软件体系结构风格与模式

THUSAGroup课程编号：74100152软件体系结构（2）软件体系结构的风格与模式覃征教授SoftwareArchitecture建筑模式ChristopherAlexander,TheTimelessWayofBuilding,p247,1979每个模式是一个由三部分组成的规则，表达了特定环境、问题和解(solution)之间的关系。作为现实世界的一个成分，每个模式表达了下列三者之间的一种关系：特定环境，在该环境中反复出现的力(forces)的系统，以及协调这些力的某种空间排列。作为语言的一个成分，每个模式是一条指令，展示了这种空间排列如何被一再重复使用，目的是协调同特定环境相关的力的系统。简单地说，模式既是存在于现实世界中的事物，又是告诉我们如何以及何时创造该事物的规则。模式既是过程，又是事物；既是活生生的事物的描述，又是创造该事物的过程的描述。软件体系结构的构建模式软件体系结构的特点之一就是抽象出了很多常见的系统构建模式，这些模式（或者说结构风格）是系统设计人员多年工作经验的总结。软件体系结构风格和模式的概念软件体系结构风格(ArchitecturalStyle)一种体系结构风格以结构组织模式定义了一个系统家族关于构件和连接件类型的术语；一组约束对它们组合方式的规定；一个或多个语义模型，规定了如何从各成分的特性决定系统整体特性概括地说，一种软件体系结构风格刻划一个具有共享结构和语义的系统家族软件体系结构模式(ArchitecturalPattern)一种软件体系结构模式是对某个具体环境下问题的结构性解决方法体系结构风格模式系统中的词汇目前尚不完善每个风格可以视为一组构件的集合，以及构件间的交互（连接器）构件（Components）＋连接器（Connectors）E.g.C/S结构中•构件：Client,Server•连接器：C/S间的通讯协议软件体系结构的构建风格风格分类：1.管道-过滤器风格2.面向对象风格3.事件驱动风格4.分层风格5.数据共享风格6.解释器风格7.反馈控制环风格8.异构风格的集成特别注意：体系结构风格不是对软件进行分类的标准。它仅仅是表示描述软件的不同角度而已例如一个系统采用了分层风格，但这并不妨碍它用面向对象的方法来实现。同一个系统采用多种风格造成了所谓体系结构风格的异构组合。管道-过滤器风格概述在管道-过滤器风格下，每个功能模块都有一组输入和输出。功能模块称作过滤器（filters）；功能模块间的连接可以看作输入、输出数据流之间的通路，所以称作管道（pipes）。管道-过滤器风格的特性之一在于过滤器的相对独立性，即过滤器独立完成自身功能，相互之间无需进行状态交互。管道-过滤器风格特性过滤器是独立运行的构件非临近的过滤器之间不共享状态过滤器自身无状态过滤器对其处理上下连接的过滤器“无知”对相邻的过滤器不施加任何限制结果的正确性不依赖于各个过滤器运行的先后次序各过滤器在输入具备后完成自己的计算。完整的计算过程包含在过滤器之间的拓扑结构中。管道-过滤器风格一个管道-过滤器风格的示意图如下图所示：FiltersPipes管道-过滤器风格一个采用了嵌套的管道过滤器的系统示例：SystemSimple:PipeFilterSplitterGrepMergeAndSortMergeAndSortMergeSort管道-过滤器风格实例Unix系统中的管道过滤器结构ls–al|grepmyDOS中的管道命令DOS允许在命令中出现用竖线字符“|”分开的多个命令，将符号“|”之前的命令的输出，作为“|”之后命令的输入，这就是“管道功能”，竖线字符“|”是管道操作符。例如，命令dir|more使得当前目录列表在屏幕上逐屏显示。dir的输出是整个目录列表，它不出现在屏幕上而是由于符号“|”的规定，成为下一个命令more的输入，more命令则将其输入，more命令则将其输入一屏一屏地显示，成为命令行的输出。THUSAGroup12管道-过滤器风格实例THUSAGroup13dir|more管道-过滤器风格优点设计者可以将整个系统的输入、输出特性简单的理解为各个过滤器功能的合成。设计人员将整个系统的输入输出行为理解为单个过滤器行为的叠加与组合。这样可以将问题分解，化繁为简。将系统抽象成一个“黑箱”，其输入是系统中第一个过滤器的输入管道，输出是系统中最后一个过滤器的输出管道，而其内部各功能模块的具体实现对用户完全透明。管道-过滤器风格优点管道-过滤器风格支持功能模块的复用任何两个过滤器，只要它们之间传送的数据遵守共同的规约，就可以相连接。每个过滤器都有自己独立的输入输出接口，如果过滤器间传输的数据遵守其规约，只要用管道将它们连接就可以正常工作。管道-过滤器风格优点基于管道-过滤器风格的系统具有较强的可维护性和可扩展性。旧的过滤器可以被替代，新的过滤器可以添加到已有的系统上。软件的易于维护和升级是衡量软件系统质量的重要指标之一，在管道-过滤器模型中，只要遵守输入输出数据规约，任何一个过滤器都可以被另一个新的过滤器代替，同时为增强程序功能，可以添加新的过滤器。这样，系统的可维护性和可升级性得到了保证。管道-过滤器风格优点支持一些特定的分析，如吞吐量计算和死锁检测等。利用管道-过滤器风格的视图，可以很容易的得到系统的资源使用和请求的状态图。然后，根据操作系统原理等相关理论中的死锁检测方法就可以分析出系统目前所处的状态，是否存在死锁可能及如何消除死锁等问题。管道-过滤器风格优点管道-过滤器风格具有并发性每个过滤器作为一个单独的执行任务，可以与其它过滤器并发执行。过滤器的执行是独立的，不依赖于其它过滤器的。在实际运行时，可以将存在并发可能的多个过滤器看作多个并发的任务并行执行，从而大大提高系统的整体效率，加快处理速度。管道-过滤器风格不足交互式处理能力弱管道-过滤器模型适于数据流的处理和变换，不适合为与用户交互频繁的系统建模。在这种模型中，每个过滤器都有自己的数据，这些数据或者是从磁盘存储器中读取来，或者是由另一个过滤器的输出导入进来，整个系统没有一个共享的数据区。这样，当用户要操作某一项数据时，要涉及到多个过滤器对相应数据的操作，其实现较为复杂。由以上的缺点，可以对每个过滤器增加相应的用户控制接口，使得外部可以对过滤器的执行进行控制。管道-过滤器风格不足改进的过滤器管道-过滤器风格不足管道-过滤器风格往往导致系统处理过程的成批操作。设计者也许不得不花费精力协调两个相对独立但又存在某种关系的数据流之间的关系，例如多过滤器并发执行时数据流之间的同步问题等。根据实际设计的需要，设计者也需要对数据传输进行特定的处理（如为了防止数据泄漏而采取加密等手段），导致过滤器必须对输入、输出管道中的数据流进行解析或反解析，增加了过滤器具体实现的复杂性。管道-过滤器风格实例——数字通信系统通信的目的是传递消息。消息具有不同的形式，例如：符号、文字、语音、音乐、数据、图片、图像等等。因而，根据所传递消息的不同，目前通信业务可以分为电报、电话、传真、数据传输及可视电话等。对于基本的点对点通信，是把发送端的消息传递到接收端。数字通信概念模型发送端接收端管道-过滤器风格实例——数字通信系统将上图发送端进一步细分为信息源和发送设备，将接收端细分为接收设备和受信者；同时，在通信过程中会有噪声干扰，在模型中添加噪声源可得到图所示的数字通信系统粗略模型。数字通信系统粗略模型信息源发送设备接收设备受信者噪声源信道管道-过滤器风格实例——数字通信系统图中各单元作用：信息源把各种可能信息转换成原始电信号；发送设备对原始电信号完成某种变化，便于原始信号在信道中传输，然后再送入信道；信道是指信号传输的通道，它既可以看成是管道（因为它的目的并不是为了实现某种功能，仅仅是为了信号的传输），也可以从某种意义上看做是过滤器（因为信号经过信道后会产生一些变化，比如加入噪声的影响，从而改变了发送设备发出的信号）。接收设备从接收信号中恢复出相应的原始信号；受信者（也称为信息宿或接收终端）是将复原的原始信号转换成相应的消息。噪声源是信道中的噪声以及分散在通信系统其它各处的噪声的集中体现，它使原信号受到了干扰，产生畸变。管道-过滤器风格实例——数字通信系统在数字通信中存在以下几个突出的问题：数字信号传输时，信道噪声或干扰所造成的差错，原则上都可以通过差错控制编码等手段来控制。为此，在发送端需要增加一个编码器，而在接收端相应的需要一个解码器。当需要保密时，可以有效的对基带信号进行加密，防止信息被窃取或通信被破坏。此时，在接收端就需要进行解密。由于数字通信传输的是一个接一个按节拍传送的数字信号单元，即码元，因而接收端必须与发送端按相同的节拍进行接收。不然，会因接收节拍不一致而造成混乱，使接收倒的数据全部无效。因此，数字通信系统中必须有同步控制构件。针对上述问题，可得到数字通信系统详细模型（下图）管道-过滤器风格实例——数字通信系统信息源加密器解调器噪声源信道编码器调制器受信者解密器解码器发送设备接收设备数字通信系统详细模型数据源、数据接收端、管道介绍DataSource（数据源）inputdatastreamtothesystem,forexample•Afileconsistingoflinesoftext•AsensordeliveringasequenceofnumbersdatacanbepushedorpulledintofirstprocessingstagePipes（管道）connectionsbetweenfilters,betweendatasourceandthefirstfilter,betweenthelastfilterandthedatasinksynchronizesjoinedactivefilters,forexample,byaFIFO(first-in-first-out)bufferforpassivefilters,thepipescanbeimplementedbyadirectcall•MakethefilterrecombinationharderDataSink（数据接收端）consumesoutputdata管道-过滤器风格实例管道-过滤器模式的体系结构是面向数据流的软件体系结构。它最典型的应用是在编译系统。一个普通的编译系统包括词法分析器，语法分析器，语义分析与中间代码生成器，优化器，目标代码生成器等一系列对源程序进行处理的过程。人们可以将编译系统看作一系列过滤器的连接体，按照管道&过滤器的体系结构进行设计。需求描述：假设有一批实时的二维坐标点数据需要变换（即对点的横、纵坐标进行缩放），并在屏幕上进行显示，要求外部要能设置变换规则（如缩放倍数）和显示规则（如显示模式和显示颜色）。管道-过滤器风格实例体系结构建模这是一个对坐标点的数据流进行顺序处理的过程，可以应用管道-过滤器体系结构建模。将这个系统分为两个过滤器，一个为坐标点数据流变换过滤器，另一个为坐标点数据流实时显示过滤器。其中，坐标点数据流变换过滤器有一个外部控制接口对变换规则如缩放倍数进行设置，坐标点数据流实时显示过滤器有一个外部控制接口对显示规则如显示模式和显示颜色进行设置。整个系统的体系结构如图所示。管道-过滤器风格实例系统体系结构图管道-过滤器风格实例过滤器的设计可以将过滤器用状态转换图表示。过滤器有如下状态：停止状态，工作状态，等待状态，休眠状态。停止状态：表示过滤器处于待启动状态，当外部启动过滤器后，过滤器处于处理状态；处理状态：表示过滤器正在处理输入数据队列中的数据；等待状态：表示过滤器的输入数据队列为空，此时过滤器等待，当有新的数据输入时，过滤器处于处理状态；休眠状态：表示过滤器已经启动，但被挂起。挂起的原因可能是由于外界用户要设置过滤器的控制参数，这样暂时将过滤器挂起但不中止它，当控制