1、2022年3月10日廣東工業大學計算機學院1 軟件體系結構軟件體系結構 Software Architecture2022-3-10廣東工業大學計算機學院2第第12章章 軟件體系結構性能軟件體系結構性能o性能涉及的是系統的響應，重點論述質量度量的基性能涉及的是系統的響應，重點論述質量度量的基本理論，方法論，質量屬性，動機，排隊理論，提本理論，方法論，質量屬性，動機，排隊理論，提取體系結構進程視圖，性能分析過程，分析體系結取體系結構進程視圖，性能分析過程，分析體系結構性能。構性能。 o本章內容：本章內容：o12.1 軟件度量的基本理論軟件度量的基本理論o12.2質量度量的方法論質量度量的方法論o

2、12.3軟件體系結構質量屬性軟件體系結構質量屬性o12.4動機動機2022-3-10廣東工業大學計算機學院3o12.5 排隊理論排隊理論o12.6 應用排隊理論的基礎應用排隊理論的基礎o12.7 提取體系結構進程視圖提取體系結構進程視圖o12.8 性能分析過程性能分析過程o12.9使用排隊理論分析體系結構性能使用排隊理論分析體系結構性能o12.10實例分析實例分析2022-3-10廣東工業大學計算機學院412.1 軟件度量的基本理論軟件度量的基本理論o度量就是把數值或符號賦予所研究的對象。度量都度量就是把數值或符號賦予所研究的對象。度量都必須具備因素必須具備因素:o被度量的對象、被度量的對象、

3、o將被度量的屬性、將被度量的屬性、o賦予對象的數值或符號賦予對象的數值或符號o使對象與數值或符號相聯系的映射使對象與數值或符號相聯系的映射 。o形式化定義。形式化定義。 2022-3-10廣東工業大學計算機學院52022-3-10廣東工業大學計算機學院6o軟件兩種屬性。軟件兩種屬性。o內部屬性一般有清晰的定義并能進行客觀的度量，內部屬性一般有清晰的定義并能進行客觀的度量，通常描述軟件結構上的復雜性，如軟件大小、控制通常描述軟件結構上的復雜性，如軟件大小、控制流、藕合度等。流、藕合度等。o外部屬性通常涉及到人和環境等外部因素，如復雜外部屬性通常涉及到人和環境等外部因素，如復雜性、可維護性、可讀性

4、等。性、可維護性、可讀性等。 2022-3-10廣東工業大學計算機學院712.2質量度量的方法論質量度量的方法論o質量度量方法質量度量方法4個階段個階段:o1)建立軟件質量需求建立軟件質量需求o在具體應用的特定環境下，質量需求表示對軟件產在具體應用的特定環境下，質量需求表示對軟件產品質量的定量要求，質量需求說明可定量定義為所品質量的定量要求，質量需求說明可定量定義為所需質量特性的直接度量及其直接度量目標值。直接需質量特性的直接度量及其直接度量目標值。直接度量值用來驗證最終產品是否達到了質量需求。度量值用來驗證最終產品是否達到了質量需求。o2)準備度量準備度量o根據環境，為軟件開發的各個階段和其

5、最終產品分根據環境，為軟件開發的各個階段和其最終產品分別確定適當的度量元，建立度量元、質量子特性、別確定適當的度量元，建立度量元、質量子特性、質量特性的映射模型，確定合理的評估準則。質量特性的映射模型，確定合理的評估準則。2022-3-10廣東工業大學計算機學院8o3)實現度量實現度量o試驗數據收集和度量計算規程，分析其度量要求是試驗數據收集和度量計算規程，分析其度量要求是否確切、數據是否一致；其次檢查需要主觀判斷的否確切、數據是否一致；其次檢查需要主觀判斷的數據說明和要求是否足夠清晰，檢查所收集到的數數據說明和要求是否足夠清晰，檢查所收集到的數據準確性、一致性、度量單位的合適性，確認數據據準

6、確性、一致性、度量單位的合適性，確認數據樣本的隨機性、相似性、最小樣本數等。樣本的隨機性、相似性、最小樣本數等。o4)分析度量結果分析度量結果o要確定度量元是否適用于當前軟件質量度量活動并要確定度量元是否適用于當前軟件質量度量活動并可以用于預測軟件質量特性值，分析度量結果不僅可以用于預測軟件質量特性值，分析度量結果不僅要進行度量元的確認，還要作出度量和評估的結論。要進行度量元的確認，還要作出度量和評估的結論。 2022-3-10廣東工業大學計算機學院912.3軟件體系結構質量屬性軟件體系結構質量屬性o質量屬性主要是激勵，響應和體系結構三個屬性。質量屬性主要是激勵，響應和體系結構三個屬性。關系表

7、述為：激勵是外部的輸入，體系結構必須響關系表述為：激勵是外部的輸入，體系結構必須響應；響應是體系結構對激勵的反應。應；響應是體系結構對激勵的反應。 o12.3.1性能性能 o1.性能激勵性能激勵o激勵是導致不同級別性能的因素，為響應所測量。激勵是導致不同級別性能的因素，為響應所測量。o工作模式工作模式:正常工作模式和超負荷工作模式。正常工作模式和超負荷工作模式。o事件源事件源:在響應內部、外部和時鐘中斷不同事件。在響應內部、外部和時鐘中斷不同事件。o事件到達的頻率事件到達的頻率:激勵到達有周期性和非周期性兩激勵到達有周期性和非周期性兩種。種。 2022-3-10廣東工業大學計算機學院10o2.

8、性能響應性能響應o系統的響應主要由反應時間、吞吐量和優先構成。系統的響應主要由反應時間、吞吐量和優先構成。o反應時間反應時間(Latency):反應時間度量方面有系統最反應時間度量方面有系統最好、平均和最壞工作三種情況。好、平均和最壞工作三種情況。o吞吐量吞吐量(Throughput):在最好、平均和最壞工作在最好、平均和最壞工作情況下，系統的吞吐量。情況下，系統的吞吐量。o優先優先(Precedence):系統根據一些優先規則來響系統根據一些優先規則來響應到來的事件。應到來的事件。2022-3-10廣東工業大學計算機學院11o3.性能體系結構性能體系結構o性能體系結構主要關心資源性能體系結構

9、主要關心資源:什么資源，怎樣使用什么資源，怎樣使用資源以及如何解決沖突。資源以及如何解決沖突。o資源類型可以松散地分為四類資源類型可以松散地分為四類:計算計算(CPU)資源，資源，通訊通訊(網絡網絡)資源，設備和傳感器資源，和內存資源。資源，設備和傳感器資源，和內存資源。o資源消費，如何使用資源資源消費，如何使用資源(比如比如:網絡的帶寬網絡的帶寬)。o資源仲裁，對特定資源的競爭請求間如何使用的過資源仲裁，對特定資源的競爭請求間如何使用的過程和策略。程和策略。2022-3-10廣東工業大學計算機學院1212.4動機動機 o性能分析的動機性能分析的動機:o(1)應用排隊理論分析體系結構性能時，其

10、理論只應用排隊理論分析體系結構性能時，其理論只是應用了體系結構物理配置與網絡節點相同這個特是應用了體系結構物理配置與網絡節點相同這個特點來分析體系結構性能，沒有總結成分析方法。點來分析體系結構性能，沒有總結成分析方法。o(2) ABAS與面向對象的模式表示方法相似，每一與面向對象的模式表示方法相似，每一種風格都是為特定的問題而提出，同時也解決提出種風格都是為特定的問題而提出，同時也解決提出的問題并分析推理這種風格的某種質量屬性。的問題并分析推理這種風格的某種質量屬性。o(3)可以用體系結構描述中的進程視圖分析性能。可以用體系結構描述中的進程視圖分析性能。從分析進程視圖出發可能會得出多種分析方法

11、。從分析進程視圖出發可能會得出多種分析方法。2022-3-10廣東工業大學計算機學院13o(4)分析一些設計和分析方法，設計出來的結果和分析一些設計和分析方法，設計出來的結果和分析方法一般都是一個體系結構的集合。分析方法一般都是一個體系結構的集合。o(5)當前體系結構性能質量屬性比較成熟，可以比當前體系結構性能質量屬性比較成熟，可以比較容易的度量。較容易的度量。2022-3-10廣東工業大學計算機學院1412.5 排隊理論排隊理論o排隊論研究的是顧客隨機的到達應該服務系統、排排隊論研究的是顧客隨機的到達應該服務系統、排隊等待、被服務并離開的過程。由于顧客是隨機到隊等待、被服務并離開的過程。由于

12、顧客是隨機到達的對于每個顧客的要求提供服務也是隨機的，都達的對于每個顧客的要求提供服務也是隨機的，都是概率事件，因而排隊理論的基礎是概率論。是概率事件，因而排隊理論的基礎是概率論。 o在概率論中，隨機變量有兩類：離散的隨機變量和在概率論中，隨機變量有兩類：離散的隨機變量和連續的隨機變量。假定有無窮多個顧客，且顧客都連續的隨機變量。假定有無窮多個顧客，且顧客都是相互獨立地到達。則可以證明在一個長度為是相互獨立地到達。則可以證明在一個長度為t 的的時間內正好有時間內正好有k個顧客到達的概率服從泊爾松個顧客到達的概率服從泊爾松（poisson）分布規律：）分布規律：tkkekttP!)()(2022

13、-3-10廣東工業大學計算機學院15o排隊系統有五個要素：排隊系統有五個要素：o1）顧客服從的規律，通常用到達時間間隔的概率）顧客服從的規律，通常用到達時間間隔的概率密度函數來描述。密度函數來描述。o2）服務員服務的規律，通常用服務時間的概率密）服務員服務的規律，通常用服務時間的概率密度函數來描述。度函數來描述。o3）服務員的個數。）服務員的個數。o4）排隊的法則。）排隊的法則。o5）隊列空間的大小。）隊列空間的大小。2022-3-10廣東工業大學計算機學院1612.5.1穩定狀態下的數據流穩定狀態下的數據流o1.李特爾定律李特爾定律o設有一網絡，其邊界為一封閉曲線設有一網絡，其邊界為一封閉曲

14、線(如圖如圖12-1)。 2022-3-10廣東工業大學計算機學院17o設數據為長短不一的報文。報文隨機進入網絡，再設數據為長短不一的報文。報文隨機進入網絡，再按其排隊的先后順序，發往其他地方。按其排隊的先后順序，發往其他地方。o在穩定狀態下，設在時間間隔在穩定狀態下，設在時間間隔(0，t)內進入網絡的內進入網絡的報文數目為報文數目為a(t)，離開網絡的報文數，離開網絡的報文數H為為 。它。它們的差值為們的差值為N(t)，是在此時間間隔里存儲在網絡，是在此時間間隔里存儲在網絡中的報文數目，即中的報文數目，即: o N(t) = a(t)一一 )(t)(t2022-3-10廣東工業大學計算機學院

15、18報文進入和離開網絡的表示曲線如圖報文進入和離開網絡的表示曲線如圖12-2所示所示2022-3-10廣東工業大學計算機學院19o 表示在時間間隔長度為表示在時間間隔長度為t時，報文的平均到達率，時，報文的平均到達率，其表達式為：其表達式為： （121）o (t)表示所有的報文在網絡中已經經歷的時間表示所有的報文在網絡中已經經歷的時間(t)，即是曲線，即是曲線 (t)和和 (t)之間的面積，計算公之間的面積，計算公式為式為: (12-2)o顯然，在時間間隔顯然，在時間間隔(0，t)內網絡中的平均報文數內網絡中的平均報文數目目Nt應為應為: （12-3） ttat/ )(tdxxNt0)()(t

16、ttdxxNNtt/ )(/)(02022-3-10廣東工業大學計算機學院202022-3-10廣東工業大學計算機學院21o在穩定狀態下，存儲在網絡中的報文平均數等于報在穩定狀態下，存儲在網絡中的報文平均數等于報文的平均到達率乘以這些報文在網絡中經歷的平均文的平均到達率乘以這些報文在網絡中經歷的平均時間。這就是著名的李特爾定律。時間。這就是著名的李特爾定律。 2022-3-10廣東工業大學計算機學院22o2信量強度信量強度2022-3-10廣東工業大學計算機學院23o通信量強度是報文平均到達率與輸出信道所能提供通信量強度是報文平均到達率與輸出信道所能提供的報文平均輸出率之比，由的報文平均輸出率

17、之比，由(12-12)式可得出在式可得出在穩定狀態下穩定狀態下 ：C2022-3-10廣東工業大學計算機學院2412.5.2排隊網絡排隊網絡o排隊網絡的基本單元是服務中心和隊列。排隊網絡的基本單元是服務中心和隊列。o隊列是一個具有某些排隊規則隊列是一個具有某些排隊規則(FIFO等等)的緩沖。的緩沖。每一個服務中心有一個包含有必須處理的報文隊列。每一個服務中心有一個包含有必須處理的報文隊列。o排隊理論分析不僅能將整個網絡作為一個整體來分排隊理論分析不僅能將整個網絡作為一個整體來分析，同時也能夠提供結果為單獨的隊列析，同時也能夠提供結果為單獨的隊列(與服務中與服務中心相關心相關)。為了得出單個服務

18、中心的性能特點，兩。為了得出單個服務中心的性能特點，兩條重要的信息必須知道條重要的信息必須知道: 報文的平均到達率和服務報文的平均到達率和服務中心處理一個報文的平均時間。服務時間和報文到中心處理一個報文的平均時間。服務時間和報文到達時間通常呈現出指數分布。達時間通常呈現出指數分布。2022-3-10廣東工業大學計算機學院25o下面是一個負指數概率密度函數它的期望是下面是一個負指數概率密度函數它的期望是o排隊理論可能計算出的單一隊列的結論有排隊理論可能計算出的單一隊列的結論有:o(1)利用率；利用率；o(2)單個報文在隊列里等待的平均時間；單個報文在隊列里等待的平均時間；o(3)平均隊列長度；平

19、均隊列長度；o(4)長度為長度為n隊列的概率；隊列的概率；o(5)系統是穩定的還是超載的，在超載的系統里，系統是穩定的還是超載的，在超載的系統里，隊列增長速度大于工作處理速度隊列增長速度大于工作處理速度 ，那么服務器將，那么服務器將不能正常工作；不能正常工作；/1tetf)(2022-3-10廣東工業大學計算機學院26o(6)用一個長度為用一個長度為b的緩沖實現一個隊列，到來的的緩沖實現一個隊列，到來的工作由于緩沖溢出而導致的丟棄率工作由于緩沖溢出而導致的丟棄率(drop rate)。o可能計算出的期望值有可能計算出的期望值有:o(1)反應時間，一個報文徹底處理完的時間；反應時間，一個報文徹底

20、處理完的時間；o(2)吞吐量，報文的處理量；吞吐量，報文的處理量；o(3)利用率最高的節點，一個可能的瓶頸。利用率最高的節點，一個可能的瓶頸。2022-3-10廣東工業大學計算機學院2712.6 應用排隊理論的基礎應用排隊理論的基礎o分析性能條件分析性能條件:o(1)排隊理論須能描述體系結構性能屬性；排隊理論須能描述體系結構性能屬性；o(2)對體系結構限制，能達到與計算機網絡相似性對體系結構限制，能達到與計算機網絡相似性12.6.1性能屬性分析性能屬性分析o(1)激勵激勵: 激勵是導致不同級別的性能的因素，工激勵是導致不同級別的性能的因素，工作模式作模式:正常工作模式和超負荷工作模式。正常工作

21、模式和超負荷工作模式。o(2)響應響應:能夠得出網絡報文的響應時間和最大吞能夠得出網絡報文的響應時間和最大吞吐量。吐量。o(3)體系結構體系結構:在網絡中每個節點自己擁有固定的在網絡中每個節點自己擁有固定的資源，對資源分配規則即是對報文的處理規則。資源，對資源分配規則即是對報文的處理規則。2022-3-10廣東工業大學計算機學院2812.6.2網絡相似性網絡相似性o網絡相似性分析網絡相似性分析:o(1) 網絡節點的進程視圖和體系結構的進程視圖。網絡節點的進程視圖和體系結構的進程視圖。網絡的節點進程視圖把節點看作一個大的進程。網網絡的節點進程視圖把節點看作一個大的進程。網絡節點進程視圖和體系結構

22、進程視圖中的進程相似，絡節點進程視圖和體系結構進程視圖中的進程相似，如圖如圖12-6所示所示 2022-3-10廣東工業大學計算機學院29o(2)計算機網絡現有的物理設備極其拓撲結構、處計算機網絡現有的物理設備極其拓撲結構、處理的報文。理的報文。o(3)計算機網絡運行狀態下，整個網絡的工作機制計算機網絡運行狀態下，整個網絡的工作機制和節點的并發性。和節點的并發性。2022-3-10廣東工業大學計算機學院3012.6.3應用排隊理論分析計算機網絡應用排隊理論分析計算機網絡2022-3-10廣東工業大學計算機學院312022-3-10廣東工業大學計算機學院322022-3-10廣東工業大學計算機學

23、院332022-3-10廣東工業大學計算機學院3412.7 提取體系結構進程視圖提取體系結構進程視圖o體系結構的連接和組件。如圖體系結構的連接和組件。如圖12-7 2022-3-10廣東工業大學計算機學院35o體系結構組成元素分析體系結構組成元素分析 o(1) 數據流數據流o數據流兩種形式數據流兩種形式:雙向的數據流和單向的數據流。雙向的數據流和單向的數據流。o對于雙向的數據流，可將其看作是兩個單向的數據對于雙向的數據流，可將其看作是兩個單向的數據流。流。o對單向的數據流，不需要做任何改動。對單向的數據流，不需要做任何改動。o(2)控制流控制流o單向數據流不需要變形；單向數據流不需要變形；o雙

24、向控制流需要變形。雙向控制流需要變形。2022-3-10廣東工業大學計算機學院36o(3)進程進程o這里指控制進程，主要作用是協調相關的組件工作。這里指控制進程，主要作用是協調相關的組件工作。o(4)計算組件計算組件o計算組件是處理數據的體系結構組成元素。計算組計算組件是處理數據的體系結構組成元素。計算組件是做性能分析的主要組成部分。件是做性能分析的主要組成部分。o(5)被動數據區被動數據區o被動數據區組件只用來存放數據而不對數據作任何被動數據區組件只用來存放數據而不對數據作任何處理，只等待其它組件來取數據，而不發送數據給處理，只等待其它組件來取數據，而不發送數據給其它組件。其它組件。2022

25、-3-10廣東工業大學計算機學院37o(6)主動數據區主動數據區o主動數據區是不處理數據但需要存儲數據的組件。主動數據區是不處理數據但需要存儲數據的組件。主動存儲區組件和計算組件差不多，但主動存儲區主動存儲區組件和計算組件差不多，但主動存儲區組件的數據流向是需要控制進程的調度來實現。組件的數據流向是需要控制進程的調度來實現。o由這六類體系結構元素按照一定的規則組成的體由這六類體系結構元素按照一定的規則組成的體系結構可轉化成我們需要的基于網絡排隊理論的體系結構可轉化成我們需要的基于網絡排隊理論的體系結構進程視角。這樣的進程視角與網絡的進程視系結構進程視角。這樣的進程視角與網絡的進程視角的體系結構

26、是一樣的，所以可以利用網絡排隊理角的體系結構是一樣的，所以可以利用網絡排隊理論來分析體系結構性能。論來分析體系結構性能。2022-3-10廣東工業大學計算機學院38o進程視角是由數據流和進程組成的，從網絡排隊理進程視角是由數據流和進程組成的，從網絡排隊理論的角度來看，數據流可以看作是報文排隊的隊列。論的角度來看，數據流可以看作是報文排隊的隊列。上邊的進程是用于調度計算組件，計算組件能夠有上邊的進程是用于調度計算組件，計算組件能夠有序的讀取數據區的數據，進程和計算組件是相互獨序的讀取數據區的數據，進程和計算組件是相互獨立的處理模塊且并行工作。在用于分析性能的進程立的處理模塊且并行工作。在用于分析

27、性能的進程視角時不需要進程的出現。視角時不需要進程的出現。 o計算組件可以看作是三個進程，即隊列管理進程、計算組件可以看作是三個進程，即隊列管理進程、數據處理進程和數據發送進程。數據處理進程和數據發送進程。o量化如下量化如下 ：SiDiRiiPPPP2022-3-10廣東工業大學計算機學院39o主動數據區和計算組件的表示相似，但是數據區不主動數據區和計算組件的表示相似，但是數據區不需要處理數據，這就是說處理數據進程所需時間為需要處理數據，這就是說處理數據進程所需時間為零。也可以講數據進入數據區和離開數據區是一樣零。也可以講數據進入數據區和離開數據區是一樣的，量化表示的，量化表示:SiRiiDD

28、D2022-3-10廣東工業大學計算機學院4012.8 性能分析過程性能分析過程 o網絡排隊理論的分析評價過程模型如圖網絡排隊理論的分析評價過程模型如圖12-8，我，我們這里的過程模型也是一個迭代的過程。們這里的過程模型也是一個迭代的過程。 2022-3-10廣東工業大學計算機學院41o(1)體系結構描述與表示體系結構描述與表示o體系結構描述一般都用體系結構描述一般都用box and line圖加上一些圖加上一些特定領域的特定領域的ADL來表示。來表示。o特點：都能明確的表示組成體系結構的組件和連接特點：都能明確的表示組成體系結構的組件和連接子。子。 o(2)進程角度進程角度o進程角度側重于系

29、統的動態特性。應用網絡排隊理進程角度側重于系統的動態特性。應用網絡排隊理論分析，按照要求轉化體系結構的各個組成元素，論分析，按照要求轉化體系結構的各個組成元素，同時需要分析體系結構的進程視角。進程視角是由同時需要分析體系結構的進程視角。進程視角是由計算組件、經過轉化的數據區組件和數據流組成的。計算組件、經過轉化的數據區組件和數據流組成的。2022-3-10廣東工業大學計算機學院42o(3) 量化量化o獲取了進程視角，接下來使用上面的分析結果量化獲取了進程視角，接下來使用上面的分析結果量化每一個組建元素。按照分析網絡節點進程分解，一每一個組建元素。按照分析網絡節點進程分解，一個組件能夠分解成三個

30、進程。每個進程有具體的代個組件能夠分解成三個進程。每個進程有具體的代數式來表示。數式來表示。o(4)基于網絡排隊理論的性能分析模型基于網絡排隊理論的性能分析模型o時間問題涉及吞吐量和反應時間。吞吐量是一定時時間問題涉及吞吐量和反應時間。吞吐量是一定時間內具體能處理多少信息。反應時間指一個消息被間內具體能處理多少信息。反應時間指一個消息被處理所需要的時間，由于不同的情況，這些情況分處理所需要的時間，由于不同的情況，這些情況分為最快時間、平均時間、最慢時間。為最快時間、平均時間、最慢時間。2022-3-10廣東工業大學計算機學院43o(5)體系結構評價體系結構評價o體系結構評價是將具體的體系結構組

31、成元素的各個體系結構評價是將具體的體系結構組成元素的各個參數，代入到上一步得出的體系結構模型中，計算參數，代入到上一步得出的體系結構模型中，計算出的具體值。出的具體值。2022-3-10廣東工業大學計算機學院4412.9使用排隊理論分析體系結構性能使用排隊理論分析體系結構性能o為了方便模型的表達，我們約定一些變量來表示模為了方便模型的表達，我們約定一些變量來表示模型。型。2022-3-10廣東工業大學計算機學院452022-3-10廣東工業大學計算機學院462022-3-10廣東工業大學計算機學院472022-3-10廣東工業大學計算機學院4812.10實例分析實例分析12.10.1語境中的關

32、鍵詞系統語境中的關鍵詞系統o方案的分析方法：方案的分析方法：o(1)共享數據區風格方案共享數據區風格方案 o該方案把問題分解為輸入，移位，字母表順序排列該方案把問題分解為輸入，移位，字母表順序排列和輸出四個基本功能模塊來實現。各計算單元的數和輸出四個基本功能模塊來實現。各計算單元的數據交流是通過共享數據區方式來實現的，可以將這據交流是通過共享數據區方式來實現的，可以將這些計算組件看作為主程序的子程序，并由主程序來些計算組件看作為主程序的子程序，并由主程序來協調工作。協調工作。o體系結構如圖體系結構如圖12-9: 2022-3-10廣東工業大學計算機學院492022-3-10廣東工業大學計算機學院50o(2)管道一過濾器風格管道一過