第2章軟件體系結(jié)構(gòu)概論2.1軟件體系結(jié)構(gòu)的定義2.2軟件體系結(jié)構(gòu)的研究意義2.3軟件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程2.4軟件體系結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向2.5本章小結(jié)習(xí)題

2.1軟件體系結(jié)構(gòu)的定義

軟件體系結(jié)構(gòu)尚處在發(fā)展期，對(duì)于其定義，目前學(xué)術(shù)界尚未形成統(tǒng)一意見，不同學(xué)者有不同的看法。以下介紹并分析幾個(gè)具有代表性的定義。

定義1IEEE610.12—1990軟件工程標(biāo)準(zhǔn)詞匯中的定義

體系結(jié)構(gòu)是以構(gòu)件、構(gòu)件之間的關(guān)系、構(gòu)件與環(huán)境之間的關(guān)系為內(nèi)容的某一系統(tǒng)的基本組織以及指導(dǎo)上述內(nèi)容設(shè)計(jì)與演化的原理，即

軟件體系結(jié)構(gòu)={構(gòu)件，連接件，環(huán)境，原理}

定義2Booch&Rumbaugh&Jacobson的定義

體系結(jié)構(gòu)是一系列重要決策的集合，這些決策與以下內(nèi)容相關(guān)：軟件的組織、構(gòu)成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)元素及其接口的選擇，這些元素在相互協(xié)作中明確表現(xiàn)出的行為、這些結(jié)構(gòu)元素和行為元素進(jìn)一步組合構(gòu)成的更大規(guī)模的子系統(tǒng)，和引導(dǎo)這一組織(包括這些元素及其接口、它們的協(xié)作、它們的組合)的體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格，即

軟件體系結(jié)構(gòu)={組織，元素，子系統(tǒng)，風(fēng)格}

定義3Bass的定義

程序或計(jì)算系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)，包括軟件構(gòu)件、構(gòu)件的外部可視屬性和構(gòu)件之間的關(guān)系。

這個(gè)定義有以下含義：首先，體系結(jié)構(gòu)定義了構(gòu)件，描述了構(gòu)件間如何交互，這意味著體系結(jié)構(gòu)略去了那些僅與某構(gòu)件自身有關(guān)的信息。同時(shí)，這個(gè)定義明確指出系統(tǒng)可以包含多個(gè)結(jié)構(gòu)，但沒有其中的哪一個(gè)可以被稱為是體系結(jié)構(gòu)。這個(gè)定義還意味著每一個(gè)軟件系統(tǒng)都有一個(gè)體系結(jié)構(gòu)，因?yàn)槊總€(gè)軟件系統(tǒng)都是由若干構(gòu)件及其之間的關(guān)系構(gòu)成的。此外，只要一個(gè)構(gòu)件的行為可以被其他構(gòu)件觀察或辨明，這個(gè)構(gòu)件就是體系結(jié)構(gòu)的一部分。這里的外部可視屬性，是指其他構(gòu)件認(rèn)為該構(gòu)件所具備的特征，如所提供的服務(wù)、具有的性能特點(diǎn)、錯(cuò)誤處理機(jī)制、共享資源的用法等。需要注意的是，此定義中，特意未指明什么是構(gòu)件，什么是關(guān)系。構(gòu)件既可以是對(duì)象，也可以是進(jìn)程，還可以是函數(shù)庫(kù)或是數(shù)據(jù)庫(kù)。

定義4Shaw的定義

在第一屆軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)國(guó)際研討會(huì)上，MaryShaw對(duì)于當(dāng)時(shí)術(shù)語(yǔ)使用的混亂情況予以了澄清：不同學(xué)者的軟件體系結(jié)構(gòu)定義之間并不相互抵觸，在回答什么是軟件體系結(jié)構(gòu)這樣的問題時(shí)，也并沒有根本的沖突。實(shí)際上，它們代表了軟件體系結(jié)構(gòu)研究者對(duì)于體系結(jié)構(gòu)研究重點(diǎn)的一系列不同看法。在會(huì)上，Shaw對(duì)當(dāng)時(shí)的各種觀點(diǎn)做了如下的分類。

(1)結(jié)構(gòu)模型：結(jié)構(gòu)模型認(rèn)為，軟件體系結(jié)構(gòu)由構(gòu)件、構(gòu)件之間的連接和一些其他方面組成。這些方面包括如下幾類：

·配置，風(fēng)格；

·約束，語(yǔ)義；

·分析，屬性；

·原理，需求。

(2)框架模型：框架模型的觀點(diǎn)與結(jié)構(gòu)模型相似，但其重點(diǎn)在于整個(gè)系統(tǒng)的連貫結(jié)構(gòu)(這種結(jié)構(gòu)通常是唯一的)，這與重視其組成恰好相反?？蚣苣Ｐ统Ｒ阅撤N特定領(lǐng)域或某類問題為目標(biāo)。

(3)動(dòng)態(tài)模型：動(dòng)態(tài)模型強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的行為質(zhì)量。“動(dòng)態(tài)”可以有多種含義。它可以是指整個(gè)系統(tǒng)配置的變化，也可以是指禁止預(yù)先激活了的通信或交互，還可以是指計(jì)算中表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)特性，如改變數(shù)據(jù)的值。

(4)過程模型：過程模型關(guān)注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及其步驟和過程。在這一觀點(diǎn)下，體系結(jié)構(gòu)是所進(jìn)行的一系列過程的結(jié)果。

定義5Garlan&Shaw的模型

軟件體系結(jié)構(gòu)={構(gòu)件，連接件，約束}

(1)構(gòu)件(Component)可以是一組代碼，如程序的模塊，也可以是一個(gè)獨(dú)立的程序，如數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。構(gòu)件是相關(guān)對(duì)象的集合，運(yùn)行后實(shí)現(xiàn)某計(jì)算邏輯。它們或是結(jié)構(gòu)相關(guān)或是邏輯相關(guān)。構(gòu)件相對(duì)獨(dú)立，僅通過接口與外部相互作用，可作為獨(dú)立單元嵌入到不同應(yīng)用系統(tǒng)中。構(gòu)件的定制和規(guī)范化對(duì)于實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的重用有重要意義。

(2)連接件(Connector)可以是過程調(diào)用、管道、遠(yuǎn)程過程調(diào)用等，用于表示構(gòu)件之間的相互作用，它把不同的構(gòu)件連接起來構(gòu)成體系結(jié)構(gòu)的一部分。連接件也是一組對(duì)象。它一般表現(xiàn)為框架式對(duì)象或轉(zhuǎn)換式對(duì)象(調(diào)用遠(yuǎn)程構(gòu)件資源)，例如“樁”、“代理”對(duì)象等。

(3)約束(Constrain)一般為對(duì)象連接時(shí)的規(guī)則，或指明構(gòu)件連接的姿態(tài)和條件。例如，上層構(gòu)件可要求下層構(gòu)件的服務(wù)，反之不行；兩個(gè)對(duì)象不得以遞歸方式發(fā)送消息；代碼復(fù)制遷移的一致性約束；在什么條件下此種連接無(wú)效等。

定義6Perry&Wolf的模型

軟件體系結(jié)構(gòu)是一組具有特定形式的體系結(jié)構(gòu)元素(Elements)。這組元素分為3類：負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)加工的處理元素(ProcessingElements)、被加工的數(shù)據(jù)元素(DataElements)和用于把體系結(jié)構(gòu)的不同部分組合連接到一起的連接元素(ConnectingElements)。軟件體系結(jié)構(gòu)形式由專有特性和關(guān)系組成。專有特性用于限制軟件體系結(jié)構(gòu)元素的選擇，關(guān)系用于限制軟件體系結(jié)構(gòu)元素組合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在多個(gè)體系結(jié)構(gòu)方案中選擇合適的體系結(jié)構(gòu)方案往往基于一組準(zhǔn)則，即

軟件體系結(jié)構(gòu)={元素，形式，準(zhǔn)則}

定義7Garlan&Perry的定義

1995年，DavidGarlan和DewnePerry在IEEE軟件工程學(xué)報(bào)上所做的特約評(píng)論中提出：軟件體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)程序或系統(tǒng)各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)、它們的相互關(guān)系以及進(jìn)行設(shè)計(jì)的原則和指導(dǎo)方針，這些原則和方針隨時(shí)間變化而變化。

定義8Boehm的模型

軟件體系結(jié)構(gòu)包括系統(tǒng)構(gòu)件、連接件、約束的集合，反映不同人員需求的集合，以及準(zhǔn)則的集合。其中，這些準(zhǔn)則能夠說明由構(gòu)件、連接件和約束所定義的系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)時(shí)是如何滿足系統(tǒng)不同人員需求的，即

軟件體系結(jié)構(gòu)={構(gòu)件，連接件，約束，不同人員的需求，準(zhǔn)則}

比較上述體系結(jié)構(gòu)定義，可以發(fā)現(xiàn)：盡管各種定義都從不同的角度關(guān)注軟件體系結(jié)構(gòu)，研究對(duì)象各有側(cè)重，但其核心內(nèi)容都是軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且都蘊(yùn)含構(gòu)件、構(gòu)件之間的關(guān)系、構(gòu)件和連接件之間的關(guān)系等實(shí)體。根據(jù)國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)可的看法，可以將體系結(jié)構(gòu)定義為構(gòu)件、連接件和約束。軟件體系結(jié)構(gòu)指可預(yù)制和可重構(gòu)的軟件框架結(jié)構(gòu)。構(gòu)件是可預(yù)制和可重用的軟件部件，是組成體系結(jié)構(gòu)的基本計(jì)算單元或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元；連接件也是可預(yù)制和可重用的構(gòu)件部件，是構(gòu)件之間的連接單元；構(gòu)件和連接件之間的關(guān)系用約束來描述。這樣就可以把軟件體系結(jié)構(gòu)寫成：

體系結(jié)構(gòu)(Architecture)=構(gòu)件(Components)+連接件(Connectors)+約束(Constraints)除了構(gòu)件、連接件和約束這3個(gè)最基本的組成元素，軟件體系結(jié)構(gòu)還包括端口(Port)和角色(Role)兩種元素。構(gòu)件作為一個(gè)封裝的實(shí)體，僅通過其接口與外部環(huán)境交互，而構(gòu)件的接口由一組端口組成，每個(gè)端口表示了構(gòu)件和外部環(huán)境的交互點(diǎn)。連接件作為建模軟件體系結(jié)構(gòu)的主要實(shí)體，同樣也有接口。連接件的接口由一組角色組成，連接的每個(gè)角色定義了該連接表示的交互的參與者。圖2-1形式化地描述了軟件體系結(jié)構(gòu)的基本概念。圖2-1軟件體系結(jié)構(gòu)的基本概念其中：

軟件體系結(jié)構(gòu)∷=軟件體系模型|體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格

軟件體系模型∷={構(gòu)件，連接件，約束}

構(gòu)件∷={端口1，端口2，…，端口ｎ}

連接件∷={角色１，角色２，…，角色m}

約束∷={(端口i，角色j)，…}

體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格∷={管道-過濾器，層次系統(tǒng)，客戶/服務(wù)器，…，解釋器}

下面，我們對(duì)構(gòu)件、連接件、約束這3個(gè)基本概念作進(jìn)一步的解釋。

1．構(gòu)件

一般認(rèn)為，構(gòu)件是指具有一定功能、可明確辨識(shí)的軟件單位，并且具備以下特點(diǎn)：語(yǔ)義完整、語(yǔ)法正確、有可重用價(jià)值。這就意味著，在結(jié)構(gòu)上，構(gòu)件是語(yǔ)義描述、通信接口和實(shí)現(xiàn)代碼的復(fù)合體。更具體地說，可以把構(gòu)件視為用于實(shí)現(xiàn)某種計(jì)算邏輯的相關(guān)對(duì)象的集合，這些對(duì)象或是結(jié)構(gòu)相關(guān)或是邏輯相關(guān)。在體系結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件可以有不同的粒度。一個(gè)構(gòu)件可以小到只有一個(gè)過程，也可以大到包含一個(gè)應(yīng)用程序。它可以包括函數(shù)、例程、對(duì)象、二進(jìn)制對(duì)象、類庫(kù)、數(shù)據(jù)包等。構(gòu)件內(nèi)部包含了多種屬性，如端口、類型、語(yǔ)義、約束、演化、非功能屬性等。端口是構(gòu)件與外部世界交互的一組接口。構(gòu)件端口說明了構(gòu)件提供哪些服務(wù)(消息、操作、變量)。它定義了構(gòu)件能夠提交的計(jì)算委托及其用途上的約束。構(gòu)件類型是實(shí)現(xiàn)構(gòu)件重用的手段。構(gòu)件類型保證了構(gòu)件自身能夠在體系結(jié)構(gòu)的描述中多次實(shí)例化。

從抽象程度來看，構(gòu)件是對(duì)一組類的組合進(jìn)行封裝，并代表完成一個(gè)或多個(gè)功能的特定服務(wù)，也為用戶提供了多個(gè)接口。構(gòu)件之間是相對(duì)獨(dú)立的。構(gòu)件隱藏其具體實(shí)現(xiàn)，只通過接口提供服務(wù)。如果不用指定的接口與之通信，則外界不會(huì)對(duì)它的運(yùn)行造成任何影響。因此，構(gòu)件可以作為獨(dú)立單元被應(yīng)用于不同的體系結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的重用。構(gòu)件的使用與它的開發(fā)也是獨(dú)立的。

2．連接件

連接件是用來建立構(gòu)件間的交互以及支配這些交互規(guī)則的體系結(jié)構(gòu)構(gòu)造模塊。構(gòu)件之間的交互包括消息或信號(hào)量的傳遞，功能或方法調(diào)用，數(shù)據(jù)的傳送和轉(zhuǎn)換，構(gòu)件之間的同步關(guān)系、依賴關(guān)系等。在最簡(jiǎn)單的情況下，構(gòu)件之間可以直接完成交互，這時(shí)體系結(jié)構(gòu)中的連接件就退化為直接連接。在比較復(fù)雜的情況下，構(gòu)件間交互的處理和維持都需要連接件來實(shí)現(xiàn)。常見的連接件有管道(在管道-過濾器結(jié)構(gòu)中)、通信協(xié)議或通信機(jī)制(在客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)中)等。連接件的接口由它與所連接構(gòu)件之間的一組交互點(diǎn)構(gòu)成，這些交互點(diǎn)稱做角色。角色代表了所連接構(gòu)件的作用和地位，并體現(xiàn)了連接所具有的方向性。因此，角色存在主動(dòng)和被動(dòng)、請(qǐng)求和響應(yīng)之分。

體系結(jié)構(gòu)級(jí)的通信需要有復(fù)雜協(xié)議來表達(dá)，為了抽象這些協(xié)議并使之能夠重用，可以將連接件構(gòu)造為類型。連接件的主要特性有可擴(kuò)展性、互操作性、動(dòng)態(tài)連接性和請(qǐng)求響應(yīng)特性。連接件的可擴(kuò)展性是連接件允許動(dòng)態(tài)改變被關(guān)聯(lián)構(gòu)件的集合和交互關(guān)系的性質(zhì)?；ゲ僮餍灾傅氖潜贿B接的構(gòu)件通過連接件對(duì)其他構(gòu)件進(jìn)行直接或間接操作的能力。動(dòng)態(tài)連接性是對(duì)連接的動(dòng)態(tài)約束，即連接件對(duì)于不同的所連接構(gòu)件實(shí)施不同的動(dòng)態(tài)處理方法的能力。請(qǐng)求響應(yīng)特性包括響應(yīng)的并發(fā)性和時(shí)序性。在并行和并發(fā)系統(tǒng)中，多個(gè)構(gòu)件有可能并行或并發(fā)地提出交互請(qǐng)求，這就要求連接件能夠正確協(xié)調(diào)這些交互請(qǐng)求之間的邏輯關(guān)系和時(shí)序關(guān)系。對(duì)于構(gòu)件而言，連接件是構(gòu)件的黏合劑，是構(gòu)件交互的實(shí)現(xiàn)。連接件和構(gòu)件的區(qū)別主要在于它們?cè)隗w系結(jié)構(gòu)中承擔(dān)著不同的作用。連接件也是一組對(duì)象。它把不同的構(gòu)件連接起來，形成體系結(jié)構(gòu)的一部分，一般表現(xiàn)為框架式對(duì)象或轉(zhuǎn)換式對(duì)象(調(diào)用遠(yuǎn)程構(gòu)件資源)。

3．約束(配置)

體系結(jié)構(gòu)的約束描述了體系結(jié)構(gòu)配置和拓?fù)涞囊?，確定了體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)件與連接件的連接關(guān)系。它是基于規(guī)則和參數(shù)配置的。體系結(jié)構(gòu)約束提供限制以確定構(gòu)件是否正確連接、接口是否匹配、連接件構(gòu)成的通信是否正確，并說明實(shí)現(xiàn)所要求行為的組合語(yǔ)義。

體系結(jié)構(gòu)往往用于大型的、生存期長(zhǎng)的軟件系統(tǒng)的描述。為了更好地在一個(gè)較高的抽象層上理解系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，同時(shí)為了方便系統(tǒng)開發(fā)者、使用者等多種有關(guān)人員之間的交流，需要簡(jiǎn)單的、可理解的語(yǔ)法來配置結(jié)構(gòu)化(拓?fù)涞?信息。理想的情況是從約束說明中澄清系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即不需研究構(gòu)件與連接件就能使構(gòu)件系統(tǒng)的各種參與者理解系統(tǒng)。

2.2軟件體系結(jié)構(gòu)的研究意義

軟件體系結(jié)構(gòu)是軟件系統(tǒng)的高級(jí)抽象，往往體現(xiàn)了系統(tǒng)開發(fā)中最早做出的決策。它體現(xiàn)了根本性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，對(duì)系統(tǒng)起著最為深遠(yuǎn)的影響。體系結(jié)構(gòu)在明確了系統(tǒng)的各個(gè)組成部分的同時(shí)，也限定了各部分間的交互方式。這將進(jìn)一步影響到開發(fā)資源的配置和開發(fā)團(tuán)隊(duì)的組織等其他方方面面的開發(fā)活動(dòng)，并影響著最終的軟件產(chǎn)品質(zhì)量。在大型軟件系統(tǒng)中，軟件體系結(jié)構(gòu)是決定系統(tǒng)能否順利實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素之一，不當(dāng)?shù)捏w系結(jié)構(gòu)會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來災(zāi)難性的后果。

良好的體系結(jié)構(gòu)對(duì)于軟件系統(tǒng)的重要意義在軟件生命周期中的各個(gè)階段都有體現(xiàn)，這主要有如下4個(gè)方面。

1．對(duì)系統(tǒng)分析的意義

在系統(tǒng)分析階段，軟件體系結(jié)構(gòu)發(fā)揮著巨大作用。

一方面，借助于軟件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，可以使問題得以進(jìn)一步抽象，使整個(gè)系統(tǒng)更易于被系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)人員把握，更清晰地認(rèn)識(shí)系統(tǒng)，完善對(duì)系統(tǒng)的理解。除此之外，體系結(jié)構(gòu)對(duì)于系統(tǒng)分析帶來的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在，它為系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)人員提供了新的思路。比如，在更高層次上進(jìn)行系統(tǒng)一致性檢查、使用成熟的軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格等。另一方面，它能夠幫助軟件系統(tǒng)的各有關(guān)權(quán)益方(客戶、用戶、項(xiàng)目管理人員、設(shè)計(jì)開發(fā)人員以及測(cè)試人員等)形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，互相交流。交流是軟件開發(fā)的重要組成部分。在軟件開發(fā)活動(dòng)中，各有關(guān)權(quán)益方承擔(dān)著不同角色，關(guān)注同一軟件系統(tǒng)不同的側(cè)面，這要求他們要從不同的角度交流對(duì)共同面對(duì)的軟件系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。例如，用戶關(guān)心系統(tǒng)是否滿足可用性及可靠性需求；客戶關(guān)心此結(jié)構(gòu)能否按期按預(yù)算實(shí)現(xiàn)；管理人員擔(dān)心在經(jīng)費(fèi)支出和進(jìn)度條件下，按此體系結(jié)構(gòu)能否使開發(fā)組成員在一定程度上獨(dú)立開發(fā)，并有條不紊地有序地交互；開發(fā)人員關(guān)心達(dá)到全部目的的策略。體系結(jié)構(gòu)代表了系統(tǒng)的公共的高層次的抽象，是大家都關(guān)心的一個(gè)重要因素。它作為項(xiàng)目參與人員共同使用的語(yǔ)言，還具有很強(qiáng)的描述能力，起到了難以替代的溝通作用。系統(tǒng)的大部分有關(guān)人員(即使不是全部)能把它作為建立互相理解的基礎(chǔ)，通過體系結(jié)構(gòu)的概念、術(shù)語(yǔ)和規(guī)范，設(shè)計(jì)者與用戶之間、設(shè)計(jì)者之間等各方面相關(guān)人員可以更好地彼此理解。

2．對(duì)軟件開發(fā)的意義

軟件體系結(jié)構(gòu)代表了系統(tǒng)早期的設(shè)計(jì)決策。與開發(fā)、設(shè)計(jì)、編碼或運(yùn)行服務(wù)及維護(hù)階段相比，早期設(shè)計(jì)決策的處理難度最大，對(duì)系統(tǒng)的生命期的影響也最大。同時(shí)，軟件體系結(jié)構(gòu)也難于改變，會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)活動(dòng)造成深遠(yuǎn)影響。軟件體系結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本約束，即系統(tǒng)的后繼開發(fā)工作要遵循體系結(jié)構(gòu)所描述的設(shè)計(jì)決策。每個(gè)構(gòu)件或連接件必須滿足體系結(jié)構(gòu)規(guī)格說明中指定的功能、語(yǔ)義和接口，并且按體系結(jié)構(gòu)配置中所規(guī)定的方式完成交互。這樣，構(gòu)件或連接件的開發(fā)人員在體系結(jié)構(gòu)給定的約束下進(jìn)行工作，他們既不關(guān)心其他構(gòu)件或連接件的開發(fā)，也不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。而體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者也不必設(shè)計(jì)算法或精通編程語(yǔ)言。軟件體系結(jié)構(gòu)決定了開發(fā)和維護(hù)項(xiàng)目的組織活動(dòng)。軟件體系結(jié)構(gòu)也會(huì)反映到開發(fā)工作的分解，以及項(xiàng)目的人員組織。項(xiàng)目組成員還要使用構(gòu)件的接口規(guī)格說明相互交流。即使到了維護(hù)期，項(xiàng)目維護(hù)人員的組織形式也常常要依據(jù)特定的軟件體系結(jié)構(gòu)成分來安排。此外，對(duì)于項(xiàng)目組新成員，可以用軟件體系結(jié)構(gòu)作為培訓(xùn)基礎(chǔ)或高層次的系統(tǒng)概述，使他們迅速、準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)系統(tǒng)和自己的任務(wù)，快速進(jìn)入開發(fā)角色。軟件體系結(jié)構(gòu)對(duì)于軟件質(zhì)量控制有重要意義。軟件質(zhì)量特性可分為兩類：第一類是可以通過運(yùn)行軟件并觀察其效果來度量的特性，如功能、性能、安全性及可靠性等；第二類是指那些無(wú)法通過觀察系統(tǒng)來度量，只能通過觀察開發(fā)活動(dòng)或維護(hù)活動(dòng)來考察的特性，包括各種可維護(hù)性問題，如可適應(yīng)性、可移植性、可重用性等(例如，可重用性依賴于系統(tǒng)中的構(gòu)件與其他構(gòu)件的聯(lián)系情況)。軟件體系結(jié)構(gòu)在很大程度上確定了系統(tǒng)是否能達(dá)到其需求的質(zhì)量特性。使用軟件體系結(jié)構(gòu)的一些評(píng)估技術(shù)(如SAAM)，對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)加以分析，能夠?qū)浖哪承┵|(zhì)量特性加以預(yù)測(cè)。但同時(shí)，也必須認(rèn)識(shí)到，好的軟件體系結(jié)構(gòu)是成功的必要條件，但不是充分條件。僅重視軟件體系結(jié)構(gòu)并不能保證系統(tǒng)所要求的功能和質(zhì)量——低劣的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)都會(huì)損害整個(gè)體系結(jié)構(gòu)。

3．對(duì)軟件重用的意義

重用是提高軟件開發(fā)效率、保證軟件質(zhì)量的重要手段。軟件開發(fā)經(jīng)歷了從機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言、形式化(非形式化)規(guī)格說明語(yǔ)言(如體系結(jié)構(gòu)描述語(yǔ)言)的發(fā)展過程，越來越適合開發(fā)人員的思維活動(dòng)模型，代碼重用的級(jí)別也在不斷地提升。體系結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究，使軟件重用從代碼重用發(fā)展到設(shè)計(jì)重用和過程重用，實(shí)現(xiàn)多層次的軟件重用。構(gòu)件的重用是體系結(jié)構(gòu)良好的軟件系統(tǒng)最基本的一點(diǎn)。面向體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)方法常常注意構(gòu)件的組合與裝配，而不一定把編程作為主要活動(dòng)。有效地利用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，或是識(shí)別并重用系統(tǒng)內(nèi)部的構(gòu)件，或是購(gòu)買第三方構(gòu)件，只要這些構(gòu)件與當(dāng)前體系結(jié)構(gòu)相容，都能減少開發(fā)中的重復(fù)勞動(dòng)和系統(tǒng)中的重復(fù)代碼。體系結(jié)構(gòu)起了組織產(chǎn)品的構(gòu)件、接口及運(yùn)行的作用。這里要著重指出的是標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的應(yīng)用。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)的關(guān)鍵在于要能夠從整體上對(duì)庫(kù)中構(gòu)件進(jìn)行把握。一旦做到了這點(diǎn)，就可以快速、靈活地在構(gòu)件庫(kù)中選擇出合適的構(gòu)件應(yīng)用到系統(tǒng)中去；反之，構(gòu)件的選取就只能通過反復(fù)地瀏覽來尋找，這實(shí)際上影響到了體系結(jié)構(gòu)所帶來的優(yōu)勢(shì)，造成了不必要的資源浪費(fèi)。體系結(jié)構(gòu)良好的軟件系統(tǒng)中，不僅構(gòu)件庫(kù)能夠重用，還可以在更高層次上實(shí)現(xiàn)軟件子系統(tǒng)乃至軟件系統(tǒng)框架的重用。軟件體系結(jié)構(gòu)級(jí)的重用意味著體系結(jié)構(gòu)的決策能在具有相似需求的多個(gè)系統(tǒng)中發(fā)生影響，這比代碼級(jí)的重用要有更大的好處。通過對(duì)體系結(jié)構(gòu)的抽象可以使設(shè)計(jì)者能夠?qū)σ恍?shí)踐證明有效的體系結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行重用，從而提高設(shè)計(jì)效率和可靠性。在設(shè)計(jì)過程中我們常常會(huì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)一個(gè)體系結(jié)構(gòu)構(gòu)件稍加抽象，就可以將它應(yīng)用到其他設(shè)計(jì)中去，這樣會(huì)大大降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。例如，我們?cè)谀硞€(gè)設(shè)計(jì)中采用了管道-過濾器風(fēng)格，當(dāng)我們將系統(tǒng)映射到Unix系統(tǒng)中時(shí)，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)Unix系統(tǒng)已經(jīng)為我們提供了功能豐富的管道-過濾器功能，這樣我們就可以充分利用Unix系統(tǒng)提供的這些構(gòu)件來簡(jiǎn)化我們的設(shè)計(jì)和開發(fā)。當(dāng)前，針對(duì)特定領(lǐng)域的體系結(jié)構(gòu)，人們開展了許多研究和實(shí)踐工作。這在某種意義上也是一種重用。軟件重用的層次越高，所帶來的收益也就越大。某些情況下，重用的設(shè)計(jì)方案本身也許不是最適合該系統(tǒng)的，但是從整體上權(quán)衡，通過重用帶來的成本節(jié)約和質(zhì)量提供能夠讓重用變得非常值得。軟件體系結(jié)構(gòu)有利于形成完整的軟件生產(chǎn)線。1976年P(guān)arnas提出了發(fā)展軟件族的軟件生產(chǎn)線。軟件族的軟件生產(chǎn)線成功的關(guān)鍵問題是設(shè)計(jì)決策的次序問題，要求對(duì)于最容易發(fā)生變動(dòng)的決策應(yīng)當(dāng)盡量放在最遲作出。事實(shí)上，軟件族的軟件生產(chǎn)線代表了早期決策的總和，將影響軟件族的軟件生產(chǎn)線的全體成員?？梢哉f，體系結(jié)構(gòu)在一定程度上限制了設(shè)計(jì)選擇的范圍或內(nèi)容。要認(rèn)識(shí)到這種決策對(duì)于每一個(gè)部分來說不一定是最優(yōu)，但其優(yōu)點(diǎn)一般可以補(bǔ)償失去的特定領(lǐng)域優(yōu)化的損失。

4．對(duì)系統(tǒng)演化的意義

對(duì)軟件系統(tǒng)的演化過程中，維護(hù)人員需要不斷地進(jìn)行調(diào)整、修改、增加新的功能或構(gòu)件等工作。通常情況下，軟件系統(tǒng)的開發(fā)成本中，有80%是在初次投入使用之后產(chǎn)生的。因此，解決好系統(tǒng)演化階段的開發(fā)問題具有重要意義。

軟件體系結(jié)構(gòu)決定著系統(tǒng)構(gòu)件的劃分和交互方式。一方面，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)之初，就應(yīng)當(dāng)充分考慮到將來可能的系統(tǒng)演化；另一方面，在進(jìn)行系統(tǒng)演化階段的開發(fā)時(shí)，由于體系結(jié)構(gòu)充分地刻畫了當(dāng)前系統(tǒng)，清晰地描述了構(gòu)件及其相互關(guān)系和整個(gè)系統(tǒng)的框架，所以應(yīng)當(dāng)充分利用。以現(xiàn)有體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，把握需要進(jìn)行的系統(tǒng)變動(dòng)，在系統(tǒng)范圍內(nèi)綜合考慮，有助于確定系統(tǒng)維護(hù)的最優(yōu)方案，更好地控制軟件質(zhì)量和維護(hù)成本。軟件為主的系統(tǒng)總是存在著“利用軟件作為增加或修改系統(tǒng)總體功能的工具”的傾向。重要的是要決定何時(shí)進(jìn)行改動(dòng)，確定哪種改動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)最小，評(píng)估改動(dòng)的后果，仲裁改動(dòng)的順序及優(yōu)先級(jí)。所有這些都需要深入地洞察系統(tǒng)各部分的關(guān)系、相互依存關(guān)系、性能及行為特性。而在軟件體系結(jié)構(gòu)這一級(jí)進(jìn)行討論，就能提供這種觀察力，更重要的是軟件體系結(jié)構(gòu)可以把可能發(fā)生的變動(dòng)分為3類：局部的、非局部的和體系結(jié)構(gòu)級(jí)的。局部的是指只要修改單個(gè)構(gòu)件本身；非局部的是指要修改幾個(gè)構(gòu)件，但不影響基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)的變動(dòng)；而體系結(jié)構(gòu)級(jí)是指會(huì)影響各部分的相互關(guān)系，甚至要改動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)。顯然，局部改動(dòng)應(yīng)是最經(jīng)常發(fā)生的，也是最容易進(jìn)行的。軟件體系結(jié)構(gòu)承擔(dān)了“保證最經(jīng)常發(fā)生的變動(dòng)是最容易進(jìn)行的”這一重任。

2.3軟件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程

軟件工程作為一門獨(dú)立的學(xué)科，其發(fā)展已逾30年。無(wú)論從應(yīng)用規(guī)模還是從技術(shù)水平看，計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)業(yè)所經(jīng)歷的發(fā)展都是迅猛的。這體現(xiàn)在諸多方面。首先，軟件系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域從實(shí)驗(yàn)室滲透到了人類社會(huì)的各個(gè)角落。最初的軟件是以穿孔紙帶或卡片的形式出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室和機(jī)房中用于科學(xué)計(jì)算的；而在今天的人類社會(huì)中，各種軟件系統(tǒng)運(yùn)行在從手持設(shè)備(如手機(jī))到大型機(jī)(如進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)的服務(wù)器)的各種規(guī)模和用途的信息處理設(shè)備上。其次，軟件系統(tǒng)的規(guī)模也迅速增長(zhǎng)。從微機(jī)不斷躍增的內(nèi)存配置就可以明顯看出這一點(diǎn)。1981年，IBM公司推出的第一臺(tái)PC機(jī)的配置是16KB的內(nèi)存；2003年，主流PC機(jī)的內(nèi)存配置是256MB；2008年，主流PC機(jī)的內(nèi)存配置是2GB。此外，隨著計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，軟件成本也在增長(zhǎng)。20世紀(jì)50年代，軟件成本在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)成本中所占的比例為10%～20%。到20世紀(jì)60年代中期，軟件成本在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所占的比例已經(jīng)增長(zhǎng)到50%左右。相反，計(jì)算機(jī)硬件價(jià)格隨著技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大卻在不斷下降。軟件成本在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所占的比例越來越大。下面是一組來自美國(guó)空軍計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)：1955年，軟件費(fèi)用約占總費(fèi)用的18%，1970年達(dá)到60%，1975年達(dá)到72%，1980年達(dá)到80%，1985年達(dá)到85%左右。

在軟件應(yīng)用規(guī)模和應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大的同時(shí)，軟件開發(fā)技術(shù)也在發(fā)生著根本性的變革。軟件規(guī)模的迅速增長(zhǎng)使得軟件開發(fā)成為了一項(xiàng)過去難以想象的系統(tǒng)工程。根據(jù)微軟公司公布的數(shù)據(jù)，Windows2000開發(fā)過程中測(cè)試用代碼行數(shù)超過1000萬(wàn)行，測(cè)試兼容性的應(yīng)用軟件數(shù)量約1000種，應(yīng)用軟件測(cè)試中所使用的腳本程序約6500種，每月備份的數(shù)據(jù)約

88?TB，每晚模擬打印數(shù)量約25萬(wàn)頁(yè)，每周刻錄CD約12000盤。在此過程中，軟件體系結(jié)構(gòu)也經(jīng)歷了與之相對(duì)應(yīng)的一系列變革，由最初的模糊概念發(fā)展成為一門日益成熟的技術(shù)。下面我們分階段進(jìn)行討論。2.3.1“無(wú)體系結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)階段

1946年，隨著具有里程碑意義的ENIAC機(jī)的問世，軟件行業(yè)開始在美國(guó)和歐洲的實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)。1955～1965年間，運(yùn)算速度越來越快、價(jià)格越來越低的新計(jì)算機(jī)不斷涌現(xiàn)。這期間的軟件多數(shù)應(yīng)用于學(xué)術(shù)界，或者是政府、軍隊(duì)及私人公司。但是，由于當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)硬件向著專用方向發(fā)展，科學(xué)與商業(yè)領(lǐng)域使用完全不同的機(jī)器硬件。不斷地針對(duì)不同計(jì)算機(jī)編寫軟件讓軟件工作人員應(yīng)接不暇，反復(fù)地開發(fā)相同或類似的軟件使得軟件研究者開始著手處理軟件的移植問題，即設(shè)法使一種機(jī)器的匯編語(yǔ)言程序能夠自動(dòng)移植到另一臺(tái)機(jī)器上去。但研究人員很快發(fā)現(xiàn)這難以實(shí)現(xiàn)，大量復(fù)雜代碼仍必須由程序員進(jìn)行改寫。在這樣的背景下，高級(jí)語(yǔ)言應(yīng)運(yùn)而生。FORTRAN語(yǔ)言誕生于20世紀(jì)50年代中期，是最早發(fā)布的高級(jí)語(yǔ)言；50年代后期，COBOL語(yǔ)言出現(xiàn)；60年代早期，ALGOL語(yǔ)言出現(xiàn)。而在當(dāng)時(shí)，高級(jí)語(yǔ)言不能被程序編制人員所接受，他們認(rèn)為真正的程序員應(yīng)使用匯編語(yǔ)言。總的說來，20世紀(jì)70年代以前，尤其是在以ALGOL68為代表的高級(jí)語(yǔ)言出現(xiàn)以前，軟件開發(fā)基本上都是用匯編程序設(shè)計(jì)。盡管此階段軟件工作者開始逐漸形成模塊編程的方法，但軟件投入的資金和人力無(wú)法預(yù)測(cè)，軟件完工的時(shí)間無(wú)法確定，軟件的可靠性無(wú)法控制等問題開始表露出來，軟件危機(jī)從此階段開始出現(xiàn)。一個(gè)著名的例子是1962年7月美國(guó)飛往金星的火箭控制系統(tǒng)中的指令，“DO5I=1,3”誤寫成“DO5I=1.3”，導(dǎo)致火箭偏離軌道，被迫炸毀。

因?yàn)榇穗A段系統(tǒng)規(guī)模較小，很少明確考慮軟件體系結(jié)構(gòu)，所以一般不存在軟件系統(tǒng)的建模工作。2.3.2萌芽階段

在1968年NATO會(huì)議上，“軟件工程”的概念首次被提出。自此，圍繞軟件項(xiàng)目，開展了有關(guān)開發(fā)模型、方法以及支持工具的研究。其主要成果有：提出了瀑布模型，開發(fā)了一些結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言(例如PASCAL語(yǔ)言、Ada語(yǔ)言)，結(jié)構(gòu)化軟件開發(fā)技術(shù)，并且圍繞項(xiàng)目管理提出了費(fèi)用估算、文檔復(fù)審等方法和工具。結(jié)構(gòu)化軟件開發(fā)技術(shù)在20世紀(jì)70年代中后期出現(xiàn)，以PASCAL、COBOL等程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)為標(biāo)志，以強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序模塊化結(jié)構(gòu)為特征，采用自頂向下逐步求精的設(shè)計(jì)方法和單入口單出口的控制結(jié)構(gòu)。隨著結(jié)構(gòu)化開發(fā)技術(shù)的出現(xiàn)與廣泛應(yīng)用，軟件開發(fā)中出現(xiàn)了以數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)和控制流設(shè)計(jì)為主要任務(wù)的概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)。伴隨著結(jié)構(gòu)化軟件技術(shù)而出現(xiàn)的軟件工程方法(包括CASE工具)，使軟件工作的范圍從只考慮程序的編寫擴(kuò)展到從定義、編碼、測(cè)試到使用、維護(hù)等活動(dòng)的整個(gè)軟件生命周期。總的說來，在此階段，軟件體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)是系統(tǒng)開發(fā)中的一個(gè)明確概念。結(jié)構(gòu)化程序中，由語(yǔ)句構(gòu)成模塊，模塊的聚集和嵌套又構(gòu)成層層調(diào)用的高層結(jié)構(gòu)。這種程序(表達(dá))結(jié)構(gòu)和(計(jì)算的)邏輯結(jié)構(gòu)的一致性形成了結(jié)構(gòu)化程序的體系結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)時(shí)代程序規(guī)模不算大，同時(shí)，采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法進(jìn)行自頂向下逐步求精的設(shè)計(jì)，并注意模塊的耦合性，就可以得到相對(duì)良好的結(jié)構(gòu)。因此，體系結(jié)構(gòu)問題并不是當(dāng)時(shí)軟件開發(fā)中的主要問題，也就沒有開展深入的研究工作。2.3.3初級(jí)階段

20世紀(jì)80年代初，面向?qū)ο箝_發(fā)技術(shù)逐漸興起。隨著面向?qū)ο蠹夹g(shù)成為研究的熱點(diǎn)，出現(xiàn)了幾十種支持軟件開發(fā)的面向?qū)ο蠓椒āＦ渲?，Booch、Coad/Yourdon、OMT和Jacobson的方法在面向?qū)ο筌浖_發(fā)界得到了廣泛的認(rèn)可。

面向?qū)ο箝_發(fā)技術(shù)以對(duì)象作為最基本的元素，將軟件系統(tǒng)看成是離散的對(duì)象的集合。一個(gè)對(duì)象既包括數(shù)據(jù)，也包括行為。面向?qū)ο蠓椒ǘ贾С?種基本的活動(dòng)：識(shí)別對(duì)象和類，描述對(duì)象和類之間的關(guān)系，以及通過描述每個(gè)類的功能定義對(duì)象的行為。對(duì)象技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，它能讓分析者、設(shè)計(jì)者及用戶更清楚地表達(dá)概念，相互交流；同時(shí)，它作為描述、分析和建立軟件文檔的一種手段，大大提高了軟件的易讀性、可維護(hù)性、可重用性；使得從軟件分析到軟件設(shè)計(jì)的過渡非常自然，因此可顯著降低軟件開發(fā)成本。另外，面向?qū)ο蠹夹g(shù)中的繼承、封裝、多態(tài)性等機(jī)制，直接為軟件重用提供了進(jìn)一步的支持。在面向?qū)ο箝_發(fā)方法階段，由于對(duì)象是對(duì)數(shù)據(jù)及其操作的封裝，因而數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)與控制流設(shè)計(jì)統(tǒng)一為對(duì)象建模。同時(shí)，面向?qū)ο蠓椒ㄟ€提出了一些其他的結(jié)構(gòu)視圖。如OMT方法提出了功能視圖、對(duì)象視圖和動(dòng)態(tài)視圖，Booch方法提出了類視圖、對(duì)象視圖、狀態(tài)遷移圖、交互作用圖、模塊圖、進(jìn)程圖，UML則從功能模型、靜態(tài)模型、動(dòng)態(tài)模型、配置模型等方面描述應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。從1994年開始，Booch、Rumbaugh和Jacobson三人經(jīng)過共同努力，推出了統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML(UnifiedModelingLanguage)。它結(jié)合了Booch、OMT和Jacobson方法的優(yōu)點(diǎn)，統(tǒng)一了符號(hào)體系，并從其他的方法和工程實(shí)踐中吸收了許多經(jīng)過實(shí)際檢驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。對(duì)象管理組織OMG于1997年11月正式采納UML1.1作為建模語(yǔ)言規(guī)范，然后成立任務(wù)組不斷修訂。盡管UML取得了巨大成功，但仍然有一些批評(píng)意見。工業(yè)界的批評(píng)主要是，它的龐大和復(fù)雜使得多數(shù)用戶難以實(shí)際應(yīng)用或只能應(yīng)用少許概念。學(xué)術(shù)界的批評(píng)則主要針對(duì)它在理論上的缺陷和錯(cuò)誤，包括語(yǔ)言體系結(jié)構(gòu)、語(yǔ)法、語(yǔ)義等方面的問題。隨著抽象數(shù)據(jù)類型和面向?qū)ο蠹夹g(shù)的出現(xiàn)，體系結(jié)構(gòu)研究逐漸得到重視。這是由以下因素決定的：對(duì)象的封裝減低了模塊間的耦合，為構(gòu)件層次上的軟件重用提供了可能；此外，類庫(kù)的構(gòu)造、分布式應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等規(guī)模大、復(fù)雜性高的系統(tǒng)，也需要對(duì)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。2.3.4高級(jí)階段

20世紀(jì)90年代后，軟件開發(fā)技術(shù)進(jìn)入了基于構(gòu)件的軟件開發(fā)階段。軟件開發(fā)的目標(biāo)是軟件具備很強(qiáng)的自適應(yīng)性、互操作性、可擴(kuò)展性和可重用性，軟件開發(fā)強(qiáng)調(diào)采用構(gòu)件化技術(shù)和體系結(jié)構(gòu)技術(shù)。軟件構(gòu)件技術(shù)與面向?qū)ο蠹夹g(shù)有著重要的不同。面向?qū)ο蠹夹g(shù)中的軟件重用主要是源代碼形式的重用，這要求設(shè)計(jì)者在重用軟件時(shí)必須理解其設(shè)計(jì)思路和編程風(fēng)格。軟件構(gòu)件技術(shù)則實(shí)現(xiàn)了對(duì)軟件的最終形式——可執(zhí)行二進(jìn)制碼的重用。這樣，構(gòu)件的實(shí)現(xiàn)是完全與實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言無(wú)關(guān)的。任何一種過程化語(yǔ)言，從Ada到C到Java到C#，均可用來開發(fā)構(gòu)件，并且任何一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言都可以直接或稍作修改后使用構(gòu)件技術(shù)。一個(gè)軟件可被切分成一些構(gòu)件，這些構(gòu)件可以單獨(dú)開發(fā)、單獨(dú)編譯，甚至單獨(dú)調(diào)試與測(cè)試。當(dāng)完成了所有構(gòu)件的開發(fā)，再對(duì)它們加以組合，就得到了完整的軟件系統(tǒng)。在投入使用后，不同的構(gòu)件還可以在不影響系統(tǒng)的其他部分的情況下，分別進(jìn)行維護(hù)和升級(jí)。此階段中，軟件體系結(jié)構(gòu)逐漸成為軟件工程的重要研究領(lǐng)域，并最終作為一門學(xué)科得到了業(yè)界的普遍認(rèn)同。在基于構(gòu)件和體系結(jié)構(gòu)的軟件開發(fā)方法下，程序開發(fā)模式也相應(yīng)地發(fā)生了根本變化。軟件開發(fā)不再是“算法+數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”，而是“構(gòu)件開發(fā)+基于體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)件組裝”。軟件體系結(jié)構(gòu)作為開發(fā)文檔和中間產(chǎn)品，開始出現(xiàn)在軟件過程中。有研究人員認(rèn)為，“未來的年代將是研究軟件體系結(jié)構(gòu)的時(shí)代”。2.3.5綜合

從軟件技術(shù)的發(fā)展過程可以看出，在各個(gè)時(shí)期，軟件體系結(jié)構(gòu)的問題實(shí)際上總是存在的，但是它是隨著軟件系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性的日益膨脹才逐漸表露、被人們發(fā)現(xiàn)和研究的。從最初的“無(wú)體系結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)到今天的基于體系結(jié)構(gòu)的軟件開發(fā)，軟件體系結(jié)構(gòu)技術(shù)大致經(jīng)歷了以下4個(gè)階段：

(1)“無(wú)體系結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)階段：開發(fā)主要采用匯編語(yǔ)言，規(guī)模一般較小。

(2)萌芽階段：主要采用結(jié)構(gòu)化的開發(fā)技術(shù)。

(3)初級(jí)階段：主要采用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)技術(shù)，從多種角度對(duì)系統(tǒng)建模(如UML)。

(4)高級(jí)階段：該階段以Kruchten提出的“4+1”模型為標(biāo)志。軟件開發(fā)的中心是描述系統(tǒng)的高層抽象結(jié)構(gòu)模型，相比之下，傳統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)更關(guān)心具體的建模細(xì)節(jié)。

軟件體系結(jié)構(gòu)技術(shù)仍存在諸多問題，如概念定義尚不統(tǒng)一、描述規(guī)范不能一致等。有研究人員認(rèn)為在軟件開發(fā)實(shí)踐中軟件體系結(jié)構(gòu)尚不能發(fā)揮重要作用，軟件體系結(jié)構(gòu)技術(shù)仍有待研究、發(fā)展和完善。

2.4軟件體系結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

2.4.1軟件體系結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

軟件體系結(jié)構(gòu)作為軟件工程研究領(lǐng)域的一部分，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。但當(dāng)前，體系結(jié)構(gòu)仍是一個(gè)處在不斷發(fā)展中的新研究領(lǐng)域，許多定義還不夠統(tǒng)一，歸納現(xiàn)有體系結(jié)構(gòu)的研究活動(dòng)，主要的討論和研究大致集中在以下幾個(gè)方面。

1．軟件體系結(jié)構(gòu)描述研究

構(gòu)建軟件體系結(jié)構(gòu)的目的之一就是建立一個(gè)可供各種人員交流的平臺(tái)，并且要具備系統(tǒng)架構(gòu)級(jí)的可重用性。因此如何恰當(dāng)、準(zhǔn)確地對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述是至關(guān)重要的。這種描述應(yīng)當(dāng)能夠?yàn)楦鞣N人員提供不同的視圖以滿足其不同的要求；同時(shí)，當(dāng)要構(gòu)建新的應(yīng)用或?qū)?yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)更改時(shí)，這種描述應(yīng)該能夠快速提供可重用的系統(tǒng)架構(gòu)視圖或系統(tǒng)模塊視圖。這方面的研究包括軟件體系結(jié)構(gòu)描述語(yǔ)言、使用“4+1”模型描述軟件體系結(jié)構(gòu)、使用UML描述軟件體系結(jié)構(gòu)等方面的研究。

1)軟件體系結(jié)構(gòu)描述語(yǔ)言

現(xiàn)有的一些軟件體系結(jié)構(gòu)描述方法采用非形式化的方法，體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)常難以理解，難以對(duì)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行形式化分析和模擬，缺乏相應(yīng)的支持工具幫助設(shè)計(jì)師完成設(shè)計(jì)工作。為了解決這個(gè)問題，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，ADL)，ADL尋求增加軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可理解性和重用性。

ADL是這樣一種語(yǔ)言，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以利用它所提供的特性進(jìn)行軟件系統(tǒng)概念體系結(jié)構(gòu)建模。ADL提供了具體的語(yǔ)法與刻畫體系結(jié)構(gòu)的概念框架。它使得系統(tǒng)開發(fā)者能夠很好地描述他們?cè)O(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)，以便與他人交流，能夠用提供的工具對(duì)許多實(shí)例進(jìn)行分析。研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)出了若干種ADL，典型的有Aesop、MetaH、C2、Rapide、SADL、UniCon和Wright等，盡管它們都描述軟件體系結(jié)構(gòu)，卻有不同的特點(diǎn)：Aesop支持體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格的應(yīng)用；MetaH為設(shè)計(jì)者提供了關(guān)于實(shí)時(shí)電子控制軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)；C2支持基于消息傳遞風(fēng)格的用戶界面系統(tǒng)的描述；Rapide支持體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模擬并提供了分析模擬結(jié)果的工具；SADL提供了關(guān)于體系結(jié)構(gòu)加細(xì)的形式化基礎(chǔ)；UniCon支持異構(gòu)的構(gòu)件和連接件類型，并提供了關(guān)于體系結(jié)構(gòu)的高層編譯器；Wright支持體系結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間交互的說明和分析。這些ADL及它們的支持工具、描述方法和形式各不相同，強(qiáng)調(diào)了體系結(jié)構(gòu)不同的側(cè)面，對(duì)體系結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用起到了重要的作用，但也有負(fù)面的影響。每一種ADL都以獨(dú)立的形式存在，描述語(yǔ)法不同且互不兼容。同時(shí)又有許多共同的特征，這使設(shè)計(jì)人員很難選擇一種合適的ADL；大部分ADL都是領(lǐng)域相關(guān)的，不利于對(duì)不同領(lǐng)域的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；一些ADL在某些方面大同小異，有很多冗余的部分。針對(duì)這些不足，已出現(xiàn)一些交換語(yǔ)言，其目標(biāo)是提供一個(gè)公共形式把各種語(yǔ)言綜合起來，以此來綜合不同的體系結(jié)構(gòu)描述。ACME就是其中較有影響的一個(gè)，它的目標(biāo)是抽取諸多ADL中與具體ADL無(wú)關(guān)的信息作為交換的依據(jù)，同時(shí)，允許并入相關(guān)信息作為保留的輔助信息。另外一個(gè)研究熱點(diǎn)是開發(fā)基于XML的體系結(jié)構(gòu)描述語(yǔ)言。XML是可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言，它簡(jiǎn)單并易于實(shí)現(xiàn)，因此被工業(yè)界廣泛使用。若能用XML來表示軟件體系結(jié)構(gòu)，必能極大推動(dòng)軟件體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究成果在軟件產(chǎn)業(yè)界的應(yīng)用。由于XML在體系結(jié)構(gòu)描述上的許多優(yōu)點(diǎn)，研究者們已經(jīng)開發(fā)出了不同的基于XML的體系結(jié)構(gòu)描述語(yǔ)言，如XADL2.0、XBA、XCOBA等。

2)使用“4+1”模型描述軟件體系結(jié)構(gòu)

按照一定的描述方法，用體系結(jié)構(gòu)描述語(yǔ)言對(duì)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明的結(jié)果稱為體系結(jié)構(gòu)的表示，而將描述體系結(jié)構(gòu)的過程稱為體系結(jié)構(gòu)構(gòu)造。在體系結(jié)構(gòu)描述方面，Kruchten提出的“4+1”模型是當(dāng)前軟件體系結(jié)構(gòu)描述的一個(gè)經(jīng)典范例，該模型由邏輯視圖、開發(fā)視圖、過程視圖和物理視圖組成，并通過場(chǎng)景將這4個(gè)視圖有機(jī)地結(jié)合起來，比較細(xì)致地描述了需求和體系結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系?！?+1”模型實(shí)際上使得有不同需求的人員能夠得到他們對(duì)于軟件體系結(jié)構(gòu)想要了解的東西。系統(tǒng)工程師先從物理視圖，然后從過程視圖靠近體系結(jié)構(gòu)。最終使用者、客戶、數(shù)據(jù)專家從邏輯視圖看體系結(jié)構(gòu)；項(xiàng)目經(jīng)理、軟件配置人員從開發(fā)視圖看體系結(jié)構(gòu)。

3)使用UML描述軟件體系結(jié)構(gòu)

Booch從UML的角度給出了一種由設(shè)計(jì)視圖、過程視圖、實(shí)現(xiàn)視圖和部署視圖，再加上一個(gè)用例視圖構(gòu)成的體系結(jié)構(gòu)描述模型。Medividovic則總結(jié)了用UML描述體系結(jié)構(gòu)的三種途徑：不改變UML用法而直接對(duì)體系結(jié)構(gòu)建模；利用UML支持的擴(kuò)充機(jī)制擴(kuò)展UML的元模型對(duì)體系結(jié)構(gòu)建模概念的支持；對(duì)UML進(jìn)行擴(kuò)充，增加體系結(jié)構(gòu)建模元素。本書第3章介紹了不改變UML用法而直接對(duì)體系結(jié)構(gòu)建模的方法。UML的靜態(tài)建模機(jī)制包括用例圖、類圖、對(duì)象圖、包、構(gòu)件圖和部署圖。UML的動(dòng)態(tài)建模機(jī)制包括順序圖、協(xié)作圖、狀態(tài)圖和活動(dòng)圖。可以使用UML對(duì)構(gòu)件交互模式進(jìn)行靜態(tài)建模和動(dòng)態(tài)建模。

2．軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究包括體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格研究、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)模式和設(shè)計(jì)方法研究。

1)體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格研究

體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一就是體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格的研究。人們?cè)陂_發(fā)不同系統(tǒng)時(shí)，會(huì)逐漸發(fā)現(xiàn)一類系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)上有許多共性，于是抽取出這些共性構(gòu)成一些富有代表性和被廣泛接受的體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格。所以說體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格是用來刻畫具有相似結(jié)構(gòu)和語(yǔ)義性質(zhì)的一類系統(tǒng)族的。它定義一組構(gòu)件、連接件的類型以及它們之間應(yīng)該如何連接的約束。一般來說，一個(gè)系統(tǒng)不一定只具有一種風(fēng)格，在不同層次或抽象級(jí)別上，可具有多種風(fēng)格。雖然系統(tǒng)組織方式可以是無(wú)窮的，但如果能用少量的風(fēng)格類型表達(dá)出較多的系統(tǒng)組織方式，不僅可以縮短系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的時(shí)間，還能大大提高大規(guī)模軟件重用的機(jī)會(huì)。

Garlan和Shaw給出了對(duì)通用體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格的分類：數(shù)據(jù)流風(fēng)格、調(diào)用/返回風(fēng)格、獨(dú)立構(gòu)件風(fēng)格、虛擬機(jī)風(fēng)格和倉(cāng)庫(kù)風(fēng)格。

2)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

參照軟件工程、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)原理，結(jié)合軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身的特點(diǎn)，可以總結(jié)出軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中用到的原理主要有以下幾個(gè)：抽象、封裝、信息隱藏、模塊化、注意點(diǎn)分離、耦合和內(nèi)聚、接口和實(shí)現(xiàn)分離、分而治之、層次化等。

3)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式

設(shè)計(jì)模式的概念最早是由美國(guó)的一位叫做ChristopherAlexander的建筑理論家提出來的，他試圖找到一種結(jié)構(gòu)化、可重用的方法，以在圖紙上捕捉到建筑物的基本要素。后來被作為總結(jié)軟件設(shè)計(jì)，特別是面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)而提出。在幾十年的軟件設(shè)計(jì)研究和實(shí)踐中，設(shè)計(jì)人員和程序員積累了大量的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)并提出了大量在眾多應(yīng)用中普遍存在的軟件結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)關(guān)系，模式被用于軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。利用設(shè)計(jì)模式可以方便地重用成功的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)。把已經(jīng)證實(shí)的技術(shù)表示為設(shè)計(jì)模式，使它們更加容易被新系統(tǒng)的開發(fā)者所接受。設(shè)計(jì)模式幫助設(shè)計(jì)師選擇可使系統(tǒng)重用的設(shè)計(jì)方案，避免選擇危害到可重用性的方案。

4)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

生成一個(gè)滿足軟件需求的體系結(jié)構(gòu)的過程即為體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程的本質(zhì)在于：將系統(tǒng)分解成相應(yīng)的組成成分(如構(gòu)件、連接件)，并將這些成分重新組裝成一個(gè)系統(tǒng)。常用的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法有4類，分別為制品驅(qū)動(dòng)(artifact-driven)的方法，用例驅(qū)動(dòng)(use-case-driven)的方法，模式驅(qū)動(dòng)(pattern-driven)的方法和領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)(domain-driven)的方法。每種方法在過程的順序上、在概念的特定內(nèi)容上有所不同，但最后都生成對(duì)體系結(jié)構(gòu)的描述。

3．基于體系結(jié)構(gòu)的軟件開發(fā)方法

本質(zhì)上，軟件體系結(jié)構(gòu)是對(duì)軟件需求的一種抽象解決方案。在引入了體系結(jié)構(gòu)的軟件開發(fā)中，應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)造過程變?yōu)椤皢栴}定義→軟件需求→軟件體系結(jié)構(gòu)→軟件設(shè)計(jì)→軟件實(shí)現(xiàn)”，可以認(rèn)為軟件體系結(jié)構(gòu)架起了軟件需求與軟件設(shè)計(jì)之間的一座橋梁。而在由軟件體系結(jié)構(gòu)到實(shí)現(xiàn)的過程中，借助一定的中間件技術(shù)與軟件總線技術(shù)，軟件體系結(jié)構(gòu)易于映射成相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)。Bass等人提出了一種基于體系結(jié)構(gòu)的軟件開發(fā)過程，該過程包括6個(gè)步驟：導(dǎo)出體系結(jié)構(gòu)需求；設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)；文檔化體系結(jié)構(gòu)；分析體系結(jié)構(gòu)；實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)；維護(hù)體系結(jié)構(gòu)。對(duì)此在本書第5章中會(huì)進(jìn)行介紹。軟件開發(fā)模型是跨越整個(gè)軟件生存周期的系統(tǒng)開發(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，給出了軟件開發(fā)活動(dòng)各階段之間的關(guān)系。目前，常見的軟件開發(fā)模型大致可分為3種類型：

(1)以軟件需求完全確定為前提的瀑布模型。

(2)在軟件開發(fā)初始階段只能提供基本需求時(shí)采用的漸進(jìn)式開發(fā)模型，如螺旋模型等。

(3)以形式化開發(fā)方法為基礎(chǔ)的變換模型。所有開發(fā)方法都是要解決需求與實(shí)現(xiàn)之間的差距。但是，這3種類型的軟件開發(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)的開發(fā)過程。因此，研究人員在發(fā)展基于體系結(jié)構(gòu)的軟件開發(fā)模型方面做了一定的工作。

在基于構(gòu)件和基于體系結(jié)構(gòu)的軟件開發(fā)逐漸成為主流的開發(fā)方法的情況下，已經(jīng)出現(xiàn)了基于構(gòu)件的軟件工程。但是，對(duì)體系結(jié)構(gòu)的描述、表示、設(shè)計(jì)和分析以及驗(yàn)證等內(nèi)容的研究還相對(duì)不足，隨著需求復(fù)雜化及其演化，切實(shí)可行的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)則與方法將更為重要。

4．軟件體系結(jié)構(gòu)評(píng)估

軟件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是整個(gè)軟件開發(fā)過程中關(guān)鍵的一步。對(duì)于當(dāng)今世界上龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)來說，沒有一個(gè)合適的體系結(jié)構(gòu)而要有一個(gè)成功的軟件設(shè)計(jì)幾乎是不可想象的。不同類型的系統(tǒng)需要不同的體系結(jié)構(gòu)，甚至一個(gè)系統(tǒng)的不同子系統(tǒng)也需要不同的體系結(jié)構(gòu)。體系結(jié)構(gòu)的選擇是一個(gè)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。

但是，怎樣才能知道為軟件系統(tǒng)所選用的體系結(jié)構(gòu)是否恰當(dāng)？如何確保按照所選用的體系結(jié)構(gòu)能順利地開發(fā)出成功的軟件產(chǎn)品呢？要回答這些問題，需要使用專門的方法對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和評(píng)估。常用的軟件體系結(jié)構(gòu)評(píng)估方法有軟件體系結(jié)構(gòu)分析方法(SoftwareArchitectureAnalysisMethod，SAAM)和體系結(jié)構(gòu)權(quán)衡分析方法(ArchitectureTradeoffAnalysisMethod，ATAM)。它們都是基于場(chǎng)景的軟件體系結(jié)構(gòu)評(píng)估方法，這類評(píng)估方法分析軟件體系結(jié)構(gòu)對(duì)場(chǎng)景也就是對(duì)系統(tǒng)的使用或修改活動(dòng)的支持程度，從而判斷該體系結(jié)構(gòu)對(duì)這一場(chǎng)景所代表的質(zhì)量需求的滿足程度。例如，用一系列對(duì)軟件的修改來反映易修改性方面的需求，用一系列攻擊性操作來代表安全性方面的需求等。SAAM本質(zhì)上是一個(gè)尋找受場(chǎng)景影響的體系結(jié)構(gòu)元素的方法，而ATAM建立在SAAM基礎(chǔ)上，關(guān)注對(duì)風(fēng)險(xiǎn)、非風(fēng)險(xiǎn)、敏感點(diǎn)和權(quán)衡點(diǎn)的識(shí)別。

5．特定領(lǐng)域的體系結(jié)構(gòu)框架

特定領(lǐng)域的應(yīng)用通常具有相似的特征，如果能夠充分挖掘系統(tǒng)所在領(lǐng)域的共同特征，提煉出領(lǐng)域的一般需求，抽象出領(lǐng)域模型，歸納總結(jié)出這類系統(tǒng)的軟件開發(fā)方法，就能夠指導(dǎo)領(lǐng)域內(nèi)其他系統(tǒng)的開發(fā)，提高軟件質(zhì)量和開發(fā)效率、節(jié)省軟件開發(fā)成本。正是基于這種考慮，人們?cè)谲浖睦碚撗芯亢凸こ虒?shí)踐中，逐漸形成一種稱之為特定領(lǐng)域的軟件體系結(jié)構(gòu)(DomainSpecificSoftwareArchitecture，DSSA)的理論與工程方法，它對(duì)軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)過程具有一定參考和