系统架构设计师

zhuxrgf 2021-01-19

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像学写文章一样，在学会字、词、句之后，就应上升到段落，就应追求文章的“布局谋篇”，这就是架构。通俗地讲，软件架构设计就是软件系统的“布局谋篇”。

人们在软件工程实践中，逐步认识到了软件架构的重要性，从而开辟了一个崭新的研究领域。软件架构的研究内容主要涉及软件架构描述、软件架构设计、软件架构风格、软件架构评价和软件架构的形成方法等。

软件设计人员学习软件架构知识旨在站在较高的层面上整体地解决好软件的设计、复用、质量和维护等方面的实际问题。

软件架构概述

软件架构是软件抽象发展到一定阶段的产物，从编程的角度，可以清晰地看到软件抽象层次和表达工具的发展历史。

20 世纪 60 年代是子程序的年代：出现了原始的软件架构，即子程序，并以程序间的调用为连接关系。
20 世纪 70 年代是模块化的年代：出现了数据流分析、实体—关系图（E-R 图）、信息隐藏等工具和方法，软件的抽象层次发展到了模块级。
20 世纪 80 年代是面向对象的年代：基于模块化的编程语言进一步发展成面向对象的语言，继承性地增加了一种新元素之间的连接关系。
20 世纪 90 年代是框架的年代：标准的基于对象的架构以框架的形式出现了。如电子数据表、文档、图形图像、音频剪辑等可互换的黑箱对象，可以相互嵌入。
当前（最近 10 年来）：中间件和 IT 架构作为标准平台出现，用可购买可复用的元素来构建系统，同时，基于架构的开发方法和理论不断成熟。

软件架构的定义

软件架构仍在不断发展中，还没有形成一个统一的、公认的定义，这里仅举出几个较权威的定义。

定义 1：软件或计算机系统的软件架构是该系统的一个（或多个）结构，而结构由软件元素、元素的外部可见属性及它们之间的关系组成。

定义 2：软件架构为软件系统提供了一个结构、行为和属性的高级抽象，由构成系统的元素的描述、这些元素的相互作用、指导元素集成的模式及这些模式的约束组成。

定义 3：软件架构是指一个系统的基础组织，它具体体现在：系统的构件，构件之间、构件与环境之间的关系，以及指导其设计和演化的原则上。（IEEE1471- 2000）

前两个定义都是按“元素—结构—架构”这一抽象层次来描述的，它们的基本意义相同，其中定义 1 较通俗，因此，本章采用这一定义。该定义中的“软件元素”是指比“构件” 更一般的抽象，元素的“外部可见属性”是指其他元素对该元素所做的假设，如它所提供的服务、性能特征等。

更好地理解软件架构的定义，特作如下说明：

（1）架构是对系统的抽象，它通过描述元素、元素的外部可见属性及元素之间的关系来反映这种抽象。因此，仅与内部具体实现有关的细节是不属于架构的，即定义强调元素的 “外部可见”属性。

（2）架构由多个结构组成，结构是从功能角度来描述元素之间的关系的，具体的结构传达了架构某方面的信息，但是个别结构一般不能代表大型软件架构。

（3）任何软件都存在架构，但不一定有对该架构的具体表述文档。即架构可以独立于架构的描述而存在。如文档已过时，则该文档不能反映架构。

（4）元素及其行为的集合构成架构的内容。体现系统由哪些元素组成，这些元素各有哪些功能（外部可见），以及这些元素间如何连接与互动。即在两个方面进行抽象：在静态方面，关注系统的大粒度（宏观）总体结构（如分层）；在动态方面，关注系统内关键行为的共同特征。

（5）架构具有“基础”性：它通常涉及解决各类关键的重复问题的通用方案（复用性），以及系统设计中影响深远（架构敏感）的各项重要决策（一旦贯彻，更改的代价昂贵）。

（6）架构隐含有“决策”，即架构是由架构设计师根据关键的功能和非功能性需求（质量属性及项目相关的约束）进行设计与决策的结果。不同的架构设计师设计出来的架构是不一样的，为避免架构设计师考虑不周，重大决策应经过评审。特别是架构设计师自身的水平是一种约束，不断学习和积累经验才是摆脱这种约束走向自由王国的必经之路。

在设计软件架构时也必须考虑硬件特性和网络特性，因此，软件架构与系统架构二者间的区别其实不大。但是，在大多情况下，架构设计师在软件方面的选择性较之硬件方面，其自由度大得多。因此，使用“软件架构”这一术语，也表明了一个观点：架构设计师通常将架构的重点放在软件部分。

将软件架构置于商业背景中进行观察，可以发现软件架构对企业非常重要。

(1）影响架构的因素。软件系统的项目干系人（客户、用户、项目经理、程序员、测试人员、市场人员等）对软件系统有不同的要求开发组织（项目组）有不同的人员知识结构、架构设计师的素质与经验、当前的技术环境等方面都是影响架构的因素。这些因素通过功能性需求、非功能性需求、约束条件及相互冲突的要求，影响架构设计师的决策，从而影响架构。

（2）架构对上述诸因素具有反作用，例如，影响开发组织的结构。架构描述了系统的大粒度（宏观）总体结构，因此可以按架构进行分工，将项目组为几个工作组，从而使开发有序；影响开发组织的目标，即成功的架构为开发组织提供了新的商机，这归功于：系统的示范性、架构的可复用性及团队开发经验的提升，同时，成功的系统将影响客户对下一个系统的要求等。这种反馈机制构成了架构的商业周期。

架构的模型

软件架构作为一个有机的整体，可以分解成多个侧面来认识，每个侧面强调它的不同方面的特征，从而使架构设计师能整体地把握它的重点。我们可以将软件架构归纳成 5 种模型：结构模型、框架模型、动态模型、过程模型和功能模型。最常用的是结构模型和动态模型。

（1）结构模型。这是一个最直观、最普遍的建模方法。这种方法以架构的构件、连接件和其他概念来刻画结构，并力图通过结构来反映系统的重要语义内容，包括系统的配置、约束、隐含的假设条件、风格、性质。研究结构模型的核心是架构描述语言。

（2）框架模型。框架模型与结构模型类似，但它不太侧重描述结构的细节而更侧重于整体的结构。框架模型主要以一些特殊的问题为目标建立只针对和适应该问题的结构。

（3）动态模型。动态模型是对结构或框架模型的补充，研究系统“大颗粒”的行为性质。例如，描述系统的重新配置或演化。动态可能指系统总体结构的配置、建立或拆除通信通道或计算的过程。

（4）过程模型。过程模型研究构造系统的步骤和过程。因而结构是遵循某些过程脚本的结果。

（5）功能模型。该模型认为架构由一组功能构件按层次组成，且下层向上层提供服务。它可以看作是一种特殊的框架模型。

这 5 种模型各有所长，也许将 5 种模型有机地统一在一起，形成一个完整的模型来刻画软件架构更合适。即将软件架构视为这些模型的统一体，通过这些模型的表述（文档）来完整反映软件架构。例如，Kruchten 在 1995 年提出了一个“4 1”的视图模型。“4 1” 视图模型从 5 个不同的视角包括逻辑视图、进程视图、物理视图、开发视图和场景视图来描述软件架构。每一个视图只关心系统的一个侧面，5 个视图结合在一起才能反映系统的软件架构的全部内容。“4 1”视图模型如下图所示。

（1）逻辑视图：主要支持系统的功能需求，即系统提供给最终用户的服务。在逻辑视图中，系统分解成一系列的功能抽象，这些抽象主要来自问题领域。这种分解不但可以用来进行功能分析，而且可用作标识在整个系统的各个不同部分的通用机制和设计元素。在面向对象技术中，通过抽象、封装和继承，可以用对象模型来代表逻辑视图，用类图来描述逻辑视图。逻辑视图中使用的风格为面向对象的风格，逻辑视图设计中要注意的主要问题是要保持一个单一的、内聚的对象模型贯穿整个系统。

（2）开发视图：也称为模块视图，主要侧重于软件模块的组织和管理。软件可通过程序库或子系统进行组织，这样，对于一个软件系统，就可以由不同的人进行开发。开发视图要考虑软件内部的需求，如软件开发的容易性、软件的重用和软件的通用性，要充分考虑由于具体开发工具的不同而带来的局限性。开发视图通过系统输入输出关系的模型图和子系统图来描述。可以在确定了软件包含的所有元素之后描述完整的开发角度，也可以在确定每个元素之前，列出开发视图原则。

（3）进程视图：侧重于系统的运行特性，主要关注一些非功能性的需求，例如系统的性能和可用性。进程视图强调并发性、分布性、系统集成性和容错能力，以及逻辑视图中的主要抽象的进程结构。它也定义逻辑视图中的各个类的操作具体是在哪一个线程中被执行的。进程视图可以描述成多层抽象，每个级别分别关注不同的方面。

（4）物理视图：主要考虑如何把软件映射到硬件上，它通常要考虑到解决系统拓扑结构、系统安装、通信等问题。当软件运行于不同的节点上时，各视图中的构件都直接或间接地对应于系统的不同节点上。因此，从软件到节点的映射要有较高的灵活性，当环境改变时，对系统其他视图的影响最小。

（5）场景：可以看作是那些重要系统活动的抽象，它使四个视图有机地联系起来，从某种意义上说，场景是最重要的需求抽象。在开发架构时，它可以帮助设计者找到架构的构件和它们之间的作用关系。同时，也可以用场景来分析一个特定的视图，或描述不同视图构件间是如何相互作用的。场景可以用文本表示，也可以用图形表示。希赛教育专家提示：逻辑视图和开发视图描述系统的静态结构，而进程视图和物理视图描述系统的动态结构。对于不同的软件系统来说，侧重的角度也有所不同。例如，对于管理信息系统来说，比较侧重于从逻辑视图和开发视图来描述系统，而对于实时控制系统来说，则比较注重于从进程视图和物理视图来描述系统。

架构需求与软件质量属性

架构的基本需求主要是在满足功能属性的前提下，关注软件质量属性，架构设计则是为满足架构需求（质量属性）寻找适当的“战术”。软件属性包括功能属性和质量属性，但是，软件架构（及软件架构设计师）重点关注的是质量属性。因为，在大量的可能结构中，可以使用不同的结构来实现同样的功能性，即功能性在很大程度上是独立于结构的，架构设计师面临着决策（对结构的选择），而功能性所关心的是它如何与其他质量属性进行交互，以及它如何限制其他质量属性。

软件架构风格分类

讨论架构风格时要回答的问题是：

（1）设计词汇表是什么？

（2）构件和连接件的类型是什么？

（3）可容许的结构模式是什么？

（4）基本的计算模型是什么？

（5）风格的基本不变性是什么？

（6）其使用的常见例子是什么？

（7）使用此风格的优缺点是什么？

（8）其常见的特例是什么？

这些问题的回答包括了架构风格的最关键的四要素内容，即提供一个词汇表、定义一套配置规则、定义一套语义解释原则和定义对基于这种风格的系统所进行的分析。Garlan 和 Shaw 根据此框架给出了通用架构风格的分类：

（1）数据流风格：批处理序列；管道/过滤器。

（2）调用/返回风格：主程序/子程序；面向对象风格；层次结构。

（3）独立构件风格：进程通信；事件系统。

（4）虚拟机风格：解释器；基于规则的系统。

（5）仓库风格：数据库系统；超文本系统；黑板系统。

独立构件风格

独立构件风格主要强调系统中的每个构件都是相对独立的个体，它们之间不直接通信，以降低耦合度，提升灵活性。独立构件风格主要包括：进程通讯和事件系统子风格。

1. 进程通信架构风格。进程通信架构风格：构件是独立的过程，连接件是消息传递。这种风格的特点是构件通常是命名过程，消息传递的方式可以是点到点、异步和同步方式及远过程调用等。

2. 事件系统风格。基于事件的隐式调用风格的思想是构件不直接调用一个过程，而是触发或广播一个或多个事件。系统中的其他构件中的过程在一个或多个事件中注册，当一个事件被触发，系统自动调用在这个事件中注册的所有过程，这样，一个事件的触发就导致了另一模块中的过程的调用。

从架构上说，这种风格的构件是一些模块，这些模块既可以是一些过程，又可以是一些事件的集合。过程可以用通用的方式调用，也可以在系统事件中注册一些过程，当发生这些事件时，过程被调用。

基于事件的隐式调用风格的主要特点是事件的触发者并不知道哪些构件会被这些事件影响。这样不能假定构件的处理顺序，甚至不知道哪些过程会被调用，因此，许多隐式调用的系统也包含显式调用作为构件交互的补充形式。

支持基于事件的隐式调用的应用系统很多。例如，在编程环境中用于集成各种工具，在数据库管理系统中确保数据的一致性约束，在用户界面系统中管理数据，以及在编辑器中支持语法检查。例如在某系统中，编辑器和变量监视器可以登记相应 Debugger 的断点事件。当 Debugger 在断点处停下时，它声明该事件，由系统自动调用处理程序，如编辑程序可以卷屏到断点，变量监视器刷新变量数值。而 Debugger 本身只声明事件，并不关心哪些过程会启动，也不关心这些过程做什么处理。

隐式调用系统的主要优点有：

（1）为软件重用提供了强大的支持。当需要将一个构件加入现存系统中时，只需将它注册到系统的事件中。

（2）为改进系统带来了方便。当用一个构件代替另一个构件时，不会影响到其他构件的接口。

隐式调用系统的主要缺点有：

（1）构件放弃了对系统计算的控制。一个构件触发一个事件时，不能确定其他构件是否会响应它。而且即使它知道事件注册了哪些构件的过程，它也不能保证这些过程被调用的顺序。

（2）数据交换的问题。有时数据可被一个事件传递，但另一些情况下，基于事件的系统必须依靠一个共享的仓库进行交互。在这些情况下，全局性能和资源管理便成了问题。

（3）既然过程的语义必须依赖于被触发事件的上下文约束，关于正确性的推理存在问题。

虚拟机风格

虚拟机风格的基本思想是人为构建一个运行环境，在这个环境之上，可以解析与运行自定义的一些语言，这样来增加架构的灵活性，虚拟机风格主要包括解释器和规则为中心两种架构风格。

仓库风格

在仓库（repository）风格中，有两种不同的构件：中央数据结构说明当前状态，独立构件在中央数据存储上执行，仓库与外构件间的相互作用在系统中会有大的变化。

仓库风格包括的子风格有：数据库系统、超文本系统、黑板风格。

数据库架构是库风格最常见的形式。构件主要有两大类，一个是中央共享数据源，保存当前系统的数据状态；另一个是多个独立处理元素，处理元素对数据元素进行操作。而超文本系统的典型代表，就是早期的静态网页。三种架构子风格中，最复杂的是黑板系统。

架构设计

架构模式也称为架构风格，它是适当地选取战术的结果，这些固定的结果（模式）在高层抽象层次上具有普遍实用性和复用性。

通过架构模式，架构设计师可以借鉴和复用他人的经验，看看类似的问题别人是如何解决的。但不要把模式看成是一个硬性的解决方法，它只是一种解决问题的思路。Martin Fowler 曾说：“模式和业务构件的区别就在于模式会引发你的思考。”

演变交付生命周期
属性驱动设计法
按架构组织开发团队
开发骨架系统
利用商用构件进行开发

在生命周期模型中，架构设计就是从初步的需求分析开始逐步进行循环迭代。即：一方面在了解系统需求前，不能开始设计架构；另一方面，刚开始进行设计架构时并不需要等到全部需求都收集到。架构是由“架构驱动”因素“塑造”的，架构因素是指少数关键的、优先级别最高的业务目标质量需求。架构由少数关键需求决定并在循环迭代中处于基本稳定状态，它作为演变的基础设施。

该模型强调先建立软件架构，再把架构作为骨架，在骨架上循环迭代，逐步长出有血有肉的系统之躯。

属性驱动设计法（Attribute-Driven Design，ADD）就是一种定义软件架构的方法，该方法将分解过程建立在软件必须满足的质量属性之上。ADD 的输入为：功能需求（一般表示为用例）、限制条件和质量需求（一组特定于系统的质量场景）。

ADD 的步骤如下。

（1）选择要分解的模块。通常是整个系统，要求上述输入都是可获得的（限制条件、功能需求、质量需求）。从系统开始，然后分解为子系统，进一步将子系统分解为子模块。

（2）根据如下步骤对模块进行求精：从具体的质量场景和功能需求集合中选择架构驱动因素。并不是同等看待所有需求，而是在满足了最重要的需求的条件下，才满足不太重要的需求，即针对架构需求有优先级。选择满足架构驱动因素的架构模式，根据前面的战术创建（或选择）模式。其目标是建立一个由模块类型组成的总体架构模式。实例化模块并根据用例分配功能，使用多个视图进行表示。定义子模块的接口。验证用例和质量场景，并对其进行求精，使它们成为子模式的限制。

（3）对需要进一步分解的每个模块重复上述步骤。

架构评估

软件架构评估是在对架构分析、评估的基础上，对架构策略的选取进行决策。它也可以灵活地运用于对软件架构进行评审等工作中。业界已开发出多种软件架构评估的方法，按基于的技术手段来看，可以分为三类：基于调查问卷或检查表的方式、基于场景的方式和基于度量的方式。

软件架构视图

现代软件系统非常复杂，通常在某个具体的时间内只需将注意力集中在某几个结构上（就像看病时，医生只是将注意力集中在某方面的人体结构上，骨科医生与心血管科医生关心不同的结构），结构是元素本身的集合，而视图则是捕获和表达结构（文档描述），虽然它们有区别，但在实际使用时则不严格区分，即从系统体系的角度说是结构，从文档角度说是视图。

软件架构是一种无法以简单的一维方式进行说明的复杂实体，从不同侧面的描述就是视图。架构的优势也在于使用视图：每个视图强调系统的某一个方面，同时忽视系统的其他方面，以便有助于处理或理解当前问题，描述完整的系统架构必须具备完整的视图集， “4 1” 方法就是一类完备视图集。

软件视图通常分为三种类型：

（1）模块视图类型：为系统的主要模块实现单元编档。

（2）构件和连接件视图类型：为系统的构件和连接件执行单元编档。

（3）分配视图类型：为软件的开发和执行环境之间的关系编档。

每一视图类型中，又有一些常用的形态，可以把这些形态归纳成架构风格（简称风格），大量的架构风格供架构设计师选用，例如客户机/服务器是一种常见的架构风格，它是构件和连接件视图类型中的一员。架构风格是对元素和关系类型的特化，它还包括如何使用这些元素和关系类型的一组限制条件。架构结构/视图分类如下表所示。