掇取軟件體系結(jié)構(gòu)研究綜述任繼永1（甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系甘肅天水741025）摘要：論文在分析了目前典型的軟件體系結(jié)構(gòu)概念之后，給出了軟件體系結(jié)構(gòu)的定義和作用。通過(guò)總結(jié)軟件體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的若干研究活動(dòng)，提出了軟件體系結(jié)構(gòu)在軟件工程中的重要性，并介紹了軟件體系結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向。作為總結(jié)，給出了軟件體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域最有前途的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵字：軟件體系結(jié)構(gòu)；軟件體系結(jié)構(gòu)建模；軟件生命周期模型；ATAM。0引言六十年代的軟件危機(jī)使得人們開(kāi)始重視軟件工程的研究。起初，人們把軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)放在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的選擇上，隨著軟件系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大、越來(lái)越復(fù)雜，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和規(guī)格說(shuō)明顯得越來(lái)越重要。軟件危機(jī)的程度日益加劇，現(xiàn)有的軟件工程方法對(duì)此顯得力不從心。對(duì)于大規(guī)模的復(fù)雜軟件系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，對(duì)總體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和規(guī)格說(shuō)明比起對(duì)計(jì)算的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇已經(jīng)變得明顯重要得多。在此種背景下，人們認(rèn)識(shí)到軟件體系結(jié)構(gòu)的重要性，并認(rèn)為對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)、深入的研究將會(huì)成為提高軟件生產(chǎn)率和解決軟件維護(hù)問(wèn)題的新的最有希望的途徑?？梢宰鱾€(gè)簡(jiǎn)單的比喻，結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)時(shí)代是以磚、瓦、灰、沙、石、預(yù)制梁、柱、屋面板蓋平房和小樓，而面向?qū)ο髸r(shí)代以整面墻、整間房、一層樓梯的預(yù)制件蓋高樓大廈。構(gòu)件怎樣搭配才合理？體系結(jié)構(gòu)怎樣構(gòu)造容易？重要構(gòu)件有了更改后，如何保證整棟高樓不倒？每種應(yīng)用領(lǐng)域需要什么構(gòu)件（醫(yī)院、工廠、旅館）？有哪些實(shí)用、美觀、強(qiáng)度、造價(jià)合理的構(gòu)件骨架使建造出來(lái)的建筑（即體系結(jié)構(gòu)）更能滿足用戶的需求？如同土木工程進(jìn)入到現(xiàn)代建筑學(xué)一樣，軟件也從傳統(tǒng)的軟件工程進(jìn)入到現(xiàn)代面向?qū)ο蟮能浖こ蹋芯空麄€(gè)軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，尋求建構(gòu)最快、成本最低、質(zhì)量最好的構(gòu)造過(guò)程。1軟件體系結(jié)構(gòu)1作者簡(jiǎn)介：任繼永（1982-），男，漢族，甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，西安交通大學(xué)軟件學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向?yàn)椋很浖_(kāi)發(fā)，信息安全。1.1定義軟件體系結(jié)構(gòu)是描述軟件系統(tǒng)的一組模型的集合，它定義了軟件系統(tǒng)的組成，各組成部分相互間的關(guān)系，以及制約其設(shè)計(jì)與發(fā)展的原理和準(zhǔn)則，對(duì)軟件系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)、特性與運(yùn)行方式進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的描述。1.2結(jié)構(gòu)模型研究軟件體系結(jié)構(gòu)的首要問(wèn)題是如何表示軟件體系結(jié)構(gòu)，即如何對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)建模。根據(jù)建模的側(cè)重點(diǎn)的不同，可以將軟件體系結(jié)構(gòu)的模型分為5種：結(jié)構(gòu)模型、框架模型、動(dòng)態(tài)模型、過(guò)程模型和功能模型。在這5個(gè)模型中，最常用的是結(jié)構(gòu)模型和動(dòng)態(tài)模型。這5種模型各有所長(zhǎng)，也許將5種模型有機(jī)地統(tǒng)一在一起，形成一個(gè)完整的模型來(lái)刻畫(huà)軟件體系結(jié)構(gòu)更合適。例如，Kruchten在1995年提出了一個(gè)“4+1”的視角模型?！?+1”模型從5個(gè)不同的視角包括邏輯視角、過(guò)程視角、物理視角、開(kāi)發(fā)視角和場(chǎng)景視角來(lái)描述軟件體系結(jié)構(gòu)。每一個(gè)視角只關(guān)心系統(tǒng)的一個(gè)側(cè)面，5個(gè)視角結(jié)合在一起才能夠反映系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)的全部?jī)?nèi)容?！?+1”模型如圖1所示。圖1：“4+1”模型1.3作用軟件體系結(jié)構(gòu)代表了系統(tǒng)的公共的高層次的抽象，是軟件生存期早期設(shè)計(jì)決策的成果，可以作為軟件系統(tǒng)的各相關(guān)利益方通信的手段，并能夠?yàn)殚_(kāi)發(fā)人員提供了一種實(shí)現(xiàn)的約束。軟件體系結(jié)構(gòu)是達(dá)到系統(tǒng)目標(biāo)特性的促進(jìn)力量（或阻礙力量），選擇軟件體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)在很大程度上決定了系統(tǒng)是否能夠達(dá)到其需求的質(zhì)量特性，如功能、性能、可靠性、維護(hù)性、可復(fù)用性、可適應(yīng)性等，但軟件體系結(jié)構(gòu)并不能單獨(dú)保證系統(tǒng)所要求的功能與質(zhì)量。正確的軟件體系結(jié)構(gòu)是項(xiàng)目成功的必要條件，但不是充分條件。2軟件體系結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀目前，軟件體系結(jié)構(gòu)尚處在迅速發(fā)展之中，越來(lái)越多的研究人員正在把注意力投向軟件體系結(jié)構(gòu)的研究。用于對(duì)軟件體系進(jìn)行規(guī)格描述的模型、標(biāo)記法和工具仍很不正規(guī)。盡管這些不正規(guī)的模型是有用的，為使之更為精確和健壯，在很多方面的研究工作還需要繼續(xù)進(jìn)行。關(guān)于軟件體系結(jié)構(gòu)的研究工作主要在國(guó)外展開(kāi)的，國(guó)內(nèi)到目前為止對(duì)于軟件體系結(jié)構(gòu)的研究尚處在起步階段。軟件體系結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)未引起人們廣泛注意的原因主要有兩點(diǎn)：?軟件體系結(jié)構(gòu)從表面上看起來(lái)是一個(gè)老話題，似乎沒(méi)有新東西。?與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)對(duì)大型和超大型復(fù)雜軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的經(jīng)歷相對(duì)較少，對(duì)軟件危機(jī)的災(zāi)難性體會(huì)沒(méi)有國(guó)外深刻，因而對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)研究的重要性和必要性的認(rèn)識(shí)還不很充分。2.1形成研究熱點(diǎn)，仍處于非形式化水平從軟件體系結(jié)構(gòu)研究的現(xiàn)狀來(lái)看，當(dāng)前的研究和對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)的描述，在很大程度上來(lái)說(shuō)還停留在非形式化的基礎(chǔ)上。軟件構(gòu)架師仍然缺乏必要的工具，這種工具應(yīng)該是顯式描述的、有獨(dú)立性的形式化工具。在目前通用的軟件開(kāi)發(fā)方法中，其描述通常是用非形式化的圖和文本，不能描述系統(tǒng)期望的存在于構(gòu)件之間的接口，不能描述不同的組成系統(tǒng)的組合關(guān)系的意義。難以被開(kāi)發(fā)人員理解，更不能用來(lái)分析其一致性和完整性等特性。2.2軟件體系結(jié)構(gòu)的形式化方法研究軟件體系結(jié)構(gòu)研究如果僅僅停留在非形式化的框圖階段，已經(jīng)難以適應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展的需要。為支持基于體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)，需要有形式化建模符號(hào)、體系結(jié)構(gòu)說(shuō)明的分析與開(kāi)發(fā)工具。從軟件體系結(jié)構(gòu)研究的現(xiàn)狀來(lái)看，在這一領(lǐng)域近來(lái)已經(jīng)有不少進(jìn)展，其中比較有代表性的是美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)(CarnegieMellonUniversity)的RobertJ.Allen于1997年提出的Wright系統(tǒng)。Wright是-種結(jié)構(gòu)描述語(yǔ)言，該語(yǔ)言基于一種形式化的、抽象的系統(tǒng)模型，為描述和分析軟件體系結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)化方法提供了一種實(shí)用的工具。Wright主要側(cè)重于描述系統(tǒng)的軟件構(gòu)件和連接的結(jié)構(gòu)、配置和方法。它使用顯式的、獨(dú)立的連接模型來(lái)作為交互的方式，這使得該系統(tǒng)可以用邏輯謂詞符號(hào)系統(tǒng)，而不依賴(lài)特定的系統(tǒng)實(shí)例來(lái)描述系統(tǒng)的抽象行為2.3發(fā)展基于體系結(jié)構(gòu)的軟件開(kāi)發(fā)模型軟件開(kāi)發(fā)模型是跨越整個(gè)軟件生存周期的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、運(yùn)行、維護(hù)所實(shí)施的全部工作和任務(wù)的結(jié)構(gòu)框架，給出了軟件開(kāi)發(fā)活動(dòng)各階段之間的關(guān)系。目前，常見(jiàn)的軟件開(kāi)發(fā)模型大致可分為三種類(lèi)型：（1）以軟件需求完全確定為前提的瀑布模型。（2）在軟件開(kāi)發(fā)初始階段只能提供基本需求時(shí)采用的漸進(jìn)式開(kāi)發(fā)模型，如螺旋模型等。（3）以形式化開(kāi)發(fā)方法為基礎(chǔ)的變換模型。所有開(kāi)發(fā)方法都是要解決需求與實(shí)現(xiàn)之間的差距。但是，這三種類(lèi)型的軟件開(kāi)發(fā)模型都存在這樣或那樣的缺陷，不能很好地支持基于軟件體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)過(guò)程。因此，研究人員在發(fā)展基于體系結(jié)構(gòu)的軟件開(kāi)發(fā)模型方面做了一定的工作。例如，為了形象地表示體系結(jié)構(gòu)的生命周期，北京郵電大學(xué)的周瑩新博士建立了一個(gè)軟件體系結(jié)構(gòu)的生命周期模型，該模型如圖2所示。圖2：軟件體系結(jié)構(gòu)的生命周期模型2.4軟件產(chǎn)品線體系結(jié)構(gòu)的研究軟件體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)是大型軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。體系結(jié)構(gòu)在軟件生產(chǎn)線的開(kāi)發(fā)中具有至關(guān)重要的作用，在這種開(kāi)發(fā)生產(chǎn)中，基于同一個(gè)軟件體系結(jié)構(gòu)，可以創(chuàng)建具有不同功能的多個(gè)系統(tǒng)。在軟件產(chǎn)品族之間共享體系結(jié)構(gòu)和一組可重用的構(gòu)件，可以增加軟件工程和降低開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本。一個(gè)產(chǎn)品線代表著一組具有公共的系統(tǒng)需求集的軟件系統(tǒng)，它們都是根據(jù)基本的用戶需求對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品線構(gòu)架進(jìn)行定制，將可重用構(gòu)件與系統(tǒng)獨(dú)有的部分集成而得到的。采用軟件生產(chǎn)線式模式進(jìn)行軟件生產(chǎn)，將產(chǎn)生巨型編程企業(yè)。但目前生產(chǎn)的軟件產(chǎn)品族大部分是處于同一領(lǐng)域的。3軟件體系結(jié)構(gòu)的研究熱點(diǎn)當(dāng)前，體系結(jié)構(gòu)仍是一個(gè)非常新的研究領(lǐng)域，其概念還相當(dāng)模糊。但軟件體系結(jié)構(gòu)作為軟件工程領(lǐng)域中的一個(gè)組成部分，已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，受到大多數(shù)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究人員的重視。軟件體系結(jié)構(gòu)目前較活躍的研究方向包括：?軟件體系結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)的研究；?針對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)描述中特有的問(wèn)題研究新的專(zhuān)門(mén)的高級(jí)語(yǔ)言；?建立用于度量和評(píng)價(jià)軟件體系結(jié)構(gòu)的模型和方法；?建立面向?qū)ｉT(mén)領(lǐng)域的軟件體系結(jié)構(gòu)范型庫(kù)。?把軟件體系結(jié)構(gòu)從目前的直覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)狀態(tài)過(guò)渡到理論。3.1提供新的軟件體系結(jié)構(gòu)描述語(yǔ)言在提高軟件工程師對(duì)軟件系統(tǒng)的描述和理解能力中，雖然軟件體系結(jié)構(gòu)描述起著重要作用，但這些抽象的描述通常是非形式化的和隨意的。體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)常難以理解，難以適于進(jìn)行形式化分析和模擬，缺乏相應(yīng)的支持工具幫助構(gòu)架師完成設(shè)計(jì)工作。為了解決這個(gè)問(wèn)題，用于描述和推理的形式化語(yǔ)言得以發(fā)展，這些語(yǔ)言就叫做體系結(jié)構(gòu)描述語(yǔ)言(ArchitectureDescriptionLanguage),ADLs求增加軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可理解性和重用性。3.2對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)的專(zhuān)門(mén)知識(shí)的整理這方面的工作主要是對(duì)軟件工程師在軟件開(kāi)發(fā)實(shí)踐中得來(lái)的各種體系結(jié)構(gòu)的原則、模式的整理和分類(lèi)。例如，對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格的分類(lèi)和比較，對(duì)體系結(jié)構(gòu)描述語(yǔ)言的綜合分析等。就目前看來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)的研究主要集中在對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)的專(zhuān)門(mén)知識(shí)的整理上。3.3提供特定領(lǐng)域的體系結(jié)構(gòu)框架最近，開(kāi)發(fā)特定的領(lǐng)域去為產(chǎn)品提供可重用框架日益受到關(guān)注。這些開(kāi)發(fā)基于這樣的想法：可以提取相關(guān)系統(tǒng)中的共同方面，以便可以通過(guò)低成本地把這些共同的設(shè)計(jì)實(shí)例化來(lái)構(gòu)筑新系統(tǒng)。常見(jiàn)的例子有：（1）編譯器的標(biāo)準(zhǔn)分解。這個(gè)方法可以使一個(gè)本科生在一個(gè)學(xué)期時(shí)間內(nèi)構(gòu)造一個(gè)新的語(yǔ)言編譯系統(tǒng)。（2）標(biāo)準(zhǔn)化的通訊協(xié)議。這個(gè)可以使廠家通過(guò)在不同層次的抽象上提供服務(wù)來(lái)互相操縱。（3）第四代語(yǔ)言。利用4GL開(kāi)發(fā)出商務(wù)信息處理的通用范式。（4）用戶界面工具和框架。這個(gè)方法為開(kāi)發(fā)者提供了一個(gè)可重用框架以及象菜單、對(duì)話框這樣的可重用構(gòu)件的集合。軟件體系結(jié)構(gòu)充當(dāng)一個(gè)理解系統(tǒng)構(gòu)件和它們之間關(guān)系的框架，特別是那些始終跨越時(shí)間和實(shí)現(xiàn)的屬性。這個(gè)理解對(duì)于現(xiàn)在系統(tǒng)的分析和未來(lái)系統(tǒng)的綜合很有必要。在分析和支持下，體系結(jié)構(gòu)抓住領(lǐng)域知識(shí)和實(shí)際的一致，促進(jìn)設(shè)計(jì)的評(píng)估和構(gòu)件的實(shí)施，減少仿真和構(gòu)造原型。在綜合的支持下，體系結(jié)構(gòu)提供了建立系列產(chǎn)品的基礎(chǔ)，以可預(yù)測(cè)的方式利用領(lǐng)域知識(shí)構(gòu)造和維護(hù)模塊、子系統(tǒng)和系統(tǒng)。3.4提供軟件體系結(jié)構(gòu)的形式化基礎(chǔ)對(duì)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的推理的形式化表示使得體系結(jié)構(gòu)級(jí)的設(shè)計(jì)更好地被理解、被實(shí)現(xiàn)。它的目的是對(duì)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在實(shí)踐過(guò)程中總結(jié)出來(lái)的一些設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和方法加以總結(jié)、概括，從而形成一個(gè)形式化的描述，形成一定的理論基礎(chǔ):以代替當(dāng)前的不精確的研究）。已提出一些形式化機(jī)制，如過(guò)程代數(shù)、偏序集合、化學(xué)抽象機(jī)等。希望對(duì)系統(tǒng)的非功能特性如性能、可維護(hù)性等給出形式特征，同時(shí)給出軟件體系結(jié)構(gòu)的理論。3.5建立評(píng)價(jià)軟件體系結(jié)構(gòu)的方法通過(guò)分析來(lái)預(yù)見(jiàn)軟件的質(zhì)量，通過(guò)分析來(lái)創(chuàng)建、選擇、評(píng)估與比較不同的體系結(jié)構(gòu)。例如，Kazman等人在2000年提出的ATAM（ArchitecturalTradeoffAnalysisMethod）方法。ATAM方法不但能夠揭示體系結(jié)構(gòu)如何滿足特定的質(zhì)量需求（例如性能和可修改性），而且還提供了分析這些質(zhì)量需求之間交互作用的方法。使用ATAM方法評(píng)價(jià)一個(gè)軟件體系結(jié)構(gòu)的目的是理解體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)質(zhì)量需求的結(jié)果。采用ATAM方法的步驟如圖3所示，限于篇幅，在此不再詳細(xì)介紹具體步驟，有興趣的讀者可查閱有關(guān)ATAM方法的文獻(xiàn)。

I介紹AT酬方法I描述商業(yè)目標(biāo)V描述體系結(jié)構(gòu)*二^1!I介紹AT酬方法I描述商業(yè)目標(biāo)V描述體系結(jié)構(gòu)*二^1!標(biāo)識(shí)體系結(jié)構(gòu)步驟I產(chǎn)生質(zhì)童屬性樹(shù)分析體系結(jié)構(gòu)步驟|描述和介紹階段調(diào)查和分析階段測(cè)試階段圖3采用方法的步驟軟件體系結(jié)構(gòu)研究作為軟件工程中一個(gè)正在興起的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，將軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)信息獨(dú)立于算法與數(shù)據(jù)，創(chuàng)建滿足系統(tǒng)需要的結(jié)構(gòu)，定義系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的重要方面（如系統(tǒng)的負(fù)荷等），并提供系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的框架。同時(shí)，試圖在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的早期階段研究系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)的若干重要的質(zhì)量屬性。目前，軟件體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域研究依然非?；钴S.如BarryBohem在南加州大學(xué)專(zhuān)門(mén)成立了軟件體系結(jié)構(gòu)研究組，曼徹斯特大學(xué)專(zhuān)門(mén)成立了軟件體系結(jié)構(gòu)研究所。同時(shí)，業(yè)界許多著名企業(yè)的研究中心也將軟件體系結(jié)構(gòu)作為重要的研究?jī)?nèi)容。如由BM,Nokia,ABB等企業(yè)聯(lián)合一些大學(xué)研究嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)項(xiàng)目。國(guó)內(nèi)也有不少的機(jī)構(gòu)在從事軟件體系結(jié)構(gòu)方面的研究，如北京大學(xué)軟件工程研究所一直從事基于體系結(jié)構(gòu)軟件組裝的工業(yè)化生產(chǎn)方法與平臺(tái)的研究，北京郵電大學(xué)則研究了電信軟件的體系結(jié)構(gòu)，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)推出的CORBA規(guī)范實(shí)現(xiàn)平臺(tái)為體系結(jié)構(gòu)研究提供了基礎(chǔ)設(shè)施所需的中間件技術(shù)。針對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)，Clements預(yù)測(cè)在未來(lái)的5?10年內(nèi)軟件體系結(jié)構(gòu)研究將圍繞如下5個(gè)方向展開(kāi)：體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)建與選擇;體系結(jié)構(gòu)表示;體系結(jié)構(gòu)分析；基于體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)；體系結(jié)構(gòu)演化。而Perry在IFIP2000年世界計(jì)算機(jī)大會(huì)主題演講中認(rèn)為，最為重要的3個(gè)研究方向是:體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格、體系結(jié)構(gòu)連接件和動(dòng)態(tài)體系結(jié)構(gòu)。本人認(rèn)為：基于體系結(jié)構(gòu)的實(shí)用軟件開(kāi)發(fā)方法及相應(yīng)的支撐環(huán)境將是軟件體系結(jié)構(gòu)研究的一個(gè)重要方向。參考文獻(xiàn)Perry,D.E.Softwareengineeringandsoftwarearchitecture.In:Feng,Yu-lin,ed.ProceedingsoftheInternationalConferenceonSoftware:TheoryandPractice.Beijing:ElectronicIndustryPress,2000.1~4.Boehm,B.Engineeringcontext(forsoftwarearchitecture),invitedtalk,In:GarlanD.,ed.Proceedingsofthe1stInternationalWorkshoponArchitectureforSoftwareSystemsSeattle.NewYork:ACMPress,1995.1~8.Perry,D.E.,Wolf,A.L.Foundationsforthestudyofsoftwarearchitecture.ACMSIGSOFTSoftwareEngineerNotes,1992,17(4):40~50.Kruchten,P.B.The4+1viewmod