軟件體系結(jié)構(gòu)1第1章軟件體系結(jié)構(gòu)概述

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1、第 1章 軟件體系結(jié)構(gòu)概述 劉 偉 (Sunny Liu) weiliu_ 教學(xué)內(nèi)容 引言 軟件體系結(jié)構(gòu)的意義 軟件體系結(jié)構(gòu)的定義 軟件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 軟件體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢 教材 教材 參考資料 軟件架構(gòu) 參考資料 設(shè)計(jì)模式 教學(xué)內(nèi)容 引言 軟件體系結(jié)構(gòu)的意義 軟件體系結(jié)構(gòu)的定義 軟件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 軟件體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢 引言 三個(gè)小故事 故事一： 做“俯臥撐”的 大樓 故事二： 著名的美國塔科 馬海峽大橋 故事三： 瓦薩戰(zhàn)艦 引言 做“俯臥撐”的大樓 引言 做“俯臥撐”的大樓 引言 做“俯臥撐”的大樓 根據(jù)上海市政府公布的調(diào)查結(jié)果，房屋傾倒的主要原因是緊貼 7號 樓北側(cè)在短期內(nèi)堆土過高，最高處達(dá)

2、 10米左右。與此同時(shí)，緊臨 大樓南側(cè)的地下車庫基坑正在開挖，開挖深度達(dá) 4.6米。 大樓兩側(cè) 的壓力差使土體產(chǎn)生水平位移，過大的水平力超過了樁基的抗側(cè)能 力，導(dǎo)致房屋傾倒。 （ 山寨版原因之一： 此棟樓房系自殺，原因是 房價(jià)太高，自愧不值，畏罪自殺 。 ） 引言 著名的美國塔科馬海峽大橋 (Tacoma Narrows Bridge) 引言 著名的美國塔科馬海峽大橋 (Tacoma Narrows Bridge) 引言 著名的美國塔科馬海峽大橋 (Tacoma Narrows Bridge) 1940年 7月 1日通車 的塔科馬海峽大橋是一座主跨 853米的懸索橋， 橋梁長度 1524米，橋

3、下通航凈高 59.40米， 1940年 11月 7日上午 11點(diǎn) 15分（美國太平洋時(shí)間），戲劇性地被海風(fēng)摧毀而坍塌，可 憐的小狗 Tubby隨之一同掉落進(jìn)普及特海峽，成為這次事故的唯一 遇難者，后人稱之為“ 橋梁建筑史上的珍珠港 ”。對普及特海峽來 說，倒塌的大橋也成為了世界上最大的人造礁石之一。 1940年 11 月 28日，美國海軍的水文辦公室報(bào)告稱，橋梁遺骸的地理坐標(biāo)是 （ 47.1600N， 122.3300W），深度 180英尺（ 55 m）。 引言 著名的美國塔科馬海峽大橋 (Tacoma Narrows Bridge) 從 20世紀(jì) 40年代后期開始，圍繞塔科馬海峽大橋風(fēng)毀事故

4、的原因 后人進(jìn)行了大量的分析與試驗(yàn)研究。橋梁界最后給出的正式結(jié)論是 震撼而有深遠(yuǎn)借鑒意義的：“ 塔科馬大橋使用了嶄新而沒有經(jīng)過驗(yàn) 證的橋梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使大橋建成后毀于風(fēng)力造成的風(fēng)振。 ” 由于 橋梁設(shè)計(jì)（換成 IT界的話來講，就是 橋梁的架構(gòu) ）的原因，導(dǎo)致了 這樣慘痛的工程失敗。 故事是令人震撼的，背后的教訓(xùn)也是深刻的。雖然后續(xù)橋梁工程實(shí) 施的質(zhì)量無可挑剔，但正是橋梁設(shè)計(jì)使用了全新的架構(gòu)，并且該架 構(gòu)沒有經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)，從而導(dǎo)致最終橋梁崩潰性災(zāi)難的發(fā)生。 人 類所有工程領(lǐng)域的進(jìn)步都是建立在這樣一系列失敗的基礎(chǔ)之上，并 逐漸走向成熟和成功。 引言 瓦薩戰(zhàn)艦 引言 瓦薩戰(zhàn)艦 “瓦薩”號戰(zhàn)艦是現(xiàn)存最

5、古老的戰(zhàn) 艦殘骸之一 ，也是 世界上第一批風(fēng) 帆炮艦和當(dāng)時(shí)世界最大的炮艦 。它 在處女航中離岸 10多分鐘 就沉沒了， 其終點(diǎn)是水下 30米，當(dāng)時(shí)船上 150 人中有數(shù)十人喪生。直到 300多年 后，它才被打撈上岸。 1628年 8月 10日，斯德哥爾摩碼頭 人頭攢動，人們都在焦急地等待， 翹首企盼著堪稱世界最頂級的“瓦 薩”號戰(zhàn)艦。 引言 瓦薩戰(zhàn)艦 “瓦薩”號首航僅僅 10多分鐘就結(jié) 束了。其建造過程中埋下的很多隱 患： 安臵太多重炮卻沒有足夠的壓 艙物，導(dǎo)致戰(zhàn)艦重心過高；首航前 沒有經(jīng)過嚴(yán)格測試 等等，都是“瓦 薩”號沉沒的罪魁。但因?yàn)橐磺卸?是依照國王的要求建造的，所以， 這個(gè)轟動一時(shí)的

6、沉船事件最后也就 不了了之。 引言 瓦薩戰(zhàn)艦 瓦薩戰(zhàn)艦的故事雖然發(fā)生在 370多年前，但卻 很好地說明了軟件架構(gòu)的重要性： 系統(tǒng)需求來 自于企業(yè)目標(biāo)，架構(gòu)來自于系統(tǒng)需求，系統(tǒng)來 自于架構(gòu) 。 構(gòu)架與設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)、當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平有著密 切的聯(lián)系。 瓦薩戰(zhàn)艦的設(shè)計(jì)師 Henrik Hybertsson雖然是當(dāng)時(shí)享有盛譽(yù)的知名設(shè)計(jì) 師，但是無論從他本人的經(jīng)驗(yàn)（從未設(shè)計(jì)過類 似規(guī)模的戰(zhàn)艦）還是當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平來看，都 不具備相應(yīng)的條件。 引言 看一組數(shù)字 引言 建筑行業(yè) 華盛頓州立大學(xué)計(jì)算機(jī)系某項(xiàng)目 延誤幾個(gè)月且超支 2050萬美 元 （計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程大樓建設(shè)項(xiàng)目 不是軟件項(xiàng)目， Sanchez 19

7、98） 西雅圖水手隊(duì)棒球館 1995年估算成本 2億 5千萬美元 ，它最后 建成于 1999年，耗資 5億 1700萬美元 （ Withers 1999） 波士頓 Big Dig公路（美國歷史上最昂貴的公路項(xiàng)目）建造項(xiàng)目， 最初估算成本為 26億美元 ，最終成本總計(jì)超過 150億美元 （ Associated Press 2003） 引言 軟件行業(yè) 愛爾蘭人力資源管理系統(tǒng)（ Personnel Payroll and Related Systems, PPARS） 最初的預(yù)算為 880萬 歐元 ，在成本超支達(dá) 到 1億 4千萬歐元 后被取消（ The Irish Times 2005） 美國聯(lián)

8、邦調(diào)查局 (FBI)虛擬案件檔案 (Virtual Case File, VCF)系 統(tǒng) 在花費(fèi)了 1億 7千萬美元 卻只交付了 1/10的計(jì)劃功能的情況 下被擱臵 (Arnone 2005)，該項(xiàng)目更換了 5任信息總監(jiān)和 10位項(xiàng) 目經(jīng)理，合同變更 36次（ Knorr 2005） 教學(xué)內(nèi)容 引言 軟件體系結(jié)構(gòu)的意義 軟件體系結(jié)構(gòu)的定義 軟件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 軟件體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢 軟件體系結(jié)構(gòu)的意義 簡單 VS復(fù)雜 隱藏在簡單背后的復(fù)雜 軟件體系結(jié)構(gòu)的意義 曲線一 全球 IT從業(yè)人員數(shù)量 Nu m be r o f I T pr o f e s s i o n a l s w o r l dw

9、i de y = - 1 2 8 . 4 7 x 3 + 1 2 8 0 0 x 2 - 5 9 2 9 4 x + 1 4 6 6 2 3 0 2 , 0 0 0 , 0 0 0 4 , 0 0 0 , 0 0 0 6 , 0 0 0 , 0 0 0 8 , 0 0 0 , 0 0 0 1 0 , 0 0 0 , 0 0 0 1 2 , 0 0 0 , 0 0 0 1 4 , 0 0 0 , 0 0 0 1 6 , 0 0 0 , 0 0 0 1 9 4 5 1 9 4 8 1 9 5 1 1 9 5 4 1 9 5 7 1 9 6 0 1 9 6 3 1 9 6 6 1 9 6 9 1 9

10、 7 2 1 9 7 5 1 9 7 8 1 9 8 1 1 9 8 4 1 9 8 7 1 9 9 0 1 9 9 3 1 9 9 6 1 9 9 9 2 0 0 2 2 0 0 5 Nu m be r o f I T pr o f e s s i o n a l s w o r l dw i de ( a s s u m pt i o n s ) P o l y . ( Nu m be r o f I T pr o f e s s i o n a l s w o r l dw i de ( a s s u m pt i o n s ) ) 軟件體系結(jié)構(gòu)的意義 曲線二 每年新產(chǎn)生或修改的源代

11、碼行數(shù)（開發(fā) /累積） Ne w o r m o di f i e d s o u r c e l i n e s o f c o de pe r y e a r pe r de v e l o pe r changing them will have significant ripple effects. 軟件體系結(jié)構(gòu)的定義 定義 * SEI軟件體系結(jié)構(gòu)討論群定義如下： 一個(gè)程序 /系統(tǒng)構(gòu)件 的結(jié)構(gòu)，它們之間的相互關(guān)系， 以及在設(shè)計(jì)和交付的整 個(gè)過程中的原則和指導(dǎo)方針 。 一般來說，軟件體系結(jié)構(gòu)定義需要考慮到 系統(tǒng)中的構(gòu)件 及其它們之間的相互作用 。 軟件體系結(jié)構(gòu)的定義 定義 Kruchte

12、n指出，軟件體系結(jié)構(gòu)具有四個(gè)角度，它們從 不同方面對系統(tǒng)進(jìn)行描述，其中 概念角度 描述系統(tǒng)的主 要構(gòu)件及它們之間的關(guān)系； 模塊角度 包含功能分解與層 次結(jié)構(gòu)； 運(yùn)行角度 描述了一個(gè)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)； 代碼角 度 描述了各種代碼和庫函數(shù)在開發(fā)環(huán)境中的組織。 軟件體系結(jié)構(gòu)的定義 定義 David Garlan和 Dewne Perry于 1995年在 IEEE軟件 工程學(xué)報(bào)上采用如下的定義： 軟件體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)程序 /系統(tǒng)各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)、它們之間的相互關(guān)系以及進(jìn)行設(shè) 計(jì)的原則和隨時(shí)間進(jìn)化的指導(dǎo)方針 。 軟件體系結(jié)構(gòu)的定義 定義 Barry Boehm和他的學(xué)生提出， 一個(gè)軟件體系結(jié)構(gòu)包 括一個(gè)軟件和系

13、統(tǒng)構(gòu)件，互聯(lián)及約束的集合 ；一個(gè)系統(tǒng) 需求說明的集合；一個(gè)基本原理用以說明這一構(gòu)件，互 聯(lián)和約束能夠滿足系統(tǒng)需求。 軟件體系結(jié)構(gòu)的定義 定義 1997年， Bass， Ctements和 Kazman在 實(shí)用軟件 體系結(jié)構(gòu) 一書中給出如下的定義： 一個(gè)程序或計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)包括一個(gè)或一組軟件構(gòu)件、軟件構(gòu) 件的外部的可見特性及其相互關(guān)系 。其中，“軟件外部 的可見特性”是指軟件構(gòu)件提供的服務(wù)、性能、特性、 錯誤處理、共享資源使用等。 軟件體系結(jié)構(gòu)的定義 定義 * Mary Shaw和 David Garlan認(rèn)為 軟件體系結(jié)構(gòu)包括構(gòu) 成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)元素的描述，設(shè)計(jì)元素的交互，設(shè)計(jì)元素 組

14、合的模式，以及在這些模式中的約束 。 軟件體系結(jié)構(gòu)包括 構(gòu)件 (Component)、 連接件 (Connector)和 約束 (Constrain)或 配臵 (Configuration)三大要素。 軟件體系結(jié)構(gòu)的定義 定義 Mary Shaw和 David Garlan Professor of Computer Science at Carnegie Mellon University Professor of Computer Science at Carnegie Mellon University 軟件體系結(jié)構(gòu)的定義 定義 軟件體系結(jié)構(gòu)的定義 定義 * 國內(nèi)普遍接受的定義：軟件體系

15、結(jié)構(gòu)包括 構(gòu)件、連接件 和約束 ，它是 可預(yù)制 和 可重構(gòu) 的軟件框架結(jié)構(gòu)。 構(gòu)件 是可預(yù)制和可重用的軟件部件，是組成體系結(jié)構(gòu)的基 本計(jì)算單元或數(shù)據(jù)存儲單元 連接件 也是可預(yù)制和可重用的軟件部件，是構(gòu)件之間的連 接單元 構(gòu)件和連接件之間的關(guān)系用 約束 來描述 軟件體系結(jié)構(gòu) = 構(gòu)件 + 連接件 + 約束 軟件體系結(jié)構(gòu)的定義 構(gòu)件 構(gòu)件是 指一個(gè)計(jì)算單元或者數(shù)據(jù)存儲單元，可以是一個(gè) 處理過程或數(shù)據(jù)元素 。 構(gòu)件是用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算和狀態(tài)的單元 ，可以工作在：客戶 端、服務(wù)器端、數(shù)據(jù)庫或?qū)拥取?構(gòu)件可簡單可復(fù)雜：復(fù)雜構(gòu)件描述一個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)體系 結(jié)構(gòu)由一些描述系統(tǒng)的復(fù)雜構(gòu)件組成。 軟件體系結(jié)構(gòu)的定義 連接

16、件 連接件是體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)元素，它可以用于建模： 構(gòu)件之間的相互作用 控制這些相互作用的規(guī)則 簡單相互作用： 過程的調(diào)用 訪問共享變量 復(fù)雜和語義相關(guān)的相互作用： 客戶端 -服務(wù)器協(xié)議 數(shù)據(jù)庫訪問協(xié)議 異步事件的多點(diǎn)傳送 管道數(shù)據(jù)流 軟件體系結(jié)構(gòu)的定義 約束 約束描述了體系結(jié)構(gòu)的配臵和拓?fù)湟?，配臵或拓?fù)涫侵笜?gòu) 件和連接件組成的一個(gè)連接圖，它用于描述軟件體系結(jié)構(gòu)的 構(gòu)成，確定了體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)件與連接件之間的連接關(guān)系 ： 正確的連接性 并發(fā)和分布性 符合設(shè)計(jì)的啟發(fā)式和風(fēng)格規(guī)則 教學(xué)內(nèi)容 引言 軟件體系結(jié)構(gòu)的意義 軟件體系結(jié)構(gòu)的定義 軟件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 軟件體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢 軟件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 建筑架

17、構(gòu)的發(fā)展 基礎(chǔ)研究階段 軟件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 軟件架構(gòu)的發(fā)展 基礎(chǔ)研究階段 1985年 -1994年 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員習(xí)慣使用一些沒有統(tǒng)一格式和語義的圖形來描述系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)。雖然描述的是各自負(fù)責(zé)的不同類型的系統(tǒng)，但在 描述風(fēng)格和手段 方面卻有著很多共性 ，不同系統(tǒng)之間也有著很多 設(shè)計(jì)手段或風(fēng)格上的共性 。 一些重要的基本思想和基礎(chǔ)概念開始浮出水面：數(shù)據(jù) /信息隱藏和封裝、 抽象數(shù)據(jù)類型、 面向?qū)ο筌浖O(shè)計(jì)與開發(fā) 等 開始嘗試一些為了解決 特定行業(yè) 、 特定問題 所采用的具有明顯針對性的設(shè) 計(jì)手段和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。 試圖識別出通用的 體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格 和設(shè)計(jì)方式，嘗試找到和應(yīng)用一些通用的 方法來描述不同類

18、型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 軟件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 建筑架構(gòu)的發(fā)展 概念確立階段 軟件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 軟件架構(gòu)的發(fā)展 概念確立階段 1992年 -1996年 設(shè)計(jì)模式 軟件體系結(jié)構(gòu)（架構(gòu)）基本概念和模型的確立 體系結(jié)構(gòu)描述語言（ ADL） 的發(fā)展 體系結(jié)構(gòu)表述及分析規(guī)則的制定 體系結(jié)構(gòu) 元素及風(fēng)格 的分類研究 體系結(jié)構(gòu) 評估方法 （如 SAAM等） 架構(gòu)視圖 （ 4+1視圖） 軟件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 建筑架構(gòu)的發(fā)展 探索發(fā)展階段 軟件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 軟件架構(gòu)的發(fā)展 探索發(fā)展階段 1995年 -2000年 1995年 IEEE專門針對軟件體系結(jié)構(gòu)的特刊 1997年， ACME體系結(jié)構(gòu)交互語言 ，為不同體系結(jié)構(gòu)描述語言

19、之 間的交互提供一個(gè)統(tǒng)一的平臺 1998年，軟件體系結(jié)構(gòu)工作會議 WICSA (Working IEEE/IFIP Conference on Software Architecture) 2000年，軟件架構(gòu)的路線圖 架構(gòu)模式 與設(shè)計(jì)模式 軟件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 軟件架構(gòu)的發(fā)展 探索發(fā)展階段 體系結(jié)構(gòu)評估方法的發(fā)展： SAAMATAM 經(jīng)驗(yàn)和成果開始在工業(yè)界大規(guī)模應(yīng)用，如 Raytheon公司的 REAP (Raytheon Enterprise Architecture Process) UML (Unified Modeling Language)的發(fā)展 RUP (Rational Unif

20、ied Process) 面向?qū)ο筌浖軜?gòu)框架 (Architecture Framework)或架構(gòu)平臺 (Architecture Platform)： Sun的 Java EE和 Microsoft的 .net Framework 特定領(lǐng)域 的體系結(jié)構(gòu) 基于構(gòu)件 的軟件體系結(jié)構(gòu) 軟件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 建筑架構(gòu)的發(fā)展 普及應(yīng)用階段 軟件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 軟件架構(gòu)的發(fā)展 普及應(yīng)用階段 2000年至今 新架構(gòu)風(fēng)格： N層的 C/S架構(gòu)、 B/S架構(gòu)、基于代理的架構(gòu)、 SOA等 Web Service OMG提出： MDA (Model Driven Architecture) 軟件架構(gòu)師 (Sof

21、tware Architect)：比爾 .蓋茨（微軟首席架構(gòu)師） 越來越多的軟件架構(gòu)國際性會議召開（ 2005年， SEI舉辦的一系列會議增 加了 25個(gè)與軟件架構(gòu)相關(guān)的會議），越來越多的架構(gòu)技術(shù)人員參與 美國大學(xué) 2000年、中國大學(xué) 2001年開始， 軟件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)入本科教育 2004年秋天， IEEE和 ACM聯(lián)合提出 軟件工程大學(xué)本科教育指南 ，軟 件體系結(jié)構(gòu)占軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容的 20%。 軟件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 軟件架構(gòu)的發(fā)展 普及應(yīng)用階段 微軟前首席軟件架構(gòu)師雷 奧茲 PHP之父、雅虎架構(gòu)師 Rasmus Lerdorf 軟件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 軟件架構(gòu)的發(fā)展 普及應(yīng)用階段 教學(xué)內(nèi)容 引言

22、軟件體系結(jié)構(gòu)的意義 軟件體系結(jié)構(gòu)的定義 軟件體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 軟件體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢 軟件體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢 實(shí)例 軟件體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢 容易理解 它從一個(gè) 高層設(shè)計(jì)的抽象層次 來表征一個(gè)系統(tǒng) 簡化了 我們理解龐大系統(tǒng)的能力 重用 重用大的構(gòu)件 重用一些集成構(gòu)件的框架 特定領(lǐng)域的軟件體系結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)模式 軟件體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢 控制成本 系統(tǒng)維護(hù)者可以更好的理解變更帶來的影響，因而可以 更加精確的估算變更所需的成本 軟件體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢 可分析性 對系統(tǒng)的一致性檢查提供高層次的視圖 研究系統(tǒng)是否與某種體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格相符合 對符合特定風(fēng)格的特定領(lǐng)域系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分析 分析依賴于其中的構(gòu)件 軟件體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢 軟件體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢 http:/ eeles/ http:/www.sei.cmu.edu/architecture/ http:/en.wikipedia.org/wiki/Software_architecture http:/ http:/www.ics.uci.edu/fielding/pubs/dissertation/software _arch.htm 參考資料 END