软件体系结构

20世纪60年代中期的软件危机使得人们开始重视软件工程的研究。起初，人们把软件设计的重点放在数据结构和算法的选择上。随着软件系统规模越来越大、越来越复杂，整个系统的结构显得越来越重要。通过软件体系结构这门课程的学习，让我初步了解到软件体系结构就是一个软件系统的构建方法和内部运转工作机制。它涉及总体组织、全局控制、通讯协议、同步、数据存储、算法等问题。体系结构描述了软件系统基本的结构化组织方案，它们提供了一套预先定义好的子系统来制定它们的职责，包括用于组织它们之间的规则和指南软件体系结构设计的一个核心问题是能否使用重复的体系结构模式，即能否达到体系结构级的软件重用。也就是说，能否在不同的软件系统中，使用同一体系结构。软件体系结构风格是描述某一特定应用领域中系统组织方式的惯用模式。它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。按这种方式理解，软件体系结构风格定义了用于描述系统的术语表和一组指导构件系统的规则。研究软件体系结构的目的是避免软件危机：项目延期、费用超支、系统难以修改提高软件的可复用性。常用的软件体系结构：层体系结构、模型—视图—控制（MVC）、代理者层：有助于构建这样的应用程序，它能分解成几组子任务，每组子任务处于一个特定的抽象层。MVC：把一个交互式应用程序分成三个组件：核心功能、表示和控制。变更—传播机制确保这三个部分的一致性。代理者：能用于构建这样的分布式软件系统，它有着分离组件，而这些组件彼此通过远程服务调用进行交互。模式类别：什么是模式：当专家在求解某一特殊问题时，他们一般不会发明一种和以有解决方案完全不同的方案来处理问题。他们往往想起已解决过的相似问题，并重用其解决的精华来解决问题。模式既是一个过程，又是一个事物。一些模式有助于把一个软件系统分解成子系统。另一些模式支持子系统和组件的细化或它们之间关系的细化。我们可以把模式分为两种模式：体系结构模式：（1）设计模式体系结构模式：它是高层的模式，用于建立整体的软件框架和作为具体软件结构的模板。（2）设计模式：是中等规模的模式，它们在规模上比体系结构模式小，但独立于特定编程语言。它提供了一个用于细化软件系统的子系统或组件，或它们之间关系的模板。它是概念、思维方式上的抽象和重用。设计模式类型：创建型（creational）解决如何创建对象的问题结构型（structural）解决如何正确的组合类或对象的问题行为型（behavioral）解决类或对象之间如何交互和如何分配职责的问题重构:所谓重构是这样一个过程：在不改变代码外在行为的前提下，对代码做出修改，以改进程序内部的结构，提供起可理解性，降低其修改成本。重构是一种有纪律的，经过训练的程序整理方法。从本质上说，重构就是在代码写好之后改进它的设计。软件体系结构风格分析最初的软件体系结构是Mainframe结构——客户、数据和程序都被集中在主机上，通常只有少量的GUI界面，对远程数据库的访问比较困难。随着PC的广泛应用，该结构逐渐被淘汰。在20世纪80年代中期出现了Client/Server分布式计算结构，应用程序的处理在客户机和服务器之间分担。随着大型软件系统的开发，这种结构在系统的部署和扩展性方面暴漏出不足。随着Internet的发展，一个更灵活的体系结构“三层/多层计算”体系结构应运而生。Garlan和Shaw将通用软件体系结构风格总结为以下几类：1.数据流风格：批处理序列；管道/过滤器。2.调用/返回风格：主程序/子程序；面向对象风格；层次结构。3.独立构件风格：进程通讯；事件系统。4.虚拟机风格：解释器；基于规则的系统。5.仓库风格：数据库系统；超文本系统；黑板系统。下面将介绍几种主要和经典的体系结构风格和它们的优缺点:1.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。图1中构件与连接件之间的连接体现了C2风格中构建系统的规则。C2风格是最常用的一种软件体系结构风格。从C2风格的组织规则和结构图中，我们可以得出，C2风格具有以下特点：(1)系统中的构件可实现应用需求，并能将任意复杂度的功能封装在一起;(2)所有构件之间的通讯是通过以连接件为中介的异步消息交换机制来实现的;(3)构件相对独立，构件之间依赖性较少。系统中不存在某些构件将在同一地址空间内执行，或某些构件共享特定控制线程之类的相关性假设。2.数据抽象和面向对象风格。目前软件界已普遍转向使用面向对象系统，抽象数据类型概念对软件系统有着重要作用。这种风格的构件是对象，或者说是抽象数据类型的实例。对象是一种被称作管理者的构件，因为它负责保持资源的完整性。对象是通过函数和过程的调用来交互的。图2是数据抽象和面向对象风格的示意图。面向对象的系统有许多的优点：(1)因为对象对其他对象隐藏它的表示，所以可以改变一个对象的表示，而不影响其他的对象。(2)设计者可将一些数据存取操作的问题分解成一些交互的代理程序的集合。面向对象的系统也存在着某些问题：①为了使一个对象和另一个对象通过过程调用等进行交互，必须知道对象的标识。只要一个对象的标识改变了，就必须修改所有其他明确调用它的对象。②必须修改所有显式调用它的其他对象，并消除由此带来的一些副作用。3.基于事件的隐式调用风格。基于事件的隐式调用风格的思想是构件不直接调用一个过程，而是触发或广播一个或多个事件。系统中的其他构件中的过程在一个或多个事件中注册，当一个事件被触发，系统自动调用在这个事件中注册的所有过程，这样，一个事件的触发就导致了另一模块中的过程的调用。基于事件的隐式调用风格的主要特点是事件的触发者并不知道哪些构件会被这些事件影响。这样不能假定构件的处理顺序，甚至不知道哪些过程会被调用。隐式调用系统的主要优点有：(1)为软件重用提供了强大的支持。当需要将一个构件加入现存系统中时，只需将它注册到系统的事件中。(2)为改进系统带来了方便。当用一个构件代替另一个构件时，不会影响到其他构件的接口。隐式调用系统的主要缺点有：①构件放弃了对系统计算的控制。一个构件触发一个事件时，不能确定其他构件是否会响应它。而且即使它知道事件注册了哪些构件的构成，它也不能保证这些过程被调用的顺序。②数据交换的问题。有时数据可被一个事件传递，但另一些情况下，基于事件的系统必须依靠一个共享的仓库进行交互。在这些情况下，全局性能和资源管理便成了问题。③既然过程的语义必须依赖于被触发事件的上下文约束，关于正确性的推理存在问题。4.管道/过滤器风格。在管道/过滤器风格的软件体系结构中，每个构件都有一组输入和输出，构件读输入的数据流，经过内部处理，然后产生输出数据流。这个过程通常通过对输入流的变换及增量计算来完成，所以在输入被完全消费之前，输出便产生了。因此，这里的构件被称为过滤器，这种风格的连接件就象是数据流传输的管道，将一个过滤器的输出传到另一过滤器的输入。管道/过滤器风格的软件体系结构的优点：(1）使得软构件具有良好的隐蔽性和高内聚、低耦合的特点；(2)支持软件重用。重要提供适合在两个过滤器之间传送的数据，任何两个过滤器都可被连接起来；(3)系统维护和性能增强简单；(4)支持并行执行。每个过滤器是作为一个单独的任务完成，因此可与其他任务并行执行。管道/过滤器风格的主要缺点：①通常导致进程成为批处理的结构。这是因为虽然过滤器可增量式地处理数据，但它们是独立的，所以设计者必须将每个过滤器看成一个完整的从输入到输出的转换。②不适合处理交互的应用。当需要增量地显示改变时，这个问题尤为严重。③因为在数据传输上没有通用的标准，每个过滤器都增加了解析和合成数据的工作，这样就导致了系统性能下降，并增加了编写过滤器的复杂性。5.批处理风格。批处理风格的每一步处理都是独立的，并且每一步是顺序执行的，只有当前一步处理完后，后一步处理才能开始，数据传送在步与步之间作为一个整体。批处理的典型应用是经典数据处理和程序开发。批处理风格与管道过滤器风格的共同点是把任务分解成一系列固定顺序的计算单元（组件），组件间只通过数据传递交互。区别表现在以下几个方面：批处理是全部的、高潜伏性的、输入时可随机存取、无合作性、无交互性，管道过、滤器是递增的、数据结果延迟小、输入时处理局部化、有反馈、可交互。6.仓库风格。在仓库风格中，有两种不同的构件：中央数据结构说明当前状态，独立构件在中央数据存贮上执行，仓库与外构件间的相互作用在系统中会有大的变化。若输入流中某类时间触发进程执行的选择，则仓库是一传统型数据库；另一方面，若中央数据结构的当前状态触发进程执行的选择，则仓库是一黑板系统。二、三层C/S软件体系结构分析C/S软件体系结构是20世纪90年代成熟起来的技术，它将应用一分为二，服务器（后台）负责数据管理，客户机（前台）完成与用户的交互任务。单一服务器且以局域网为中心的，所以难以扩展至大型企业广域网或Internet；2.软、硬件的组合及集成能力有限；3.客户机的负荷太重，难以管理大量的客户机，系统的性能容易变坏；4.数据安全性不好。因为二层C/S有这么多缺点，三层C/S结构应运而生。三层C/S结构是将应用功能分成表示层、功能层和数据层三个部分，如下图所示。表示层是应用的用户接口部分，它担负着用户与应用间的对话功能。表示层一般使用图形用户接口，操作简单、易学易用。功能层相当于应用的本体，它是将具体的业务处理逻辑编入程序中。功能层的程序多半是用可视化编程工具开发的。数据层就是数据库管理系统，负责管理对数据库数据的读写。数据库管理系统必须能迅速执行大量数据的更新和检索。因此，一般从功能层传送到数据层的要求大都使用SQL语言。对二层C/S结构的局限，三层C/S的解决方案是：对这三层进行明确分割，并在逻辑上使其独立。与传统的二层结构相比，三层C/S结构具有以下优点：1.允许合理地划分三层结构的功能，使之在逻辑上保持相对独立性，从而使整个系统的逻辑结构更为清晰，能提高系统和软件的可维护性和可扩展性。2.允许更灵活有效地选用相应的平台和硬件系统，使之在处理负荷能力上与处理特性上分别适应于结构清晰的三层；并且这些平台和各个组成部分可以具有良好的可升级性和开放性。3.三层C/S结构中，应用的各层可以并行开发，各层也可以选择各自。最适合的开发语言。使之能并行地而且是高效地进行开发，达到较高的性能价格比；对每一层的处理逻辑的开发和维护也会更容易些。4.允许充分利用功能层有效地隔离开表示层与数据层，未授权的用户难以绕过功能层而利用数据库工具或黑客手段去非法地访问数据层，这就为严格的安全管理奠定了坚实的基础；整个系统的管理层次也更加合理和可控制。软件体系结构风格为大粒度的软件重用提供了可能。然而，对于应用体系结构风格来说，由于视点的不同，系统设计师有很大的选择空间。要为系统选择或设计某一个体系结构风格，必须根据特定项目的具体特点，进行分析比较后再确定。不同的结构有不同的处理能力的强项和弱点，一个系统的体系结构应该根据实际需要进行选择，以解决实际问题。对于应用体系结构风格来说，由于视点的不同，系统设计师有很大的选择空间。要为系统选择或设计某一个体系结构风格，必须根据特定项目的具体特点，进行分析比较后再确定，体系结构风格的使用几乎完全是特化的。