Serverless无服务器架构详解

本文对Serverless架构的基础概念、具体产品、应用场景、工作原理进行详细解析。

基础概念

Serverless： 无服务器架构，即在无需管理服务器等底层资源的情况下完成应用的开发和运行，是云原生架构的核心组成部分。

通俗来说，如果将购买一台物理服务器比作买车，购买云服务器就类似于租车（租赁期间需要驾驶和维护，且即使闲置也需付费），那么Serverless则类似于出租车（只需乘坐，按里程计费）。

从技术层面来说，我们可以简单理解为：Serverless = FaaS + BaaS。一个完整的Serverless应用一般由FaaS层的云函数负责无状态的计算，由BaaS层组件负责状态的维护：

FaaS（函数即服务，Function as a Service）：将函数代码托管给云产商，以服务形式运行，支持事件触发。代表产品有腾讯云SCF、AWS Lambda等。
BaaS（后端即服务，Backend as a Service）：指云平台提供的后端组件整合，开发者无需开发和维护后端服务，通过API/SDK的调用便可获得例如数据存储（对象存储、云数据库、云中间件等）、消息推送、账号管理、地图定位、AI、IoT等能力。

特点及优势：

免运维：无需管理基础设施 —> 可以专注业务开发
按量计费：闲时不计费 —> 降低成本
弹性伸缩：峰时自动扩容 —> 无需考虑可用性问题

劣势及适用场景：

冷启动延迟： 一定时间内的首次调用可能需要冷启动（如进行加载代码、拉起容器等任务）—> 适合对响应速度要求不是太高的接口，更适合异步任务，不适合启动耗时久的Java项目
开发和管理设施： Serverless应用的调试、测试、排障、发布等设施暂不成熟 —> 目前更适合后端逻辑不太复杂的轻量级应用
云产商绑定： 不同云产商提供的组件（如存储）接口不同，可能增加未来迁移成本 —> 使用标准化框架，并在设计时尽量隔离通用逻辑层和BaaS依赖层

工作原理

云函数之所以能做到按量计费和弹性扩容，与其实现机制是分不开的。核心原理是在函数被调用时才动态的启动容器实例去执行，容器的生命周期很短，执行完后一定时间就会被回收，所以没有调用时是不消耗任何资源的。而面对同一时间的并行调用，会启动多个实例来完成执行，这也实现了单个请求级别的弹性扩容，且理论上是可以无限扩容的。

由于容器启动本身需要耗时，所以一般的实现会在实例执行完之后保留一定时间窗口。大致的工作流程如下图，其中步骤（1) (2) (3) (4) 为冷启动调用流程，(5) 为非冷启动调用。

1.函数注册

用户在控制台（或命令行）提交函数代码到云平台，并进行函数配置。代码一般会被作为静态资源保存（如对象存储），而函数的元信息会被存入数据库中（如mysql）。

2.函数触发

云函数的触发可以分为同步和异步两种情况：

如果是同步请求则等待函数执行结果后返回
如果是异步请求则可以投递到队列后直接返回

3.函数执行

云函数的执行可以分为冷启动和非冷启动两种情况：

如果没有可用的实例资源则进入冷启动流程，需要进行宿主机调度，在宿主机拉起容器实例，下载函数代码，然后执行代码。
首次执行完毕后docker容器不会立即关闭，会等待一定时间周期，如果此时有新的请求进来，会被分配到该容器，直接运行代码。

冷启动问题

前面说到云函数的实现机制必须要在函数调用时才去启动运行环境，需要面临冷启动问题。虽然保留一定时间可以让后续的请求无需加载，但如果在极短时间内并发大量请求，还是会同时启动多个容器，影响首个请求的响应时间。前面也说到，云函数的特性和机制决定了它的应用场景，对于同时要求高并发、低时延的场景并不是特别适合。

对于冷启动问题，下面以腾讯云的云函数SCF为例进行验证。使用Postman的批量测试功能（Collection Runner）对云上部署的一个Hello World函数进行串行测试。

从图中可以看出，一段时间内的首次请求耗时会比其他请求的耗时高出一个数量级。

冷启动优化

冷启动的优化主要针对同步的请求，首先分析下冷启动耗时的组成，主要是容器的拉起和代码的下载（当然也有资源调度和网络配置等，这里暂不讨论）。

1.代码缓存：可以设计多级缓存，比如在宿主机上进行代码包缓存，以及在可用区(AZ)内部进行缓存，这样后续的首次启动就可以快速就近获取，而无需再次从对象存储下载。

2.容器预创建：一个优化思路就是预加载，也就是预测将会到来的请求，提前拉起容器实例，从而减少耗时。有以下几种可能的方案：

进行请求量的实时计算，如果请求呈上升趋势，就开始预创建容器实例，同理下降则进行回收。
云函数调用链： 这是一种可确定的预测，当云函数之间出现互相调用，在前面的函数被触发时就可以同时预创建调用链后面的实例；
版本更新： 如果函数版本进行更新，则之后的所有请求都会重新冷启动，为了避免这种情况，需要预创建一些实例并下载新版本代码，之后才能将流量平滑迁移到新版本函数。

应用场景

1.Rest API

利用云函数可以快速部署一个Rest API应用，目前的云厂商基本都支持大部分node，python和php的web框架，如koa、Express.js、Next.js、Flask、Django、Laravel等等。

这种web架构是前后端分离，即云函数中的后台接口只提供数据，页面的渲染在浏览器进行。可以将前端的代码部署到对象存储中，并使用相关云数据库作为数据存储，这就成为一个完整的云上Full Stack应用。

2.SSR

SSR（Server-Side Rendering）：后端渲染，即页面直接在后台进行渲染，浏览器只负责显示。这种比较传统的web架构很适合应用于Serverless，只需将整个后端代码部署到云函数即可，好处有：1.利于SEO，2.降低系统复杂度，易于部署。

Serverless很适合用于流量分布不均的轻量应用，比如一些活动页面，可能一个周期内只有很短的一段时间会有大量访问，且需要长期的维护，此时为这个应用去购买高配置的服务器显然是不划算的。使用Serverless之后则可以完全解决这个问题，按量计费降低了成本，既免去了长期运维又不需要担心扩容问题。

3.任务执行

云函数本身是无状态的，所以天然适合无状态任务，如果需要状态存储则需要借助BaaS层的组件。云函数的优势是可以与云提供商下的其他服务（比如数据库、缓存、对象存储、CDN、AI、转码等）打通，在函数中使用SDK连接各个组件（但这同样意味着将在云产商绑定的道路上越走越远）。以下是一些适用场景：

消息通知：比如触发后向某个用户发送邮件、短信等。
定时任务：云函数一般提供定时器触发，方便进行定时任务的执行。
CDN自动刷新：一般来说会把图片、网页等静态资源存到对象存储，并且配置CDN加速，一旦资源发生修改还得手动进行CDN刷新预热。可以使用对象存储上传的事件触发器，在云函数中调用CDN接口自动化刷新预热。
视频转码：如果云产商提供转码服务，可以借助云函数很方便的完成转码任务。如原视频上传到对象存储后，该事件可以触发云函数调用转码服务，并将转码后的视频发布到对象存储中，如果使用了CDN还可以进行缓存刷新。
AI服务：可以使用云函数调用该产生的AI服务，比如调用OCR接口识别图片文字内容后返回。
Devops：例如将Github的webhook设置为云函数的地址，当代码提交后触发云函数，执行CI/CD任务，构建后发布产物到云服务器上。

具体产品

下面以腾讯云上的Serverless产品为例介绍具体的使用实践。

SCF云函数

SCF (Serveless Cloud Function)是腾讯云Serverless的核心产品，部署一个可以从公网访问的云函数只需简单两步：

1.函数编写：可以直接在控制台上的编辑器中编写函数代码，下图就是一个Hello World云函数：

2.创建触发器：如果想通过浏览器进行函数调用，则创建一个API网关触发器，会分配一个公网地址供访问。API网关还支持绑定自定义域名，可实现通过 "{自定义域名}/{函数名}" 的方式访问云函数，例如 http://apigw.zhayujie.com/test。

除了网关触发，SCF还支持对象存储（COS）、消息队列（Ckafka、CMQ）、定时任务等触发器，方便云函数与这些组件打通，可以衍生出很多应用场景。

Serverless Framework

Serverless framework是Serverless官方提供的标准化框架，目前支持该框架的产商有腾讯云、AWS、Azure、Google等等。其目的一是完善Serverless项目的devops流程，包括开发、测试、管理、部署、监控等生命周期；二是提供一个标准接口，降低serveless应用对云厂商的绑定，减小迁移成本。

对于简单的函数可以在控制台直接编写和部署，但对于有一定规模的项目肯定是不能满足的，我们不可能每次都在网页上手动修改代码，也不可能一一手动创建和管理所依赖的云产品。

于是Serverless framework提供了基于命令行和IDE的一站式开发部署，方便快速构建Serverless应用。且腾讯云将SCF、COS、CDN、数据库等BaaS层的云产品都抽象为组件（Serverless framework components），在应用中可以方便的对这些资源进行创建、配置和管理。

CloudBase

云开发CloudBase最初多用于为小程序提供BaaS能力，使开发者可以免于维护服务器，采用全托管的方式开发小程序，如今云开发还支持公众号、web应用、Flutter客户端等。

云开发其实提供了一体化的开发环境，集成了FaaS层的云函数和常用的BaaS层组件（NoSQL数据库，COS云存储），以及提供了监控和日志能力，基本涵盖了应用开发所需的核心环境和工具。

总结

本文首先介绍了Serverless的概念，可简单理解为FaaS和BaaS的结合，并阐述了其优势（免运维、按量计费、弹性伸缩），以及劣势（延时、复杂应用支持、云产商绑定）。

工作原理部分，介绍了云函数的工作流程，包括函数注册、函数触发、函数执行，分析了冷启动的问题，并提出了一些优化方案猜想（代码缓存、容器预创建）。

应用场景部分，对web应用托管（Rest API、SSR）和任务执行这两种常见应用场景提出了具体的实例。

最后介绍了腾讯云上的Serverless产品，包括SCF云函数、Serveless Framework、CloudBase云开发，其中使用SCF创建了一个可从公网访问的云函数demo。希望读完本文能对Serverless无服务架构有一个形象具体的认识。

本文链接： https://zhayujie.com/serverless-intro.html