軟件體系結構1軟件體系結構發(fā)展中的若干重要問題

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1、THU SAGroup 課 程 編 號 ： 74100152軟 件 體 系 結 構 （ 1）軟 件 體 系 結 構 發(fā) 展 中 的 若 干 重 要 問 題 覃 征 教 授 THU SAGroup課 程 簡 介1 軟 件 體 系 結 構 的 定 義 和 發(fā) 展 綜 述2 工 業(yè) 軟 件 體 系 結 構 的 主 要 分 類3 軟 件 體 系 結 構 的 發(fā) 展 方 向4 案 例 研 究5 2 v授 課 教 師 主 講 教 授 : 覃 征 辦 公 室 清 華 大 學 軟 件 學 院 208室 電 話 62795399 電 子 郵 件 助 教 組 邢 劍 寬 章 晉 學 zhang- THU SA

2、Group 3 v 教 材 及 參 考 書 教 材 覃 征 等 ， 軟 件 體 系 結 構 （ 第 二 版 ） ， 清 華 大 學 出 版 社 ， 2008 Qin Zheng et al.， Software Architecture， Springer Verlag, 2008 其 它 參 考 資 料 Len Bass,Paul Clements,Rick Kazman,Software Architecture in Practice 2nd ed, Addison Wesley, 2003 Paul Clements, Rick Kazman, Mark Klein, Evaluati

3、ng Software Architectures, 清 華 大 學 出 版 社 , 2003 Paul Clements, Linda Northrop, Software Product Line: Practices and Patterns, 清 華 大 學 出 版 社 , 2003 Christine Hofmeister, Robert Nord, Dilip Soni, Applied Software Architecture, Addison Wesley, 2000 Jacobson, Software Reuse: Architecture, Process, and O

4、rganization for Business Success, Addison Wesley, 2000THU SAGroup 4 THU SAGroup 5 v課 程 目 標 掌 握 軟 件 體 系 結 構 的 概 念 、 組 成 和 相 關 領 域 國 內(nèi) 外 研究 現(xiàn) 狀 。 明 確 軟 件 體 系 結 構 劃 分 標 準 、 設 計 原 則 。 學 習 軟 件 體 系 結 構 構 建 模 型 、 軟 件 體 系 結 構 組 態(tài) 分 析方 法 、 軟 件 體 系 結 構 形 式 化 描 述 方 法 、 軟 件 體 系 結 構集 成 開 發(fā) 環(huán) 境 的 設 計 與 實 現(xiàn) 方 法 幾

5、個 方 面 的 知 識 ， 并掌 握 在 實 際 系 統(tǒng) 開 發(fā) 過 程 中 分 析 、 設 計 、 應 用 軟 件 體系 結 構 思 想 的 技 能 。 THU SAGroup 6 v課 程 成 績 平 時 ： 40% 課 堂 測 試 ： 10%（ 課 堂 提 問 、 課 堂 考 試 、 課 堂 報 告 ） 平 時 作 業(yè) ： 30% 期 末 考 查 ： 60% 考 試 形 式 ： 以 45人 為 一 個 小 組 ， 共 同 完 成 一 個 規(guī)定 題 目 的 科 技 論 文 THU SAGroup 7 v課 程 安 排 第 一 講 ： 軟 件 體 系 結 構 發(fā) 展 中 的 若 干 重 要

6、問 題 ( 3) 第 二 講 ： 軟 件 體 系 結 構 風 格 與 模 式 ( 9） 第 三 講 ： 軟 件 體 系 結 構 組 態(tài) 分 析 與 應 用 (2*) 第 四 講 ： 軟 件 體 系 結 構 形 式 化 描 述 (6) 第 五 講 ： CSP和 軟 件 體 系 結 構 描 述 語 言 (3*) 第 六 講 ： 軟 件 體 系 結 構 集 成 開 發(fā) 環(huán) 境 的 設 計 與 實 現(xiàn) (3) 第 七 講 ： 柔 性 軟 件 體 系 結 構 ( 3*) 第 八 講 ： 軟 件 體 系 結 構 研 究 的 展 望 ( 3)括 號 中 為 課 時 數(shù) ， 帶 星 的 為 助 教 課THU

7、SAGroup 8 THU SAGroup 9 什 么 是 軟 件 體 系 結 構如 何 利 用 軟 件 體 系 結 構 進 行宏 觀 設 計軟 件 體 系 結 構 設 計 案 例 分 析 如 何 利 用 形 式 化 基 礎 描 述 軟件 體 系 結 構如 何 進 行 軟 件 體 系 結 構 開 發(fā)什 么 是 柔 性 軟 件 體 系 結 構 軟 件 體 系 結 構 還 有 什 么 研 究 問 題 THU SAGroup課 程 簡 介1 軟 件 體 系 結 構 的 定 義 和 發(fā) 展 綜 述2 工 業(yè) 軟 件 體 系 結 構 的 主 要 分 類3 軟 件 體 系 結 構 的 發(fā) 展 方 向4 案

8、 例 研 究5 10 v什 么 是 軟 件 軟 件 一 般 認 為 由 三 部 分 組 成 ： 程 序 ： 在 運 行 時 ， 能 提 供 所 希 望 的 功 能 和 性 能 的指 令 集 。 數(shù) 據(jù) 結 構 ： 使 程 序 能 夠 正 確 運 行 的 數(shù) 據(jù) 結 構 。 文 檔 ： 描 述 程 序 研 制 過 程 、 方 法 及 使 用 的 文 檔 。THU SAGroup 11 v軟 件 的 特 點 抽 象 性 ： 邏 輯 實 體 ， 可 記 錄 ， 但 看 不 到 可 復 制 性 ： 與 開 發(fā) 成 本 相 比 ， 復 制 成 本 很 低 無 折 舊 受 硬 件 制 約 未 完 全 擺

9、脫 手 工 工 藝 開 發(fā) 費 用 高 THU SAGroup 12 v計 算 機 軟 件 發(fā) 展 的 三 個 時 期 早 期 時 代 （ 60年 代 中 期 之 前 ） 程 序 設 計 階 段 硬 件 通 用 ， 軟 件 專 用 ； 程 序 規(guī) 模 小， 編 寫 者 和 使 用 者 為 同 一 人 （ 同 組 人 ） 。 第 二 代 （ 60年 代 中 期 -70年 代 中 期 ） 程 序 系 統(tǒng) 階 段 出 現(xiàn) “ 軟 件 作 坊 ” 、 產(chǎn) 品 軟 件 ； “個 體 化 ” 開 發(fā) 方 法 。 第 三 代 （ 70年 代 中 期 之 后 ） 軟 件 工 程 階 段 軟 件 開 發(fā) 成 為

10、 一 門 新 興 的 工 程 學 科 軟 件 工 程。 THU SAGroup 13 THU SAGroup 14 程 序 設 計 程 序 系 統(tǒng) 軟 件 工 程軟 件 范 疇 程 序 程 序 及 說 明 書 產(chǎn) 品 軟 件 （ 項目 軟 件 ）主 要 程 序 設 計 語 言 匯 編 及 機 器 語 言 高 級 語 言 高 級 語 言 系 統(tǒng)軟 件 工 作 范 圍 程 序 編 寫 設 計 、 測 試 軟 件 生 存 期需 求 者 程 序 設 計 者 本 人 少 數(shù) 用 戶 市 場 用 戶計 算 機 軟 件 發(fā) 展 的 三 個 時 期 及 特 點 THU SAGroup 15 程 序 設 計 程

11、 序 系 統(tǒng) 軟 件 工 程維 護 責 任 者 程 序 設 計 者 開 發(fā) 小 組 專 職 維 護 人 員硬 件 特 征 價 高 、 存 儲 量 小 、穩(wěn) 定 性 差 價 低 、 速 度 、容 量 、 穩(wěn) 定 性明 顯 提 高 向 超 高 速 、 大容 量 、 微 型 化發(fā) 展軟 件 特 征 完 全 不 受 重 視 軟 件 技 術 的 發(fā)展 不 滿 足 需 要 ，出 現(xiàn) 軟 件 危 機 開 發(fā) 技 術 有 進步 ， 但 未 獲 得突 破 性 進 展 ，軟 件 危 機 沒 有完 全 擺 脫計 算 機 軟 件 發(fā) 展 的 三 個 時 期 及 特 點 v我 們 需 要 的 是 軟 件 符 合 質(zhì) 量

12、 要 求 ！ ！ 軟 件 需 求 是 進 行 “ 質(zhì) 量 ” 度 量 的 基 礎 ， 與 需 求 不 符 就是 質(zhì) 量 不 高 。 通 常 有 一 組 “ 隱 含 需 求 （ implicit requirements） ”是 不 被 提 及 的 （ 如 對 維 護 性 的 需 求 ） 。 如 果 軟 件 符 合了 明 確 的 需 求 卻 沒 有 滿 足 隱 含 需 求 ， 軟 件 質(zhì) 量 仍 然 值得 懷 疑 。 THU SAGroup 16 性 能Performance 可 用 性Usability可 靠 性Availability可 擴 展 性Extensibility安 全 性 Sec

13、urity功 能 性Functionality 隨 著 社 會 的 巨 大 進 步 ,計 算 機 系 統(tǒng) 的 整 體 發(fā) 展 ,新 技 術 的不 斷 涌 現(xiàn) ,使 計 算 機 應 用 的 需 求 迅 速 增 加 。 而 軟 件 費 用 的增 加 ,高 可 靠 性 能 下 降 ,維 護 工 作 量 增 大 ,出 現(xiàn) 了 嚴 重 的 “軟 件 危 機 ” 。 軟 件 危 機 已 經(jīng) 持 續(xù) 了 三 十 多 年 ， 表 現(xiàn) 為 ： 軟 件 的 產(chǎn) 品 質(zhì) 量 難 以 保 障 軟 件 的 開 發(fā) 效 率 難 以 提 高 THU SAGroup 17 THU SAGroup 18 軟 件 失 敗Soft

14、ware Failure最 常 見 錯 誤 形 式 ：變 量 取 值 超 過允 許 范 圍 用 戶 使 用 軟 件 超 載（ Overload）現(xiàn) 代 系 統(tǒng) 的 復 雜 性往 往 集 中 于 軟 件 部 分 （ complexity）代 碼 正 確 ， 設 計 錯 誤（ Design Error） 其 他軟 件 開 發(fā) 者 不 參 與 情 況 下操 作 系 統(tǒng) 以 及 硬 件 改 變 軟 件 失 敗 的 原 因 v解 決 問 題 的 想 法 更 好 的 管 理 （ Better management） 出 眾 的 團 隊 組 織 （ Different team organizations）

15、 更 好 的 語 言 和 工 具 （ Better languages reprinted in IEEE Software, vol. 1, no. 1, 1984, pp. 1128.v J.A. Mills, “A Pragmatic View of the System Architect,” Comm. ACM, vol. 28, no. 7, 1985, pp. 708717.v W.E. Royce and W. Royce, “Software Architecture: Integrating Process and Technology,” TRW Quest, vol.

16、14, no. 1, 1991, pp. 215. v M. Shaw and P. Clements, “A Field Guide to Boxology: Preliminary Classification of Architectural Styles for Software Systems,” Proc. 21st Intl Computer Software and Applications Conf. (COMPSAC 97), IEEE CS Press, 1997, pp. 613.v M. Shaw, “The Coming-of-Age of Software Arc

17、hitecture Research,” Proc. 23rd Intl Conf. Software Eng. (ICSE 01), IEEE CS Press, 2001, pp. 656664a. THU SAGroup 36 THU SAGroup 37Mary Shaw瑪 麗 娋 Frederick Brooks弗 蘭 德 里 克 布 魯 克 斯 Barry Boehm拜 瑞 波 姆 Carliss Baldwin卡 利 斯 鮑 德 溫 NSF 2007 Science of Design Principal Investigators (PI) Meeting THU SAGrou

18、p 38 萌 芽 期 發(fā) 展 期 成 熟 期 THU SAGroup 39 THU SAGroup 40 什 么 是 軟 件 體 系 結 構 ? THU SAGroup 41 THU SAGroup 42 THU SAGroup 43 THU SAGroup 44 THU SAGroup 45 THU SAGroup 46 自 NATO于 1968年 提 出 軟 件 工 程 概 念 以 來 ,軟 件 工 程 界 已 經(jīng) 提 出了 一 系 列 的 理 論 、 方 法 、 語 言 和 工 具 ,解 決 了 軟 件 開 發(fā) 過 程 中 的 若 干問 題 .但 是 ,軟 件 固 有 的 復 雜 性 、

19、 易 變 性 和 不 可 見 性 ,使 得 軟 件 開 發(fā) 周期 長 、 代 價 高 和 質(zhì) 量 低 的 問 題 依 然 存 在 .大 量 實 踐 統(tǒng) 計 表 明 :大 系 統(tǒng)軟 件 開 發(fā) 中 70 的 錯 誤 是 由 需 求 和 軟 件 設 計 階 段 引 入 的 ;而 且 錯 誤在 系 統(tǒng) 中 存 在 的 時 間 愈 長 則 愈 難 發(fā) 現(xiàn) ,解 決 這 些 錯 誤 的 代 價 也 愈 高 . 為 了 提 高 軟 件 需 求 和 軟 件 設 計 的 質(zhì) 量 ,軟 件 工 程 界 提 出 了 需 求 分析 工 程 技 術 和 各 種 軟 件 建 模 技 術 .但 是 在 需 求 與 設 計

20、 之 間 仍 存 在 一 條很 難 逾 越 的 鴻 溝 ,即 缺 乏 能 夠 反 映 做 決 策 的 中 間 過 程 ,從 而 很 難 有 效地 將 需 求 轉 換 為 相 應 的 設 計 .為 此 ,軟 件 體 系 結 構 概 念 應 運 而 生 ,并 試圖 在 軟 件 需 求 與 軟 件 設 計 之 間 架 起 一 座 橋 梁 ,著 重 解 決 軟 件 系 統(tǒng) 的 結構 和 需 求 向 實 現(xiàn) 平 坦 地 過 渡 的 問 題 . THU SAGroup 47 v軟 件 體 系 結 構 基 本 概 念 就 體 系 結 構 的 本 意 而 言 ， 它 是 指 建 立 系 統(tǒng) 時 的 構 造 范

21、型 、 構 造 風 格 和 構 造 模 式 ， 軟 件 體 系 結 構 對 于 軟 件 系統(tǒng) 的 構 造 所 起 的 是 指 導 性 的 作 用 ， 它 拋 開 了 軟 件 系 統(tǒng)的 功 能 細 節(jié) ， 著 重 于 討 論 軟 件 系 統(tǒng) 的 總 體 框 架 。THU SAGroup 48開 發(fā) 了 5年 ， 投 入 資 金 達300多 億 美 元 ， 歷 史 上 代碼 量 最 大 ， 達 到 5000萬行 ， 僅 核 心 工 程 師 就 有9000人 團 隊 的 龐 大 軟 件開 發(fā) 項 目 基 于 軟 件 體 系 結 構 的分 析 、 評 估 、 計 劃 、組 織 、 開 發(fā) 、 測 試

22、v對 于 一 個 軟 件 開 發(fā) 單 位 來 說 ， 選 擇 合 適 的 體 系 結 構 是 最重 要 的 決 策 之 一 v良 好 的 體 系 結 構 可 以 維 系 軟 件 系 統(tǒng) 的 完 整 性 ， 使 得 開 發(fā)和 維 護 工 作 不 至 于 雜 亂 無 章 ； 還 可 以 簡 化 軟 件 系 統(tǒng) 復 雜性 ， 讓 眾 多 的 開 發(fā) 單 位 的 軟 件 工 程 師 們 能 以 并 行 方 式 開展 工 作 . THU SAGroup 49 v軟 件 體 系 結 構 基 本 概 念 廣 義 而 言 ， 軟 件 系 統(tǒng) 結 構 涉 及 多 方 面 的 內(nèi) 容 ： 軟 件 的 成 份 及

23、系 統(tǒng) 框 架 ； 軟 件 成 份 的 選 擇 ， 各 成 分 之 間 的 相 互 作 用 ， 軟 件成 份 的 進 一 步 復 合 以 及 指 導 軟 件 復 合 過 程 的 總 體模 式 ； 系 統(tǒng) 的 功 能 、 性 能 、 設 計 以 及 從 多 種 方 案 及 選 項中 進 行 選 擇 的 決 策 。 可 見 ， 軟 件 體 系 結 構 更 為 關注 的 是 系 統(tǒng) 結 構 及 其 成 份 ， 而 方 法 論 更 關 心 系 統(tǒng)的 開 發(fā) 過 程 THU SAGroup 50 Perry和 Wolf根 據(jù) 軟 件 生 命 周 期 各 階 段 相 應 的 實 體 、屬 性 、 關 系

24、、 主 要 產(chǎn) 品 和 評 估 標 準 ， 將 軟 件 開 發(fā) 過 程分 為 如 下 階 段 ： 需 求 分 析 ： 主 要 根 據(jù) 用 戶 的 需 求 ， 決 定 軟 件 的 功能 ； 體 系 結 構 設 計 ： 選 擇 構 件 、 構 件 間 相 互 關 系 以 及對 它 們 的 約 束 ， 并 以 此 為 框 架 ， 為 詳 細 設 計 奠 定基 礎 ； 詳 細 設 計 ： 主 要 對 系 統(tǒng) 進 行 模 塊 化 和 描 述 各 個 構件 間 的 詳 細 接 口 、 算 法 和 數(shù) 據(jù) 結 構 類 型 等 ； 實 現(xiàn) ： 使 用 程 序 設 計 語 言 實 現(xiàn) 設 計 方 案 的 要 求

25、 。THU SAGroup 51 v軟 件 體 系 結 構 研 究 與 傳 統(tǒng) 軟 件 工 程 方 法 學 的 不 同 之 處 在于 ： 所 關 心 的 問 題 不 同 描 述 的 著 眼 點 不 同 抽 象 層 次 不 同 THU SAGroup 52 從 不 同 角 度 看 太 陽 學 院 派 測 重 于 軟 件 體 系 結 構 形 式 化 理 論 研 究 。 注 重 抽 象、 規(guī) 約 和 演 算 。 實 踐 派 將 軟 件 體 系 結 構 設 計 、 描 述 與 表 示 同 傳 統(tǒng) 的 軟 件系 統(tǒng) 建 模 視 為 一 體 ， 以 體 系 結 構 作 為 整 個 軟 件 開發(fā) 過 程 的

26、 核 心 。 結 合 派 試 圖 將 以 上 二 者 結 合 以 來 ， 將 形 式 化 理 論 應 用 于實 際 項 目 中 。 THU SAGroup 53 v長 期 以 來 ， CMU-SEI在 其 網(wǎng) 站 上 公 開 征 集 軟 件 體 系 結 構的 定 義 至 今 已 有 百 余 種 。 最 近 較 有 影 響 力 的 定 義 有 ： 卡 耐 基 梅 隆 大 學 Bass 等 人 于 2003年 在 軟 件 構 架 實 踐一 書 中 提 出 ， 軟 件 體 系 結 構 為 系 統(tǒng) 的 結 構 (structure or structures)， 包 含 軟 件 元 素 、 軟 件 元

27、 素 外 部 可 見 的屬 性 以 及 這 些 軟 件 元 素 之 間 的 關 系 。 v軟 件 體 系 結 構 定 義 的 發(fā) 展 演 變 IEEE 610.12 ,1990 Vestal, 1993 Garlan,1993 Gacek, 1995 Bosch, 2000 Perry, 2000 IEEE Std1471-2000, 2000 vIEEE 610.12(1990年 )軟 件 工 程 標 準 詞 匯 定 義 ：SA=component, connector, environment, principle. 體 系 結 構 是 以 構 件 、 構 件 之 間 的 關 系 、 構

28、件 與 環(huán) 境 之間 的 關 系 為 內(nèi) 容 的 某 一 系 統(tǒng) 的 基 本 組 織 結 構 ,以 及 指 導上 述 內(nèi) 容 設 計 與 演 化 的 原 理 。 vHoneywell實 驗 室 的 Vestal在 1993年 提 出 了 如 下 模 型 ：SA=component, idioms/styles, common patterns of interaction. 軟 件 由 構 件 組 成 ， 構 件 之 間 通 過 通 用 的 互 操 作 模 式 相連 。 體 系 結 構 風 格 描 述 了 一 種 通 用 的 設 計 模 式 ， 可 滿足 特 定 系 列 的 應 用 需 求 。

29、 v卡 耐 基 梅 隆 大 學 的 Garlan于 1993年 對 軟 件 體 系 結 構 做 出了 如 下 定 義 ： SA = Components, Connectors, Constraints 構 件 （ Components） 是 功 能 單 元 ， 執(zhí) 行 預 定 義 的 服務 并 且 與 其 他 構 件 交 互 。 連 接 器 （ Connectors ） 定 義 交 互 協(xié) 議 與 策 略 。 約 束 （ Constraints） 定 義 了 系 統(tǒng) 必 須 服 從 的 規(guī) 則 。 v而 南 加 州 大 學 的 軟 件 工 程 研 究 中 心 的 Gacek于 1995年 ，

30、提 出 了 如 下 的 概 念 ：SA = Components, Connections, Constraints, Stakeholder Needs, Rationale 在 此 定 義 中 ， 構 件 （ component） 與 連 接 （connection） 的 設 計 將 依 照 涉 眾 （ Stakeholder） 的需 求 。 涉 眾 （ Stakeholder） 指 參 與 軟 件 系 統(tǒng) 項 目 的 人 員 ，包 括 項 目 經(jīng) 理 ， 程 序 員 ， 市 場 營 銷 人 員 ， 消 費 者 與 使用 者 等 。 理 念 （ Rationale） 指 權 衡 存 在 下

31、 的 策 略 。 該 定 義 反 映 了 對 運 行 時 結 構 的 實 際 影 響 因 素 ， 是 為 了使 軟 件 體 系 結 構 研 究 能 將 學 術 與 實 際 應 用 聯(lián) 系 起 來 。 v瑞 典 Blekinge技 術 學 院 的 Bosch在 2000年 則 對 軟 件 體 系結 構 給 出 了 如 下 的 定 義 ： The architecture of a software system is concerned with the top-level decomposition of the system into its main components. 軟 件 系 統(tǒng)

32、 的 體 系 結 構 是 對 系 統(tǒng) 從 頂 層 分 解 為 主 要 構 件 的考 量 。 decomposition 在 該 定 義 中 ， 軟 件 體 系 結 構 被 認 為 是 系 統(tǒng) 結 構 的 唯 一部 署 ， 僅 關 注 單 一 的 靜 態(tài) 結 構 。 此 外 需 要 注 意 的 是 ， 這 里 的 術 語 component的 涵 義 有所 不 同 ， 可 以 被 認 為 是 模 塊 基 本 的 執(zhí) 行 單 元 。 v2000年 Texas大 學 的 Perry A Comedy of Errors: the London Ambulance Service case study

33、; Proceedings of 8th International Workshop on Software Specification and Design (IWSSD-8), Schloss Velen, Germany, 22-23rd March 1996, 2-4; IEEE CS Press.D. Garlan, R. Monroe, and D. Wile, Acme: Architectural Description of Component-Based Systems, in Foundations of Component-Based Systems, G.T. Le

34、avens and M. Sitaraman, Editors. 2000, Cambridge University Press. p. 47-68.Aesop Carnegie Mellon University David Garlan C2 University California, Irvine N. Medvidovic 集 成 開 發(fā) 環(huán) 境ARGOChiron-2 人機 界 面 系 統(tǒng) Taylor, R.N., et al., A component- and message-based architectural style for GUI software Ieee T

35、ransactions on Software Engineering, 1996. 22(6): p. 17.Darwin Imperial College, London (帝 國 理 工 ） Jeff Kramer 體 系 結 構 理 論 模 型 的 研 究 ; 體 系 結 構 設 計 研 究 包 括 體 系 結 構 設 計 方 法 、 體 系 結 構 風 格 、 體 系 結構 設 計 空 間 等 內(nèi) 容 ; 體 系 結 構 分 析 與 驗 證 研 究 如 何 將 軟 件 的 非 功 能 特 性 轉 化 為 體 系 結 構 的需 求 ,如 何 分 析 體 系 結 構 滿 足 望 的 需

36、求 的 屬 性 ,對 體系 結 構 的 語 法 、 語 義 、 類 型 失 配 等 進 行 檢 查 與 驗證 的 研 究 ; THU SAGroup 122 體 系 結 構 演 化 與 復 用 研 究 研 究 產(chǎn) 品 線 中 軟 件 體 系 結 構 演 進 的 理 論 與 方 法 ,從已 有 文 檔 、 系 統(tǒng) 設 計 和 代 中 逆 向 提 取 軟 件 體 系 結構 、 體 系 結 構 復 用 等 ; 動 態(tài) 體 系 結 構 研 究 研 究 軟 件 系 統(tǒng) 由 于 特 殊 需 要 必 須 在 連 續(xù) 運 營 情 況下 的 體 系 結 構 變 化 與 支 撐 平 臺 ; 基 于 體 系 結 構

37、 的 軟 件 開 發(fā) 研 究 引 入 體 系 結 構 后 的 軟 件 開 發(fā) 過 程 、 基 于 體 系結 構 開 發(fā) 與 中 間 技 術 集 成 、 于 體 系 結 構 的 程 序 框架 自 動 生 成 技 術 等 . THU SAGroup 123 體 系 結 構 是 對 系 統(tǒng) 的 高 層 抽 象 ,并 只 對 感 興 趣 的 屬 性進 行 建 模 .由 于 體 系 結 構 是 在 軟 件 開 發(fā) 過 程 之 初 產(chǎn) 生 的 ,因 此 設 計 優(yōu) 質(zhì) 的 體 系 結 構 可 以 減 少 和 避 免 軟 件 錯 誤 的 產(chǎn)生 和 維 護 階 段 的 高 昂 代 價 .體 系 結 構 是 系

38、 統(tǒng) 集 成 的 藍 本 、系 統(tǒng) 驗 收 的 依 據(jù) ,體 系 結 構 本 身 需 要 分 析 與 測 試 ,以 確 定這 樣 的 體 系 結 構 是 否 滿 足 需 求 .體 系 結 構 分 析 的 內(nèi) 容 可 分為 結 構 分 析 、 功 能 分 析 和 非 功 能 分 析 . THU SAGroup 124 v軟 件 體 系 結 構 的 發(fā) 展 是 與 軟 件 系 統(tǒng) 的 開 發(fā) 模 式 、 應 用 模式 同 步 進 行 的 。 當 原 有 的 描 述 方 法 無 法 滿 足 需 要 時 ， 就會 出 現(xiàn) 新 的 軟 件 體 系 結 構 研 究 熱 點 THU SAGroup 125

39、v三 位 一 體 的 職 責 構 成 SOA1應 用 程 序 構 建 者Application Builder負 責 設 計 和 實 現(xiàn) 最 終的 應 用 系 統(tǒng) 3服 務 提 供 者Service Provider負 責 設 計 和 實 現(xiàn) 服 務 ，并 在 服 務 代 理 進 行 注冊 以 供 用 戶 訪 問2 服 務 代 理Service Broker負 責 向 應 用 程 序 構 建者 提 供 服 務 的 查 詢 、訪 問 v基 于 標 準 的 互 操 作 性 在 SOA當 中 ， 接 口 、 通 訊 協(xié) 議 、 工 作 流 、 協(xié) 作 和 發(fā) 布 都 是 由 一整 套 國 際 標 準

40、 所 定 義 ， 包 括 XML, SOAP, WSDL, UDDI, HTTP,CPP, ebXML, bSOA, BPEL, FERA, OWL-S等 ， 從 而 保證 不 同 平 臺 的 系 統(tǒng) 能 夠 無 阻 礙 的 交 流v基 于 發(fā) 現(xiàn) 的 動 態(tài) 組 裝 在 SOA中 的 系 統(tǒng) 所 需 要 的 服 務 均 通 過 運 行 時 發(fā) 現(xiàn) ， 運 行 時 加 載的 方 式 工 作v基 于 策 略 的 動 態(tài) 管 理 和 總 控 協(xié) 作 SOA的 各 個 服 務 的 運 行 都 由 策 略 （ Policy） 進 行 控 制 ， 策 略 的 制定 、 監(jiān) 測 、 執(zhí) 行 都 可 在 運

41、 行 時 內(nèi) 完 成 。 SOA實 行 總 控 式 協(xié) 作 ，即 由 一 個 中 心 控 制 節(jié) 點 負 責 控 制 和 調(diào) 度 分 布 在 網(wǎng) 絡 各 處 的 服 務 THU SAGroup 129 v 結 構 （ Structure） 應 用 程 序 的 結 構 是 靜 態(tài) (S)還 是 動 態(tài) (D)v 動 態(tài) 重 組 能 力 （ Runtime re-composition capability) 可 以 在 運 行 時 進 行 重 組 (R) 不 可 以 進 行 重 組 (N)v 容 錯 能 力 （ Fault Tolerant Capability） 具 有 容 錯 的 骨 干 通

42、 訊 機 制 (FB)， 具 有 容 錯 的 控 制 服 務 (FC)， 不 具 有 容 錯能 力 (FN)v 軟 件 工 程 支 持 （ System Engineering Support） 是 否 具 有 系 統(tǒng) 支 持 的 模 型 監(jiān) 測 、 數(shù) 據(jù) 收 集 、 部 署 、 代 碼 自 動 生 成 、 策略 實 施 、 一 致 性 檢 查 等 機 制 。 有 用 (SY)表 示 ， 無 用 (SN)表 示 由 此 得 到 一 個 四 元 組 Structure, Re-composition, Fault-tolerance, System-engineering 對 各 種 SOA進

43、 行 分 類 v常 規(guī) SOA模 式 服 務 提 供 者 向 服 務 代 理 注 冊 開 發(fā) 出 來 的 服 務 ， 由 應 用程 序 構 建 者 來 尋 找 需 要 的 服 務vCCSOA模 式 在 傳 統(tǒng) SOA的 基 礎 上 ， 應 用 程 序 構 建 者 也 可 以 發(fā) 布 應用 程 序 模 板 ， 服 務 提 供 者 可 以 根 據(jù) 模 板 的 需 要 開 發(fā) 新的 服 務 Customer Centric SOA（ 續(xù) ）上 圖 的 步 驟 為 ：1. 應 用 程 序 構 建 者 編 寫 應 用 程 序模 版 ， 模 板 內(nèi) 包 含 工 作 流 信 息、 需 要 服 務 規(guī) 格 信

44、 息 等2. 應 用 程 序 模 版 在 服 務 代 理 的 庫中 進 行 注 冊 并 發(fā) 布3. 一 個 訂 閱 了 應 用 程 序 模 版 庫 的服 務 提 供 者 收 到 有 新 模 版 到 達的 通 知 ， 于 是 查 詢 這 個 新 模 版4. 本 體 和 分 類 技 術 可 以 輔 助 進 行 被 提 供 模 版 和 目 標 模 版 之 間 的自 動 匹 配 5. 在 查 詢 中 ， 服 務 代 理 返 回 給 服 務提 供 者 關 于 應 用 程 序 模 版 的 詳 細信 息6. 服 務 提 供 者 依 據(jù) 模 版 開 發(fā) 新 的 服務 ， 并 提 交 到 服 務 代 理 。 服

45、 務 代理 依 據(jù) 模 版 中 的 信 息 對 新 服 務 進行 校 驗 和 評 估7. 一 旦 評 估 通 過 ， 服 務 代 理 通 知 應用 程 序 構 建 者 有 可 用 的 新 服 務8. 應 用 程 序 構 建 者 評 估 和 測 試 新 的服 務9. 一 旦 通 過 測 試 ， 應 用 程 序 構 建 者就 將 應 用 程 序 模 版 和 新 服 務 綁 定， 生 成 可 以 運 行 的 應 用 系 統(tǒng) v IBM基 于 WebShpere的 SOA Foundation Architecture One of the promising area of software arc

46、hitecture is The golden age of software architecture, IEEE SOFTWARE, vol23(2) 柔 性 軟 件 體 系 結 構 是 指 可 以 根 據(jù) 需 求 的變 化 而 容 易 發(fā) 生 形 態(tài) 變 化 的 體 系 結 構 添 加 新 的 構 件升 級 已 存 在 構 件刪 除 不 需 要 的 構 件動 態(tài) 改 變 構 件 之 間 的 關 系動 態(tài) 改 變 構 件 到 執(zhí) 行 平 臺 的 映 射 自 我 修 復 系 統(tǒng)電 子 商 務 服 務 系 統(tǒng)嵌 入 式 系 統(tǒng)企 業(yè) 管 理 系 統(tǒng)移 動 計 算 FSA vIEEE 1471標

47、 準v基 于 軟 件 體 系 結 構 的 軟 件 工 程 基 于 體 系 結 構 的 軟 件 開 發(fā) 方 法 基 于 體 系 結 構 的 軟 件 組 裝 基 于 體 系 結 構 的 軟 件 測 試 方 法v面 向 服 務 體 系 結 構 （ Service-Oriented Architecture）v柔 性 軟 件 體 系 結 構 自 適 應 的 柔 性 軟 件 體 系 結 構 移 動 環(huán) 境 下 的 軟 件 體 系 結 構 自 修 復 系 統(tǒng) 支 持 代 碼 移 動 的 體 系 結 構v動 態(tài) 軟 件 體 系 結 構 的 描 述 1402021-7-28 v自 適 應 軟 件 體 系 結

48、構 是 根 據(jù) 操 作 環(huán) 境 的 變 化 而 變 化 的 體系 結 構 外 界 的 變 化 包 括 用 戶 輸 入 、 硬 件 設 備 輸 入 、 傳 感 器 信 號 、 以 及程 序 指 令 等v自 適 應 軟 件 體 系 結 構 需 要 解 決 的 問 題 在 什 么 條 件 下 系 統(tǒng) 發(fā) 生 改 變 自 適 應 軟 件 體 系 結 構 應 具 有 開 放 性 質(zhì) 還 是 封 閉 性 質(zhì) 需 要 實 現(xiàn) 什 么 樣 的 自 適 應 程 度 如 何 演 算 從 而 評 估 變 化 后 帶 來 的 收 益 是 否 大 于 變 化 本 身 的 成 本 變 化 的 頻 繁 程 度 如 何 自

49、適 應 變 化 需 要 的 原 始 信 息 有 哪 些 v自 適 應 的 基 本 結 構 Monitor監(jiān) 控 外 界 的 變 化 Adapt負 責 調(diào) 整 系 統(tǒng) 模 型 Control負 責 將 外 界 變 化 演 算 出 模 型 變 化 ， 并 作 出 變 化 決 策 v為 何 移 動 環(huán) 境 需 要 動 態(tài) 自 適 應 移 動 環(huán) 境 下 設 備 往 往 需 要 連 續(xù) 工 作 ， 對 自 身 進 行 改 變必 須 在 運 行 時 下 進 行 移 動 設 備 經(jīng) 受 的 操 作 環(huán) 境 的 改 變 與 固 定 的 計 算 設 備 相比 要 頻 繁 的 多 使 用 移 動 設 備 的 用

50、 戶 的 需 求 也 在 不 斷 改 變 vIEEE 1471標 準v基 于 軟 件 體 系 結 構 的 軟 件 工 程 基 于 體 系 結 構 的 軟 件 開 發(fā) 方 法 基 于 體 系 結 構 的 軟 件 組 裝 基 于 體 系 結 構 的 軟 件 測 試 方 法v面 向 服 務 體 系 結 構 （ Service-Oriented Architecture）v柔 性 軟 件 體 系 結 構 自 適 應 的 柔 性 軟 件 體 系 結 構 移 動 環(huán) 境 下 的 軟 件 體 系 結 構 自 修 復 系 統(tǒng) 支 持 代 碼 移 動 的 體 系 結 構v動 態(tài) 軟 件 體 系 結 構 的 描

51、述 145 移 動 環(huán) 境 應 用 實 例v User Context 來 自 用 戶 及 環(huán) 境 的 改 變v System Context 來 自 系 統(tǒng) 本 身 的 改 變v Adaptation Middleware 負 責 將 外 界 的 變 化 映 射到 體 系 結 構 模 型 庫 中 的備 選 模 型v Architecture Model 儲 備 的 預 先 設 計 好 的 體 系 結 構 模 型 ， 是 改 變 的基 礎v Adaptable Application 實 際 被 應 用 的 可 動 態(tài) 改變 的 系 統(tǒng) 優(yōu) 點 建 立 了 分 析 員 、 客 戶 、 設 計

52、人 員 溝 通 的 橋 梁 依 據(jù) 軟 件 體 系 結 構 設 計 項 目 計 劃 在 項 目 設 計 的 早 期 發(fā) 現(xiàn) 更 多 問 題 依 據(jù) 軟 件 體 系 結 構 生 成 項 目 的 測 試 用 例 THU SAGroup 147 THU SAGroup 148體 系 結 構 集 成 開 發(fā) 環(huán) 境 模 型 THU SAGroup 149 什 么 是 云 計 算 云 計 算 (Cloud Computing)是 分 布 式 處 理(Distributed Computing)、 并 行 處 理 (Parallel Computing)和 網(wǎng) 格 計 算 (Grid Computing)

53、的 發(fā) 展， 或 者 說 是 這 些 計 算 機 科 學 概 念 的 商 業(yè) 實 現(xiàn) 。 云 計 算 的 基 本 原 理 是 ， 通 過 使 計 算 分 布 在 大 量的 分 布 式 計 算 機 上 ， 而 非 本 地 計 算 機 或 遠 程 服務 器 中 ， 企 業(yè) 數(shù) 據(jù) 中 心 的 運 行 將 更 與 互 聯(lián) 網(wǎng) 相似 。 這 使 得 企 業(yè) 能 夠 將 資 源 切 換 到 需 要 的 應 用上 ， 根 據(jù) 需 求 訪 問 計 算 機 和 存 儲 系 統(tǒng) 。 THU SAGroup 150 vAmazon Elastic Compute Cloud（ EC2） Amazon Simple

54、 Storage Service (S3)vGoogle App Engine Big TablevMicrosoft Office Live Live Mesh THU SAGroup 151 v依 靠 分 布 式 技 術 將 以 往 大 型 主 機 的 工 作 交 由 集 群 計 算 機來 做 如 何 提 高 集 群 性 能 如 果 增 加 集 群 穩(wěn) 定 性 如 何 改 善 負 載 平 衡 如 何 將 應 用 和 平 臺 分 離 THU SAGroup 152 vCloud Architecture的 主 要 組 成 部 分 隊 列 系 統(tǒng) ： 管 理 任 務 隊 列 和 優(yōu) 先 級 任

55、 務 調(diào) 度 系 統(tǒng) ： 管 理 任 務 分 配 文 件 系 統(tǒng) ： 管 理 大 規(guī) 模 數(shù) 據(jù) 存 儲 數(shù) 據(jù) 庫 系 統(tǒng) ： 管 理 查 詢 和 查 詢 結 果 數(shù) 據(jù) 中 間 結 果 存 儲 系 統(tǒng) ： 用 于 快 速 處 理 計 算 中 的 大 數(shù) 據(jù) 量中 間 結 果 ， 并 且 將 任 務 的 各 個 步 驟 連 接 起 來 THU SAGroup 153 v 隊 列 系 統(tǒng) Amazon SQS v 任 務 調(diào) 度 系 統(tǒng) Amazon EC2v 文 件 系 統(tǒng) Handoop v 數(shù) 據(jù) 庫 系 統(tǒng) Amazon SimpleDBv 中 間 結 果 存 儲 系 統(tǒng) Amazon

56、 S3 THU SAGroup 154 vMapReduce Architecture THU SAGroup 155 THU SAGroup課 程 簡 介1 軟 件 體 系 結 構 的 定 義 和 發(fā) 展 綜 述2 工 業(yè) 軟 件 體 系 結 構 的 主 要 分 類3 軟 件 體 系 結 構 的 發(fā) 展 方 向4 案 例 研 究5 156 J2EE是 在 軟 件 體 系 結 構 的 支 持 下 完 成 的 易 用 性 擴 展 性 穩(wěn) 定 性 可 移 植 性 THU SAGroup 157 為 什 么 需 要 中 間 件 無 中 間 件有 中 間 件中 間 件 vJ2EE是 一 個 規(guī) 范 J

57、2EE定 義 了 企 業(yè) 級 服 務 都 有 哪 些 J2EE定 義 了 企 業(yè) 級 參 考 體 系 結 構 ， 即 所 有 的服 務 組 件 如 何 相 互 協(xié) 作 ， 形 成 企 業(yè) 級 服 務 系 統(tǒng)基 礎 平 臺 Sun負 責 定 義 J2EE規(guī) 范 ， 以 及 發(fā) 布 一 個 參 考實 現(xiàn) ， 實 際 商 業(yè) 上 用 到 的 J2EE產(chǎn) 品 均 為 第 三方 實 現(xiàn) Sun J2EEBEA WebLogic IBM WebSphere JBoss實 現(xiàn) 實 現(xiàn)實 現(xiàn) v企 業(yè) 信 息 系 統(tǒng) （ EIS） 的 開 發(fā) 模 式 由 于 EIS的 復 雜 性 日益 提 高 ， 企 業(yè) 為

58、 了 實 現(xiàn) 快 速 開 發(fā) 并 降 低 系 統(tǒng) 設 計 、 開 發(fā)成 本 ， 往 往 選 擇 從 服 務 器 端 平 臺 提 供 商 購 買 商 品 化 的 中間 件 ， 以 縮 短 EIS系 統(tǒng) 的 開 發(fā) 周 期 和 開 發(fā) 成 本 。v現(xiàn) 在 應 用 最 為 廣 泛 的 服 務 器 端 平 臺 J2EE 是 Sun Microsystem公 司 Java 2平 臺 的 企 業(yè) 版， 它 支 持 EJB（ Enterprise JavaBeans） 服 務 器 端 組件 體 系 結 構 ； DNA（ Distributed interNet Application Architectur

59、e） 是 微 軟 公 司 開 發(fā) 的 以 COM+技 術 作 為 自 己 的 服 務 器 端組 件 體 系 結 構 。 概 念 樹EIS的 中 間 件 支 持Microsoft DNA Microsoft .Net J2EE定 義 服 務 定 義 參 考 體 系 結 構JMXJMS JTA/JTSJAASJAWS EJBWeb服 務 vJ2EE的 設 計 初 衷 就 是 為 了 簡 化 多 層 企 業(yè) 應 用 系 統(tǒng) 中 復雜 的 開 發(fā) 、 部 署 和 管 理 問 題 ；vSun公 司 只 提 供 J2EE的 規(guī) 范 ， 規(guī) 定 J2EE應 當 會 做 什 么。 而 J2EE實 現(xiàn) 廠 商

60、則 定 義 了 怎 么 做 到 。 基 于 J2EE規(guī) 范 的 服 務 器 端 平 臺 供 應 商 很 多 ， 比 較 著名 的 有 IBM、 BEA System和 Oracle。 vJ2EE包 含 如 下 4個 方 面 的 內(nèi) 容 ： J2EE平 臺 規(guī) 范 定 義 了 一 個 J2EE服 務 器 端 平 臺 供 應 商 所 必 須 遵 守 的 規(guī)范 ， 它 將 原 有 的 各 種 JPE應 用 開 發(fā) 接 口 規(guī) 范 整 合 在 一 起， 提 供 了 統(tǒng) 一 的 服 務 器 端 產(chǎn) 品 開 發(fā) 平 臺 。 它 還 提 供 了J2EE和 其 它 規(guī) 范 的 協(xié) 同 工 作 機 制 ， 如

61、將 J2EE系 統(tǒng) 和CORBA系 統(tǒng) 結 合 在 一 起 的 RMI over IIOP。 J2EE參 考 實 現(xiàn) 。 它 是 一 個 J2EE規(guī) 范 的 完 整 實 現(xiàn) 。這 個 參 考 實 現(xiàn) 的 提 出 證 明 了 J2EE規(guī) 范 的 可 實 現(xiàn) 性 ，并 可 以 直 接 供 應 用 開 發(fā) 人 員 進 行 開 發(fā) 。 J2EE兼 容 性 測 試 組 件 。 Sun Microsystem提 出 了一 整 套 兼 容 性 檢 測 組 件 檢 驗 一 個 產(chǎn) 品 是 否 滿 足 J2EE規(guī) 范 ， 本 書 中 的 JBoss就 滿 足 這 種 兼 容 性 測 試 ， 是 真正 意 義 上

62、 的 J2EE平 臺 。 J2EE藍 圖 。 一 個 基 于 J2EE規(guī) 范 的 應 用 程 序 開 發(fā) 模型 ， 可 以 供 企 業(yè) 應 用 開 發(fā) 人 員 參 考 。 v表 示 層 主 要 負 責 用 戶 界 面 ， 提 供 了 大 量 和 用 戶 交 互 的 可 視 化組 件 。 用 戶 界 面 的 設 計 形 式 標 準 的 應 用 程 序 風 格 （ 采 用 CORAB客 戶 或 Java應 用 程 序） ； 基 于 B/S模 式 的 瀏 覽 器 風 格 （ 采 用 Java Applet、 JSP和Servlets） 。 CORBA客 戶 使 用 COSNaming（ CORBA名

63、 字 服 務 ，CORBA Naming Service） 訪 問 業(yè) 務 層 種 的 實 現(xiàn) 業(yè) 務邏 輯 的 組 件 ， 并 通 過 IIOP協(xié) 議 調(diào) 用 業(yè) 務 組 件 的 方 法 。 Java客 戶 使 用 JNDI來 訪 問 業(yè) 務 邏 輯 組 件 ， 并 通 過RMI-IIOP協(xié) 議 調(diào) 用 業(yè) 務 組 件 的 方 法 。 v業(yè) 務 層 采 用 EJB作 為 服 務 器 端 組 件 模 型 ， 業(yè) 務 邏 輯 組 件 被 設計 成 EJB組 件 供 表 示 層 使 用 。 EJB組 件 通 常 有 Session Bean（ 處 理 業(yè) 務 邏 輯 ） 、Entity Bean（

64、 保 存 業(yè) 務 數(shù) 據(jù) ） 和 MessageDriven Bean。 如 果 應 用 開 發(fā) 人 員 不 希 望 業(yè) 務 層 的 實 現(xiàn) 完 全 基 于 Java， 可 以 使 用 JNI（ Java Native Interface） 技 術 或CORBA代 理 （ 使 用 Java IDL） 技 術 調(diào) 用 其 它 語 言 （如 C+、 Delphi、 VB等 ） 編 寫 的 庫 函 數(shù) 或 類 ， 一 起 協(xié)同 實 現(xiàn) 業(yè) 務 邏 輯 的 功 能 。 v數(shù) 據(jù) 層 使 用 JDBC（ Java Database Connectivity） 和 數(shù) 據(jù) 庫管 理 系 統(tǒng) DBMS進 行

65、 通 信 ， 通 過 標 準 SQL完 成 對 數(shù) 據(jù)庫 的 操 作 。 連 接 器 （ Connector） 考 慮 到 企 業(yè) 存 在 的 原 有 信 息 化成 果 ， 如 ERP系 統(tǒng) 、 CRM系 統(tǒng) 或 MIS系 統(tǒng) ， J2EE提供 了 連 接 器 （ Connector） 的 概 念 ， 它 使 用 特 殊 的 協(xié)議 和 這 些 原 有 的 系 統(tǒng) 進 行 互 聯(lián) ， 最 大 限 度 的 節(jié) 省 了 企業(yè) 開 發(fā) 成 本 。 業(yè) 務代 碼業(yè) 務代 碼 v Java Management Extension (JMX) 企 業(yè) 服 務 底 層 加 載 平 臺v Java Messa

66、ging Service (JMS) 企 業(yè) 級 消 息 傳 輸 服 務v Java Transaction API (JTA) / Java Transaction Service (JTS) 企 業(yè) 級 事 務 管 理 服 務v Java Another Web Storage (JAWS) 對 象 /關 系 型 數(shù) 據(jù) 庫 映 射 服 務v Java Authentication and Authorization Service (JAAS) 企 業(yè) 級 安 全 服 務v Java Naming and Directory Service (JNDI) 名 字 與 目 錄 服 務v JBoss實 現(xiàn) J2EEJBoss J2EEJBoss JMX JMXJBossMQ JMSJBossTX JTA/JTSJBossCMP JAWS JBossSX JAAS 實 現(xiàn) 關 系 對 照 vJBoss的 面 向 對 象 模 式 特 點 面 向 對 象 模 式 是 JBoss應 用服 務 器 最 基 本 的 構 建 模 式 。 JBoss完 全 采 用 基 于 構 件 的插 件 方 式