《资源成本双优化！看 Serverless 颠覆编程教育的创新实践》

赫连开畅

2023-12-01

简介： 说起 Serverless 这个词，我想大家应该都不陌生，那么 Serverless 这个词到底是什么意思？Serverless 到底能解决什么问题？可能很多朋友还没有深刻的体会和体感，这篇文章我就和大家一起聊聊 Serverless。

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作者 | 计缘
来源 | Serverless 公众号

说起 Serverless 这个词，我想大家应该都不陌生，那么 Serverless 这个词到底是什么意思？Serverless 到底能解决什么问题？可能很多朋友还没有深刻的体会和体感，这篇文章我就和大家一起聊聊 Serverless。

什么是 Serverless

我们先将 Serverless 这个词拆开来看。Server，大家都知道是服务器的意思，说明 Serverless 解决的问题范围在服务端。Less，大家肯定也知道它的意思是较少的。那么 Serverless 连起来，再稍加修饰，那就是较少的关心服务器的意思。

Serverfull 时代

我们都知道，在研发侧都会有研发人员和运维人员两个角色，要开发一个新系统的时候，研发人员根据产品经理的PRD开始写代码开发功能，当功能开发、测试完之后，要发布到服务器。这个时候开始由运维人员规划服务器规格、服务器数量、每个服务部署的节点数量、服务器的扩缩容策略和机制、发布服务过程、服务优雅上下线机制等等。这种模式是研发和运维隔离，服务端运维都由专门的运维人员处理，而且很多时候是靠纯人力处理，也就是 Serverfull 时代。

DevOps 时代

互联网公司里最辛苦的是谁？我相信大多数都是运维同学。白天做各种网络规划、环境规划、数据库规划等等，晚上熬夜发布新版本，做上线保障，而且很多事情是重复性的工作。然后慢慢就有了赋能研发这样的声音，运维同学帮助研发同学做一套运维控制台，可以让研发同学在运维控制台上自行发布服务、查看日志、查询数据。这样一来，运维同学主要维护这套运维控制台系统，并且不断完善功能，轻松了不少。这就是研发兼运维的 DevOps 时代。

Serverless 时代

渐渐的，研发同学和运维同学的关注点都在运维控制台了，运维控制台的功能越来越强大，比如根据运维侧的需求增加了自动弹性扩缩、性能监控的功能，根据研发侧的需求增加了自动化发布的流水线功能。因为有了这套系统，代码质量检测、单元测试、打包编译、部署、集成测试、灰度发布、弹性扩缩、性能监控、应用防护这一系列服务端的工作基本上不需要人工参与处理了。这就是 NoOps，Serverless 时代。

Serverless在编程教育中的应用

2020 年注定是不平凡的一年，疫情期间，多少家企业如割韭菜般倒下，又有多少家企业如雨后春笋般茁壮成长，比如在线教育行业。

没错，在线教育行业是这次疫情的最大受益者，在在线教育在这个行业里，有一个细分市场是在线编程教育，尤其是少儿编程教育和面向非专业人士的编程教育，比如编程猫、斑马 AI、小象学院等。这些企业的在线编程系统都有一些共同的特点和诉求：

屏幕一侧写代码，执行代码，另一侧显示运行结果。
根据题目编写的代码都是代码块，每道题的代码量不会很大。
运行代码的速度要快。
支持多种编程语言。
能支撑不可预计的流量洪峰冲击。

例如小象学院的编程课界面：

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结合上述这些特点和诉求，不难看出，构建这样一套在线编程系统的核心在于有一个支持多种编程语言的、健壮高可用的代码运行环境。

那么我们先来看看传统的实现架构：

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从 High Level 的架构来看，前端只需要将代码片段和编程语言的标识传给 Server 端即可，然后等待响应展示结果。所以整个 Server 端要负责对不同语言的代码进行分类、预处理然后传给不同编程语言的 Runtime。这种架构有以下几个比较核心的问题。

工作量大，灵活性差

首先是研发和运维工作量的问题，当市场有新的需求，或者洞察到新业务模式时需要增加编程语言，此时研发侧需要增加编程代码分类和预处理的逻辑，另外需要构建对应编程语言的 Runtime。在运维侧需要规划支撑新语言的服务器规格以及数量，还有整体的 CICD 流程等。所以支持新的编程语言这个需求要落地，需要研发、运维花费不少的时间来实现，再加上黑/白盒测试和 CICD 流程测试的时间，对市场需求的支撑不能快速的响应，灵活性相对较差。

高可用自己兜底

其次整个在线编程系统的稳定性是重中之重。所以所有 Server 端服务的高可用架构都需要自己搭建，用以保证流量高峰场景和稳态场景下的系统稳定。高可用一方面是代码逻辑编写的是否优雅和完善，另一方面是部署服务的集群，无论是 ECS 集群还是 K8s 集群，都需要研发和运维同学一起规划，那么对于对编程语言进行分类和预处理的服务来讲，尚能给定一个节点数，但是对于不同语言的 Runtime 服务来讲，市场需求随时会变，所以不好具体衡量每个服务的节点数。另外很重要的一点是所以服务的扩容，缩容机制都需要运维同学来实时手动操作，即便是通过脚本实现自动化，那么 ECS 弹起的速度也是远达不到业务预期的。

成本控制粒度粗

再次是整个 IaaS 资源的成本控制，我们都知道这种在线教育是有明显的流量潮汐的，比如上午 10 点到 12 点，下午 3 点到 5 点，晚上 8 点到 10 点这几个时段是流量比较大的时候，其他时间端流量比较小，而且夜晚更是没什么流量。所以在这种情况下，传统的部署架构无法做到IaaS资源和流量的贴合。举个例子，加入为了应对流量高峰时期，需要 20 台 ECS 搭建集群来承载流量冲击，此时每台 ECS 的资源使用率可能在 70% 以上，利用率较高，但是在流量小的时候和夜晚，每台 ECS 的资源使用率可能就是百分之十几甚至更低，这就是一种资源浪费。

Serverless 架构

那么我们来看看如何使用 Serverless 架构来实现同样的功能，并且解决上述几个问题。在选择 Serverless 产品时，在国内自然而然优先想到的就是阿里云的产品。阿里云有两款 Serverless 架构的产品 Serverless 应用引擎和函数计算，这里我们使用函数计算来实现编程教育的场景。

函数计算（Function Compute）是事件驱动的全托管计算服务，简称 FC。使用函数计算，我们无需采购与管理服务器等基础设施，只需编写并上传代码。函数计算为您准备好计算资源，弹性地、可靠地运行任务，并提供日志查询、性能监控和报警等功能。

这里不对 FC 的含义做过多赘述，只举一个例子。FC 中有两个概念，一个是服务，一个是函数。一个服务包含多个函数：

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这里拿 Java 微服务架构来对应，可以理解为，FC 中的服务是 Java 中的一个类，FC 中的函数是 Java 类中的一个方法：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-yY0C75wE-1608690353697)(https://ucc.alicdn.com/pic/developer-ecology/83cc78aa74144b83bcc983aa66f63a75.png “5.png”)]

但是 Java 类中的方法固然只能是 Java 代码，而 FC 中的函数可以设置不同语言的 Runtime 来运行不同的编程语言：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ecS9QB2W-1608690353698)(https://ucc.alicdn.com/pic/developer-ecology/cd390be0b0a3459ab2f03840b4c1f441.png “6.png”)]

这个结构理解清楚之后，我们来看看如何调用 FC 的函数，这里会引出一个触发器的概念。我们最常使用的 HTTP 请求协议其实就是一种类型的触发器，在 FC 里称为 HTTP 触发器，除了 HTTP 触发器以外，还提供了 OSS（对象存储）触发器、SLS（日志服务）触发器、定时触发器、MNS 触发器、CDN 触发器等。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-JBI8tgHp-1608690353699)(https://ucc.alicdn.com/pic/developer-ecology/ae6561f33724409dad74eecf0c771865.png “7.png”)]

从上图可以大概理解，我们可以通过多种途径调用 FC 中的函数。举例两个场景，比如每当我在指定的 OSS Bucket 的某个目录下上传一张图片后，就可以触发 FC 中的函数，函数的逻辑是将刚刚上传的图片下载下来，然后对图片做处理，然后再上传回 OSS。再比如向 MNS 的某个队列发送一条消息，然后触发 FC 中的函数来处理针对这条消息的逻辑。

最后我们再来看看 FC 的高可用。每一个函数在运行代码时底层肯定还是IaaS资源，但我们只需要给每个函数设置运行代码时需要的内存数即可，最小 128M，最大 3G，对使用者而言，不需要考虑多少核数，也不需要知道代码运行在什么样的服务器上，不需要关心启动了多少个函数实例，也不需要关心弹性扩缩的问题等，这些都由 FC 来处理。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-zGzuN961-1608690353700)(https://ucc.alicdn.com/pic/developer-ecology/357657e3a37f494ba2a465858a415914.png “8.png”)]

从上图可以看到，高可用有两种策略：

给函数设置并发实例数，假如设置为 3，那么有三个请求进来时，该函数只启一个实例，但是会启三个线程来运行逻辑。

线程数达到上限后，会再拉起一个函数实例。

大家看到这里，可能已经大概对基于 FC 实现在线编程教育系统的架构有了一个大概的轮廓。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-dgAy5rL8-1608690353701)(https://ucc.alicdn.com/pic/developer-ecology/4f3da4c13dbf4a09ac942c1ba24999b1.png “9.png”)]

上图是基于 FC 实现的在线编程教育系统的架构图，在这个架构下来看看上述那三个核心问题怎么解：

工作量和灵活性：我们只需要关注在如何执行代码的业务逻辑上，如果要加新语言，只需要创建一个对应语言 Runtime 的 FC 函数即可。
高可用：多线程运行业务逻辑和多实例运行业务逻辑两层高可用保障，并且函数实例的扩缩完全都是 FC 自动处理，不需要研发和运维同学做任何配置。
成本优化：当没有请求的时候，函数实例是不会被拉起的，此时也不会计费，所以在流量低谷期或者夜间时，整个 FC 的成本消耗是非常低的。可以做到函数实例个数、计费粒度和流量完美的贴合。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-HHk0QFFj-1608690353702)(https://ucc.alicdn.com/pic/developer-ecology/62caa0bff9e34693a88c09a355a7cea6.png “10.png”)]

Python编程语言示例

下面以运行 Python 代码为例来看看如何用 FC 实现 Python 在线编程 Demo。

创建服务和函数

打开函数计算（FC）控制台，选择对应的 Region，选择左侧服务/函数，然后新建服务：https://fc.console.aliyun.com/fc/overview/cn-hangzhou

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-9yRoZASC-1608690353703)(https://ucc.alicdn.com/pic/developer-ecology/55ebac4d46c44e8b8240e9a4074a03e6.png “11.png”)]

输出服务名称，创建服务。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-vJv1aayU-1608690353704)(https://ucc.alicdn.com/pic/developer-ecology/69c4ce76d2e7452399b4578b065b912e.png “12.png”)]

进入新创建的服务，然后创建函数，选择 HTTP 函数，即可配置 HTTP 触发器的函数：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Z4oORzZD-1608690353705)(https://ucc.alicdn.com/pic/developer-ecology/5382a56b17fa4921bfc24a206334bbb5.png “13.png”)]

设置函数的各个参数：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-iHVbU20F-1608690353706)(https://ucc.alicdn.com/pic/developer-ecology/50df79be14c545f7861c77bc13baf02a.png “14.png”)]

几个需要的注意的参数这里做以说明：

运行环境：这个很好理解，这里选择P ython3
函数实例类型：这里有弹性实例和性能实例两种，前者最大支持2C3G规格的实例，后者支持更大的规格，最大到8C16G。
函数入口：详细参见文档 - HTTP 触发器认证方式：anonymous 为不需要鉴权，function 是需要鉴权的。https://help.aliyun.com/document_detail/74756.html?spm=a2c4g.11186623.6.572.195359cdselnzR

代码解析

函数创建好，进入函数，可以看到概述、代码执行、触发器、日志查询等页签，我们先看触发器，会看到这个函数自动创建了一个 HTTP 触发器，有调用该函数对应的 HTTP 路径：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-h0E6JEyi-1608690353707)(https://ucc.alicdn.com/pic/developer-ecology/d53fb2d775df4715b41cd0b2763d4528.png “15.png”)]

然后我们选择代码执行，直接在线写入我们的代码：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-piZUvgqB-1608690353708)(https://ucc.alicdn.com/pic/developer-ecology/a968060d6d5d409ba75c679cbca6623b.png “16.png”)]

具体代码如下：

-- coding: utf-8 --
import logging
import urllib.parse
import time
import subprocess
def handler(environ, start_response):
context = environ['fc.context']
request_uri = environ['fc.request_uri']
for k, v in environ.items():
if k.startswith('HTTP_'):
pass
try:
request_body_size = int(environ.get('CONTENT_LENGTH', 0))
except (ValueError):
request_body_size = 0
# 获取用户传入的code
request_body = environ['wsgi.input'].read(request_body_size)
codeStr = urllib.parse.unquote(request_body.decode("GBK"))
# 因为body里的对象里有code和input两个属性，这里分别获取用户code和用户输入
codeArr = codeStr.split('&')
code = codeArr[0][5:]
inputStr = codeArr[1][6:]
# 将用户code保存为py文件，放/tmp目录下，以时间戳为文件名
fileName = '/tmp/' + str(int(time.time())) + '.py'
f = open(fileName, "w")
# 这里预置引入了time库
f.write('import time rn')
f = open(fileName, "a")
f.write(code)
f.close()
# 创建子进程，执行刚才保存的用户code py文件
p = subprocess.Popen("python " + fileName, stdout=subprocess.PIPE, stdin=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.PIPE, shell=True, encoding='utf-8')
# 通过标准输入传入用户的input输入
if inputStr != '' :
p.stdin.write(inputStr + "n")
p.stdin.flush()
# 通过标准输出获取代码执行结果
r = p.stdout.read()
status = '200 OK'
response_headers = [('Content-type', 'text/plain')]
start_response(status, response_headers)
return [r.encode('UTF-8')]

整个代码思路如下：

从前端传入代码片段，格式是字符串。
在 FC 函数中获取到传入的代码字符串，截取 code 内容和 input 的内容。因为这里简单实现了 Python 中 input 交互的能力。
将代码保存为一个 Python 文件，以时间戳为文件名，保存在 FC 函数的 /tmp 目录下。（每个 FC 函数都有独立的 /tmp 目录，可以存放临时文件）
然后在文件中追加了引入 time 库的代码，应对 sleep 这种交互场景。
通过 subprocess 创建子进程，以 Shell 的方式通过 Python 命令执行保存在 /tmp 目录下的 Python 文件。如果有用户输入的信息，则通过标准输入输出写入子进程。
最后读取执行结果返回给前端。

前端代码

前端我使用 VUE 写了简单的页面，这里解析两个简单的方法：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-DgyjIjjh-1608690353709)(https://ucc.alicdn.com/pic/developer-ecology/d8d893a6ead54b5bbf42f3a62f151b35.png “17.png”)]

页面加载时初始化 HTTP 请求对象，调用的 HTTP 路径就是方才函数的 HTTP 触发器的路径。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-lMZIVP11-1608690353709)(https://ucc.alicdn.com/pic/developer-ecology/67664d1db2eb49d28e7cb62ef5f821f2.png “18.png”)]

这个方法就是调用 FC 中的 PythonRuntime 函数，将前端页面的代码片段传给该函数。这里处理 input 交互的思路是，扫描整个代码片段，以包含 input 代码为标识将整个代码段分成多段。没有包含 input 代码的直接送给 FC 函数执行，包含 input 代码的，请求用户的输入，然后代码片段带着用户输入的信息一起送给 FC 函数执行。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-UUafFSNW-1608690353710)(https://ucc.alicdn.com/pic/developer-ecology/56c59e1f7fba4ad5b64ef786ab40ea12.png “19.png”)]

演示如下：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-GDO0oob1-1608690353711)(https://ucc.alicdn.com/pic/developer-ecology/2ff6b2f042ae4b22a9da93389464a90b.gif “20.gif”)]

结束语

这篇文章给大家介绍了 Serverless，阿里云的 Serverless 产品函数计算（FC）以及基于函数计算（FC）实现的在线编程系统的 Demo。大家应该有所体感，基于函数计算（FC）实现在线编程系统时，研发同学只需要专注在如何执行由前端传入的代码即可，整个 Server 端的各个环节都不需要研发同学和运维同学去关心，基本体现了 Serverless 的精髓。