软件体系结构 4+1模型案例

案例教学1：4+1视图方法进行软件体系结构设计

要开发出用户满意的软件并不是件容易的事，软件体系结构师必须全面把握各种各样的需求、权衡需求之间有可能的矛盾之处，分门别类地将不同需求一一满足。本文从理解需求种类的复杂性谈起，通过具体案例的分析，展示了如何通过RUP的4+1视图方法，针对不同需求进行体系结构设计，从而确保重要的需求一一被满足。

1、呼唤体系结构设计的多重视图方法

灵感一闪，就想出了把大象放进冰箱的办法，这自然好。但希望每个体系结构设计策略都依靠灵感是不现实的--我们需要系统方法的指导。

需要体系结构设计的多重视图方法，从根本上来说是因为需求种类的复杂性所致。以工程领域的例子开道吧。比如设计一座跨江大桥：我们会考虑"连接南北的公路交通"这个"功能需求"，从而初步设计出理想化的桥墩支撑的公路桥方案；然后还要考虑造桥要面临的"约束条件"，这个约束条件可能是"不能影响万吨轮从桥下通过"，于是细化设计方案，规定桥墩的高度和桥墩之间的间距；另外还要顾及"大桥的使用期质量属性"，比如为了"能在湍急的江流中保持稳固"，可以把大桥桥墩深深地建在岩石层之上，和大地浑然一体；其实，"建造期间的质量属性"也很值得考虑，比如在大桥的设计过程中考虑"施工方便性"的一些措施。

和工程领域的功能需求、约束条件、使用期质量属性、建造期间的质量属性等类似，软件系统的需求种类也相当复杂，具体分类如图1所示。

图1 软件需求分类的复杂性

2、超市系统案例：理解需求种类的复杂性

例子是最好的老师。为了更好地理解软件需求种类的复杂性，我们来分析一个实际的例子。在表1中，我们列举了一个典型的超市系统的需求子集，从这个例子中可以清晰地看到需求可以分为两大类：功能需求和非功能需求。

表1 超市系统案例：理解需求种类的复杂性

简单而言，功能需求就是"软件有什么用，软件需要做什么"。同时，注意把握功能需求的层次性是软件需求的最佳实践。以该超市系统为例：

* 超市老板希望通过软件来"提高收银效率"。

* 那么，你可能需要为收银员提供一系列功能来促成这个目的，比如供收银员使用的"任意商品项可单独取消"功能有利于提供收银效率。

* 而具体到这个超市系统，系统分析员可能会决定要提供的具体功能为：通过收银终端的按键组合，可以使收银过程从"逐项录入状态"进入"选择取消状态"，从而取消某项商品。

从上面的例子中我们还惊讶地发现，非功能需求--人们最经常忽视的一大类需求--包括的内容非常宽、并且极其重要。非功能需求又可以分为如下三类：

* 约束。要开发出用户满意的软件并不是件容易的事，而全面理解要设计的软件系统所面临的约束可以使你向成功迈进一步。约束性需求既包括企业级的商业考虑（例如"项目预算有限"），也包括最终用户级的实际情况（例如"用户的平均电脑操作水平偏低"）；既可能包括具体技术的明确要求（例如"要求能在Linux上运行"），又可能需要考虑开发团队的真实状况（例如"开发人员分散在不同地点"）。这些约束性需求当然对体系结构设计影响很大，比如受到"项目预算有限"的限制，体系结构师就不应选择昂贵的技术或中间件等，而考虑到开发人员分散在不同地点"，就更应注重软件模块职责划分的合理性、松耦合性等等。

* 运行期质量属性。这类需求主要指软件系统在运行期间表现出的质量水平。运行期质量属性非常关键，因为它们直接影响着客户对软件系统的满意度，大多数客户也不会接受运行期质量属性拙劣的软件系统。常见的运行期质量属性包括软件系统的易用性、性能、可伸缩性、持续可用性、鲁棒性、安全性等。在我们的超市系统的案例中，用户对高性能提出了具体要求（真正的性能需求应该量化，我们的表1没体现），他们不能容忍金额合计超过 2秒的延时。

* 开发期质量属性。这类非功能需求中的某些项人们倒是念念不忘，可惜很多人并没有意识到"开发期质量属性"和" 运行期质量属性"对体系结构设计的影响到底有何不同。开发期质量属性是开发人员最为关心的，要达到怎样的目标应根据项目的具体情况而定，而过度设计（overengineering）会花费额外的代价。

3、什么是软件体系结构视图

那么，什么是软件体系结构视图呢？Philippe Kruchten在其著作《Rational统一过程引论》中写道：

一个体系结构视图是对于从某一视角或某一点上看到的系统所做的简化描述，描述中涵盖了系统的某一特定方面，而省略了于此方面无关的实体。

也就是说，体系结构要涵盖的内容和决策太多了，超过了人脑"一蹴而就"的能力范围，因此采用"分而治之"的办法从不同视角分别设计；同时，也为软件体系结构的理解、交流和归档提供了方便。

值得特别说明的，大多数书籍中都强调多视图方法是软件体系结构归档的方法，其实不然。多视图方法不仅仅是体系结构归档技术，更是指导我们进行体系结构设计的思维方法。

4、Philippe Kruchten提出的4+1视图方法

1995年，Philippe Kruchten在《IEEE Software》上发表了题为《The 4+1 View Model of Architecture》的论文，引起了业界的极大关注，并最终被RUP采纳。如图2所示。

图2 Philippe Kruchten提出的4+1视图方法

该方法的不同体系结构视图承载不同的体系结构设计决策，支持不同的目标和用途：

* 逻辑视图：当采用面向对象的设计方法时，逻辑视图即对象模型。

* 开发视图：描述软件在开发环境下的静态组织。

* 处理视图/进程视图，processing/：描述系统的并发和同步方面的设计。

* 物理视图：描述软件如何映射到硬件，反映系统在分布方面的设计。

运用4+1视图方法：针对不同需求进行体系结构设计

如前文所述，要开发出用户满意的软件并不是件容易的事，软件体系结构师必须全面把握各种各样的需求、权衡需求之间有可能的矛盾之处，分门别类地将不同需求一一满足。

Philippe Kruchten提出的4+1视图方法为软件体系结构师"一一征服需求"提供了良好基础，如图3所示。