使用函式式語言實踐DDD

richiezhang發表於2021-03-09
函式

長期以來我都在實踐OOP，進而通過OOP來實現DDD，特別是如何通過物件導向的技巧來建立一個領域模型。OO的一些特性在建立領域模型時顯得恰如其分，能否掌握OO的技巧，對建立領域模型有著至關重要的作用。
這篇文章為大家介紹一種常見的函式式架構，特別是如何通過函式式語言來實現DDD，進而利用函式式組合的特性，建立函式pipeline。
軟體架構是圍繞著領域模型而做的若干設計，如果按照c4模型的定義，軟體架構由下面四個級別的架構組成的：

  • "System context"是最高層的架構，代表著整個系統
  • "Container"是組成"System context"的單元，通常用來表示可部署的單元，例如一個"API service", 一個web應用程式等
  • "Component"是組成"Container"的基本單元，通常指組若干抽象元件，是一個"Container"裡面的骨架，也是本文要重點介紹的架構
  • "Code"具體到了程式碼級別，通常指實現某個"Component"應該有哪幾個類組成

使用單體應用來承載多個限界上下文

領域驅動設計中有一半概念是在討論問題域，並不是一上來就教你如何寫程式碼，這說明理解一個問題域是複雜的，看清問題的本質是需要時間的。當你開始著手劃分限界上下文的時候，說明你已經對需求有了很好的瞭解。但是經驗告訴我們，剛開始你的理解，往往都不是最終的需求，或者仍然需要多次跟領域專家確認和互動，才能得到最終的需求。
這個時候，如果你一上來就按照限界上下文劃分微服務，往往可能會步入Microservice Premium。
要想軟體在一開始就能達到快速試錯的目的，一上來就做微服務, 會讓步子邁得有點大。微服務架構帶來了分散式的複雜性，使得前期生產效率大大降低，另外還存在船大難掉頭的情況，一旦設計出現返工，生產效率也會打折扣。當然，這不是絕對的，如果架構師已經在該行業深耕多年，對業務更是瞭如指掌，專案一開始就設計為微服務也未嘗不可。
在專案初期，在需求還不是非常明確的時候，你完全可以建立一個單體應用，然後通過不同的模組或程式集來隔離不同的界限上下文，通過不斷的試錯和快速反饋來調整你的解決方案。
一種比較嚴格的說法是，當你關閉其中一個微服務，如果整個應用程式都崩了，其實你設計的不是一個微服務架構，而是一個分散式單體應用程式。

程式碼結構

在過去的若干年裡，我經常使用一種叫“Layer architecture"的軟體架構, 這種架構往往把程式碼分成若干層：

  • 基礎設施層：通常用來負責跟第三方或者資料庫打交道，用來持久化資料或者API請求。
  • 領域層或者業務邏輯層：用來封裝業務邏輯
  • 應用程式層：通常是很薄的一層，用來協調領域層和基礎設施層
  • 展現層：用來展現UI或者輸出API結果
    這種架構方式是一個自上往下的輸入，最後從下往上輸出結果的工作流（圖1）。

    實際上，當我在使用這種方式組織程式碼時，遇到最大的挑戰在於：這種分層方式，把同一個輸入到輸出的的若干部分，橫向的分散到了若干層中。當你需要修改某個API時，需要同時修改若干個層。另外這種組織程式碼的方式，往往會讓OO走向混亂，一個名叫OrderApplicationService的類中放滿了各種跟Order相關的方法，通常對Order的操作有數十種之多，他們屬於OrderApplicationService嗎？如果屬於，任何一個跟Order相關操作的引數變化，都會引起這個類被改動，這種對類的頻繁修改合理嗎？
    函數語言程式設計中，更傾向於縱向組織程式碼（圖2），

    例如一個API操作，就是一個檔案或者模組，整個操作自上而下的流程被組織到同一個檔案裡，這樣做的好處是，針對某個功能的修改，只關注與當前工作流相關的檔案即可。

信任邊界

在問題域裡，各種業務之間的邊界是模糊的，限界上下文則是業務在解決方案上的對映，是人為劃分的邊界。在邊界裡面的內容，是可信任和合法的，相反，界限外面的一切輸入，則是非法和不可信任的（圖3）。

這就要求我們在限界上下文的邊界，引入驗證邏輯，從而阻止外部輸入，以及驗證對外部的輸出。
常見的驗證邏輯如：

  • 輸入DTO，需要轉化為領域模型，用於處理業務邏輯
  • 對輸入資料的合法性驗證，例如：使用者名稱不能為空，郵件格式是否正確
  • 對輸出型別的安全性校驗，例如：防止在輸出資料裡包含使用者密碼等敏感資訊
    驗證邏輯並不是FP獨有的，不過FP中常常使用Applicative對資料進行驗證，從而收集多個使用者Error。關於Applicative, 以後會單獨寫文章介紹。
    一旦輸入資料突破信任邊界，在領域模型建模的過程中，你不需要擔心使用者名稱是否是空，郵件格式是否正確等問題。你應該專注於使用FP的代數資料型別進行領域建模，請參考我之前寫過一篇使用函式式語言來建立領域模型--型別組合。
    對輸出的驗證則不太一樣，主要關心對輸出資料的安全性保護，防止將一些領域模型中的私有屬性輸出到外部世界。

通過狀態機來處理業務邏輯

縱然，通過FP的代數資料型別（Algebraic data type）能夠快速完成領域建模，但是我們知道，領域模型不是靜態的，它是由一些列事件組成的過程。而這種轉化過程，正是領域模型狀態發生變化的過程，即狀態機（圖4）。

領域模型狀態轉換的過程跟實現語言無關，一個設計精良的領域模型，就好比一個狀態機。例如在買機票的過程中，填寫個人資訊，填寫聯絡人，選座，買保險和付款的過程，就是訂單狀態發生變化的過程。再比如使用者註冊的過程，填寫基本資訊，驗證郵箱，也是使用者資訊狀態發生變化的過程。以OO為例，我們習慣於通過增加標誌位的方式，進行領域建模：

type User = {
  name: string
  password: string
  email: Email | null 
  isEmailVerified: boolean //當驗證完email後設定為true
  canLogin: boolean //當email被驗證後方可login
}

業務邏輯的實現過程，就是填充使用者屬性和修改標誌位的過程。然而，這種方式實際上存在若干問題：

  • 有些屬性在業務前期是不需要的，例如canLogin, 只有驗證完email才有效
  • 有些標誌位實際上不是單獨存在的，例如isEmailVerified就跟email是緊密相關的，而這個模型無法反映出來這一資訊
  • email被定義為可空型別，導致使用該模型的地方不得不使用null檢查
    通過狀態機的機制，重新考慮使用者註冊過程：（圖5）

按照上面的狀態重新對使用者建模，得到的模型如下：

type UnVerifiedUser = {
  name: string
  password: string
}

type VerifiedEmailUser = {
  name: string
  password: string
  email: Email
}

type User =
  | UnVerifiedUser
  | VerifiedEmailUser

如果有更多的使用者狀態，你還可以持續新增到User型別中。
這種通過"|"建立的User型別被稱為在FP中被稱為union型別，也叫product或sum型別, 在TypeScript被稱為Discriminated union。這時候的User型別，可以用來在領域模型中實現領域邏輯，通常這種union型別需要配合模式匹配來完成，例如修改密碼，登入，修改郵件地址等邏輯，都是針對User型別做模式匹配的過程。關於模式匹配的用法，在此不再細說。
這種通過狀態機的方式，實現業務邏輯時有下面幾個好處：

  • 業務模型在不同的狀態，提供不同的業務能力
  • 模式匹配會強制你處理每種狀態的行為，避免遺漏一些邊邊角角的情況
  • 相比於將所有狀態記錄在同一個模型中，狀態機可以幫你梳理整個業務狀態的變化

保持純淨的領域模型

函數語言程式設計的一個主要目標就是讓程式碼有預測性，通過函式簽名理解函式的用途。為了達到這個目的，函式式語言設計了若干特性，例如不可變的資料結構，還有各類Monad來避免副作用。在DDD實踐中，應該避免I/O相關的程式碼出現Domain中。例如讀寫資料庫，呼叫第三方系統的API等相關程式碼，需要把這類具有副作用的程式碼推到Domain的外圍。如果需要做的更好，那就必須使用CQRS加Event Sourcing。我在之前一篇文章提到過這個觀點，不過部分讀者沒有理解其中的意思，我在這裡再做一些說明。首先，CQRS不僅僅是為了讀寫分離，從而提高讀寫效能。讀模型和寫模型（領域模型）的分離意味著職責也是分離的，從而在設計領域模型的時候，打消對查詢效能的考慮，有助於設計出純淨的領域模型。當然僅靠CQRS還是不夠的，有些時候任然無法完全脫離資料庫的考慮，因為領域模型始終是要持久化在資料庫裡，你就要考慮資料庫相關的約束，例如主外來鍵，如何建表，如何高效儲存一個列表等。而持久化一個Event則完全擺脫了資料庫技術，因為一個Event就是一個json, 只有這樣才能設計出理想的領域模型。當然引入CQRS和ES在專案初期成本略高，不再詳細描述。

通過Monad建立pipeline

以API為例，一個完整的使用者請求就是一個Pipeline（圖6）。

假設每一步都是有若干個函式組成，我們能夠將他們組合到一起嗎？答案是很難，主要原因如下：

  • 每一步的若干個函式簽名很難保持一致，導致compose這樣的函式無法正常工作
  • 部分I/O相關的函式可能是非同步的，領域模型中的程式碼大多是同步的，很難將他們組合在一起
  • 在函數語言程式設計中，通常不會通過try...catch的方式處理異常，一方面異常也是一種副作用，另一方面，異常讓函式簽名不再完整。如何把每一步的異常帶到最外面也成了問題
    而解決這一切的手段就是Monad, 簡而言之，Monad是一種抽象方式，能夠將monadic風格的函式連線起來。什麼又是monadic? 簡單來說這是一種接收普通型別，返回某種lift型別(泛型)的函式。例如通過IO, Task, Either相關的Monad來解決此類問題。具體內容請關注本人的函式式系列部落格。

小結

這篇文章總結了一些使用函式式語言實踐DDD的大致思路，也為函式式架構提供了一些參考。由於篇幅的原因，並沒有介紹到DDD的方方面面，同時，一些實現細節則是點到為止，例如如何使用Monad。總體來說，函式式語言的代數資料型別，以及函式式的一些思想，為實踐領域驅動設計提供了其他的選項。

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