Секрет устойчивых платформ для умного города: SOLID, GRASP и Clean Architecture в деле

Запускаем большой проект? Значит, берём SOLID. Мы не раз слышали это от CPO и менеджеров продукта. О нём, кажется, знают все — и все хотят применить. Но он не спасёт масштабные проекты. Например, устойчивый умный город с решениями на основе машинного зрения на одном SOLID не построить. По канонам SOLID можно писать аккуратный код, но это не создаст архитектуру всей системы. Что на самом деле работает — подобранный под бизнес-цели набор инструментов, направленный на защиту ядра приложения.

В статье — кейс Сергея Францишкова, начальника отдела разработки «Фалькон Тех», о рабочих решениях для крупной архитектуры и внедрении GRASP + Clean Architecture.

Мы — команда инженеров «Фалькон Тех», и уже 8 лет мы разрабатываем ПО с использованием ИИ и машинного зрения. За это время создали систему из более чем 3 000 программно-аппаратных комплексов в Москве. В прошлой статье рассказали, на каком стеке и железе работает видеоаналитика в мегаполисах.

Сегодня поделимся кейсом перехода с «голого» SOLID на рабочую систему SOLID + GRASP + Clean Architecture. Благодаря такому принципу проектирования бизнес-логика, работа видеоаналитики и в целом наша система комплексов не рухнут, даже если завтра город решится на кардинальные инфраструктурные изменения.

Из статьи вы узнаете:

• зачем нужна архитектура и что работает помимо SOLID;

• как GRASP и Clean Architecture помогают на крупных проектах;

• как организовать кодовую базу так, чтобы она выдерживала смену технологий.

Зачем вообще архитектура

Цифровые системы должны помогать бизнесу повышать операционную эффективность, сокращать издержки и снижать риски. Для этого они должны состоять из связанных компонентов, которые вместе приносят результат. Некоторые реализуют God Object и всё связывают со всем. Этого нужно избегать — иначе одно исправление кода рискует навредить системе. А если она масштабна — например, охватывает целый город, — очень важно сделать её устойчивой к изменениям. При этом необходимо не допустить и другой крайности, чтобы она не развалилась на независимые кусочки. Следовательно, для системы нужна единая архитектура.

Есть две цели создания архитектуры:

• повысить внутреннее качество кода; повысить прозрачность и ясность бизнес доменов. Все это упростит сопровождение и расширение системы.

• изолировать бизнес-логику от инфраструктуры, чтобы безболезненно менять фреймворки, базы данных, плагины и т. п.

Архитектура помогает удерживать систему «в форме». Ниже рассказываем, что для этого делать. Но сначала дисклеймер: упомянутые в статье инструменты направлены на защиту ядра — главенствующей функциональности.

• S (Single Responsibility) — у сущности или её поведения запросы на изменения должны исходить от одного источника ответственности

• O (Open-Closed) — система должна быть открыта для расширения и закрыта для изменения.

• L (Liskov Substitution, принцип Барбары Лисков) — наследуемые сущности должны использоваться наравне с родительскими, без нарушения родительского контракта. Если есть объект A и объект B (наследник объекта A), в случае замены A на B в коде, система продолжит работать корректно с предсказуемым поведением, вне зависимости от знания, что используются сущности от наследников.

• I (Interface Segregation) — большие интерфейсы хуже маленьких. Классу проще реализовать несколько, более специфичных ему, интерфейсов, чем тянуть за собой один громоздкий интерфейс с кучей ненужных методов.

• D (Dependency Inversion) — зависимости должны быть направлены к ядру системы и не должны тянуть за собой детали реализации. Детали реализации должны исходить от клиентского взаимодействие, если ему требуется работать с инфраструктурными элементами (HTTP-подключение, клиент, CLI-взаимодействия), то реализация взаимодействия определяется на внешнем уровне. Это делает зависимости и интерфейсы гибче и устойчивее.

SOLID — не гарантия чистой системы

Принципы SOLID — это рекомендации по созданию поддерживаемых сущностей низкого уровня, например классов, объектов, модулей. В то время как Clean Architecture — это архитектурный шаблон более высокого уровня, который организует все приложение по слоям для обеспечения разделения задач, логики, абстракций. Но в реальных больших продуктах остаются структурные «дыры»:

• Сильная связанность — SOLID не регламентирует, как модули и слои системы будут общаться. Иногда возникает скрытая тесная связь между подсистемами.

• Дублирование логики — принципы S и I улучшают объект, но не решают проблему дублирования бизнес-правил. Становится сложно вносить изменения за счёт связанности отображения с поведением.

• Инфраструктура ломает ядро — даже при соблюдении D инфраструктурные особенности «протекают» в домен через адаптеры и DTO. Ядро оказывается чувствительным к изменениям.

GRASP как следующий уровень

SOLID — набор концепций о том, как должен быть устроен класс, структура, модуль, а GRASP (General Responsibility Assignment Software Patterns) — набор паттернов, который описывает взаимодействие между классами и структурами.

Основные паттерны GRASP:

• Information Expert — Если объект обладает всей или большей частью информации, необходимой для выполнения операции, то именно он ее и должен производить.

  Если нужно сделать расчёт финальной стоимости заказа, имеет смысл поместить этот расчёт в объект заказа, а не выносить это в отдельную структуру, которой придется запрашивать данные.

• Controller — отвечает за обработку внешних событий и координацию поведения.

  Компонент, на границе домена/системы, который связывает основную логику с внешним миром. К примеру это может быть отдельный веб-сервис с http/grpc эндпоинтами, CLI-утилита, rabbit/nats consumer и пр.

• Creator — объект создает другой объект, если он им владеет или его использует.

  Креатор — это не фабричный метод. Это правило, что мы должны давать возможность классу или структуре порождать другие объекты. А вот уже способом реализации будет фабричный метод или порождающий паттерн.

• Низкая связанность (low coupling) — компоненты минимально зависят друг от друга.

  Когда компонент использует логику или данные другого компонента, это создает связность между ними. Ее нужно стараться уменьшить. Понятно, что компоненты находятся не в вакууме и избежать взаимодействия вряд ли получится. Но важно, чтобы один компонент не начинал пользоваться внутренними деталями другого как своими.

• Высокая связанность (high cohesion) — внутри компонента всё максимально логически связано, а лишние методы/поля выносятся наружу или выделяются в другой компонент, действуя по такому же принципу логического объединения и сфокусированности.

  Высокая связанность относится непосредственно к компоненту. Чем активнее логика и используемые ею данные внутри одного компонента взаимодействуют друг с другом, тем выше его связанность — и это хорошо. Компонент должен быть цельным. А если внутри компонента есть логика, которая плохо фокусирует выполняемые задачи компонента, ее стоит выделить в отдельный компонент вместе с зависимыми данными.

Если резюмировать, GRASP — системное мышление в проектировании: он защищает от ситуации, когда бизнес-логика «размазана» по интерфейсам и вспомогательным компонентам. Мы ищем и обучаем специалистов, которые умеют с ним работать, чтобы делать качественные продукты. Читайте подробнее на Хабр Карьере.

Чистая архитектура (Clean Architecture) в реальном проекте

Максимально кратко, SOLID говорит, как проектировать компоненты, GRASP объясняет, как распределять обязанности между ними, а Clean Architecture — делает систему независимой от инфраструктуры.

«Термин Clean Architecture ввёл Роберт Мартин. Он считал, что бизнес-логика должна быть независимой от деталей реализации, а инфраструктуре необходимо подключаться как «плагины». Не ядро зависит от базы данных, а наоборот — технологии подключаются к приложению как сменные модули.»

– Цитата эксперта

Четыре слоя Clean Architecture

Классическая схема чистой архитектуры включает четыре слоя. На практике не часто проводят грань между слоем фреймворка и инфраструктуры. Делают это для упрощения и ввиду того, что они часто разрабатываются вместе. Поэтому дальше они будут фигурировать как один слой.

Получается так:

• Домен — бизнес-сущности и правила;

• Приложение — что система должна делать;

• Инфраструктура и фреймворки — базы данных, REST/gRPC, API.

Все зависимости направлены внутрь, в сторону бизнес-логики. Так система становится модульной и устойчивой к изменениям технологий. Также часто выделяют отдельный слой под различные утилитарные задачи. Это модуль, который содержит вспомогательные функции, данные и прочее, их часто переносят из проекта в проект. Этот слой не участвует в бизнес-логике и может использоваться в любом другом слое без нарушения зависимости.

Как наложить Clean Architecture на реальный код
(на примере сервиса Offense Collector в умном городе)

Как Clean Architecture выглядит в репозитории и почему это удобно? Возьмём реальный кейс из систем умного города. Сервис Offense Collector собирает доказательную базу для возможности оформления нарушений из разных источников.

Создание архитектуры

Мы использовали «кричащую» архитектуру — когда имена модулей говорят, что за что отвечает. Это разгружает мозг разработчика.

Папка с infrastructure содержит модули setup, worker и реализации клиентов. В папке application лежат репозиторий и модуль use_cases с пользовательскими сценариями. И последний слой domain, который содержит бизнес-сущность правонарушения и её логику.

Папка с репозиториями — это набор интерфейсов по паттерну репозиторий, определяющий обмен данными, как пример с СУБД. На слое приложения их реализации нет — она лежит на уровне инфраструктуры.

Дальше идёт реализация конкретного сценария системы (use cases).

Внедрение use cases

Один из ключевых элементов слоя приложения — это структура use cases. Рассмотрим конкретный случай — обработку, фиксацию и отправку сформированного сообщения с необходимыми данными для доказательной базы (далее – парсель). Если посмотреть на код, то внутри метода происходит следующее:

1. Берём данные из репозиториев;

2. Преобразуем их в доменные сущности;

3. Передаём дальше.

Всё. Сценарий — инструкция, а реализации каждого шага — отдельные функции. Антикоррупционный слой здесь нужен только потому, что данные снаружи не совпадают с тем, что ожидает домен. Если убрать эту прослойку, метод сводится к линейной инструкции.

На уровне приложения зависимости есть только от своего слоя и доменного слоя.
Домен — автономен, никак не завязан на инфраструктуру, библиотеки и фреймворки.

Создание точка входа

main — место, где собираются плагины. Главный компонент производит инициализацию клиентов Rabbit/HTTP, баз, инстансов репозиториев — всего, что нужно юзкейсу, и сам юзкейс. Дальше происходит запуск.

«Такая чистая архитектура очень выгодна, если в будущем придётся поменять технологии. Например, сегодня use case получает события через RabbitMQ. Завтра нужно перейти на HTTP-сервер. Мы изменим только адаптер, который передаёт событие в сценарий. Весь остальной код трогать не будем.»

— Андрей Борисов, Старший back-end разработчик в «Фалькон Тех»

Что это дает бизнесу

Обобщим плюсы подхода:

• Понятная структура проекта (кричащая архитектура);

• Устойчивость бизнес-логики и ядро, не завязанное на фреймворках;

• Возможность тестирования без инфраструктуры, простота для QA;

• Защита от «грязного кома»: разделение слоёв, зоны ответственности, контролируемые зависимости.

И, конечно, чистый код, в котором каждый слой независим и изменения в одном слое не ломают другие.

Замена технологий (например, RabbitMQ → HTTP) проводится без исправления бизнес-логики. Мы получаем эволюцию проекта вместо переписывания его частей. Минусы тоже есть: высокий порог входа, множество файлов и невысокая скорость разработки — сочетание фреймворков не подходит для коротких проектов. Но если речь о крупных системах с использованием новых технологий, когда нужны ИИ и машинное зрение, этот подход работает.

В одиночку SOLID не спасет

Резюмируем: SOLID нужен, но сам по себе большие проекты он не спасает. Однако, если добавить к нему GRASP + Clean Architecture, это комбо даст устойчивость и гибкость.

Практические рекомендации:

• Не отказываться от SOLID, потому что он помогает делать аккуратные компоненты.

• Понять, как реализовано взаимодействие между компонентами и интерфейсами.

• Применить GRASP — определить, что за что отвечает.

• Использовать Clean Architecture и делать систему независимой.

Важно понимать, что архитектура — это не финишный пункт, а дорожная карта. Со временем требования меняются, и появляются новые сценарии. И поддерживаемая чистая архитектура позволяет постепенно развивать систему без головной боли.

Желаем удачи на ваших проектах,
Команда инженеров «Фалькон Тех»

Нравятся строгие правила кодинга, системность и чистая архитектура?
Заходи на Хабр Карьеру — там делимся нашими условиями, требованиями к кандидатам, вакансиями с указанной зарплатой.