閒談軟體設計：多種 work 類型
提到後端工程師，似乎就只是開發 API，但一個複雜的系統其實不太可能只透過 API 就能完成，例如一個簡單的功能，註冊會員，其實是由好幾個不同類型的工作互相配合，您才能收到開通信，才確保資料庫不會有一堆未開通帳號等。所以今天就來聊聊一個系統有幾種不同執行方式的工作。
以下的工作類型名稱是我個人的用法，如果有人有找到更正式的說法，請留言告知，感謝。
Synchronous request
這是最直接，也是大家最直覺的工作類型，就是要求系統做事情，系統收到請求後立即開始進行，並將結果回傳。大多數的 API 就是屬於這種類型。以剛剛提到的註冊為例，前端送出 email 與 password，系統先是檢查該 email 是否已經註冊過，若有則立即回傳錯誤；若沒有則在系統資料庫建立一筆帳號，然後回傳結果。前端則是會等待結果回傳為止，因此稱作 synchronous。
開發這類的工作，要注意的便是處理時間要盡可能短，由於呼叫者會等待結果，即便 UI 能搭配一些動畫，讓使用者知道系統正在處理中，沒有掛掉，但使用者總是希望等待的時間越短越好。這是為什麼 API response time 是後端工程師時常錙銖必較的原因。
那如果一個工作無法在數百毫秒或是數十秒內完成，那怎麼辦？例如註冊帳號時，通常會發一封開通信或是發送驗證碼，好確認發出請求的使用者是該 email 的擁有者，假設發信件是透過第三方服務發送，於是在註冊帳號的流程中直接呼叫第三方的 API 嗎？如果第三方花很長的時間，那我們的 API 請求也必須等待很長的時間。
又或是請求一個月帳單報表，這個報表可能要從資料庫的好幾個資料表拉出許多資料，並加以計算與整理，這可能要花上數十秒到數分鐘，總不可能無限等待下去。因此，接下來要探討在背景默默處理事情的服務。
Background service
就像是作業系統啟動後也有很多背景服務，默默地在處理某些事情。一個後端系統，也會有好幾個背景服務，不像是 API 有個公開的端點讓前端呼叫，一種常見的做法，是透過 queue 來觸發背景服務做事，不管是 push 還是 pull，背景服務會接收到一個 X，這個 X 在語意上的差異，讓背景服務分成 job-based 與 event-based 兩種。
Job-based
顧名思義，在 job-based 的背景服務收到的 X 就是一個 job，什麼是 job？就是目的或作法明確的任務，以剛剛的報表為例，這個 job 可能長這樣：
{
"id": "453e99da-2192-4dab-800d-b084e55625af",
"job": "generate-report",
"report": "monthly-revenue",
"month": "2023-11",
"company": "bc9ba483-740d-4b7b-8a16-d56c32d4570d",
"requester": "8f2fd748-e375-436a-95db-33d58e929083",
"destination": "[email protected]"
}
這個 job 很明確，工作是某人 (requester) 要求產生報表 (generate-report)，報表類型是某公司 (company) 的月收入報表 (month-revenue)，月份是 2023 年的 11 月，產生的報表要送到指定的目的地 (destination)。也就是背景服務會執行指定的工作，沒有歧異。
一般來說，job-based 背景服務，發送者對於「完成」有比較高的要求。畢竟使用者已經允許系統用較長的時間來執行，但不可避免的，確實會有無法完成的時候，這時候背景服務可以自發的重試 (retry)，或是發送通知可以請求者，告知指定的 job 因故無法完成，讓請求者決定要如何處理。
Event-based
因此，event-based 背景服務收到的 X 便是一個 event，所謂的 event 是指過去發生過的事情，它並不是指定要做什麼，因此一個 event 可能像這樣：
{
"id": "fe07c644-2483-4eca-b7e7-c342b6dc7ad2",
"event": "account-created",
"account": "[email protected]"
"timestamp": "2023-11-18T07:33:47.091Z"
}
這個 event 只是說明過去 (timestamp) 曾經發生過 account-created 這件事，可以從 account 知道被建立的帳號為何，慣例上，事件的名稱都會是過去式，畢竟是過去發生的事，那收到後到底要做什麼事？實際的工作內容由各別的背景服務決定，假設有兩個不同的背景服務都接收帳號的事件，一個服務會發送驗證碼，另一個服務則是發送 webhook 給註冊的第三方服務。
有人可能會問，那是否可以把 event 轉成 job，技術上可以，但實務上卻不是好的設計，因為這會讓核心的邏輯充滿許多枝節的細節，以創建帳號為例，核心的邏輯應該只有判斷帳號能否建立，在能建立的前提下建立帳號，發送驗證碼、發送 webhook 都是其他的枝節，假設今天有第三件事想在帳號建立後執行，那就必須修改核心邏輯，但如果是用 event，只需要多加一個背景服務，接收到 event 後執行想增加的事情，核心邏輯並不需要知道第三件事是什麼。
用圖來解說，因為 job 很明確，對應到的 background service 也只會處理指定 job，不會做其他事，因此 job-based background service 與 job queue 是一對一的關係。但 event 則是相反，由接收 event 的 background service 決定要做的事情，不是唯一的關係，event queue 與 backgroud service 能形成一對多的關係。
圖中一個 background service 的方塊是一個相同服務的群，也就是一個方塊內可以有多個實體，來達成平行處理的效果。想要有多個實體，最好選擇有 exactly once 保證的 queue，不然一個 job 可能被執行超過一次，某些 job 可能還可以，但若和金錢有關，肯定會出問題。
job-based vs. event-based background service
因為 event 可以有多個 background service，發送者對於接收者比較是 best effort 的態度，也不會要求所有接收者都完成才算是完成。那如果發送驗證碼的背景服務沒有成功發送驗證碼怎麼辦？可以重新發送 event 嗎？大家先想想，等等再說我的想法。
Timing job
在背景執行任務的還有一種是根據時間觸發，有點像是設定鬧鐘，時間一到就執行某個任務，但不像是背景服務那樣，一直在背景等待，timing service 在執行完指定的任務後，該程式就結束了。根據鬧鐘的設定，又大致分成周期性與單次排程兩種。
Cronjob
週期性工作，基本上就是 cronjob，透過設定，可以指定每分鐘、每小時，甚至是每月的第一天的幾點啟動，不少後端框架都提供支援，甚至是雲端服務也有支援，只要寫好程式，加上設定檔，後端框架或雲端服務就會在指定的時間，執行指定的程式。
相較 API 可以透過 request body 指定輸入，job 和 event 本身就是一種輸入，由框架或雲端服務啟動的程式，比較難動態地提供輸入，因此程式需要的輸入資料要從別的地方來，一般是從資料庫來。例如，可以提供一個 cronjob，設定成每日凌晨一點執行，從資料庫中撈出「超過 24 小時尚未完成啟用」的帳號，然後進行清理。
在寫這類的程式時，可能要考慮幾件事：
- 能否有 overlap 的情況發生？假設有個每五分鐘執行一次的 cronjob，如果 16:00 啟動的 cronjob 尚未執行完畢，那 16:05 能否啟動第二個 cronjob？如果不行，那 16:10 啟動的 cronjob 要補救 16:05 的工作嗎？
- 能否接受延遲？如果設定成每小時的整點執行，但因為一些原因，框架或服務遲了三分鐘才啟動 cronjob，那程式能正確運作嗎？
- 如何切割資料？和 overlap 有點相關，一般來說，會用啟動時間來讀取資料庫中尚未被處理的資料，例如，16:00 啟動的 cronjob 尚未結束，16:05 啟動的 cronjob 是否會讀到已經被 16:00 載入但尚未處理完的資料？
Scheduled task
和 cronjob 週期性執行單一任務不同，有時系統就是需要一種指定某個時間執行某個任務，有些後端框架有提供這樣的支援，可以動態產生 task，然後向框架註冊在某個時間點執行。使用框架的支援要注意：若框架在指定的時間前被重新啟動，已註冊的 task 是否還會執行？如果會，延遲是否是可以接受的？
Sprint framework 提供的 scheduled task，概念比較像是 cronjob。
盡可能使用框架提供的支援或是雲端服務原生的支援，不得以真的要自己搭建一個 task scheduler，要怎麼做呢？一種方式建立一個 job-based 的background service 作為 task scheduler。
background service as a task scheduler
Job 可以類似下面的格式，runAt 指定要執行的時間，scheduler 在收到 Job 後，檢查時間是否已經到了，若還沒，就把 Job 在丟回 queue 中，若已經到了，就看註冊的 executor 中有誰能處理該 task，把 task 交由該 executor 執行。
{
"id": "8d7af310-93fe-4e37-af08-25501112a04e",
"runAt": "2023-11-18T07:33:47.091Z",
"task": {
"type": "make-call",
"phone": "+886987654321",
"content": "https://somewhere.com/voice/something.mp3"
}
}
這作法不見得是有效率的做法，特別是對於要很久以後才執行的 task，會被一直取出再丟回 queue 中，此外，不要太期望這種做法的時間顆粒度有多細，能到秒就很不錯了，也不要期望這種做法的時間準確度，數秒到數十秒的誤差都是常有的。
用 cronjob 實作 task scheduler 也是一種可能的方式，但要非常小心 cronjob 一節所提到的注意事項。
如果想要解耦 task scheduler 和 task executor，可以再加入一層 task queue。task scheduler 並不需要知道有哪些 executor，只要把可以執行的 task 送往下一層的 task queue 即可。
decouple task scheduler and task executors
雖然解耦合有不少好處，例如 task scheduler 的邏輯更簡單、每個 task executor 能有各自的平行處理能力等等，但除非真的需要，不然複雜的設計也會帶來較高的維護與除錯成本。
Batch job
最後一個是最常被忽略的一個，它平凡無奇，而且往往不需要高深的技術或是複雜的設計，主要任務就是批次地完成大量的工作，為什麼我不把它歸納在第一個 synchronous request 中呢？主要是它的執行時間通常很長，數分鐘、數小時到數天都有可能。常見的例子：匯入大量資料到系統中，可能會執行數十分鐘。
有時候更可憐的是，它只會被執行一次，因此也可稱作是 one-time job。例如，系統出現問題後，資料可能出現不一致的情況，這時就可能寫個腳本大批量地修復資料。
另一個例子是database schema migration，當一個資料表已經有上千萬筆資料時，突然要加個欄位，如果直接用 SQL 在新增欄位時加預設值，這 migration 恐怕會鎖住資料表非常長的一段時間。因此，migration 可以只新增欄位，但不給定預設值，然後執行腳本小批量地填上預設值，最後在執行一次 SQL 將預設值的設定加回去。
這類工作耗時很久，不可避免地就可能遇到中斷，例如在本機上跑，卻遇到休眠，在雲端上跑，卻遇到記憶體不足中斷，因此在寫這類程式時，要注意是否可以重複執行。
這些腳本或程式，看似沒什麼技術，卻是讓系統減少停機時間很重要的程式。
組合技
如開場所提的，通常一個複雜的系統不會只有一種工作，像是幕之內一步厲害的連續技：肝臟攻擊、羚羊拳加上輪擺式位移完美結合。一個複雜的系統也會由多種不同的工作來完成，就好像註冊帳號，有 synchronous 的API、發送驗證碼的 event-based background service，以及清理資料的 cronjob。
組合的方式其實可以有很多種，有時候可以簡單一點，有時候可以彈性 (複雜) 一點，例如先前提到的報表服務，它其實做了兩件事，一個是產生報表，另一個是將報表寄到指定的郵件信箱，那如果想在報表產生後不見郵件，而是串接到第三方服務呢？
簡化 reporting service，只產生報表，放在某個空間，接著發出 report-generated 事件，要寄 email 就串上 send report 的 service，要串接第三方服務，就串上另一個 service，那要如何產生 job 呢？前面加上 API，如此使用者便可以透過介面請求產生報表，又或者，可以新增一個 cronjob，每天早上產生 job，達到每日寄送報表的功能。
extendable workflow
如此一來，圖中的每個方塊，責任都很專一 (high cohesion)，之間的耦合也不高 (low coupling)，形成容易調整跟擴充的系統。善用這幾種工作類型，設計出更好的系統。
問題回覆
在前面有提到，若發送驗證碼失敗，是要再次發送一次 event 嗎？個人建議是不要，由於 event-based 的系統，很難確保會有多少 service 接收該 event，再次發送 event 可能會導致重複執行。確實，多數的 event queue 並不保證 exactly once，通常背景服務會處理短時間內接收到相同事件的問題。但刻意再發送一次，會有語意上的誤會，是真的建立兩次帳號嗎？因此，我個人是偏向，有個 API 重置驗證碼，提高安全性，然後發出 validation-code-reset 的事件 (reset 的過去式還是 reset)，然後背景服務在收到該事件後再次寄送驗證碼。
後記
沒想到第一神拳已經連載 34 年了 (1989 開始連載)，雖然我只看動畫，但還是覺得很熱血，最後附上幕之內一步對千堂使出肝臟攻擊、羚羊拳加上輪擺式位移的連續技。
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