软件架构设计方法理论.doc

1. 软件架构概述 1.1 什么是软件架构 软件架构的概念很混乱。如果你问五个不同的人，可能会得到五种不同的答案。 软件架构概念主要分为两大流派： 组成派：软件架构 = 组件 + 交互。 决策派：软件架构 = 重要决策集。 组成派和决策派的概念相辅相成。 1.2 软件架构和子系统、框架之间的关系 复杂性是层次化的。 好的架构设计必须把变化点错落有致地封装到软件系统的不同部分(即关注点分离)。 通过关注点分离，达到“系统中的一部分发生了变化，不会影响其他部分”的目标。 软件单元的粒度： * 粒度最小的单元通常是“类”。 * 几个类紧密协作形成“模块”。 * 完成相对独立的功能的多个模块构成了“子系统”。 * 多个子系统相互配合才能满足一个完整应用的需求，从而构成了软件“系统”。 * 一个大型企业往往使用多套系统，多套系统通过互操作形成“集成系统”。 软件单元的粒度是相对的。同一个软件单元，在不同场景下我们会以不同的粒度看待它。 架构(Architecture)不等于框架(Framework)。 框架只是一种特殊的软件，框架也有架构。 可以通过架构框架化达到“架构重用”的目的，如很多人都在用 Spring 框架提供的 控制反转和依赖注入来构建自己的架构。 1.3 软件架构的作用 如果一个项目的系统架构(包括理论基础)尚未确定，就不应该进行此系统的全面开发。 - Barry Boehm,Engineering Context 一个缺陷充斥的系统，将始终是一个缺陷充斥的系统。 - Timothy C. Lethbridge,面向对象软件工程 软件架构设计为什么这么难？ 因为它是跨越现实世界与计算机世界之间鸿沟的一座桥。 软件架构设计要完成从面向业务到面向技术的转换，在鸿沟上架起一座桥梁。 需求 - 架构设计 - 软件架构 - 系统开发 - 软件系统 软件架构对新产品开发的作用： * 上承业务目标。 * 下接技术决策。 * 控制复杂性。 先进行架构设计，后进行详细设计和编码实现，符合“基于问题深度分而治之”的理念。 * 组织开发。 软件架构方案在小组中间扮演了“桥梁”和“合作契约”的作用。 * 利于迭代开发和增量交付。 以架构为中心进行开发，为增量交付提供了良好的基础。在架构经过验证之后，可以 专注于功能的增量提交。 * 提高质量。 软件架构对软件产品线开发的作用： * 固化核心知识； * 提供可重用资产； * 缩短推出产品的周期； * 降低开发和维护成本； * 提高产品质量； * 支持批量定制。 软件产品线：指具有一组可管理的、公共特性的、软件密集性系统的集合，这些系统满足特定 的市场需求或任务需求，并且按照预定义方式从一个公共的核心资产集开发得到。 软件产品线架构：针对一个公司或组织内的一系列产品而设计的通用架构。 2. 软件架构设计方法 2.1 软件架构为谁而设计 架构师应当为项目相关的不同角色而设计： * 架构师要为客户负责，满足他们的业务目标和约束条件。 * 架构师要为用户负责，满足他们关心的功能需求和运行期质量属性。 * 架构师必须顾及处于协作分工“下游”的开发人员。 * 架构师必须考虑“周边”的管理人员，为他们进行分工管理、协调控制和评估监控等工作提供清晰的基础。 2.2 五视图法 什么是软件架构视图？ 软件架构视图是对于从某一视角看到的系统所作的简化描述，描述中涵盖了系统的某一 特定方面，而省略了与此无关的其他方面。 软件架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，因此宜采 用“分而治之”的办法。即通过不同的视图来描述架构。 软件架构的五视图法： * 逻辑架构 逻辑架构关注功能。其设计着重考虑功能需求。 * 开发架构 开发架构关注程序包。其设计着重考虑开发期质量属性，如可扩展性、可重用性、 可移植性、易理解性和易测试性等。 * 运行架构 运行架构关注进程、线程、对象等运行时概念，以及相关的并发、同步、通信等问题。 其设计着重考虑运行期质量属性，例如性能、可伸缩性、持续可用性和安全性等。 * 物理架构 物理架构关注软件系统最终如何安装或部署到物理机器。其设计着重考虑“安装和 部署需求”。 * 数据架构 数据架构关注持久化数据的存储方案。其设计着重考虑“数据需求”。 2.3 从概念性架构到实际架构 少就是多 (Less is more.)。 - 密斯凡德罗 概念性架构是对系统设计的最初构想。 一般来说，实际的软件架构设计过程是，先进行概念性架构的设计，把最关键的设计 要素和交互机制确定下来，然后再考虑具体技术的运用，设计出实际架构。 2.4 架构设计中的关键要素及解决策略 策略是制胜的关键。 - 张明正，挡不住的趋势 最好的软件开发人员都知道一个秘密：美的东西比丑的东西创建起来更廉价，也更快捷。 - Robert C. Martin, 软件之美 时间就是系统架构的生命。 - Philippe Kruchten 方法产生于恐惧。 面对时间紧迫的压力，我们有理由质疑那种不顾时间花销、一味追求软件架构高质量的 做法。软件架构是软件系统质量的核心，必须足够重视，但在不适当的时候“用时间换 完美”会毁掉整个项目。 架构设计并非“好的就是成功的”，而是“适合的才是成功的”。 软件架构设计中的关键要素及解决策略： 关键要素 策略 - - 1. 是否遗漏了至关重要的非功能需求？ 全面认识需求。 2. 能否驯服数量巨大且频繁变化的需求？ 关键需求决定架构。 3. 能否从容地设计软件架构的不同方面？ 多视图探寻架构。 4. 是否及早验证架构方案并作出了调整？ 及早验证架构。 2.5 软件架构要设计到什么程度 软件系统的架构涵盖了整个系统，尽管架构的有些部分可能只有“一寸深”。 - Ivar Jacobson, 统一软件开发过程之路 软件架构是团队开发的基础。 软件架构要设计到什么程度？ * 由于项目的不同、开发团队情况的不同，软件架构的设计程度会有不同。 * 软件架构应当为开发人员提供足够的指导和限制。 高来高去式架构设计的症状： * 缺失重要架构视图。 遗漏了某些重要视图，从而遗漏了对团队某些角色的指导。 * 浅尝辄止、不够深入。 将重大技术风险遗留到后续开发中。 * 名不副实的分层架构。 对各层之间交互接口和交互机制的设计严重不足。3. 软件架构设计过程 3.1 软件架构设计过程总览 一般的软件过程： 概念化阶段 - 分析阶段 - 架构设计阶段 - 并行开发与测试阶段 - 验收与交付阶段 愿景 需求 架构 可执行系统 交付的系统 软件架构设计过程： 需求分析 - 领域建模 - 确定关键需求 - 概念性架构设计 - 细化架构 - 验证架构 概念性架构 实际架构 分析阶段 架构设计阶段 3.2 需求分析 3.2.1 几个概念 需求捕获 vs 需求分析 vs 系统分析 * 需求捕获是获取知识的过程，知识从无到有。 * 需求分析是挖掘和整理知识的过程，它在已掌握知识的基础上进行。 * 系统分析？如果说需求分析致力于“做什么”，那么系统分析则涉及“怎么做”。 3.2.2 架构师必须掌握的需求知识 软件架构师不必是需求捕获专家，也不必是编写软件需求规格说明书的专家。 但他一定应在需求分类、需求折衷和需求变更的研究方面是专家，否则他和其他 软件架构师相比，就输在了“起跑线”上。 软件需求的类型 功能需求 运行期质量属性 软件需求 质量属性 非功能需求 开发期质量属性 约束 软件质量属性分类方式 运行期质量属性 * 性能 (Performance) * 安全性 (Security) * 易用性 (Usability) * 持续可用性 (Availability) * 可伸缩性 (Scalability) * 互操作性 (Interoperability) * 可靠性 (Reliability) * 鲁棒性 (Robustness) 开发期质量属性 * 易理解性 (Understandability) * 可扩展性 (Extensibility) * 可重用性 (Reusability) * 可测试行 (Testability) * 可维护性 (Maintainability) * 可移植性 (Portability) 3.3 领域建模 就像高效能人士的七个习惯提到的“有内而外全面造就自己”的观点一样， 对待软件开发，要具备“有内而外造就软件”的理念。 想让软件系统随需应变吗？请给软件一个支持变化的“心”。 什么是领域模型？ 领域模型是对实际问题领域的抽象表示，它专注于分析问题领域本身，发掘重要的 业务领域概念，并建立业务领域概念之间的关系。 领域建模和需求分析活动是相互伴随、互相支持、交叠演进的。 领域模型对软件架构乃至整个软件系统开发工作的作用： * 探索复杂问题、固化领域知识； * 决定功能范围、影响可扩展性； * 提供交流基础、促进有效沟通。 3.4 确定关键需求 功能、质量和商业需求的某个集合“塑造”了架构。 - Len Bass, 软件架构实践(第2版) 关键需求决定架构，其余需求验证架构。 什么是对软件架构关键的需求？ * 关键的功能需求。 * 关键的质量属性需求。 * 关键的商业需求。 如何确定关键需求？ 确定关键功能需求 - 全面整理需求 - 分析约束性需求 确定关键质量属性需求 3.5 概念性架构设计 概念性架构设计的步骤(这三个步骤以迭代方式进行)： 1. 鲁棒性分析； 2. 引入架构模式； 3. 质量属性分析。 3.5.1 鲁棒性分析 所谓鲁棒性分析是这样一种方法：通过分析用例规约中的事件流，识别出实现用例规定 的功能所需的主要对象及其职责，形成以职责模型为主的初步设计。 鲁棒性分析是从功能需求向设计方案过度的第一步，所获得的初步设计是一种理想化的 职责模型，它的重点是识别组成软件系统的高级职责块、规划它们之间的关系。 鲁棒性分析填补了分析和设计之间的鸿沟。 鲁棒图包含三种元素：边界对象、控制对象和实体对象。(见书P196) 3.5.2 引入架构模式 较为经典的几种架构模式： 分层、MVC、微内核、基于元模型的架构、管道-过滤器。 关于架构模式的几点说明： * 分层 避免名不副实的分层架构，即对各层之间交互接口和交互机制的设计严重不足。 * 微内核 缺点：设计和实现的复杂性；性能较低。 优点：扩展性强，可移植性强，软件系统的生命周期长。 3.5.3 质量属性分析 “属性-场景-决策”表方法。举例如下： 属性 场景 决策 可扩展性数据库类型可替换 建立数据库存取层 允许加载第三方模块采用插件机制 . . . 3.6 细化架构设计 架构细化工作主要体现在基于五视图方法进行架构细化： 约束 领域模型 - 基于五视图方法 关键需求 - - 架构方案 概念架构 - 进行架构细化 经验 架构细化设计的工作内容： 架构设计视图 设计任务 逻辑架构 细化功能单元； 发现通用机制； 细化领域模型； 确定子系统接口和交互机制。 开发架构 确定要开发或直接利用的程序包之间的依赖关系； 确定采用的技术； 确定采用的框架等。 数据架构 持久化数据存储方案； 数据传递、数据复制、数据同步等策略(可选)。 运行架构 确定引入哪些进程与线程； 确定主动对象、被动对象，以及控制关系； 处理进程线程的创建、销毁、通信机制、资源争用等； 协议设计。 物理架构 确定物理配置方案； 确定如何将目标程序映射到物理节点。 逻辑架构设计中，“发现通用机制”是应被特别强调的。 机制(Mechanism)是模式的实例。机制是特定上下文中重复出现的问题的特定解决方案。 具有良好架构的系统具备概念完整性。它通过对系统架构建立一种清晰的认识来发现通用的 抽象和机制。利用这种共性使最终产生的系统结构更为简单。 3.7 实现并验证软件架构 好的策略必须是一再求证、测试、发现瑕疵漏洞，另想途径或方法来弥补策略不足，有时 甚至得全盘放弃，重新策划。 - 张明正，挡不住的趋势 架构原型对功能性需求的实现非常有限，那么“架构验证”要验证什么？ 答案是要验证架构对质量属性需求的支持程度，包括运行期质量属性和开发期质量属性。 验证架构的两种方法： * 原型法。 对于项目型开发，常采用“原型法”。即对一组架构设计决策在非功能需求方面的满足 程度进行验证。该原型往往是演进型，而非抛弃型。 * 框架法。 对于产品型开发，采用“框架法”有更多优点。该方法将架构设计方案用框架的形式实现， 并在此基础上进行评估验证。在框架实现后，在框架基础上实现部分应用的功能，即实现 一个小的垂直原型，从而进行实际非功能测试和开发期质量属性评价。