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1、 软件体系结构 2012年9月 出版社 清华大学出版社 作者 张友生 第一章 软件体系结构概论 软件危机是指在计算机软件的开发和维护过程中所遇到的一系列严重问题 软件危机的表现软件成本日益增长开发进度难以控制软件质量差软件维护困难 1 1从软件危机谈起 软件成本日益增长20世纪50年代 软件成本在整个计算机系统成本中所占的比例为10 20 到20世纪60年代中期 软件成本在计算机系统中所占的比例已经增长到50 左右 而且 该数字还在不断地递增 下面是一组来自美国空军计算机系统的数据 1955年 软件费用约占总费用的18 1970年达到60 1975年达到72 1980年达到80 1985年达到
2、85 左右 软件危机的表现 开发进度难以控制由于软件是逻辑 智力产品 软件的开发需建立庞大的逻辑体系 这是与其他产品的生产不一样的 在软件开发过程中 用户需求变化等各种意想不到的情况层出不穷 令软件开发过程很难保证按预定的计划实现 给项目计划和论证工作带来了很大的困难 盲目增加软件开发人员并不能成比例地提高软件开发能力 相反 随着人员数量的增加 人员的组织 协调 通信 培训和管理等方面的问题将更为严重 软件质量差软件项目即使能按预定日期完成 结果却不尽人意 1965年至1970年 美国范登堡基地发射火箭多次失败 绝大部分故障是由应用程序错误造成的 在 软件作坊 里 由于缺乏工程化思想的指导 程
3、序员几乎总是习惯性地以自己的想法去代替用户对软件的需求 软件设计带有随意性 很多功能只是程序员的 一厢情愿 而已 这是造成软件不能令人满意的重要因素 软件维护困难由于在软件设计和开发过程中 没有严格遵循软件开发标准 各种随意性很大 没有完整的真实反映系统状况的记录文档 给软件维护造成了巨大的困难 特别是在软件使用过程中 原来的开发人员可能因各种原因已经离开原来的开发组织 使得软件几乎不可维护 有资料表明 工业界为维护软件支付的费用占全部硬件和软件费用的40 75 用户需求不明确在软件开发完成之前 用户不清楚软件的具体需求 用户对软件需求的描述不精确 可能有遗漏 有二义性 甚至有错误 在软件开发
4、过程中 用户还提出修改软件功能 界面 支撑环境等方面的要求 开发人员对用户需求的理解与用户本来愿望有差异 软件危机的原因 缺乏正确的理论指导缺乏有力的方法学和工具方面的支持 由于软件不同于大多数其他工业产品 其开发过程是复杂的逻辑思维过程 其产品极大程度地依赖于开发人员高度的智力投入 由于过分地依靠程序设计人员在软件开发过程中的技巧和创造性 加剧软件产品的个性化 也是发生软件危机的一个重要原因 软件规模越来越大随着软件应用范围的增广 软件规模愈来愈大 大型软件项目需要组织一定的人力共同完成 而多数管理人员缺乏开发大型软件系统的经验 而多数软件开发人员又缺乏管理方面的经验 各类人员的信息交流不及
5、时 不准确 有时还会产生误解 软件项目开发人员不能有效地 独立自主地处理大型软件的全部关系和各个分支 因此容易产生疏漏和错误 软件复杂度越来越高软件不仅仅是在规模上快速地发展扩大 而且其复杂性也急剧地增加 软件产品的特殊性和人类智力的局限性 导致人们无力处理 复杂问题 所谓 复杂问题 的概念是相对的 一旦人们采用先进的组织形式 开发方法和工具提高了软件开发效率和能力 新的 更大的 更复杂的问题又摆在人们的面前 如何克服软件危机软件危机的原因 人们面临的不光是技术问题 更重要的是管理问题 管理不善必然导致失败 要提高软件开发效率 提高软件产品质量 必须采用工程化的开发方法与工业化的生产技术 软件
6、工程在技术上 应该采用基于重用的软件生产技术 在管理上 应该采用多维的工程管理模式 软件工程的三大要素 方法 完成软件工程项目的技术手段工具 为软件工程方法提供自动或半自动的软件支撑环境过程 软件工程的方法和工具综合起来以达到合理 及时地进行计算机软件开发的目的 当前社会的信息化过程对软件需求的增长非常迅速 但是目前软件的开发与生产能力却相对不足 提高软件开发效率和软件产品质量 则必须采用工程化的开发方法与工程化的生产技术 技术方面 采用基于重用的软件生产技术管理方面 采用多维的工程管理模式 1 2构件与软件重用 在工程化的软件开发过程中构件是核心和基础重用是必要的手段 构件是指语义完整 语法
7、正确和有可重用价值的单位软件 是软件重用过程中可以明确辨识的系统 结构上 它是语义描述 通讯接口和实现代码的复合体 具有一定功能 能够独立工作或能同其他构件装配起来协调工作的程序体 使用上同它的开发 生产无关 软件重用是指在两次或多次不同的软件开发过程中重复使用相同或相近软件元素的过程 软件元素包括 程序代码测试用例设计文档设计过程需求分析文档领域知识 构件模型是对构件本质特征的抽象描述 构件模型的三个主要流派 OMG ObjectManagementGroup 对象管理集团 的CORBA CommonObjectRequestBrokerArchitecture 通用对象请求代理结构 Sun
8、的EJB EnterpriseJavaBean Microsoft的DCOM DistributedComponentObjectModel 分布式构件对象模型 构件获取途径 从现有构件中获得符合要求的构件 直接使用或作适应性修改 得到可重用的构件 通过遗留工程 将具有潜在重用价值的构件提取出来 得到可重用的构件 从市场上购买现成的商业构件 即COTS CommercialOff The Shell 构件 开发新的符合要求的构件 构件描述构件模型是对构件本质的抽象描述 主要是为构件的制作与构件的重用提供依据 从管理角度出发 也需要对构件进行描述 例如 实现方式 实现体 注释 生产者 生产日期
9、大小 价格 版本和关联构件等信息 它们与构件模型共同组成了对构件的完整描述 构件管理 构件分类与组织为了给使用者在查询构件时提供方便 同时也为了更好地重用构件 必须对收集和开发的构件进行分类并置于构件库德适当位置 构件库组织方法的要求 支持构件库的各种维护动作不仅要支持精确匹配 还要支持相似构件的查找不仅能进行简单的语法匹配 而且能够查找在功能或行为方面的等价或相似的构件对应用领域具有较强的描述能力和较好的描述精度库管理员和用户容易使用 分类方法 关键字分类法是一种最简单的构件库组织方法 思路是 根据领域分析的结果将应用领域的概念按照从抽象到具体的顺序逐次分解为树形或有向无回路图结构 每个概念
10、用一个描述性的关键字表示 不可分解的原子级关键字包含隶属它的某些构件 刻面分类法定义若干用于刻画构件特征的 面 每个面包含若干概念 这些概念表述构件在面上的特征 刻面可以描述构件执行的功能被操作的数据构件应用的语境任意其他特征格式 function objecttype systemtype 超文本组织法是基于全文检索技术 是所有构件必须辅以详尽的功能或行为说明文档 说明中出现的重要概念或构件以网状链接方式相互连接 检索者在阅读文档的过程中可按照人类的联想思维方式任意跳转到包含相关概念或构件的文档 全文检索系统将用户给出的关键字与说明文档中的文字进行匹配 实现构件的浏览式检索 商业构件的分类
11、用户界面类 数据库类商务应用类工具类 网络通讯类核心技术类 构件的外部形态分类 独立而成熟的构件有限制的构件适应性构件装配的构件可修改的构件 人员及权限管理访问构件库的不用使用者的访问权限作出适当的限制 以保证数据安全 一般来讲 构件库系统可包括五类用户 即注册用户 公共用户 构件提交者 一般系统管理员和超级系统管理员 构件重用为了让构件在新的软件项目中发挥作用 构件库的使用者必须完成以下的工作 检索与提取构件理解与评价构件修改构件构件组装 检索与提取构件基于关键字的检索刻面检索法构造查询检索构件对构件进行排序超文本检索法其他检索方法 理解与评价构件构件的功能与行为相关的领域知识可适应性约束条
12、件与例外情形可以预见的修改部分及修改方法 修改构件理想的情形是对库中的构件不作修改而直接用于新的软件项目 但是 在大多数情况下 必须对构件进行或多或少的修改 以适应新的需求 为了减少构件修改的工作量 要求开发人员尽量使构件的功能 行为和接口设计更为抽象化 通用化和参数化 基于功能的组装技术基于功能的组装技术采用子程序调用和参数传递的方式将构件组装起来 它要求库中的构件以子程序 过程 函数的形式出现 并且接口说明必须清晰 当使用这种组装技术进行软件开发时 开发人员首先应对目标软件系统进行功能分解 将系统分解为强内聚 松耦合的功能模块 然后根据各模块的功能需求提取构件 对它进行适应性修改后再挂接在
13、上述功能分解框架中 构件组装 基于数据的组装技术首先根据当前软件问题的核心数据结构设计出一个框架 然后根据框架中各结点的需求提取构件并进行适应性修改 再将构件逐个分配至框架中的适当位置 此后 构件的组装方式仍然是传统的子程序调用与参数传递 这种组装技术也要求库中构件以子程序形式出现 但它所依赖的软件设计方法不再是功能分解 而是面向数据的设计方法 例如Jackson系统开发方法 面向对象的组装技术如果类库中的基类能够满足新软件需求 则可以直接应用 否则 必须以类库中的基类为父类 采用构造法或子类法生成子类 构造法在子类中引进基类的对象作为子类的成员变量 然后在子类中通过成员变量重用基类的属性和方
14、法 子类法将新子类直接说明为库中基类的子类 通过继承和修改基类的属性与行为完成新子类的定义 classPerson public Person char name intage Person protected char name intage 基类构造函数Person Person char name intage Person name newchar strlen name 1 strcpy Person name name Person age age cout ConstructPerson name age n 基类析构函数Person Person cout DestructPe
15、rson name age n deletename return 采用构造法生成TeacherclassTeacher public Teacher char name intage char teaching Teacher protected Tperson Person char course Teacher Teacher char name intage char teaching Tperson newPerson name age strcpy course teaching return Teacher Teacher deleteTperson classPerson pu
16、blic Person char name intage Person protected char name intage 基类构造函数Person Person char name intage Person name newchar strlen name 1 strcpy Person name name Person age age cout ConstructPerson name age n 基类西沟函数Person Person cout DestructPerson name age n deletename return 采用子类法构造TeacherclassTeacher Person public Teacher char name intage char teaching Person name age course newchar strlen teaching 1 strcpy course teaching return Teacher deletecourse return protected char course 随着软件系统规模越来越大 越来越复
