1、1 第第6章章 軟件體系結構設計軟件體系結構設計n體系結構設計決策體系結構設計決策n體系結構視圖體系結構視圖n體系結構模式體系結構模式n應用體系結構應用體系結構2 軟件設計模型軟件設計模型 軟件設計是將軟件需求轉換為軟件表示的軟件設計是將軟件需求轉換為軟件表示的過程，也是一個建模過程，以一系列迭代的步過程，也是一個建模過程，以一系列迭代的步驟建立不同的視圖來描述系統。驟建立不同的視圖來描述系統。 主要的設計活動包括：主要的設計活動包括： 數據庫設計、體系結構設計、接口設計、數據庫設計、體系結構設計、接口設計、組件級設計、部署級（組件級設計、部署級（Deployment-Level）的）的設計。

2、設計。 36.1 軟件體系結構設計決策軟件體系結構設計決策n軟件體系結構相關概念軟件體系結構相關概念 軟件體系結構軟件體系結構（Architecture）是有關軟件系是有關軟件系統如何組織的描述。體系結構為軟件系統提供了一統如何組織的描述。體系結構為軟件系統提供了一個個結構、行為和屬性結構、行為和屬性的高級抽象，由組件及其相互的高級抽象，由組件及其相互作用、指導組件集成的模式以及模式的約束組成。作用、指導組件集成的模式以及模式的約束組成。 驗證卡驗證卡輸入處理組件輸入處理組件ATM銀行數據庫服務器銀行數據庫服務器賬戶處理組件賬戶處理組件ATM系統的軟件體系結構（教材圖系統的軟件體系結構（教材圖

3、6-15）獲取用戶賬戶獲取用戶賬戶驗證卡驗證卡選擇服務選擇服務查詢賬戶查詢賬戶更新賬戶更新賬戶驗證卡驗證卡輸出處理組件輸出處理組件ATM打印明細打印明細分發現金分發現金返回卡返回卡4n設計什么樣的體系結構取決于問題的應用類設計什么樣的體系結構取決于問題的應用類型、系統如何分布、使用的體系結構風格型、系統如何分布、使用的體系結構風格（模式）以及體系結構如何文檔化和評估。（模式）以及體系結構如何文檔化和評估。n體系結構模型能夠用來聚焦關于軟件需求和體系結構模型能夠用來聚焦關于軟件需求和設計的討論，并且可以用來文檔化設計過程設計的討論，并且可以用來文檔化設計過程以便作為更詳細設計、實現和進化的基礎。

4、以便作為更詳細設計、實現和進化的基礎。5 體系結構視圖體系結構視圖n當設計和文檔化體系結構時，什么樣的視圖或當設計和文檔化體系結構時，什么樣的視圖或角度最有效？角度最有效？n用什么樣的符號來描述體系結構？用什么樣的符號來描述體系結構？n單個體系結構模型中不可能提出所有相關的信單個體系結構模型中不可能提出所有相關的信息，每一種模型只能顯示系統的一種角度。息，每一種模型只能顯示系統的一種角度。n為了說明系統如何分解，組件如何分布，運行為了說明系統如何分解，組件如何分布，運行時進程間如何交互，需要提供系統的多重視圖。時進程間如何交互，需要提供系統的多重視圖。6n概念視圖概念視圖：系統的高層抽象視圖，

5、給出系統的本質：系統的高層抽象視圖，給出系統的本質內容。內容。n邏輯視圖邏輯視圖：顯示了系統中對象類的抽象，通過該視：顯示了系統中對象類的抽象，通過該視圖可將系統需求和實體關聯起來。圖可將系統需求和實體關聯起來。n進程視圖進程視圖：顯示系統運行時一組交互的進程，對于：顯示系統運行時一組交互的進程，對于分析系統的非功能特征很有效。分析系統的非功能特征很有效。n開發視圖開發視圖：為便于開發，將系統分解成可以由獨立：為便于開發，將系統分解成可以由獨立開發團隊實現的組件。開發團隊實現的組件。n物理視圖物理視圖：即部署圖，顯示了系統硬件和軟件組件：即部署圖，顯示了系統硬件和軟件組件如何分布在處理器上。如

6、何分布在處理器上。不同視圖可能會涉及到不同體系結構模式或風格。不同視圖可能會涉及到不同體系結構模式或風格。 需要建立什么樣的視圖有很多選擇，需要建立什么樣的視圖有很多選擇，Krutchen和和Hofmeister建議以下幾種視圖：建議以下幾種視圖：76.3 體系結構模式體系結構模式n體系結構風格（體系結構風格（Styles）是構造的一種）是構造的一種模式模式(Pattern)，類似于建筑行業中的建筑風格，是描述某一特定應用域類似于建筑行業中的建筑風格，是描述某一特定應用域中系統組織方式的中系統組織方式的慣用模式，慣用模式，是對是對好的實踐經驗好的實踐經驗所做出所做出的格式化的抽象描述（如教材的

7、格式化的抽象描述（如教材P98圖圖6-2 MVC模式模式 ），），反映了領域中眾多系統所共有的結構和語義特性。反映了領域中眾多系統所共有的結構和語義特性。n下圖是下圖是MVC（ Model-View-Controller ）模式的概念視模式的概念視圖，它是構建基于圖，它是構建基于Web應用系統體系結構的基礎。應用系統體系結構的基礎。8視圖修改信息視圖修改信息模型查詢和更新模型查詢和更新模型編輯信息模型編輯信息用戶輸入用戶輸入控制器狀態控制器狀態控制器方法控制器方法模型狀態模型狀態模型方法模型方法視圖狀態視圖狀態視圖方法視圖方法 MVC模式模式 在在MVC結構中，結構中，模型模型管理系統中的數據

8、及其操作；管理系統中的數據及其操作；視圖視圖管理顯示數據；而管理顯示數據；而控制器控制器管理用戶的交互，并傳遞這些交互管理用戶的交互，并傳遞這些交互給視圖和模型。給視圖和模型。 該模式分離了系統的組成元素，允許它們被獨立地開發該模式分離了系統的組成元素，允許它們被獨立地開發與維護，如增加或修改一個視圖不需要改變模型底層數據。與維護，如增加或修改一個視圖不需要改變模型底層數據。 9BrowserController管理用戶請求管理用戶請求模型編輯模型編輯 選擇視圖選擇視圖 Model 封裝并實現功能封裝并實現功能 封裝內容對象封裝內容對象 分類所有的分類所有的WebApp狀態狀態 View 格式

9、化來自模型的數據格式化來自模型的數據 狀態改變請求模型更新狀態改變請求模型更新 顯示控制器所選擇的視圖顯示控制器所選擇的視圖ClientServerUser request or dataHTML dataView selectionDataUpdate requestExternal dataBehavior request (state change)Web應用系統一般的體系結構應用系統一般的體系結構10 研究研究體系結構風格的意義體系結構風格的意義： 有利于發現不同系統在較高級別上的共同特性。有利于發現不同系統在較高級別上的共同特性。 對體系結構的了解，使得在設計軟件結構時選擇對體系結構

10、的了解，使得在設計軟件結構時選擇合適的模式，進行正確地設計。合適的模式，進行正確地設計。 使用常用的、規范的模式來組織結構，使別的設使用常用的、規范的模式來組織結構，使別的設計者易于理解、便于交流。計者易于理解、便于交流。 有利于較高級別上的軟件復用。判斷能否在不同有利于較高級別上的軟件復用。判斷能否在不同的軟件系統中使用同一體系結構。的軟件系統中使用同一體系結構。 以下根據本教材介紹幾種以下根據本教材介紹幾種通用的模型通用的模型：116.3.1 分層體系結構分層體系結構n該模式是實現分離性和獨立性的另一個方式。該模式是實現分離性和獨立性的另一個方式。n系統的功能被劃分成幾個獨立的層次，最內層

11、系統的功能被劃分成幾個獨立的層次，最內層完成最基本的公用操作，向外各層逐漸進行功完成最基本的公用操作，向外各層逐漸進行功能擴展，各層形成了不同功能級別的虛擬機能擴展，各層形成了不同功能級別的虛擬機（Virtual Machine)，每層只依賴內層中的虛每層只依賴內層中的虛擬機提供的服務。擬機提供的服務。1213四層式通用軟件體系結構四層式通用軟件體系結構應用軟件層應用軟件層特定業務層特定業務層中間件層中間件層系統軟件層系統軟件層各個應用的各種變型各個應用的各種變型各個應用系統各個應用系統各個組件庫系統各個組件庫系統 ( (針對特定域、特定業務針對特定域、特定業務) )不依賴平臺的低層組件等不依

12、賴平臺的低層組件等特定的平臺軟件：操作系統等特定的平臺軟件：操作系統等14Web瀏覽器界面瀏覽器界面系統登錄系統登錄表單和查表單和查詢管理器詢管理器打印管打印管理器理器分布式分布式搜索搜索版權管版權管理器理器記賬記賬處理處理文檔文檔恢復恢復圖書館索引圖書館索引數據庫數據庫1數據庫數據庫2數據庫數據庫n LIBSYS系統的體系結構（教材圖系統的體系結構（教材圖6-7）用戶界面用戶界面 用戶界面管理用戶界面管理身份驗證和授權身份驗證和授權核心業務邏輯核心業務邏輯/應用功能應用功能 系統適用程序系統適用程序支持平臺支持平臺（OS、DBMS等）等）通用分層體系結構（教材圖通用分層體系結構（教材圖6-6

13、）15優點優點： 支持基于抽象程度遞增的系統設計，可將一個復雜支持基于抽象程度遞增的系統設計，可將一個復雜的系統按功能遞增的步驟進行分解。的系統按功能遞增的步驟進行分解。 具有較好的可擴展性。每一層功能的改變最多影響具有較好的可擴展性。每一層功能的改變最多影響相鄰上下層。相鄰上下層。 支持軟件復用。只要提供的服務接口不變，同一層支持軟件復用。只要提供的服務接口不變，同一層的不同實現可以交換使用。因此可定義一組標準接口，的不同實現可以交換使用。因此可定義一組標準接口，允許有多種不同的實現方法。允許有多種不同的實現方法。 不足不足： 并不是所有系統都會清晰地分層，高層可能直接同并不是所有系統都會清

14、晰地分層，高層可能直接同底層交互。因為服務請求會在每層中被處理，所以需要底層交互。因為服務請求會在每層中被處理，所以需要多層解釋，影響到系統性能。多層解釋，影響到系統性能。 166.3.2 容器體系結構容器體系結構n容器模型是基于一個容器模型是基于一個共享數據庫的系統模共享數據庫的系統模型，該模型適合于數型，該模型適合于數據由一個組件產生而據由一個組件產生而由其他組件使用的情由其他組件使用的情形。（右圖）形。（右圖）n體系結構為該類型的體系結構為該類型的系統例子如管理信息系統例子如管理信息系統（系統（MIS）、）、CAD系統、系統、CASE工具集、工具集、可復用組件庫等?？蓮陀媒M件庫等。17設

15、計分析器設計分析器報告生成器報告生成器項目數據倉庫項目數據倉庫設計編輯器設計編輯器代碼生成器代碼生成器設計翻譯器設計翻譯器程序編輯器程序編輯器18 共享容器模型的優缺點：共享容器模型的優缺點：n能高效的共享數據，無須在組件之間進行數據交換。能高效的共享數據，無須在組件之間進行數據交換。n組件一定要與容器的數據模型一致。大量信息都按照組件一定要與容器的數據模型一致。大量信息都按照一致的數據模型生成，進化會變的困難。一致的數據模型生成，進化會變的困難。n生產數據的組件不需要關心數據如何被其他組件使用。生產數據的組件不需要關心數據如何被其他組件使用。n備份、保密性、訪問控制、錯誤恢復等活動都是容器備

16、份、保密性、訪問控制、錯誤恢復等活動都是容器管理員的職責，客戶程序主要集中在自己的功能上。管理員的職責，客戶程序主要集中在自己的功能上。不同的組件對這些活動要求不同，而容器模型迫使所不同的組件對這些活動要求不同，而容器模型迫使所有的組件使用相同的策略。有的組件使用相同的策略。n容器中出現問題會影響整個系統。容器中出現問題會影響整個系統。n是系統的靜態結構，不能展現系統運行時的組織。是系統的靜態結構，不能展現系統運行時的組織。 196.3.3 客戶機客戶機-服務器體系結構服務器體系結構n是分布式系統運行時的組織。該模型是分布式系統運行時的組織。該模型主要組成部分是：主要組成部分是： 一組為其他組

17、件提供服務的服務器。如打印服務一組為其他組件提供服務的服務器。如打印服務器、文件服務器、編譯服務器、圖片服務器等。器、文件服務器、編譯服務器、圖片服務器等。 一組向服務器請求服務的客戶機，客戶機必須知一組向服務器請求服務的客戶機，客戶機必須知道服務器的名字及它們所提供的服務，通過遠程調用使道服務器的名字及它們所提供的服務，通過遠程調用使用訪問協議（如用訪問協議（如HTTP）獲取服務。在某個時間內可能）獲取服務。在某個時間內可能有多個客戶程序在在不同的計算機上并發運行。有多個客戶程序在在不同的計算機上并發運行。 一個連接客戶機和服務器的網絡。一個連接客戶機和服務器的網絡。 大多數客戶機大多數客戶

18、機-服務器系統實現為分布式系統，通服務器系統實現為分布式系統，通過互聯網的協議連接在一起。過互聯網的協議連接在一起。 下圖展示了影片資料庫系統的體系結構。下圖展示了影片資料庫系統的體系結構。20film & picture library系統的體系結構系統的體系結構 21客戶機客戶機-服務器模型的優缺點服務器模型的優缺點優點：優點：n分布式處理，運行角色分布在網絡上的不同地點，分布式處理，運行角色分布在網絡上的不同地點，一般性的功能可以被所有的客戶程序使用。一般性的功能可以被所有的客戶程序使用。n添加或更新一臺服務器不影響系統的其他部分。添加或更新一臺服務器不影響系統的其他部分。不足：

19、不足：n性能無法預知，依賴于網絡也依賴于系統。性能無法預知，依賴于網絡也依賴于系統。n當服務器屬于不同的機構時，存在著管理方面的問當服務器屬于不同的機構時，存在著管理方面的問題。題。226.3.4 管道管道-過濾器體系結構過濾器體系結構n系統運行時組織的模型，看作是對相繼輸入數據的一系統運行時組織的模型，看作是對相繼輸入數據的一系列變換。一批數據進入系統，流經一個個組件最后系列變換。一批數據進入系統，流經一個個組件最后到達終點（輸出或數據庫）。組件稱為過濾器，能夠到達終點（輸出或數據庫）。組件稱為過濾器，能夠對數據進行漸進式的轉換（一種流變換為另一種流）。對數據進行漸進式的轉換（一種流變換為另

20、一種流）。數據流的通路稱為管道。（見下圖數據流的通路稱為管道。（見下圖) n具有該模型的典型應用是具有該模型的典型應用是UNIX系統，連接進程時用到系統，連接進程時用到管道，從一個進程到另一個進程傳送文本流。管道，從一個進程到另一個進程傳送文本流。n還有的應用例子：如傳統的數據處理系統（如票據處還有的應用例子：如傳統的數據處理系統（如票據處理）、傳統的編譯器（詞法分析、語法分析、語義分理）、傳統的編譯器（詞法分析、語法分析、語義分析、代碼生成）、數字通信（傳遞文字、語音、圖片、析、代碼生成）、數字通信（傳遞文字、語音、圖片、圖像等）系統。圖像等）系統。2324讀票據讀票據確認支付確認支付發出收

21、據發出收據檢查支付檢查支付截止日期截止日期發出支付發出支付提醒提醒票據票據支付信息支付信息未支付信息未支付信息收據收據提醒提醒管道管道-過濾器模型實例過濾器模型實例25優點優點：n沒有復雜的組件交互。沒有復雜的組件交互。n支持軟件重用：由管道連接起來的過濾器的組合又可支持軟件重用：由管道連接起來的過濾器的組合又可看成一個過濾器，可應用到其他系統中。看成一個過濾器，可應用到其他系統中。n易于維護：過濾器替換方便。易于維護：過濾器替換方便。n支持并行執行過濾器，但要考慮并行執行時數據流之支持并行執行過濾器，但要考慮并行執行時數據流之間的同步問題。間的同步問題。缺陷缺陷：n適用批處理方式，不適合構建

22、交互式應用的系統。如適用批處理方式，不適合構建交互式應用的系統。如對圖形化的用戶界面，有復雜的輸入輸出格式、基于對圖形化的用戶界面，有復雜的輸入輸出格式、基于事件的鼠標點擊或菜單選擇的控制信息，將其轉換成事件的鼠標點擊或菜單選擇的控制信息，將其轉換成與數據流模型兼容的格式是困難的。與數據流模型兼容的格式是困難的。266.3.5 集中式控制模型集中式控制模型n一個組件被指定為一個組件被指定為系統控制器系統控制器，負責管理其他組的執，負責管理其他組的執行。該模型根據組件是順序執行還是并發執行又分成行。該模型根據組件是順序執行還是并發執行又分成兩類：兩類： 調用調用-返回模型返回模型 自上而下的調用

23、，自上而下的調用，控制始于控制層次控制始于控制層次的頂層，往往只有的頂層，往往只有一個控制線程。優一個控制線程。優點是容易分析與理點是容易分析與理解系統的控制流。解系統的控制流。補充幾種體系結構模型（補充幾種體系結構模型（.7）：27 管理者模型管理者模型 適用于描述并發系統。一個組件被指定為系統管適用于描述并發系統。一個組件被指定為系統管理者，它控制其他系統進程的啟動、終止和協調。如理者，它控制其他系統進程的啟動、終止和協調。如下圖展示了一個實時系統的集中式控制模型：下圖展示了一個實時系統的集中式控制模型：傳感器進程傳感器進程傳動裝置進程傳動裝置進程計算進程計算進程用戶界面用

24、戶界面故障處理進程故障處理進程系統控制器系統控制器 系統控制器系統控制器根據狀態變量決定什么時候進程應該啟動根據狀態變量決定什么時候進程應該啟動或停止?？刂破骺偸遣煌５难h，檢測傳感器和其他進程或停止?？刂破骺偸遣煌５难h，檢測傳感器和其他進程的事件或狀態的變化。的事件或狀態的變化。28 6.3.6 基于事件驅動模型基于事件驅動模型-廣播模型廣播模型 在集中式控制模型中，在集中式控制模型中，控制決策控制決策通常取決于系統的通常取決于系統的狀態狀態變量值變量值。事件驅動模型是通過。事件驅動模型是通過外部產生的事件外部產生的事件來驅動系統。來驅動系統。 子系統在事件處理器中注冊其感興趣的事件。當事

25、件處子系統在事件處理器中注冊其感興趣的事件。當事件處理器檢測到事件，查閱事件記錄，然后將命令傳送給所有與理器檢測到事件，查閱事件記錄，然后將命令傳送給所有與此事件有關的子系統，子系統接收到命令做相應處理。（下此事件有關的子系統，子系統接收到命令做相應處理。（下圖）圖）29 優點優點：進化較簡單。新的子系統通過在事件處理器：進化較簡單。新的子系統通過在事件處理器中注冊事件來達到集成。一個子系統可以在不知道其他中注冊事件來達到集成。一個子系統可以在不知道其他子系統的名字和位置的情況下激活其他子系統。（隱式子系統的名字和位置的情況下激活其他子系統。（隱式調用）調用） 缺點缺點：子系統不知道是否或什么

26、時候事件將會被處：子系統不知道是否或什么時候事件將會被處理。當一個子系統產生一個事件，它不知道哪個子系統理。當一個子系統產生一個事件，它不知道哪個子系統與該事件有關。若多個不同的子系統注冊了相同的事件，與該事件有關。若多個不同的子系統注冊了相同的事件，就會發生沖突。就會發生沖突。 應用應用：網絡管理系統一般有一個事件服務器，處理：網絡管理系統一般有一個事件服務器，處理被管網絡和網管系統內部發生的所有事件。其他的管理被管網絡和網管系統內部發生的所有事件。其他的管理工具如故障管理、性能管理和配置管理等工具，作為事工具如故障管理、性能管理和配置管理等工具，作為事件服務器的客戶，在服務器上注冊與自己有

27、關的事件。件服務器的客戶，在服務器上注冊與自己有關的事件。當相關事件發生時，相應管理工具的過程自動被調用。當相關事件發生時，相應管理工具的過程自動被調用。 306.3.7 正交軟件體系結構正交軟件體系結構n正交軟件體系結構由組織層（橫向）和線索（縱向）正交軟件體系結構由組織層（橫向）和線索（縱向）的組件構成。的組件構成。n層由一組具有相同抽象級別的組件構成。線索是子系層由一組具有相同抽象級別的組件構成。線索是子系統的特例。每一條線索完成整個系統中相對獨立的一統的特例。每一條線索完成整個系統中相對獨立的一部分功能。每一條線索的實現與其他線索的實現無關部分功能。每一條線索的實現與其他線索的實現無關

28、或關聯很少，同一層中的組件之間不存在相互調用或關聯很少，同一層中的組件之間不存在相互調用（正交）。（正交）。n該體系結構的框架如下圖所示。該體系結構的框架如下圖所示。31優點：優點： （1）結構清晰，易于理解。）結構清晰，易于理解。 （2）易修改，可維護性強。）易修改，可維護性強。 （3）可移植性強，重用顆粒大。可移植性強，重用顆粒大。326.4 應用體系結構應用體系結構n前一節介紹的體系結構是應用較多的體系結前一節介紹的體系結構是應用較多的體系結構模式。構模式。n應用體系結構的通用模型（封裝了該類系統應用體系結構的通用模型（封裝了該類系統的基本特征）能幫助我們較好地進行應用系的基本特征）能幫

29、助我們較好地進行應用系統的設計，通過比較相同類型的應用，達到統的設計，通過比較相同類型的應用，達到模型或大粒度組件的復用，并能驗證應用系模型或大粒度組件的復用，并能驗證應用系統設計的有效性。統設計的有效性。33兩種典型的應用類型：兩種典型的應用類型：n事務處理應用：事務處理應用： 以數據庫為中心，處理來自客以數據庫為中心，處理來自客戶對信息的請求，更新數據庫。如銀行系統、電戶對信息的請求，更新數據庫。如銀行系統、電子商務、信息系統、企業資源規劃（子商務、信息系統、企業資源規劃（ERP）系統）系統等。等。n語言處理系統：語言處理系統： 如編譯器，數據庫中對命令語言如編譯器，數據庫中對命令語言的翻

30、譯等。的翻譯等。34事務處理系統事務處理系統n事務是為達到某個目標的相關的操作序列。事務處理事務是為達到某個目標的相關的操作序列。事務處理系統用來處理用戶對數據庫查詢或請求，并對數據庫系統用來處理用戶對數據庫查詢或請求，并對數據庫更新的系統。更新的系統。n該系統是交互式系統，允許數據庫中的信息被多個遠該系統是交互式系統，允許數據庫中的信息被多個遠程用戶異步訪問。程用戶異步訪問。輸入輸入/輸輸出處理出處理應用相應用相關邏輯關邏輯請求請求事務事務事務管理器（事務管理器（嵌嵌入入DBMS）內）內完成信號完成信號DB事務處理應用的概念體系結構事務處理應用的概念體系結構輸出輸出35ATM系統的軟件體系結構系統的軟件體系結構 事務處理系統可以組織成事務處理系統可以組織成“管道管道-過濾器過濾器”體體系結構。該系統由兩部分組成：系結構。該系統由兩部分組成： ATM軟件