體系結(jié)構(gòu)第1章認識體系結(jié)構(gòu)PPT課件

1、1軟件體系結(jié)構(gòu)軟件體系結(jié)構(gòu)software architecture 2陳長清陳長清博士，副教授博士，副教授電子郵件電子郵件: ccqcl ccqcl華中科技大學軟件學院華中科技大學軟件學院3前言體系結(jié)構(gòu)簡稱架構(gòu)或構(gòu)架。 構(gòu)：本義架木造屋，引申為構(gòu)造 構(gòu)架：建筑的結(jié)構(gòu) 結(jié)：用繩、線、皮條等綰成的疙瘩；關(guān)鍵點；被聯(lián)結(jié)狀態(tài) 結(jié)構(gòu)：組成整體的各部分的搭配和安排對住房的功能需求：能夠居住。 對住房的質(zhì)量需求： 安全性：能避免地震、臺風、暴雨等各種自然災害。 居住者在建筑內(nèi)的健康性，舒適性。 美觀性：有親和感，社會文化的體現(xiàn)。不同住房具有相同的功能，但其架構(gòu)不同，所滿足的居住質(zhì)量也不相同。4人類最早的居

2、住方式：巢居和穴居 炎熱或高海拔地區(qū)的穴居方式，可獲得相對穩(wěn)定的室內(nèi)熱環(huán)境，頂部的天窗既可采光又可排煙。5愛斯基摩雪屋的外觀和室內(nèi)布置用干雪沏成，厚度500的墻體可以提供較好的保溫性能。當室外平均溫度30時可維持室內(nèi)溫度5以上。6大陸氣候的中國民居土窯洞借助土壤大熱慣性，達到冬暖夏涼的目的。7 利用太陽高度角的特點，僅在北方出現(xiàn)。 四合院建筑冬季有效地利用了太陽能采暖和抵御北風侵襲，屋頂設(shè)計避免了夏季室內(nèi)過熱。中國四合院：座北朝南的典范8濕熱地區(qū)的中國民居云南干闌竹樓：防雨，防濕和防熱。9地球環(huán)境還可持續(xù)發(fā)展嗎？空調(diào)的普及使人們不再關(guān)心建筑的冷暖，但高能耗又使環(huán)境受到影響。10為什么研究軟件架

3、構(gòu)? 思想有多遠，我們就能走多遠 高度決定思路，思路決定出路 系統(tǒng)的建立是為了滿足組織的需求（包括功能和質(zhì)量），質(zhì)量需求決定了系統(tǒng)必須達到的特征, 包括性能, 可靠性, 互操作性以及生命周期等。隨著軟件系統(tǒng)的日益復雜，涉眾對軟件的要求已不局限于功能上的滿足，而是更加注重質(zhì)量。 很少有人注意到組織（開發(fā)組織、客戶等）在系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)成敗上扮演的角色。 系統(tǒng)的質(zhì)量特征受到軟件架構(gòu)的限制，或者說構(gòu)架設(shè)計的選擇受到要達到的質(zhì)量特征的影響。 本課程的目的：對軟件架構(gòu)的產(chǎn)生、演化做通俗介紹，減少對架構(gòu)認識的神秘感，對軟件架構(gòu)設(shè)計提供實用的指導。11閱讀指南第1部分: 軟件構(gòu)架的基礎(chǔ)第2部分: 構(gòu)架的創(chuàng)建第

4、3部分: 構(gòu)架的分析與評審案例分析的組織 案例的簡要說明 功能需求和質(zhì)量屬性 構(gòu)架解決方案 總結(jié)12第1部分軟件架構(gòu)基礎(chǔ)13 1.1 軟件架構(gòu)的概念 1.2 軟件架構(gòu)的多個結(jié)構(gòu) 1.3 軟件架構(gòu)的產(chǎn)生 1.4 軟件的架構(gòu)不是靜止的 1.5 軟件架構(gòu)的重要性 1.6 小結(jié) 1.7 討論第 1 章 認識軟件架構(gòu)141.1 軟件架構(gòu)的概念控制處理(cp)特征損失模型回聲模型噪音模型你從這個圖中可以知道什么？15軟件架構(gòu)在一定的設(shè)計原則基礎(chǔ)上，從不同角度對組成系統(tǒng)的各部分進行搭配和安排，形成系統(tǒng)的多個結(jié)構(gòu)而組成架構(gòu)，它包括該系統(tǒng)的各個組件、組件的外部可見屬性及相互關(guān)系。外部可見屬性指其它組件可對該組件

5、所做的假設(shè)，如該組件提供的服務(wù)、具備的性能特征、錯誤處理、共享資源的使用。為什么設(shè)計原則是架構(gòu)的一部分？ 做事先做人 很多人不懂或不遵守走路的規(guī)則，結(jié)果丟掉性命 很多人不遵守開車的規(guī)則，結(jié)果造成嚴重交通事故 同樣，不遵循架構(gòu)設(shè)計的原則，架構(gòu)也容易失敗。1.1.1 軟件架構(gòu)的定義16架構(gòu)定義可以從下面六個方面來理解：架構(gòu)應(yīng)建立在一定的設(shè)計原則之上，否則很容易失敗。系統(tǒng)可能由多個結(jié)構(gòu)組成，其中任何一個結(jié)構(gòu)都不能與構(gòu)架等同。每個軟件系統(tǒng)都有自己的架構(gòu)。軟件架構(gòu)決定了各個組件。只要某個組件的行為可以從其它組件的角度觀察到或區(qū)別開，這樣的行為就是軟件架構(gòu)的內(nèi)容。軟件架構(gòu)是抽象的，它不考慮實現(xiàn)、算法和數(shù)據(jù)

6、表示的細節(jié)，而集中研究“黑盒”組件的行為和交互，是設(shè)計第一步。171.1.2 其它觀點觀點1 軟件架構(gòu)是高層次的設(shè)計觀點2 軟件架構(gòu)是軟件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)觀點3 ieee的定義：軟件架構(gòu)是一個程序或系統(tǒng)的組件結(jié)構(gòu)、組件之間的相互聯(lián)系及支配組件設(shè)計和進化的指導原則觀點4 perry和wo1f提出：軟件架構(gòu)是具有一定形式的結(jié)構(gòu)化元素，包括處理元素、數(shù)據(jù)元素和連接元素。處理元素負責對數(shù)據(jù)進行加工，數(shù)據(jù)元素是被加工的信息，連接元素把架構(gòu)的不同部分組合連接起來。18觀點5 mary shaw和david garlan認為軟件體系結(jié)構(gòu)是軟件設(shè)計過程中的一個層次，這一層次超越計算過程中的算法設(shè)計和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

7、。體系結(jié)構(gòu)問題包括總體組織和全局控制、通訊協(xié)議、同步、數(shù)據(jù)存取，給設(shè)計元素分配特定功能，設(shè)計元素的組織，規(guī)模和性能，在各設(shè)計方案間進行選擇等。軟件體系結(jié)構(gòu)處理算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之上關(guān)于整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和描述方面的一些問題，如全局組織和全局控制結(jié)構(gòu)、關(guān)于通訊、同步與數(shù)據(jù)存取的協(xié)議，設(shè)計構(gòu)件功能定義，物理分布與合成，設(shè)計方案的選擇、評估與實現(xiàn)等。 觀點6 kruchten指出，軟件體系結(jié)構(gòu)有四個角度，它們從不同方面對系統(tǒng)進行描述：概念角度描述系統(tǒng)的主要構(gòu)件及它們之間的關(guān)系；模塊角度包含功能分解與層次結(jié)構(gòu)；運行角度描述了一個系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)；代碼角度描述了各種代碼和庫函數(shù)在開發(fā)環(huán)境中的組織。 19這些角度

8、形成了一個“4+1”的視角模型。“4+1”模型從5個不同的視角包括邏輯視角、過程視角、物理視角、開發(fā)視角和場景視角來描述軟件體系結(jié)構(gòu)。每一個視角只關(guān)心系統(tǒng)的一個側(cè)面，5個視角結(jié)合在一起才能夠反映系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)的全部內(nèi)容?！?+1”模型如圖所示：20觀點7 hayes roth則認為軟件架構(gòu)是一個抽象的系統(tǒng)規(guī)范，主要包括用其行為來描述的功能構(gòu)件和構(gòu)件之間的相互連接、接口和關(guān)系 。 觀點8 barry boehm提出，軟件架構(gòu)包括系統(tǒng)構(gòu)件，互聯(lián)及約束的集合；系統(tǒng)需求說明的集合；一個基本原理用以說明這一構(gòu)件，互聯(lián)和約束能夠滿足系統(tǒng)需求。觀點9 軟件架構(gòu)為軟件系統(tǒng)提供了一個結(jié)構(gòu)、行為和屬性的高級抽

9、象，由構(gòu)成系統(tǒng)的元素的描述、這些元素的相互作用、指導元素集成的模式以及這些模式的約束組成。軟件架構(gòu)不僅指定了系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和拓撲結(jié)構(gòu)，并且顯示了系統(tǒng)需求和構(gòu)成系統(tǒng)的元素之間的對應(yīng)關(guān)系，提供了一些設(shè)計決策的基本原理。211.2 軟件架構(gòu)的多個結(jié)構(gòu)靜態(tài)的角度：模塊結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了任務(wù)的劃分，每個模塊有其接口描述、代碼和測試計劃等，各模塊通過父子關(guān)系聯(lián)系起來，在開發(fā)和維護階段用于分配任務(wù)和資源。概念（或邏輯）結(jié)構(gòu)系統(tǒng)功能需求的抽象，功能圖。類結(jié)構(gòu)對象之間的繼承或?qū)嵗P(guān)系。動態(tài)的角度：進程結(jié)構(gòu)運行系統(tǒng)的動態(tài)特征，包括進程間的同步關(guān)系、缺少不能運行、存在不能運行、先后等關(guān)系，與模塊結(jié)構(gòu)、概念結(jié)構(gòu)成垂直正交關(guān)系

10、。1. 數(shù)據(jù)流模塊之間可能發(fā)送數(shù)據(jù)的關(guān)系，最適合用于系統(tǒng)需求的追蹤22控制流程序、模塊或系統(tǒng)狀態(tài)之間的“之后激活”的關(guān)系，適合于對系統(tǒng)功能行為和時序關(guān)系的驗證。使用結(jié)構(gòu)描述過程或模塊之間的聯(lián)系，這種聯(lián)系是“假設(shè)正確存在”的關(guān)系，用于設(shè)計可輕松擴展的系統(tǒng)。 如果過程a的運行必須以過程b的正確運行為前提，則說過程a使用過程b。8. 調(diào)用結(jié)構(gòu)-（子）過程之間調(diào)用和被調(diào)用的關(guān)系，可用來跟 蹤系統(tǒng)的執(zhí)行過程。層次結(jié)構(gòu)是一種特殊的使用結(jié)構(gòu)，層就是相關(guān)功能的一致集合，在嚴格的分層結(jié)構(gòu)中，第n層僅能使用第n-1層提供的服務(wù)。部署的角度：物理結(jié)構(gòu)軟件與硬件之間的映射關(guān)系，在分布式或并行系統(tǒng)中有重要意義。23各種

11、結(jié)構(gòu)間的相互關(guān)系各個結(jié)構(gòu)都是從不同角度考察系統(tǒng)，但它們并不完全獨立，它們之間的聯(lián)系是多對多的。每個項目在開發(fā)時一般是注重一個結(jié)構(gòu)，按照這一主要結(jié)構(gòu)來考慮和運用其它結(jié)構(gòu)。經(jīng)驗表明，系統(tǒng)規(guī)模越大，這些結(jié)構(gòu)之間的差異越明顯。使用結(jié)構(gòu)與調(diào)用結(jié)構(gòu)的區(qū)別：1. a使用b的結(jié)果，但a不調(diào)用b；a調(diào)用b，但a不使用b的結(jié)果，例如顯示網(wǎng)頁的各個部分。24調(diào)用結(jié)構(gòu)的例子暫時不能提供的服務(wù)是“我的閱讀”功能，但這不影響其它顯示。使用結(jié)構(gòu)的例子 2007年1月28日晚，在寧波務(wù)工的湖南人唐風軍在鄞州古林鎮(zhèn)一個銀行atm機轉(zhuǎn)賬時，機器出現(xiàn)故障，唐風軍瘋狂轉(zhuǎn)賬225萬，后伙同其弟唐風光，跑了10多家銀行，取走58萬元現(xiàn)金

12、。 2526設(shè)計僅是系統(tǒng)功能需求分析的產(chǎn)物？功能需求設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)？否也！2009年1月3號廣州火車站16萬張票同時出閘致系統(tǒng)癱瘓。 911中是世界貿(mào)易大廈的倒塌。2007年1月18日，招商證券的客戶發(fā)現(xiàn)，在公司進行網(wǎng)絡(luò)交易時，公司網(wǎng)站竟然無法登陸。一部分客戶轉(zhuǎn)向電話服務(wù)尋求幫助，卻發(fā)現(xiàn)電話線路出現(xiàn)同樣的阻塞。行情轉(zhuǎn)瞬即逝。擁堵是由于交易量激增，原有系統(tǒng)容量不足引起的 。奧運門票銷售系統(tǒng)的失敗1.3 軟件架構(gòu)的產(chǎn)生?271.3.1 架構(gòu)受系統(tǒng)風險承擔者的影響風險承擔者對構(gòu)建軟件系統(tǒng)感興趣的人或組織，包括合同中的客戶、系統(tǒng)最終用戶、開發(fā)人員、開發(fā)組織、系統(tǒng)維護人員等，他們所關(guān)注的問題各不相同，但都

13、要求系統(tǒng)在他們所關(guān)注的方面提供保證或優(yōu)化。事物有主要矛盾和次要矛盾之分。開發(fā)系統(tǒng)時，首先要確定其軟件構(gòu)架。借助于構(gòu)架，設(shè)計師可以分析眾多風險承擔者所提出的各種要求的優(yōu)先級，并將這些要求轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的各個特性，再針對它們在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上做折衷，從而得到和諧的架構(gòu)。 28 開發(fā)組織所關(guān)心的問題不同于客戶，它對軟件構(gòu)架的影響分為3類： 直接影響 如希望向產(chǎn)品線發(fā)展 長遠影響 如行業(yè)布局 組織結(jié)構(gòu)的影響 如軟件外包 開發(fā)團隊的經(jīng)驗對設(shè)計師的影響291.3.2 架構(gòu)受設(shè)計師的素質(zhì)和經(jīng)驗的影響 1 熟悉.net的設(shè)計師在設(shè)計時會考慮.net的框架和技術(shù)。 2 熟悉j2ee的設(shè)計師在設(shè)計時會考慮j2ee的框架和技

14、術(shù)。 3 設(shè)計師具有數(shù)據(jù)庫方向的背景，系統(tǒng)會被認為是數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用。 4 設(shè)計師具有網(wǎng)絡(luò)安全的背景，系統(tǒng)的安全會被放在很突出的位置。301.3.3 構(gòu)架受技術(shù)環(huán)境的影響 現(xiàn)在b/s樣式很流行，設(shè)計師在設(shè)計時往往首先考慮系統(tǒng)能否在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下運行。311.3.4 設(shè)計師的溝通能力設(shè)計師的溝通能力從下面三點體現(xiàn)：1 多看別人的長處，這樣才能屈身理解涉眾要求。 案例1：一位項目經(jīng)理的成長過程 第一年，我是一個新手，我的年終總結(jié)是我從周圍同事學到許多東西； 第二年，公司經(jīng)營遇到困難，我的年終總結(jié)是我明年會做得更好； 第三年，我的年終總結(jié)是我和同事合作愉快，他們有很多優(yōu)點值得我去學習。 春節(jié)剛過，我就被提

15、拔為項目經(jīng)理。 設(shè)計師必須明白對業(yè)務(wù)需求的理解程度往往不如涉眾。322 姿態(tài)放低一點 案例2：逗狗師的故事 富人喜歡養(yǎng)很名貴的狗，但狗往往不聽主人的話，只好請逗狗師幫忙訓練狗并參加比賽。逗狗師可以讓一條陌生的狗在幾分鐘內(nèi)聽他的話，詢問原因，乃逗狗師看狗的眼光會讓狗覺得他比它低點。 我們都喜歡平易近人的領(lǐng)導，愿意和他們溝通。 有些領(lǐng)導擔心姿態(tài)放低了，別人不把他當領(lǐng)導，其實這樣的人是很少的。就像逗狗師一樣，姿態(tài)雖然低點，但最終的結(jié)果是狗聽他的話。333 設(shè)計師還要會講故事 設(shè)計結(jié)果往往是抽象的，因此設(shè)計師要給客戶講故事，把抽象的設(shè)計變成一個個故事（場景）。給領(lǐng)導講、給用戶講、給開發(fā)團隊講，給所有的

16、利益相關(guān)者講。故事講好了，所有利益相關(guān)者都聽懂了，聽了都興奮，利益相關(guān)者的需求就更容易表達、理解和驗證。這個設(shè)計師就是成功的設(shè)計師，他所設(shè)計的軟件就容易取得成功。 設(shè)計師講故事當然不是脫離實際的胡編亂造，其本真有四個基礎(chǔ)：意義、產(chǎn)品功能、產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)。 設(shè)計師要能用一般生活常識，把抽象的設(shè)計講解透徹。不從概念出發(fā)，不從已只的模式出發(fā)，不從自身經(jīng)驗出發(fā)，不閉目塞聽，不自說自話，而應(yīng)講究以心比心，換位思考，敢于直面令人不快的真實，以此捕獲利益相關(guān)者的心。在講故事的互動過程中，發(fā)現(xiàn)利益相關(guān)者的真實需求。34 企業(yè)家作為企業(yè)的設(shè)計者早就發(fā)現(xiàn)了這一方法。 任正非至今依然活躍在客戶一線，他把華為塑造成運

17、營商整體解決方案的提供商，在使所有運營商無風險賺錢的同時，自己也成為運營商不可或缺的一個有機部分。當年，任正飛憑華為創(chuàng)新體系的故事，一舉從銀行拿到最便宜的資金。 馬云打著讓天底下生意更好做的旗幟，把阿里巴巴的意義滲透到每一個角落。當年，馬云憑借一個設(shè)想，會面15分鐘，就從孫正義那里募得2000萬美元。 史玉柱則醒悟說一切高規(guī)格的應(yīng)酬都是浪費時間，故而在公司上市后依然一天干十小時客服，把求索客戶心智當成頭等大事。 我們現(xiàn)在談?wù)搒oa，研究soa，其實就是ibm給我們講了一個故事。 ibm提出隨需而變，也是向用戶講了一個故事。35需求(質(zhì)量屬性)設(shè)計師（小組）構(gòu)架構(gòu)架系統(tǒng)客戶和最終用戶開發(fā)組織技術(shù)環(huán)境設(shè)計師的經(jīng)驗、溝通能力架構(gòu)所受的影響36需求(質(zhì)量屬性)設(shè)計師（小組）構(gòu)架構(gòu)架系統(tǒng)客戶和最終用戶開發(fā)組織技術(shù)環(huán)境設(shè)計師的經(jīng)驗1.4 軟件的架構(gòu)不是靜止的37軟件在開發(fā)過程中或交付使用后，都可能會發(fā)生修改，這些修改往往涉及到架構(gòu)的變更。因此軟件版本的演進也是軟件架構(gòu)的演進。 軟件架構(gòu)影響設(shè)計師的經(jīng)驗。軟件架構(gòu)影響開發(fā)組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和經(jīng)營目標。軟件架構(gòu)可能會影響客戶對下個系統(tǒng)的需求有些系統(tǒng)甚至會影響并實際改變軟件工程的發(fā)展，以及開發(fā)人員學習和實踐的技術(shù)環(huán)境，如互聯(lián)網(wǎng)、嵌入式、手機等