1、1,2020/8/6,第2章 軟件體系結(jié)構(gòu)建模,2,2020/8/6,假定你是Module Designer,你最近加盟一家公司，并被安排在一個(gè)新項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)組中。雖然你富有經(jīng)驗(yàn)，但是對(duì)此項(xiàng)目所涉及的領(lǐng)域還是一個(gè)新手。系統(tǒng)的高層體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成。 你的老板（項(xiàng)目經(jīng)理）讓你預(yù)計(jì)你將要完成的幾個(gè)模塊的開(kāi)發(fā)時(shí)間。 你怎么辦？,3,2020/8/6,假定你是Module Designer,你來(lái)開(kāi)發(fā)A2和A3，怎么開(kāi)始？,4,2020/8/6,假定你是Consultant(顧問(wèn)),你是一個(gè)請(qǐng)來(lái)的顧問(wèn)，對(duì)一個(gè)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估。Modifiability和Performance是重要的體系結(jié)構(gòu)質(zhì)量因素

2、。 你會(huì)詢問(wèn)什么樣的信息？,5,2020/8/6,假定你是Consultant(顧問(wèn)),面對(duì)這樣的圖，你會(huì)有什么反應(yīng)？,6,2020/8/6,假定你是Consultant(顧問(wèn)),面對(duì)這樣的圖，你會(huì)有什么反應(yīng)？,7,2020/8/6,體系結(jié)構(gòu)描述方法,軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中各種角色之間交流設(shè)計(jì)思想的媒介 進(jìn)行上層分析的基礎(chǔ)。此基礎(chǔ)上可以驗(yàn)證體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，精煉或改變必要的方案 讓別人理解系統(tǒng)的第一手資料,8,2020/8/6,與Module Designer交流,基本想法是什么？ 我該做什么 (如，實(shí)現(xiàn)哪些需求) ？ 我該在哪做 (如，這項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)在哪里) ？ 我和誰(shuí)交互？接口是什么？ 有什么可以重

3、用的代碼？ 必須遵從什么約定(質(zhì)量目標(biāo)、舊體系/接口、預(yù)算等)？ 有哪些硬性規(guī)定(設(shè)計(jì)、接口、約束等)？,9,2020/8/6,與顧問(wèn)交流,體系結(jié)構(gòu)的必要需求(driving requirement)是什么(如，performance, availability, security, modifiability, interoperability)？ 各種體系結(jié)構(gòu)視圖是如何描述的？ 抽象出來(lái)什么？ 功能怎樣分解？ 功能怎樣分配？ 使用什么硬件以及軟件怎樣布置在硬件上？ 采用了哪些體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格？,10,2020/8/6,這是什么？,11,2020/8/6,上圖的毛病,很多事情沒(méi)有說(shuō)： 組件類型

4、連接件類型 圓圈和箭頭代表什么？ 這種布局的意義是什么？ 為什么CP要放在上層？ 只畫出方框和線條不是體系結(jié)構(gòu)，只是體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)始,12,2020/8/6,好的體系結(jié)構(gòu)描述的必要元素,需求陳述 商業(yè)環(huán)境、產(chǎn)品的背景、領(lǐng)域 描述環(huán)境 必須和什么系統(tǒng)交互、外部接口 使用體系結(jié)構(gòu)圖 用恰當(dāng)?shù)木€框 簡(jiǎn)潔的說(shuō)明,13,2020/8/6,好的體系結(jié)構(gòu)描述的必要元素,考慮實(shí)現(xiàn)時(shí)的限制 但是僅在它們能影響體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的范圍內(nèi) 被限定的下層結(jié)構(gòu)、處理器需求 通常包含其他結(jié)構(gòu)圖 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理 它怎樣去符合需求與約束 其他的設(shè)計(jì),14,2020/8/6,其他方面,風(fēng)格/產(chǎn)品線問(wèn)題 設(shè)計(jì)可變的尺度 體系結(jié)構(gòu)的那

5、個(gè)方面必須不被改變？ 管理問(wèn)題 暗含開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的組織結(jié)構(gòu) 體系結(jié)構(gòu)評(píng)審情況 其他設(shè)計(jì)問(wèn)題 代碼重用、標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)用 風(fēng)險(xiǎn)分析 運(yùn)作、管理和維護(hù),15,2020/8/6,好描述,線和框有不同的形狀/顏色，并有圖例說(shuō)明 用表格總結(jié)方案選擇等等各種問(wèn)題 圖并不試圖去表達(dá)很多信息：把信息分散到需要表達(dá)它的各個(gè)視圖中 每個(gè)體系結(jié)構(gòu)視圖必須在一頁(yè)內(nèi)完成 清晰地區(qū)分出哪些是體系結(jié)構(gòu)視圖，哪些不是,16,2020/8/6,壞描述,所有的線看起來(lái)都一樣 箭頭不代表任何涵義 箭頭代表很多涵義 實(shí)現(xiàn)與文檔沖突 沒(méi)有圖例 太多的必要需求,17,2020/8/6,視圖,系統(tǒng)需要多種視圖來(lái)描述 其中的一小部分是描述體系結(jié)構(gòu)的

6、運(yùn)行時(shí)視圖/動(dòng)態(tài)視圖(組件和連接件) 在高層分解成組件和連接件 代碼視圖 模塊關(guān)聯(lián)和依賴 使用/調(diào)用/和共享數(shù)據(jù) 文件和目錄、工程和編譯文件、版本控制 物理視圖 把計(jì)算單元分配到各個(gè)進(jìn)程或處理器,18,2020/8/6,閱讀,Philippe Kruchten, Architectural BlueprintsThe “4+1” View Model of Software Architecture, IEEE Software 12 (6), 1995, pp. 42-50 Release 6A Segment/Design Specification for the ECS Project

7、, Section 4.4. NASA Report 305-CD-600-001, pages 4-160-185. March 2001 /waisdata/toc/cd30560001toc.html,19,2020/8/6,軟件體系結(jié)構(gòu)建模的種類,結(jié)構(gòu)模型 框架模型 動(dòng)態(tài)模型 過(guò)程模型 功能模型,20,2020/8/6,結(jié)構(gòu)模型 這是一個(gè)最直觀、最普遍的建模方法。這種方法以體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)件、連接件和其他概念來(lái)刻畫結(jié)構(gòu)，并力圖通過(guò)結(jié)構(gòu)來(lái)反映系統(tǒng)的重要語(yǔ)義內(nèi)容，包括系統(tǒng)的配置、約束、隱含的假設(shè)條件、風(fēng)格、性質(zhì)等。 研究結(jié)構(gòu)模型的核心是體系結(jié)構(gòu)

8、描述語(yǔ)言。,21,2020/8/6,框架模型 框架模型與結(jié)構(gòu)模型類似，但它不太側(cè)重描述結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)而更側(cè)重于整體的結(jié)構(gòu)。 框架模型主要以一些特殊的問(wèn)題為目標(biāo)建立只針對(duì)和適應(yīng)該問(wèn)題的結(jié)構(gòu)。,22,2020/8/6,動(dòng)態(tài)模型 動(dòng)態(tài)模型是對(duì)結(jié)構(gòu)或框架模型的補(bǔ)充，研究系統(tǒng)的“大顆粒”的行為性質(zhì)。例如，描述系統(tǒng)的重新配置或演化。動(dòng)態(tài)可以指系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的配置、建立或拆除通信通道或計(jì)算的過(guò)程。,23,2020/8/6,過(guò)程模型 過(guò)程模型研究構(gòu)造系統(tǒng)的步驟和過(guò)程。 結(jié)構(gòu)是遵循某些過(guò)程腳本的結(jié)果。,24,2020/8/6,功能模型 功能模型認(rèn)為體系結(jié)構(gòu)是由一組功能構(gòu)件按層次組成，下層向上層提供服務(wù)。 功能模型可以

9、看作是一種特殊的框架模型。,25,2020/8/6,“4十1”模型,Rational公司的Philippe Kruchten在1995年提出了用于體系結(jié)構(gòu)描述的“4十l”模型。該模型建立在體系結(jié)構(gòu)的PerryWolf定義和Berry Boehm定義的基礎(chǔ)上。 該模型采用多視圖模型的方法描述軟件體系結(jié)構(gòu)。為了最終能夠處理富于挑戰(zhàn)性的、大規(guī)模的軟件系統(tǒng)，該模型由5個(gè)視圖構(gòu)成。 u邏輯視圖 當(dāng)采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法時(shí)，邏輯視圖即是對(duì)象模型。u進(jìn)程視圖 描述系統(tǒng)的并發(fā)和同步方面的設(shè)計(jì)。u物理視圖 描述軟件到硬件之間的映射關(guān)系，反映系統(tǒng)在分布方面的設(shè)計(jì)。u開(kāi)發(fā)視圖 描述軟件在開(kāi)發(fā)環(huán)境下的靜態(tài)組織。,26

10、,2020/8/6,對(duì)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行的描述是圍繞著以上4個(gè)視圖展開(kāi)的。然后，通過(guò)選擇出的一些用例對(duì)體系結(jié)構(gòu)加以說(shuō)明。這些用例被稱作場(chǎng)景(scenarios)，它們構(gòu)成了第5個(gè)視圖。實(shí)際上，體系結(jié)構(gòu)在某種程度上是由場(chǎng)景演化而來(lái)的。,27,2020/8/6,體系結(jié)構(gòu)的概念在每個(gè)視圖里面都可以獨(dú)立應(yīng)用。這就是說(shuō)，可以在每個(gè)視圖里面定義體系結(jié)構(gòu)的各種組成元素，如構(gòu)件、連接件等。對(duì)于不同的視圖，還可以選擇不同的體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格，因此在同一個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中可以使用多種風(fēng)格。此外，在每一種視圖里，我們使用該視圖特定的符號(hào)。這避免了符號(hào)用法和意義的混亂?！?十1”視圖模型是一個(gè)十分通用的模型：可以便用其他的符號(hào)表示法，

11、也可以使用其他的設(shè)計(jì)方法，尤其是邏輯視圖和過(guò)程視圖的分解。,28,2020/8/6,“4十1”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(guò)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(kāi)發(fā)視圖看體系結(jié)構(gòu)。,29,2020/8/6,要指出的是，不是所有的軟件體系結(jié)構(gòu)都需要完整的“4十1”視圖。沒(méi)有用的視圖在體系結(jié)構(gòu)描述中可以被省略，例如對(duì)于非常小的系統(tǒng)，邏輯視圖和開(kāi)發(fā)視圖有可能非常相似以至于沒(méi)有必要把它們分開(kāi)描述。場(chǎng)景視圖在各種環(huán)境下都是有用的。,30,2020/8/6,邏輯視圖的體系結(jié)構(gòu)

12、：面向?qū)ο蟮姆纸?邏輯視圖主要支持功能需求系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)向用戶提供什么樣的服務(wù)。從問(wèn)題域出發(fā)，采用面向?qū)ο蟮姆椒?，按照抽象、封裝、繼承的原則，進(jìn)行分解，得到代表著系統(tǒng)的關(guān)鍵抽象表示的集合。這些抽象表示的具體形式就是對(duì)象和對(duì)象的類。這種分級(jí)不僅是為了功能分析，而且擔(dān)負(fù)著在系統(tǒng)的各部分中確定公共機(jī)制和設(shè)計(jì)元素的作用。 使用RationalBooch方法，通過(guò)類圖(class diagram)和類模板(class template)來(lái)表示邏輯體系結(jié)構(gòu)。類圖顯示了類的集合和它們的邏輯關(guān)系:關(guān)聯(lián)(association)、組合 (composition)、使用(usage)、繼承(inheritance)等。

13、類模板則著眼于每個(gè)類的個(gè)體，強(qiáng)調(diào)類的主要操作，并確定對(duì)象的關(guān)鍵特征。當(dāng)十分需要定義一個(gè)對(duì)象的內(nèi)部行為時(shí)，要使用狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖(state transition diagram)，或者是狀態(tài)表(state chart)。相關(guān)類的集合可以歸到一起，稱作類的種屬(class category)。,31,2020/8/6,邏輯視圖的符號(hào)表示法,邏輯體系結(jié)構(gòu)的符號(hào)表示法(見(jiàn)圖)，是從Booch方法派生而來(lái)的。它被極大地簡(jiǎn)化了，尤其大量簡(jiǎn)化了在這個(gè)設(shè)計(jì)階段作用不大的各種修飾，只考慮對(duì)于體系結(jié)構(gòu)有重要意義的元素在設(shè)計(jì)工具上，可以使用Rational Rose等UML建模工具。公共的機(jī)制和服務(wù)在類設(shè)施 (clas

14、s utilities)中定義。,32,2020/8/6,邏輯視圖的風(fēng)格,邏輯視圖也可以采用面向?qū)ο蟮娘L(fēng)格。 邏輯視圖設(shè)計(jì)的主要準(zhǔn)則是，要設(shè)法在整個(gè)系統(tǒng)中保持一個(gè)單一的、連貫的對(duì)象模型，避免類和相關(guān)機(jī)制出現(xiàn)按照?qǐng)龅鼗蛱幚砥鬟^(guò)早的分化。,邏輯視圖的例子,33,2020/8/6,進(jìn)程視圖的體系結(jié)構(gòu)：過(guò)程分解,過(guò)程體系結(jié)構(gòu)考慮的是一些非功能性的需求，諸如性能、可用性等。它所要面對(duì)的問(wèn)題有并發(fā)，分布，系統(tǒng)的完整性，容錯(cuò)能力等。它還要考慮怎樣把過(guò)程體系結(jié)構(gòu)與邏輯視圖體系結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)相適應(yīng)對(duì)某個(gè)對(duì)象的某個(gè)操作實(shí)際上是在哪個(gè)控制線程上發(fā)生的。 可以把過(guò)程體系結(jié)構(gòu)分為幾個(gè)抽象層次來(lái)描述，每個(gè)層次考慮不同的方面。

15、在最高層次上，過(guò)程體系結(jié)構(gòu)可以被視為是一個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)的集合。每個(gè)獨(dú)立執(zhí)行的邏輯網(wǎng)絡(luò)都是由通信程序(即“過(guò)程”)構(gòu)成的。這些邏輯網(wǎng)絡(luò)分布在一個(gè)通過(guò)LAN或WAN連接起來(lái)的硬件資源集合上。多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)可能同時(shí)存在，并共享同樣的物理資源。,34,2020/8/6,過(guò)程視圖的體系結(jié)構(gòu)：過(guò)程分解,軟件被分為獨(dú)立的任務(wù)的集合。每個(gè)任務(wù)是一個(gè)獨(dú)立的控制線程，可以在一個(gè)處理節(jié)點(diǎn)上獨(dú)立單獨(dú)調(diào)度。因此可以將任務(wù)分為主任務(wù)和輔任務(wù)。主任務(wù)是需要單獨(dú)解決的體系結(jié)構(gòu)元素。輔任務(wù)是由于實(shí)現(xiàn)原因而在本地加入的附加任務(wù)(緩沖，超時(shí)，等等)，例如可以將它們實(shí)現(xiàn)為輕量級(jí)的線程。主任務(wù)通過(guò)一套完善定義的任務(wù)間通信機(jī)制進(jìn)行通信：同步的

16、或異步的基于消息的通信服務(wù)、遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用、時(shí)間廣播等。不應(yīng)當(dāng)假設(shè)通信中的主任務(wù)處于同一個(gè)過(guò)程中或處在同一個(gè)處理節(jié)點(diǎn)上。輔任務(wù)的通信可以采用共享內(nèi)存的方式或其他雙方約定的方式。 基于過(guò)程體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，可以估計(jì)出消息流和過(guò)程負(fù)荷。,35,2020/8/6,過(guò)程視圖的符號(hào)表示法,在輔助工具的選擇上，可以考慮使用TRW提供的UNAS(Universal Network Architecture Services)產(chǎn)品。它可用于把各種過(guò)程和任務(wù)構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)為過(guò)程的邏輯網(wǎng)絡(luò)。UNAS里面包含的一個(gè)工具SALE(Software Architecture Lifecycle Environment)支持這樣

17、的符號(hào)表示法。SALE允許過(guò)程體系結(jié)構(gòu)的圖形化描述，包括對(duì)可能的任務(wù)間通信路徑的規(guī)格說(shuō)明。然后，從這種規(guī)格說(shuō)明可以自動(dòng)生成相應(yīng)的Ada或C十十語(yǔ)言源代碼。,36,2020/8/6,過(guò)程視圖的風(fēng)格 有多種風(fēng)格適合過(guò)程體系結(jié)構(gòu)。例如管道和過(guò)濾器、客戶服務(wù)器及其變體(多客戶單服務(wù)器，多客戶多服務(wù)器)等。過(guò)程視圖例子,37,2020/8/6,開(kāi)發(fā)視圖的體系結(jié)構(gòu)：子系統(tǒng)分解,開(kāi)發(fā)視圖，關(guān)注的是在軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境中軟件模塊的實(shí)際組織。軟件被打包成可以由單個(gè)或少量程序員開(kāi)發(fā)的各種小的部分：程序庫(kù)或子系統(tǒng)。子系統(tǒng)被組織成層次化的體系，每一層為上一層提供一個(gè)嚴(yán)密的、明確定義的接口。 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)體系結(jié)構(gòu)用模塊圖和子系

18、統(tǒng)圖來(lái)表示，在圖中可以顯示出“導(dǎo)入”和“導(dǎo)出”關(guān)系。完整的開(kāi)發(fā)體系結(jié)構(gòu)只有在軟件系統(tǒng)的所有元素被識(shí)別出來(lái)之后才能被描述。控制開(kāi)發(fā)體系結(jié)構(gòu)的原則是：分割、編組、可視。 開(kāi)發(fā)體系結(jié)構(gòu)主要考慮的是內(nèi)部需求，這些需求目的是要使開(kāi)發(fā)相關(guān)的活動(dòng)更易于進(jìn)行，如軟件管理、軟件復(fù)用、開(kāi)發(fā)工具集所造成的約束、編程語(yǔ)言等。開(kāi)發(fā)體系結(jié)構(gòu)是許多開(kāi)發(fā)話動(dòng)的基礎(chǔ)，包括需求配置、團(tuán)隊(duì)組織和工作分配、成本估算和成本規(guī)劃、項(xiàng)目進(jìn)度監(jiān)控、軟件可重用性和可移植性分析、軟件安全分析等。它是建立軟件產(chǎn)品線的基礎(chǔ)。,38,2020/8/6,開(kāi)發(fā)視圖的符號(hào)表示法,與前面類似，開(kāi)發(fā)視圖的符號(hào)表示法采用Booch表示法的變體，并且只考慮對(duì)于體系

19、結(jié)構(gòu)有重要意義的元素，如圖所示。在Rationnal Rose中，可以繪制模塊層和子系統(tǒng)層的開(kāi)發(fā)體系結(jié)構(gòu)圖，還可以在反向工程中從已經(jīng)開(kāi)發(fā)的源代碼(Ada或C十十)得出系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)體系結(jié)構(gòu)圖。,39,2020/8/6,開(kāi)發(fā)視圖的風(fēng)格,對(duì)于開(kāi)發(fā)視圖，我們建議采用分層風(fēng)格，定義46層的子系統(tǒng)。每一層都有明確責(zé)任。設(shè)計(jì)規(guī)則是，某一層的子系統(tǒng)只能依賴于本層或其下層的子系統(tǒng)。這樣做的目模塊間相互依賴而構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)最小化，并使得系統(tǒng)可以采用逐層的策略完成釋放。,40,2020/8/6,開(kāi)發(fā)視圖的例子,下圖用5個(gè)層次表示了航空交通管制系統(tǒng)產(chǎn)品線的開(kāi)發(fā)組織。,41,2020/8/6,物理視圖的體系結(jié)構(gòu)：從軟件到

20、硬件的映射,物理體系結(jié)構(gòu)主要考慮的是非功能性的系統(tǒng)需求，如系統(tǒng)的可用性、可靠性(容錯(cuò)性)、性能(信息吞吐量)和可擴(kuò)展性。軟件系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)處理節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行。各種被確定出的元素網(wǎng)絡(luò)、過(guò)程、任務(wù)和對(duì)象需要映射到各種節(jié)點(diǎn)上去。將用到不同的物理配置。有些用于開(kāi)發(fā)和測(cè)試，有些用于不同場(chǎng)所或不同用戶。因此從軟件到處理節(jié)點(diǎn)的映射需要高度靈活，并且最小限度地影響其本身的源代碼。,42,2020/8/6,物理視圖的符號(hào)表示法,TRW公司的UNAS允許使用者采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式將過(guò)程體系結(jié)構(gòu)映射到物理體系結(jié)構(gòu)，并允許在不修改源代碼的情況下對(duì)這種映射做出多種改動(dòng)。,43,2020/8/6,ACS系統(tǒng)的物理視圖,44,2020/8/6,具有進(jìn)程分配的小型ACS系統(tǒng)的物理視圖,45,2020/8/6,場(chǎng)景視圖的體系結(jié)構(gòu)：匯總,通過(guò)使用一些重要場(chǎng)景，4個(gè)視圖中的元素可以協(xié)調(diào)地共同工作。盡管這些場(chǎng)景是一個(gè)小集合，但是它們很重要。場(chǎng)景(scenario)是更通用的概念用例(use case)的實(shí)例。從某種意義上講，場(chǎng)景是最重要的需求的抽象。場(chǎng)景的設(shè)計(jì)使用對(duì)象場(chǎng)景圖(object scenario dlagram