软件体系结构
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
软件体系结构
• 软件体系结构的基本概念 • 典型的软件体系结构风格 • 基于网络的软件体系结构
模式分类
➢ 低层模式：惯用法(idiom) ➢ 中层模式：设计模式(design pattern) ➢ 高层模式：体系结构模式(architecture
pattern)
惯用法
• 惯用法的特点：
– 是与具体语言密切相关的编程经验的总结 – 描述如何使用给定的语言特征来实现构件的特
定方面及其关系 – 代表最底层的模式 – 惯用法更关注设计的实现 – 可能是一种特定设计模式的具体实现
设计模式
范围\目的 类模式
对象模式
创建型模式
工厂方法模式
抽象工厂模式 建造者模式 原型模式 单例模式
结构型模式
（类）适配器模式
（对象）适配器模式 桥接模式 组合模式 装饰模式 外观模式 享元模式 代理模式
每个过滤器独立于其上游和下游的构件而工作，过滤器 的设计要针对某种形式的数据输入，并且产生某种特定形 式的数据输出。
如果数据流退化成为单线的变换，则称为批处理序列 （batch sequential）。这种结构接收一批数据，然后应用 一系列连续的构件（过滤器）变换它。
数据流风格
管道/过滤器风格具有以下优点： （1）使得软构件具有良好的隐蔽性和高内聚、低耦合的特
事件系统风格：进程通信、事件系统 仓库风格：数据库系统、超文本系统、黑板系统 MVC软件体系结构
体系结构风格
• 基于网络的体系结构
客户端（服务器）/服务器体系结构：
一层/两层/三层结构、Java EE
P2P软件体系结构 网格计算体系结构 SOA与Web Services 云计算体系结构
▪ 通过“观察者模式”实现 ▪ 模块向事件发送模块注册某些消息 ▪ 当某一模块发出某一事件时，它自动将这些事件发布给那些曾经
向自己注册过此事件的模块
有独立的事件派遣模块
▪ 广播式(All broadcasting) ：派遣模块将事件广播到所有的模块， 但只有感兴趣的模块才去取事件并触发自身的行为；
▪ 选择广播式(Selected broadcasting) ：派遣模块将事件送到那 些已经注册了的模块中。
事件系统风格
事件系统风格
• 事件系统风格
典型的体系结构风格
事件系统风格
事件系统风格
为何称为“独立构件”风格？
▪ 这种风格的主要特点是：事件的触发者并不知道哪 些构件会被这些事件影响，相互保持独立。 – 这样不能假定构件的处理顺序，甚至不知道哪些 过程会被调用； – 各个构件之间彼此之间无连接关系，各自独立存 在，通过对事件的发布和注册实现关联；
调用—返回风格
► 层次结构
层次结构的基本结构如下图所示。在这种体系结构中，整 个系统被组织成一个分层结构，每一层为上层提供服务，并 作为下一层的客户。
各类网络协议栈
层级之间的 调用-返回 避免复杂性
过程调用
各种构件
调用—返回风格
这种风格支持基于可增加抽象层的设计。允许将复杂问 题分解成一个增量步骤序列的实现。由于每一层最多只影响 两层，同时只要给相邻层提供相同的接口，允许每层用不同 的方法实现，同样为软件复用提供了强大的支持。
面向对象风格具有以下优点: （1）因为对象对其他对象隐藏它的表示，所以可以改变一
个对象的表示，而不影响其他对象。 （2）设计者可将一些数据存取操作的问题分解成一些交互
的代理程序的集合。
调用—返回风格
其缺点如下: （1）为了使一个对象和另一个对象通过过程调用等进行
交互，必须知道对象的标识。只要一个对象的标识 改变了，就必须修改所有其他明确调用它的对象。 （2）必须修改所有显式调用它的其他对象，并消除由此 带来的一些副作用。例如，如果A使用了对象B，C 也使用了对象B，那么，C对B的使用所造成的对A 的影响可能是料想不到的。
甚至即使一个系统的逻辑结构是层次化的，出于对系 统性能的考虑，系统设计师不得不把一些低级或高级 的功能综合起来。 （2）很难找到一个合适的、正确的层次抽象方法。
数据流与调用-返回
事件系统风格
• 事件系统风格（独立构件）
– GUI编程 – Windows操作系统中Hook机制 – Jquery中的回调
▪ 一旦遇到断点，调试器发布事件，从而触发“编辑器”与“变量监测 器” ；
▪ 编辑器将源代码滚动到断点处，变量监测器则更新当前变量值并显示
出来。
调试器 产生事件
其他的例子？ Windows本身就
注册
断点事件
注册
是事件驱动的
触发 编辑器
触发 变量监视器
事件系统风格
事件分发的策略
事件系统风格
无独立的事件派遣模块
调用—返回风格
调用—返回风格
分层系统实例： ISO/OSI网络的分层模型
7 应用层
报文流
应用层
6 表示层
报文流
表示层
5 会话层
报文流
会话层
4 传输层
段流
传输层
转接节点 转接节点
3
Βιβλιοθήκη Baidu
网络层
网络层
协议
网络层 子 网
网络层 分组流 网络层
2
链路层 链路层 链路层 内 链路层 帧流 链路层
协议
部
1
物理层
物理层
在组织形式上，框架是一个待实例化的完整系统，定义
了软件系统的元素和关系，创建了基本的模块，定义了涉 及功能更改和扩充的插件位置。典型的框架例子有MFC框 架和Struts框架。
基本概念
• 体系结构的重要作用
体系结构的重要作用体现在以下三个方面 ： （1）体系结构的表示有助于风险承担者（项目干系
人）进行交流。
中“主”程序调用一组程序构件，这些程序构件又去调用别 的程序构件，如下图所示。这种结构总体上为树状结 构，可以在底层存在公共模块。
调用—返回风格
主程序/子程序体系结构的优点如下:
（1）可以使用自顶向下，逐步分解的方法得到体系结构
图，典型的拓扑结构为树状结构。基于定义—使用关系对子 程序进行分解，使用过程调用作为程序之间的交互机制。 （2）采用程序设计语言支持的单线程控制。 其主要缺点如下: （1）子程序的正确性难于判断。需要运用层次推理来判断 子程序的正确性，因为子程序的正确性取决于它调用的子程 序的正确性。 （2）子系统的结构不清晰。通常可以将多个子程序合成为 模块。
（6）支持并行执行。每个过滤器是作为一个单独的任务完
成，因此可与其他任务并行执行。
数据流风格
管道/过滤器风格主要缺点如下： （1）通常导致进程成为批处理的结构。这是因为虽然过滤 器可增量式地处理数据，但它们是独立的，所以设计者必须 将每个过滤器看成一个完整的从输入到输出的转换。
（2）不适合处理交互 的应用。当需要增量地显示改变时，
点。
（2）允许设计者将整个系统的输入/输出行为看成是多个过 滤器的行为的简单合成。
（3）支持软件复用。只要提供适合在两个过滤器之间传送
的数据，任何两个过滤器都可被连接起来。
（4）系统维护和增强系统性能简单。新的过滤器可以添加 到现有系统中来；旧的可以被改进的过滤器替换掉。
（5）允许对一些如吞吐量、死锁等属性的分析。
基本概念
Dewayne Perry和A1exander Wo1f曾这样定义：“软件 体系结构是具有一定形式的结构化元素，即构件的集合，包 括处理构件、数据构件和连接构件。处理构件负责对数据进 行加工，数据构件是被加工的信息，连接构件把体系结构的 不同部分组合连接起来。”
基本概念
框架
随着应用的发展和完善，某些带有整体性的应用模式被 逐渐固定下来，形成特定的框架，包括基本构成元素和关 系。框架是特定应用领域问题的体系结构模式，框架定义 了基本构成单元和关系后，开发者就可以集中精力解决业 务逻辑问题。
行为型模式
解释器模式 模板方法模式
职责链模式 命令模式
迭代器模式 中介者模式 备忘录模式 观察者模式
状态模式 策略模式 访问者模式
基本概念
• 什么是体系结构
目前还没有一个公认的关于软件体系结构的定义，许多专家 学者从不同角度对软件体系结构进行了描述。Bass、 Clements和Kazman给出了如下定义：“一个程序或计算机 系统的软件体系结构是指系统的一个或者多个结构。结构中 包括软件的构件、构件的外部可见属性以及它们之间的相互 关系。外部可见属性则是指软件构件提供的服务、性能、使 用特性、错误处理、共享资源使用等。” 这一定义强调在任一体系结构表述中“软件构件”的角色。
事件系统风格
广播式事件派遣 dispatcher
Module 1
Module 2
Module 3
我们都得到 了事件
我对此事件感兴趣， 触发我的行为
我对此事件不感兴趣， 不触发我的行为
事件系统风格
选择广播式事件派遣 publisher
subscriber
dispatcher
我没预定!我得 不到事件消息
事件Event
Event Handler
事件系统风格
▪ EventSource: debugger (调试器) ▪ EventHandler: editor and variable monitor (编辑器与变量监视器) ▪ EventManager: IDE (集成开发环境)
▪ 编辑器与变量监视器向调试器注册，接收“断点事件”；
数据流风格
• 数据流风格
• 当输入数据经过一系列的计算和操作构件的变换形成输 出数据时，可以应用这种体系结构。
Linux系统中
• 管道/过滤器、批处理序列都属于数据流风格。 的命令序列 • 管道/过滤器结构如下图所示：
堆叠的数据过程 （图像处理）
管道/过滤器结构
数据流风格
从上图可看出，管道/过滤器结构拥有一组被称为过滤 器（filter）的构件，这些构件通过管道（pipe）连接，管 道将数据从一个构件传送到下一个构件。
事件系统风格
遇到断点，编辑器将源代码滚动到断点处，变量监测器则更新当前变量值 并显示出来。如何完成 ?
事件系统风格
事件系统的基本构成与工作原理
事件源
Event Source
发布 事件Event
事件管理器 EventManager
分发 或 通知
事件Event 事件Event
事件 处理器
Event Handler
调用—返回风格
► 面向对象的调用——返回风格
系统的构件(类/对象)封装了数据和必须应用到该数据上的操 作，构件间通过消息传递进行通信与合作。与主程序/子程 序的体系结构相比，面向对象风格中的对象交互会复杂一 些。面向对象风格与网络应用的需求在分布性、自治性、 协作性、演化性等方面具有内在的一致性。
这个问题尤为严重。
（3）因为在数据传输上没有通用的标准，每个过滤器都增 加了解析和合成数据的工作，这样就导致了系统性能下降，
并增加了编写过滤器的复杂性。
调用—返回风格
• 调用—返回风格（常见，发挥主要作用）
在此类体系结构中，存在以下3种子风格。
► 主程序/子程序体系结构（C语言？） 这种传统的程序结构将功能分解为一个控制层次，其
一个复杂系统按递增的步骤进行分解。 （2）支持功能增强，因为每一层至多和相邻的上下层交
互，因此，功能的改变最多影响相邻的内外层。 （3）支持复用。只要提供的服务接口定义不变，同一层的
不同实现可以交换使用。这样，就可以定义一组标准 的接口，从而允许各种不同的实现方法。
调用—返回风格
其缺点如下: （1）并不是每个系统都可以很容易地划分为分层的模式，
subscriber
subscriber
WIN32 Event Handling
• Applications call the OS API(应用程 序调用操作系统的API 注册自身及事件 处理方法)
• OS creates events to notify the applications (操作系统根据应用系统的 行为，创建事件并通知其他已注册的应 用程序)
（2）体系结构突出了早期设计决策。
（3）软件体系结构是可传递和可复用的模型。
体系结构风格
• 传统的体系结构
数据流风格 (Dataflow)：
批处理序列、管道－过滤器风格 (Pipe-and-Filter)
调用/返回风格：
主程序/子程序、面向对象风格 (ADT)、层次系统 (Layered Systems)
协
比特流
协议
物理层 议 物理层
通信子网
物理层
调用—返回风格
分层系统实例：计算机操作系统(OS)的层次结构
用户 Shell解释运行 语言处理、系统工具、系统应用程序
系统调用 操作系统内核(System kernel)
基本输入输出(BIOS) 计算机硬件(CPU、存储器、I/O等)
调用—返回风格
层次结构具有以下优点: （1）支持基于抽象程度递增的系统设计，使设计者可以把
• 软件体系结构的基本概念 • 典型的软件体系结构风格 • 基于网络的软件体系结构
模式分类
➢ 低层模式：惯用法(idiom) ➢ 中层模式：设计模式(design pattern) ➢ 高层模式：体系结构模式(architecture
pattern)
惯用法
• 惯用法的特点：
– 是与具体语言密切相关的编程经验的总结 – 描述如何使用给定的语言特征来实现构件的特
定方面及其关系 – 代表最底层的模式 – 惯用法更关注设计的实现 – 可能是一种特定设计模式的具体实现
设计模式
范围\目的 类模式
对象模式
创建型模式
工厂方法模式
抽象工厂模式 建造者模式 原型模式 单例模式
结构型模式
（类）适配器模式
（对象）适配器模式 桥接模式 组合模式 装饰模式 外观模式 享元模式 代理模式
每个过滤器独立于其上游和下游的构件而工作，过滤器 的设计要针对某种形式的数据输入，并且产生某种特定形 式的数据输出。
如果数据流退化成为单线的变换，则称为批处理序列 （batch sequential）。这种结构接收一批数据，然后应用 一系列连续的构件（过滤器）变换它。
数据流风格
管道/过滤器风格具有以下优点： （1）使得软构件具有良好的隐蔽性和高内聚、低耦合的特
事件系统风格：进程通信、事件系统 仓库风格：数据库系统、超文本系统、黑板系统 MVC软件体系结构
体系结构风格
• 基于网络的体系结构
客户端（服务器）/服务器体系结构：
一层/两层/三层结构、Java EE
P2P软件体系结构 网格计算体系结构 SOA与Web Services 云计算体系结构
▪ 通过“观察者模式”实现 ▪ 模块向事件发送模块注册某些消息 ▪ 当某一模块发出某一事件时，它自动将这些事件发布给那些曾经
向自己注册过此事件的模块
有独立的事件派遣模块
▪ 广播式(All broadcasting) ：派遣模块将事件广播到所有的模块， 但只有感兴趣的模块才去取事件并触发自身的行为；
▪ 选择广播式(Selected broadcasting) ：派遣模块将事件送到那 些已经注册了的模块中。
事件系统风格
事件系统风格
• 事件系统风格
典型的体系结构风格
事件系统风格
事件系统风格
为何称为“独立构件”风格？
▪ 这种风格的主要特点是：事件的触发者并不知道哪 些构件会被这些事件影响，相互保持独立。 – 这样不能假定构件的处理顺序，甚至不知道哪些 过程会被调用； – 各个构件之间彼此之间无连接关系，各自独立存 在，通过对事件的发布和注册实现关联；
调用—返回风格
► 层次结构
层次结构的基本结构如下图所示。在这种体系结构中，整 个系统被组织成一个分层结构，每一层为上层提供服务，并 作为下一层的客户。
各类网络协议栈
层级之间的 调用-返回 避免复杂性
过程调用
各种构件
调用—返回风格
这种风格支持基于可增加抽象层的设计。允许将复杂问 题分解成一个增量步骤序列的实现。由于每一层最多只影响 两层，同时只要给相邻层提供相同的接口，允许每层用不同 的方法实现，同样为软件复用提供了强大的支持。
面向对象风格具有以下优点: （1）因为对象对其他对象隐藏它的表示，所以可以改变一
个对象的表示，而不影响其他对象。 （2）设计者可将一些数据存取操作的问题分解成一些交互
的代理程序的集合。
调用—返回风格
其缺点如下: （1）为了使一个对象和另一个对象通过过程调用等进行
交互，必须知道对象的标识。只要一个对象的标识 改变了，就必须修改所有其他明确调用它的对象。 （2）必须修改所有显式调用它的其他对象，并消除由此 带来的一些副作用。例如，如果A使用了对象B，C 也使用了对象B，那么，C对B的使用所造成的对A 的影响可能是料想不到的。
甚至即使一个系统的逻辑结构是层次化的，出于对系 统性能的考虑，系统设计师不得不把一些低级或高级 的功能综合起来。 （2）很难找到一个合适的、正确的层次抽象方法。
数据流与调用-返回
事件系统风格
• 事件系统风格（独立构件）
– GUI编程 – Windows操作系统中Hook机制 – Jquery中的回调
▪ 一旦遇到断点，调试器发布事件，从而触发“编辑器”与“变量监测 器” ；
▪ 编辑器将源代码滚动到断点处，变量监测器则更新当前变量值并显示
出来。
调试器 产生事件
其他的例子？ Windows本身就
注册
断点事件
注册
是事件驱动的
触发 编辑器
触发 变量监视器
事件系统风格
事件分发的策略
事件系统风格
无独立的事件派遣模块
调用—返回风格
调用—返回风格
分层系统实例： ISO/OSI网络的分层模型
7 应用层
报文流
应用层
6 表示层
报文流
表示层
5 会话层
报文流
会话层
4 传输层
段流
传输层
转接节点 转接节点
3
Βιβλιοθήκη Baidu
网络层
网络层
协议
网络层 子 网
网络层 分组流 网络层
2
链路层 链路层 链路层 内 链路层 帧流 链路层
协议
部
1
物理层
物理层
在组织形式上，框架是一个待实例化的完整系统，定义
了软件系统的元素和关系，创建了基本的模块，定义了涉 及功能更改和扩充的插件位置。典型的框架例子有MFC框 架和Struts框架。
基本概念
• 体系结构的重要作用
体系结构的重要作用体现在以下三个方面 ： （1）体系结构的表示有助于风险承担者（项目干系
人）进行交流。
中“主”程序调用一组程序构件，这些程序构件又去调用别 的程序构件，如下图所示。这种结构总体上为树状结 构，可以在底层存在公共模块。
调用—返回风格
主程序/子程序体系结构的优点如下:
（1）可以使用自顶向下，逐步分解的方法得到体系结构
图，典型的拓扑结构为树状结构。基于定义—使用关系对子 程序进行分解，使用过程调用作为程序之间的交互机制。 （2）采用程序设计语言支持的单线程控制。 其主要缺点如下: （1）子程序的正确性难于判断。需要运用层次推理来判断 子程序的正确性，因为子程序的正确性取决于它调用的子程 序的正确性。 （2）子系统的结构不清晰。通常可以将多个子程序合成为 模块。
（6）支持并行执行。每个过滤器是作为一个单独的任务完
成，因此可与其他任务并行执行。
数据流风格
管道/过滤器风格主要缺点如下： （1）通常导致进程成为批处理的结构。这是因为虽然过滤 器可增量式地处理数据，但它们是独立的，所以设计者必须 将每个过滤器看成一个完整的从输入到输出的转换。
（2）不适合处理交互 的应用。当需要增量地显示改变时，
点。
（2）允许设计者将整个系统的输入/输出行为看成是多个过 滤器的行为的简单合成。
（3）支持软件复用。只要提供适合在两个过滤器之间传送
的数据，任何两个过滤器都可被连接起来。
（4）系统维护和增强系统性能简单。新的过滤器可以添加 到现有系统中来；旧的可以被改进的过滤器替换掉。
（5）允许对一些如吞吐量、死锁等属性的分析。
基本概念
Dewayne Perry和A1exander Wo1f曾这样定义：“软件 体系结构是具有一定形式的结构化元素，即构件的集合，包 括处理构件、数据构件和连接构件。处理构件负责对数据进 行加工，数据构件是被加工的信息，连接构件把体系结构的 不同部分组合连接起来。”
基本概念
框架
随着应用的发展和完善，某些带有整体性的应用模式被 逐渐固定下来，形成特定的框架，包括基本构成元素和关 系。框架是特定应用领域问题的体系结构模式，框架定义 了基本构成单元和关系后，开发者就可以集中精力解决业 务逻辑问题。
行为型模式
解释器模式 模板方法模式
职责链模式 命令模式
迭代器模式 中介者模式 备忘录模式 观察者模式
状态模式 策略模式 访问者模式
基本概念
• 什么是体系结构
目前还没有一个公认的关于软件体系结构的定义，许多专家 学者从不同角度对软件体系结构进行了描述。Bass、 Clements和Kazman给出了如下定义：“一个程序或计算机 系统的软件体系结构是指系统的一个或者多个结构。结构中 包括软件的构件、构件的外部可见属性以及它们之间的相互 关系。外部可见属性则是指软件构件提供的服务、性能、使 用特性、错误处理、共享资源使用等。” 这一定义强调在任一体系结构表述中“软件构件”的角色。
事件系统风格
广播式事件派遣 dispatcher
Module 1
Module 2
Module 3
我们都得到 了事件
我对此事件感兴趣， 触发我的行为
我对此事件不感兴趣， 不触发我的行为
事件系统风格
选择广播式事件派遣 publisher
subscriber
dispatcher
我没预定!我得 不到事件消息
事件Event
Event Handler
事件系统风格
▪ EventSource: debugger (调试器) ▪ EventHandler: editor and variable monitor (编辑器与变量监视器) ▪ EventManager: IDE (集成开发环境)
▪ 编辑器与变量监视器向调试器注册，接收“断点事件”；
数据流风格
• 数据流风格
• 当输入数据经过一系列的计算和操作构件的变换形成输 出数据时，可以应用这种体系结构。
Linux系统中
• 管道/过滤器、批处理序列都属于数据流风格。 的命令序列 • 管道/过滤器结构如下图所示：
堆叠的数据过程 （图像处理）
管道/过滤器结构
数据流风格
从上图可看出，管道/过滤器结构拥有一组被称为过滤 器（filter）的构件，这些构件通过管道（pipe）连接，管 道将数据从一个构件传送到下一个构件。
事件系统风格
遇到断点，编辑器将源代码滚动到断点处，变量监测器则更新当前变量值 并显示出来。如何完成 ?
事件系统风格
事件系统的基本构成与工作原理
事件源
Event Source
发布 事件Event
事件管理器 EventManager
分发 或 通知
事件Event 事件Event
事件 处理器
Event Handler
调用—返回风格
► 面向对象的调用——返回风格
系统的构件(类/对象)封装了数据和必须应用到该数据上的操 作，构件间通过消息传递进行通信与合作。与主程序/子程 序的体系结构相比，面向对象风格中的对象交互会复杂一 些。面向对象风格与网络应用的需求在分布性、自治性、 协作性、演化性等方面具有内在的一致性。
这个问题尤为严重。
（3）因为在数据传输上没有通用的标准，每个过滤器都增 加了解析和合成数据的工作，这样就导致了系统性能下降，
并增加了编写过滤器的复杂性。
调用—返回风格
• 调用—返回风格（常见，发挥主要作用）
在此类体系结构中，存在以下3种子风格。
► 主程序/子程序体系结构（C语言？） 这种传统的程序结构将功能分解为一个控制层次，其
一个复杂系统按递增的步骤进行分解。 （2）支持功能增强，因为每一层至多和相邻的上下层交
互，因此，功能的改变最多影响相邻的内外层。 （3）支持复用。只要提供的服务接口定义不变，同一层的
不同实现可以交换使用。这样，就可以定义一组标准 的接口，从而允许各种不同的实现方法。
调用—返回风格
其缺点如下: （1）并不是每个系统都可以很容易地划分为分层的模式，
subscriber
subscriber
WIN32 Event Handling
• Applications call the OS API(应用程 序调用操作系统的API 注册自身及事件 处理方法)
• OS creates events to notify the applications (操作系统根据应用系统的 行为，创建事件并通知其他已注册的应 用程序)
（2）体系结构突出了早期设计决策。
（3）软件体系结构是可传递和可复用的模型。
体系结构风格
• 传统的体系结构
数据流风格 (Dataflow)：
批处理序列、管道－过滤器风格 (Pipe-and-Filter)
调用/返回风格：
主程序/子程序、面向对象风格 (ADT)、层次系统 (Layered Systems)
协
比特流
协议
物理层 议 物理层
通信子网
物理层
调用—返回风格
分层系统实例：计算机操作系统(OS)的层次结构
用户 Shell解释运行 语言处理、系统工具、系统应用程序
系统调用 操作系统内核(System kernel)
基本输入输出(BIOS) 计算机硬件(CPU、存储器、I/O等)
调用—返回风格
层次结构具有以下优点: （1）支持基于抽象程度递增的系统设计，使设计者可以把