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1、信息系统项目管理师课程辅导3,北京理工大学 计算机学院 徐 进,1,五、系统架构设计,2,5.1 软件体系结构基本概念 5.2 软件体系结构风格 5.3 软件体系结构应用框架 5.4 软件设计模式,3,5.1 软件体系结构基本概念 1定义 软件体系结构，也称软件架构，是软件工程的重要研究领域。从90年代开始，很多专家学者对软件体系结构引起广泛的关注，到目前为止，软件体系结构并没有统一的定义，综合软件体系结构的定义，只有比较权威的定义性论述。 权威的定义性论述 软件体系结构是设计过程的一个层次，它处理那些超越算法和数据结构的设计，研究整体结构设计和描述方法。体系结构包括：总体组织结构、全局控制结
2、构、通信和同步以及数据存取的协议、设计元素的功能、物理分布与合成、设计方案的选择、评估和实现等。,4,理解要点： 软件体系结构是软件设计过程的一个层面，是相对独立的、有价值的软件设计方法的总结，可作为软件开发指导性的策略和途径 强调设计过程，而非分析的过程。分析的目标是理解和表达，而设计的目标是实现 非用户的观点，即非功能的观点。对于用户，结构是软件系统功能的组合，而对于设计者，结构是为特定目标而设立的、软件成分以及成分之间的关系。 软件体系结构的研究，包括：怎样选择、怎样评估，以及怎样实现一个软件结构的问题,5,2. 软件的基本结构 软件技术的发展与硬件技术密不可分。软件结构的基础受硬件结构
3、的制约，目前，在计算机基本硬件结构的基础之上，软件体系结构的基本元素和结构包括如下几种： 数据类型结构，包括基本数据类型结构、抽象数据类型结构 控制流连接结构，也称调用结构包括：条件连接结构、循环连接结构、控制转移结构；其调用连接方式，包括链询式、分析式、代理式 中断触发连接结构，包括内部进程连接结构、独立进程同步连接结构、独立进程异步连接结构 层次结构，包括单向依赖层次结构、开放式层次结构,6,3.软件体系结构设计的基本策略和原则 在大量的软件开发的设计实践中，始终存在对设计原则和策略的探讨和总结，很多被普遍性采用的原则和策略，一直被广泛使用，并不断验证和改进，它们独立于具体的软件开发方法。
4、这些原则和策略包括：,抽象 分而治之，层次化分解 封装和信息隐蔽 模块化,高内聚和低耦合 关注点分离 策略和实现分离 接口和实现分离,7,抽象 抽象，是人们认识复杂事物的基本方法。它的实质是集中表现事物的主要特征和属性，隐蔽和忽略细节部分。运用抽象，能概括普遍的、具有相同特征和属性的事物，简化表达和理解，便于利用。 软件设计中运用的抽象包括： 数据抽象：描述特定数据对象的属性集合 过程抽象：特定操作过程命名的操作序列 控制抽象：隐含内部细节的控制逻辑,8,分而治之，层次式分解 将大问题分解，从小问题入手，逐一解决整个大问题，这是人们处理问题的通常的方式。软件设计中运用的分解包括： 横向分解：按
5、照从基础问题到上层问题的分解方式，将大问题按照层次分解成相互依赖的多层，每层完成的局部解，提供对上层的支持 纵向分解：在横向分解的基础上，对每层的求解，再分解成相互独立的多项求解,9,封装和信息隐蔽 封装是为了信息隐蔽，隐蔽是为了减小出错带来损失，而出错是软件系统不可避免的事实。无论是多么精心设计，严格实施，以及反复测试，软件系统的错误就像与生俱来不可回避。 局部化设计 将处理信息限制在局部处理过程中，避免与外部其它处理共享，减少出错的几率，并且，出错后的影响面也会较小。 封装性设计 将处理过程尽量隐蔽，使外界得不到，只留出简单而统一的访问接口。这样，使软件处理的各个部分相互独立，减小系统扩充
6、或修改时的出错的机率。,10,模块化 模块是可被独立命名、具有独立作用的软件成分。软件设计的模块化，是以提高系统的可构造性为目标的。为了软件系统的可扩充性、可修改性，设计可灵活的拆解，或者可灵活组装的软件构造，则成为软件设计者的愿望和责任。模块设计的原则包括： 可分解性：问题本身可由多个部分的解合成，则应分解问题成为多个处理模块 可组装性：可作为独立的部分被组装利用，得到一个更大的解，则包装它成为独立的模块 可理解性：模块需要容易理解，不能被理解或者理解多义的软件成分不能作为独立模块 连续性： 对于一个软件成分的修改，只作用于它自身，这样的模块才是好的模块 保护性： 如果模块出现异常，对于系统
7、的影响较小，甚至没有影响，这样的模块才是好的模块,11,高内聚和低耦合 内聚性 内聚性是指软件成份的内部特性。成份中各处理元素的关系越紧密越好。 耦合性 耦合性是指软件成份之间的关系特性。软件成份之间的关系越松散越好。,12,12,偶然内聚：各处理元素之间并没有关系，只是把分散在多处的功能合在一起 逻辑内聚：仅仅是逻辑功能相关的处理元素合在一起 时间内聚：需要在同一时间执行，并无功能逻辑的处理元素合在一起 过程内聚：过程顺序相关的功能元素合在一起 通讯内聚：需要对相同的外部数据进行操作的处理元素合在一起 顺序内聚：一个软件成份的输出是另一个软件成份的输入，将它们合起来 功能内聚：只完成单一的功
8、能,内容耦合：一个软件成份直接修改另一个软件成份的内容 公共耦合：两个以上的软件成份共同处理外部的一个公共数据 控制耦合：软件成份的动作依赖于接收的控制信号 标记耦合：软件成份的接口参数具有一个复杂的内部结构 数据耦合：软件成份之间仅是数据传递,内聚,耦合,紧密,松散,松散,紧密,13,关注点分离 关注点： 关注点是软件系统中特别需要考虑的多变部分。例如，软件成分的执行会受到运行环境、设备条件，以及通信设施等的制约和限制，为了适应不同的运行环境和条件，需要进行必要的参数调整和驱动配置。为此进行的这部分设计和开发，即是所谓的关注点。 关注点分离设计： 软件系统中涉及关注点的成分应该与非关注点的成
9、分分为相互独立的部分，这样的设计会使未来的系统容易配置，灵活适应多种不同的情况。,14,策略和实现分离 策略 策略是指软件中用于处理选择控制的决策成分。通过信息语义解释、参数条件等，进行分析判断，以决定怎样的具体数据加工和功能实现。 实现 实现是指软件系统中，有规范步骤及完整执行算法的成分。 策略和实现分离的设计 通常，决策部分是异变的成分，而实现部分相对稳定，并可多次复用。将策略成分和实现成分分别设计成独立的部分，使系统维护的范围减小，以提高系统的维护性和复用性。,15,接口和实现分离 接口 接口是软件成分对外统一形式的、可直接访问的操作集合，其操作提供了该软件成分的功能及使用方式。一个软件
10、成分可以不只一个接口，每个接口提供不同的一组相关的操作。 实现 实现是软件成分外部不可见的操作执行部分 接口和实现分离的设计 为了达到软件成分的高复用，对于不同的访问形式的适应问题，可以采用分设不同的访问接口来实现。因此，采用接口和实现分离的设计，会极大地提高系统的可移植性和复用性，而这些正是软件性能评价的重要指标。,16,4.风格、框架、模式 在软件体系结构的研究中，有三个重要的术语需要明确： 软件体系结构风格(Architecture Styles)，风格是描述特定系统组织方式的惯用范例（idiomatic paradigm），强调组织方式和习惯用法；组织方式是用静态形式表述的系统结构，而
11、惯用范式，则可反映众多系统共有的结构和语义。 应用框架(Application Framework)，框架是待实例化的、可复用的大粒度部件结构。框架面向不同规模的应用问题，是通用的结构。强调针对实际的应用问题和通用结构。 软件设计模式（Design Pattern)，设计模式是软件问题高效和成熟的设计模板（pattern)，模板包含了固有的问题的处理逻辑，强调处理逻辑采用方式的直接复用。,17,5.2 软件体系结构风格 体系结构风格是对软件系统组织结构的惯用形式总结。认识特定软件结的原理及适合的计算模式，为软件体系结构设计提供必要的选择空间，对于软件设计来说是重要的技术途径。 目前经典的体系结
12、构风格包括： 管道过滤器风格 主程序与子过程风格 数据抽象与面向对象风格 黑板知识库风格 虚拟机（解释器）风格 事件驱动隐式调用风格 过程控制回路风格 部件链接器C2风格 相关的信息系统开发，仅介绍其中几种经典体系结构风格,18,1 .管道过滤器 (Pipes and Filters),过滤器A,过滤器B,过滤器C,过滤器D,过滤器E,增量计算的 功能模块,输入/输出 数据流,管道过滤器风格的特征 以数据流向的过程为核心，因此也被称为：数据流风格 过滤器自身功能独立而完整，不需要知道其他过滤器的存在与否，相互之间无状态交互 过滤器对输入的数据流有限制，并必须保证输出流的正确性 系统内，各部分的
13、执行与整体系统的最终输出不相关 适用于无交互的批量加工过程处理系统,管道1,管道2,管道3,管道4,管道5,管道6,管道8,管道7,19,2.主程序与子过程 (Main Program/Subroutine),主程序,子过程1,子过程2,子过程n,子过程k1,子过程k2,调用,返回,子过程f,主程序与子过程特征 与过程性语言的概念相对应，适当的设计会使代码效率很高 层次式的结构调用，几乎可以应对所有的软件问题 单纯的过程划分基于特定问题，不具普遍性，复用性差 数据结构的变化会引起复杂关联的变化，维护性差 适用于需求稳定且高效的系统问题,20,3.事件驱动和隐式调用(Event-Based,Im
14、plicit Invocation),外部实体1,外部实体n,消息过滤1,消息过滤n,中断服务n,中断服务1,系统消息队列,应用A 消息 队列,应用线程1,应用线程n,应用B 消息 队列,系统传送,系统传送,消息发送,消息发送,事件,事件,应用线程1,应用线程n,消息循环 B,消息循环 A,事件驱动和隐式调用特征 事件不直接被各响应处理接收，而是通过隐藏在中间的层次间接地被接收和处理 中间的层次，完成消息形式的统一处理及调整和调度，这样，可以对接受事件进行必要操控 请求与响应成分之间构成松散耦合，为灵活设计创造了条件 对于资源不对等的异步并发系统是一种极好的控制方式,21,4. 黑板知识库 (
15、仓储) (Repository),黑板 （共享状态 和策略数据）,知识源1,知识源8,知识源7,知识源6,知识源3,知识源4,知识源2,知识源5,黑板知识库风格的特征 每个知识源的动作依据是黑板中的信息，包括需要的交互及协同 系统中的执行者和决策者享有同等的地位 使系统中多对多的关系，以及执行者和决策者的复杂关系变得简单而清晰 对于协同求解等专家系统是极好的控制方式,22,虚拟机,5. 虚拟机(解释器)(Interpreter),程序的 交互输入,被解释的 程序,执行伪码,解释引擎,输出,输入,选择指示,解释状态,虚拟机(解释器)结构的优势 易于扩充文法，以适应系统的改变。特别是采用面向对象的
16、继承方式。 高效的解释通常采用状态机方式。状态机方式仍然适用于解释器结构。,23,6 部件连接器(Components and Connectors),部件和连接器是软件结构成分的两大部分。 部件是软件的组成成分，在系统构架中起结构块的作用。 连接件是建立部件和部件之间连接的成分，是专门承接连接作用 的特殊部件。 部件可以组合，连接器可以相互连接。,部件,部件,部件,部件,部件,部件,部件,部件,复合部件,部件和连接器也称为 C2 (Components and Connectors)风格。它总结了所有体系结构的成分，归纳并深入探讨其规律、特性，引导了软件体系结构研究的新途径。,24,软件体系结构成分列表,25,部件的类别 部件的表达形式 部件的特性,接口特性 运行特性 远程服务特性 关联特性 动态特性 等级或层次特性,连接的种类 连接的实现 连接协议 连接的特性,连接方向性 连接的角色 连接的激发 连接的响应 连接的匹配性,讨论部件连接器的内容包括：,26,连接的种类,从连接目的分：操作/过程调用、控制/事件
