[计算机软件及应用]第3章 软件体系结构风格

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1、第3章 软件体系结构风格,本章结构,3.1 软件体系结构风格概述 3.2 经典软件体系结构风格 3.3 客户/服务器风格 3.4 三层C/S结构风格 3.5 浏览器/服务器风格 3.6 公共对象请求代理体系结构 3.7 正交软件体系结构 3.8 基于层次消息总线的体系结构风格 3.9 异构结构风格 3.10 互联系统构成的系统及其体系结构 3.11 特定领域软件体系结构, 定义,第三章 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。软件体系结构风格又称软件体系结构习惯模式。 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

2、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。,第三章 软件体系结构风格,3.1 软件体系结构风格概述,风格的本质是：一些特定的元素按照特定的方式组成一个有利于上下文环境里的特定问题的解决的结构。 目前开发人员普遍认为软件系统的体系结构设计与把系统分解为相交互的计算元素有着密切的联系。 体系结构风格是反复出现的组织模式和习惯用法，是对一系列体系结构设计的抽象。, 补充,体系结构风格的使用几乎完全是特定的。, 讨论体系结构风

3、格时要回答的问题,第三章 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？,使用体系结构风格的好处,首先，能够促进设计的重用性。当解决新的设计问题时，开发人员通过重新使用这种合适的风格能够提高开发效率。 第二，有关风格的使用带来了设计者的交流形式。关于设计元素的词汇促进了设计者理解和交流。 第三，使用风格能够使代码的重用性得到提高。当用不同的系统时，基本的架构代码风格不需要修改，它能够用于不同的系统中。, 体系结构风

4、格最关键的四要素,第三章 软件体系结构风格,3.1 软件体系结构风格概述, 提供一个词汇表 定义一套配置规则 定义一套语义解释原则 定义对基于这种风格的系统所进行的分析, 经典的体系结构风格,第三章 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；黑板系统。, 管道和过滤器,第三章 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

5、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。 此风格特别重要的过滤器必须是独立的实体，它不能与其他的过滤器共享数据，而且一个过滤器不知道它的上游和下游的标识。 一个管道/过滤器网络输出的正确性并不依赖于过滤器进行增量计算过程的顺序。, 管道和过滤器,第三章 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,第三章 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、

6、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,第三章 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

7、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。, 管道和过滤器的实例,第三章 软件体系结构风格,3.2 经典软件体系结构风格,UNIX中的shell程序。 2. 编译器系统。 3. 并行计算。, 数据抽象和面向对象组织,第三章 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

8、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,第三章 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,第三章 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,第三章 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

9、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。例：年龄加1。, 基于事件的隐式调用,第三章 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

10、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。这样不能确定构件的处理顺序，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,3.2 经典软件体系结构风格, 为软件重用提供了强大的支持。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。,第三章 软件体系结构风格, 基于事件的隐式调用的缺点,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

11、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，关于正确性的推理存在问题。,第三章 软件体系结构风格, 基于事件的隐式调用的例子,3.2 经典软件体系结构风格,此风格的体系结构最早出现在守护进程、约束满足性检查和包交换网络等方面的应用程序中。 它常常被用于如下领域： 在程序设计环境中用于集成各种工具 在数据库管理系统用于检查数据库的一致性约束条件

12、在用户界面中分离数据和表示,第三章 软件体系结构风格, 分层系统,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。,第三章 软件体

13、系结构风格, 分层系统,3.2 经典软件体系结构风格,第三章 软件体系结构风格, 分层系统的优点,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。,第三章 软件体系结构风格, 分层系统的缺点,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

14、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； 很难找到一个合适的、正确的层次抽象方法。,第三章 软件体系结构风格, 分层系统的例子,3.2 经典软件体系结构风格,分层系统常用于通信协议。最著名的分层风格的体系结构的例子是OSI-ISO的分层通信模型。 其他的典型例子还有： 操作系统、数据库系统、计算机网络协议组，等等。,第三章 软件体系结构风格, 仓库系统及知识库,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

15、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。,第三章 软件体系结构风格, 补充,3.2 经典软件体系结构风格,对于系统中数据和状态的控制方法有两种。 一个传统的方法是，由输入事务选择进行何种处理，并把执行结构作为当前状态存储到中央数据结构中，这时，仓库是一个传统的数据库体系结构； 另一种方法是，由中央数据结构的当前状态决定进行何种处理。这时，仓库是一个黑板体系结构。,第三章 软件体系结构风格, 仓库系统及知识库,3.2 经典软件体系结构风格,第三章 软件体系结构风格, 仓库系统及知识库的例子,3.2 经典软件体系结构风格,

16、黑板风格是某些对人类行为进行模拟的人工智能应用系统的重要设计方法之一。 例如：语音识别、模式识别、三维分子结构建模。,第三章 软件体系结构风格, C2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。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。,第三章 软件体系结构风格, C2背景知识,3.2 经典软件体系结构风格,C2是一种用于用户界面密集的系统的软件体系结构风格。 在C2风格的体系结构中，连接件在构件之间转发消息，构件负责维