【正文】 軟 件 體 系 結(jié) 構(gòu) 第一部分 天津大學(xué)計算機學(xué)院 饒國政 課 程 內(nèi) 容 ◇ 軟件危機 ◇ 軟件體系結(jié)構(gòu)概念 ◇ 軟件體系結(jié)構(gòu)模式 ◇ 體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計模式 ◇ 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模式 ◇ 軟件體系結(jié)構(gòu)的其它研究領(lǐng)域 第一章 軟件危機 ? 軟件 ? 軟件的發(fā)展階段 ? 軟件危機 ? 軟件生命周期 軟件 ? 軟件＝程序、數(shù)據(jù)和相關(guān)文檔的完整集合 ? 軟件的特點： – 軟件是一個邏輯實體，而非物理實體； – 軟件是人類抽象思維的產(chǎn)物； – 開發(fā)過程沒有明顯的制作過程； – 生產(chǎn)成本隨著軟件的復(fù)雜程度急劇增加（指數(shù)級）； – 容易復(fù)制、傳播； – 維護(hù)工作復(fù)雜。 軟件的發(fā)展階段 ? 三個發(fā)展階段 – 程序設(shè)計階段（ 50~60年代中期） – 程序系統(tǒng)階段（ 60中期 ~70年代中期） – 軟件工程階段（ 70年代中期以來） 軟件危機 ◇ 軟件危機的表現(xiàn) ◎ 軟件成本估計不準(zhǔn)確 ? 隨著軟件規(guī)模增長，軟件開發(fā)成本往往成指數(shù)級增長。 ◎ 開發(fā)進(jìn)度難以控制 由于軟件是邏輯、智力產(chǎn)品，軟件的開發(fā)需建立龐大的邏輯體系，這是與其他產(chǎn)品的生產(chǎn)不一樣的。 在軟件開發(fā)過程中 ， 用戶需求變化等各種意想不到的情況層出不窮 ， 令軟件開發(fā)過程很難保證按預(yù)定的計劃實現(xiàn) ，給項目計劃和論證工作帶來了很大的困難 。 盲目增加軟件開發(fā)人員并不能成比例地提高軟件開發(fā)能力 。 相反 ， 隨著人員數(shù)量的增加 ， 人員的組織 、 協(xié)調(diào) 、 通信 、 培訓(xùn)和管理等方面的問題將更為嚴(yán)重 。 ◎ 軟件質(zhì)量差 軟件項目即使能按預(yù)定日期完成，結(jié)果卻不盡人意。1965年至 1970年，美國范登堡基地發(fā)射火箭多次失敗，絕大部分故障是由應(yīng)用程序錯誤造成的。 在 “ 軟件作坊 ” 里，由于缺乏工程化思想的指導(dǎo)，程序員幾乎總是習(xí)慣性地以自己的想法去代替用戶對軟件的需求，軟件設(shè)計帶有隨意性，很多功能只是程序員的 “ 一廂情愿 ”而已，這是造成軟件不能令人滿意的重要因素。 ◎ 軟件開發(fā)缺乏適當(dāng)?shù)奈臋n資料 文檔資料對于軟件開發(fā)和軟件維護(hù)是至關(guān)重要的。 ◎ 軟件維護(hù)困難 由于在軟件設(shè)計和開發(fā)過程中，沒有嚴(yán)格遵循軟件開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，各種隨意性很大，沒有完整的真實反映系統(tǒng)狀況的記錄文檔，給軟件維護(hù)造成了巨大的困難。 特別是在軟件使用過程中，原來的開發(fā)人員可能因各種原因已經(jīng)離開原來的開發(fā)組織，使得軟件幾乎不可維護(hù)。 有資料表明，工業(yè)界為維護(hù)軟件支付的費用占全部硬件和軟件費用的 40%75%。 ◇ 如何克服軟件危機 人們面臨的不光是技術(shù)問題，更重要的是管理問題。管理不善必然導(dǎo)致失敗 。 要提高軟件開發(fā)效率，提高軟件產(chǎn)品質(zhì)量，必須采用 工程化 的開發(fā)方法與工業(yè)化的生產(chǎn)技術(shù)。 ＝＝ 》 軟件工程 軟件生命周期 ? 軟件從孕育、誕生、成長、衰亡的生存過程，稱為軟件的生命周期。 ? 六個步驟： – 制定計劃：問題分析、可行性研究 – 需求分析 – 軟件系統(tǒng)設(shè)計：總體設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計 – 軟件編碼 – 軟件測試 – 軟件維護(hù) 第二章 軟件體系結(jié)構(gòu) ? 基本概念 ? 重要性 ? 組件與連接器 ? 風(fēng)格與模式 ? 非功能屬性 第一節(jié) 基本概念 ? 定義還沒有達(dá)到共識。 ? 以下幾個有助于我們的理解 – 軟件體系結(jié)構(gòu)是一組具有一定形式的結(jié)構(gòu)化元素（設(shè)計元素）組成。 – 軟件體系結(jié)構(gòu)超越了計算過程中的算法設(shè)計和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 – 四視圖觀點：概念上的體系結(jié)構(gòu)、模塊體系結(jié)構(gòu)、代碼體系結(jié)構(gòu)和運行體系結(jié)構(gòu)。 – 四模式觀點：概念模式、框架模式、動態(tài)模式、進(jìn)程模式 ? 所以： ? 軟件體系結(jié)構(gòu)對軟件系統(tǒng)的構(gòu)造起著指導(dǎo)性作用。 ? 它回避了軟件系統(tǒng)的功能細(xì)節(jié)，著重于討論軟件系統(tǒng)的總體構(gòu)架。 ? 它關(guān)注的是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其組成組件。 ? 修正后的軟件生命周期： – 需求分析 – 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計 ：選擇模式，選擇組件，組件之間的關(guān)系以及它們之間的約束。以此為框架，為詳細(xì)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。－原為 “ 總體設(shè)計 ” – 詳細(xì)設(shè)計 – 實現(xiàn) – 維護(hù) 第二節(jié) 重要性 ? 良好的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計是決定軟件系統(tǒng)成功的重要因素。 ? 早期的教訓(xùn)： IBM OS/360（ 19631966） 軟件體系結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)意義 ? 作為軟件開發(fā)的基本指導(dǎo)方針 ? 整個軟件設(shè)計的開端，決定著開發(fā)工作的整體結(jié)構(gòu)，具有更大的決策性和約束性。 ? 體系結(jié)構(gòu)給予后繼開發(fā)人員一個可實現(xiàn)的指導(dǎo)和約束。 軟件體系結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)意義 ? 對軟件質(zhì)量保證具有重大的影響 ? 支配了從開發(fā)到維護(hù)項目的團(tuán)隊組織結(jié)構(gòu) ? 對軟件的修改、變動提供了保證和約束。 ? 提供了軟件的可重用性 為什么體系結(jié)構(gòu)沒能早日引進(jìn)來呢？ ? 早期軟件開發(fā)被認(rèn)為是個人創(chuàng)造力的產(chǎn)物，靈活性很高，從而導(dǎo)致開發(fā)者無規(guī)可循。 ? 早期軟件開發(fā)的規(guī)模較小，開發(fā)通常由個人或者小的團(tuán)隊來完成，團(tuán)隊易于溝通交流，體系結(jié)構(gòu)的要求不迫切。 ? 軟件產(chǎn)品提交給用戶的為編譯后的軟件，不能看到源代碼，其他人難以分析其結(jié)構(gòu)，阻礙了技術(shù)的傳播。 第三節(jié) 組件和連接器 ? 現(xiàn)代軟件系統(tǒng)通常采用組件（構(gòu)件）的開發(fā)方法 ? 組件： 系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)塊，是軟件功能設(shè)計和實現(xiàn)的承載體。 ? 連接器： 組件之間進(jìn)行連接的組件。 ? 軟件體系結(jié)構(gòu)的兩大構(gòu)成：組件、連接器 組件 ? 組件： 系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)塊，是軟件功能設(shè)計和實現(xiàn)的承載體。 ? 組件的表達(dá)形式： – 組件是由 封裝的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其操作 ，以及 對外提供的操作方法集合 組成。－例： 公安局 組件 接口 組件的特性 （ 略 ） 連接器 ? 連接： 組件之間建立和維護(hù)行為關(guān)聯(lián)及信息傳遞的途徑。 ? 連接包含兩方面： – 物質(zhì)基礎(chǔ)：連接發(fā)生和維持的機制； – 規(guī)約協(xié)議：連接能夠正確地、無二義、無沖突地進(jìn)行信息交換的保證。 – 例： 電源轉(zhuǎn)接板 簡單連接：兩個組件直接連接 ? 復(fù)雜連接：專門的連接組件（連接器） 連接器 A組件 A組件 B組件 B組件 ? 連接的特性（略）： 方向性、激發(fā)、響應(yīng)特性 ? 連接的匹配（連接器如何工作的呢）： – 修改組件： 有源代碼 – 進(jìn)行包裝： 常用方法 – 加入中介： 比較復(fù)雜或要求靈活性的 – 握手： 經(jīng)常變動的系統(tǒng) 第四節(jié) 風(fēng)格和模式 ? 軟件設(shè)計人員在長期開發(fā)某種類型軟件過程中摸索到該類軟件的一些規(guī)律性的東西，經(jīng)過提煉總結(jié)，得到了具有普遍性的構(gòu)建 模式 或稱為構(gòu)建 風(fēng)格 。 ? 本課程將討論學(xué)習(xí)應(yīng)用較廣泛的體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格或模式。 ? 使用軟件體系結(jié)構(gòu)的風(fēng)格和模式的意義： – 便于設(shè)計開發(fā)者之間互相交流 – 促進(jìn)了設(shè)計的復(fù)用 – 也促進(jìn)了代碼的復(fù)用 – 使用標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)格和模式有利于支持互操作 所以： 有利于交流和理解； 有利于提高軟件設(shè)計實施的效率和質(zhì)量； 風(fēng)格和模式的完善和系統(tǒng)化，也標(biāo)志軟件體系結(jié)構(gòu)的成熟。 ? 我們對風(fēng)格、模式和框架不加區(qū)分。 ? 我們講解側(cè)重于 模式。 ? 模式分為三個層次： – 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模式（第三章） – 體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計模式（第四章） – 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模式（第五章） 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模式 體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計模式 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模式 范圍最大 ， 層次最高 中等規(guī)模 ， 獨立于特定語言 最低層 、 最基礎(chǔ)的模式 ，和特定語言有關(guān) 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模式 體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計模式 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模式 ? 卷一、卷二、卷三 參考書 ? Robert C. Martin ? 清華大學(xué)出版社 第五節(jié) 非功能屬性 ? 功能屬性 ? 非功能屬性： – 易修改性： ? 可維護(hù)性 ? 可擴(kuò)展性 ? 結(jié)構(gòu)重組 – 可移植性： ? 硬件平臺、 ? 操作系統(tǒng)、 ? 用戶界面、 ? 編程語言 – 互操作性 : ? 軟件需要經(jīng)常與其它系統(tǒng)和周圍的硬軟件軟件入口 – 可靠性 ? 容錯能力 ? 健壯性 – 效率 ? 響應(yīng)時間、吞吐率、存儲空間 – 可重用性 ? 重用現(xiàn)有的組件和重用以前的項目、商業(yè)庫、設(shè)計分析、設(shè)計說明。 ? 為重用進(jìn)行軟件開發(fā) – 可測試性 ? 軟件系統(tǒng)變的越來越大，越來越復(fù)雜，軟件測試工作也變得越來越困難和昂貴。 第三章 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模式 ? 十種模式： ?管道－過濾器、 ?分層、 ?知識庫（黑板）、 ?MVC、 ?PAC、 ?客戶與服務(wù)器 、 ?COM/DCOM/COM+、 ?代理者 、 ?微核 、 ?映像 、 ?異構(gòu) 每種體系結(jié)構(gòu)的講解內(nèi)容 ? 概述 ? 結(jié)構(gòu)：靜態(tài) ? 動態(tài)特性 ? 實現(xiàn) ? 特性 ? 變體 ? 優(yōu)缺點 Google八周歲了 ！ 第 1節(jié) 管道－過濾器 ? 概述