軟件架構(gòu)設(shè)計方法理論

1、1. 軟件架構(gòu)概述1.1什么是軟件架構(gòu)軟件架構(gòu)的概念很混亂。如果你問五個不同的人，可能會得到五種不同的答案。軟件架構(gòu)概念主要分為兩大流派：組成派：軟件架構(gòu) =組件+交互。 決策派：軟件架構(gòu)=重要決策集。組成派和決策派的概念相輔相成。1.2軟件架構(gòu)和子系統(tǒng)、框架之間的關(guān)系復(fù)雜性是層次化的。好的架構(gòu)設(shè)計必須把變化點錯落有致地封裝到軟件系統(tǒng)的不同部分(即關(guān)注點分離)。通過關(guān)注點分離，達(dá)到“系統(tǒng)中的一部分發(fā)生了變化，不會影響其他部分”的目標(biāo)。軟件單元的粒度：*粒度最小的單元通常是“類”。*幾個類緊密協(xié)作形成“模塊”。*完成相對獨立的功能的多個模塊構(gòu)成了 “子系統(tǒng)”。*多個子系統(tǒng)相互配合才能滿足一個完整

2、應(yīng)用的需求，從而構(gòu)成了軟件“系統(tǒng)”。* 一個大型企業(yè)往往使用多套系統(tǒng)，多套系統(tǒng)通過互操作形成“集成系統(tǒng)”。軟件單元的粒度是相對的。同一個軟件單元，在不同場景下我們會以不同的粒度看待它。架構(gòu)(Architecture) 不等于框架(Framework)。框架只是一種特殊的軟件，框架也有架構(gòu)?？梢酝ㄟ^架構(gòu)框架化達(dá)到“架構(gòu)重用”的目的，如很多人都在用Spring框架提供的控制反轉(zhuǎn)和依賴注入來構(gòu)建自己的架構(gòu)。1.3軟件架構(gòu)的作用如果一個項目的系統(tǒng)架構(gòu)(包括理論基礎(chǔ))尚未確定，就不應(yīng)該進行此系統(tǒng)的全面開發(fā)。-Barry Boehm, Engineering Context 一個缺陷充斥的系統(tǒng)，將始終是一

3、個缺陷充斥的系統(tǒng)。-Timothy C. Lethbridge,面向?qū)ο筌浖こ誊浖軜?gòu)設(shè)計為什么這么難？因為它是跨越現(xiàn)實世界與計算機世界之間鴻溝的一座橋。軟件架構(gòu)設(shè)計要完成從面向業(yè)務(wù)到面向技術(shù)的轉(zhuǎn)換，在鴻溝上架起一座橋梁。需求- 架構(gòu)設(shè)計- 軟件架構(gòu)- 系統(tǒng)開發(fā)- 軟件系統(tǒng)軟件架構(gòu)對新產(chǎn)品開發(fā)的作用：*上承業(yè)務(wù)目標(biāo)。*下接技術(shù)決策。*控制復(fù)雜性。先進行架構(gòu)設(shè)計，后進行詳細(xì)設(shè)計和編碼實現(xiàn)，符合“基于問題深度分而治之”的理念。*組織開發(fā)。軟件架構(gòu)方案在小組中間扮演了“橋梁”和“合作契約”的作用。*利于迭代開發(fā)和增量交付。以架構(gòu)為中心進行開發(fā)，為增量交付提供了良好的基礎(chǔ)。在架構(gòu)經(jīng)過驗證之后，可以

4、專注于功能的增量提交。*提高質(zhì)量。軟件架構(gòu)對軟件產(chǎn)品線開發(fā)的作用：*固化核心知識；*提供可重用資產(chǎn)；*縮短推岀產(chǎn)品的周期；*降低開發(fā)和維護成本；*提高產(chǎn)品質(zhì)量；*支持批量定制。軟件產(chǎn)品線：指具有一組可管理的、公共特性的、軟件密集性系統(tǒng)的集合，這些系統(tǒng)滿足特定 的市場需求或任務(wù)需求，并且按照預(yù)定義方式從一個公共的核心資產(chǎn)集開發(fā)得到。軟件產(chǎn)品線架構(gòu)：針對一個公司或組織內(nèi)的一系列產(chǎn)品而設(shè)計的通用架構(gòu)。2. 軟件架構(gòu)設(shè)計方法2.1軟件架構(gòu)為誰而設(shè)計架構(gòu)師應(yīng)當(dāng)為項目相關(guān)的不同角色而設(shè)計：*架構(gòu)師要為客戶負(fù)責(zé)，滿足他們的業(yè)務(wù)目標(biāo)和約束條件。*架構(gòu)師要為用戶負(fù)責(zé)，滿足他們關(guān)心的功能需求和運行期質(zhì)量屬性。*架

5、構(gòu)師必須顧及處于協(xié)作分工“下游”的開發(fā)人員。*架構(gòu)師必須考慮“周邊”的管理人員，為他們進行分工管理、協(xié)調(diào)控制和評估監(jiān)控等工作提供清晰的基礎(chǔ)。2.2五視圖法什么是軟件架構(gòu)視圖？軟件架構(gòu)視圖是對于從某一視角看到的系統(tǒng)所作的簡化描述，描述中涵蓋了系統(tǒng)的某一特定方面，而省略了與此無關(guān)的其他方面。軟件架構(gòu)要涵蓋的內(nèi)容和決策太多了，超過了人腦“一蹴而就”的能力范圍，因此宜采用“分而治之”的辦法。即通過不同的視圖來描述架構(gòu)。軟件架構(gòu)的五視圖法：*邏輯架構(gòu)邏輯架構(gòu)關(guān)注功能。其設(shè)計著重考慮功能需求。*開發(fā)架構(gòu)開發(fā)架構(gòu)關(guān)注程序包。其設(shè)計著重考慮開發(fā)期質(zhì)量屬性，如可擴展性、可重用性、可移植性、易理解性和易測試性等。

6、*運行架構(gòu)運行架構(gòu)關(guān)注進程、線程、對象等運行時概念，以及相關(guān)的并發(fā)、同步、通信等問題。其設(shè)計著重考慮運行期質(zhì)量屬性，例如性能、可伸縮性、持續(xù)可用性和安全性等。*物理架構(gòu)物理架構(gòu)關(guān)注軟件系統(tǒng)最終如何安裝或部署到物理機器。其設(shè)計著重考慮“安裝和 部署需求”。*數(shù)據(jù)架構(gòu)數(shù)據(jù)架構(gòu)關(guān)注持久化數(shù)據(jù)的存儲方案。其設(shè)計著重考慮“數(shù)據(jù)需求”。2.3從概念性架構(gòu)到實際架構(gòu)少就是多(Less is more.)。-密斯凡德羅概念性架構(gòu)是對系統(tǒng)設(shè)計的最初構(gòu)想。 一般來說，實際的軟件架構(gòu)設(shè)計過程是，先進行概念性架構(gòu)的設(shè)計，把最關(guān)鍵的設(shè)計 要素和交互機制確定下來，然后再考慮具體技術(shù)的運用，設(shè)計岀實際架構(gòu)。2.4架構(gòu)設(shè)計中

7、的關(guān)鍵要素及解決策略策略是制勝的關(guān)鍵。-張明正，擋不住的趨勢最好的軟件開發(fā)人員都知道一個秘密：美的東西比丑的東西創(chuàng)建起來更廉價，也更快捷。-Robert C. Martin,軟件之美時間就是系統(tǒng)架構(gòu)的生命。-Philippe Kruchten方法產(chǎn)生于恐懼。面對時間緊迫的壓力，我們有理由質(zhì)疑那種不顧時間花銷、一味追求軟件架構(gòu)高質(zhì)量的 做法。軟件架構(gòu)是軟件系統(tǒng)質(zhì)量的核心，必須足夠重視，但在不適當(dāng)?shù)臅r候“用時間換 完美”會毀掉整個項目。架構(gòu)設(shè)計并非“好的就是成功的”，而是“適合的才是成功的”。軟件架構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵要素及解決策略：全面認(rèn)識需求。 關(guān)鍵需求決定架構(gòu)。 多視圖探尋架構(gòu)。及早驗證架構(gòu)。關(guān)鍵

8、要素策略1. 是否遺漏了至關(guān)重要的非功能需求？2. 能否馴服數(shù)量巨大且頻繁變化的需求?3. 能否從容地設(shè)計軟件架構(gòu)的不同方面?4. 是否及早驗證架構(gòu)方案并作岀了調(diào)整?2.5軟件架構(gòu)要設(shè)計到什么程度軟件系統(tǒng)的架構(gòu)涵蓋了整個系統(tǒng)，盡管架構(gòu)的有些部分可能只有“一寸深”-Ivar Jacobson,統(tǒng)一軟件開發(fā)過程之路軟件架構(gòu)是團隊開發(fā)的基礎(chǔ)。軟件架構(gòu)要設(shè)計到什么程度？*由于項目的不同、開發(fā)團隊情況的不同，軟件架構(gòu)的設(shè)計程度會有不同*軟件架構(gòu)應(yīng)當(dāng)為開發(fā)人員提供足夠的指導(dǎo)和限制。高來高去式架構(gòu)設(shè)計的癥狀：*缺失重要架構(gòu)視圖。遺漏了某些重要視圖，從而遺漏了對團隊某些角色的指導(dǎo)。*淺嘗輒止、不夠深入。將重大

9、技術(shù)風(fēng)險遺留到后續(xù)開發(fā)中。*名不副實的分層架構(gòu)。對各層之間交互接口和交互機制的設(shè)計嚴(yán)重不足。3. 軟件架構(gòu)設(shè)計過程3.1軟件架構(gòu)設(shè)計過程總覽一般的軟件過程：概念化階段-分析階段- 架構(gòu)設(shè)計階段- 并行開發(fā)與測試階段-驗收與交付階段1111 1愿景需求架構(gòu)可執(zhí)行系統(tǒng)交付的系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計過程：需求分析- 領(lǐng)域建模- 確定關(guān)鍵需求- 概念性架構(gòu)設(shè)計- 細(xì)化架構(gòu)- 驗證架構(gòu)II !II概念性架構(gòu)實際架構(gòu)! !分析階段架構(gòu)設(shè)計階段3.2需求分析幾個概念需求捕獲vs需求分析vs系統(tǒng)分析*需求捕獲是獲取知識的過程，知識從無到有。*需求分析是挖掘和整理知識的過程，它在已掌握知識的基礎(chǔ)上進行。*系統(tǒng)分析？如果

10、說需求分析致力于“做什么”，那么系統(tǒng)分析則涉及“怎么做” 架構(gòu)師必須掌握的需求知識軟件架構(gòu)師不必是需求捕獲專家，也不必是編寫軟件需求規(guī)格說明書的專家。 但他一定應(yīng)在需求分類、需求折衷和需求變更的研究方面是專家，否則他和其他 軟件架構(gòu)師相比，就輸在了“起跑線”上。軟件需求的類型廠功能需求廠運行期質(zhì)量屬性軟件需求T廠質(zhì)量屬性T匚非功能需求TL開發(fā)期質(zhì)量屬性匚約束軟件質(zhì)量屬性分類方式 運行期質(zhì)量屬性* 性能(Performance)* 安全性(Security)* 易用性(Usability)*持續(xù)可用性(Availability)* 可伸縮性(Scalability)* 互操作性(Interope

11、rability)* 可靠性(Reliability)* 魯棒性(Robustness)開發(fā)期質(zhì)量屬性易理解性(Understandability)可擴展性(Extensibility)可重用性(Reusability)可測試行(Testability)可維護性(Maintainability)可移植性(Portability)3.3領(lǐng)域建模就像高效能人士的七個習(xí)慣提到的“有內(nèi)而外全面造就自己”的觀點一樣， 對待軟件開發(fā)，要具備“有內(nèi)而外造就軟件”的理念。想讓軟件系統(tǒng)隨需應(yīng)變嗎？請給軟件一個支持變化的“心”。什么是領(lǐng)域模型？領(lǐng)域模型是對實際問題領(lǐng)域的抽象表示，它專注于分析問題領(lǐng)域本身，發(fā)掘重要

12、的業(yè)務(wù)領(lǐng)域概念，并建立業(yè)務(wù)領(lǐng)域概念之間的關(guān)系。領(lǐng)域建模和需求分析活動是相互伴隨、互相支持、交疊演進的。領(lǐng)域模型對軟件架構(gòu)乃至整個軟件系統(tǒng)開發(fā)工作的作用：*探索復(fù)雜問題、固化領(lǐng)域知識；*決定功能范圍、影響可擴展性；*提供交流基礎(chǔ)、促進有效溝通。3.4確定關(guān)鍵需求功能、質(zhì)量和商業(yè)需求的某個集合“塑造”了架構(gòu)。-Len Bass,軟件架構(gòu)實踐（第2版）關(guān)鍵需求決定架構(gòu)，其余需求驗證架構(gòu)。什么是對軟件架構(gòu)關(guān)鍵的需求？*關(guān)鍵的功能需求。*關(guān)鍵的質(zhì)量屬性需求。*關(guān)鍵的商業(yè)需求。如何確定關(guān)鍵需求？p確定關(guān)鍵功能需求-全面整理需求- 分析約束性需求 TH$確定關(guān)鍵質(zhì)量屬性需求3.5概念性架構(gòu)設(shè)計概念性架構(gòu)設(shè)計

13、的步驟（這三個步驟以迭代方式進行）:1. 魯棒性分析；2. 引入架構(gòu)模式;3. 質(zhì)量屬性分析。魯棒性分析所謂魯棒性分析是這樣一種方法：通過分析用例規(guī)約中的事件流，識別岀實現(xiàn)用例規(guī)定 的功能所需的主要對象及其職責(zé)，形成以職責(zé)模型為主的初步設(shè)計。魯棒性分析是從功能需求向設(shè)計方案過度的第一步，所獲得的初步設(shè)計是一種理想化的 職責(zé)模型，它的重點是識別組成軟件系統(tǒng)的高級職責(zé)塊、規(guī)劃它們之間的關(guān)系。魯棒性分析填補了分析和設(shè)計之間的鴻溝。魯棒圖包含三種元素：邊界對象、控制對象和實體對象。（見書P196）引入架構(gòu)模式較為經(jīng)典的幾種架構(gòu)模式：分層、MVC、微內(nèi)核、基于元模型的架構(gòu)、管道-過濾器。關(guān)于架構(gòu)模式的幾

14、點說明：*分層避免名不副實的分層架構(gòu)，即對各層之間交互接口和交互機制的設(shè)計嚴(yán)重不足。*微內(nèi)核缺點：設(shè)計和實現(xiàn)的復(fù)雜性；性能較低。優(yōu)點：擴展性強，可移植性強，軟件系統(tǒng)的生命周期長。質(zhì)量屬性分析 “屬性-場景-決策”表方法。舉例如下：1屬性111場景11I決策1111可擴展性I數(shù)據(jù)庫類型可替換111I建立數(shù)據(jù)庫存取層1111允許加載第三方模塊I采用插件機制1 11. 1 . 11 13.6細(xì)化架構(gòu)設(shè)計架構(gòu)細(xì)化工作主要體現(xiàn)在基于五視圖方法進行架構(gòu)細(xì)化:約束領(lǐng)域模型- I基于五視圖方法丨關(guān)鍵需求- I|-架構(gòu)方案概念架構(gòu)- I進行架構(gòu)細(xì)化 I經(jīng)驗架構(gòu)細(xì)化設(shè)計的工作內(nèi)容：1I架構(gòu)設(shè)計視圖1 11 1I設(shè)

15、計任務(wù)I11 1I邏輯架構(gòu)III1 1I細(xì)化功能單元；II發(fā)現(xiàn)通用機制；II細(xì)化領(lǐng)域模型；II確定子系統(tǒng)接口和交互機制。I11 1I開發(fā)架構(gòu)1 11I確定要開發(fā)或直接利用的程序包之間的依賴關(guān)系；II確定采用的技術(shù)；II確定采用的框架等。I11 1I數(shù)據(jù)架構(gòu)1 11I持久化數(shù)據(jù)存儲方案；II數(shù)據(jù)傳遞、數(shù)據(jù)復(fù)制、數(shù)據(jù)同步等策略 （可選）。I11 1I運行架構(gòu)1 11I確定引入哪些進程與線程；II確定主動對象、被動對象，以及控制關(guān)系；II處理進程線程的創(chuàng)建、銷毀、通信機制、資源爭用等；II協(xié)議設(shè)計。I11 1I物理架構(gòu)1I確定物理配置方案；II確定如何將目標(biāo)程序映射到物理節(jié)點。I邏輯架構(gòu)設(shè)計中，“發(fā)現(xiàn)通用機制”是應(yīng)被特別強調(diào)的。機制(Mechanism)是模式的實例。機制是特定上下文中重復(fù)岀現(xiàn)的問題的特定解決方案。具有良好架構(gòu)的系統(tǒng)具備概念完整性。它通過對系統(tǒng)架構(gòu)建立一種清晰的認(rèn)識來發(fā)現(xiàn)通用的 抽象和機制。利用這種共性使最終產(chǎn)生的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡單。3.7實現(xiàn)并驗證軟件架構(gòu)好的策略必須是一再求證、測試、發(fā)現(xiàn)瑕疵漏洞，另想途徑或方法來彌補策略不足，有時 甚至得全盤放棄，重新策劃。-張明正，擋不住的趨勢架構(gòu)原型對功能性需求的實現(xiàn)非常有限