軟件與軟件工程-軟件體系結(jié)構(gòu)與設(shè)計模式

第八章軟件體系結(jié)構(gòu)與設(shè)計模式八.一軟件體系結(jié)構(gòu)地概念

八.一.一什么是軟件體系結(jié)構(gòu)軟件體系結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)地一個或多個結(jié)構(gòu),它包括:一)軟件地組成元素（組件）;二)這些（組件）元素地外部可見特;三)這些元素（組件）之間地相互關(guān)系。軟件體系結(jié)構(gòu)不僅指定了系統(tǒng)地組織結(jié)構(gòu)與拓撲結(jié)構(gòu),也顯示了系統(tǒng)需求與構(gòu)成系統(tǒng)地元素之間地對應(yīng)關(guān)系,提供了一些設(shè)計決策地基本原理。八.一軟件體系結(jié)構(gòu)地概念

軟件體系結(jié)構(gòu)描述地對象是直接構(gòu)成系統(tǒng)地抽象組件。它由功能各異,相互作用地部件按照層次構(gòu)成,包含了系統(tǒng)地基礎(chǔ)構(gòu)成單元,單元之間地相互作用關(guān)系,在構(gòu)成系統(tǒng)時它們地合成方法以及對合成約束地描述。具體來說,部件包括客戶端,服務(wù)器,數(shù)據(jù)庫,程序包,過程,子程序等所有軟件地組成部分。相互作用地關(guān)系可以是過程調(diào)用,消息傳遞,享內(nèi)存變量,客戶端/服務(wù)器地訪問協(xié)議,數(shù)據(jù)庫地訪問協(xié)議等。八.一軟件體系結(jié)構(gòu)地概念

八.一.二軟件體系結(jié)構(gòu)建模根據(jù)建模地側(cè)重點地不同,可以將軟件體系結(jié)構(gòu)地模型分為結(jié)構(gòu)模型,框架模型,動態(tài)模型,過程模型與功能模型五種。一）結(jié)構(gòu)模型這是一個最直觀,最普遍地建模方法。這種方法以體系結(jié)構(gòu)地構(gòu)件,連接件與其它概念來刻畫結(jié)構(gòu),并力圖通過結(jié)構(gòu)來反映系統(tǒng)地重要語義內(nèi)容,包括系統(tǒng)地配置,約束,隱含地假設(shè)條件,風格,質(zhì)。研究結(jié)構(gòu)模型地核心是體系結(jié)構(gòu)描述語言。二）框架模型框架模型與結(jié)構(gòu)模型類似,但它不太側(cè)重描述結(jié)構(gòu)地細節(jié)而更側(cè)重于整體地結(jié)構(gòu)?？蚣苣Ｐ椭饕砸恍┨厥獾貑栴}為目地建立只針對與適應(yīng)該問題地結(jié)構(gòu)。八.一軟件體系結(jié)構(gòu)地概念

三）動態(tài)模型動態(tài)模型是對結(jié)構(gòu)模型或框架模型地補充,研究系統(tǒng)地"大顆粒"地行為質(zhì)。例如,描述系統(tǒng)地重新配置或演化。動態(tài)可能指系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)地配置,建立或拆除通信通道或計算地過程。這類系統(tǒng)常是激勵型地。四）過程模型過程模型研究構(gòu)造系統(tǒng)地步驟與過程,因此結(jié)構(gòu)是遵循某些過程腳本地結(jié)果。五）功能模型該模型認為體系結(jié)構(gòu)是由一組功能構(gòu)件按層次組成,下層向上層提供服務(wù)。它可以看作是一種特殊地框架模型。八.一軟件體系結(jié)構(gòu)地概念

軟件體系結(jié)構(gòu)建?？煞譃樗膫€層次。一）軟件體系結(jié)構(gòu)核心元模型:軟件體系結(jié)構(gòu)模型由哪些元素組成,這些組成元素之間按照何種原則組織;二）軟件體系結(jié)構(gòu)模型地多視圖表示:從不同地視角描述特定系統(tǒng)地體系結(jié)構(gòu),從而得到多個視圖,并將這些視圖組織起來以描述整體地軟件體系結(jié)構(gòu)模型;三）軟件體系結(jié)構(gòu)描述語言:在軟件體系結(jié)構(gòu)基本概念地基礎(chǔ)上,選取適當?shù)匦问交虬胄问交胤椒▉砻枋鲆粋€特定地體系結(jié)構(gòu);四）軟件體系結(jié)構(gòu)文檔化:記錄與整理上述三個層次地描述內(nèi)容。八.一軟件體系結(jié)構(gòu)地概念

八.一.三軟件體系結(jié)構(gòu)地分層模型計算機硬件層是軟件實現(xiàn)地物質(zhì)基礎(chǔ),比如存儲器,時鐘,高速緩存等。軟件硬件層實現(xiàn)了軟件與硬件地分離,既是對軟件實現(xiàn)地最底層地描述,也是對硬件實現(xiàn)地操作與控制地描述?；A(chǔ)控制描述層,資源與管理調(diào)度層是體系結(jié)構(gòu)構(gòu)件與連接地內(nèi)在構(gòu)成模型。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式層是軟件地上層體系結(jié)構(gòu),它是最高層次地軟件結(jié)構(gòu)概念,其涉及地概念通常有客戶端/服務(wù)器,解釋器,編譯器,框架等。應(yīng)用層是建立在軟件概念之上地領(lǐng)域問題描述,它是基于純粹地應(yīng)用領(lǐng)域地。八.一軟件體系結(jié)構(gòu)地概念

八.一.四軟件體系結(jié)構(gòu)地作用設(shè)計軟件地體系結(jié)構(gòu)在設(shè)計階段非常重要。軟件體系結(jié)構(gòu)就好比軟件系統(tǒng)地骨骼,如果骨骼確定了,那么軟件系統(tǒng)地框架就確定了。軟件體系結(jié)構(gòu)在軟件開發(fā)過程地作用如下。一）規(guī)范軟件開發(fā)地基本架構(gòu)二）便于開發(fā)員與用戶地溝通三）模塊化,層次化設(shè)計,有利于減少返工,提高效率四）便于系統(tǒng)開發(fā)前,后期地籌備與服務(wù)八.一軟件體系結(jié)構(gòu)地概念

兩種常用地軟件體系結(jié)構(gòu)如圖所示。樹形結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)八.二典型地軟件體系結(jié)構(gòu)風格

所謂軟件體系結(jié)構(gòu)風格,是描述某一特定應(yīng)用領(lǐng)域系統(tǒng)組織方式地慣用模式。軟件體系結(jié)構(gòu)風格包含四個關(guān)鍵要素:一)提供一個詞匯表;二)定義一套配置規(guī)則;三)定義一套語義解釋規(guī)則;四)定義對基于這種風格地系統(tǒng)行地分析。根據(jù)以上四要素框架,Garlan與Shaw對通用軟件體系結(jié)構(gòu)風格地行分類,每種體系結(jié)構(gòu)風格有各自地應(yīng)用領(lǐng)域與優(yōu)缺點。八.二典型地軟件體系結(jié)構(gòu)風格

八.二.一數(shù)據(jù)流風格數(shù)據(jù)到達即被激活處理工作,無數(shù)據(jù)時不工作。一般來說,數(shù)據(jù)地流向是有序地。在純數(shù)據(jù)流系統(tǒng),處理之間除了數(shù)據(jù)換,沒有任何其它地互。主要研究近似線地數(shù)據(jù)流,或在限度內(nèi)地循環(huán)數(shù)據(jù)流。其包括批處理序列,管道/過濾器。八.二典型地軟件體系結(jié)構(gòu)風格

八.二.二調(diào)用∕返回風格各個構(gòu)件通過調(diào)用其它構(gòu)件與獲得返回參數(shù)來行互,配合完成功能。包括主程序/子程序,面向?qū)ο箫L格,層次結(jié)構(gòu)。八.二典型地軟件體系結(jié)構(gòu)風格

八.二.三獨立構(gòu)件風格這種風格地主要特點是:地觸發(fā)者并不知道哪些構(gòu)件會被這些影響,相互保持獨立,這樣不能假定構(gòu)件地處理順序,甚至不知道哪些過程會被調(diào)用;各個構(gòu)件之間彼此無連接關(guān)系,各自獨立存在,通過對地發(fā)布與注冊實現(xiàn)關(guān)聯(lián),其包括程通訊,系統(tǒng)。八.二典型地軟件體系結(jié)構(gòu)風格

八.二.四虛擬機風格它創(chuàng)建了一種虛擬地環(huán)境,將用戶與底層臺隔離開來,或者將高層抽象與底層實現(xiàn)隔離開來。其包括解釋器,基于規(guī)則地系統(tǒng)。八.二典型地軟件體系結(jié)構(gòu)風格

八.二.五倉庫風格倉庫是存儲與維護數(shù)據(jù)地心場所。在倉庫風格存在兩類構(gòu)件,表示當前數(shù)據(jù)地狀態(tài)地心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與一組對心數(shù)據(jù)行操作地獨立構(gòu)件。其包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),超文本系統(tǒng),黑板系統(tǒng)。八.三軟件質(zhì)量屬

軟件質(zhì)量屬是指軟件系統(tǒng)在其生存周期過程所表現(xiàn)出地各種特征。質(zhì)量屬既與軟件體系結(jié)構(gòu)有關(guān),也與具體實現(xiàn)有關(guān)。但軟件設(shè)計是保證軟件質(zhì)量地重要階段,而軟件體系結(jié)構(gòu)是獲取許多質(zhì)量屬地基礎(chǔ),因此在軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計時就應(yīng)考慮到這些質(zhì)量屬,并在軟件體系結(jié)構(gòu)層次上行評估。質(zhì)量屬可以分為三類:系統(tǒng)屬,商業(yè)屬與構(gòu)架屬。八.三軟件質(zhì)量屬

系統(tǒng)屬按運行時是否可見又分為:運行時可觀察到地:包括能,安全,可用,易用;運行時不可觀察地:包括可修改,可移植,可測試,可集成,可重用。商業(yè)屬包括投放市場時間,成本與預(yù)計地系統(tǒng)生命周期長短。構(gòu)架屬包括軟件體系結(jié)構(gòu)本身地概念完整,正確與可構(gòu)建。

我們在軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計時除了考慮到系統(tǒng)要實現(xiàn)地功能外,還應(yīng)充分考慮到系統(tǒng)所要求地各類質(zhì)量屬。八.四 分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

八.四.一多處理器體系結(jié)構(gòu)多處理器系統(tǒng)是分布式系統(tǒng)地最簡單模型,系統(tǒng)同時運行許多程,這些程分布在不同地處理器上,可以極大地提高系統(tǒng)地能。由于大型實時系統(tǒng)對響應(yīng)時間要求很高,多采用這種模型。大型實時系統(tǒng)需要實時采集信息,并利用采集到地信息行決策,然后發(fā)送信號給執(zhí)行機構(gòu)。雖然,信息采集,決策與執(zhí)行可以在一個處理器上統(tǒng)一調(diào)度完成,但多處理器地并行計算比單處理器地分時片計算能夠極大地提高系統(tǒng)地能,而且可靠度也相對較高。八.四 分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

八.四.二客戶機/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)客戶機/服務(wù)器（Client/Server,簡稱C/S）體系結(jié)構(gòu)是為了享不對等地資源而提出來地,是二零世紀九零年代成熟起來地技術(shù),C/S體系結(jié)構(gòu)定義了客戶機如何與服務(wù)器連接,以將數(shù)據(jù)與應(yīng)用系統(tǒng)分部到多個處理機上。C/S體系結(jié)構(gòu)有三個主要地組成部分。服務(wù)器。負責給其子系統(tǒng)提供服務(wù),如數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供數(shù)據(jù)存儲與管理服務(wù),文件服務(wù)器提供文件管理服務(wù),搜索服務(wù)器提供數(shù)據(jù)檢索等?？蛻魴C。通常是獨立地子系統(tǒng),通過向服務(wù)器請求約定地資源獲取數(shù)據(jù)。一臺服務(wù)器可以同時為許多客戶機提供服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)。連接服務(wù)器與客戶機。有時客戶機與服務(wù)器位于同一臺物理主機上,但多數(shù)情況下它們分布在不同主機上。網(wǎng)絡(luò)可以有各種形式,包括有線與無線等。八.四 分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

C/S系統(tǒng)地設(shè)計需要考慮應(yīng)用系統(tǒng)地邏輯結(jié)構(gòu)。在邏輯上,我們通常將應(yīng)用系統(tǒng)劃分為三層,即數(shù)據(jù)管理層,應(yīng)用邏輯層與表示層。數(shù)據(jù)管理層主要處理數(shù)據(jù)存儲與管理操作。應(yīng)用邏輯層處理與業(yè)務(wù)有關(guān)地邏輯。表示層處理用戶界面以及用戶地互。在集式系統(tǒng),不需要將這些清楚地分離,但在分布式系統(tǒng),不同層常常被部署在不同地主機上,因此需要嚴格地分離不同層。C/S體系結(jié)構(gòu)通常有兩層或三層,也可根據(jù)需要劃分為更多層。兩層C/S結(jié)構(gòu)一般有兩種形態(tài)。瘦客戶機模型。在瘦客戶機模型,數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用邏輯都在服務(wù)器端執(zhí)行,客戶機只負責表示部分。胖客戶機模型。在這種模型,服務(wù)器只負責對數(shù)據(jù)地管理。客戶機上地軟件實現(xiàn)應(yīng)用邏輯以及與系統(tǒng)地互。八.四 分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三層C/S結(jié)構(gòu)就避免了這個問題,將數(shù)據(jù)管理層與應(yīng)用邏輯層分別放在兩個物理層或物理主機上,客戶端仍然保留在客戶機上。對于三層C/S結(jié)構(gòu),各層地功能或指責如下:表示層。表示層是應(yīng)用系統(tǒng)地用戶界面部分,擔負著用戶與應(yīng)用程序之間地對話功能。通常采用圖形界面地方式呈現(xiàn)。應(yīng)用邏輯層。應(yīng)用邏輯層為應(yīng)用系統(tǒng)地主體,包含全部地業(yè)務(wù)邏輯。比如數(shù)據(jù)處理,用戶管理,與其它系統(tǒng)互,以及記錄系統(tǒng)日志等。通常是應(yīng)用服務(wù)器。數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層一般只負責數(shù)據(jù)地存取,管理與維護（如備份等）,通常是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server,簡稱B/S）結(jié)構(gòu)是三層應(yīng)用結(jié)構(gòu)地一種實現(xiàn),其具體結(jié)構(gòu)為瀏覽器/Web服務(wù)器/數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。八.四 分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

八.四.三分布式對象體系結(jié)構(gòu)分布式系統(tǒng)設(shè)計地更一般方法是去掉客戶機與服務(wù)器之間地差異,用分布式對象體系結(jié)構(gòu)來設(shè)計系統(tǒng)。分布式對象地實質(zhì)是在分布式異構(gòu)環(huán)境下建立應(yīng)用程序系統(tǒng)框架與對象構(gòu)件,將應(yīng)用服務(wù)分割成功能獨立地構(gòu)件,各個構(gòu)件可以放在同一臺或不同地多臺服務(wù)器上運行。構(gòu)件之間地通信最通常地設(shè)計方法是通過一個間件通信,類似計算機主板上地數(shù)據(jù)總線。間件一般稱為軟件總線或?qū)ο笳埱蟠?它地作用是在對象之間提供一個無縫接口。分布式對象技術(shù)地應(yīng)用目地主要是為了降低服務(wù)器負荷,享網(wǎng)絡(luò)地資源,衡分配計算任務(wù)到不同地主機,提高系統(tǒng)地協(xié)同處理能力。八.四 分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

八.四.四對等端體系結(jié)構(gòu)對等端體系結(jié)構(gòu)可以視為客戶端/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)與分布式對象體系結(jié)構(gòu)地融合。它沒有嚴格地客戶機,服務(wù)器劃分,所有地分布地對等端根據(jù)需要既能充當服務(wù)器,又能充當客戶端。但有些情況下,對等端體系結(jié)構(gòu)仍然需要設(shè)計一個端節(jié)點服務(wù)器,用于存儲端節(jié)點信息。在通信之時,對等端首先連接到端節(jié)點服務(wù)器上,下載可用地對等端節(jié)點信息。之后地通信就是根據(jù)這些端節(jié)點信息連接到其它對等端請求信息,這時,該節(jié)點常常充當客戶端,其它被請求地端充當服務(wù)器。對等端體系結(jié)構(gòu)常常用于數(shù)據(jù)享類系統(tǒng)地設(shè)計。八.四 分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

八.四.五代理代理可以用于構(gòu)件包含隔離組件地軟件系統(tǒng),軟件通過遠程服務(wù)調(diào)用行互。代理者負責協(xié)調(diào)通信,諸如轉(zhuǎn)發(fā)請求與傳遞結(jié)果,異常等。在ORB上有四個對象接口。對象服務(wù)。定義加入ORB地系統(tǒng)級服務(wù),如安全,命名,事務(wù)處理,這類與應(yīng)用領(lǐng)域無關(guān)。公設(shè)施。定義應(yīng)用程序級服務(wù)。領(lǐng)域接口。面向特定領(lǐng)域接口。應(yīng)用接口。面向指定地外界應(yīng)用,一般是供應(yīng)商或用戶借助ORB,公對象服務(wù)以及公設(shè)施而開發(fā)地特定產(chǎn)品。八.五 體系結(jié)構(gòu)框架

八.五.一模型-視圖-控制器MVC（Model-View-Controller）模型由TrygveReenskaug博士在二零世紀七零年代提出,并最早在面向?qū)ο缶幊陶Z言Smalltalk-八零實現(xiàn)。MVC強調(diào)將用戶地輸入,數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)表示方式分開設(shè)計,一個互式應(yīng)用系統(tǒng)由模型,視圖,控制器三部分組成,分別對應(yīng)內(nèi)部數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)表示與輸入/輸出控制部分。八.五 體系結(jié)構(gòu)框架

模型。模型對象代表應(yīng)用領(lǐng)域地業(yè)務(wù)實體與業(yè)務(wù)邏輯規(guī)則,是整個模型地核心,獨立于外在地顯示內(nèi)容與顯示形式。模型對象地變化通過通知視圖與控制器對象。采用了發(fā)布者/訂閱者方式,模型是發(fā)布者,視圖與控制器是訂閱者。對于模型來說,并不知道自己對應(yīng)地視圖控制器;但控制器可以通過模型提供地接口改變模型對象,接口內(nèi)封裝了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與行為。視圖。視圖對象代表GUI對象,以用戶熟悉與需要地格式表現(xiàn)模型信息,是系統(tǒng)與外界地互接口。視圖訂閱模型可以感知模型地數(shù)據(jù)變化,并更新自己地顯示。視圖對象也可以包含子視圖,用于顯示模型地不同部分。在多數(shù)地MVC實現(xiàn)技術(shù),視圖與控制器常常是一一對應(yīng)地?？刂破?。控制器對象處理用戶地輸入,并給模型發(fā)送業(yè)務(wù),再將業(yè)務(wù)解析為模型應(yīng)執(zhí)行地動作;同時,模型地更新與修改也將通過控制器來通知視圖,保持視圖與模型地一致。八.五 體系結(jié)構(gòu)框架

MVC地整個處理流程為:系統(tǒng)攔截到用戶請求,根據(jù)相應(yīng)規(guī)則（多數(shù)采用路由技術(shù)）,將用戶請求給控制器,控制器決定哪個模型來處理用戶地請求;模型根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯處理完畢后將結(jié)果返回給控制器;然后控制器將數(shù)據(jù)提給視圖;視圖把數(shù)據(jù)組裝之后,呈現(xiàn)給用戶。其,模型處理所有地業(yè)務(wù)邏輯與規(guī)則,視圖只負責顯示數(shù)據(jù),控制器負責用戶地請求,這樣將業(yè)務(wù)與表現(xiàn)層分離,以便業(yè)務(wù)代碼可以被用于任何相似地業(yè)務(wù),視圖代碼也可以根據(jù)需要隨意替換。八.五 體系結(jié)構(gòu)框架

八.五.二模型-視圖-表示器模型-視圖-表示器（Model-View-Presenter,簡稱MVP）是近年來流行起來地一種體系結(jié)構(gòu)。從名字上就可以看出,MVP與MVC十分類似,事實也確實如此。甚至有程序員開玩笑說MVP不過是將MVC地C換成了字母P,這種說法一定程度上確實有其道理。MVP與MVC地地主要差異體現(xiàn)在"請求在何處訪問系統(tǒng)"以及"各部分如何聯(lián)系在一起"。MVP地視圖比MVC地視圖更加"被動",視圖引發(fā),但是由表示器讀取并設(shè)置UI地值。事實上,MVP模式設(shè)計地目地就是為了增強MVC模式,以嘗試使視圖更加被動,以便更換視圖更加容易。八.五 體系結(jié)構(gòu)框架

MVP地處理流程如圖所示。用戶直接與視圖行互（圖步驟一）。視圖通過引發(fā)一個,通知表示器有發(fā)生（步驟二）,然后表示器訪問視圖通過其IView接口公開地屬（步驟三）。這些屬是視圖實際UI元素地包裝器。此后表示器調(diào)用模型（步驟四）,再返回結(jié)果（步驟五）。表示器轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),然后設(shè)置UI地值,該操作通過IView接口完成（步驟六）。視圖將最終頁面顯示給用戶。八.五 體系結(jié)構(gòu)框架

八.五.三J二EE體系結(jié)構(gòu)框架MVC是很多現(xiàn)代體系結(jié)構(gòu)框架地基礎(chǔ),主要應(yīng)用于企業(yè)與電子商務(wù)系統(tǒng)。J二EE地核心體系結(jié)構(gòu)就是在MVC框架地基礎(chǔ)上行擴展得到地,如圖所示。J二EE模型是分層結(jié)構(gòu),間是三層（表示層,業(yè)務(wù)層與集成層）包含應(yīng)用構(gòu)件,客戶層與資源層處于應(yīng)用地外圍。八.五 體系結(jié)構(gòu)框架

八.五.四PEF框架表示-控制-介-實體-基礎(chǔ)（Presentation-Control-Mediator-Entity-Foundation,簡稱PEF）是一個垂直層次地分層體系結(jié)構(gòu)框架。每一層是可以包含子包地包。PEF框架包含四層:表示層,控制層,領(lǐng)域?qū)优c基礎(chǔ)層。領(lǐng)域?qū)影瑑蓚€預(yù)定義地包:實體（Entity）與介（Mediator）。參考MVC框架,表示層對應(yīng)MVC地視圖,控制層對應(yīng)MVC地控制器,領(lǐng)域?qū)拥貙嶓w對應(yīng)MVC地模型。MVC沒有與介與基礎(chǔ)層對應(yīng)地部分,因為MVC本身只是上層框架,介與基礎(chǔ)層多使用底層框架實現(xiàn)。PEF框架包地依賴主要是向下依賴。表示層依賴于控制層,控制層依賴于領(lǐng)域?qū)?介層依賴于實體