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掇取軟件體系結(jié)構(gòu)研究綜述任繼永1（甘肅工業(yè)職業(yè)技術學院信息工程系甘肅天水741025）摘要：論文在分析了目前典型的軟件體系結(jié)構(gòu)概念之后，給出了軟件體系結(jié)構(gòu)的定義和作用。通過總結(jié)軟件體系結(jié)構(gòu)領域的若干研究活動，提出了軟件體系結(jié)構(gòu)在軟件工程中的重要性，并介紹了軟件體系結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向。作為總結(jié)，給出了軟件體系結(jié)構(gòu)領域最有前途的發(fā)展趨勢。關鍵字：軟件體系結(jié)構(gòu)；軟件體系結(jié)構(gòu)建模；軟件生命周期模型；ATAM。0引言六十年代的軟件危機使得人們開始重視軟件工程的研究。起初，人們把軟件設計的重點放在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的選擇上，隨著軟件系統(tǒng)規(guī)模越來越大、越來越復雜，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和規(guī)格說明顯得越來越重要。軟件危機的程度日益加劇，現(xiàn)有的軟件工程方法對此顯得力不從心。對于大規(guī)模的復雜軟件系統(tǒng)來說，對總體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計和規(guī)格說明比起對計算的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇已經(jīng)變得明顯重要得多。在此種背景下，人們認識到軟件體系結(jié)構(gòu)的重要性，并認為對軟件體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)、深入的研究將會成為提高軟件生產(chǎn)率和解決軟件維護問題的新的最有希望的途徑?？梢宰鱾€簡單的比喻，結(jié)構(gòu)化程序設計時代是以磚、瓦、灰、沙、石、預制梁、柱、屋面板蓋平房和小樓，而面向?qū)ο髸r代以整面墻、整間房、一層樓梯的預制件蓋高樓大廈。構(gòu)件怎樣搭配才合理？體系結(jié)構(gòu)怎樣構(gòu)造容易？重要構(gòu)件有了更改后，如何保證整棟高樓不倒？每種應用領域需要什么構(gòu)件（醫(yī)院、工廠、旅館）？有哪些實用、美觀、強度、造價合理的構(gòu)件骨架使建造出來的建筑（即體系結(jié)構(gòu)）更能滿足用戶的需求？如同土木工程進入到現(xiàn)代建筑學一樣，軟件也從傳統(tǒng)的軟件工程進入到現(xiàn)代面向?qū)ο蟮能浖こ?，研究整個軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，尋求建構(gòu)最快、成本最低、質(zhì)量最好的構(gòu)造過程。1軟件體系結(jié)構(gòu)1作者簡介：任繼永（1982-），男，漢族，甘肅工業(yè)職業(yè)技術學院講師，西安交通大學軟件學院在讀碩士研究生，研究方向為：軟件開發(fā)，信息安全。1.1定義軟件體系結(jié)構(gòu)是描述軟件系統(tǒng)的一組模型的集合，它定義了軟件系統(tǒng)的組成，各組成部分相互間的關系，以及制約其設計與發(fā)展的原理和準則，對軟件系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)、特性與運行方式進行了全面、系統(tǒng)的描述。1.2結(jié)構(gòu)模型研究軟件體系結(jié)構(gòu)的首要問題是如何表示軟件體系結(jié)構(gòu)，即如何對軟件體系結(jié)構(gòu)建模。根據(jù)建模的側(cè)重點的不同，可以將軟件體系結(jié)構(gòu)的模型分為5種：結(jié)構(gòu)模型、框架模型、動態(tài)模型、過程模型和功能模型。在這5個模型中，最常用的是結(jié)構(gòu)模型和動態(tài)模型。這5種模型各有所長，也許將5種模型有機地統(tǒng)一在一起，形成一個完整的模型來刻畫軟件體系結(jié)構(gòu)更合適。例如，Kruchten在1995年提出了一個“4+1”的視角模型?！?+1”模型從5個不同的視角包括邏輯視角、過程視角、物理視角、開發(fā)視角和場景視角來描述軟件體系結(jié)構(gòu)。每一個視角只關心系統(tǒng)的一個側(cè)面，5個視角結(jié)合在一起才能夠反映系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)的全部內(nèi)容?！?+1”模型如圖1所示。圖1：“4+1”模型1.3作用軟件體系結(jié)構(gòu)代表了系統(tǒng)的公共的高層次的抽象，是軟件生存期早期設計決策的成果，可以作為軟件系統(tǒng)的各相關利益方通信的手段，并能夠為開發(fā)人員提供了一種實現(xiàn)的約束。軟件體系結(jié)構(gòu)是達到系統(tǒng)目標特性的促進力量（或阻礙力量），選擇軟件體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)在很大程度上決定了系統(tǒng)是否能夠達到其需求的質(zhì)量特性，如功能、性能、可靠性、維護性、可復用性、可適應性等，但軟件體系結(jié)構(gòu)并不能單獨保證系統(tǒng)所要求的功能與質(zhì)量。正確的軟件體系結(jié)構(gòu)是項目成功的必要條件，但不是充分條件。2軟件體系結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀目前，軟件體系結(jié)構(gòu)尚處在迅速發(fā)展之中，越來越多的研究人員正在把注意力投向軟件體系結(jié)構(gòu)的研究。用于對軟件體系進行規(guī)格描述的模型、標記法和工具仍很不正規(guī)。盡管這些不正規(guī)的模型是有用的，為使之更為精確和健壯，在很多方面的研究工作還需要繼續(xù)進行。關于軟件體系結(jié)構(gòu)的研究工作主要在國外展開的，國內(nèi)到目前為止對于軟件體系結(jié)構(gòu)的研究尚處在起步階段。軟件體系結(jié)構(gòu)在國內(nèi)未引起人們廣泛注意的原因主要有兩點：?軟件體系結(jié)構(gòu)從表面上看起來是一個老話題，似乎沒有新東西。?與國外相比，國內(nèi)對大型和超大型復雜軟件系統(tǒng)開發(fā)的經(jīng)歷相對較少，對軟件危機的災難性體會沒有國外深刻，因而對軟件體系結(jié)構(gòu)研究的重要性和必要性的認識還不很充分。2.1形成研究熱點，仍處于非形式化水平從軟件體系結(jié)構(gòu)研究的現(xiàn)狀來看，當前的研究和對軟件體系結(jié)構(gòu)的描述，在很大程度上來說還停留在非形式化的基礎上。軟件構(gòu)架師仍然缺乏必要的工具，這種工具應該是顯式描述的、有獨立性的形式化工具。在目前通用的軟件開發(fā)方法中，其描述通常是用非形式化的圖和文本，不能描述系統(tǒng)期望的存在于構(gòu)件之間的接口，不能描述不同的組成系統(tǒng)的組合關系的意義。難以被開發(fā)人員理解，更不能用來分析其一致性和完整性等特性。2.2軟件體系結(jié)構(gòu)的形式化方法研究軟件體系結(jié)構(gòu)研究如果僅僅停留在非形式化的框圖階段，已經(jīng)難以適應進一步發(fā)展的需要。為支持基于體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)，需要有形式化建模符號、體系結(jié)構(gòu)說明的分析與開發(fā)工具。從軟件體系結(jié)構(gòu)研究的現(xiàn)狀來看，在這一領域近來已經(jīng)有不少進展，其中比較有代表性的是美國卡耐基梅隆大學(CarnegieMellonUniversity)的RobertJ.Allen于1997年提出的Wright系統(tǒng)。Wright是-種結(jié)構(gòu)描述語言，該語言基于一種形式化的、抽象的系統(tǒng)模型，為描述和分析軟件體系結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)化方法提供了一種實用的工具。Wright主要側(cè)重于描述系統(tǒng)的軟件構(gòu)件和連接的結(jié)構(gòu)、配置和方法。它使用顯式的、獨立的連接模型來作為交互的方式，這使得該系統(tǒng)可以用邏輯謂詞符號系統(tǒng)，而不依賴特定的系統(tǒng)實例來描述系統(tǒng)的抽象行為2.3發(fā)展基于體系結(jié)構(gòu)的軟件開發(fā)模型軟件開發(fā)模型是跨越整個軟件生存周期的系統(tǒng)開發(fā)、運行、維護所實施的全部工作和任務的結(jié)構(gòu)框架，給出了軟件開發(fā)活動各階段之間的關系。目前，常見的軟件開發(fā)模型大致可分為三種類型：（1）以軟件需求完全確定為前提的瀑布模型。（2）在軟件開發(fā)初始階段只能提供基本需求時采用的漸進式開發(fā)模型，如螺旋模型等。（3）以形式化開發(fā)方法為基礎的變換模型。所有開發(fā)方法都是要解決需求與實現(xiàn)之間的差距。但是，這三種類型的軟件開發(fā)模型都存在這樣或那樣的缺陷，不能很好地支持基于軟件體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)過程。因此，研究人員在發(fā)展基于體系結(jié)構(gòu)的軟件開發(fā)模型方面做了一定的工作。例如，為了形象地表示體系結(jié)構(gòu)的生命周期，北京郵電大學的周瑩新博士建立了一個軟件體系結(jié)構(gòu)的生命周期模型，該模型如圖2所示。圖2：軟件體系結(jié)構(gòu)的生命周期模型2.4軟件產(chǎn)品線體系結(jié)構(gòu)的研究軟件體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)是大型軟件系統(tǒng)開發(fā)的關鍵環(huán)節(jié)。體系結(jié)構(gòu)在軟件生產(chǎn)線的開發(fā)中具有至關重要的作用，在這種開發(fā)生產(chǎn)中，基于同一個軟件體系結(jié)構(gòu)，可以創(chuàng)建具有不同功能的多個系統(tǒng)。在軟件產(chǎn)品族之間共享體系結(jié)構(gòu)和一組可重用的構(gòu)件，可以增加軟件工程和降低開發(fā)和維護成本。一個產(chǎn)品線代表著一組具有公共的系統(tǒng)需求集的軟件系統(tǒng)，它們都是根據(jù)基本的用戶需求對標準的產(chǎn)品線構(gòu)架進行定制，將可重用構(gòu)件與系統(tǒng)獨有的部分集成而得到的。采用軟件生產(chǎn)線式模式進行軟件生產(chǎn)，將產(chǎn)生巨型編程企業(yè)。但目前生產(chǎn)的軟件產(chǎn)品族大部分是處于同一領域的。3軟件體系結(jié)構(gòu)的研究熱點當前，體系結(jié)構(gòu)仍是一個非常新的研究領域，其概念還相當模糊。但軟件體系結(jié)構(gòu)作為軟件工程領域中的一個組成部分，已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，受到大多數(shù)軟件系統(tǒng)設計和研究人員的重視。軟件體系結(jié)構(gòu)目前較活躍的研究方向包括：?軟件體系結(jié)構(gòu)形式基礎的研究；?針對軟件體系結(jié)構(gòu)描述中特有的問題研究新的專門的高級語言；?建立用于度量和評價軟件體系結(jié)構(gòu)的模型和方法；?建立面向?qū)ｉT領域的軟件體系結(jié)構(gòu)范型庫。?把軟件體系結(jié)構(gòu)從目前的直覺和經(jīng)驗狀態(tài)過渡到理論。3.1提供新的軟件體系結(jié)構(gòu)描述語言在提高軟件工程師對軟件系統(tǒng)的描述和理解能力中，雖然軟件體系結(jié)構(gòu)描述起著重要作用，但這些抽象的描述通常是非形式化的和隨意的。體系結(jié)構(gòu)設計經(jīng)常難以理解，難以適于進行形式化分析和模擬，缺乏相應的支持工具幫助構(gòu)架師完成設計工作。為了解決這個問題，用于描述和推理的形式化語言得以發(fā)展，這些語言就叫做體系結(jié)構(gòu)描述語言(ArchitectureDescriptionLanguage),ADLs求增加軟件體系結(jié)構(gòu)設計的可理解性和重用性。3.2對軟件體系結(jié)構(gòu)的專門知識的整理這方面的工作主要是對軟件工程師在軟件開發(fā)實踐中得來的各種體系結(jié)構(gòu)的原則、模式的整理和分類。例如，對軟件體系結(jié)構(gòu)風格的分類和比較，對體系結(jié)構(gòu)描述語言的綜合分析等。就目前看來，國內(nèi)對軟件體系結(jié)構(gòu)的研究主要集中在對軟件體系結(jié)構(gòu)的專門知識的整理上。3.3提供特定領域的體系結(jié)構(gòu)框架最近，開發(fā)特定的領域去為產(chǎn)品提供可重用框架日益受到關注。這些開發(fā)基于這樣的想法：可以提取相關系統(tǒng)中的共同方面，以便可以通過低成本地把這些共同的設計實例化來構(gòu)筑新系統(tǒng)。常見的例子有：（1）編譯器的標準分解。這個方法可以使一個本科生在一個學期時間內(nèi)構(gòu)造一個新的語言編譯系統(tǒng)。（2）標準化的通訊協(xié)議。這個可以使廠家通過在不同層次的抽象上提供服務來互相操縱。（3）第四代語言。利用4GL開發(fā)出商務信息處理的通用范式。（4）用戶界面工具和框架。這個方法為開發(fā)者提供了一個可重用框架以及象菜單、對話框這樣的可重用構(gòu)件的集合。軟件體系結(jié)構(gòu)充當一個理解系統(tǒng)構(gòu)件和它們之間關系的框架，特別是那些始終跨越時間和實現(xiàn)的屬性。這個理解對于現(xiàn)在系統(tǒng)的分析和未來系統(tǒng)的綜合很有必要。在分析和支持下，體系結(jié)構(gòu)抓住領域知識和實際的一致，促進設計的評估和構(gòu)件的實施，減少仿真和構(gòu)造原型。在綜合的支持下，體系結(jié)構(gòu)提供了建立系列產(chǎn)品的基礎，以可預測的方式利用領域知識構(gòu)造和維護模塊、子系統(tǒng)和系統(tǒng)。3.4提供軟件體系結(jié)構(gòu)的形式化基礎對體系結(jié)構(gòu)設計的推理的形式化表示使得體系結(jié)構(gòu)級的設計更好地被理解、被實現(xiàn)。它的目的是對體系結(jié)構(gòu)設計人員在實踐過程中總結(jié)出來的一些設計的經(jīng)驗和方法加以總結(jié)、概括，從而形成一個形式化的描述，形成一定的理論基礎:以代替當前的不精確的研究）。已提出一些形式化機制，如過程代數(shù)、偏序集合、化學抽象機等。希望對系統(tǒng)的非功能特性如性能、可維護性等給出形式特征，同時給出軟件體系結(jié)構(gòu)的理論。3.5建立評價軟件體系結(jié)構(gòu)的方法通過分析來預見軟件的質(zhì)量，通過分析來創(chuàng)建、選擇、評估與比較不同的體系結(jié)構(gòu)。例如，Kazman等人在2000年提出的ATAM（ArchitecturalTradeoffAnalysisMethod）方法。ATAM方法不但能夠揭示體系結(jié)構(gòu)如何滿足特定的質(zhì)量需求（例如性能和可修改性），而且還提供了分析這些質(zhì)量需求之間交互作用的方法。使用ATAM方法評價一個軟件體系結(jié)構(gòu)的目的是理解體系結(jié)構(gòu)設計滿足系統(tǒng)質(zhì)量需求的結(jié)果。采用ATAM方法的步驟如圖3所示，限于篇幅，在此不再詳細介紹具體步驟，有興趣的讀者可查閱有關ATAM方法的文獻。

I介紹AT酬方法I描述商業(yè)目標V描述體系結(jié)構(gòu)*二^1!I介紹AT酬方法I描述商業(yè)目標V描述體系結(jié)構(gòu)*二^1!標識體系結(jié)構(gòu)步驟I產(chǎn)生質(zhì)童屬性樹分析體系結(jié)構(gòu)步驟|描述和介紹階段調(diào)查和分析階段測試階段圖3采用方法的步驟軟件體系結(jié)構(gòu)研究作為軟件工程中一個正在興起的基礎研究領域，將軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)信息獨立于算法與數(shù)據(jù)，創(chuàng)建滿足系統(tǒng)需要的結(jié)構(gòu)，定義系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的重要方面（如系統(tǒng)的負荷等），并提供系統(tǒng)開發(fā)的框架。同時，試圖在系統(tǒng)開發(fā)的早期階段研究系統(tǒng)實現(xiàn)時的若干重要的質(zhì)量屬性。目前，軟件體系結(jié)構(gòu)領域研究依然非?；钴S.如BarryBohem在南加州大學專門成立了軟件體系結(jié)構(gòu)研究組，曼徹斯特大學專門成立了軟件體系結(jié)構(gòu)研究所。同時，業(yè)界許多著名企業(yè)的研究中心也將軟件體系結(jié)構(gòu)作為重要的研究內(nèi)容。如由BM,Nokia,ABB等企業(yè)聯(lián)合一些大學研究嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)項目。國內(nèi)也有不少的機構(gòu)在從事軟件體系結(jié)構(gòu)方面的研究，如北京大學軟件工程研究所一直從事基于體系結(jié)構(gòu)軟件組裝的工業(yè)化生產(chǎn)方法與平臺的研究，北京郵電大學則研究了電信軟件的體系結(jié)構(gòu)，國防科學技術大學推出的CORBA規(guī)范實現(xiàn)平臺為體系結(jié)構(gòu)研究提供了基礎設施所需的中間件技術。針對軟件體系結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢，Clements預測在未來的5?10年內(nèi)軟件體系結(jié)構(gòu)研究將圍繞如下5個方向展開：體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)建與選擇;體系結(jié)構(gòu)表示;體系結(jié)構(gòu)分析；基于體系結(jié)構(gòu)開發(fā)；體系結(jié)構(gòu)演化。而Perry在IFIP2000年世界計算機大會主題演講中認為，最為重要的3個研究方向是:體系結(jié)構(gòu)風格、體系結(jié)構(gòu)連接件和動態(tài)體系結(jié)構(gòu)。本人認為：基于體系結(jié)構(gòu)的實用軟件開發(fā)方法及相應的支撐環(huán)境將是軟件體系結(jié)構(gòu)研究的一個重要方向。參考文獻Perry,D.E.Softwareengineeringandsoftwarearchitecture.In:Feng,Yu-lin,ed.ProceedingsoftheInternationalConferenceonSoftware:TheoryandPractice.Beijing:ElectronicIndustryPress,2000.1~4.Boehm,B.Engineeringcontext(forsoftwarearchitecture),invitedtalk,In:GarlanD.,ed.Proceedingsofthe1stInternationalWorkshoponArchitectureforSoftwareSystemsSeattle.NewYork:ACMPress,1995.1~8.Perry,D.E.,Wolf,A.L.Foundationsforthestudyofsoftwarearchitecture.ACMSIGSOFTSoftwareEngineerNotes,1992,17(4):40~50.Kruchten,P.B.The4+1viewmod