افزاری که مزیت‌های گفته شده در قسمت فوق برایشان حیاتی محسوب شود.
- برای پیاده سازی سیستمی با این مدل احتیاج به تیم توسعه‌ای است که با مفاهیم آن کاملا آشنا باشد.
- هر چند امروزه فضای فیزیکی برای ذخیره سازی دیتا ارزان محسوب میشود، اما به هر حال استفاده از این مدل به همراه ES، حجم زیادی از Disk space را خواهد گرفت.
- همانطور که دیدید برای پیاده سازی یک Insert ساده، حجم زیادی کد نوشته شده‌است. بنابراین تولید اینگونه نرم افزار‌ها به زمان بیشتری نیاز دارد.
بنابراین باید در انتخاب معماری سیستم بسیار دقت شود؛ هر چند که این مدل برای سیستم‌های بزرگ و پیچیده خیلی کارآمد محسوب میشود و باعث یک Domain object غنی ، History Tracking، شفافیت در مشکلات Concurrency و همچنین Scalability و غیره خواهد شد، اما پیدا کردن برنامه نویسانی با داشتن درک عمیق روی این مباحث کمی سخت به نظر میرسد.
در قسمت بعدی بصورت کامل به پیاده سازی این الگو در یک اپلیکشن دات نتی خواهیم پرداخت.
