使用函数式语言实践DDD

使用单体应用来承载多个限界上下文
代码结构
信任边界
通过状态机来处理业务逻辑
保持纯净的领域模型
通过Monad创建pipeline
小结

长期以来我都在实践OOP，进而通过OOP来实现DDD，特别是如何通过面向对象的技巧来建立一个领域模型。OO的一些特性在建立领域模型时显得恰如其分，能否掌握OO的技巧，对创建领域模型有着至关重要的作用。
这篇文章为大家介绍一种常见的函数式架构，特别是如何通过函数式语言来实现DDD，进而利用函数式组合的特性，创建函数pipeline。
软件架构是围绕着领域模型而做的若干设计，如果按照c4模型的定义，软件架构由下面四个级别的架构组成的：

• "System context"是最高层的架构，代表着整个系统
• "Container"是组成"System context"的单元，通常用来表示可部署的单元，例如一个"API service", 一个web应用程序等
• "Component"是组成"Container"的基本单元，通常指组若干抽象组件，是一个"Container"里面的骨架，也是本文要重点介绍的架构
• "Code"具体到了代码级别，通常指实现某个"Component"应该有哪几个类组成

使用单体应用来承载多个限界上下文

领域驱动设计中有一半概念是在讨论问题域，并不是一上来就教你如何写代码，这说明理解一个问题域是复杂的，看清问题的本质是需要时间的。当你开始着手划分限界上下文的时候，说明你已经对需求有了很好的了解。但是经验告诉我们，刚开始你的理解，往往都不是最终的需求，或者仍然需要多次跟领域专家确认和交互，才能得到最终的需求。
这个时候，如果你一上来就按照限界上下文划分微服务，往往可能会步入Microservice Premium。
要想软件在一开始就能达到快速试错的目的，一上来就做微服务, 会让步子迈得有点大。微服务架构带来了分布式的复杂性，使得前期生产效率大大降低，另外还存在船大难掉头的情况，一旦设计出现返工，生产效率也会打折扣。当然，这不是绝对的，如果架构师已经在该行业深耕多年，对业务更是了如指掌，项目一开始就设计为微服务也未尝不可。
在项目初期，在需求还不是非常明确的时候，你完全可以创建一个单体应用，然后通过不同的模块或程序集来隔离不同的界限上下文，通过不断的试错和快速反馈来调整你的解决方案。
一种比较严格的说法是，当你关闭其中一个微服务，如果整个应用程序都崩了，其实你设计的不是一个微服务架构，而是一个分布式单体应用程序。

在过去的若干年里，我经常使用一种叫“Layer architecture"的软件架构, 这种架构往往把代码分成若干层：

• 基础设施层：通常用来负责跟第三方或者数据库打交道，用来持久化数据或者API请求。
• 领域层或者业务逻辑层：用来封装业务逻辑
• 应用程序层：通常是很薄的一层，用来协调领域层和基础设施层
• 展现层：用来展现UI或者输出API结果
  这种架构方式是一个自上往下的输入，最后从下往上输出结果的工作流（图1）。
  
  实际上，当我在使用这种方式组织代码时，遇到最大的挑战在于：这种分层方式，把同一个输入到输出的的若干部分，横向的分散到了若干层中。当你需要修改某个API时，需要同时修改若干个层。另外这种组织代码的方式，往往会让OO走向混乱，一个名叫OrderApplicationService的类中放满了各种跟Order相关的方法，通常对Order的操作有数十种之多，他们属于OrderApplicationService吗？如果属于，任何一个跟Order相关操作的参数变化，都会引起这个类被改动，这种对类的频繁修改合理吗？
  函数式编程中，更倾向于纵向组织代码（图2），
  
  例如一个API操作，就是一个文件或者模块，整个操作自上而下的流程被组织到同一个文件里，这样做的好处是，针对某个功能的修改，只关注与当前工作流相关的文件即可。

在问题域里，各种业务之间的边界是模糊的，限界上下文则是业务在解决方案上的映射，是人为划分的边界。在边界里面的内容，是可信任和合法的，相反，界限外面的一切输入，则是非法和不可信任的（图3）。

这就要求我们在限界上下文的边界，引入验证逻辑，从而阻止外部输入，以及验证对外部的输出。
常见的验证逻辑如：

• 输入DTO，需要转化为领域模型，用于处理业务逻辑
• 对输入数据的合法性验证，例如：用户名不能为空，邮件格式是否正确
• 对输出类型的安全性校验，例如：防止在输出数据里包含用户密码等敏感信息
  验证逻辑并不是FP独有的，不过FP中常常使用Applicative对数据进行验证，从而收集多个用户Error。关于Applicative, 以后会单独写文章介绍。
  一旦输入数据突破信任边界，在领域模型建模的过程中，你不需要担心用户名是否是空，邮件格式是否正确等问题。你应该专注于使用FP的代数数据类型进行领域建模，请参考我之前写过一篇使用函数式语言来建立领域模型--类型组合。
  对输出的验证则不太一样，主要关心对输出数据的安全性保护，防止将一些领域模型中的私有属性输出到外部世界。

通过状态机来处理业务逻辑

纵然，通过FP的代数数据类型（Algebraic data type）能够快速完成领域建模，但是我们知道，领域模型不是静态的，它是由一些列事件组成的过程。而这种转化过程，正是领域模型状态发生变化的过程，即状态机（图4）。

领域模型状态转换的过程跟实现语言无关，一个设计精良的领域模型，就好比一个状态机。例如在买机票的过程中，填写个人信息，填写联系人，选座，买保险和付款的过程，就是订单状态发生变化的过程。再比如用户注册的过程，填写基本信息，验证邮箱，也是用户信息状态发生变化的过程。以OO为例，我们习惯于通过增加标志位的方式，进行领域建模：

type User = {
  name: string
  password: string
  email: Email | null 
  isEmailVerified: boolean //当验证完email后设置为true
  canLogin: boolean //当email被验证后方可login
}

业务逻辑的实现过程，就是填充用户属性和修改标志位的过程。然而，这种方式实际上存在若干问题：

• 有些属性在业务前期是不需要的，例如canLogin, 只有验证完email才有效
• 有些标志位实际上不是单独存在的，例如isEmailVerified就跟email是紧密相关的，而这个模型无法反映出来这一信息
• email被定义为可空类型，导致使用该模型的地方不得不使用null检查
  通过状态机的机制，重新考虑用户注册过程：（图5）

按照上面的状态重新对用户建模，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
  

如果有更多的用户状态，你还可以持续添加到User类型中。
这种通过"|"创建的User类型被称为在FP中被称为union类型，也叫product或sum类型, 在TypeScript被称为Discriminated union。这时候的User类型，可以用来在领域模型中实现领域逻辑，通常这种union类型需要配合模式匹配来完成，例如修改密码，登录，修改邮件地址等逻辑，都是针对User类型做模式匹配的过程。关于模式匹配的用法，在此不再细说。
这种通过状态机的方式，实现业务逻辑时有下面几个好处：

• 业务模型在不同的状态，提供不同的业务能力
• 模式匹配会强制你处理每种状态的行为，避免遗漏一些边边角角的情况
• 相比于将所有状态记录在同一个模型中，状态机可以帮你梳理整个业务状态的变化

保持纯净的领域模型

函数式编程的一个主要目标就是让代码有预测性，通过函数签名理解函数的用途。为了达到这个目的，函数式语言设计了若干特性，例如不可变的数据结构，还有各类Monad来避免副作用。在DDD实践中，应该避免I/O相关的代码出现Domain中。例如读写数据库，调用第三方系统的API等相关代码，需要把这类具有副作用的代码推到Domain的外围。如果需要做的更好，那就必须使用CQRS加Event Sourcing。我在之前一篇文章提到过这个观点，不过部分读者没有理解其中的意思，我在这里再做一些说明。首先，CQRS不仅仅是为了读写分离，从而提高读写性能。读模型和写模型（领域模型）的分离意味着职责也是分离的，从而在设计领域模型的时候，打消对查询性能的考虑，有助于设计出纯净的领域模型。当然仅靠CQRS还是不够的，有些时候任然无法完全脱离数据库的考虑，因为领域模型始终是要持久化在数据库里，你就要考虑数据库相关的约束，例如主外键，如何建表，如何高效存储一个列表等。而持久化一个Event则完全摆脱了数据库技术，因为一个Event就是一个json, 只有这样才能设计出理想的领域模型。当然引入CQRS和ES在项目初期成本略高，不再详细描述。

通过Monad创建pipeline

以API为例，一个完整的用户请求就是一个Pipeline（图6）。

假设每一步都是有若干个函数组成，我们能够将他们组合到一起吗？答案是很难，主要原因如下：

• 每一步的若干个函数签名很难保持一致，导致compose这样的函数无法正常工作
• 部分I/O相关的函数可能是异步的，领域模型中的代码大多是同步的，很难将他们组合在一起
• 在函数式编程中，通常不会通过try...catch的方式处理异常，一方面异常也是一种副作用，另一方面，异常让函数签名不再完整。如何把每一步的异常带到最外面也成了问题
  而解决这一切的手段就是Monad, 简而言之，Monad是一种抽象方式，能够将monadic风格的函数连接起来。什么又是monadic? 简单来说这是一种接收普通类型，返回某种lift类型(泛型)的函数。例如通过IO, Task, Either相关的Monad来解决此类问题。具体内容请关注本人的函数式系列博客。

这篇文章总结了一些使用函数式语言实践DDD的大致思路，也为函数式架构提供了一些参考。由于篇幅的原因，并没有介绍到DDD的方方面面，同时，一些实现细节则是点到为止，例如如何使用Monad。总体来说，函数式语言的代数数据类型，以及函数式的一些思想，为实践领域驱动设计提供了其他的选项。