软件体系结构风格

一、概述

软件体系结构风格是描述某一特定应用领域中系统组织方式的惯用模式。
体系结构风格定义了一个系统家族，即一个体系结构定义一个词汇表和一组约束。词汇表中包含一些构件和连接件类型，而这组约束指出系统是如何将这些构件和连接件组合起来的。

体系结构风格反映了领域中众多系统所共有的结构和语义特性，并指导如何将各个模块和子系统有效地组织成一个完整的系统。根据项目的具体特点进行分析，再确定使用的风格。风格的使用几乎完全是特定的。

体系结构风格的关键四要素:

1. 一个词汇表
2. 定义一套配置规则
3. 定义一套语义解释原则
4. 定义对基于此风格的系统所进行的分析

经典的体系结构风格

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:进程通讯;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。

二、经典的体系结构风格

管道/过滤器

1. 因为对象对其它对象隐藏它的表示所以可以改一个对象的表示，而不影响其它的对象;
2. 设计者可将一些数据存取操作的问题分解成一些交互的代理程序的集合。

面向对象系统的缺点

1. 为了使一个对象和另一个对象通过过程调用等进行交互，必须知道对象的标识。只要一个对象的标识改变了，就必须修改所有其他明确调用它的对象;
2. 必须修改所有显式调用它的其它对象，并消除由此带来的一些副作用。例如，如果A使用了对象B，C也使用了对象B，那么，C对B的使用所造成的对A的影响可能是料想不到的。

基于事件的隐式调用风格

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。系统中的其它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。

这种风格的构件是一些模块， 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些 过程，当发生这些事件时，过程被调用。

这种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

基于事件的隐式调用的优点

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，不会影响到其它构件的接口。

基于事件的隐式调用的缺点

1. 构件放弃了对系统计算的控制。一个构件触发个事件时，不能确定其它构件是否会响应它。而且即使它知道事件注册了哪些构件的构成，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。

分层系统

C2风格

通过连接件绑定在一起的按照-组规则运作的并行构 络。C2风格中的系统组织规则如下:

1. 系统中的构件和连接件都有一一个顶部和一个底部;
2. 构件的顶部应连接到某连接件的底部，构件的底部则应连接到某连接件的顶部，而构件与构件之间的直接连接是不允许的;
3. 一个连接件可以和任意数目的其它构件和连接件连接;
4. 当两个连接件进行直接连接时，必须由其中一个的底部到另一个的顶部。

任务分配

1. 服务器- (后台)负责管理系统资源，任务如下:
   (1)数据库安全性的要求;
   (2)数据库访问并发性的控制;
   (3)数据库前端的客户应用程序的全局数据完整性规则;
   (4)数据库的备份与恢复。

2. 客户应用程序(前台)应完成的任务如下:
   (1)提供用户与数据库交互的界面;
   (2)向数据库服务器提交用户请求并接收来自数据库服务器的信息;
   (3)利用客户应用程序对存在于客户端的数据执行应用逻辑要求。

3. 路通信软件应完成的任务 如下:
   完成数据库服务器与客户端应用程序之间的数据传输。

C/S软件体系结构的一般处理流程如下图:

新增加了应用服务器，将整个应用逻辑驻留在
服务器上而只有表示层存在于客户机上

三层客户/服务器体系结构处理流程：

三层客户/服务器风格优点

1. 允许合理地划分三层结构的功能，使之在逻辑上保持相对独立性，能提高系统和软件的可维护性和可扩展性。
2. 允许更灵活有效地选用相应的平台和硬件系统，可以具有良好的可升级性和开放性。
3. 应用的各层可以并行开发，各层可以选择各自最适合的开发语言。
4. 利用功能层有效地隔离开表示层与数据层，未授权的用户难以绕过功能层而利用数据库工具或黑客手段去非法地访问数据层，为严格的安全管理奠定了坚实的基础。

三层客户/服务器风格缺点

1. 三层C/S结构各层间的通信效率若不高，即使分配给各层的硬件能力很强，其作为整体来说也达不到所要求的性能。
2. 设计时必须慎重考虑三层间的通信方法、通信频度及数据量。这和提高各层的独立性一样是三层C/ S结构的关键问题。

五、浏览器/服务器风格

浏览器/服务器风格的基本概念：

浏览器/服务器(B/S)风格就是上述三层应用结构的一种实现方式，其具体结构为:浏览器/Web服务器/数据库服务器。

B/S体系结构主要是利用不断成熟的WWW浏览器技术，结合浏览器的多种脚本
语言，用通用浏览器就实现了原来需要复杂的专用软件才能实现的强大功能，
并节约了开发成本。从某种程度上来说，B/ S结构是一种全新的软件体系结构。

B/S模式的体系结构：

上图中:
通用服务:实现一些通用功能

• 对象服务:实现基本的对象创建和管理
• 对象请求代理:是关键的通信机制，处理对象间的消息分布
• 针对ORB, 0MG进一步提出了CORBA技术规范，详细如下。

CORBA技术规范包括的内容:

1. 接口定义语言(IDL)
2. z接口池(IR)
3. 动态调用接口(DII)
4. 对象适配器(0A)

CORBA技术规范:

1. 接口定义语言(IDL)
   IDL语言是CORBA规范中定义的一种中性语言，它用来描述对象的接口，而不涉及对象的真体实现。
   在CORBA中定义了IDL语言到C、C++、和Java语言的映射。

2. 接口池(IR)
   CORBA的接口池包括了分布计算环境中所有可用的服务器对象的接口表示。它使动态搜索可用服务的接口、动态构造请求及参数成为可能。

3. 动态调用接口(DII )
   CORBA的动态调用接口提供了一些标准函数以供客户对象动态创建请求、动态构造请求参数。客户对象将动态调用接口与接口池配合使用可实现服务对象接口的动态搜索、请求及参数的动态构造与动
   态发送。当然，只要客户对象在编译之前能够确定服务器对象的IDL接口，CORBA也允许客户对象使用静态调用机制。显然，静态机制的灵活性虽不及动态机制，但执行效率却胜过动态机制。

4. 对象适配器(0A)
   在CORBA中，对象适配器用于屏蔽ORB内核的实现细节为服务器对象的实现者提供抽象接口，以便他们使用ORB内部的某些功能。这些功能包括服务器对象的登录与激活、客户请求的认证等

CORBA定义了一种面向对象的软件构件构造方法，使不同应用可以共享由此构造的软件构件。
CORBA的平台无关性实现对象的跨平台引用CORBA的语言无关性开发人员可以相互利用其他人员的成果、技能。

CORBA体系结构的组成:

CORBA的设计词汇表=[构件: :=客户机系统/服务器系统/其它构件;连接件::=请求/服务]
其中客户机系统包括:

• 构件(客户机应用程序、客户桩、上下文对象、接口仓库)
• 连接件(桩类型激发API、动态激发API)

服务器系统包括:

• 构件(服务器应用程序方法库、服务器框架、对象请求代理)
• 连接件(对象适配器)

CORBA体系结构模式图:

特征

1. 正交软件体系结构由完成不同功能的n (n > 1)个线索(子系统)组成;
2. 系统具有m (m > 1)个不同抽象级别的层;
3. 线索之间是相互独立的(正交的) ;
4. 系统有一个公共驱动层般为最高层)和公共数据结构(般为最低层)。

优点

• 结构清晰，易于理解。由于线索功能相互独立，不进行互相调用，结构简单、清晰，构件在结构图中的位置已经说明它所实现的是哪一级抽象，担负的是什么功能。
• 易修改，可维护性强。由于线索之间是相互独立的，所以对一个线索的修改不会影响到其他线索。系统功能的增加或减少，只需相应的增删线索构件族，而不影响整个正交体系结构，因此能方便地实现结构调整。
• 可移植性强，重用粒度大。因为正交结构可以为一个领域内的所有应用程序所共享，这些软件有着相同或类似的层次和线索，可以实现体系结构级的重用。

八、基于层次消息总线的体系结构风格

基于层次消息总线的体系结构风格概述：
层次消息总线(HMB) 体系结构是由北大杨英清院士等人提出的，其示意图如下:

• 接口
  接口部分:一个构件有多个不同接口，每个接口定义了一组输入和输出消息。构件通过接口定义了同外界的信息传递和承担的系统责任。

• 静态结构
  结构部分:复合构件的内部结构定义。

• 动态行为
  行为部分:用带输出的有限状态自动机来刻画构件的行为，当构件接收到外来的消息后，根据当前所处状态对消息进行相应，并可能导致状态的变迁。

2. 构件接口
   它代表了构件同环境的全部交互内容，也是唯的交互途径。

• HMB风格的构件接口是一种基于消息的互联接口，可以较好地支持体系结构设计。构件之间通过消息进行通讯，接口定义了构件发出和接收的消息集合。

构件发出的消息:通知系统中其它构件某个事件的发生或请求其它构件的服务。
构件接收的消息:对系统中某个事件的响应或提供其他构件所需的服务。

• 当某个事件发生后，系统或构件发出相应的消息，消息总线负责把该消息传递到此消息感兴趣的构件。
• 按照响应方式的不同，消息可分为同步消息和异步消息。

同步消息:消息的发送者必须等待消息处理结果返回才可继续运行。如:过程调用
异步消息:不必等待。如:信 、时钟、异步过程

3. 构件动态行为

• 构件的行为就由外来消息的类型唯一确定即一个消息和构件的某个操作之间存在着固定的对应关系。对于这类构件可以认为构件只有一个状态，或者在每次对消息响应之前，构件处于初始状态

• 更通常的情况是，构件的行为同时受外来消息类型和自身当前所处状态的影响。

6. 运行时刻的系统演化

主要体现在下面3个方面:

(1)动态增加或删除构件
当系统功能扩充时、系统功能裁减时和新版本代替旧版本时，都要进行此操作。

接口中定义的输入、输出刻画了它的责任，构件彼此不知道对方的存在，因此只要保持接口不变，构件可方便的替换。

增加一个构件时，只需向系统登记其感兴趣的消息即可。

删除时可能会出现某些消息没有构件响应的异常情况。
解决方法:
①阻止这些消息
②先让其它构件增加对该消息的响应，然后再删除。

(2)动态改变构件响应的消息类型
此时应通过消息总线对发生的改变进行重新登记。

(3)消息过滤
解决某些构件集成时的不匹配问题。

九、异构结构风格

为什么要使用异构结构strong>

• 不同的结构有不同的处理能力的强项和弱点，一个系统的体系结构应该根据实际需要进行选择，以解决实际问题。
• 关于软件包、框架、通信以及其他一些体系结构上的问题，目前存在多种标准。即使在某段时间内某一种标准 占统治地位，但变动最终是绝对的。
• 实际工作中，我们总会遇到一些遗留下来的代码，它们仍有效用，但是却与新系统有某种程度上的不协调。然而在许多场合，将技术与经济综合进行考虑时，总是决定不再重写它们。
• 即使在某-单位中，规定了共享共同的软件包或相互关系的一些标准，仍会存在解释或表示习惯上的不同。

C/S与B/ S混合软件体系结构有2种模型:

1. 内外有别
   

凡执行维护和修改数据的操作，
就使用C/S结构，若只执行-般查询和浏览操作的，则使用B/S结构。

优点:体现了B/S与C/S的共同优点。
缺点:外部用户可直接访问数据库服务器，故企业数据易暴露，安全性差。

变电综合信息管理系统(TSMIS) 软件体系结构图如下:

其中有一个系统是体现整体性能的，称为上级系统。其余系统代表整体的一部分，称为从属系统。

基于SASIS的软件过程
互连系统构成的系统的软件体系结构(SASIS)

一旦上级系统经历过至少一次迭代，而从属系统的接口相对稳定，则从属系统软件过程即可开始。上级系统和从属系统可以使用相同的软件过程进行开发。

其软件过程如下图:

2. 领域设计
   目标是:获得DSSA。

它不是单个系统的表示，而是能够适应领域中多个系统需求的一个高层次的设计。
3. 领域实现
目标是:依据领域模型和DSSA开发，组织可重用信息。

这个阶段可以看做是重用基础设施的实现阶段。

DSSA的建立过程
DSSA的建立过程分5个阶段，
每个阶段包括: 一组需要回答的问题、一组需要的输入、一组将产生的输出

验证标准：
(1)定义领域范围:确定什么在感兴趣的领域中以及本过程到何时结束。
(2)定义领域特定的元素:编译领域字典和领域术语的同义词词典。识别领域中应用间的共同性和差异性;
(3)定义领域特定的设计和实现需求约束:描述解空间中有差别的特性。不仅要识别出约束，并且要记录约束对设计和实现决定造成的后果，还要记录对处理这些问题时产生的所有问题的讨论;
(4)定义领域模型和体系结构:产生- -般的体系结构，并说明构成它们的模块或构件的语法和语义;
(5)产生、搜集可重用的产品单元:为DSSA增加构件使得它可以被用来产生问题域中的新应用。

该建立过程是并发的递归的和反复的

DSSA的三层次系统模型

DSSA的建立人员要求对特定领域(包括问题域和解决域)必须精通，他们要找到合适的抽象方式，来实现DSSA的通用性和可重用性。

DSSA和体系结构风格的比较
因为研究的出发点不同，下面从5个方面进行比较:

1. DSSA以问题域为出发点，体系结构风格以解决域为出发点。
2. DSSA只对某 一个领域进行设计专家知识的提取、存储和组织，但可以同时使用多种体系结构风格;而在某个体系结构风格中进行体系结构设计专家知识的组织时，可以将提取的公共结构和设计方法扩展到多个应用领域。
3. DSSA通常选用一个或多个适合所研究领域的体系结构风格，并设计一个该领域专用的体系结构分析设计工具。
4. 体系结构风格的定义和该风格应用的领域是直交的，提取的设计知识比用DSSA提取的设计专家知识的应用范围要广
5. DSSA和体系结构风格是互为补充的两种技术。