Serverless在编程教育中的实践

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：

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：

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：

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：

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：

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。

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。

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。

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。

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：

输出服务名称，创建服务。

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：

设置函数的各个参数：

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Python3
• 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。

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：

然后我们选择代码执行，直接在线写入我们的代码：

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 \r\n')
    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：

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。

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。

演示如下：

结束语

这篇文章洋洋洒洒给大家介绍了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。