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。