軟件體系結(jié)構(gòu)Chap風(fēng)格上PPT課件

1、1第三章 軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格 3.1 概述 3.2 經(jīng)典軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格 3.3 公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu) 3.4 正交體系結(jié)構(gòu) 3.5 基于層次消息總線的體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格 3.6 異構(gòu)結(jié)構(gòu)風(fēng)格 3.7 互聯(lián)系統(tǒng)構(gòu)成的系統(tǒng)及其體系結(jié)構(gòu) 3.8 面向體系結(jié)構(gòu)的架構(gòu)（SOA）第1頁/共41頁23.1 概述 軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格(Style)：描述特定系統(tǒng)組織方式的慣用范例，強調(diào)組織模式和慣用范例。組織模式即靜態(tài)表述的樣例，慣用范例則是反映群眾多系統(tǒng)共有的結(jié)構(gòu)和語義。軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心問題：能否達(dá)到體系結(jié)構(gòu)級的軟件重用；對軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格的研究和實踐促進(jìn)了對設(shè)計的復(fù)用，一些經(jīng)過實踐證實的解決方案也可以可靠

2、地用于解決新的問題。PS：體系結(jié)構(gòu)模式 體系結(jié)構(gòu)慣用描述和體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格是同一個意思目的：展示軟件體系結(jié)構(gòu)豐富的選擇空間，在此基礎(chǔ)上對目的：展示軟件體系結(jié)構(gòu)豐富的選擇空間，在此基礎(chǔ)上對風(fēng)格選擇的一些權(quán)衡風(fēng)格選擇的一些權(quán)衡第2頁/共41頁3使用軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格的優(yōu)點：促進(jìn)設(shè)計重用；帶來巨大的代碼重用；使系統(tǒng)更易于被他人理解；使用標(biāo)準(zhǔn)化的風(fēng)格有利于系統(tǒng)的互操作性；便于利用特有的體系結(jié)分析方法；提供特定風(fēng)格的可視化。第3頁/共41頁4 在體系結(jié)構(gòu)層次上，常出現(xiàn)客戶機服務(wù)器系統(tǒng)、管道過濾器設(shè)計或者分層體系結(jié)構(gòu)等軟件風(fēng)格術(shù)語，這些術(shù)語一般與特定的設(shè)計方法和符號相關(guān)，如面向?qū)ο蠛蛿?shù)據(jù)流等，雖然還沒有對體系結(jié)

3、構(gòu)慣用模式實現(xiàn)分類，但是這種分類的輪廓已開始出現(xiàn)，如下部分主要種類： 第4頁/共41頁5軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格是反復(fù)出現(xiàn)的組織模式和習(xí)慣用法，是對一系列體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的抽象；軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格是描述某一特定應(yīng)用領(lǐng)域中系統(tǒng)組織方式的慣用模式。體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格定義了一個系統(tǒng)家族，即一個體系結(jié)構(gòu)定義一個詞匯表和一組約束；詞匯表包括一些構(gòu)件和連接件，約束指出系統(tǒng)如何將這些構(gòu)件和連接件組合起來； 一個軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格定義了構(gòu)件和連接件類一個軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格定義了構(gòu)件和連接件類型的符號集，以及規(guī)定它們怎樣組合起來的約束集型的符號集，以及規(guī)定它們怎樣組合起來的約束集合合。第5頁/共41頁6討論體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格時要回答的問題：

4、設(shè)計詞匯表是什么？構(gòu)件和連接件的類型是什么？可容許的結(jié)構(gòu)模式是什么？基本的計算模型是什么？風(fēng)格的基本不變性是什么？其使用的常見例子是什么？其優(yōu)缺點是什么？體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格最關(guān)鍵的四個要素：提供一個詞匯表、定義一套配置規(guī)則、定義一套語義解釋原則和定義對基于這種風(fēng)格的系統(tǒng)所進(jìn)行的分析。分析7種通用的風(fēng)格第6頁/共41頁7Garlan和Shaw對通用體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格的分類：（1）數(shù)據(jù)流風(fēng)格：批處理序列、管道/過濾器（2）調(diào)用/返回風(fēng)格：主程序/子程序、面向?qū)ο笙到y(tǒng)、多級分層（3）獨立構(gòu)件風(fēng)格：進(jìn)程通訊、事件系統(tǒng)；（4）虛擬機風(fēng)格：解釋器、基于規(guī)則的系統(tǒng)；（5）知識庫風(fēng)格：數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、超文本系統(tǒng)、黑板系統(tǒng)PS

5、: 知識庫風(fēng)格也稱為數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)或倉庫系統(tǒng)第7頁/共41頁83.2 經(jīng)典軟件體系結(jié)構(gòu)3.2.1 管道和過濾器3.2.2 數(shù)據(jù)抽象和面向?qū)ο蠼M織3.2.3 基于事件的隱式調(diào)用3.2.4 分層系統(tǒng)3.2.5 知識庫3.2.6 模型-視圖-控制器(MVC)風(fēng)格3.2.7 解釋器風(fēng)格3.2.8 客戶/服務(wù)器風(fēng)格(C/S)3.2.9 三層C/S結(jié)構(gòu)風(fēng)格3.2.10 瀏覽器/服務(wù)器風(fēng)格(B/S)第8頁/共41頁93.2.1 管道和過濾器(PIPES AND FILTER) 產(chǎn)生于UNIX操作系統(tǒng)，適用于對有序數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列已經(jīng)定義的獨立計算的應(yīng)用程序； 每個構(gòu)件(過濾器)都有一組輸入和輸出，構(gòu)件讀輸入的數(shù)

6、據(jù)流，經(jīng)內(nèi)部處理，產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)流； 連接件位于過濾器之間，起到信息流導(dǎo)管的作用，稱為管道； 管道和過濾器系統(tǒng)的輸出的正確性不依賴于過濾器的遞進(jìn)處理順序。第9頁/共41頁10 管道過濾器通用結(jié)構(gòu)： 過濾器是一個獨立實體，其間無需共享狀態(tài) 管線（Pipelines）：限制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只能是過濾器的線性序列 有界管線（Bounded Pipes）：限制了在管道中能容納的數(shù)據(jù)量 類型定義管道（Type Pipes）：明確定義在兩個過濾器間的數(shù)據(jù)類型第10頁/共41頁11 管道和過濾器風(fēng)格的例子： UNIX的shell程序，如命令：cat file | grep xyz | sort | uniq o

7、ut在文件file中查找包括xyz的行 排序 去掉重行 輸出到out文件中； 編譯器：詞法分析 句法分析 語義分析 代碼生成。第11頁/共41頁12 管道和過濾器的實現(xiàn)： 將系統(tǒng)任務(wù)分成幾個獨立的處理階段； 定義每個管道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式； 決定管道的連接； 設(shè)計和實現(xiàn)過濾器； 設(shè)計出錯處理； 建立處理流水線。第12頁/共41頁13 管道和過濾器的優(yōu)點： 每個過濾器都是獨立的整體，相互之間的狀態(tài)互不影響；只要具備輸入條件即可獨立地完成自己的處理 支持功能模塊的重用；過濾器并不知道它的上游和下游的過濾器的特性；它的設(shè)計和實現(xiàn)不會對與它相連的過濾器加以限制。 系統(tǒng)容易維護(hù)和擴展 支持某些特定的分析，如

8、吞吐量和死鎖檢測 并發(fā)性第13頁/共41頁14 管道和過濾器的缺點： 管線或流水線(Pipe Line)：過濾器嚴(yán)格限制為單輸入、單輸出類型，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只能是線性序列； 交互性比較弱 兼容性相對弱；維持兩個相對獨立但又存在某種關(guān)系的數(shù)據(jù)流之間的通信可能比較困難； 有名管道：在過濾器之間通過有名的管道來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，增加了解析或反饋工作，從而降低系統(tǒng)的效率。第14頁/共41頁153.2.2 數(shù)據(jù)抽象和面向?qū)ο蠼M織 建立在數(shù)據(jù)抽象和面向?qū)ο蟮幕A(chǔ)上，數(shù)據(jù)表示方法及其相應(yīng)操作被裝到一個抽象數(shù)據(jù)類型(對象)中； 對象(構(gòu)件)負(fù)責(zé)保持資源的完整性，對象通過函數(shù)和過程調(diào)用(連接件)來交互； 適用于以相互

9、關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)實體的標(biāo)識和保護(hù)為中心問題的應(yīng)用程序。第15頁/共41頁16面向?qū)ο箫L(fēng)格的優(yōu)點：封裝：對象具有信息隱藏特性，內(nèi)部結(jié)構(gòu)對外不可見；繼承：從具有通用特征的對象開始，逐漸定義更具體對象多態(tài)：不同類型的對象可以對相同的激勵做出不同的響應(yīng)第16頁/共41頁17PS: 數(shù)據(jù)抽象是特殊化的面向?qū)ο箫L(fēng)格：ADT (Abstract Data Type)只有封裝特點，沒有繼承和多態(tài)的特點。面向?qū)ο箫L(fēng)格的缺點：面向?qū)ο箫L(fēng)格的缺點： 1 1、對象調(diào)用過程中必須要知道對象的標(biāo)識，、對象調(diào)用過程中必須要知道對象的標(biāo)識，只要一個對象的標(biāo)識改變，就必須修改所有其他只要一個對象的標(biāo)識改變，就必須修改所有其他明確調(diào)用

10、它的對象。明確調(diào)用它的對象。 2 2、同時要修改每一個引用了這個模塊的、同時要修改每一個引用了這個模塊的“導(dǎo)導(dǎo)入入”列表，這樣會帶來不可預(yù)料的副作用。列表，這樣會帶來不可預(yù)料的副作用。第17頁/共41頁183.2.3 基于事件的隱式調(diào)用 基于事件(Event-Based)的風(fēng)格又稱為隱式調(diào)用(Implicit Invocation)風(fēng)格，構(gòu)件不直接調(diào)用一個過程，而是觸發(fā)或廣播一個或多個事件，由系統(tǒng)調(diào)用為這一事件注冊的其他構(gòu)件的過程； 每個構(gòu)件的接口不僅提供一個過程的集合，也提供一個事件的集合；一個構(gòu)件可注冊多個事件，一個事件可觸發(fā)對多個構(gòu)件過程的調(diào)用； 適用于涉及低耦合構(gòu)件集合的應(yīng)用程序，如在

11、用戶界面系統(tǒng)中管理數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中確保數(shù)據(jù)的一致性，在編輯器中支持語法檢查。第18頁/共41頁19 隱式調(diào)用風(fēng)格的優(yōu)點 為軟件重用提供了強大的支持 為改進(jìn)系統(tǒng)帶來了方便 隱式調(diào)用風(fēng)格的缺點 構(gòu)件放棄了對系統(tǒng)計算的控制 數(shù)據(jù)交換的問題 既然過程的語義必須依賴于被觸發(fā)事件的上下文約束，關(guān)于正確性的推理存在問題第19頁/共41頁203.2.4 分層系統(tǒng) 系統(tǒng)組織為層次結(jié)構(gòu)，每一層為上層提供服務(wù)，作為下層的客戶，通常不允許跨層交互； 適應(yīng)于可以按照層次結(jié)構(gòu)來組織不同類別的相關(guān)服務(wù)的應(yīng)用程序； 系統(tǒng)中構(gòu)件在一些層實現(xiàn)了虛擬機的功能； 連接件通過決定層間如何交互的協(xié)議來定義，拓?fù)浼s束包括對相鄰層間

12、交互的約束； 如分層通信協(xié)議，每一層提供一個抽象的功能作為上層通信的基礎(chǔ)，最低層只定義硬件物理連接。第20頁/共41頁21例：ISO的OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model) 7層模型第21頁/共41頁22 分層系統(tǒng)的實現(xiàn)： 為分層定義抽象準(zhǔn)則，定義抽象層次； 給每一層命名并指定它們的任務(wù)和提供的服務(wù)； 為每個層定義接口、實現(xiàn)獨立的層； 確定相鄰層通信、降低相鄰層的耦合程度； 設(shè)計錯誤處理策略。第22頁/共41頁23 基于微內(nèi)核模式構(gòu)建的Windows NT系統(tǒng)： 系統(tǒng)服務(wù)層：子系統(tǒng)與NT執(zhí)行程序間的接口層； 資源管理層：包括對

13、象管理、安全引用監(jiān)視、進(jìn)程管理、I/O管理、虛擬存儲管理、局部過程調(diào)用等模塊； 內(nèi)核：負(fù)責(zé)基本功能，如中斷和異常處理，多處理器同步，線程調(diào)度； 硬件抽象層：隱藏不同處理器系列機器間硬件的差異； 硬件層； 非嚴(yán)格分層結(jié)構(gòu)，內(nèi)核和I/O管理需要直接訪問硬件。第23頁/共41頁24 分層系統(tǒng)風(fēng)格的優(yōu)點 可以把一個復(fù)雜系統(tǒng)按遞增的步驟進(jìn)行分解 支持功能強，因為每一個層至多和相鄰的上下層交互，因此功能的改變最多影響相鄰的上下層。 支持重用，定義一組標(biāo)準(zhǔn)接口允許各種不同的實現(xiàn)方法。 分層系統(tǒng)風(fēng)格的缺點 層次的劃分不太容易 很難找到一個合適的、正確的層次抽象方法 第24頁/共41頁253.2.5 知識庫 適

14、用于無確定性求解策略的問題：實踐中許多復(fù)雜問題難以用數(shù)學(xué)精確地描繪和嚴(yán)格地分析，如醫(yī)療診斷、法律推理、軍事分析等； 解決方法依賴于積累了人類知識和經(jīng)驗的知識庫； 知識庫風(fēng)格的體系結(jié)構(gòu)由兩種構(gòu)件組成： 一個中央數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，表示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)； 一個獨立構(gòu)件的集合，對中央數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行操作。第25頁/共41頁26 對于系統(tǒng)中數(shù)據(jù)和狀態(tài)的控制方法分兩種： 由輸入事務(wù)選擇進(jìn)行何種處理，并把執(zhí)行結(jié)果作為當(dāng)前狀態(tài)存儲到中央數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，知識庫為傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫型知識庫； 由中央數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的當(dāng)前狀態(tài)決定進(jìn)行何種處理，知識庫為一黑板體系結(jié)構(gòu)。 黑板反映的一種信息共享的系統(tǒng)，傳統(tǒng)應(yīng)用是信號處理領(lǐng)域，源于1970s人工智能的自

15、然語言處理系統(tǒng)HEARSAY-II。第26頁/共41頁27 黑板體系結(jié)構(gòu)模型通常由3部分組成： 知識源：包含獨立的、與應(yīng)用程序相關(guān)的知識； 黑板數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：反映應(yīng)用程序求解狀態(tài)的數(shù)據(jù)，按照與應(yīng)用程序相關(guān)的層次來組織； 控制器：一組對公共數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行協(xié)同操作的獨立程序集合，由黑板的狀態(tài)驅(qū)動。第27頁/共41頁28 黑板結(jié)構(gòu)實現(xiàn)： 定義問題：指出問題的領(lǐng)域、確定系統(tǒng)輸入、輸出，細(xì)化系統(tǒng)與用戶的交互要求； 定義問題解空間：確定目標(biāo)解的構(gòu)成，列出解決方案的不同抽象等級，找出能獨立工作的完整解的部分解； 求解過程：如何將低級中間解轉(zhuǎn)換成高等解，定義在某抽象層上如何進(jìn)行啟發(fā)性搜索，定義黑板詞匯集，設(shè)計系統(tǒng)控

16、制，實現(xiàn)知識庫。黑板系統(tǒng)傳統(tǒng)上應(yīng)用在復(fù)雜信號處理解釋上，如語音和模式識別，現(xiàn)代編譯器也是以共享信息為基礎(chǔ)的第28頁/共41頁29 解釋器風(fēng)格中通常有一個虛擬機，彌合程序語義所期望的與硬件提供的計算引擎之間的差距 解釋器包括正在被解釋執(zhí)行的偽碼和解釋引擎本身 偽碼由需要解釋的源代碼和解釋引擎分析所得到的中間代碼組成。 解釋引擎：語法、解釋器的定義和解釋器當(dāng)前執(zhí)行狀態(tài)3.2.6 解釋器第29頁/共41頁303.2.7 模型-視圖-控制器(MVC)風(fēng)格 許多應(yīng)用系統(tǒng)使用圖形用戶界面，MVC主要用于處理軟件用戶界面開發(fā)中所面臨的問題：用戶界面需要經(jīng)常改變；不同的用戶對用戶界面的表示和使用有不同的要求；

17、同樣的數(shù)據(jù)希望能以不同的形式顯示給用戶； 為方便界面修改和移植，應(yīng)把計算模型和顯示模型獨立。第30頁/共41頁31 Model-View-Controller將交互式應(yīng)用劃分為3種構(gòu)件：模型：應(yīng)用程序的核心，封裝內(nèi)核數(shù)據(jù)與狀態(tài)；視圖：為用戶顯示模型信息，一個模型可對應(yīng)多個視圖；控制器：提供給用戶進(jìn)行操作的接口，每個視圖與一個控制器構(gòu)件相關(guān)聯(lián)。 例：Microsoft提供的Windows應(yīng)用程序的文檔視圖結(jié)構(gòu)(Document-View Architecture)。第31頁/共41頁32 MVC的實現(xiàn)：分析應(yīng)用問題，將人機交互從核心功能中分離開來；設(shè)計應(yīng)用程序的模型構(gòu)件；設(shè)計和實現(xiàn)每個視圖；設(shè)計

18、和實現(xiàn)每個控制器；創(chuàng)建“可安裝”的控制器，增加系統(tǒng)靈活性。第32頁/共41頁333.2.8 客戶/服務(wù)器風(fēng)格(C/S) 客戶/服務(wù)器風(fēng)格(Client/Server)：數(shù)據(jù)和處理分布在一定范圍內(nèi)的多個構(gòu)件上，構(gòu)件通過網(wǎng)絡(luò)連接。 特征：服務(wù)器構(gòu)件：向多個客戶提供服務(wù)，永遠(yuǎn)處于激活狀態(tài)，監(jiān)聽用戶請求；客戶構(gòu)件：向服務(wù)器構(gòu)件請求服務(wù)；連接件：某種通信機制，通常是基于RPC (Remote Procedure Call protocol )的交互協(xié)議；理解情況下，訪問是透明的。第33頁/共41頁34 服務(wù)器負(fù)責(zé)有效地管理系統(tǒng)的資源：數(shù)據(jù)庫安全性的要求；數(shù)據(jù)庫訪問并發(fā)性的控制；數(shù)據(jù)庫前端的客戶應(yīng)用程序的

19、全局?jǐn)?shù)據(jù)完整性規(guī)則；數(shù)據(jù)庫的備份與恢復(fù)； 客戶應(yīng)用程序的主要任務(wù)：提供用戶與數(shù)據(jù)庫交互的界面；向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提交用戶請求并接收來自數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的信息利用客戶應(yīng)用程序?qū)Υ嬖谟诳蛻舳说臄?shù)據(jù)執(zhí)行應(yīng)用邏輯要求。 C/S特點 C/S結(jié)構(gòu)將應(yīng)用一分為二，服務(wù)器(后臺)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理，客戶機(前臺)完成與用戶的交互任務(wù) 服務(wù)器為多個客戶應(yīng)用程序管理數(shù)據(jù)，而客戶程序發(fā)送、請求和分析服務(wù)器接收的數(shù)據(jù)，屬“胖客戶機(fat client)”，或稱為“瘦服務(wù)器(thin server)”體系結(jié)構(gòu)第34頁/共41頁35 C/S體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格的優(yōu)點 強大的數(shù)據(jù)操作和事務(wù)處理能力 通過局域網(wǎng)絡(luò)連接低成本計算機，可以節(jié)約大量費

20、用 易于系統(tǒng)的擴充和縮小 C/S體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格的缺點 開發(fā)成本高 客戶端程序設(shè)計復(fù)雜 信息內(nèi)容和形式單一 用戶界面風(fēng)格不一，使用繁雜，不易推廣使用 軟件移植困難 軟件維護(hù)和升級困難 新技術(shù)不能輕易應(yīng)用第35頁/共41頁363.2.9 三層C/S結(jié)構(gòu)風(fēng)格 傳統(tǒng)二層C/S結(jié)構(gòu)的局限性：以單一服務(wù)器為局域網(wǎng)中心，難以擴展至大型企業(yè)廣域網(wǎng)或Internet；軟、硬件的組合及集成能力有限；客戶機的負(fù)荷重，難以管理大量的客戶機，系統(tǒng)性能容易變壞；客戶端程序可直接訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，數(shù)據(jù)安全性不好； 三層C/S結(jié)構(gòu)增加一個應(yīng)用服務(wù)器，分為表示層、功能層和數(shù)據(jù)層；第36頁/共41頁37 表示層應(yīng)用的用戶接口部分，擔(dān)負(fù)著用戶與應(yīng)用間的對話功能；方便用戶使用，如GUI；檢查輸入數(shù)據(jù)合法性； 功能層應(yīng)用的主體，具體的業(yè)務(wù)處理邏輯；用戶對應(yīng)用和數(shù)據(jù)的存取權(quán)限，處理日志。 數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)管理對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的讀寫如通過SQL訪問的關(guān)