软件体系结构---基础知识点（3）

第3章 软件体系结构风格

概述

定义：

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。

3.1 经典软件体系结构风格

◇ 管道和过滤器

此风格特别重要的过滤器必须是独立的实体，它不能与其他过滤器共享数据，而且过滤器不知道它上游和下游的标识。

一个管道与过滤器网络输出的正确性并不依赖于过滤器进行增量计算过程的顺序。

管道和过滤器风格的优点

Ø使得软构件具有良好的隐蔽性和高内聚、低耦合的特点；

Ø允许设计者将整个系统的输入/输出行为看成是多个过滤器的行为的简单合成；

Ø支持软件重用。只要提供适合在两个过滤器之间传送的数据，任何两个过滤器都可被连接起来；

Ø系统维护和增强系统性能简单。新的过滤器可以添加到现有系统中来；旧的可以被改进的过滤器替换掉；

Ø允许对一些如吞吐量、死锁等属性的分析；

Ø支持并行执行。每个过滤器是作为一个单独的任务完成，因此可与其它任务并行执行。

管道和过滤器的缺点

Ø通常导致进程成为批处理的结构。这是因为虽然过滤器可增量式地处理数据，但它们是独立的，所以设计者必须将每个过滤器看成一个完整的从输入到输出的转换；

Ø不适合处理交互的应用。当需要增量地显示改变时，这个问题尤为严重；

Ø因为在数据传输上没有通用的标准，每个过滤器都增加了解析和合成数据的工作，这样就导致了系统性能下降，并增加了编写过滤器的复杂性。

◇ 批处理风格

Ø基本构件：独立的应用程序

Ø连接件：某种类型的介质，定义了相应的数据流图，表达拓扑结构。

Ø即批处理体系结构风格的每个处理步骤是一个独立的程序，每一步必须在前一步结束后才能开始，且数据必须是完整的，以整体的方式传递。

批处理VS管道过滤器

相同点：

二者都是把任务分解为一系列固定顺序的计算单元，且彼此间只通过数据传递交互。

不同点：

◇ 数据抽象和面向对象组织

Ø该风格建立在数据抽象和面向对象的基础之上，数据的表示方法和它们相应的操作封装在一个抽象数据类型或对象中。

Ø该风格的构件是对象，或者说是抽象数据类型的实例。

Ø对象是一种被称为管理者的构件，因为它负责保持资源的完整性。

对象是通过函数和过程的调用来交互的。

数据抽象和面向对象组织优点：

（1）因为对象对其他对象隐藏它的表示，所以可以改变一个对象的表示，而不影响其他的对象。

（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。

数据抽象和面向对象组织缺点：

（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他对象，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，可能是预想不到的。

◇ 基于事件的隐式调用

Ø基于事件的隐式调用风格的思想是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。

Ø系统中的其他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。

Ø主要特点：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示调用作为构件交互的补充形式。

基于事件的隐式调用优点：

（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，不会影响到其他构件的接口。

基于事件的隐式调用缺点：

（1）构件放弃了对系统计算的控制。一个构件触发一个事件时．不能确定其他构件是否会响应它。而且即使它知道事件注册了哪些构件的过程，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，但在另一些情况下，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。

（3）既然过程的语义必须依赖于被触发事件的上下文约束，关于正确性的推理就存在问题。

◇ 分层系统

层次系统组织成一个层次结构，每一层为上层服务，并作为下层客户。在一些层次系统中，除了一些精心挑选的输出函数外，内部的层只对相邻的层可见。这样的系统中构件在一些层实现了虚拟机（在另一些层次系统中层是部分不透明的）。连接件通过决定层间如何交互的协议来定义，拓扑约束包括对相邻层间交互的约束

这种风格支持基于可增加抽象层的设计。允许将一个复杂问题分解成一个增量步骤序列的实现。由于每一层最多只影响两层，同时只要给相邻层提供相同的接口，允许每层用不同的方法实现，同样为软件重用提供了强大的支持

分层系统的优点

1.支持基于抽象程度递增的系统设计，使设计者可以把一个复杂系统按递增的步骤进行分解；

2.支持功能增强，因为每一层至多和相邻的上下层交互，因此功能的改变最多影响相邻的上下层；

3.支持重用。只要提供的服务接口定义不变，同一层的不同实现可以交换使用。这样，就可以定义一组标准的接口，而允许各种不同的实现方法。

分层系统的缺点

1.并不是每个系统都可以很容易地划分为分层的模式，甚至即使一个系统的逻辑结构是层次化的，出于对系统性能的考虑，系统设计师不得不把一些低级或高级的功能综合起来；

2.很难找到一个合适的、正确的层次抽象方法。

◇ 仓库系统及知识库

Ø仓库是存储和维护数据的中心场所；

Ø仓库风格体系结构由两个构件组成：一个中央数据结构，它表示当前状态；一个独立构件的集合，它对中央数据结构进行操作。

Ø仓库风格的体系结构其连接件是仓库与独立构件之间的交互；其交互方式存在两种

1）数据库方式：输入流中的事务类型触发需要执行的过程，即由输入事务选择进行何种处理，并把执行结果作为当前状态存储到中央数据结构中，这时，仓库是一个传统的数据库体系结构；

2）黑板结构：中心数据结构的当前状态触发并选择需要执行的过程，即由中央数据结构的当前状态决定进行何种处理。这时，仓库是一个黑板体系结构。即黑板体系结构是仓库体系结构的特殊化。

Ø黑板体系结构的基本出发点是已经存在一个对公共数据结构进行协同操作的独立程序集合。每个这样的程序专门解决一个子问题，但需要协同工作共同完成整个问题的求解。

Ø这些专门程序是相互独立的，它们之间不存在互相调用，也不存在可事先确定的操作顺序。相反，操作顺序是由问题求解的进行状态决定的。

Ø黑板结构是一个数据驱动或状态驱动的控制机制，它保存着系统的输入、问题求解各个阶段的中间结果和反应整个问题求解进程的状态。这些是由系统的输入和各个求解程序“写”入的，因此被称为“黑板”。

Ø系统在运行中，每当有新输入新结果和新状态写入黑板时，中心控制部件就对黑板上的信息进行评价，并据此协调各专门程序进行工作。它们试探性地调用各个可能的求解算法，并根据试探导出的启发信息控制后续的处理。

Ø在问题求解过程中，黑板上保存了所有的部分解，它们代表了问题求解的不同阶段，形成了问题可能的解空间，并以不同的抽象层次表达出来。其中，最底层的表达就是系统的原始输入，最终的问题解在抽象的最高层次。

一个标准的黑板型仓库模式系统通常包括3个组成部分：

（1）知识源（KS）：知识源是描述某个独立领域问题的知识及其处理方法的知识库，其分别存放且相互独立，它们之间不直接进行通信，只通过黑板进行通讯。

（2）黑板数据结构：黑板数据按照与应用程序相关的层次来组织的解决问题的数据，知识源通过不断地改变黑板数据来解决问题；

（3）控制：控制完全由黑板的状态驱动，黑板状态的改变觉得使用的特定知识。

优点：

（1）便于多客户共享大量数据。

（2）既便于添加新的作为知识源代理的应用程序，也便于扩展共享的黑板数据结构。

（3）可重用的知识源。

（4）支持容错性和健壮性。

缺点：

（1）不同的知识源代理对于共享数据结构要达成一致，而且，这也造成对黑板数据结构的修改较为困难。

（2）需要一定的同步锁机制保证数据结构的完整性和一致性，增大了系统复杂度。

（3）测试困难。

（4）不能保证有好的求解方案。

（5）低效。

（6）开发成本高。

◇ C2风格

C2体系结构风格可以概括为：通过连接件绑定在一起的，按照一组规则运作的并行构件网络。其系统组织规则如下：

◎ 系统中的构件和连接件都有一个顶部和一个底部；

◎ 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；

◎ 一个连接件可以和任意数目的其它构件和连接件连接；

◎ 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。（选）

◎ 系统中的构件可实现应用需求，并能将任意复杂度的功能封装在一起；

◎ 所有构件之间的通讯是通过以连接件为中介的异步消息交换机制来实现的；

◎ 构件相对独立，构件之间依赖性较少。系统中不存在某些构件将在同一地址空间内执行，或某些构件共享特定控制线程之类的相关性假设。

3.2 客户/服务器风格

◇ 基本概念

◎ C/S软件体系结构是基于资源不对等，且为实现共享而提出来的，是20世纪90年代成熟起来的技术，C/S体系结构定义了工作站如何与服务器相连，以实现数据和应用分布到多个处理机上。

◎ C/S体系结构有三个主要组成部分：数据库服务器、客户应用程序和网络。

◇ 任务分配

◎ 服务器

（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。

◎ 客户应用程序

（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。

◎ 网络通讯软件

完成数据库服务器和客户应用程序之间的数据传输

◇ 优点

ØC/S 体系结构具有强大的数据操作和事务处理能力，模型思想简单，易于人们理解和接受。

Ø系统的客户应用程序和服务器构件分别运行在不同的计算机上，系统中每台服务器都可以适合各构件的要求，这对于硬件和软件的变化显示出极大的适应性和灵活性，而且易于对系统进行扩充和缩小。

Ø在C/S体系结构中，系统中的功能构件充分隔离，客户应用程序的开发集中于数据的显示和分析，而数据库服务器的开发则集中于数据的管理，不必在每一个新的应用程序中都要对一个DBMS进行编码。将大的应用处理任务分布到许多通过网络连接的低成本计算机上，以节约大量费用。

◇ 缺点

◎ 开发成本较高

◎ 客户端程序设计复杂

◎ 信息内容和形式单一

◎ 用户界面风格不一，使用繁杂，不利于推广使用

◎ 软件移植困难

◎ 软件维护和升级困难

◎ 新技术不能轻易应用

3.3 三层客户/服务器风格

传统的二层C/S结构存在诸多局限：

• 二层C/S结构是单一服务器且以局域网为中心，所以难以扩展至大型企业广域网或Internet

• 软、硬件的组合及集成能力有限

• 客户机的负荷太重，难以管理大量的客户机，系统的性能容易变差

• 数据安全性不好，客户端程序可以直接访问数据库服务。

与二层C/S结构相比，在三层C/S体系结构中增加了一个应用服务器，可以将整个应用逻辑驻留在应用服务器上，而只有表示层存在于客户机上，这种结构被称为“瘦客户机”，三层C/S体系结构将应用功能分为表示层、功能层和数据层3个部分。

1.表示层

Ø表示层是应用的用户接口部分，它负担着用户与应用之间的对话功能，用于检查用户从键盘等输入的数据，显示应用输出的数据。

Ø在变更用户界面时，只需改写显示控制和数据检查程序，而不影响其他两层。

Ø检查的内容也仅限于数据的形式和取值的范围，不包括有关业务本身的处理逻辑。

2. 功能层

Ø功能层相当于应用的本体，用于将具体的业务处理逻辑编入程序。

Ø表示层与功能层之间的数据交互要尽可能简洁。

Ø在功能层中包含确认用户对应用与数据库存取权限的功能以及记录系统处理日志的功能。

3. 数据层

Ø数据层就是数据库管理系统，负责管理对数据库的读写操作。

Ø数据库管理系统必须能迅速执行大量数据的更新和检索。

Ø中间件：一个用API定义的软件层，是具有强大通信能力与良好可扩展性的分布式软件管理框架。

Ø功能：在客户机和服务器或者服务器和服务器之间传送数据，实现客户机群和服务器群之间的通信。

Ø工作流程：在客户机中的应用程序需要驻留网络上某个服务器的数据或服务时，搜索此数据的C/S应用程序需要访问中间件系统，该系统将查找数据源或服务，并在发送应用程序请求后重新打包响应，将其传送回应用程序。

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，使之在处理负荷能力上与处理特性上分别适应于结构清晰的三层；并且这些平台和各个组成部分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，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。

◇ 要注意的问题

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。

3.4 浏览器/服务器风格

◇ 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。

◇ 体系结构

◇ 优点

◎ 基于B/S体系结构的软件，系统安装、修改和维护全在服务器端解决。用户在使用系统时，仅仅需要一个浏览器就可运行全部的模块，真正达到了“零客户端”的功能，很容易在运行时自动升级。

◎ B/S体系结构还提供了异种机、异种网、异种应用服务的联机、联网、统一服务的最现实的开放性基础。

◇ 缺点

◎ B/S体系结构缺乏对动态页面的支持能力，没有集成有效的数据库处理功能。

◎ B/S体系结构的系统扩展能力差，安全性难以控制。

◎ 采用B/S体系结构的应用系统，在数据查询等响应速度上，要远远地低于C/S体系结构。

◎ B/S体系结构的数据提交一般以页面为单位，数据的动态交互性不强，不利于在线事务处理(OLTP)应用。

3.5 公共对象请求代理体系结构

◇ 对象管理结构

CORBA是由OMG制订的一个工业标准，其主要目标是提供一种机制，使得对象可以透明的发出请求和获得应答，从而建立一个异质的分布式应用环境。

1991年，OMG基于面向对象技术，给出了以对象请求代理（Object Request Broker，ORB）为中心的对象管理结构，如下图：

◇ CORBA技术规范

◎ 接口定义语言（IDL）

CORBA利用IDL统一地描述服务器对象（向调用者提供服务的对象）的接口。

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，而不涉及对象的具体实现。

◎ 接口池（IR）

◎ 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器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。

◎ 对象适配器（OA）

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，使不同的应用可以共享由此构造出来的软件构件。

◇ 特点

◎ 引入中间件作为事务代理，完成客户机向服务对象方提出的业务请求。

◎ 实现客户与服务对象的完全分开，客户不需要了解服务对象的实现过程以及具体位置。

◎ 提供软总线机制，使得在任何环境下、采用任何语言开发的软件只要符合接口规范的定义，均能够集成到分布式系统中。

◎ CORBA规范软件系统采用面向对象的软件实现方法开发应用系统，实现对象内部细节的完整封装，保留对象方法的对外接口定义。

3.6 正交软件体系结构

◇ 概念

正交软件体系结构由组织层和线索的构件构成。

层是由一组具有相同抽象级别的构件构成。

线索是子系统的特例，它是由完成不同层次功能的构件组成（通过相互调用来关联），每一条线索完成整个系统中相对独立的一部分功能。每一条线索的实现与其他线索的实现无关或关联很少，在同一层中的构件之间是不存在相互调用的。

如果线索是相互独立的，即不同线索中的构件之间没有相互调用，那么这个结构就是完全正交的。

◇ 特征

◎ 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；

◎ 系统具有m（m > 1）个不同抽象级别的层；

◎ 线索之间是相互独立的（正交的）；

◎ 系统有一个公共驱动层（一般为最高层）和公共数据结构（一般为最低层）。

◇ 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。

3.7 基于层次消息总线的体系结构

◇ 概述

层次消息总线（Hierarchy Massage Bus，HMB）体系结构风格是北京大学杨芙清院士等提出的一种风格。该风格基于层次消息总线、支持构件的分布和并发，构件之间通过消息总线通信。

Ø消息总线是系统的连接件，负责消息的分派、传递和过滤以及处理结果的返回；

Ø各个构件挂在消息总线上，向总线登记感兴趣的消息类型；

Ø消息是构件之间通信的唯一方式。

◇ 构件接口

◎ 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。

◎ 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。

◇ 消息总线

HBM风格的消息总线是系统的连接件。

3.8 异构结构风格

◇ C/S与B/S混合之内外有别模型

优点：

（1）外部用户不直接访问数据库服务器，能保证企业数据库的相对安全；

（2）企业内部用户的交互性较强，数据查询和修改的响应速度较快。

缺点：

企业外部用户修改和维护数据时速度较慢、较繁琐，数据的动态交互性不强。

外部用户能够直接通过Internet连接到数据库服务器，企业数据容易暴露给外部用户，给数据安全造成了一定威胁。

3.10 特定领域软件体系结构

◎ DSSA以问题域为出发点，体系结构风格以解决域为出发点。

◎ 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。

◎ 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。

◎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。

◎ DSSA和体系结构风格是互为补充的两种技术。