第6章 軟件體系結(jié)構(gòu)建模

1、5.1 “4+1” 視圖模型5.2 軟件體系結(jié)構(gòu)的核心模型5.3 軟件體系結(jié)構(gòu)的生命周期模型研究軟件體系結(jié)構(gòu)的首要問題是：如何表示軟件研究軟件體系結(jié)構(gòu)的首要問題是：如何表示軟件體系結(jié)構(gòu)，即如何對軟件體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)，即如何對軟件體系結(jié)構(gòu) 建模建模 結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型：以構(gòu)件、連接件等概念刻畫軟件結(jié)構(gòu)：以構(gòu)件、連接件等概念刻畫軟件結(jié)構(gòu) 框架模型框架模型：更側(cè)重描述整體結(jié)構(gòu)：更側(cè)重描述整體結(jié)構(gòu) 動態(tài)模型動態(tài)模型：描述系統(tǒng)的重新配置或演化過程：描述系統(tǒng)的重新配置或演化過程 過程模型過程模型：描述構(gòu)造軟件的步驟和過程：描述構(gòu)造軟件的步驟和過程 功能模型功能模型：描述功能構(gòu)件的層次組成關(guān)系：描述功能構(gòu)件的

2、層次組成關(guān)系23最終用戶：功能需求最終用戶：功能需求場景視圖場景視圖編程人員：軟件管理編程人員：軟件管理系統(tǒng)集成人員：性能系統(tǒng)集成人員：性能可擴(kuò)充性、吞吐量等可擴(kuò)充性、吞吐量等系統(tǒng)工程人員：系統(tǒng)系統(tǒng)工程人員：系統(tǒng)拓?fù)?、安裝、通信等拓?fù)?、安裝、通信等每個視圖只關(guān)注軟件系統(tǒng)的一個側(cè)面每個視圖只關(guān)注軟件系統(tǒng)的一個側(cè)面五個視圖結(jié)合起來才能反映系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)的全部內(nèi)五個視圖結(jié)合起來才能反映系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)的全部內(nèi)容容4軟件體系架構(gòu)設(shè)計應(yīng)軟件體系架構(gòu)設(shè)計應(yīng)“將系統(tǒng)劃分成不同模塊將系統(tǒng)劃分成不同模塊”但但一旦開始深入實踐，就會產(chǎn)生不少疑問：一旦開始深入實踐，就會產(chǎn)生不少疑問： 從用戶角度而言，組成系統(tǒng)的是

3、各種功能的模塊，這屬從用戶角度而言，組成系統(tǒng)的是各種功能的模塊，這屬于架構(gòu)設(shè)計的范圍嗎？于架構(gòu)設(shè)計的范圍嗎？ 對開發(fā)人員來說，他們認(rèn)為系統(tǒng)是由不同的程序包組成對開發(fā)人員來說，他們認(rèn)為系統(tǒng)是由不同的程序包組成的，架構(gòu)設(shè)計師應(yīng)不應(yīng)該把這些都丟給程序員決定呢？的，架構(gòu)設(shè)計師應(yīng)不應(yīng)該把這些都丟給程序員決定呢？ 此外，運(yùn)行時軟件系統(tǒng)又是由進(jìn)程、線程等組成的，這此外，運(yùn)行時軟件系統(tǒng)又是由進(jìn)程、線程等組成的，這屬不屬于架構(gòu)設(shè)計的范圍呢？屬不屬于架構(gòu)設(shè)計的范圍呢？5軟件體系架構(gòu)設(shè)計應(yīng)軟件體系架構(gòu)設(shè)計應(yīng)“規(guī)定系統(tǒng)各模塊之間如何規(guī)定系統(tǒng)各模塊之間如何交互交互”, 但一旦開始深入實踐，又困惑于：但一旦開始深入實踐，

4、又困惑于： 在用戶看來，抽象的功能模塊之間可以相互（直接或間在用戶看來，抽象的功能模塊之間可以相互（直接或間接）調(diào)用功能服務(wù)，只有這樣才能完成最終系統(tǒng)需要的接）調(diào)用功能服務(wù)，只有這樣才能完成最終系統(tǒng)需要的業(yè)務(wù)功能，這是否屬于架構(gòu)設(shè)計的決策范圍呢？業(yè)務(wù)功能，這是否屬于架構(gòu)設(shè)計的決策范圍呢？ 程序類組成程序包，程序包組成程序系統(tǒng)，這些程序代程序類組成程序包，程序包組成程序系統(tǒng)，這些程序代碼之間的調(diào)用等交互關(guān)系既有局部于包內(nèi)的，也有跨包碼之間的調(diào)用等交互關(guān)系既有局部于包內(nèi)的，也有跨包進(jìn)行的，那么哪些屬于架構(gòu)師應(yīng)該考慮的呢？進(jìn)行的，那么哪些屬于架構(gòu)師應(yīng)該考慮的呢？ 架構(gòu)可以不關(guān)心進(jìn)程或線程間的通訊和并

5、發(fā)等問題嗎？架構(gòu)可以不關(guān)心進(jìn)程或線程間的通訊和并發(fā)等問題嗎？6由于軟件體系結(jié)構(gòu)概念是高度抽象的，所以在軟件體系由于軟件體系結(jié)構(gòu)概念是高度抽象的，所以在軟件體系結(jié)構(gòu)概念與結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐之間，似乎存在某種結(jié)構(gòu)概念與結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐之間，似乎存在某種“鴻溝鴻溝”軟件結(jié)構(gòu)視圖軟件結(jié)構(gòu)視圖連接軟件體系結(jié)構(gòu)的概念和實際的開連接軟件體系結(jié)構(gòu)的概念和實際的開發(fā)實踐需要發(fā)實踐需要軟件體系結(jié)構(gòu)要涵蓋的內(nèi)容和決策太多了，超過了人腦軟件體系結(jié)構(gòu)要涵蓋的內(nèi)容和決策太多了，超過了人腦“一蹴而就一蹴而就”的能力范圍，因此采用的能力范圍，因此采用“分而治之分而治之”的辦法從不的辦法從不同視角分別設(shè)計同視角分別設(shè)計軟件體系結(jié)構(gòu)的每個

6、視圖分別關(guān)注不同的方面，同時也軟件體系結(jié)構(gòu)的每個視圖分別關(guān)注不同的方面，同時也為軟件體系結(jié)構(gòu)的理解、交流和歸檔提供了方便為軟件體系結(jié)構(gòu)的理解、交流和歸檔提供了方便78同一事物的不同視圖之間是有聯(lián)系的。對比上面兩幅圖，除了南美洲之外基本都是降水量足的地方人口較密集9最終用戶：功能需求最終用戶：功能需求場景視圖場景視圖編程人員：軟件管理編程人員：軟件管理系統(tǒng)集成人員：性能系統(tǒng)集成人員：性能可擴(kuò)充性、吞吐量等可擴(kuò)充性、吞吐量等系統(tǒng)工程人員：系統(tǒng)系統(tǒng)工程人員：系統(tǒng)拓?fù)?、安裝、通信等拓?fù)洹惭b、通信等每個視圖只關(guān)注軟件系統(tǒng)的一個側(cè)面每個視圖只關(guān)注軟件系統(tǒng)的一個側(cè)面五個視圖結(jié)合起來才能反映系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)

7、的全部內(nèi)五個視圖結(jié)合起來才能反映系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)的全部內(nèi)容容10邏輯架構(gòu)關(guān)注功能，不僅包括用戶可見的功能，還包括為實現(xiàn)用戶功能而必須提供的“輔助功能模塊”；它們可能是邏輯層、功能模塊、類等開發(fā)架構(gòu)關(guān)注程序包，不僅包括要編寫的源程序，還包括可以直接使用的第三方SDK和現(xiàn)成框架、類庫，以及開發(fā)的系統(tǒng)將運(yùn)行于其上的系統(tǒng)軟件或中間件運(yùn)行架構(gòu)關(guān)注進(jìn)程、線程、對象等運(yùn)行時概念，以及相關(guān)的并發(fā)、同步、通信等問題。開發(fā)架構(gòu)一般偏重程序包在編譯時期的靜態(tài)依賴關(guān)系，而運(yùn)行架構(gòu)比較關(guān)注的是這些運(yùn)行時單元的交互問題物理架構(gòu)關(guān)注“目標(biāo)程序及其依賴的運(yùn)行庫和系統(tǒng)軟件”最終如何安裝或部署到物理機(jī)器，以及如何部署機(jī)器和網(wǎng)絡(luò)來

8、配合軟件系統(tǒng)的可靠性、可伸縮性等要求1112面向?qū)ο螅侯悎D等面向?qū)ο螅侯悎D等場景視圖場景視圖層次結(jié)構(gòu)框架：層次越低，通用性越強(qiáng)層次結(jié)構(gòu)框架：層次越低，通用性越強(qiáng)基于層次的基于層次的C/SC/S結(jié)構(gòu)及擴(kuò)展結(jié)構(gòu)及擴(kuò)展系統(tǒng)工程人員：系統(tǒng)系統(tǒng)工程人員：系統(tǒng)場景可以看作是那些重要系統(tǒng)活動的抽象，它可以幫助設(shè)計者找到場景可以看作是那些重要系統(tǒng)活動的抽象，它可以幫助設(shè)計者找到體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)件和它們之間的作用關(guān)系。同時，也可以用場景來分體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)件和它們之間的作用關(guān)系。同時，也可以用場景來分析一個特定的視圖，或描述不同視圖構(gòu)件間是如何相互作用的析一個特定的視圖，或描述不同視圖構(gòu)件間是如何相互作用的顯示及用戶接

9、口機(jī)械服務(wù)基本元素航空信息空中交通管理飛行管理外部接口網(wǎng)關(guān)仿真和培訓(xùn)會話終端控制器轉(zhuǎn)換服務(wù)連接服務(wù)編號計劃13公用構(gòu)件1低層服務(wù)支撐機(jī)制：通信、時間、儲存、資源管理等2航空類、空中交通管制類3空中交通管制功能區(qū)：飛行管理、雷達(dá)管理等4人機(jī)接口外部系統(tǒng)5離線工具測試工具各種各樣的空中交通管制系統(tǒng)特定的空中交通管制系統(tǒng)構(gòu)件空中交通管制系統(tǒng)框架分布式虛擬機(jī)基本元素硬件、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域特定領(lǐng)域無關(guān)通用空中交通管制代碼客戶定制14控 制 器 進(jìn) 程慢 周 期 控制 器 任 務(wù)快 周 期 控制 器 任 務(wù)主 控 制器 任 務(wù)終 端 進(jìn) 程15C主KKKKKKKKF備份F主F備份F主C備份16（1）摘

10、機(jī)小王:控制器編號計劃小王:終端小王:會話（2）撥號音（3）號碼（4）號碼（5）打開會話17邏輯視圖和開發(fā)視圖描述系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)邏輯視圖和開發(fā)視圖描述系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)運(yùn)行視圖和部署視圖描述系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)運(yùn)行視圖和部署視圖描述系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)場景視圖對于所有的情況均適用場景視圖對于所有的情況均適用并不是所有的軟件架構(gòu)都需要并不是所有的軟件架構(gòu)都需要“41”視圖：視圖： 只有一個處理器，則可以省略部署視圖只有一個處理器，則可以省略部署視圖 如果僅有一個進(jìn)程或程序，則可以省略運(yùn)行視圖如果僅有一個進(jìn)程或程序，則可以省略運(yùn)行視圖 對于小型系統(tǒng)，可能邏輯視圖與開發(fā)視圖非常相似，而對于小型系統(tǒng)，可能邏輯視圖與開

11、發(fā)視圖非常相似，而不需要分開的描述不需要分開的描述181920設(shè)備調(diào)試員通過使用該系統(tǒng)，可以察看設(shè)備狀態(tài)，設(shè)備設(shè)備調(diào)試員通過使用該系統(tǒng)，可以察看設(shè)備狀態(tài)，設(shè)備的狀態(tài)信息由專用的數(shù)據(jù)采集器實時采集、發(fā)送調(diào)試命的狀態(tài)信息由專用的數(shù)據(jù)采集器實時采集、發(fā)送調(diào)試命令令 約束性需求：企業(yè)級的商業(yè)考慮（如：項目預(yù)算有限）, 最終用戶級的實際情況（如：用戶的平均電腦操作水平偏低）, 具體技術(shù)的明確要求（如：能在Linux上運(yùn)行）, 考慮開發(fā)團(tuán)隊的真實狀況（如：開發(fā)人員分散在不同地點）運(yùn)行期質(zhì)量屬性：主要指軟件系統(tǒng)在運(yùn)行期間表運(yùn)行期質(zhì)量屬性：主要指軟件系統(tǒng)在運(yùn)行期間表現(xiàn)出的質(zhì)量水平，例如：軟件系統(tǒng)的易用性、性現(xiàn)

12、出的質(zhì)量水平，例如：軟件系統(tǒng)的易用性、性能、持續(xù)可用性、安全性等能、持續(xù)可用性、安全性等此類屬性非常關(guān)鍵，因為它們直接影響著客戶對此類屬性非常關(guān)鍵，因為它們直接影響著客戶對軟件系統(tǒng)的滿意度，大多數(shù)客戶也不會接受運(yùn)行軟件系統(tǒng)的滿意度，大多數(shù)客戶也不會接受運(yùn)行期質(zhì)量屬性拙劣的軟件系統(tǒng)期質(zhì)量屬性拙劣的軟件系統(tǒng) 應(yīng)用層負(fù)責(zé)設(shè)備狀態(tài)的顯示，并提供模擬控應(yīng)用層負(fù)責(zé)設(shè)備狀態(tài)的顯示，并提供模擬控制臺供用戶發(fā)送調(diào)試命令制臺供用戶發(fā)送調(diào)試命令 嵌入層負(fù)責(zé)對調(diào)試設(shè)備的具體控制，以及高嵌入層負(fù)責(zé)對調(diào)試設(shè)備的具體控制，以及高頻度地從數(shù)據(jù)采集器讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)頻度地從數(shù)據(jù)采集器讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù) 應(yīng)用層通過通訊層與嵌入層交

13、互，通訊層負(fù)應(yīng)用層通過通訊層與嵌入層交互，通訊層負(fù)責(zé)在責(zé)在RS232協(xié)議之上實現(xiàn)一套專用的協(xié)議之上實現(xiàn)一套專用的“應(yīng)用應(yīng)用協(xié)議協(xié)議“：當(dāng)應(yīng)用層發(fā)送來包含調(diào)試指令的協(xié)：當(dāng)應(yīng)用層發(fā)送來包含調(diào)試指令的協(xié)議包，由通訊層負(fù)責(zé)將之傳遞給嵌入層，當(dāng)議包，由通訊層負(fù)責(zé)將之傳遞給嵌入層，當(dāng)嵌入層發(fā)送來原始數(shù)據(jù)，由通訊層將之解釋嵌入層發(fā)送來原始數(shù)據(jù)，由通訊層將之解釋成應(yīng)用協(xié)議包發(fā)送給應(yīng)用層成應(yīng)用協(xié)議包發(fā)送給應(yīng)用層考慮到“一部分開發(fā)人員沒有嵌入式開發(fā)經(jīng)驗”, 架構(gòu)師有必要明確說明系統(tǒng)的目標(biāo)程序是如何編譯而來的：(1) 應(yīng)用層目標(biāo)程序 pc-moduel.exe (2) 嵌入式模塊rom-module.hex多線程異

14、步交互數(shù)據(jù)緩沖中斷應(yīng)用層中的線程代表主程序的運(yùn)行，它直接利用了應(yīng)用層中的線程代表主程序的運(yùn)行，它直接利用了MFC的主窗口線程。無論是用戶交互，還是串口的數(shù)據(jù)到達(dá)的主窗口線程。無論是用戶交互，還是串口的數(shù)據(jù)到達(dá)，均采取異步事件的方式處理，杜絕了任何，均采取異步事件的方式處理，杜絕了任何忙等待忙等待無無謂的耗時，也縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時間謂的耗時，也縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時間通訊層有獨立的線程控制著通訊層有獨立的線程控制著上上下下上上下下的數(shù)據(jù)，并設(shè)置的數(shù)據(jù)，并設(shè)置了數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，使數(shù)據(jù)的接收和數(shù)據(jù)的處理相對獨立，了數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，使數(shù)據(jù)的接收和數(shù)據(jù)的處理相對獨立，從而數(shù)據(jù)接收不會因暫時的處理忙碌而停滯，增加了系從而

15、數(shù)據(jù)接收不會因暫時的處理忙碌而停滯，增加了系統(tǒng)吞吐量統(tǒng)吞吐量嵌入層的設(shè)計中，分別通過時鐘中斷和嵌入層的設(shè)計中，分別通過時鐘中斷和RS232口中斷來口中斷來激發(fā)相應(yīng)的處理邏輯，達(dá)到輪詢和收發(fā)數(shù)據(jù)的目的激發(fā)相應(yīng)的處理邏輯，達(dá)到輪詢和收發(fā)數(shù)據(jù)的目的 描述了設(shè)備調(diào)試系統(tǒng)軟件和硬件的映射關(guān)系: 嵌入部分駐留在調(diào)試機(jī)中（調(diào)試機(jī)是專用單板機(jī)），而PC機(jī)上是常見的桌面可執(zhí)行程序的形式 32構(gòu)件構(gòu)件：具有某種功能的可重用：具有某種功能的可重用的軟件單元，可分為原子構(gòu)件的軟件單元，可分為原子構(gòu)件及復(fù)合構(gòu)件及復(fù)合構(gòu)件連接件連接件：構(gòu)件之間的交互，如：構(gòu)件之間的交互，如過程調(diào)用、協(xié)議、過程調(diào)用、協(xié)議、SQL鏈接鏈接配

16、置配置：構(gòu)件和連接件的拓?fù)溥墸簶?gòu)件和連接件的拓?fù)溥壿嫼图s束輯和約束端口端口：構(gòu)件和外部環(huán)境交互點：構(gòu)件和外部環(huán)境交互點角色角色：連接件接口由一組角色：連接件接口由一組角色組成，每一個角色定義了該連組成，每一個角色定義了該連接件表示的交互的參與者接件表示的交互的參與者軟件體系結(jié)構(gòu)配置連接件構(gòu)件端口角色1:N1:N1:N34在軟件開發(fā)引入了軟件體系結(jié)構(gòu)之后，軟件應(yīng)用系統(tǒng)的在軟件開發(fā)引入了軟件體系結(jié)構(gòu)之后，軟件應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)造過程變?yōu)椋簶?gòu)造過程變?yōu)椋?問題定義問題定義 需求分析需求分析 軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計 軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計 軟件實現(xiàn)軟件實現(xiàn) 軟件測試與維護(hù)軟件測試與維護(hù)在建立軟件

17、體系結(jié)構(gòu)時：設(shè)計師主要是從結(jié)構(gòu)的角度對在建立軟件體系結(jié)構(gòu)時：設(shè)計師主要是從結(jié)構(gòu)的角度對整個系統(tǒng)進(jìn)行分析，選擇恰當(dāng)?shù)臉?gòu)件，構(gòu)件間的相互作整個系統(tǒng)進(jìn)行分析，選擇恰當(dāng)?shù)臉?gòu)件，構(gòu)件間的相互作用關(guān)系以及對它們的約束，最后形成一個系統(tǒng)框架以滿用關(guān)系以及對它們的約束，最后形成一個系統(tǒng)框架以滿足用戶需求，為后續(xù)的軟件設(shè)計奠定基礎(chǔ)足用戶需求，為后續(xù)的軟件設(shè)計奠定基礎(chǔ)需求分析需求分析：獲取用戶需求，確定系統(tǒng)所要用到的構(gòu)件。：獲取用戶需求，確定系統(tǒng)所要用到的構(gòu)件。包括：明確軟件功能及滿足質(zhì)量屬性的非功能需求；生包括：明確軟件功能及滿足質(zhì)量屬性的非功能需求；生成類圖并完善及分組；把類打包成構(gòu)件；需求評審（構(gòu)成類圖并完

18、善及分組；把類打包成構(gòu)件；需求評審（構(gòu)件是否合理）等階段件是否合理）等階段建立體系結(jié)構(gòu)建立體系結(jié)構(gòu)：選擇合適的體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格，將構(gòu)件集成：選擇合適的體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格，將構(gòu)件集成其中，并細(xì)化構(gòu)件間的交互關(guān)系其中，并細(xì)化構(gòu)件間的交互關(guān)系設(shè)計、實現(xiàn)及測試設(shè)計、實現(xiàn)及測試：設(shè)計構(gòu)件間的詳細(xì)接口；實現(xiàn)構(gòu)件：設(shè)計構(gòu)件間的詳細(xì)接口；實現(xiàn)構(gòu)件并組裝構(gòu)件，完成整個軟件的合成；測試單個構(gòu)件的功并組裝構(gòu)件，完成整個軟件的合成；測試單個構(gòu)件的功能，并測試組裝后整體軟件的功能及性能等能，并測試組裝后整體軟件的功能及性能等體系結(jié)構(gòu)的非形式化描述體系結(jié)構(gòu)的形式化基礎(chǔ)（數(shù)學(xué)模型）體系結(jié)構(gòu)的規(guī)范描述體系結(jié)構(gòu)演化體系結(jié)構(gòu)提供、評價和度量體系結(jié)構(gòu)的終結(jié)體系結(jié)構(gòu)實施體系結(jié)構(gòu)求精的驗證體系結(jié)構(gòu)求精體系結(jié)構(gòu)的性質(zhì)分析需要演化或擴(kuò)展否否是需要求精否是否為什么需要多視圖模型為什么需要多視圖模型4+1 視圖模型的內(nèi)容視圖模型的內(nèi)容軟件體系結(jié)構(gòu)的核心模型軟件體系結(jié)構(gòu)的核心模型軟件體系結(jié)構(gòu)的生命周期模型軟件體系結(jié)構(gòu)的生命周期模型381、閱讀英文文章：、閱讀英文文章： Architectural BlueprintsThe “4+1” View Model of Software Architecture - Kruchten （1995）2、 “4+1” 視圖建模實踐：視