第01講-軟件體系結(jié)構(gòu)緒論VIP

哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院唐好選Email:tanghx,緒論,先談軟件危機(jī)軟件工程、軟件體系結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)模式的概念及其相互之間的關(guān)系軟構(gòu)件與面向服務(wù)的思想,主要內(nèi)容,軟件危機(jī),“軟件危機(jī)”于1968年首次提出，“軟件工程”概念也由此產(chǎn)生軟件危機(jī)是指計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)和維護(hù)過程中所遇到的一系列嚴(yán)重問題。(1)能否滿足對軟件日益增長的需求？(2)能否維護(hù)數(shù)量日益增長的現(xiàn)有軟件？云計(jì)算會帶來更加嚴(yán)重的軟件危機(jī),軟件危機(jī)的具體表現(xiàn),（1）對軟件開發(fā)成本和進(jìn)度的估計(jì)常常不準(zhǔn)確（成本估計(jì)不足，拖延工期）（2）用戶對“已完成”的軟件系統(tǒng)不滿意的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生（用戶需求了解不清，閉門造車，導(dǎo)致不符合要求）（3）軟件產(chǎn)品的質(zhì)量往往靠不?。]有嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)保技術(shù)）（4）軟件常常不可維護(hù)，不能適應(yīng)新環(huán)境，程序錯誤不容易糾正（5）軟件成本占總成本的比例逐年上升（6）軟件開發(fā)速度跟不上計(jì)算機(jī)應(yīng)用普及深入的趨勢,軟件危機(jī)的原因,（1）軟件是邏輯部件：研發(fā)階段難衡量；開發(fā)質(zhì)量較難評價，開發(fā)過程管理和控制較難；運(yùn)行過程才能暴露沒有檢測出來的事故，相當(dāng)于修改設(shè)計(jì)，軟件維護(hù)困難（2）軟件規(guī)模龐大，有技術(shù)問題，也有管理方法問題（3）早期開發(fā)的個體化；忽視需求分析；認(rèn)為軟件開發(fā)就是寫程序；輕視維護(hù)；對用戶不了解（4）對軟件開發(fā)前期工作忽視，未做好軟件定義時期的工作（5）忽視了軟件維護(hù)階段極端艱巨復(fù)雜的工作，維護(hù)通常占總代價的55%-70%,軟件危機(jī)的原因（另一種解釋）,Managementmyths(whenprojectsgoawry)Wealreadyhavebooksandstandards,thatgivetheprogrammersalltheyneedtoknowMypeopletohavestate-of-the-artdevelopmenttools,afterall,webuythealwaysthelatestcomputerhardwareIfwegetbehindschedule,wejustaddstaffandwillbeabletocatchupeasilybuthowmucheffortwillyouspendingettingyournewstaffuptospeed?,CustomermythsAgeneralstatementofobjectivesissufficienttostartprogrammingProjectrequirementscontinuallychange,butchangecaneasilybeaccommodatedsincesoftwareissoflexibleandeasytochange,軟件危機(jī)的原因（另一種解釋）,PractitionersmythsOncewewritetheprogramandgetittowork,ourjobisdoneUntilIgettheprogramrunning,IhavenowayofassessingandassuringitsqualityTheonlydeliverableforasuccessfulprojectistheworkingprogram,軟件危機(jī)的原因（另一種解釋）,軟件工程不能解決軟件危機(jī)，“沒有任何一項(xiàng)技術(shù)或方法可以讓軟件工程的生產(chǎn)力在十年內(nèi)提高十倍”、“復(fù)雜的軟件工程問題無法靠簡單的答案來解決”軟件危機(jī)的本質(zhì)難題軟件體系結(jié)構(gòu)（或連接關(guān)系）越來越復(fù)雜軟件程序代碼數(shù)量越多，隱藏BUG越多,軟件危機(jī)的本質(zhì)難題,FO（Fact-Oriented）方法軟件復(fù)雜度可以通過軟件體系結(jié)構(gòu)來描述，任何體系結(jié)構(gòu)都是可以通過維來構(gòu)建的任何一個復(fù)雜的用戶需求都是可分解的，把不能再分解的構(gòu)成部分叫“對象”任何一個對象必須包含兩個部分，即對象的外部屬性和對象的內(nèi)部屬性對象的連接方式即結(jié)構(gòu)，就是用戶需求的體系結(jié)構(gòu),解決軟件危機(jī)的可能,FO方法的組成FOA(Fact-OrientedAnalysis)：即面向事實(shí)的分析，把客戶需求當(dāng)成存在的事實(shí)FOD(Frame-OrientedDesign)：面向結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，把分析過程中得到對象的連接形式整理出來，并采用維的方式表述，得到軟件的體系結(jié)構(gòu)FOP(Form-OrientedProgramming)：面向形式的編程，對形式部分編寫程序代碼，得到無具體含義的功能模塊。將模塊和配置(描述參數(shù))結(jié)合，可得到一個對象,解決軟件危機(jī)的可能,軟件=功能模塊+表現(xiàn)程序+連接方式(體系結(jié)構(gòu)),思考,你對軟件危機(jī)的表現(xiàn)和原因的見解你身邊軟件項(xiàng)目的完成及評估情況,解決軟件危機(jī)告訴人們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)軟件、開發(fā)軟件、管理軟件軟件工程方法/軟件體系結(jié)構(gòu)/軟件設(shè)計(jì)模式的合理應(yīng)用,我們的目標(biāo),提高軟件產(chǎn)品的質(zhì)量!降低軟件開發(fā)的成本!,先談軟件危機(jī)軟件工程、軟件體系結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)模式的概念及其相互之間的關(guān)系軟構(gòu)件與面向服務(wù)的思想,主要內(nèi)容,軟件工程是將系統(tǒng)化的、規(guī)范的、可度量的方法應(yīng)用于軟件的開發(fā)、運(yùn)行和維護(hù)的過程，即將工程化應(yīng)用于軟件中軟件工程主要強(qiáng)調(diào)軟件開發(fā)過程各個階段的方法論,軟件工程的基本概念,軟件工程的三要素,1.Build-and-FixModel,典型的開發(fā)模型,2.Warer-fallModel,3.RapidPrototypeModel,4.IncrementalModel,5.SpiralModel,6.IntelligentModel,7.HybridModel,軟件工程的局限性,軟件工程充滿了“方法論”的內(nèi)容如何分析、如何設(shè)計(jì)、如何編程、如何測試、如何維護(hù)、軟件模型與軟件系統(tǒng)的質(zhì)量在很大程度上依賴于開發(fā)者本身的經(jīng)驗(yàn)和水平因?yàn)槿狈浖_發(fā)過程的理論層面的刻畫，沒有將大量的方法論總結(jié)并提升為理論，故而只能是“工程”,從工程提升到理論,研究軟件體系結(jié)構(gòu)的目的,彌補(bǔ)軟件開發(fā)領(lǐng)域“工程上有余而理論上不足”的缺陷借助于計(jì)算機(jī)科學(xué)中其他領(lǐng)域的理論研究方法，試圖用模型分析與理論推理的方法解決軟件研發(fā)過程中涉及到的各類功能與非功能性問題將軟件工程上總結(jié)出來的各類方法論提升為模型與理論，進(jìn)而用這些理論來指導(dǎo)軟件的開發(fā),軟件體系結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生,隨著軟件系統(tǒng)規(guī)模越來越大、越來越復(fù)雜，對系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和規(guī)格的說明顯得越來越重要對于大規(guī)模的復(fù)雜軟件系統(tǒng)來說，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和規(guī)格說明比算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇更重要對軟件體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)、深入的研究將會成為解決軟件危機(jī)最有希望的途徑,軟件體系結(jié)構(gòu)的定義,軟件體系結(jié)構(gòu)(SoftwareArchitecture,SA)提供了一個結(jié)構(gòu)、行為和屬性的高級抽象從較高層次來考慮組成系統(tǒng)的構(gòu)件、構(gòu)件之間的連接，以及由構(gòu)件與構(gòu)件交互形成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)這些要素應(yīng)該滿足一定限制，遵循一定設(shè)計(jì)規(guī)則，能夠在一定環(huán)境下進(jìn)行演化,軟件體系結(jié)構(gòu)的組成,構(gòu)件：基本軟件構(gòu)造模塊(對象、模式等)連接件：將它們組合起來形成完整的軟件系統(tǒng)物理分布（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）約束性能,程序員說，SA是要決定需要編寫哪些類、使用哪些現(xiàn)成框架程序經(jīng)理說，SA是模塊的劃分和接口的定義分析員說，SA是為業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)ο蟮年P(guān)系建模配置管理員說，SA是開發(fā)以及編譯后軟件的基本結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫工程師說，SA規(guī)定了持久化數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，其他一切都不過是對數(shù)據(jù)的操作而已部署工程師說，SA規(guī)定了軟件部署到硬件的策略用戶說，SA是決定一個個功能子系統(tǒng)如何劃分,關(guān)于軟件體系結(jié)構(gòu)的看法,軟件體系結(jié)構(gòu)研究要回答的基本問題,軟件的基本構(gòu)造單元是什么？這些構(gòu)造單元之間如何連接？最終形成何種樣式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)？每個典型應(yīng)用領(lǐng)域(例如CAD、ERP)的典型體系結(jié)構(gòu)是什么樣子？如何進(jìn)行軟件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)？如果對已經(jīng)存在的軟件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改？使用何種工具來支持軟件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)？如何對軟件的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，并據(jù)此進(jìn)行分析和驗(yàn)證？,SA在軟件生命周期中的位置,SA在系統(tǒng)開發(fā)的全過程中起中心作用；是設(shè)計(jì)/開發(fā)的起點(diǎn)和依據(jù)；是配置、運(yùn)行和維護(hù)的指南,軟件體系結(jié)構(gòu)的演化,無體系結(jié)構(gòu)階段,萌芽階段,初期階段,高級階段,以匯編語言進(jìn)行小規(guī)模程序開發(fā)為特征,以控制流圖和數(shù)據(jù)流圖為特征,出現(xiàn)了從不同側(cè)面描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，以UML為典型代表,以描述系統(tǒng)的高層抽象結(jié)構(gòu)為中心，不關(guān)心具體建模細(xì)節(jié)，以“4+1”模型為標(biāo)志,軟件體系結(jié)構(gòu)的4+1視圖模型,邏輯視圖,過程視圖,開發(fā)視圖,物理視圖,用況視圖,描述系統(tǒng)的功能性需求，描述系統(tǒng)為最終用戶做什么，是設(shè)計(jì)模型的抽象,程序員與實(shí)現(xiàn)有關(guān)的部分.如源代碼、庫、對象的類等.是事物的靜態(tài)視圖,系統(tǒng)工程師系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、交付、安裝、通信.注重事實(shí)和系統(tǒng)必須服從的約束.,描述系統(tǒng)在運(yùn)行時的并發(fā)性-任務(wù)、線程、過程以及它們之間的交互作用，針對系統(tǒng)集成人員,設(shè)計(jì)人員/測試人行為,軟件體系結(jié)構(gòu)的演化,系統(tǒng)=算法+數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（60年代）系統(tǒng)=子程序+子程序（70年代）系統(tǒng)=對象+對象（80年代）系統(tǒng)=構(gòu)件+連接件（90年代）系統(tǒng)=服務(wù)+服務(wù)總線（21世紀(jì)）,軟件體系結(jié)構(gòu)的演化史,功能函數(shù),面向過程的分析和設(shè)計(jì),基于構(gòu)件的軟件開發(fā),面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計(jì),面向服務(wù)的計(jì)算面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu),經(jīng)典的軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格,體系結(jié)構(gòu)例：Android的分層體系結(jié)構(gòu),引入設(shè)計(jì)模式,裝修設(shè)計(jì)問題：使用軟件方法可以設(shè)計(jì)并展現(xiàn)不同風(fēng)格的布局效果,1、如何使客戶端程序依賴少量的或者單一的對象2、如何保證增加風(fēng)格時（或風(fēng)格變化時）不影響原有代碼？,設(shè)計(jì)模式的概念,設(shè)計(jì)模式是類的聯(lián)合體以及與之相伴的算法，這些算法能夠?qū)崿F(xiàn)共同的設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)模式表達(dá)了一種思想而不僅僅是固定的類聯(lián)合體，相伴的算法表示模式的基本操作,設(shè)計(jì)模式分類,按類型劃分，軟件設(shè)計(jì)模式可劃分為創(chuàng)建型模式：如何創(chuàng)建一個對象，一般是通過子類繼承（或者接口實(shí)現(xiàn)）的方式來生成新的類結(jié)構(gòu)型模式：利用現(xiàn)有的類來生成新的類，一般通過類的組合來生成新類行為型模式：類之間的協(xié)作，將一個動作分解到不同的類，強(qiáng)調(diào)類之間的協(xié)作,設(shè)計(jì)模式、體系結(jié)構(gòu)、框架,框架（Framework）是整個或部分系統(tǒng)的可重用設(shè)計(jì)，具體表現(xiàn)為一組抽象構(gòu)件及構(gòu)件實(shí)例間交互的方法構(gòu)件是代碼重用，而設(shè)計(jì)模式是設(shè)計(jì)重用，框架介于兩者之間，部分代碼重用，部分設(shè)計(jì)重用設(shè)計(jì)模式比框架更為抽象，設(shè)計(jì)模式在碰到具體問題后才能產(chǎn)生代碼；框架已經(jīng)可以用代碼表示設(shè)計(jì)模式是比框架更小的體系結(jié)構(gòu)元素，框架中可以包含多個設(shè)計(jì)模式,框架（Framework）與結(jié)構(gòu)（Architecture）,框架是可實(shí)例化的、部分完成的軟件系統(tǒng)或子系統(tǒng)，它為一組系統(tǒng)或子系統(tǒng)定義了統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)，并提供了系統(tǒng)的基本構(gòu)造塊，還為實(shí)現(xiàn)具體功能定義了擴(kuò)展點(diǎn)框架實(shí)現(xiàn)了體系結(jié)構(gòu)級別的復(fù)用,框架（Framework）與模式（Pattern）,從應(yīng)用領(lǐng)域上分，框架給出的是整個應(yīng)用的體系結(jié)構(gòu)；而設(shè)計(jì)模式則給出了單一設(shè)計(jì)問題的解決方案從內(nèi)容上分，設(shè)計(jì)模式僅是一個單純的設(shè)計(jì)，這個設(shè)計(jì)可被不同語言以不同方式來實(shí)現(xiàn)；而框架則是設(shè)計(jì)和代碼的混合體設(shè)計(jì)模式比框架更容易移植：框架一旦設(shè)計(jì)成形，以其為基礎(chǔ)進(jìn)行應(yīng)用的開發(fā)就要受制于框架的實(shí)現(xiàn)環(huán)境；而設(shè)計(jì)模式是與語言無關(guān)的，所以可以在更廣泛的異構(gòu)環(huán)境中進(jìn)行應(yīng)用總之，框架是軟件，而設(shè)計(jì)模式是軟件的知識體，設(shè)計(jì)模式的合理利用可以提升框架的設(shè)計(jì)水平,先談軟件危機(jī)軟件工程、軟件體系架構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)模式的概念及其相互之間的關(guān)系軟構(gòu)件與面向服務(wù)的思想,主要內(nèi)容,軟構(gòu)件與面向服務(wù)的思想,軟件系統(tǒng)及其開發(fā)方法面臨著如下的變化趨勢重復(fù)軟件越來越多技術(shù)讓位于業(yè)務(wù)：實(shí)現(xiàn)技術(shù)變得越來越次要，對業(yè)務(wù)需求的理解變得越來越困難封閉向開放轉(zhuǎn)移：系統(tǒng)規(guī)模變大，復(fù)雜性變高，從組織內(nèi)部轉(zhuǎn)移到企業(yè)之間，乃至全球化環(huán)境中內(nèi)部功能讓位于協(xié)同：開發(fā)一個封閉的功能很容易，難的是多組織之間協(xié)同性功能的開發(fā)按需應(yīng)變：軟件系統(tǒng)越來越要求快速、容易變化傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方法/技術(shù)越來越力不從心,軟構(gòu)件與面向服務(wù)的思想,新的要求構(gòu)成軟件的基本組件或體系結(jié)構(gòu)大量復(fù)用，可以縮短軟件開發(fā)周期（軟構(gòu)件技術(shù)）服務(wù)無處不在，服務(wù)