第三章 软件体系结构风格（下）

第三章 软件体系结构风格（下）

继 第三章 软件体系结构风格（上），再简单介绍几种软件体系结构风格，并了解异构体系结构集成。关于这本书中软件体系结构风格的初步学习先到这一步，以后根据具体实践会对某些具体风格进行扩充和丰富。

3.10 反馈控制环体系结构风格

1. 反馈控制环的思想源自过程控制理论，从过程控制角度来分析和解释构件之间的交互，同时应用这种交互改善系统性能。
2. 反馈控制环是一种特定的数据流结构，传统数据流结构是线性的，控制连续循环过程的体系结构应该是环形的 。
   如上图所示。反馈控制环系统主要包括三个部分：
   （1）过程：操纵过程变量的相关机制
   （2）数据元素：指连续更新的过程变量。包括输入变量、控制变量、操纵变量、相关参考值
   （3）控制器：通过控制规则来修正变量，收集过程的实际状态和目标状态，调节变量以驱动实际状态朝目标状态前进
   3.过程控制是连续的，可以利用各种构件和相关规则设计反馈控制环系统。反馈控制环系统可以处理复杂的自适应问题，机器学习就是典型实例，机器学习模型如下图
   

3.11 客户机/服务器体系结构风格（C/S）

3.11.1 两层C/S体系结构

1. C/S主要是针对资源不对等问题而提出的一种共享策略。
2. 客户机与服务器的连接机制：
   （1）配置在同一台计算机上，采用消息、共享存储区和信号量等方法高效地实现通信连接
   （2）配置在分布式环境中，需要通过远程过程通信（RPC）协议来进行通信
3. C/S体系结构主要包括服务器、客户机和网络三部分
   数据和业务处理分布在一定范围内的多个构件上，包括客户及程序中的构件和服务器程序中的构件。
   
   C/S系统可以分为前台客户机程序和后台服务器程序两部分。
   （1）服务器程序负责管理客户机程序的数据
   （2）客户机程序负责完成与用户的交互，发送请求消息，接受和分析从服务器返回的数据
   （3）是一种胖客户机-瘦服务器的动作模式
4. 两层C/S体系结构的处理流程
   （1）客户机程序是表示层，包括用户界面和业务处理程序
   （2）服务器程序是数据层，包括中心数据库、数据查询程序、数据存储程序和数据更新程序
   流程如下图：
   
5. 一种特殊的C/S体系结构——代理风格
   
   服务器将服务和数据发布到代理服务器上，客户机通过代理服务器来访问服务，提高了系统安全性。代理风格的典例包括CORBA和Web服务等
6. C/S体系结构的优点：
   （1）客户机构件和服务器构件运行在不同计算机，有利于分布式数据的组织和处理
   （2）构件之间的位置相互透明
   （3）允许客户机程序和服务器程序运行在不同操作系统上
   （4）构件之间相互独立并且充分隔离
   （5）大规模业务逻辑被分到通过网络相连的多个低成本计算机上，降低整体开销
7. 存在的问题
   （1）开发成本高
   （2）开发时，大部分工作集中在客户机程序，增加设计复杂度
   （3）信息内容和形式单一
   （4）需要开发人员现场升级
   （5）两层C/S采用单一服务器，以局域网为中心，难以扩展到Internet和Intranet
   （6）数据安全性不高

3.11.2 三层C/S体系结构

为克服两层C/S结构的缺点，将客户机和服务器中的部分业务逻辑抽取出来，形成功能层，放在应用服务器上，即三层C/S体系结构。

1. 三层C/S体系结构（“瘦客户机”）
   （1）表示层：系统和用户之间的接口，实现用户与系统之间的对话，用于检查从键盘和鼠标等设备输入的数据，显示输出结果。
   （2）功能层：负责处理所有逻辑业务。
   （3）数据层：数据库管理系统，负责读写数据。
   

• 改进点
  （1）应用服务器负责处理客户机与数据服务器之间的交互，而非客户机直接与中心数据库相连，减少了数据库服务器连接的客户机数目，提高系统安全性。
  （2）将数据存取构件放到应用服务器上，客户机只存放系统的表示层，客户机不必关心数据操作细节，便于实现软件的安装与维护。
  （3）减少了数据库服务器的工作量，应用服务器可以建立数据备份，提高系统可靠性。

2. 三层C/S体系结构的处理流程
   
3. 相比于两层C/S体系结构的优点：
   （1）如果合理划分三层结构的功能，逻辑会更加清晰，提高系统可维护性和可扩充性
   （2）实现C/S结构时，可以有效选择运行平台和硬件环境，从而使每一层具有清晰的逻辑结构、良好的负荷处理能力和较好的开发性
   （3）三层C/S结构中，可以分别选择合适的编程语言并行开发每一层的逻辑功能，提高开发效率
   （4）系统具有较高的安全性
4. 实现三层C/S结构时要注意的问题：
   （1）如果各层之间通信效率不高，即使每一层硬件配置很高，整体性能也不会太高
   （2）必须慎重考虑三层之间的通信方法、通信频率、传输数据量

3.12 浏览器/服务器体系结构风格

1. 浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）是三层体系结构的一种实现方式，主要包括：浏览器、Web服务器和数据库服务器。
2. 与三层C/S结构的解决方案相比，B/S体系结构在客户机上采用WWW浏览器，将Web服务器作为应用服务器。
   
   用户运行应用程序时，工作流程：
   （1）用户在客户端的浏览器中输入相应URL，向Web服务器提出HTTP请求
   （2）Web服务器收到请求，调用相关应用程序，同时向数据库服务器发送数据操作请求
   （3）数据库服务器对数据操作进行响应，将返回结果给Web服务器的应用程序
   （4）Web服务器应用程序执行业务处理逻辑，利用HTML来封装操作结果，通过浏览器呈现给用户
3. 优点：
   （1）客户端只需要安装浏览器，操作简单，能发布动态信息和静态信息
   （2）运用HTTP标准协议和统一客户端软件，能实现跨平台通信
   （3）开发成本低，只需要维护Web服务器程序和中心数据库
4. 不足：
   （1）个性化程度低
   （2）客户端数据处理能力比较差
   （3）数据提交以页面为单位，动态交互性不强，不利于在线事务处理
   （4）可扩展性差，系统安全性难以保障
   （5）查询中心数据库的速度远低于C/S体系结构

3.13 公共对象请求代理体系结构风格

1. 公共对象请求代理（Common Object Request Broker Architecture，CORBA）是一套完整的对象技术规范。CORBA规范主要包括：对象请求代理（Object Request Broker，ORB）、对象适配器（Object Adapter，OA）、接口定义语言（Interface Definition Language，IDL）、接口存储（Interface Repository，IR）、ORB内部相关协议。
2. CORBA体系结构
   
   （1）ORB：“软件总线”，CORBA体系结构的核心，连接网络上不同应用对象。ORB的任务是定位服务器，通过对象适配器OA将操作请求传送给相应服务器
   （2）对象适配器OA：介于ORB与对象之间，屏蔽ORB内部的实现细节，为服务器对象提高抽象接口。功能包括：登录服务器、注册对象、创建对象、激活对象，分发客户请求和认证客户请求
   （3）DII：ORB定义的动态调用接口，以API的形式出现，用来发送操作请求，提供了动态调用方法
   （4）DSI：在服务器端，OA利用动态框架接口DSI来传输操作系统来传输操作请求，提供了动态实现方法
   （5）SII：客户端与ORB之间的静态接口即SII静态调用接口
   （6）SSI：服务器与ORB之间的静态接口即SSI静态框架接口
   （7）存根：根据IDL规范，IDL编译器生成。功能类似于客户代理，为客户提供动态调用方法
   （8）框架：根据IDL规范，IDL编译器生成。负责将操作请求发送给执行程序，为客户提供静态实现方式
   （9）存储库：接口存储IR：包含了运行时所需要的IDL规范，定义了基本类型映射机制
   （10）存储库：执行存储IMR：存储服务器的详细信息
   （11）IIOP：ORB的内部协议，即Internet ORB内部协议，用以描述IDL类型的在线表示方法和协议数据单元。IIOP使用TCP/IP来传输ORB之间的操作请求和相关参数
3. 优点：
   （1）实现了客户端程序与服务器程序的分离
   （2）将分布式计算模式与面向对象技术结合起来，提高软件复用效率
   （3）提供了软件总线机制，软件总线是指一组完整定义的接口规范（独立于编程语言和开发环境，与实现无关的接口）
   （4）CORBA能支持不同的编译语言和操作系统

3.14 正交体系结构风格

1. 正交体系结构基本思想：按照功能的正交相关性，将系统垂直地划分为若干个子系统，每个子系统用一条线索实现，每条线索由多个具有不同层次功能和抽象级别的构件组成。
   
   （1）正交体系结构是一种以垂直线索构件族为基础的层次化结构，包括组织层和线索。图中有5个组织层，两条虚线ABDFK、ACEJK为两条线索
   （2）每个组织层包含相同抽象级别的构件图中B和C具有相同抽象级别
   （3）线索是子系统的实例，是由完成不同层次功能的构件通过相互调用而形成线索ABDFK每个构件分属于不同组织层
   （4）在同一层次中，构件之间不存在相互调用关系
   （5）如果不同线索中的构件不存在调用关系，那么就是完全正交体系结构，图中两条线索满足这种关系
   （6）正交体系结构拥有一个公共的顶层（图中A），用于触发各条线索运行。还有一个公共的底层（图中K），包含了各条线索需要的数据。

2. 正交体系结构特征：
   （1）正交体系结构由完全不同功能的n（n>1）个线索（子系统）组成
   （2）线索之间相互独立，一条变动，不影响其他
   （3）系统具有m（m>1）个不同抽象级别的层次
   （4）具有一个驱动线索运行的公共顶层和一个存储公共数据的公共底层

3. 优点：
   （1）结构清晰
   （2）便于修改和维护
   （3）易于复用

3.15 基于层次消息总线的体系结构风格

1. 基于层次消息总线（Hierarchy Message Bus，HMB）的体系结构风格：
   
   （1）构件之间通过消息总线进行通信，可以支持构件的分布式存储和并发运行
   （2）消息总线是系统的连接件，负责消息的分派、传递和过滤，并返回处理结果
   （3）复杂构件可以分解为粒度更细的子构件，通过局部消息总线进行连接，从而形成复合构件

2. HMB体系结构支持运行时系统演化，主要体现：
   （1）动态增加和删除构件
   （2）动态改变构件所响应的消息
   （3）消息过滤

3.15.1 HMB构件

在HMB结构中，构件比较复杂，可以从不同角度来对构件进行建模，包括静态结构、动态行为和行为功能。HMB构件主要包括接口部分、行为部分、结构部分。

（1）接口部分：定义了构件与外界之间交互的信息和承担的责任，一个构件可以有多个不同的接口，每个接口都包括发送消息集合和接收消息集合，用以描述构件对外所提供的服务和所需的环境。
（2）行为部分：使用有限状态自动机来描述构件的功能。构件行为受外来消息和自身状态的影响，接收信息，根据自身状态响应，并状态转移。在构件生命周期中，状态表达了构件要满足的特定条件和等待某个事件的发生。
（3）结构部分：描述了复合构件的拓扑结构。

3.15.2 消息总线

从逻辑上讲，消息总线是一个整体，从物理上说，它可以跨越多个不同计算机。挂接在消息总线上的构件可以分布在多台不同计算机上，并行运行。构件通过消息总线互联，不直接互联，构件位置相互透明，某一构件在物理上的迁移不影响系统其他部分。消息总线结构如下图：

• 消息总线的功能：
  （1）消息登记：消息登记的实质是，构件通知消息总线自己对哪些消息进行处理，可以提供何种服务。构件–消息响应登记表记录了总线上的构件和消息之间的对应关系。
  （2）消息分派和传递：消息总线负责构件之间传递消息，根据构件–消息响应登记表把消息分派给对它感兴趣的构件，并返回处理结果。广播一个消息时，可以多个构件响应，也可以没有构件响应。
  （3）消息过滤：来源不同的构件事先不知道各自的接口，因此在不同的构件中，同一消息可能有不同名称，不同消息可能有相同名称。在构件集成时，会引起消息冲突和消息不匹配，因而要进行过滤。
• 消息过滤的两种方式：
  （1）消息转换：可以采用换名方法实现，以保证每一个消息的名称在其所处的局部总线内唯一
  （2）消息阻塞：构件存在功能缺陷时，不能对某些已定义的消息进行响应，此时应阻塞不希望接收的消息。

3.16 MVC体系结构风格

1. MVC（Model-View-Controller，模型-视图-控制器），常见，主要针对Smalltalk 80，应用于用户交互程序。
   
   （1）模型（Model）：负责存储系统的中心数据。
   （2）视图（View）：将信息显示给用户（可以定义多个视图）。
   （3）控制器（Controller）：处理用户输入的信息。负责从视图读取数据，控制用户输入，并向模型发送数据，是应用程序中处理用户交互的部分。负责管理与用户交互交互控制。
   （4）视图和控制器共同构成了用户接口。
2. MVC重要特点就是两种分离：
   （1）视图和数据模型的分离：使用不同的视图对相同的数据进行展示；分离可视和不可视的组件，能够对模型进行独立测试。因为分离了可视组件减少了外部依赖利于测试。（数据库也是一种外部组件）
   （2）视图和表现逻辑(Controller)的分离：Controller是一个表现逻辑的组件，并非一个业务逻辑组件。MVC可以作为表现模式也可以作为建构模式，意味这Controller也可以是业务逻辑。分离逻辑和具体展示，能够对逻辑进行独立测试。
3. 优点：
   （1）多个视图与一个模型相对应，所有视图和控制器同步，便于维护
   （2）具有良好的移植性，模型独立于视图，方便移植
   （3）系统分割为三个独立的部分，功能变化只需改其一
4. 不足：
   （1）增加系统设计和运行的复杂性.两种分离
   （2）视图与控制器连接过于紧密，妨碍两者的单独复用
   （3）视图访问模型的效率低

3.17 异构体系结构集成

1. 多种体系结构共存和相互融合，形成更复杂的框架结构，即异构体系结构
2. 采用异构体系结构的原因：
   （1）不同体系结构各有优缺点，根据实际需求设计
   （2）关于框架、通信和体系结构问题，目前存在多种不同标准
   （3）遗留代码复用
   （4）在某一单元中，规定了共享软件包和某些标准，但仍存在解释和表示习惯上的不同
3. 两种组合方式
   （1）空间异构：允许构件使用不同连接件。不同子系统选用不同体系结构。构件可以通过连接件来访问仓库，也可以通过管道和其他构件进行交互
   （2）分层异构：软件元素按层次结构进行组织，每一层使用不同的体系结构
4. 一种典型的异构体系结构—— B/S结构和C/S结构的组合
   -两种组合方式：“内外有别”、“查询有别”
   （1）内外有别：内部用C/S结构，内部用户通过局域网直接访问数据库服务器。外部使用B/S结构，外部用户通过Internet访问Web服务器，Web服务器再访问数据库服务器，并将操作结果返回给外部用户
   （2）查改有别：不管用户以何种方式与系统互联，需要执行维护和修改操作，采用C/S。只执行浏览和查询操作，则采用B/S结构