軟件體系結(jié)構(gòu)-

1、軟件體系結(jié)構(gòu)北京理工大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院 徐進2009年3丿J課程內(nèi)容第一章第二章第三章第四章軟件體系結(jié)構(gòu)基本概念 軟件體系結(jié)構(gòu)經(jīng)典風格 軟件體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計模式第五章軟件體系結(jié)構(gòu)研究與發(fā)展第2章軟件體系結(jié)構(gòu)的經(jīng)典風格2. 1管道過濾器風格2. 2主程序與子過程風格2. 3數(shù)據(jù)抽象與面向?qū)ο箫L格2. 4黑板知識庫風格2. 5虛擬機（解釋器）風格2. 6事件驅(qū)動隱式調(diào)用風格2. 7過程控制回路風格2. 8部件鏈接器C2風格曲彳本申勾R結(jié)軟祗素統(tǒng)和織結(jié)構(gòu)的慣用形式，認識特定 軟件結(jié)構(gòu)的原理和價值，提供軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè) 計的選擇空間。討論中考慮的問題：某種結(jié)構(gòu)風格的基本成分和連接方式是什

2、么？某種結(jié)構(gòu)風格的基本形式是什么？某種結(jié)構(gòu)風格潛在的計算模式是什么？某種結(jié)構(gòu)風格中不變的因素是什么？某種結(jié)構(gòu)風格可以使用的示例是什么？某種結(jié)構(gòu)風格的優(yōu)缺點是什么？丨返川本爲I I錄I以數(shù)據(jù)流向的過程為核心（也稱：數(shù)據(jù)流風格）過濾器自身功能獨立完成，相互之間無狀態(tài)交互過濾器不需要知道其他過濾器的存在與否過濾器僅對輸入的數(shù)據(jù)流冇限制，并保證輸出流的止確系統(tǒng)內(nèi)各部分的執(zhí)行，與整體系統(tǒng)的最終輸出不相關(guān)管道過濾器軟件成分被動過濾器：通過事件或過程調(diào)用激發(fā)動作，接受前續(xù)成分推入的內(nèi)容 主動過濾器：作為獨立的過程或線程任務(wù)，主動取前續(xù)成分的內(nèi)容。數(shù)據(jù)源：作為系統(tǒng)的輸入過濾器，提供探測數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)的功能，以

3、 及主動推出數(shù)據(jù)，激發(fā)或者等待后繼成分啟動。數(shù)據(jù)池：作為收集結(jié)果的過濾器，分為主動取數(shù)據(jù)和被動接受推入數(shù)據(jù) 兩種方式。笛道過濾器的連接器管道足兩個過濾器的連接器，足先進先出的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。如果兩個主動式過濾器相連，管道需要有同步控制能力。如果過濾器的行為受到和鄰過濾器的控制，管道就是被動過濾器的過程 調(diào)用實現(xiàn)。管道過濾器形式的示例（1）數(shù)字通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡略描述:信息源：把各種可能的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成原始電信號。發(fā)送設(shè)備：對原始電信號完成信號加密、簽錯控制編碼和調(diào)制解調(diào)。信道：信號傳輸?shù)耐ǖ酪蚕喈斢谶^濾器，因為它對傳輸信息進行適 當?shù)奶幚怼＝邮赵O(shè)備：與發(fā)送設(shè)備反向。同步控制部件:圖中沒有標出。因為它在其中

4、的位登并不固定，它負責收發(fā) 雙方的-致性控制。管道過濾器形式的示例（2）商品入庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)描述：商品檢驗入庫.庫請求入庫單批準商品入庫商品到貨位典型的事務(wù)處理流程：每個過濾器都是主動地去取前續(xù)事務(wù)推入的信息；通常采用數(shù)據(jù)庫的某些措施，保證信息的同步一致性。管道過濾器形式的優(yōu)勢對整個系統(tǒng)的理解簡單化?？衫斫庀到y(tǒng)的各功能為抽彖“黑盒了” O支持可維護性，容易替換。只要輸入/輸出管道達成一致的任何兩 個過濾器（町能一個是另一個的擴充性或修改），則可以任意替換。支持復(fù)用。一個過濾器rij以被多次掛接，只要它們對數(shù)擁的需求場 合是一致的。支持并發(fā)設(shè)計。町以將心在并發(fā)可能的過濾器，在調(diào)度算法的基礎(chǔ) 上，組織

5、為多任務(wù)并發(fā)系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)消晰，容易進行某些性能的分析，例如：數(shù)據(jù)流量、死 鎖問題，計算正確性等等。管道過濾器形式的不足由于過濾器的獨立特性，每個過濾器完成從輸入到輸出的轉(zhuǎn)換需 要成批量而完整，這樣，為了交"必須表示的過濾內(nèi)容與輸出的流 方式差異很大，導(dǎo)致實現(xiàn)交互困難。由于支持并發(fā)設(shè)計，兩個相互獨立的過濾器，如果存在同步問題， 則需要花較大的糟力去協(xié)調(diào)。每個過濾器的輸出只強制公共的命名，要保持數(shù)據(jù)的一致必須對 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)解析，這樣適成系統(tǒng)效率資源的損耗，以及程序復(fù)雜性 增加。直接調(diào)用被動過濾器，使過濾器的亟新組織產(chǎn)生困難。需要處理數(shù)據(jù)在管道中的阻塞狀態(tài)。2.2 主程序與子過程(Ma

6、in Program/Subroutine)與程序語言的主程序和過程調(diào)用概念相對應(yīng)所有成分，都屬于主程序和一系列的子過程的集合主程序充當子過程的調(diào)用者獷過程之間也存在復(fù)雜的過程調(diào)用關(guān)系過程之間通過參數(shù)傳入和傳出信息主程序與子調(diào)用結(jié)構(gòu)的成分主程序：基本的程序主體成分子調(diào)用：各種層次上的函數(shù)，町調(diào)用成分模塊包：小粒度（主程序子調(diào)用）的結(jié)構(gòu)成分函數(shù)庫：固定的函數(shù)子調(diào)用（二進制代碼復(fù)用成分）主程序與子調(diào)用結(jié)構(gòu)的連接器僅有過程調(diào)用-種主程序與子調(diào)用結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢一切軟件結(jié)構(gòu)都可以在此基礎(chǔ)上構(gòu)筑。因為基于語言結(jié)構(gòu)，所以如果設(shè)計的好，代碼效率 會很高。主程序與子調(diào)用結(jié)構(gòu)的缺陷成分之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系難把握，因為實際成

7、分之間連接 很復(fù)雜，但連接手段卻很單一。代碼維護怵I難，因為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的變化會引起復(fù)朵的關(guān) 聯(lián)變化。復(fù)用性差。因為單純的過程概念只能覆蓋有限的特定 問題，不具普遍性。132.3對象對彖消息對線V消息P 1實體消息消息而向?qū)﹀杞Y(jié)構(gòu)的特征對彖實體是具有自身屬性和行為能力的獨立個體。對彖實體是丄動的管理者，包括待處理的對彖數(shù)據(jù)和所有參與過 程的實體。任何事務(wù)處理都是與對象和互作用的結(jié)果，采用“消息”達到這種 作用。發(fā)送消息給對彖足“請求”，接受請求的對象足“響應(yīng)”消息。響應(yīng)“消息”的動作是接受請求對象H身的行為能力。并且它可以向其他對彖發(fā)出請求。14面向?qū)﹀杞Y(jié)構(gòu)的成分類：對象實體的抽象，可復(fù)用的類型模

8、板。繼承類：抽象類型的復(fù)用，提供類的町擴充、町變化方式 對彖：某類的實體，具有屬性和各種行為能力的獨立執(zhí)行體而向?qū)﹀杞Y(jié)構(gòu)的連接器消息：與對彖的聯(lián)系僅通過消息。發(fā)送請求給對彖，向?qū)﹀璋l(fā)出執(zhí) 行它動作的信息。接受請求的對彖，根據(jù)自身的屈件狀態(tài)，完 成動作，也可以向其它對象發(fā)出請求，并且可以同吋發(fā)出多個 請求，除非它繼續(xù)的工作與發(fā)出的請求有同步關(guān)系。多態(tài)機制：相關(guān)的對彖行為，可以通過相同的消息形式。這止是行為的 多種形態(tài)概念。所謂札I關(guān)，是指同范疇對象（有繼承關(guān)系類的 實體對象是同范疇的）。同樣的消息，連接不同的執(zhí)行成分， 這就足多態(tài)機制。面向?qū)﹀杞Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢 接近人們的認知習慣，UIJ：事物主體和事

9、物行為是不可分 的整體，處理事務(wù)的關(guān)注點只是事物可操作的外部行為。實現(xiàn)真正意義的信息封裝，把對象的屬性和行為封裝在一 起，對外可見的只有操作。穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，建造系統(tǒng)在獨立的對彖實體關(guān)系上，而非處 理過程上。這使改變或增加系統(tǒng)處理過程，與系統(tǒng)的整體 架構(gòu)關(guān)聯(lián)減弱，大部分只是對象個體上的行為擴充，除非 增加新的對象成分。本身的并發(fā)特性，支持普遍應(yīng)用的分布式系統(tǒng)。實體對彖比起過程在語義上容易理解一致，因此更容易復(fù) 用；類和繼承使軟件成份又達到更高層的復(fù)用。而向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)的缺陷對彖的標識是發(fā)送消息必須知道的，如果標識被改變, 消息就不知去向。在系統(tǒng)中對象本來是獨立的，但他 們必須相互知道、懂得和理解，否則

10、將無法協(xié)同完成 工作。這一點乂使得他們似乎很密切相關(guān)，互為依賴。對象接受多個來自不同請求者的同一個消息，所得到 的結(jié)果有時不可預(yù)測，因為其自身的狀態(tài)屬性可能被 改變，這種情況系統(tǒng)必須考慮，并付出代價。172.4 事件驅(qū)動和隱式調(diào)用(Event-BasedzImplicit Invocation)1）外部申件（來門多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）以中斷方式被接受并處理；2）各個消息通過過濾器來統(tǒng)一形式，并口統(tǒng)一排隊等該處理：3）在系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度下，消息被發(fā)送到各白對應(yīng)的應(yīng)用隊列川；4）各應(yīng)用隊列有各自的用戶交互線程，通過消息循環(huán)機制，建立自己的 交互應(yīng)用操作事件驅(qū)動和隱式調(diào)用結(jié)構(gòu)的特征消息發(fā)送兩種發(fā)送方式（點發(fā)式

11、：經(jīng)過中間轉(zhuǎn)發(fā)，一點到i點響應(yīng) 、廣播式：經(jīng)過中間轉(zhuǎn)發(fā)，一點到多點響應(yīng)異先方式發(fā)送成分與接收成分之間采用界步方式，各門獨I立，不受約束。其限定和約束山中間隱式層處理。消息過濾兩種過濾方式- 消息過濾功能：系統(tǒng)過濾:應(yīng)用過濾:被送到系統(tǒng)消息隊列Z前 被送到應(yīng)用消息隊列之詢事件騾動和隱式調(diào)用結(jié)構(gòu)概念事件駅動指外部事件，包括硬件設(shè)備和軟件的應(yīng)用發(fā)出的請求, 通過中斷方式形成為消息隱式調(diào)用指消息不是總接地被各響應(yīng)的處理操作接收，而是通過 了隱藏在屮間的一個層次（透明訪問概念的體現(xiàn)）。隱式調(diào)用的作用中間的層次，完成消息形式的統(tǒng)-處理及統(tǒng)一調(diào)度，對 接受消息的成分進行必要的管理和控制。這樣，使請求 成分與

12、響應(yīng)成分之間形成松散耦合關(guān)系。可以動態(tài)調(diào)整 事件與響應(yīng)事件之間的關(guān)系，為靈活設(shè)計創(chuàng)造了條件變換：轉(zhuǎn)變消息形式成為某種統(tǒng)一的類型和取值范用抑制：截獲或阻止某種消息轉(zhuǎn)發(fā)：轉(zhuǎn)發(fā)經(jīng)過某種處理的消息到需要響應(yīng)的成分增生：增強某個消息原有的作用，使之成為多個相同或不同的消息事件驅(qū)動和隱式調(diào)川結(jié)構(gòu)的示例Java Bea nfK 件驅(qū)動適配轉(zhuǎn)發(fā)類源對彖：產(chǎn)生爭件的對彖。監(jiān)聽對象：響應(yīng)事件的對象。事件驅(qū)動機制：通過監(jiān)聽注冊和事件接口,連接源對彖和監(jiān)聽對彖。 適配器：一組響應(yīng)事件的組裝配發(fā)。事件狀態(tài)：封裝事件的發(fā)牛時的類型、位置等信息。適配轉(zhuǎn)發(fā)類輸入操作事件驅(qū)動和隱式調(diào)川分析用戶按下鼠標或鍵盤的一個鍵，操作系統(tǒng)的

13、AWT（抽彖窗口工具）將不同平臺的信息轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的事件 對彖。然后，將對象事件及狀態(tài)，作為參數(shù)，向接口對 象發(fā)出請求。接口對象屮有已經(jīng)注冊的監(jiān)聽對彖，通過 適配對象向監(jiān)聽對象發(fā)出該事件。這樣，一個輸入操作 事件，就被監(jiān)聽對象接收并響應(yīng)處理它。事件騾動和隱式調(diào)用結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢消息與響血的非直接（隱式）調(diào)用，使成分之間成為松散的耦合 關(guān)系，可增加系統(tǒng)成分連接、集成的靈活性。支持軟件復(fù)用。山于成分之間的沒仃直接的聯(lián)系，任何已有的軟 件成分只要處理邏輯適用，都可以無所顧忌地使用，將一切限定 留給中間層處理。使系統(tǒng)更易維護。替換某一軟件成份，除了中間轉(zhuǎn)接的適應(yīng)，對 其他成分影響極小。對于異步并發(fā)系統(tǒng)是一種極

14、好的控制方式。事件驅(qū)動和隱式調(diào)MJ結(jié)構(gòu)的不足請求消息成份和接收消息成份完全門上獨立，不受控制，使得消 息序列不易控制，需要消耗較大的精力去控制。相比直接方式的連接，增加了中間層必要的消耗，使消息的響應(yīng) 速度明顯下降。2.5黑板知識庫（倉儲）（Repository）以黑板作為協(xié)同操作的核心，狀態(tài)是核心控制的依據(jù)每個知識源作為問題求解的獨立單位知識源需要協(xié)同完成一個事務(wù)的多個計算求解步驟 協(xié)同的策略和調(diào)度算法，作為特殊的知識源由特殊的知識源改變操作的核心狀態(tài)黑板知識庫結(jié)構(gòu)的成分 知識源：分離的獨立知識產(chǎn)生源。根據(jù)黑板的協(xié)調(diào)狀態(tài)，決 定I身的運作。有直接存取的知識源，也有負責計算的知識 源。黑板：對

15、系統(tǒng)待解決問題的知識：包扌乩 分析定義、系統(tǒng)運 行過程的多種狀態(tài)，以及狀態(tài)下系統(tǒng)相應(yīng)的對策等。黑板知識庫的連接器 黑板知識中心既作為獨立結(jié)構(gòu)成分，也作為各個知識源的 連接器；各個知識源的運作依據(jù)知識中心狀態(tài)變化；中心狀態(tài)的變化是由特殊的知識源完成的，它們以改變系 統(tǒng)過程的各種狀態(tài)為目標，控制系統(tǒng)過程的狀態(tài)轉(zhuǎn)變，以 調(diào)度觸發(fā)各個知識源的運作。黑板知識庫結(jié)構(gòu)的示例專家系統(tǒng)(Expert System)基本模型信息管理決策解釋知識獲取知識庫管理黑板知識庫結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢使協(xié)同求解問題的過程，描述簡單和清晰。所有系統(tǒng) 過程的成分都是知識的產(chǎn)生源，無論單獨的求解步驟, 還是監(jiān)控調(diào)度算法都是黑板中心狀態(tài)的改變者

16、。黑板知識庫結(jié)構(gòu)的不足所有系統(tǒng)成分對共享區(qū)過分依賴，也是系統(tǒng)風險因素 的最大隱患。2.6虛擬機(解釋器)(Interpreter)執(zhí)行程序以能被被解釋的一種偽碼形式表示解釋引擎根據(jù)固定的語法結(jié)構(gòu)，按照偽碼的語義逐句解 釋偽碼，同時，根據(jù)已經(jīng)處理解釋的狀態(tài)，以及需耍的 輸入的數(shù)據(jù)來完成輸出。虛擬機（解釋器）結(jié)構(gòu)的成分與運行程序交互的數(shù)據(jù)集合 被解釋程序的偽代碼集合 執(zhí)行解釋過程的狀態(tài)集合 轉(zhuǎn)換關(guān)系的操作集合虛擬機（解釋器）成分的連接器根據(jù)文法約定以及通川的搜索算法，實現(xiàn)固定形式 的解釋引擎連接。虛擬機(解釋器)結(jié)構(gòu)的示例I布爾表達式求值系統(tǒng)I通過解釋一串布爾求值的程序語句來實現(xiàn)布爾程序的運算。利

17、用布爾止則表達式解決語法的匹配問題。使用通用的搜索算法來解釋執(zhí)行正則表達式，其執(zhí)行結(jié)果就是 最終的運行計算值。布爾正則農(nóng)達式BooleanExpression: =VariableExpression | CorstantExpressi on |OrExpression | AndExpression | NotExpression | '('ExpressiorT)'VariableExpression:| YZ，Constant: =lture,false'OrExpression|:= BooleanExpression 5' BooleanEx

18、pressionAndExpression: := BooleanExpressi on 'and' BooleanExpressionNotExpression: ='not' BooleanExpression用類表示布爾農(nóng)達式的文法規(guī)則32 Evaluate()為對應(yīng)表達式的操作方法任意一個布爾表達式，可以是類對象實例所構(gòu)成的 一個文法樹，可以按照對應(yīng)的方法，完成規(guī)定形式 的操作。例：(t rue and x) or (y and (not x)表達式AndExpressionConstant trueOrEx pressionAnd Ex pressio

19、nVariabietxpression | VariableExpressionXYOrExpFessi onNot X例屮實例所構(gòu)成的文法樹表達式的文法樹，構(gòu)成解釋器結(jié)構(gòu)中的解釋引擎，按 照每個類上定義的求值操作，根據(jù)表達式上下文和已 經(jīng)執(zhí)行到哪一步的狀態(tài)，匹配輸入表達式的具體值， 實現(xiàn)對應(yīng)類上的操作虛擬機（解釋器）結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢易于擴充文法，以適應(yīng)系統(tǒng)的改變。特別是采用面向 對象的繼承方式。狀態(tài)機方式適用于高效的解釋結(jié)構(gòu)。虛擬機（解釋器）結(jié)構(gòu)的不足如果復(fù)雜規(guī)則文法，使系統(tǒng)龐人而無法管理，不宜采 取正則表達式解釋結(jié)構(gòu)，而應(yīng)該采取語法分析程序。33過程控制回路結(jié)構(gòu)特征更適用于閉環(huán)系統(tǒng)負反饋實用價值

20、高于正反饋兩種常用的自適應(yīng)控制回路38開環(huán)系統(tǒng)例：閉環(huán)系統(tǒng)I定時開關(guān)I例:熱氣爐：火源不變，通過疋時器在 固定的間隔時間打開火源熱氣爐：通過測量溫度，不斷調(diào) 節(jié)火源人小35負反饋回路冷中扌z 差值反饋：控制計算 輸出 冃標與檢測值的差，作為控V 制依據(jù)，得到穩(wěn)左的輸出I反饋輸入值檢測正反饋回路和值反饋：冃標與檢測值求和，作為控 制依據(jù)，得到變化的輸出性能自適應(yīng)回路:通過性能分 析，調(diào)整系 統(tǒng)輸入。經(jīng) 常采川模型 參考方式性能佔算模型參考調(diào)整婁考輸入反饋控制機制控制計算過程控制回路結(jié)構(gòu)成分和連接結(jié)構(gòu)成分：控制計算前饋機制（包括：采集.H標設(shè)定和調(diào)整機制）反饋機制（包扌舌：檢測、回路值計算）連件：

21、采用固定形式的結(jié)構(gòu)成分和連接形式過程控制回路結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢組態(tài)可編程控制器通用機和通用機設(shè)計壞境嵌入式設(shè)計技術(shù)和方法2.8 部件連接器(Components and Connectors)部件和連接器也稱為C2 (Components and Connectors)風格。它總結(jié) 了所有體系結(jié)構(gòu)的成分，歸納并深入探討其觀律、特性，引導(dǎo)了軟件 休系結(jié)構(gòu)研究的新途徑。部件和連接器是軟件結(jié)構(gòu)成分的兩大部分。部件是軟件的紐成成分，在系統(tǒng)構(gòu)架中起結(jié)構(gòu)塊的作用。連接件是建立部件和部件之間連接的成分，是專門承接連接作用 的特殊部件。部件可以組合，連接器可以相互連接。返冋本章冃錄簡處瓠管理 構(gòu)件限據(jù) 鴕的聲 系制

22、類控制 構(gòu)件;a接件軟件體系結(jié)構(gòu)成分列農(nóng)連接件成分過程 調(diào)用戊份之間實現(xiàn)單線程控制的連 接機制，如普通過程調(diào)用等。數(shù)據(jù) 流通過數(shù)據(jù)流進行交互的獨立處 理流程連接機制。如同不交互 控制、管道機制等。隱含 觸疫并發(fā)(非同步交互)事件實現(xiàn) 戌分之間的連接機制。如時間 調(diào)度、自動回收處理等。S獨立成分Z間離散和罪線件的 交互連接機制。如協(xié)議等。3戌份Z間通過統(tǒng)數(shù)據(jù)空間進 行協(xié)調(diào)操作的機制。如黑板.共享數(shù)據(jù)區(qū)等。討論部件連接器的內(nèi)容包括:部件的類別部件的農(nóng)達形式連接的種類連接的實現(xiàn)部件的特性/按口特性運行特性遠程服務(wù)特件關(guān)聯(lián)特性動態(tài)特性1等級或?qū)哟翁匦赃B接協(xié)議 r連接方向性連接的特性q連接的角色 連接的

23、激發(fā)連接的響應(yīng) 連接的匹配性部件的類別按過程層次分：基礎(chǔ)部件（硬件）、中層部件（技術(shù)支持）、 高層部件（領(lǐng)域需求）。按應(yīng)用分：通用部件、專用部件。按功能分：數(shù)據(jù)服務(wù)部件、功能服務(wù)部件、邏輯/處理部件、界面部件、連接部件、體系結(jié)構(gòu)部件等。按運行特性分：調(diào)度和芥調(diào)度部件、中斷和非中斷部件、 多客戶服務(wù)部件。部件的農(nóng)達形式部件的農(nóng)示：具有操作接口定義的抽彖數(shù)據(jù)類型。 部件接口衣示：依據(jù)訪問目的的操作方法分類描述 標準的接口描述語言：IDL仃nterface Description Language）,適 用于不同平臺的.從高層描述部件的、系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計丁具43部件的特性1 接口特性:完備件使用者能通過接口完成部件的所仃功能 最小化一任一操作都是不可再拆分的最小操作 正交性一一操作之間的交叉重復(fù)部分應(yīng)該最小2運行特性：能根據(jù)偶然或定時事件觸發(fā)能處理并行運行多個功能部件3. 遠程服務(wù)特性：為適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)計算