第三章 软件体系结构风格（上）

第三章 软件体系结构风格（上）

3.1 软件体系结构风格概述

软件体系风格也称软件体系结构惯用模式，它定义了用于系统描述的术语表和一组用于指导系统构建的规则。软件体系结构风格包括构件、连接件和一组将它们组合在一起的约束限制。

3.2 常用的软件体系结构风格

（1）数据流风格：批处理、管道/过滤器
（2）调用/返回风格：主程序/子程序、加粗样式
（3）面向对象风格
（4）独立部件风格：进程通信、事件驱动
（5）虚拟机风格：解释器、基于规则的系统
（6）数据共享风格：数据库系统、黑板系统

3.3 管道/过滤器体系结构风格

1. 主要组成：
   （1）过滤器：相当于构件，负责对数据进行加工处理。
   （2）管道：相当于连接件，可看作输入数据流和输出数据流之间的通路。
2. 特点：
   （1）数据流处理是顺序进行的
   （2）渐进式处理数据流，即数据流输入未结束就可以开始生成输出数据流
   （3）各个过滤器相互独立，状态互不相关，非邻近过滤器不共享任何信息
   （4）运行结果的正确性与各个过滤器运行的先后顺序无关
3. 优点：
   （1）允许将系统的输入输出看成各个过滤器行为的简单组合。
   （2）构件之间的耦合程度低。
   （3）系统具有可扩展性和可进化性，过滤器独立使得其改进，增删等简单方便。
   （4）支持复用，过滤器的输出与另一过滤器的输入数据格式一致，就可以相连接。
   （5）系统并发性，过滤器独立运行，各个子任务可以并发执行。
   （6）便于系统分析，系统是独立构件的组合，有清晰的拓扑结构。
4. 不足：
   （1）系统处理过程是批处理方式
   （2）不适合用来设计交互式系统
   （3）没有通用的数据传输标准，每个过滤器都需进行分析，整体效率降低，复杂性增加
   （4）难以进行错误处理

3.4 面向对象体系结构风格

1. 主要组成：
   （1）对象：一种被称为管理器的构件，负责保持资源的完整性，如实现属性和方法的封装
   （2）在对象和对象之间，通过函数调用和过程调用来进行交互
2. 特点：对象抽象可以使构件之间以黑盒方式进行操作
3. 优点：
   （1）对象对外隐藏自己的详细信息，改变对象的表示，系统其他部分不受影响
   （2）对象将数据和操作封装，增强内聚性，减小各模块之间的耦合程度
   （3）继承和封装方法为对象复用提供技术支持
4. 不足：
   （1）一个对象调用另一个对象，需知道其标识和名称。
   （2）会产生连锁反应，一个对象标识改变，调用它的对象也要做出相应调整。

3.5 事件驱动体系结构风格

1. 基本思想：系统对外部的行为表现可以通过它对事件的处理来实现，上图为概念模型。
2. 基本结构：
   事件驱动系统的构件提供了一个过程集合和一组事件
   事件驱动体系结构中，连接件既可以是显式过程调用，也可以是一种绑定事件声明和过程调用的手段。
3. 特点：
   （1）事件驱动系统是由若干个子系统所形成的一个应用程序
   （2）子系统中必须有一个子系统起主导作用，其他处于从属地位
   （3）任何子系统都必须拥有一套事件接收机制和一套事件处理机制
   （4）消息机制控制，各个子系统协作运行。作为一个整体与外界交互
4. 优点：
   （1）事件声明者不需要知道哪些构件会响应事件
   （2）提高了软件复用能力，在系统事件中注册构件过程，即可集成到系统
   （3）便于系统升级，构件名和事件名所注册的过程名不变，原构件就可以被新构建替代
5. 不足：
   （1）构件放弃了对计算的控制权，由系统来决定
   （2）存在数据传输问题

3.6 分层体系结构风格

1. 特点：
   （1）系统被划分为一个层次结构，每层具有高内聚性，包含抽象程度一致的各种构件，支持信息隐藏
   （2）较高层是面向特定应用问题的，较低层更具有一般性
   （3）每层为上层提供服务，同时，利用下层的逻辑功能，每一层只对邻层可见
   （4）层次之间的连接件是协议和过程调用，以实现各层之间的交互
2. 优点：
   （1）设计者可以将系统分解成一个增量的步骤序列，从而完成复杂的业务逻辑
   （2）每层功能变化最多只影响两层，便于实现系统功能的扩展
   （3）支持软件资源复用：只要给相邻层提供相同的接口，就可以用不同的方法实现每一层
3. 不足：
   （1）并非所有系统都可以按照层次划分
   （2）很难找到一种合适且正确的层次划分方法
   （3）在传输数据时，需要经过多个层次，系统性能下降
   （4）难以调试，需要一系列的跨层调用来实现

3.7 C2体系结构风格

1. 基本构成：
   （1）构件：构件之间所有通信必须使用消息传递机制实现。
   （2）连接件负责消息的过滤、路由、广播、通信和相关处理。
   （3）构件之间传递的消息：向上层构件发出服务请求的请求消息；向下层构件发送指示状态变化的通知消息。
2. 特点：
   （1）C2是一个层次网络
   （2）核心思想是有限可视化，构件只能使用其上层构建提供的服务，不能感知下层构件的存在
   （3）最上层构件是比较低级的逻辑操作，最下层是用户界面和I/O设备
   （4）消息单向传递
3. 优点：
   （1）可使用任何编程语言开发构件，构件复用和替换容易
   （2）具有一定的拓展能力，可以有多种不同粒度的构件。构件间相互独立，依赖性小
   （3）构件不需要共享地址空间，避免共享全局变量造成复杂关系
   （4）具有良好适应性
   （5）可以动态更新系统的框架结构
4. 补充：设计C2体系结构，应遵循组织规则和通信规则
   （1）组织规则规定了C2体系结构的构建是以构件和连接件为基础的，定义了构件和连接件的顶部和底部
   （2）通信规则规定了所有构件之间的交互必须通过异步消息机制来实现，是构件之间唯一通信方式
5. 构件和连接件的关系
   （1）构件顶部与连接件底部相连，构件底部与连接件顶部相连
   （2）构件与构件不能直接相连
   （3）与某一个连接件相关联的构件和连接件的数目没有限制

3.8 数据共享体系结构风格

1. 数据共享体系结构又称仓库风格
2. 两种不同类型的软件元素：
   （1）中央数据单元（资料库）：用于表示系统的当前状态
   （2）相互依赖的构件组，可以对中央数据单元实施操作
3. 根据系统使用的控制策略不同分类
   （1）传统的数据库：由输入流中的事件驱动系统进行信息处理
   （2）黑板：由中央数据单元的当前状态驱动系统运行
4. 黑板是数据共享体系结构的一个特例，用以解决状态冲突并处理可能存在的不确定性知识源，黑板体系结构如图：
   
5. 典型的黑板系统：
   （1）知识源：主要的信息来源，逻辑和物理上独立，完成业务逻辑的过程对外透明
   （2）中央数据单元：核心部分，反映业务逻辑的求解状态，多个知识源之间起通信机制作用可以存储数据和系统的状态
   （3）控制单元：由中央数据单元的状态驱动。无固定样式，按需设计
6. 黑板体系结构优点：
   （1）便于多客户共享大量数据
   （2）便于将构件作为知识源添加到系统中
   不足：
   （1）对于共享数据结构，不同知识源要达成一致。因为要考虑各个知识源的调用问题，共享数据结构的修改困难。
   （2）需要同步机制和加锁机制来保证数据的完整性和一致性，增大系统设计复杂度。

3.9 解释器体系结构风格（虚拟机风格）

1. 解释器作为一种体系结构主要用于构建虚拟机，用以弥合程序语义和计算机硬件之间的间隙。
2. 解释器结构主要包括一个执行引擎和三个存储器。解释器系统由被解释的程序、执行引擎、被解释程序的当前状态和执行引擎的当前状态四个部分组成。系统的连接件包括过程调用和直接存储器访问。
3. 适用于系统和用户之间交互复杂的情况（提供面向领域的虚拟机语言）
   
4. 优点：
   （1）能够提高应用程序的移植能力和编程语言的跨平台移植能力。
   （2）实际测试工作可能非常复杂，测试代价极其昂贵，具有一定风险性。可以利用解释器对未实现的硬件进行仿真。
5. 不足：
   （1）使用了特定语言和自定义操作规则，增加了系统运行的开销
   （2）解释器系统难以实现和测试
6. 实例：
   （1）Java和Smalltalk的编译器
   （2）基于规则的系统，如专家系统领域中的Prolog语言
   （3）脚本语言，如AWK和Perl