软件架构设计方法理论

1/81.软件架构概述1.1什么是软件架构◎软件架构的概念很混乱。如果你问五个不同的人，可能会得到五种不同的答案。◎软件架构概念主要分为两大流派：组成派：软件架构=组件+交互。决策派：软件架构=重要决策集。◎组成派和决策派的概念相辅相成。1.2软件架构和子系统、框架之间的关系◎复杂性是层次化的。◎好的架构设计必须把变化点错落有致地封装到软件系统的不同部分(即关注点分离)。通过关注点分离，达到“系统中的一部分发生了变化，不会影响其他部分”的目标。◎软件单元的粒度：*粒度最小的单元通常是“类”。*几个类紧密协作形成“模块”。*完成相对独立的功能的多个模块构成了“子系统”。*多个子系统相互配合才能满足一个完整应用的需求，从而构成了软件“系统”。*一个大型企业往往使用多套系统，多套系统通过互操作形成“集成系统”。◎软件单元的粒度是相对的。同一个软件单元，在不同场景下我们会以不同的粒度看待它。◎架构(Architecture)不等于框架(Framework)。框架只是一种特殊的软件，框架也有架构。◎可以通过架构框架化达到“架构重用”的目的，如很多人都在用Spring框架提供的控制反转和依赖注入来构建自己的架构。1.3软件架构的作用◎如果一个项目的系统架构(包括理论基础)尚未确定，就不应该进行此系统的全面开发。--BarryBoehm,《EngineeringContext》◎一个缺陷充斥的系统，将始终是一个缺陷充斥的系统。--TimothyC.Lethbridge,《面向对象软件工程》◎软件架构设计为什么这么难？因为它是跨越现实世界与计算机世界之间鸿沟的一座桥。软件架构设计要完成从面向业务到面向技术的转换，在鸿沟上架起一座桥梁。需求-架构设计-软件架构-系统开发-软件系统~~~~~~~~~~~~~~~~◎软件架构对新产品开发的作用：*上承业务目标。*下接技术决策。*控制复杂性。先进行架构设计，后进行详细设计和编码实现，符合“基于问题深度分而治之”的理念。*组织开发。2/8软件架构方案在小组中间扮演了“桥梁”和“合作契约”的作用。*利于迭代开发和增量交付。以架构为中心进行开发，为增量交付提供了良好的基础。在架构经过验证之后，可以专注于功能的增量提交。*提高质量。◎软件架构对软件产品线开发的作用：*固化核心知识；*提供可重用资产；*缩短推出产品的周期；*降低开发和维护成本；*提高产品质量；*支持批量定制。◎软件产品线：指具有一组可管理的、公共特性的、软件密集性系统的集合，这些系统满足特定的市场需求或任务需求，并且按照预定义方式从一个公共的核心资产集开发得到。软件产品线架构：针对一个公司或组织内的一系列产品而设计的通用架构。2.软件架构设计方法2.1软件架构为谁而设计◎架构师应当为项目相关的不同角色而设计：*架构师要为客户负责，满足他们的业务目标和约束条件。*架构师要为用户负责，满足他们关心的功能需求和运行期质量属性。*架构师必须顾及处于协作分工“下游”的开发人员。*架构师必须考虑“周边”的管理人员，为他们进行分工管理、协调控制和评估监控等工作提供清晰的基础。2.2五视图法◎什么是软件架构视图？软件架构视图是对于从某一视角看到的系统所作的简化描述，描述中涵盖了系统的某一特定方面，而省略了与此无关的其他方面。◎软件架构要涵盖的内容和决策太多了，超过了人脑“一蹴而就”的能力范围，因此宜采用“分而治之”的办法。即通过不同的视图来描述架构。◎软件架构的五视图法：*逻辑架构逻辑架构关注功能。其设计着重考虑功能需求。*开发架构开发架构关注程序包。其设计着重考虑开发期质量属性，如可扩展性、可重用性、可移植性、易理解性和易测试性等。*运行架构运行架构关注进程、线程、对象等运行时概念，以及相关的并发、同步、通信等问题。其设计着重考虑运行期质量属性，例如性能、可伸缩性、持续可用性和安全性等。*物理架构3/8物理架构关注软件系统最终如何安装或部署到物理机器。其设计着重考虑“安装和部署需求”。*数据架构数据架构关注持久化数据的存储方案。其设计着重考虑“数据需求”。2.3从概念性架构到实际架构◎少就是多(Lessismore.)。--密斯·凡德罗◎概念性架构是对系统设计的最初构想。◎一般来说，实际的软件架构设计过程是，先进行概念性架构的设计，把最关键的设计要素和交互机制确定下来，然后再考虑具体技术的运用，设计出实际架构。2.4架构设计中的关键要素及解决策略◎策略是制胜的关键。--张明正，《挡不住的趋势》◎最好的软件开发人员都知道一个秘密：美的东西比丑的东西创建起来更廉价，也更快捷。--RobertC.Martin,《软件之美》◎时间就是系统架构的生命。--PhilippeKruchten◎方法产生于恐惧。◎面对时间紧迫的压力，我们有理由质疑那种不顾时间花销、一味追求软件架构高质量的做法。软件架构是软件系统质量的核心，必须足够重视，但在不适当的时候“用时间换完美”会毁掉整个项目。◎架构设计并非“好的就是成功的”，而是“适合的才是成功的”。◎软件架构设计中的关键要素及解决策略：关键要素策略-----------------------------------------------------1.是否遗漏了至关重要的非功能需求？全面认识需求。2.能否驯服数量巨大且频繁变化的需求？关键需求决定架构。3.能否从容地设计软件架构的不同方面？多视图探寻架构。4.是否及早验证架构方案并作出了调整？及早验证架构。2.5软件架构要设计到什么程度◎软件系统的架构涵盖了整个系统，尽管架构的有些部分可能只有“一寸深”。--IvarJacobson,《统一软件开发过程之路》◎软件架构是团队开发的基础。◎软件架构要设计到什么程度？*由于项目的不同、开发团队情况的不同，软件架构的设计程度会有不同。*软件架构应当为开发人员提供足够的指导和限制。◎高来高去式架构设计的症状：*缺失重要架构视图。遗漏了某些重要视图，从而遗漏了对团队某些角色的指导。*浅尝辄止、不够深入。将重大技术风险遗留到后续开发中。*名不副实的分层架构。4/8对各层之间交互接口和交互机制的设计严重不足。3.软件架构设计过程3.1软件架构设计过程总览◎一般的软件过程：概念化阶段-分析阶段-架构设计阶段-并行开发与测试阶段-验收与交付阶段──┬────┬────┬──────┬───────┬───↓↓↓↓↓愿景需求架构可执行系统交付的系统◎软件架构设计过程：需求分析-领域建模-确定关键需求-概念性架构设计-细化架构-验证架构││└──────┬──────┘└────┬───┘││概念性架构实际架构└───┬────┘└───────┬──────┘分析阶段架构设计阶段3.2需求分析3.2.1几个概念◎需求捕获vs需求分析vs系统分析*需求捕获是获取知识的过程，知识从无到有。*需求分析是挖掘和整理知识的过程，它在已掌握知识的基础上进行。*系统分析？如果说需求分析致力于“做什么”，那么系统分析则涉及“怎么做”。3.2.2架构师必须掌握的需求知识◎软件架构师不必是需求捕获专家，也不必是编写《软件需求规格说明书》的专家。但他一定应在需求分类、需求折衷和需求变更的研究方面是专家，否则他和其他软件架构师相比，就输在了“起跑线”上。◎软件需求的类型┌功能需求┌运行期质量属性软件需求┤┌质量属性┤└非功能需求┤└开发期质量属性└约束◎软件质量属性分类方式运行期质量属性*性能(Performance)*安全性(Security)*易用性(Usability)5/8*持续可用性(Availability)*可伸缩性(Scalability)*互操作性(Interoperability)*可靠性(Reliability)*鲁棒性(Robustness)开发期质量属性*易理解性(Understandability)*可扩展性(Extensibility)*可重用性(Reusability)*可测试行(Testability)*可维护性(Maintainability)*可移植性(Portability)3.3领域建模◎就像《高效能人士的七个习惯》提到的“有内而外全面造就自己”的观点一样，对待软件开发，要具备“有内而外造就软件”的理念。◎想让软件系统随需应变吗？请给软件一个支持变化的“心”。◎什么是领域模型？领域模型是对实际问题领域的抽象表示，它专注于分析问题领域本身，发掘重要的业务领域概念，并建立业务领域概念之间的关系。◎领域建模和需求分析活动是相互伴随、互相支持、交叠演进的。◎领域模型对软件架构乃至整个软件系统开发工作的作用：*探索复杂问题、固化领域知识；*决定功能范围、影响可扩展性；*提供交流基础、促进有效沟通。3.4确定关键需求◎功能、质量和商业需求的某个集合“塑造”了架构。--LenBass,《软件架构实践(第2版)》◎关键需求决定架构，其余需求验证架构。◎什么是对软件架构关键的需求？*关键的功能需求。*关键的质量属性需求。*关键的商业需求。◎如何确定关键需求？┌确定关键功能需求┐●-全面整理需求-分析约束性需求┤├●└确定关键质量属性需求┘3.5概念性架构设计◎概念性架构设计的步骤(这三个步骤以迭代方式进行)：6/81.鲁棒性分析；2.引入架构模式；3.质量属性分析。3.5.1鲁棒性分析◎所谓鲁棒性分析是这样一种方法：通过分析用例规约中的事件流，识别出实现用例规定的功能所需的主要对象及其职责，形成以职责模型为主的初步设计。◎鲁棒性分析是从功能需求向设计方案过度的第一步，所获得的初步设计是一种理想化的职责模型，它的重点是识别组成软件系统的高级职责块、规划它们之间的关系。◎鲁棒性分析填补了分析和设计之间的鸿沟。◎鲁棒图包含三种元素：边界对象、控制对象和实体对象。(见书P196)3.5.2引入架构模式◎较为经典的几种架构模式：分层、MVC、微内核、基于元模型的架构、管道-过滤器。◎关于架构模式的几点说明：*分层避免名不副实的分层架构，即对各层之间交互接口和交互机制的设计严重不足。*微内核缺点：设计和实现的复杂性；性能较低。优点：扩展性强，可移植性强，软件系统的生命周期长。3.5.3质量属性分析◎“属性-场景-决策”表方法。举例如下：┌────┬─────────┬─────────────────────┐│属性│场景│决策│├────┼─────────┼─────────────────────┤│可扩展性│数据库类型可替换│建立数据库存取层│├────┼─────────┼─────────────────────┤││允许加载第三方模块│采用插件机制│├────┼─────────┼─────────────────────┤│...│...│...│└────┴─────────┴─────────────────────┘3.6细化架构设计◎架构细化工作主要体现在基于五视图方法进行架构细化：约束↓┌───────┐领域模型-│基于五视图方法│关键需求-││-架构方案7/8概念架构-│进行架构细化│└───────┘↑经验◎架构细化设计的工作内容：┌───────┬──────────────────────────┐│架构设计视图│设计任务│├───────┼──────────────────────────┤│逻辑架构│细化功能单元；│││发现通用机制；│││细化领域模型；│││确定子系统接口和交互机制。│├───────┼──────────────────────────┤│开发架构│确定要开发或直接利用的程序包之间的依赖关系；│││确定采用的技术；│││确定采用的框架等。│├───────┼──────────────────────────┤│数据架构│持久化数据存储方案；│││数据传递、数据复制、数据同步等策略(可选)。│├───────┼──────────────────────────┤│运行架构│确定引入哪些进程与线程；│││确定主动对象、被动对象，以及控制关系