现代软件体系结构风格分析

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1、本资料来源 软件体系结构 关于教材 出版社 清华大学出版社 作者 张友生 课程内容 软件体系结构概论 软件体系结构建模 软件体系结构风格 软件体系结构描述 动态软件体系结构 Web服务体系结构 基于体系结构的软件开发 软件体系结构的分析与测试 软件体系结构评估 软件产品线体系结构 定义 第3章软件体系结构风格 3 1软件体系结构风格概述 软件体系结构风格是描述某一特定应用领域中系统组织方式的惯用模式 体系结构风格定义了一个系统家族 即一个体系结构定义一个词汇表和一组约束 词汇表中包含一些构件和连接件类型 而这组约束指出系统是如何将这些构件和连接件组合起来的 体系结构风格反映了领域中众多系统所共

2、有的结构和语义特性 并指导如何将各个模块和子系统有效地组织成一个完整的系统 讨论体系结构风格时要回答的问题 第3章软件体系结构风格 3 1软件体系结构风格概述 构件和连接件的类型是什么 可容许的结构模式是什么 基本的计算模型是什么 风格的基本不变性是什么 其使用的常见例子是什么 使用此风格的优缺点是什么 其常见的特例是什么 经典的体系结构风格 第3章软件体系结构风格 3 1软件体系结构风格概述 数据流风格 批处理序列 管道 过滤器 调用 返回风格 主程序 子程序 面向对象风格 层次结构 独立构件风格 进程通讯 事件系统 虚拟机风格 解释器 基于规则的系统 仓库风格 数据库系统 超文本系统 黑板

3、系统 管道和过滤器 第3章软件体系结构风格 3 2经典软件体系结构风格 每个构件都有一组输入和输出 构件读输入的数据流 经过内部处理 然后产生输出数据流 这个过程通常通过对输入流的变换及增量计算来完成 所以在输入被完全消费之前 输出便产生了 这里的构件被称为过滤器 这种风格的连接件就象是数据流传输的管道 将一个过滤器的输出传到另一过滤器的输入 管道和过滤器 第3章软件体系结构风格 3 2经典软件体系结构风格 管道和过滤器风格的优点 第3章软件体系结构风格 3 2经典软件体系结构风格 使得软构件具有良好的隐蔽性和高内聚 低耦合的特点 允许设计者将整个系统的输入 输出行为看成是多个过滤器的行为的简

4、单合成 支持软件重用 只要提供适合在两个过滤器之间传送的数据 任何两个过滤器都可被连接起来 系统维护和增强系统性能简单 新的过滤器可以添加到现有系统中来 旧的可以被改进的过滤器替换掉 允许对一些如吞吐量 死锁等属性的分析 支持并行执行 每个过滤器是作为一个单独的任务完成 因此可与其它任务并行执行 管道和过滤器的缺点 第3章软件体系结构风格 3 2经典软件体系结构风格 通常导致进程成为批处理的结构 这是因为虽然过滤器可增量式地处理数据 但它们是独立的 所以设计者必须将每个过滤器看成一个完整的从输入到输出的转换 不适合处理交互的应用 当需要增量地显示改变时 这个问题尤为严重 因为在数据传输上没有通

5、用的标准 每个过滤器都增加了解析和合成数据的工作 这样就导致了系统性能下降 并增加了编写过滤器的复杂性 数据抽象和面向对象组织 第3章软件体系结构风格 3 2经典软件体系结构风格 这种风格建立在数据抽象和面向对象的基础上 数据的表示方法和它们的相应操作封装在一个抽象数据类型或对象中 这种风格的构件是对象 或者说是抽象数据类型的实例 对象是一种被称作管理者的构件 因为它负责保持资源的完整性 对象是通过函数和过程的调用来交互的 数据抽象和面向对象组织 第3章软件体系结构风格 3 2经典软件体系结构风格 面向对象系统的优点 第3章软件体系结构风格 3 2经典软件体系结构风格 因为对象对其它对象隐藏它

6、的表示 所以可以改变一个对象的表示 而不影响其它的对象 设计者可将一些数据存取操作的问题分解成一些交互的代理程序的集合 面向对象系统的缺点 第3章软件体系结构风格 3 2经典软件体系结构风格 为了使一个对象和另一个对象通过过程调用等进行交互 必须知道对象的标识 只要一个对象的标识改变了 就必须修改所有其他明确调用它的对象 必须修改所有显式调用它的其它对象 并消除由此带来的一些副作用 例如 如果A使用了对象B C也使用了对象B 那么 C对B的使用所造成的对A的影响可能是料想不到的 基于事件的隐式调用 第3章软件体系结构风格 3 2经典软件体系结构风格 构件不直接调用一个过程 而是触发或广播一个或

7、多个事件 系统中的其它构件中的过程在一个或多个事件中注册 当一个事件被触发 系统自动调用在这个事件中注册的所有过程 这样 一个事件的触发就导致了另一模块中的过程的调用 这种风格的构件是一些模块 模块既可以是一些过程 又可以是一些事件的集合 过程可以用通用的方式调用 也可以在系统事件中注册一些过程 当发生这些事件时 过程被调用 这种风格的主要特点是事件的触发者并不知道哪些构件会被这些事件影响 这样不能假定构件的处理顺序 甚至不知道哪些过程会被调用 因此 许多隐式调用的系统也包含显式调用作为构件交互的补充形式 基于事件的隐式调用的优点 第3章软件体系结构风格 3 2经典软件体系结构风格 为软件重用

8、提供了强大的支持 当需要将一个构件加入现存系统中时 只需将它注册到系统的事件中 为改进系统带来了方便 当用一个构件代替另一个构件时 不会影响到其它构件的接口 基于事件的隐式调用的缺点 第3章软件体系结构风格 3 2经典软件体系结构风格 构件放弃了对系统计算的控制 一个构件触发一个事件时 不能确定其它构件是否会响应它 而且即使它知道事件注册了哪些构件的构成 它也不能保证这些过程被调用的顺序 数据交换的问题 有时数据可被一个事件传递 但另一些情况下 基于事件的系统必须依靠一个共享的仓库进行交互 在这些情况下 全局性能和资源管理便成了问题 既然过程的语义必须依赖于被触发事件的上下文约束 关于正确性的

9、推理存在问题 分层系统 第3章软件体系结构风格 3 2经典软件体系结构风格 层次系统组织成一个层次结构 每一层为上层服务 并作为下层客户 在一些层次系统中 除了一些精心挑选的输出函数外 内部的层只对相邻的层可见 这样的系统中构件在一些层实现了虚拟机 在另一些层次系统中层是部分不透明的 连接件通过决定层间如何交互的协议来定义 拓扑约束包括对相邻层间交互的约束 这种风格支持基于可增加抽象层的设计 允许将一个复杂问题分解成一个增量步骤序列的实现 由于每一层最多只影响两层 同时只要给相邻层提供相同的接口 允许每层用不同的方法实现 同样为软件重用提供了强大的支持 分层系统 第3章软件体系结构风格 3 2

10、经典软件体系结构风格 分层系统的优点 第3章软件体系结构风格 3 2经典软件体系结构风格 支持基于抽象程度递增的系统设计 使设计者可以把一个复杂系统按递增的步骤进行分解 支持功能增强 因为每一层至多和相邻的上下层交互 因此功能的改变最多影响相邻的上下层 支持重用 只要提供的服务接口定义不变 同一层的不同实现可以交换使用 这样 就可以定义一组标准的接口 而允许各种不同的实现方法 分层系统的缺点 第3章软件体系结构风格 3 2经典软件体系结构风格 并不是每个系统都可以很容易地划分为分层的模式 甚至即使一个系统的逻辑结构是层次化的 出于对系统性能的考虑 系统设计师不得不把一些低级或高级的功能综合起来

11、 很难找到一个合适的 正确的层次抽象方法 仓库系统及知识库 第3章软件体系结构风格 3 2经典软件体系结构风格 在仓库风格中 有两种不同的构件 中央数据结构说明当前状态 独立构件在中央数据存贮上执行 仓库与外构件间的相互作用在系统中会有大的变化 控制原则的选取产生两个主要的子类 若输入流中某类时间触发进程执行的选择 则仓库是一传统型数据库 另一方面 若中央数据结构的当前状态触发进程执行的选择 则仓库是一黑板系统 仓库系统及知识库 第3章软件体系结构风格 3 2经典软件体系结构风格 C2风格 第3章软件体系结构风格 3 2经典软件体系结构风格 通过连接件绑定在一起的按照一组规则运作的并行构件网络

12、 C2风格中的系统组织规则如下 系统中的构件和连接件都有一个顶部和一个底部 构件的顶部应连接到某连接件的底部 构件的底部则应连接到某连接件的顶部 而构件与构件之间的直接连接是不允许的 一个连接件可以和任意数目的其它构件和连接件连接 当两个连接件进行直接连接时 必须由其中一个的底部到另一个的顶部 C2风格 第3章软件体系结构风格 3 2经典软件体系结构风格 C2风格的特点 第3章软件体系结构风格 3 2经典软件体系结构风格 系统中的构件可实现应用需求 并能将任意复杂度的功能封装在一起 所有构件之间的通讯是通过以连接件为中介的异步消息交换机制来实现的 构件相对独立 构件之间依赖性较少 系统中不存在

13、某些构件将在同一地址空间内执行 或某些构件共享特定控制线程之类的相关性假设 产生背景 第3章软件体系结构风格 3 3客户 服务器风格 在集中式计算技术时代广泛使用的是大型机 小型机计算模型 它是通过一台物理上与宿主机相连接的非智能终端来实现宿主机上的应用程序 20世纪80年代以后 集中式结构逐渐被以PC机为主的微机网络所取代 个人计算机和工作站的采用 永远改变了协作计算模型 从而导致了分散的个人计算模型的产生 基本概念 第3章软件体系结构风格 3 3客户 服务器风格 C S软件体系结构是基于资源不对等 且为实现共享而提出来的 是20世纪90年代成熟起来的技术 C S体系结构定义了工作站如何与服

14、务器相连 以实现数据和应用分布到多个处理机上 C S体系结构有三个主要组成部分 数据库服务器 客户应用程序和网络 体系结构 第3章软件体系结构风格 3 3客户 服务器风格 任务分配 第3章软件体系结构风格 3 3客户 服务器风格 服务器 1 数据库安全性的要求 2 数据库访问并发性的控制 3 数据库前端的客户应用程序的全局数据完整性规则 4 数据库的备份与恢复 任务分配 第3章软件体系结构风格 3 3客户 服务器风格 客户应用程序 1 提供用户与数据库交互的界面 2 向数据库服务器提交用户请求并接收来自数据库服务器的信息 3 利用客户应用程序对存在于客户端的数据执行应用逻辑要求 处理流程 第3

15、章软件体系结构风格 3 3客户 服务器风格 优点 第3章软件体系结构风格 3 3客户 服务器风格 C S体系结构具有强大的数据操作和事务处理能力 模型思想简单 易于人们理解和接受 系统的客户应用程序和服务器构件分别运行在不同的计算机上 系统中每台服务器都可以适合各构件的要求 这对于硬件和软件的变化显示出极大的适应性和灵活性 而且易于对系统进行扩充和缩小 在C S体系结构中 系统中的功能构件充分隔离 客户应用程序的开发集中于数据的显示和分析 而数据库服务器的开发则集中于数据的管理 不必在每一个新的应用程序中都要对一个DBMS进行编码 将大的应用处理任务分布到许多通过网络连接的低成本计算机上 以节

16、约大量费用 缺点 第3章软件体系结构风格 3 3客户 服务器风格 开发成本较高 客户端程序设计复杂 信息内容和形式单一 用户界面风格不一 使用繁杂 不利于推广使用 软件移植困难 软件维护和升级困难 新技术不能轻易应用 体系结构 第3章软件体系结构风格 3 4三层客户 服务器风格 处理流程 第3章软件体系结构风格 3 4三层客户 服务器风格 物理结构 第3章软件体系结构风格 3 4三层客户 服务器风格 应用实例 第3章软件体系结构风格 3 4三层客户 服务器风格 自学 优点 第3章软件体系结构风格 3 4三层客户 服务器风格 允许合理地划分三层结构的功能 使之在逻辑上保持相对独立性 能提高系统和软件的可维护性和可扩展性 允许更灵活有效地选用相应的平台和硬件系统 使之在处理负荷能力上与处理特性上分别适应于结构清晰的三层 并且这些平台和各个组成部分可以具有良好的可升级性和开放性 应用的各层可以并行开发 可以选择各自最适合的开发语言 利用功能层有效地隔离开表示层与数据层 未授权的用户难以绕过功能层而利用数据库工具或黑客手段去非法地访问数据层 为严格的安全管理奠定了坚实的基础 要注意的问题 第3