【系统架构设计师】十二、系统架构设计(软件架构概述|构件|软件架构风格|软件架构复用)

一、软件架构概述

1.1 软件架构定义

1.2 软件架构设计与生命周期

1.3 软件架构的重要性

二、构件

2.1 构件的特性

2.2 对象的特性

2.3 构件接口

2.4 面向构件的编程(COP)

2.5 构件技术

三、软件架构风格

3.1 数据流风格

3.2 调用/返回风格

3.3 独立构件风格

3.4 虚拟机风格

3.5 仓库风格

3.6 闭环-过程控制风格

3.7 C2风格

3.8 总结

四、软件架构复用

一、软件架构概述

1.1 软件架构定义

从需求分析到软件设计之间的过渡过程称为软件架构。"只要软件架构设计好A了，整个软件就不会出现坍塌性的错误，即不会崩溃。

架构设计就是需求分配，将满足需求的职责分配到组件上。

软件架构为软件系统提供了一个结构、行为和属性的高级抽象，由构件的描述、构件的相互作用(连接件)、指导构件集成的模式以及这些模式的约束组成。

软件架构不仅指定了系统的组织结构和拓扑结构，并且显示了系统需求和构件之间的对应关系，提供了一些设计决策的基本原理。

解决好软件的复用、质量和维护问题，是研究软件架构的根本目的。

软件架构设计包括提出架构模型，产生架构设计和进行设计评审等活动，是个迭代的过程。架构设计主要关注软件组件的结构、属性和交互作用，并通过多种视图全面描述特定系统的架构。

软件架构能够在设计变更相对容易的阶段考虑系统结构的可选方案，便于技术人员与非技术人员就软件设计进行交流，能够展现软件的结构、属性与内部交互关系。

软件架构是项目干系人进行交流的手段，明确了对系统实现的约束条件，决定了开发和维护组织的组织结构，制约着系统的质量属性。

软件架构使推理和控制的更改更加简单，有助于循序渐进的原型设计，可以作为培训的基础。

软件架构是可传递和可复用的模型，通过研究软件架构可能预测软件的质量。

1.2 软件架构设计与生命周期

软件架构是贯穿整个生命周期的，不同阶段的作用和意义不同。

阶段	作用和意义
需求分析阶段	有利于各阶段参与者的交流，也易于维护各阶段的可追踪性
设计阶段	关注的最早和最多的阶段
实现阶段	有效实现从软件架构设计向实现的转换
构件组装阶段	可复用构件组装的设计能够提高系统实现的效率
部署阶段	组织和展示部署阶段的软硬件架构、评估分析部署方案
后开发阶段	主要围绕维护、演化、复用进行

SA(Software Architecture，软件架构)

1.需求分析阶段。需求分析和SA设计面临的是不同的对象：一个是问题空间，另一个是解空间。从软件需求模型向SA模型的转换主要关注两个问题：如何根据需求模型构建 SA 模型。如何保证模型转换的可追踪性。

2.设计阶段。是SA 研究关注的最早和最多的阶段，这一阶段的SA研究主要包括：SA 模型的描述SA 模型的设计与分析方法，以及对SA设计经验的总结与复用等。有关SA 模型描述的研究分为3个层次：SA的基本概念(构件和连接子)、体系结构描述语言ADL、SA模型的多视图表示。

3.实现阶段。最初SA研究往往只关注较高层次的系统设计、描述和验证。为了有效实现SA设计向实现的转换，实现阶段的体系结构研究表现在以下几个方面：

                (1)研究基于 SA 的开发过程支持，如项目组织结构、配置管理等。
                (2)寻求从 SA 向实现过渡的途径，如将程序设计语言元素引入SA 阶段、模型映射、构件组装、复用中间件平台等。
                (3)研究基于 SA 的测试技术。

        4.构件组装阶段。在SA设计模型的指导下，可复用构件的组装可以在较高层次上实现系统，并能够提高系统实现的效率，在构件组装的过程中，SA 设计模型起到了系统蓝图的作用。研究内容包括如下两个方面。
                (1)如何支持可复用构件的互联，即对SA 设计模型中规约的连接子的实现提供支持。
                (2)在组装过程中，如何检测并消除体系结构失配问题。由连接子引起的失配、由于系统成分对全局。在构件组装阶段的失配问题主要包括：由构件引起的失配、体系结构的假设存在冲突引起的失配等。

        5.部署阶段。SA 对软件部署作用如下。
                (1)提供高层的体系结构视图来描述部署阶段的软硬件模型。
                (2)基于SA 模型可以分析部署方案的质量属性，从而选择合理的部署方案。

        6.后开发阶段。是指软件部署安装之后的阶段。这一阶段的SA 研究主要围绕维护、演化、复用等方面来进行。典型的研究方向包括动态软件体系结构、体系结构恢复与重建等。
                (1)动态软件体系结构。现实中的软件具有动态性，体系结构会在运行时发生改变。
                (2)体系结构恢复与重建。对于现有系统在开发时候没有考虑SA的情况，从这些系统中恢复或重购体系结构。从已有的系统中获取体系结构的重建方法分为4类：手工体系结构重建、工具支持的手工重建通过查询语言来自动建立聚集、使用其他技术(如数据挖掘等)。

1.3 软件架构的重要性

        软件架构设计是降低成本、改进质量、按时和按需交付产品的关键因素。软件架构的重要性
包括：
        （1）架构设计能够满足系统的品质。
        （2）架构设计使受益人达成一致的目标。
        （3）架构设计能够支持计划编制过程。
        （4）架构设计对系统开发的指导性。
        （5）架构设计能够有效地管理复杂性。
        （6）架构设计为复用奠定了基础。
        （7）架构设计能够降低维护费用。
        （8）架构设计能够支持冲突分析。

二、构件

构件是一个独立可交付的功能单元，外界通过接口访问其提供的服务。

构件通常由一组需要同时部署的原子构件组成。一个原子构件是一个模块和组资源。原子构件是部署、版本控制和替换的基本单位。原子构件通常成组的部署，但是它也能够被单独部署。

构件和原子构件之间的区别在于，大多数原子构件永远都不会被单独部署，尽管它们可以被单独部署。相反，大多数原子构件都属于一个构件家族，一次部署往往涉及整个家族。

一个模块是不带单独资源的原子构件。

一个单独的包被编译成多个单独的类文件--每个公共类都有一个。

模块是一组类和可能的非面向对象的结构体，比如过程或者函数。

2.1 构件的特性

(1)独立部署单元。

(2)作为第三方的组装单元。

(3)没有(外部的)可见状态。

一个构件可以包含多个类元素，但是一个类元素只能属于一个构件。将一个类拆分进行部署通常没什么意义。

2.2 对象的特性

(1)一个实例单元。具有唯一的标志。

(2)可能具有状态，此状态外部可见。

(3)封装了自己的状态和行为。

2.3 构件接口

接口标准化是对接口中消息的格式、模式和协议的标准化。它不是要将接口格式化为参数化操作的集合，而是关注输入输出的消息的标准化，它强调当机器在网络中互连时，标准的消息模式、格式、协议的重要性。

2.4 面向构件的编程(COP)

关注于如何支持建立面向构件的解决方案。面向构件的编程需要下列基本的支持：

(1)多态性(可替代性)；

(2)模块封装性(高层次信息的隐藏)；

(3)后期的绑定和装载(部署独立性)；

(4)安全性(类型和模块安全性)。

2.5 构件技术

构件技术就是利用某种编程手段，将一些人们所关心的，但又不便于让最终用户去直接操作的细节进行了封装同时对各种业务逻辑规则进行了实现，用于处理用户的内部操作细节。目前，国际上常用的构件标准主要有三大流派：

EJB(Enterprise Java Bean)规范由 Sun 公司制定，有三种类型的EJB，分别是会话Bean(Session Bean)、实体Bean(Entity Bean)和消息驱动Bean(Message-driven Bean)。EJB实现应用中关键的业务逻辑，创建基于构件的企业级应用程序。

COM、DCOM、COM+：COM是微软公司的。DCOM是COM的进步扩展，具有位置独立性和语言无关性。COM+并不是COM的新版本，是COM的新发展或是更高层次的应用。

CORBA标准主要分为三个层次：对象请求代理、公共对象服务和公共设施。最底层是对象请求代理ORB，规定了分布对象的定义(接口)和语言映射，实现对象间的通讯和互操作，是分布对象系统中的“软总线”。

在ORB之上定义了很多公共服务，可以提供诸如并发服务、名字服务、事务(交易)服务、安全服务等各种各样的服务；
最上层的公共设施则定义了组件框架，提供可直接为业务对象使用的服务，规定业务对象有效协作所需的协定规则。

三、软件架构风格

软件体系结构风格(软件系统架构)是描述某一特定应用领域中系统组织方式的惯用模式。架构风格定义一个系统家族，即一个架构定义、一个词汇表和一组约束。词汇表中包含一些构件和连接件类型，而这组约束指出系统是如何将这些构件和连接件组合起来的。

架构风格反映了领域中众多系统所共有的结构和语义特性，并指导如何将各个模块和子系统有效地组织成一个完整的系统。对软件架构风格的研究和实践促进对设计的重用，一些经过实践证实的解决方案也可以可靠地用于解决新的问题。

架构设计的一个核心问题是能否达到架构级的软件复用。

架构风格定义了用于描述系统的术语表和一组指导构建系统的规则。

3.1 数据流风格

数据流风格：面向数据流，按照一定的顺序从前向后执行程序，代表的风格有 批处理序列、管道-过滤器。

批处理序列：构件为一系列固定顺序的计算单元，构件之间只通过数据传递交互。每个处理步骤是一个独立的程序，每一步必须在其前一步结束后才能开始，数据必须是完整的，以整体的方式传递。

管道-过滤器：每个构件都有一组输入和输出，构件读取输入的数据流，经过内部处理，产生输出数据流。前一个构件的输出作为后一个构件的输入，前后数据流关联。过滤器就是构件，连接件就是管道。

早期编译器就是采用的这种架构，要一步一步处理的，均可考虑此架构风格。

二者区别在于：批处理前后构件不一定有关联，并且是作为整体传递，即必须前一个执行完才能执行下一个。管道-过滤器是前一个输出作为后一个输入，前面执行到部分可以开始下一个的执行

3.2 调用/返回风格

调用/返回风格：构件之间存在互相调用的关系，一般是显式调用，代表的风格有 主程序/子程序、面向对象、层次结构。

主程序/子程序：单线程控制，把问题划分为若干个处理步骤，构件即为主程序和子程序，子程序通常可合成为模块。过程调用作为交互机制，充当连接件的角色。

面向对象：构件是对象，对象是抽象数据类型的实例。连接件就是对象间交互的方式，对象是通过函数和过程的调用来交互的。

层次结构：构件组成一个层次结构，连接件通过决定层间如何交互的协议来定义。每层为上一层提供服务，使用下一层的服务，只能见到与自己邻接的层。修改某一层，最多影响其相邻的两层:(通常只能影响上层)。

                层次结构优点:
(1)支持基于可增加抽象层的设计，允许将一个复杂问题分解成一个增量步骤序列的实现。
                        (2)不同的层次处于不同的抽象级别，越靠近底层，抽象级别越高。
                        (3)由于每一层最多只影响两层，同时只要给相邻层提供相同的接口，允许每层用不同的方法实现，同样为软件复用提供了强大的支持。

                层次结构缺点：
                        (1)并不是每个系统都可以很容易的划分为分层的模式。
                        (2)很难找到一个合适的、正确的层次抽象方法。

3.3 独立构件风格

独立构件风格：构件之间是互相独立的，不存在显式的调用关系，而是通过某个事件触发->异步的方式来执行，代表的风格有 进程通信、事件驱动系统(隐式调用)。

进程通信：构件是独立的进程，连接件是消息传递。构件通常是命名过程，消息传递的方式可以是点对点、异步或同步方式，以及远程过程(方法)调用等。

        事件驱动系统(隐式调用)：构件不直接调用一个过程，而是触发或广播个或多个事件。构件中的过程在一个或多个事件中注册，当某个事件被触发时系统自动调用在这个事件中注册的所有过程。一个事件的触发就导致了另一个模块中的过程调用。这种风格中的构件是匿名的过程，它们之间交互的连接件往往是以过程之间的隐式调用来实现的。
        优点是为软件复用提供了强大的支持，为构件的维护和演化带来了方便。
        缺点是构件放弃了对系统计算的控制。

3.4 虚拟机风格

虚拟机风格：自定义了一套规则供使用者使用，使用者基于这个规则来开发构件，能够跨平台适配，代表的风格有 解释器、基于规则的系统。

解释器：通常包括一个完成解释工作的解释引擎、一个包含将被解释的代码!一个记录解释引擎当前工作状态的数据结构，以及一个记录源代码的存储区被解释执行的进度的数据结构。具有解释器风格的软件中含有一个虚拟机，可以仿真硬件的执行过程和一些关键应用，缺点是执行效率低。

基于规则的系统：包括规则集、规则解释器、规则/数据选择器和工作内存。一般用在人工智能领域和DSS(Decision Support System，决策支持系统)中。

3.5 仓库风格

仓库风格：以数据为中心，所有的操作都是围绕建立的数据中心进行的，代表的风格有 数据库系统、超文本系统、黑板系统。

数据库系统：构件主要有两大类，一类是中央共亨数据源，保存当前系统的数据状态；另一类是多个独立处理单元，处理单元对数据元素进行操作。

黑板系统：包括知识源、黑板和控制三部分。知识源包括若干独立计算的不同单元，提供解决问题的知识。知识源响应黑板的变化，也只修改黑板；黑板是一个全局数据库，包含问题域解空间的全部状态，是知识源相互作用的唯媒介，知识源响应是通过黑板状态的变化来控制的。黑板系统通常应用在对于解决问题没有确定性算法的软件中(信号处理、问题规划和编译器优化等)。

超文本系统：构件以网状链接方式相互连接，用户可以在构件之间进行按照人类的联想思维方式任意跳转到相关构件。是一种非线性的网状信息组织方法它以节点为基本单位，链作为节点之间的联想式关联。通常应用在互联网领域。

现代编译器的集成开发环境一般采用数据仓库(即以数据为中心的架构风格架构风格进行开发，中心数据就是程序的语法树。

3.6 闭环-过程控制风格

当软件被用来操作一个物理系统时，软件与硬件之间可以粗略的表示为一个反馈循环，这个反馈循环通过接受一定的输入，确定一系列的输出，最终使环境达到一个新的状态，适合于嵌入式系统，涉及连续的动作与状态。

3.7 C2风格

C2体系结构风格可以概括为：通过连接件绑定在一起的按照一组规则运作的并行构件网络。C2风格中的系统组织规则如下：

        (1)系统中的构件和连接件都有一个顶部和一个底部；
        (2)构件的顶部应连接到某连接件的底部，构件的底部则应连接到某连接件的顶部，而构件与构件之间的直接连接是不允许的；
        (3)一个连接件可以和任意数目的其它构件和连接件连接；
        (4)当两个连接件进行直接连接时，必须由其中一个的底部到另一个的顶部。