软件架构设计

什么是软件架构

前言：软体设计师中有一些技术水平较高、经验较为丰富的人，他们需要承担软件系统的架构设计，也就是需要设计系统的元件如何划分、元件之间如何发生相互作用，以及系统中逻辑的、物理的、系统的重要决定的作出。在很多公司中，架构师不是一个专门的和正式的职务。通常在一个开发小组中，最有经验的程序员会负责一些架构方面的工作。在一个部门中，最有经验的项目经理会负责一些架构方面的工作。但是，越来越多的公司体认到架构工作的重要性。
　　什么是软件系统的架构（Architecture）般而言，架构有两个要素：

　　·它是一个软件系统从整体到部分的最高层次的划分。

　　一个系统通常是由元件组成的，而这些元件如何形成、相互之间如何发生作用，则是关于这个系统本身结构的重要信息。

　　详细地说，就是要包括架构元件（Architecture Component）、联结器（Connector）、任务流（Task-flow）。所谓架构元素，也就是组成系统的核心”砖瓦”，而联结器则描述这些元件之间通讯的路径、通讯的机制、通讯的预期结果，任务流则描述系统如何使用这些元件和联结器完成某一项需求。

　　·建造一个系统所作出的最高层次的、以后难以更改的，商业的和技术的决定。

　　在建造一个系统之前会有很多的重要决定需要事先作出，而一旦系统开始进行详细设计甚至建造，这些决定就很难更改甚至无法更改。显然，这样的决定必定是有关系统设计成败的最重要决定，必须经过非常慎重的研究和考察。

　　计算机软件的历史开始于五十年代，历史非常短暂，而相比之下建筑工程则从石器时代就开始了，人类在几千年的建筑设计实践中积累了大量的经验和教训。建筑设计基本上包含两点，一是建筑风格，二是建筑模式。独特的建筑风格和恰当选择的建筑模式，可以使一个独一无二。

　　下面的照片显示了中美洲古代玛雅建筑，Chichen-Itza大金字塔，九个巨大的石级堆垒而上，九十一级台阶（象征着四季的天数）夺路而出，塔顶的神殿耸入云天。所有的数字都如日历般严谨，风格雄浑。难以想象这是石器时代的建筑物。

　　软件与人类的关系是架构师必须面对的核心问题，也是自从软件进入历史舞台之后就出现的问题。与此类似地，自从有了建筑以来，建筑与人类的关系就一直是建筑设计师必须面对的核心问题。英国首相丘吉尔说，我们构造建筑物，然后建筑物构造我们（We shape our buildings, and afterwards our buildings shape us）。英国下议院的会议厅较狭窄，无法使所有的下议院议员面向同一个方向入座，而必须分成两侧入座。丘吉尔认为，议员们入座的时候自然会选择与自己政见相同的人同时入座，而这就是英国政党制的起源。Party这个词的原意就是”方”、”面”。政党起源的关键就是建筑物对人的影响。

　　在软件设计界曾经有很多人认为功能是最为重要的，形式必须服从功能。与此类似地，在建筑学界，现代主义建筑流派的开创人之一Louis Sullivan也认为形式应当服从于功能（Forms follows function）。

　　几乎所有的软件设计理念都可以在浩如烟海的建筑学历史中找到更为遥远的历史回响。最为著名的，当然就是模式理论和XP理论。

架构的目标是什么

　　正如同软件本身有其要达到的目标一样，架构设计要达到的目标是什么呢般而言，软件架构设计要达到如下的目标：

　　·可靠性（Reliable）。软件系统对于用户的商业经营和管理来说极为重要，因此软件系统必须非常可靠。

　　·安全行（Secure）。软件系统所承担的交易的商业价值极高，系统的安全性非常重要。

　　·可扩展性（Scalable）。软件必须能够在用户的使用率、用户的数目增加很快的情况下，保持合理的性能。只有这样，才能适应用户的市场扩展得可能性。

　　·可定制化（Customizable）。同样的一套软件，可以根据客户群的不同和市场需求的变化进行调整。

　　·可扩展性（Extensible）。在新技术出现的时候，一个软件系统应当允许导入新技术，从而对现有系统进行功能和性能的扩展

　　·可维护性（Maintainable）。软件系统的维护包括两方面，一是排除现有的错误，二是将新的软件需求反映到现有系统中去。一个易于维护的系统可以有效地降低技术支持的花费

　　·客户体验（Customer Experience）。软件系统必须易于使用。

　　·市场时机（Time to Market）。软件用户要面临同业竞争，软件提供商也要面临同业竞争。以最快的速度争夺市场先机非常重要。

架构的种类

　　根据我们关注的角度不同，可以将架构分成三种：

　　·逻辑架构、软件系统中元件之间的关系，比如用户界面，数据库，外部系统接口，商业逻辑元件，等等。

　　比如下面就是笔者亲身经历过的一个软件系统的逻辑架构图

图2、一个逻辑架构的例子

　　从上面这张图中可以看出，此系统被划分成三个逻辑层次，即表象层次，商业层次和数据持久层次。每一个层次都含有多个逻辑元件。比如WEB服务器层次中有HTML服务元件、Session服务元件、安全服务元件、系统管理元件等。

　　·物理架构、软件元件是怎样放到硬件上的。

　　比如下面这张物理架构图描述了一个分布于北京和上海的分布式系统的物理架构，图中所有的元件都是物理设备，包括 络分流器、代理服务器、WEB服务器、应用服务器、 表服务器、整合服务器、存储服务器、主机等等。

图3、一个物理架构的例子

　　·系统架构、系统的非功能性特征，如可扩展性、可靠性、强壮性、灵活性、性能等。

　　系统架构的设计要求架构师具备软件和硬件的功能和性能的过硬知识，这一工作无疑是架构设计工作中最为困难的工作。

　　此外，从每一个角度上看，都可以看到架构的两要素：元件划分和设计决定。

　　首先，一个软件系统中的元件首先是逻辑元件。这些逻辑元件如何放到硬件上，以及这些元件如何为整个系统的可扩展性、可靠性、强壮性、灵活性、性能等做出贡献，是非常重要的信息。

　　其次，进行软件设计需要做出的决定中，必然会包括逻辑结构、物理结构，以及它们如何影响到系统的所有非功能性特征。这些决定中会有很多是一旦作出，就很难更改的。

架构师

　　软体设计师中有一些技术水平较高、经验较为丰富的人，他们需要承担软件系统的架构设计，也就是需要设计系统的元件如何划分、元件之间如何发生相互作用，以及系统中逻辑的、物理的、系统的重要决定的作出。

　　这样的人就是所谓的架构师（Architect）。在很多公司中，架构师不是一个专门的和正式的职务。通常在一个开发小组中，最有经验的程序员会负责一些架构方面的工作。在一个部门中，最有经验的项目经理会负责一些架构方面的工作。

　　但是，越来越多的公司体认到架构工作的重要性，并且在不同的组织层次上设置专门的架构师位置，由他们负责不同层次上的逻辑架构、物理架构、系统架构的设计、配置、维护等工作。

软件的架构设计

好的开始相当于成功一半

开始之初的架构设计决定着软件产品的生死存亡。“好的开始相当于成功一半”。

开始的架构设计也是最难的，需要调研同类产品的情况以及技术特征，了解当前世界上对这种产品所能提供的理论支持和技术平台支持。再结合自己项目的特点(需要透彻的系统分析)，才能逐步形成自己项目的架构蓝图。

比如要开发 站引擎系统，就从Yahoo的个人主页生成工具到虚拟主机商提供的 站自动生成系统，以及IBM Webphere Portal的特点和局限 从而从架构设计角度定立自己产品的位置。

好的设计肯定需要经过反复修改，从简单到复杂的循环测试是保证设计正确的一个好办法

由于在开始选择了正确的方向，后来项目的实现过程也验证了这种选择，但在一些架构设计的细部方面，还需要对方案进行修改，属于那种螺旋上升的方式，显然这是通过测试第一的思想和XP工程方法来实现的。

如果我们开始的架构设计在技术平台定位具有一定的世界先进水平，那么，项目开发实际有一半相当于做实验，是研发，存在相当的技术风险。

因此，一开始我们不可能将每个需求都实现，而是采取一种简单完成架构流程的办法，使用最简单的需求将整个架构都简单的完成一遍（加入人工干预），以检验各个技术环节是否能协调配合工作(非常优秀先进的两种技术有时无法在一起工作)，同时也可以探知技术的深浅，掌握项目中的技术难易点。这个过程完成后，我们就对设计方案做出上面的重大修改，丰富完善了设计方案。

设计模式是支撑架构的重要组件

架构设计也类似一种工作流，它是动态的，这点不象建筑设计那样，一开始就能完全确定，架构设计伴随着整个项目的进行过程之中，有两种具体操作保证架构设计的正确完成，那就是设计模式(静态)和工程项目方法(RUP或XP 动态的)。

设计模式是支撑架构的一种重要组件，这与建筑有很相象的地方，一个建筑物建立设计需要建筑架构设计，在具体施工中，有很多建筑方面的规则和模式。

我们从J2EE蓝图模式分类http://java.sun.com/blueprints/patterns/catalog.html中就可以很清楚的看到J2EE这样一个框架软件的架构与设计模式的关系。

架构设计是骨架，设计模式就是肉

这样，一个比较丰富的设计方案可以交由程序员进一步完成了，载辅助以适当的工程方法，这样就可保证项目的架构设计能正确快速的完成。

时刻牢记架构设计的目标

由于架构设计是在动态中完成的，因此在把握架构设计的目标上就很重要，因此在整个项目过程中，甚至每一步我们都必须牢记我们架构设计的总体目标，可以概括下面几点：

1. 最大化的重用：这个重用包括组件重用 和设计模式使用等多个方面。

比如，我们项目中有用户注册和用户权限系统验证，这其实是个通用课题，每个项目只是有其内容和一些细微的差别，如果我们之前有这方面成功研发经验，可以直接重用，如果没有，那么我们就要进行这个子项目的研发，在研发过程中，不能仅仅看到这个项目的需求，也要以架构的概念去完成这个可以称为组件的子项目。

1. 尽可能的简单明了：我们解决问题的总方向是将复杂问题简单化，其实这也是中间件或多层体系技术的根本目标。但是在具体实施设计过程中，我们可能会将简单问题复杂化，特别是设计模式的运用上很容易范这个错误，因此如何尽可能的做到设计的简单明了是不容易的。

我认为落实到每个类的具体实现上要真正能体现系统事物的本质特征，因为事物的本质特征只有一个，你的代码越接近它，表示你的设计就是简单明了，越简单明了，你的系统就越可靠。更多情况是，一个类并不能反应事物本质，需要多个类的组合协调，那么能够正确使用合适的设计模式就称为重中之重。

我们看一个具备好的架构设计的系统代码时，基本看到的都是设计模式，宠物店(pet store)就是这样的例子。或者可以这样说，一个好的架构设计基本是由简单明了的多个设计模式完成的。

1. 最灵活的拓展性：架构设计要具备灵活性 拓展性，这样，用户可以在你的架构上进行二次开发或更加具体的开发。

要具备灵活的拓展性，就要站在理论的高度去进行架构设计，比如现在工作流概念逐步流行，因为我们具体很多实践项目中都有工作流的影子，工作流中有一个树形结构权限设定的概念就对很多领域比较通用。

树形结构是组织信息的基本形式，我们现在看到的 站或者ERP前台都是以树形菜单来组织功能的，那么我们在进行架构设计时，就可以将树形结构和功能分开设计，他们之间联系可以通过树形结构的节点link在一起，就象我们可以在圣诞树的树枝上挂各种小礼品一样，这些小礼品就是我们要实现的各种功能。

有了这个概念，通常比较难实现的用户级别权限控制也有了思路，将具体用户或组也是和树形结构的节点link在一起，这样就间接实现了用户对相应功能的权限控制，有了这样的基本设计方案的架构无疑具备很灵活的拓展性。

如何设计架构/h2>

Part 1 层

当然，层最难的一个问题还是各个层都有些什么，以及要承担何种责任。

典型的三层结构

例子

何时分层

更多的层模式

控制/中介层 表示-领域中介层
领域层 领域层
数据映射层 数据库交互模式中的Database Mapper
数据源层 基础架构层

表示层 运行在服务器上的表示层
业务层 领域层
整合层 基础架构层
资源层 基础架构层通信的外部数据

Part 2 组织领域逻辑

选择一个地方运行领域逻辑

领域逻辑的接口

Part 3 组织web Server

web server端的MVC工作流程示意图

View模式

Controller模式

架构设计的方法学