軟體系統架構設計的目標不在於設計本身，而在於架構設計意圖的傳達。圖形化有助於在團隊間進行高效的資訊同步，但不同的圖形化方式需要語義一致性和效率間實現平衡。C4模型透過不同的抽象層級來表達系統的靜態結構，並提供了最小集的抽象建模元素，為設計人員提供了一種低認知負載、易於學習和使用的高效建模方式。

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1 為什麼要進行架構視覺化？

軟體系統架構設計的目標不在於設計本身，而在於架構設計意圖的傳達。如果不能清晰、一致的在干係人間進行設計意圖的同步，即使再好的設計也只是空中樓閣。軟體架構設計本質上也是一種抽象和建模的過程（對模型和抽象的本質參考文章《 領域驅動設計開篇 》），軟體架構設計模型的表達有多種方式：圖形化、語言和文字。絕大部分場景下，圖形化在架構設計的表現力層面效果更佳。因此，對於軟體系統架構進行視覺化表達是有價值，且是必要的。

軟體架構視覺化的方式有多種，不同的團隊有不同的實踐方式，最為常見的由如下幾種：

•線框圖：透過線框圖和連線表達架構元素及之間的關係

•UML：統一建模語言，表達系統的靜態結構和動態行為

•草圖：非正式的圖形

不同的視覺化方式各有優劣，以下部分將對不同的表現形式進行說明

1.1 視覺化方式-線框圖

線框圖是最為通用的視覺化表達方式之一，架構師或設計人員大量的架構圖，比如技術架構、功能架構、資料架構、邏輯架構等等都透過線框圖的形式表達。該種視覺化方式的優勢是：

•建模工具多樣化：你可以基於Viso、Drawio、PPT等任何一款支援線框圖的軟體進行建模工作

•學習成本低：設計人員幾乎不需要進行專門的建模語言以及建模工具的學習，門檻較低

但，基於線框圖表達軟體系統架構存在的問題也非常明顯：語義的一致性問題

你可能自己畫過很多軟體系統架構圖，也可能參與評審過其他團隊的架構圖，我相信，對你而言並不是的所有的圖都是“清晰且易於理解的”。舉個簡單的場景，如果我們在百度搜尋 “架構圖” ，你可能得到以下結果：

各式各樣的 “架構圖”：不同形狀和顏色的圖形元素、不同形狀和顏色的連線、不同的意圖。

我們可以看出：線框圖雖然簡單，但其其圖形化的語義一致性是大問題。雖然都是透過線框表達軟體系統架構，但不同的人可能使用不同的元素、不同的顏色、不同的連線和分層等等，線框自由表達的靈活性和圖形化語義的一致性存在潛在衝突，最終都會阻礙架構設計意圖傳達。

1.2 視覺化方式-UML

UML是統一建模語言，相比於線框圖而言，其優勢是在軟體建模層面提供了一致性的建模元語言。簡單來說，UML提供了大家達成一致的（UML支援擴充套件的場景除外）建模元素。如果團隊成員比較熟悉UML，那麼透過UML表達的系統架構圖天然具有認知一致性。

豐富靈活的建模元語言在提升語義一致性的同時，也必然會導致複雜性的上升。掌握UML具有一定的學習成本，而熟練的應用對研發人員也提出了更高的要求。基於 Simon Brown給出的資料，實際情況只有少數團隊真正使用UML。不論是UML的複雜度和學習成本原因，還是敏捷化下對UML的排斥，很多團隊都放棄了UML。

我們不能否認UML的價值，基於統一建模語言能夠更有效的進行架構設計的資訊傳遞和溝通，也能基於UML提供的詳細的模型圖元素進行充分的設計表達。團隊中是否要基於UML進行溝通需要權衡，雖然UML不能表達你所要傳達的全部的架構資訊，但其在某些維度的表達相對比較適合。

•表達流程和工作流可以採用UML活動圖

•表達執行時的互動可以採用UML時序圖

•表達領域模型或者設計模式可以採用UML類圖

•表達狀態轉換可以採用UML狀態機

•表達系統的部署結構可以使用UML部署圖

1.3 視覺化方式-草圖

架構視覺化另一個非常常見的方式是：草圖。草圖是一種非正式的、易於快速溝通的圖形化方式。團隊基於特定的場景，可以透過草圖的形式進行快速的溝通，以便高效的在干係人間拉齊關鍵資訊。

但，草圖的劣勢與線框圖一樣：語義一致性低

我們可以在白板上 “隨心所欲” 的畫各式各樣的草圖，草圖上的元素、連線，又或者佈局都可能是湧現式的、臨時性的，這些草圖的價值在於 “會話週期內的高效溝通”。如果幹系人沒有完全參與到草圖的討論，又或是後置檢視，大概也很難精準捕獲這些草圖所要表達的設計意圖。



2 C4 模型

2.1 C4模型的統一抽象

團隊需要統一語言進行高效溝通 !!!

C4模型在不同的級別提供了統一的抽象以表達軟體系統的靜態結構。如下圖所示：



•軟體系統：最頂層的抽象，其對使用者提供價值。包含待構建的系統以及外部依賴的系統

•容器：表示一個應用或者資料儲存，容器需要執行以支援系統的正常運轉。每個容器都是獨立部署或執行的單元，容器間的通訊一般式跨程式互動

•元件：提供一定能力封裝的單元。在C4模型上下文中，元件不是獨立部署的單元，一般情況下執行於容器之中。

•程式碼：系統的實現細節相關

•人：系統的使用使用者

2.2 上下文圖：System Context Diagram

我們要構建的系統不會孤立存在，都會依賴現有的IT設施。要明確我們構建的系統是什麼，宏觀上需要回答：我們的系統如何融入到現有的IT設施。

系統上下文圖正是從高層視角表述待構建系統與當前IT設施的互動及邊界。透過上下文圖：

•展示與軟體系統互動的各方及相互關係

•展示軟體系統與外部環境的邊界

•作為了解系統架構的切入點

•確保所有人都理解、認可系統的工作範圍



2.3 容器圖：Container Diargram

更進一步的剖析核心系統，回答：系統由哪些容器組成？容器的職責是什麼？以及相關的高層的技術選型是什麼？

與Docker的容器概念不同，C4模型的容器是在 “系統” 作用域之下，其表達的是組成系統的可獨立可部署的物理單元。以下圖為例：單個容器元素重包含了名稱、職責描述、技術選型，同時，容器間的連線及標註標識了其高層的互動協議及互動形式。



2.4 元件圖：Component Diagram

進一步的剖析容器，回答：容器由哪些元件組成？這些元件的職責及元件間的互動形式是什麼？

具體到每個容器內部，透過多個元件及元件間的關係表達容器的組成。“元件” 本身是一個泛化的概念，C4模型的元件是在 “容器” 的作用域之下，其表現形式可能是獨立的Jar包，或者是應用內獨立的包，也可能是類級別，但邏輯上都能夠表達一個元件的概念。對於元件圖關鍵的是要表示清楚元件的實現選型、元件職責以及元件間的互動關係。



2.5 程式碼

程式碼處於C4模型的最低層，且是可選的，其關注的是實現相關。C4模型並沒有對實現層面的視覺化進行統一抽象，開發人員可以選擇UML類圖、E-R圖等進行視覺化。是否需要提現程式碼層面研發人員基於具體情況具體分析，一般情況下，如果系統中需要重點關注的部分可以考慮一些程式碼級別的圖支援，比如，我們非常關注系統設計的可擴充套件性，則關鍵部分可能需要一些類圖表達；又或者非常關注底層資料模型，則E-R圖可以納入考慮範圍。



3 C4模型實踐中的決策和問題

連線表達依賴關係還是資料流向 ？

都可以，C4模型中的連線既可以表達依賴方向，也可以表達資料流向。原則上，設計人員需要保證其清晰且無歧義。實踐中一般透過合理的文字說明來明確的表達元素間的關係。

Jar或類庫應該建模為“容器”？ “元件” ？

Jar包或類庫一般是連結到呼叫方的程式中，作為程式中的一部分存在，這種依賴一般不表示為容器，而是元件。當然，是否要將Jar，比如SDK表示為元件並體現在元件圖上需要設計人員具體情況具體分析。

資料儲存系統應該建模為 “軟體系統” 還是 “容器” ？

資料儲存系統，比如MySQL、DFS等一般是作為獨立的外部儲存叢集存在，叢集的運維可能歸屬於公司的運維團隊。以OSS為例，但從應用角度而言，即使叢集的運維不歸屬當前開發團隊，團隊也會申請租戶隔離的專屬空間，因此，在C4模型中這種情況應該表述為 “容器”。

訊息系統應該如何建模 ？

訊息系統一般作為兩個容器間的互動媒介，因此在C4模型中訊息系統的建模存在兩種方式：

•依賴訊息系統的容器都顯示與訊息系統互動，明確的表達各自與訊息系統的依賴關係或資料流向

•遮蔽訊息系統，只提現容器間的依賴關係，並對依賴進行明確說明

圖形化的過期問題

C4模型本身也是一種文件化機制，同樣也存在過期問題。只不過C4模型透過對系統在不同的層級進行抽象，每個抽象層級的過期頻率不同，由上到下逐漸增大，上下文圖的變化頻率最小，而程式碼級則變化最大。

為什麼C4不涉及業務流、狀態機、資料模型等建模

C4模型僅對系統的靜態結構進行建模，並不試圖囊括或替代其它建模方式，C4模型並不適合所有維度的視覺化表達。對於業務流可以基於BPML、UML活動圖進行表達，狀態機可以基於UML狀態機圖進行表達，而資料模型可以透過E-R圖表達，不同建模語言相互補充。

4 系統架構設計關注不同維度

作為架構師或系統設計人員，在進行系統架構設計時一般會關注不同維度，一般情況下，對於業務系統建設而言，會關注以下維度。在架構設計（架構和設計）過程中，基於C4模型、UML及BPML等多種建模方式相互補充，不同表現維度下可以採用不同的建模方式

•業務流程：泳道圖或UML活動圖，表達核心的業務流

•業務用例、系統用例：UML用例圖

•領域模型：UML類圖

•系統邊界：C1，系統上下文圖

•高層技術選型：C2，容器圖

•系統職責分配：用線框圖表示功能架構

•關鍵部分的實現：C3，元件圖

•系統關鍵的互動邏輯：UML時序圖

•資料模型：E-R圖

•關鍵實體的狀態機：UML狀態機圖

•不同的高優先順序架構屬性的設計：比如，快取方案、冪等性設計方案、定時任務補償策略、降級限流策略等等，這些都與具體的需求所關注的高優先順序的架構屬性相關。

•部署架構：UML部署圖

5 總結

軟體架構設計的終極目標不在於設計本身，而在於架構設計意圖的傳達。圖形化有助於在團隊間進行高效的資訊同步，但不同的圖形化方式在語義一致性和效率間存在平衡。C4模型透過不同的抽象層級來表達系統的靜態結構，並提供了最小及的抽象建模元素，為設計人員提供了一種低認知負載、易於學習和使用的高效的建模方式。在實際專案落地過程中，結合C4模型以及UML、線框圖等組合方式對架構設計進行視覺化表達，一定程度上能夠提升團隊對架構設計認知的一致性以及建模效率。

作者：倪新明