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信息系统项目管理师课程辅导3北京理工大学计算机学院徐进1五、系统架构设计25.1软件体系结构基本概念5.2软件体系结构风格5.3软件体系结构应用框架5.4软件设计模式35.1软件体系结构基本概念1．定义•软件体系结构，也称软件架构，是软件工程的重要研究领域。从90年代开始，很多专家学者对软件体系结构引起广泛的关注，到目前为止，软件体系结构并没有统一的定义，综合软件体系结构的定义，只有比较权威的定义性论述。•权威的定义性论述软件体系结构是设计过程的一个层次，它处理那些超越算法和数据结构的设计，研究整体结构设计和描述方法。体系结构包括：总体组织结构、全局控制结构、通信和同步以及数据存取的协议、设计元素的功能、物理分布与合成、设计方案的选择、评估和实现等。4理解要点：•软件体系结构是软件设计过程的一个层面，是相对独立的、有价值的软件设计方法的总结，可作为软件开发指导性的策略和途径•强调设计过程，而非分析的过程。分析的目标是理解和表达，而设计的目标是实现•非用户的观点，即非功能的观点。对于用户，结构是软件系统功能的组合，而对于设计者，结构是为特定目标而设立的、软件成分以及成分之间的关系。•软件体系结构的研究，包括：怎样选择、怎样评估，以及怎样实现一个软件结构的问题52.软件的基本结构软件技术的发展与硬件技术密不可分。软件结构的基础受硬件结构的制约，目前，在计算机基本硬件结构的基础之上，软件体系结构的基本元素和结构包括如下几种：•数据类型结构，包括基本数据类型结构、抽象数据类型结构•控制流连接结构，也称调用结构包括：条件连接结构、循环连接结构、控制转移结构；其调用连接方式，包括链询式、分析式、代理式•中断触发连接结构，包括内部进程连接结构、独立进程同步连接结构、独立进程异步连接结构•层次结构，包括单向依赖层次结构、开放式层次结构63.软件体系结构设计的基本策略和原则在大量的软件开发的设计实践中，始终存在对设计原则和策略的探讨和总结，很多被普遍性采用的原则和策略，一直被广泛使用，并不断验证和改进，它们独立于具体的软件开发方法。这些原则和策略包括：•抽象•分而治之，层次化分解•封装和信息隐蔽•模块化•高内聚和低耦合•关注点分离•策略和实现分离•接口和实现分离7抽象抽象，是人们认识复杂事物的基本方法。它的实质是集中表现事物的主要特征和属性，隐蔽和忽略细节部分。运用抽象，能概括普遍的、具有相同特征和属性的事物，简化表达和理解，便于利用。软件设计中运用的抽象包括：•数据抽象：描述特定数据对象的属性集合•过程抽象：特定操作过程命名的操作序列•控制抽象：隐含内部细节的控制逻辑8分而治之，层次式分解将大问题分解，从小问题入手，逐一解决整个大问题，这是人们处理问题的通常的方式。软件设计中运用的分解包括：•横向分解：按照从基础问题到上层问题的分解方式，将大问题按照层次分解成相互依赖的多层，每层完成的局部解，提供对上层的支持•纵向分解：在横向分解的基础上，对每层的求解，再分解成相互独立的多项求解9封装和信息隐蔽封装是为了信息隐蔽，隐蔽是为了减小出错带来损失，而出错是软件系统不可避免的事实。无论是多么精心设计，严格实施，以及反复测试，软件系统的错误就像与生俱来不可回避。•局部化设计将处理信息限制在局部处理过程中，避免与外部其它处理共享，减少出错的几率，并且，出错后的影响面也会较小。•封装性设计将处理过程尽量隐蔽，使外界得不到，只留出简单而统一的访问接口。这样，使软件处理的各个部分相互独立，减小系统扩充或修改时的出错的机率。10模块化模块是可被独立命名、具有独立作用的软件成分。软件设计的模块化，是以提高系统的可构造性为目标的。为了软件系统的可扩充性、可修改性，设计可灵活的拆解，或者可灵活组装的软件构造，则成为软件设计者的愿望和责任。模块设计的原则包括：•可分解性：问题本身可由多个部分的解合成，则应分解问题成为多个处理模块•可组装性：可作为独立的部分被组装利用，得到一个更大的解，则包装它成为独立的模块•可理解性：模块需要容易理解，不能被理解或者理解多义的软件成分不能作为独立模块•连续性：对于一个软件成分的修改，只作用于它自身，这样的模块才是好的模块•保护性：如果模块出现异常，对于系统的影响较小，甚至没有影响，这样的模块才是好的模块11高内聚和低耦合•内聚性内聚性是指软件成份的内部特性。成份中各处理元素的关系越紧密越好。•耦合性耦合性是指软件成份之间的关系特性。软件成份之间的关系越松散越好。1212偶然内聚：各处理元素之间并没有关系，只是把分散在多处的功能合在一起逻辑内聚：仅仅是逻辑功能相关的处理元素合在一起时间内聚：需要在同一时间执行，并无功能逻辑的处理元素合在一起过程内聚：过程顺序相关的功能元素合在一起通讯内聚：需要对相同的外部数据进行操作的处理元素合在一起顺序内聚：一个软件成份的输出是另一个软件成份的输入，将它们合起来功能内聚：只完成单一的功能内容耦合：一个软件成份直接修改另一个软件成份的内容公共耦合：两个以上的软件成份共同处理外部的一个公共数据控制耦合：软件成份的动作依赖于接收的控制信号标记耦合：软件成份的接口参数具有一个复杂的内部结构数据耦合：软件成份之间仅是数据传递内聚耦合紧密松散松散紧密13关注点分离•关注点：关注点是软件系统中特别需要考虑的多变部分。例如，软件成分的执行会受到运行环境、设备条件，以及通信设施等的制约和限制，为了适应不同的运行环境和条件，需要进行必要的参数调整和驱动配置。为此进行的这部分设计和开发，即是所谓的关注点。•关注点分离设计：软件系统中涉及关注点的成分应该与非关注点的成分分为相互独立的部分，这样的设计会使未来的系统容易配置，灵活适应多种不同的情况。14策略和实现分离•策略策略是指软件中用于处理选择控制的决策成分。通过信息语义解释、参数条件等，进行分析判断，以决定怎样的具体数据加工和功能实现。•实现实现是指软件系统中，有规范步骤及完整执行算法的成分。•策略和实现分离的设计通常，决策部分是异变的成分，而实现部分相对稳定，并可多次复用。将策略成分和实现成分分别设计成独立的部分，使系统维护的范围减小，以提高系统的维护性和复用性。15接口和实现分离•接口接口是软件成分对外统一形式的、可直接访问的操作集合，其操作提供了该软件成分的功能及使用方式。一个软件成分可以不只一个接口，每个接口提供不同的一组相关的操作。•实现实现是软件成分外部不可见的操作执行部分•接口和实现分离的设计为了达到软件成分的高复用，对于不同的访问形式的适应问题，可以采用分设不同的访问接口来实现。因此，采用接口和实现分离的设计，会极大地提高系统的可移植性和复用性，而这些正是软件性能评价的重要指标。164.风格、框架、模式在软件体系结构的研究中，有三个重要的术语需要明确：•软件体系结构风格(ArchitectureStyles)，风格是描述特定系统组织方式的惯用范例（idiomaticparadigm），强调组织方式和习惯用法；组织方式是用静态形式表述的系统结构，而惯用范式，则可反映众多系统共有的结构和语义。•应用框架(ApplicationFramework)，框架是待实例化的、可复用的大粒度部件结构。框架面向不同规模的应用问题，是通用的结构。强调针对实际的应用问题和通用结构。•软件设计模式（DesignPattern)，设计模式是软件问题高效和成熟的设计模板（pattern)，模板包含了固有的问题的处理逻辑，强调处理逻辑采用方式的直接复用。175.2软件体系结构风格体系结构风格是对软件系统组织结构的惯用形式总结。认识特定软件结的原理及适合的计算模式，为软件体系结构设计提供必要的选择空间，对于软件设计来说是重要的技术途径。目前经典的体系结构风格包括：•管道过滤器风格•主程序与子过程风格•数据抽象与面向对象风格•黑板知识库风格•虚拟机（解释器）风格•事件驱动隐式调用风格•过程控制回路风格•部件链接器C2风格相关的信息系统开发，仅介绍其中几种经典体系结构风格181.管道过滤器(PipesandFilters)过滤器A过滤器B过滤器C过滤器D过滤器E增量计算的功能模块输入/输出数据流管道过滤器风格的特征•以数据流向的过程为核心，因此也被称为：数据流风格•过滤器自身功能独立而完整，不需要知道其他过滤器的存在与否，相互之间无状态交互•过滤器对输入的数据流有限制，并必须保证输出流的正确性•系统内，各部分的执行与整体系统的最终输出不相关•适用于无交互的批量加工过程处理系统管道1管道2管道3管道4管道5管道6管道8管道7192.主程序与子过程(MainProgram/Subroutine)主程序子过程1子过程2子过程n•••••子过程k1子过程k2调用返回子过程f主程序与子过程特征•与过程性语言的概念相对应，适当的设计会使代码效率很高•层次式的结构调用，几乎可以应对所有的软件问题•单纯的过程划分基于特定问题，不具普遍性，复用性差•数据结构的变化会引起复杂关联的变化，维护性差•适用于需求稳定且高效的系统问题203.事件驱动和隐式调用(Event-Based,ImplicitInvocation)外部实体1外部实体n消息过滤1消息过滤n中断服务n中断服务1••••••••••系统消息队列应用A消息队列应用线程1应用线程n•••••应用B消息队列系统传送系统传送消息发送消息发送事件事件应用线程1应用线程n•••••消息循环B消息循环A•••••事件驱动和隐式调用特征•事件不直接被各响应处理接收，而是通过隐藏在中间的层次间接地被接收和处理•中间的层次，完成消息形式的统一处理及调整和调度，这样，可以对接受事件进行必要操控•请求与响应成分之间构成松散耦合，为灵活设计创造了条件•对于资源不对等的异步并发系统是一种极好的控制方式214.黑板知识库(仓储)(Repository)黑板（共享状态和策略数据）知识源1知识源8知识源7知识源6知识源3知识源4知识源2知识源5黑板知识库风格的特征•每个知识源的动作依据是黑板中的信息，包括需要的交互及协同•系统中的执行者和决策者享有同等的地位•使系统中多对多的关系，以及执行者和决策者的复杂关系变得简单而清晰•对于协同求解等专家系统是极好的控制方式22虚拟机5.虚拟机(解释器)(Interpreter)程序的交互输入被解释的程序执行伪码解释引擎输出输入选择指示解释状态虚拟机(解释器)结构的优势•易于扩充文法，以适应系统的改变。特别是采用面向对象的继承方式。•高效的解释通常采用状态机方式。状态机方式仍然适用于解释器结构。236部件连接器(ComponentsandConnectors)•部件和连接器是软件结构成分的两大部分。•部件是软件的组成成分，在系统构架中起结构块的作用。•连接件是建立部件和部件之间连接的成分，是专门承接连接作用的特殊部件。•部件可以组合，连接器可以相互连接。部件部件部件部件部件部件部件部件复合部件部件和连接器也称为C2(ComponentsandConnectors)风格。它总结了所有体系结构的成分，归纳并深入探讨其规律、特性，引导了软件体系结构研究的新途径。24软件体系结构成分列表连接件成分过程调用成份之间实现单线程控制的连接机制，如普通过程调用等。数据流通过数据流进行交互的独立处理流程连接机制。如同不交互控制、管道机制等。隐含触发并发（非同步交互）事件实现成分之间的连接机制。如时间调度、自动回收处理等。消息传递独立成分之间离散和非线性的交互连接机制。如协议等。数据共享协议成份之间通过统一数据空间进行协调操作的机制。如黑板、共享数据区等。构件成分纯计算构件简单输入输出处理，不保留处理状态的关联成分，如函数、过滤器、转换器等。数据存储构件具有永久存储性的结构化数据成分。如数据库、文件系统、符号表、超文本等。管理构件系统状态以及相关规定、限制的操作成分。如抽象数据类型、系统服务器等。控制构件系统中事件发生时间、序列的控制和管理的成分。如调度程序、同步处理等。连接构件充当信息转换角色的成分，如通信连接和用户界面等。25•部