本文對Serverless架構的基礎概念、具體產品、應用場景、工作原理進行詳細解析。
基礎概念
Serverless： 無服務器架構，即在無需管理服務器等底層資源的情況下完成應用的開發和運行，是雲原生架構的核心組成部分。
通俗來說，如果將購買一臺物理服務器比作買車，購買雲服務器就類似於租車（租賃期間需要駕駛和維護，且即使閒置也需付費），那麼Serverless則類似於出租車（只需乘坐，按里程計費）。
從技術層面來說，我們可以簡單理解爲：Serverless = FaaS + BaaS。一個完整的Serverless應用一般由FaaS層的雲函數負責無狀態的計算，由BaaS層組件負責狀態的維護：
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FaaS（函數即服務，Function as a Service）：將函數代碼託管給雲產商，以服務形式運行，支持事件觸發。代表產品有騰訊雲SCF、AWS Lambda等。
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BaaS（後端即服務，Backend as a Service）：指雲平臺提供的後端組件整合，開發者無需開發和維護後端服務，通過API/SDK的調用便可獲得例如數據存儲（對象存儲、雲數據庫、雲中間件等）、消息推送、賬號管理、地圖定位、AI、IoT等能力。
特點及優勢：
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免運維：無需管理基礎設施 —> 可以專注業務開發
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按量計費：閒時不計費 —> 降低成本
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彈性伸縮：峯時自動擴容 —> 無需考慮可用性問題
劣勢及適用場景：
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冷啓動延遲： 一定時間內的首次調用可能需要冷啓動（如進行加載代碼、拉起容器等任務）—> 適合對響應速度要求不是太高的接口，更適合異步任務，不適合啓動耗時久的Java項目
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開發和管理設施： Serverless應用的調試、測試、排障、發佈等設施暫不成熟 —> 目前更適合後端邏輯不太複雜的輕量級應用
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雲產商綁定： 不同雲產商提供的組件（如存儲）接口不同，可能增加未來遷移成本 —> 使用標準化框架，並在設計時儘量隔離通用邏輯層和BaaS依賴層
工作原理
雲函數之所以能做到按量計費和彈性擴容，與其實現機制是分不開的。核心原理是在函數被調用時才動態的啓動容器實例去執行，容器的生命週期很短，執行完後一定時間就會被回收，所以沒有調用時是不消耗任何資源的。而面對同一時間的並行調用，會啓動多個實例來完成執行，這也實現了單個請求級別的彈性擴容，且理論上是可以無限擴容的。
由於容器啓動本身需要耗時，所以一般的實現會在實例執行完之後保留一定時間窗口。大致的工作流程如下圖，其中步驟（1) (2) (3) (4) 爲冷啓動調用流程，(5) 爲非冷啓動調用。
1.函數註冊
用戶在控制檯（或命令行）提交函數代碼到雲平臺，並進行函數配置。代碼一般會被作爲靜態資源保存（如對象存儲），而函數的元信息會被存入數據庫中（如mysql）。
2.函數觸發
雲函數的觸發可以分爲同步和異步兩種情況：
- 如果是同步請求則等待函數執行結果後返回
- 如果是異步請求則可以投遞到隊列後直接返回
3.函數執行
雲函數的執行可以分爲冷啓動和非冷啓動兩種情況：
- 如果沒有可用的實例資源則進入冷啓動流程，需要進行宿主機調度，在宿主機拉起容器實例，下載函數代碼，然後執行代碼。
- 首次執行完畢後docker容器不會立即關閉，會等待一定時間週期，如果此時有新的請求進來，會被分配到該容器，直接運行代碼。
冷啓動問題
前面說到雲函數的實現機制必須要在函數調用時纔去啓動運行環境，需要面臨冷啓動問題。雖然保留一定時間可以讓後續的請求無需加載，但如果在極短時間內併發大量請求，還是會同時啓動多個容器，影響首個請求的響應時間。前面也說到，雲函數的特性和機制決定了它的應用場景，對於同時要求高併發、低時延的場景並不是特別適合。
對於冷啓動問題，下面以騰訊雲的雲函數SCF爲例進行驗證。使用Postman的批量測試功能（Collection Runner）對雲上部署的一個Hello World函數進行串行測試。
從圖中可以看出，一段時間內的首次請求耗時會比其他請求的耗時高出一個數量級。
冷啓動優化
冷啓動的優化主要針對同步的請求，首先分析下冷啓動耗時的組成，主要是容器的拉起和代碼的下載（當然也有資源調度和網絡配置等，這裏暫不討論）。
1.代碼緩存：可以設計多級緩存，比如在宿主機上進行代碼包緩存，以及在可用區(AZ)內部進行緩存，這樣後續的首次啓動就可以快速就近獲取，而無需再次從對象存儲下載。
2.容器預創建：一個優化思路就是預加載，也就是預測將會到來的請求，提前拉起容器實例，從而減少耗時。有以下幾種可能的方案：
- 進行請求量的實時計算，如果請求呈上升趨勢，就開始預創建容器實例，同理下降則進行回收。
- 雲函數調用鏈： 這是一種可確定的預測，當雲函數之間出現互相調用，在前面的函數被觸發時就可以同時預創建調用鏈後面的實例；
- 版本更新： 如果函數版本進行更新，則之後的所有請求都會重新冷啓動，爲了避免這種情況，需要預創建一些實例並下載新版本代碼，之後才能將流量平滑遷移到新版本函數。
應用場景
1.Rest API
利用雲函數可以快速部署一個Rest API應用，目前的雲廠商基本都支持大部分node，python和php的web框架，如koa、Express.js、Next.js、Flask、Django、Laravel等等。
這種web架構是前後端分離，即雲函數中的後臺接口只提供數據，頁面的渲染在瀏覽器進行。可以將前端的代碼部署到對象存儲中，並使用相關雲數據庫作爲數據存儲，這就成爲一個完整的雲上Full Stack應用。
2.SSR
SSR（Server-Side Rendering）：後端渲染，即頁面直接在後臺進行渲染，瀏覽器只負責顯示。這種比較傳統的web架構很適合應用於Serverless，只需將整個後端代碼部署到雲函數即可，好處有：1.利於SEO，2.降低系統複雜度，易於部署。
Serverless很適合用於流量分佈不均的輕量應用，比如一些活動頁面，可能一個週期內只有很短的一段時間會有大量訪問，且需要長期的維護，此時爲這個應用去購買高配置的服務器顯然是不划算的。使用Serverless之後則可以完全解決這個問題，按量計費降低了成本，既免去了長期運維又不需要擔心擴容問題。
3.任務執行
雲函數本身是無狀態的，所以天然適合無狀態任務，如果需要狀態存儲則需要藉助BaaS層的組件。雲函數的優勢是可以與雲提供商下的其他服務（比如數據庫、緩存、對象存儲、CDN、AI、轉碼等）打通，在函數中使用SDK連接各個組件（但這同樣意味着將在雲產商綁定的道路上越走越遠）。以下是一些適用場景：
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消息通知：比如觸發後向某個用戶發送郵件、短信等。
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定時任務：雲函數一般提供定時器觸發，方便進行定時任務的執行。
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CDN自動刷新：一般來說會把圖片、網頁等靜態資源存到對象存儲，並且配置CDN加速，一旦資源發生修改還得手動進行CDN刷新預熱。可以使用對象存儲上傳的事件觸發器，在雲函數中調用CDN接口自動化刷新預熱。
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視頻轉碼：如果雲產商提供轉碼服務，可以藉助雲函數很方便的完成轉碼任務。如原視頻上傳到對象存儲後，該事件可以觸發雲函數調用轉碼服務，並將轉碼後的視頻發佈到對象存儲中，如果使用了CDN還可以進行緩存刷新。
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AI服務：可以使用雲函數調用該產生的AI服務，比如調用OCR接口識別圖片文字內容後返回。
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Devops：例如將Github的webhook設置爲雲函數的地址，當代碼提交後觸發雲函數，執行CI/CD任務，構建後發佈產物到雲服務器上。
具體產品
下面以騰訊雲上的Serverless產品爲例介紹具體的使用實踐。
SCF雲函數
SCF (Serveless Cloud Function)是騰訊雲Serverless的核心產品，部署一個可以從公網訪問的雲函數只需簡單兩步：
1.函數編寫：可以直接在控制檯上的編輯器中編寫函數代碼，下圖就是一個Hello World雲函數：
2.創建觸發器：如果想通過瀏覽器進行函數調用，則創建一個API網關觸發器，會分配一個公網地址供訪問。API網關還支持綁定自定義域名，可實現通過 "{自定義域名}/{函數名}" 的方式訪問雲函數，例如 http://apigw.zhayujie.com/test。
除了網關觸發，SCF還支持對象存儲（COS）、消息隊列（Ckafka、CMQ）、定時任務等觸發器，方便雲函數與這些組件打通，可以衍生出很多應用場景。
Serverless Framework
Serverless framework是Serverless官方提供的標準化框架，目前支持該框架的產商有騰訊雲、AWS、Azure、Google等等。其目的一是完善Serverless項目的devops流程，包括開發、測試、管理、部署、監控等生命週期；二是提供一個標準接口，降低serveless應用對雲廠商的綁定，減小遷移成本。
對於簡單的函數可以在控制檯直接編寫和部署，但對於有一定規模的項目肯定是不能滿足的，我們不可能每次都在網頁上手動修改代碼，也不可能一一手動創建和管理所依賴的雲產品。
於是Serverless framework提供了基於命令行和IDE的一站式開發部署，方便快速構建Serverless應用。且騰訊雲將SCF、COS、CDN、數據庫等BaaS層的雲產品都抽象爲組件（Serverless framework components），在應用中可以方便的對這些資源進行創建、配置和管理。
CloudBase
雲開發CloudBase最初多用於爲小程序提供BaaS能力，使開發者可以免於維護服務器，採用全託管的方式開發小程序，如今雲開發還支持公衆號、web應用、Flutter客戶端等。
雲開發其實提供了一體化的開發環境，集成了FaaS層的雲函數和常用的BaaS層組件（NoSQL數據庫，COS雲存儲），以及提供了監控和日誌能力，基本涵蓋了應用開發所需的核心環境和工具。
總結
本文首先介紹了Serverless的概念，可簡單理解爲FaaS和BaaS的結合，並闡述了其優勢（免運維、按量計費、彈性伸縮），以及劣勢（延時、複雜應用支持、雲產商綁定）。
工作原理部分，介紹了雲函數的工作流程，包括函數註冊、函數觸發、函數執行，分析了冷啓動的問題，並提出了一些優化方案猜想（代碼緩存、容器預創建）。
應用場景部分，對web應用託管（Rest API、SSR）和任務執行這兩種常見應用場景提出了具體的實例。
最後介紹了騰訊雲上的Serverless產品，包括SCF雲函數、Serveless Framework、CloudBase雲開發，其中使用SCF創建了一個可從公網訪問的雲函數demo。希望讀完本文能對Serverless無服務架構有一個形象具體的認識。