软件架构设计方法理论.docx
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软件架构设计方法理论
1.软件架构概述
1.1什么是软件架构
◎软件架构的概念很混乱。
如果你问五个不同的人，可能会得到五种不同的答案。
◎软件架构概念主要分为两大流派：
组成派：
软件架构=组件+交互。
决策派：
软件架构=重要决策集。
◎组成派和决策派的概念相辅相成。
1.2软件架构和子系统、框架之间的关系
◎复杂性是层次化的。
◎好的架构设计必须把变化点错落有致地封装到软件系统的不同部分（即关注点分离）。
通过关注点分离，达到“系统中的一部分发生了变化，不会影响其他部分”的目标。
◎软件单元的粒度：
*粒度最小的单元通常是“类”。
*几个类紧密协作形成“模块”。
*完成相对独立的功能的多个模块构成了“子系统”。
*多个子系统相互配合才能满足一个完整应用的需求，从而构成了软件“系统”。
*一个大型企业往往使用多套系统，多套系统通过互操作形成“集成系统”。
◎软件单元的粒度是相对的。
同一个软件单元，在不同场景下我们会以不同的粒度看待它。
◎架构（Architecture）不等于框架（Framework）。
框架只是一种特殊的软件，框架也有架构。
◎可以通过架构框架化达到“架构重用”的目的，如很多人都在用Spring框架提供的
控制反转和依赖注入来构建自己的架构。
1.3软件架构的作用
◎如果一个项目的系统架构（包括理论基础）尚未确定，就不应该进行此系统的全面开发。
--BarryBoehm,《EngineeringContext》
◎一个缺陷充斥的系统，将始终是一个缺陷充斥的系统。
--TimothyC.Lethbridge,《面向对象软件工程》
◎软件架构设计为什么这么难？
因为它是跨越现实世界与计算机世界之间鸿沟的一座桥。
软件架构设计要完成从面向业务到面向技术的转换，在鸿沟上架起一座桥梁。
需求->架构设计->软件架构->系统开发->软件系统
~~~~~~~~~~~~~~~~
◎软件架构对新产品开发的作用：
*上承业务目标。
*下接技术决策。
*控制复杂性。
先进行架构设计，后进行详细设计和编码实现，符合“基于问题深度分而治之”的理念。
*组织开发。
软件架构方案在小组中间扮演了“桥梁”和“合作契约”的作用。
*利于迭代开发和增量交付。
以架构为中心进行开发，为增量交付提供了良好的基础。
在架构经过验证之后，可以
专注于功能的增量提交。
*提高质量。
◎软件架构对软件产品线开发的作用：
*固化核心知识；
*提供可重用资产；
*缩短推出产品的周期；
*降低开发和维护成本；
*提高产品质量；
*支持批量定制。
◎软件产品线：
指具有一组可管理的、公共特性的、软件密集性系统的集合，这些系统满足特定
的市场需求或任务需求，并且按照预定义方式从一个公共的核心资产集开发得到。
软件产品线架构：
针对一个公司或组织内的一系列产品而设计的通用架构。
2.软件架构设计方法
2.1软件架构为谁而设计
◎架构师应当为项目相关的不同角色而设计：
*架构师要为客户负责，满足他们的业务目标和约束条件。
*架构师要为用户负责，满足他们关心的功能需求和运行期质量属性。
*架构师必须顾及处于协作分工“下游”的开发人员。
*架构师必须考虑“周边”的管理人员，为他们进行分工管理、协调控制和评估监控等工作提供清晰的基础。
2.2五视图法
◎什么是软件架构视图？
软件架构视图是对于从某一视角看到的系统所作的简化描述，描述中涵盖了系统的某一
特定方面，而省略了与此无关的其他方面。
◎软件架构要涵盖的内容和决策太多了，超过了人脑“一蹴而就”的能力范围，因此宜采
用“分而治之”的办法。
即通过不同的视图来描述架构。
◎软件架构的五视图法：
*逻辑架构
逻辑架构关注功能。
其设计着重考虑功能需求。
*开发架构
开发架构关注程序包。
其设计着重考虑开发期质量属性，如可扩展性、可重用性、
可移植性、易理解性和易测试性等。
*运行架构
运行架构关注进程、线程、对象等运行时概念，以及相关的并发、同步、通信等问题。
其设计着重考虑运行期质量属性，例如性能、可伸缩性、持续可用性和安全性等。
*物理架构
物理架构关注软件系统最终如何安装或部署到物理机器。
其设计着重考虑“安装和
部署需求”。
*数据架构
数据架构关注持久化数据的存储方案。
其设计着重考虑“数据需求”。
2.3从概念性架构到实际架构
◎少就是多（Lessismore.）。
--密斯·凡德罗
◎概念性架构是对系统设计的最初构想。
◎一般来说，实际的软件架构设计过程是，先进行概念性架构的设计，把最关键的设计
要素和交互机制确定下来，然后再考虑具体技术的运用，设计出实际架构。
2.4架构设计中的关键要素及解决策略
◎策略是制胜的关键。
--张明正，《挡不住的趋势》
◎最好的软件开发人员都知道一个秘密：
美的东西比丑的东西创建起来更廉价，也更快捷。
--RobertC.Martin,《软件之美》
◎时间就是系统架构的生命。
--PhilippeKruchten
◎方法产生于恐惧。
◎面对时间紧迫的压力，我们有理由质疑那种不顾时间花销、一味追求软件架构高质量的
做法。
软件架构是软件系统质量的核心，必须足够重视，但在不适当的时候“用时间换
完美”会毁掉整个项目。
◎架构设计并非“好的就是成功的”，而是“适合的才是成功的”。
◎软件架构设计中的关键要素及解决策略：
关键要素策略
-----------------------------------------------------
1.是否遗漏了至关重要的非功能需求？
全面认识需求。
2.能否驯服数量巨大且频繁变化的需求？
关键需求决定架构。
3.能否从容地设计软件架构的不同方面？
多视图探寻架构。
4.是否及早验证架构方案并作出了调整？
及早验证架构。
2.5软件架构要设计到什么程度
◎软件系统的架构涵盖了整个系统，尽管架构的有些部分可能只有“一寸深”。
--IvarJacobson,《统一软件开发过程之路》
◎软件架构是团队开发的基础。
◎软件架构要设计到什么程度？
*由于项目的不同、开发团队情况的不同，软件架构的设计程度会有不同。
*软件架构应当为开发人员提供足够的指导和限制。
◎高来高去式架构设计的症状：
*缺失重要架构视图。
遗漏了某些重要视图，从而遗漏了对团队某些角色的指导。
*浅尝辄止、不够深入。
将重大技术风险遗留到后续开发中。
*名不副实的分层架构。
对各层之间交互接口和交互机制的设计严重不足。
3.软件架构设计过程
3.1软件架构设计过程总览
◎一般的软件过程：
概念化阶段->分析阶段->架构设计阶段->并行开发与测试阶段->验收与交付阶段
──┬────┬────┬──────┬───────┬───
↓↓↓↓↓
愿景需求架构可执行系统交付的系统
◎软件架构设计过程：
需求分析->领域建模->确定关键需求->概念性架构设计->细化架构->验证架构
││└──────┬──────┘└────┬───┘
││概念性架构实际架构
└───┬────┘└───────┬──────┘
分析阶段架构设计阶段
3.2需求分析
3.2.1几个概念
◎需求捕获vs需求分析vs系统分析
*需求捕获是获取知识的过程，知识从无到有。
*需求分析是挖掘和整理知识的过程，它在已掌握知识的基础上进行。
*系统分析？
如果说需求分析致力于“做什么”，那么系统分析则涉及“怎么做”。
3.2.2架构师必须掌握的需求知识
◎软件架构师不必是需求捕获专家，也不必是编写《软件需求规格说明书》的专家。
但他一定应在需求分类、需求折衷和需求变更的研究方面是专家，否则他和其他
软件架构师相比，就输在了“起跑线”上。
◎软件需求的类型
┌功能需求┌运行期质量属性
软件需求┤┌质量属性┤
└非功能需求┤└开发期质量属性
└约束
◎软件质量属性分类方式
运行期质量属性
*性能（Performance）
*安全性（Security）
*易用性（Usability）
*持续可用性（Availability）
*可伸缩性（Scalability）
*互操作性（Interoperability）
*可靠性（Reliability）
*鲁棒性（Robustness）
开发期质量属性
*易理解性（Understandability）
*可扩展性（Extensibility）
*可重用性（Reusability）
*可测试行（Testability）
*可维护性（Maintainability）
*可移植性（Portability）
3.3领域建模
◎就像《高效能人士的七个习惯》提到的“有内而外全面造就自己”的观点一样，
对待软件开发，要具备“有内而外造就软件”的理念。
◎想让软件系统随需应变吗？
请给软件一个支持变化的“心”。
◎什么是领域模型？
领域模型是对实际问题领域的抽象表示，它专注于分析问题领域本身，发掘重要的
业务领域概念，并建立业务领域概念之间的关系。
◎领域建模和需求分析活动是相互伴随、互相支持、交叠演进的。
◎领域模型对软件架构乃至整个软件系统开发工作的作用：
*探索复杂问题、固化领域知识；
*决定功能范围、影响可扩展性；
*提供交流基础、促进有效沟通。
3.4确定关键需求
◎功能、质量和商业需求的某个集合“塑造”了架构。
--LenBass,《软件架构实践（第2版）》
◎关键需求决定架构，其余需求验证架构。
◎什么是对软件架构关键的需求？
*关键的功能需求。
*关键的质量属性需求。
*关键的商业需求。
◎如何确定关键需求？
┌>确定关键功能需求┐
●->全面整理需求->分析约束性需求┤├>●
└>确定关键质量属性需求┘
3.5概念性架构设计
◎概念性架构设计的步骤（这三个步骤以迭代方式进行）：
1.鲁棒性分析；
2.引入架构模式；
3.质量属性分析。
3.5.1鲁棒性分析
◎所谓鲁棒性分析是这样一种方法：
通过分析用例规约中的事件流，识别出实现用例规定
的功能所需的主要对象及其职责，形成以职责模型为主的初步设计。
◎鲁棒性分析是从功能需求向设计方案过度的第一步，所获得的初步设计是一种理想化的
职责模型，它的重点是识别组成软件系统的高级职责块、规划它们之间的关系。
◎鲁棒性分析填补了分析和设计之间的鸿沟。
◎鲁棒图包含三种元素：
边界对象、控制对象和实体对象。
（见书P196）
3.5.2引入架构模式
◎较为经典的几种架构模式：
分层、MVC、微内核、基于元模型的架构、管道-过滤器。
◎关于架构模式的几点说明：
*分层
避免名不副实的分层架构，即对各层之间交互接口和交互机制的设计严重不足。
*微内核
缺点：
设计和实现的复杂性；性能较低。
优点：
扩展性强，可移植性强，软件系统的生命周期长。
3.5.3质量属性分析
◎“属性-场景-决策”表方法。
举例如下：
┌────┬─────────┬─────────────────────┐
│属性│场景│决策│
├────┼─────────┼─────────────────────┤
│可扩展性│数据库类型可替换│建立数据库存取层│
├────┼─────────┼─────────────────────┤
││允许加载第三方模块│采用插件机制│
├────┼─────────┼─────────────────────┤
│...│...│...│
└────┴─────────┴─────────────────────┘
3.6细化架构设计
◎架构细化工作主要体现在基于五视图方法进行架构细化：
约束
↓
┌───────┐
领域模型->│基于五视图方法│
关键需求->││->架构方案
概念架构->│进行架构细化│
└───────┘
↑
经验
◎架构细化设计的工作内容：
┌───────┬──────────────────────────┐
│架构设计视图│设计任务│
├───────┼──────────────────────────┤
│逻辑架构│细化功能单元；│
││发现通用机制；│
││细化领域模型；│
││确定子系统接口和交互机制。
│
├───────┼──────────────────────────┤
│开发架构│确定要开发或直接利用的程序包之间的依赖关系；│
││确定采用的技术；│
││确定采用的框架等。
│
├───────┼──────────────────────────┤
│数据架构│持久化数据存储方案；│
││数据传递、数据复制、数据同步等策略（可选）。
│
├───────┼──────────────────────────┤
│运行架构│确定引入哪些进程与线程；│
││确定主动对象、被动对象，以及控制关系；│
││处理进程线程的创建、销毁、通信机制、资源争用等；│
││协议设计。
│
├───────┼──────────────────────────┤
│物理架构│确定物理配置方案；│
││确定如何将目标程序映射到物理节点。
│
└───────┴──────────────────────────┘
◎逻辑架构设计中，“发现通用机制”是应被特别强调的。
机制（Mechanism）是模式的实例。
机制是特定上下文中重复出现的问题的特定解决方案。
具有良好架构的系统具备概念完整性。
它通过对系统架构建立一种清晰的认识来发现通用的
抽象和机制。
利用这种共性使最终产生的系统结构更为简单。
3.7实现并验证软件架构
◎好的策略必须是一再求证、测试、发现瑕疵漏洞，另想途径或方法来弥补策略不足，有时
甚至得全盘放弃，重新策划。
--张明正，《挡不住的趋势》
◎架构原型对功能性需求的实现非常有限，那么“架构验证”要验证什么？
答案是要验证架构对质量属性需求的支持程度，包括运行期质量属性和开发期质量属性。
◎验证架构的两种方法：
*原型法。
对于项目型开发，常采用“原型法”。
即对一组架构设计决策在非功能需求方面的满足
程度进行验证。
该原型往往是演进型，而非抛弃型。
*框架法。
对于产品型开发，采用“框架法”有更多优点。
该方法将架构设计方案用框架的形式实现，
并在此基础上进行评估验证。
在框架实现后，在框架基础上实现部分应用的功能，即实现
一个小的垂直原型，从而进行实际非功能测试和开发期质量属性评价。
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