軟件架構

本書是一本全面介紹SA的書，從SA發展歷史的過去、現在到可能的未來，從SA的基礎理論方法到技術手段，從SA的設計開發實踐到質量保障實踐，以及從靜態SA到動態SA、再到運行態SA，等等。涵蓋了SA涉及到的幾乎所有必要的知識點。本書包括三個篇章：其中，基礎理論篇包含7章內容，詳細介紹SA的基礎理論方法、技術和手段；工程實踐篇包含10章內容，詳細介紹SA的開發實踐和質量保障實踐；未來主題篇包含6章內容，詳細介紹SA的最新研究主題、最新業界關注點以及SA未來發展趨勢分析等。 ^[1] 

前言

教學建議

上篇　基礎理論篇

第1章　軟件架構概述 …… 2

1.1　軟件架構產生的背景 …… 2

1.2　軟件架構的主要思想和特徵 …… 3

1.2.1　軟件架構的主要思想 …… 3

1.2.2　軟件架構的特徵 …… 3

1.3　軟件架構的發展階段 …… 4

1.3.1　基礎研究階段（1968—1994） …… 4

1.3.2　概念體系和核心技術形成階段（1991—2000） …… 6

1.3.3　理論體系完善與發展階段（1996年至今） …… 7

1.3.4　普及應用階段（1999年至今） …… 7

1.4　軟件架構研究和應用現狀 …… 7

1.4.1　軟件架構理論和方法研究 …… 8

1.4.2　軟件架構的應用研究 …… 11

1.5　本章小結 …… 13

思考題 …… 13

參考文獻 …… 14

第2章　軟件架構的概念 …… 17

2.1　引言 …… 17

2.2　組成派的主要定義 …… 18

2.3　決策派的主要定義 …… 19

2.4　其他定義 …… 20

2.5　參考定義框架 …… 20

2.6　本章小結 …… 21

思考題 …… 22

參考文獻 …… 22

第3章　軟件架構模型 …… 23

3.1　引言 …… 23

3.2　軟件架構的可視化建模方法 …… 24

3.2.1　基於圖形可視化的建模方法 …… 24

3.2.2　基於UML的建模方法 …… 25

3.3　軟件架構的形式化建模方法 …… 31

3.3.1　基於形式化規格説明語言的建模方法 …… 32

3.3.2　基於UML的形式化建模方法 …… 36

3.4　其他建模方法 …… 45

3.4.1　文本語言建模方法 …… 45

3.4.2　模型驅動的架構建模方法 …… 47

3.5　軟件架構建模方法的發展趨勢分析 …… 49

3.5.1　第1層：文本模型 …… 50

3.5.2　第2層：圖形可視化模型 …… 50

3.5.3　第3層：UML模型 …… 50

3.5.4　第4層：形式化模型 …… 51

3.5.5　第5層：未來模型 …… 52

3.6　本章小結 …… 52

思考題 …… 53

參考文獻 …… 53

第4章　軟件架構的風格與模式 …… 59

4.1　軟件架構風格的定義 …… 59

4.2　軟件架構風格的分類 …… 60

4.3　典型的軟件架構風格 …… 60

4.3.1　管道-過濾器風格 …… 60

4.3.2　主程序、子程序風格 …… 62

4.3.3　面向對象風格 …… 64

4.3.4　層次化風格 …… 65

4.3.5　事件驅動風格 …… 67

4.3.6　解釋器風格 …… 69

4.3.7　基於規則的系統風格 …… 71

4.3.8　倉庫風格 …… 73

4.3.9　黑板系統風格 …… 75

4.3.10　C2風格 …… 77

4.3.11　客户機、服務器風格 …… 79

4.3.12　瀏覽器、服務器風格 …… 83

4.3.13　平台、插件風格 …… 85

4.3.14　面向Agent風格 …… 87

4.3.15　面向方面架構風格 …… 91

4.3.16　面向服務架構風格 …… 93

4.3.17　正交架構風格 …… 95

4.3.18　異構風格 …… 97

4.3.19　基於層次消息總線的架構風格 …… 99

4.3.20　模型-視圖-控制器風格 …… 101

4.4　軟件架構模式 …… 103

4.5　本章小結 …… 103

思考題 …… 104

參考文獻 …… 104 ^[1] 

第5章　軟件架構描述語言 …… 107

5.1　引言 …… 107

5.2　ADL的核心設計元素 …… 107

5.2.1　組件 …… 108

5.2.2　連接件 …… 108

5.2.3　架構配置 …… 109

5.3　幾種典型的ADL …… 109

5.3.1　Aesop …… 109

5.3.2　C2 SADL …… 110

5.3.3　UniCon …… 114

5.3.4　Wright …… 116

5.3.5　XYZ、ADL …… 117

5.3.6　ACME …… 118

5.3.7　XBA …… 118

5.3.8　ABC、ADL …… 120

5.3.9　MetaH …… 121

5.3.10　Rapide …… 121

5.3.11　Darwin …… 122

5.3.12　xADL 2.0 …… 122

5.4　本章小結 …… 123

思考題 …… 123

參考文獻 …… 123

第6章　軟件架構與敏捷開發 …… 125

6.1　軟件開發的發展簡史 …… 125

6.2　敏捷開發 …… 127

6.2.1　敏捷開發的基本理念 …… 127

6.2.2　敏捷開發實踐 …… 128

6.3　敏捷開發過程中的軟件架構設計 …… 130

6.3.1　需求分析 …… 130

6.3.2　初始設計 …… 130

6.3.3　迭代過程 …… 130

6.3.4　敏捷的設計思想 …… 131

6.4　兩類常見的敏捷軟件架構設計方法 …… 132

6.4.1　敏捷開發初始階段設計 …… 133

6.4.2　敏捷開發迭代過程中的設計 …… 134

6.5　本章小結 …… 136

思考題 …… 137

參考文獻 …… 137

中篇　工程實踐篇

第7章　架構驅動的軟件開發 …… 140

7.1　架構驅動的軟件開發簡介 …… 140

7.2　架構需求獲取 …… 140

7.3　架構設計、文檔化和評估 …… 144

7.3.1　架構設計、文檔化和評估是一個迭代過程 …… 144

7.3.2　什麼是架構的結構 …… 147

7.3.3　從架構需求出發的評估 …… 148

7.3.4　尋找ATAM中的“權衡點”和“敏感點” …… 149

7.4　架構的實現與維護 …… 151

7.4.1　架構的實現 …… 151

7.4.2　架構的維護 …… 152

7.5　本章小結 …… 152

思考題 …… 152

參考文獻 …… 153

第8章　軟件架構設計和實現 …… 154

8.1　從需求分析到架構設計 …… 154

8.1.1　軟件架構對需求的影響 …… 155

8.1.2　基於軟件需求的軟件架構設計 …… 156

8.1.3　需求與架構的協同演化 …… 163

8.2　從軟件架構到詳細設計 …… 163

8.2.1　詳細設計對軟件架構的影響 …… 164

8.2.2　從軟件架構映射到詳細設計 …… 166

8.2.3　軟件架構視圖 …… 168

8.3　軟件架構設計原則 …… 169

8.3.1　架構設計的一些基本原則 …… 169

8.3.2　架構設計的關鍵原則 …… 170

8.4　軟件架構設計面臨的主要威脅及對策 …… 171

8.4.1　被忽略的重要非功能需求 …… 171

8.4.2　頻繁變化的需求 …… 172

8.4.3　考慮不全面的架構設計 …… 172

8.4.4　不及時的架構驗證 …… 173

8.4.5　較高的創造性架構比重 …… 173

8.4.6　架構的低可執行性 …… 174

8.5　本章小結 …… 174

思考題 …… 174

參考文獻 …… 174

第9章　軟件架構的演化和維護 …… 178

9.1　軟件架構演化和軟件架構定義的關係 …… 179

9.1.1　對象演化 …… 179

9.1.2　消息演化 …… 180

9.1.3　複合片段演化 …… 184

9.1.4　約束演化 …… 186

9.2　軟件架構演化方式的分類 …… 186

9.2.1　軟件架構靜態演化 …… 187

9.2.2　軟件架構動態演化 …… 190

9.3　軟件架構演化原則 …… 197

9.4　軟件架構維護 …… 201

9.4.1　軟件架構知識管理 …… 201

9.4.2　軟件架構修改管理 …… 202

9.4.3　軟件架構版本管理 …… 202

9.5　本章小結 …… 202

思考題 …… 203

參考文獻 …… 203

第10章　軟件架構恢復 …… 207

10.1　引言 …… 207

10.1.1　軟件架構的恢復過程 …… 208

10.1.2　架構信息提取 …… 208

10.1.3　架構恢復技術 …… 209

10.2　架構信息提取 …… 212

10.2.1　相關定義 …… 212

10.2.2　從源代碼提取架構信息 …… 212

10.2.3　從編譯構建過程提取架構信息 …… 215

10.2.4　從目錄層次提取架構信息 …… 217

10.2.5　基於架構文檔的架構信息提取 …… 219

10.3　基於多規則聚類的架構恢復 …… 220

10.3.1　聚類理論基礎 …… 220

10.3.2　架構恢復流程 …… 222

10.3.3　具體恢復技術 …… 223

10.4　本章小結 …… 232

思考題 …… 233

參考文獻 …… 233

第11章　軟件架構質量 …… 237

11.1　引言 …… 237

11.2　軟件架構與質量屬性 …… 239

11.3　軟件架構質量指標 …… 240

11.3.1　內部質量指標 …… 240

11.3.2　外部質量指標 …… 243

11.4　軟件架構質量保障和評估方法 …… 245

11.4.1　評估準備 …… 246

11.4.2　利益相關者 …… 247

11.4.3　參與者 …… 248

11.4.4　評估時機 …… 249

11.4.5　評估技術 …… 250

11.4.6　軟件架構評估的收益與成本 …… 253

11.5　本章小結 …… 254

思考題 …… 254

參考文獻 …… 254

第12章　軟件架構仿真 …… 256

12.1　軟件仿真的概念 …… 256

12.1.1　連續型仿真 …… 256

12.1.2　離散型仿真 …… 257

12.1.3　混合型仿真 …… 257

12.2　軟件架構仿真流程 …… 258

12.3　UML軟件架構仿真 …… 259

12.3.1　基於UML類圖和順序圖的軟件架構仿真 …… 259

12.3.2　基於UML用例圖和活動圖的軟件架構仿真 …… 259

12.3.3　從帶有註釋的UML圖產生OPNET仿真模型 …… 260

12.4　非UML軟件架構仿真 …… 261

12.4.1　SASIM仿真：用於系統功能分析 …… 261

12.4.2　面向對象數據庫的架構仿真 …… 263

12.5　軟件架構仿真實踐 …… 264

12.5.1　軟件架構描述文檔 …… 264

12.5.2　SSD和SD轉化為事件執行圖 …… 266

12.5.3　局部仿真和整體仿真 …… 269

12.5.4　仿真結果的分析 …… 275

12.6　本章小結 …… 276

思考題 …… 276

參考文獻 …… 277

第13章　軟件架構度量和評估 …… 279

13.1　引言 …… 279

13.1.1　單版本的軟件架構度量和評估 …… 280

13.1.2　多版本的軟件架構度量和評估 …… 281

13.2　典型的軟件架構度量和評估方法 …… 283

13.2.1　SAEM方法 …… 283

13.2.2　SAABNet方法 …… 283

13.2.3　SACMM方法 …… 285

13.2.4　SASAM方法 …… 287

13.2.5　ALRRA方法 …… 288

13.2.6　AHP方法 …… 290

13.2.7　COSMIC+UML方法 …… 291

13.2.8　基於Shannon信息論的方法 …… 292

13.3　軟件架構度量和評估過程 …… 293

13.3.1　質量屬性選擇 …… 293

13.3.2　軟件架構可維護性度量及評估 …… 294

13.3.3　軟件架構可靠性度量及評估 …… 297

13.4　軟件架構演化度量和評估實踐 …… 302

13.4.1　演化過程已知的軟件架構演化評估 …… 302

13.4.2　演化過程未知的軟件架構演化評估 …… 305

13.4.3　實例分析 …… 305

13.5　本章小結 …… 313

思考題 …… 313

參考文獻 …… 313

第14章　軟件架構形式化驗證 …… 317

14.1　引言 …… 317

14.2　形式化驗證 …… 317

14.2.1　形式語義 …… 318

14.2.2　規約語言 …… 318

14.2.3　求精分析 …… 319

14.2.4　驗證方法 …… 320

14.2.5　形式化驗證方法的優缺點 …… 320

14.3　軟件架構驗證 …… 322

14.3.1　靜態軟件架構驗證 …… 322

14.3.2　動態軟件架構驗證 …… 323

14.3.3　運行態軟件架構驗證 …… 323

14.4　基於SPIN的靜態軟件架構驗證實踐 …… 324

14.4.1　SPIN簡介 …… 324

14.4.2　基於SPIN的驗證過程 …… 325

14.4.3　架構模型 …… 326

14.4.4　驗證模型 …… 332

14.4.5　驗證結果 …… 334

14.5　架構演化驗證案例分析——以MVC為例 …… 335

14.5.1　演化案例 …… 335

14.5.2　場景1演化評估 …… 337

14.5.3　場景2演化評估 …… 341

14.6　本章小結 …… 344

思考題 …… 345

參考文獻 …… 345

第15章　軟件架構分析與測試 …… 347

15.1　引言 …… 347

15.2　軟件架構分析方法 …… 347

15.2.1　SAAM …… 348

15.2.2　SAAMCS …… 350

15.2.3　ESAAMI …… 351

15.2.4　SAAMER …… 352

15.2.5　ATAM …… 352

15.2.6　QAW …… 356

15.2.7　OATAM …… 358

15.2.8　ARID …… 358

15.2.9　SBAR …… 361

15.2.10　ALPSM …… 362

15.2.11　SNA …… 362

15.2.12　ALMA …… 363

15.2.13　PSAEM …… 364

15.2.14　ASAAM …… 365

15.2.15　PASA …… 365

15.2.16　SALUTA …… 367

15.2.17　HoPLAA …… 368

15.2.18　CBAM …… 370

15.2.19　CPASA …… 370

15.3　軟件架構測試 …… 371

15.4　本章小結 …… 371

思考題 …… 372

參考文獻 …… 372

第16章　軟件架構重構 …… 375

16.1　引言 …… 375

16.2　軟件重構現狀 …… 376

16.2.1　軟件重構概念 …… 376

16.2.2　重構點識別和定位方法 …… 376

16.2.3　重構實施技術 …… 379

16.2.4　現狀分析 …… 380

16.3　基於度量的軟件架構重構 …… 381

16.3.1　軟件架構度量評估 …… 382

16.3.2　產生重構需求 …… 385

16.3.3　分析重構需求 …… 385

16.3.4　建議重構操作 …… 387

16.3.5　實施重構操作 …… 389

16.4　面向模式的軟件架構重構 …… 392

16.4.1　模式選擇 …… 392

16.4.2　重構點定位 …… 393

16.4.3　重構實施 …… 394

16.5　本章小結 …… 397

思考題 …… 398

參考文獻 …… 398

下篇　未來主題篇

第17章　軟件架構的腐蝕和對策 …… 402

17.1　引言 …… 402

17.2　軟件架構腐蝕的含義 …… 403

17.3　軟件架構腐蝕的預防控制策略 …… 403

17.3.1　腐蝕最小化方法 …… 403

17.3.2　腐蝕預防方法 …… 406

17.3.3　腐蝕修補方法 …… 407

17.4　軟件架構實踐中面臨的主要威脅及其對策 …… 408

17.4.1　主要威脅 …… 408

17.4.2　有效對策 …… 409

17.5　本章小結 …… 409

思考題 …… 409

參考文獻 …… 409

第18章　軟件架構解耦 …… 412

18.1　引言 …… 412

18.2　分層架構及其解耦 …… 413

18.2.1　模式描述 …… 413

18.2.2　架構解耦 …… 413

18.2.3　實例分析 …… 414

18.3　微內核架構及其解耦 …… 414

18.3.1　模式描述與解耦 …… 415

18.3.2　實例分析 …… 415

18.4　微服務架構及其解耦 …… 416

18.4.1　模式描述與解耦 …… 416

18.4.2　設計原則 …… 417

18.4.3　實例分析 …… 417

18.5　黑板架構風格及其解耦 …… 418

18.6　乾淨架構及其解耦 …… 419

18.6.1　模式描述 …… 419

18.6.2　架構解耦 …… 421

18.7　管道-過濾器風格及其解耦 …… 421

18.7.1　模式描述與解耦 …… 421

18.7.2　實例分析 …… 422

18.8　基於元模型的架構及其解耦 …… 422

18.9　REST架構風格及其解耦 …… 422

18.10　本章小結 …… 424

思考題 …… 424

參考文獻 …… 424

第19章　軟件架構技術債 …… 426

19.1　引言 …… 426

19.2　技術債簡介 …… 426

19.2.1　技術債的定義 …… 426

19.2.2　技術債的分類 …… 427

19.2.3　技術債的產生 …… 428

19.3　設計債 …… 429

19.3.1　設計債的定義 …… 429

19.3.2　設計債的識別方法 …… 429

19.3.3　架構技術債 …… 430

19.4　代碼債 …… 432

19.5　測試債 …… 432

19.6　文檔債 …… 433

19.7　技術債的處理 …… 433

19.7.1　發現技術債 …… 433

19.7.2　管理技術債 …… 433

19.7.3　償還技術債 …… 435

19.8　本章小結 …… 435

思考題 …… 435

參考文獻 …… 436

第20章　軟件架構壞味道 …… 438

20.1　引言 …… 438

20.2　典型的代碼壞味道 …… 439

20.2.1　應用級壞味道 …… 439

20.2.2　類級壞味道 …… 440

20.2.3　方法級壞味道 …… 441

20.3　典型的設計壞味道 …… 442

20.3.1　架構壞味道 …… 442

20.3.2　架構壞味道的檢測 …… 447

20.4　本章小結 …… 450

思考題 …… 451

參考文獻 …… 451

第21章　軟件架構脆弱性 …… 453

21.1　引言 …… 453

21.2　什麼是軟件脆弱性 …… 453

21.2.1　軟件脆弱性定義 …… 453

21.2.2　軟件脆弱性的特點和產生的原因 …… 454

21.2.3　軟件脆弱性的生命週期 …… 455

21.3　典型的軟件架構脆弱性 …… 455

21.3.1　分層架構 …… 456

21.3.2　C、S架構 …… 457

21.3.3　B、S架構 …… 457

21.3.4　事件驅動架構 …… 458

21.3.5　MVC架構 …… 460

21.3.6　微內核架構 …… 461

21.3.7　管道-過濾器架構 …… 461

21.3.8　黑板模式架構 …… 462

21.3.9　微服務架構 …… 462

21.3.10　基於空間的架構 …… 463

21.3.11　PAC架構 …… 464

21.4　本章小結 …… 465

思考題 …… 466

參考文獻 …… 466

第22章　軟件架構模式識別 …… 468

22.1　引言 …… 468

22.2　模式識別方法現狀 …… 468

22.2.1　設計模式識別現狀 …… 468

22.2.2　架構模式識別現狀 …… 469

22.3　兩種典型的架構模式識別方法 …… 470

22.3.1　IDAPO方法 …… 470

22.3.2　基於DSL的架構模式識別方法 …… 472

22.4　基於本體的架構模式識別方法 …… 473

22.4.1　可行性分析 …… 473

22.4.2　識別過程 …… 474

22.4.3　典型步驟 …… 475

22.5　本章小結 …… 481

思考題 …… 481

參考文獻 …… 481

第23章　結束語 …… 484

23.1　軟件架構是早期階段質量保障的基礎 …… 484

23.2　軟件架構的作用 …… 485

23.2.1　好的架構設計能夠滿足系統的多種品質 …… 485

23.2.2　架構設計能夠使利益相關者達成一致的目標 …… 485

23.2.3　架構設計能夠支持計劃編制過程 …… 485

23.2.4　架構設計能夠有效地管理複雜性 …… 486

23.2.5　架構設計為重用奠定了基礎 …… 486

23.2.6　架構設計能夠降低維護費用 …… 487

23.2.7　架構設計能夠支持衝突分析 …… 487

23.2.8　架構設計的其他作用 …… 487

23.3　軟件架構發展趨勢 …… 487

思考題 …… 489

參考文獻 …… 489 ^[1]