軟件體系結構

雖然軟件體系結構已經在軟件工程領域中有着廣泛的應用，但迄今為止還沒有一個被大家所公認的定義。許多專家學者從不同角度和不同側面對軟件體系結構進行了刻畫，較為典型的定義有：

與最初的大型中央主機相適應，最初的軟件結構體系也是Mainframe結構，該結構下客户、數據和程序被集中在主機上，通常只有少量的GUI界面，對遠程數據庫的訪問比較困難。隨着PC的廣泛應用，該結構逐漸在應用中被淘汰。在80年代中期出現了Client/Server分佈式計算結構，應用程序的處理在客户（PC機）和服務器（Mainframe或Server）之間分擔；請求通常被關係型數據庫處理，PC機在接受到被處理的數據後實現顯示和業務邏輯；系統支持模塊化開發，通常有GUI界面。Client/Server結構因為其靈活性得到了極其廣泛的應用。但對於大型軟件系統而言，這種結構在系統的部署和擴展性方面還是存在着不足。

Internet的發展給傳統應用軟件的開發帶來了深刻的影響。基於Internet和Web的軟件和應用系統無疑需要更為開放和靈活的體系結構。隨着越來越多的商業系統被搬上Internet，一種新的、更具生命力的體系結構被廣泛採用，這就是為“三層/多層計算”。

三層體系結構中，客户（請求信息）、程序（處理請求）和數據（被操作）被物理地隔離。三層結構是個更靈活的體系結構，它把顯示邏輯從業務邏輯中分離出來，這就意味着業務代碼是獨立的，可以不關心怎樣顯示和在哪裏顯示。業務邏輯層處於中間層，不需要關心由哪種類型的客户來顯示數據，也可以與後端系統保持相對獨立性，有利於系統擴展。三層結構具有更好的移植性，可以跨不同類型的平台工作，允許用户請求在多個服務器間進行負載平衡。三層結構中安全性也更易於實現，因為應用程序已經同客户隔離。應用程序服務器是三層/多層體系結構的組成部分，應用程序服務器位於中間層。

如下所示，應用程序服務器運行於瀏覽器和數據資源之間，一個簡單的實例是，顧客從瀏覽器中輸入一個定單，web服務器將該請求發送給應用程序服務器，由應用程序服務器執行處理邏輯，並且獲取或更新後端用户數據。

興起

六十年代的軟件危機使得人們開始重視軟件工程的研究。起初，人們把軟件設計的重點放在數據結構和算法的選擇上，隨着軟件系統規模越來越大、越來越複雜，整個系統的結構和規格説明顯得越來越重要。軟件危機的程度日益加劇，現有的軟件工程方法對此顯得力不從心。對於大規模的複雜軟件系統來説，對總體的系統結構設計和規格説明比起對計算的算法和數據結構的選擇已經變得明顯重要得多。在此種背景下，人們認識到軟件體系結構的重要性，並認為對軟件體系結構的系統、深入的研究將會成為提高軟件生產率和解決軟件維護問題的新的最有希望的途徑。自從軟件系統首次被分成許多模塊，模塊之間有相互作用，組合起來有整體的屬性，就具有了體系結構。好的開發者常常會使用一些體系結構模式作為軟件系統結構設計策略，但他們並沒有規範地、明確地表達出來，這樣就無法將他們的知識與別人交流。軟件體系結構是設計抽象的進一步發展，滿足了更好地理解軟件系統，更方便地開發更大、更復雜的軟件系統的需要。

事實上，軟件總是有體系結構的，不存在沒有體系結構的軟件。體系結構（Architecture）一詞在英文裏就是"建築"的意思。把軟件比作一座樓房，從整體上講，是因為它有基礎、主體和裝飾，即操作系統之上的基礎設施軟件、實現計算邏輯的主體應用程序、方便使用的用户界面程序。從細節上來看每一個程序也是有結構的。早期的結構化程序就是以語句組成模塊，模塊的聚集和嵌套形成層層調用的程序結構，也就是體系結構。結構化程序的程序（表達）結構和（計算的）邏輯結構的一致性及自頂向下開發方法自然而然地形成了體系結構。由於結構化程序設計時代程序規模不大，通過強調結構化程序設計方法學，自頂向下、逐步求精，並注意模塊的耦合性就可以得到相對良好的結構，所以，並未特別研究軟件體系結構。

可以作個簡單的比喻，結構化程序設計時代是以磚、瓦、灰、沙、石、預製梁、柱、屋面板蓋平房和小樓，而面向對象時代以整面牆、整間房、一層樓梯的預製件蓋高樓大廈。構件怎樣搭配才合理？體系結構怎樣構造容易？重要構件有了更改後，如何保證整棟高樓不倒？每種應用領域需要什麼構件（醫院、工廠、旅館）？有哪些實用、美觀、強度、造價合理的構件骨架使建造出來的建築（即體系結構）更能滿足用户的需求？如同土木工程進入到現代建築學一樣，軟件也從傳統的軟件工程進入到現代面向對象的軟件工程，研究整個軟件系統的體系結構，尋求建構最快、成本最低、質量最好的構造過程。

軟件體系結構雖脱胎於軟件工程，但其形成同時借鑑了計算機體系結構和網絡體系結構中很多寶貴的思想和方法，最近幾年軟件體系結構研究已完全獨立於軟件工程的研究，成為計算機科學的一個最新的研究方向和獨立學科分支。軟件體系結構研究的主要內容涉及軟件體系結構描述、軟件體系結構風格、軟件體系結構評價和軟件體系結構的形式化方法等。解決好軟件的重用、質量和維護問題，是研究軟件體系結構的根本目的。

自20世紀90年代後期以來，軟件體系結構的研究成為一個熱點。廣大軟件工作者已經認識到軟件體系結構研究的重大意義和它對軟件系統設計開發的重要性，開展了很多研究和實踐工作。

從軟件體系結構研究的現狀來看，當前的研究和對軟件體系結構的描述，在很大程度上來説還停留在非形式化的基礎上。軟件構架師仍然缺乏必要的工具，這種工具應該是顯式描述的、有獨立性的形式化工具。

在通用的軟件開發方法中，其描述通常是用非形式化的圖和文本，不能描述系統期望的存在於構件之間的接口，不能描述不同的組成系統的組合關係的意義。難以被開發人員理解，更不能用來分析其一致性和完整性等特性。

當一個軟件系統中的構件之間幾乎以一種非形式化的方法描述時，系統的重用性也會受到影響，在設計一個系統結構過程中的努力很難移植到另一個系統中去。對系統構件和連接關係的結構化假設沒有得到顯式的、形式化的描述時，把這樣的系統構件移植到另一個系統中去將是有風險的，甚至是不可能的。

軟件體系結構的形式化方法研究

軟件體系結構研究如果僅僅停留在非形式化的框圖階段，已經難以適應進一步發展的需要。為支持基於體系結構的開發，需要有形式化建模符號、體系結構説明的分析與開發工具。從軟件體系結構研究的現狀來看，在這一領域近來已經有不少進展，其中比較有代表性的是美國卡耐基梅隆大學（Carnegie Mellon University）的Robert J．A11en於l997年提出的Wright系統。Wright是-種結構描述語言，該語言基於一種形式化的、抽象的系統模型，為描述和分析軟件體系結構和結構化方法提供了一種實用的工具。Wright主要側重於描述系統的軟件構件和連接的結構、配置和方法。它使用顯式的、獨立的連接模型來作為交互的方式，這使得該系統可以用邏輯謂詞符號系統，而不依賴特定的系統實例來描述系統的抽象行為。該系統還可以通過一組靜態檢查來判斷系統結構規格説明的一致性和完整性。從這些特性的分析來説，Wright系統的確適用於對大型系統的描述和分析。

研究軟件體系結構的首要問題是如何表示軟件體系結構，即如何對軟件體系結構建模。根據建模的側重點的不同，可以將軟件體系結構的模型分為5種：結構模型、框架模型、動態模型、過程模型和功能模型。在這5個模型中，最常用的是結構模型和動態模型。

這5種模型各有所長，也許將5種模型有機地統一在一起，形成一個完整的模型來刻畫軟件體系結構更合適。例如，Kruchten在1995年提出了一個"4+1"的視角模型。"4+1"模型從5個不同的視角包括邏輯視角、過程視角、物理視角、開發視角和場景視角來描述軟件體系結構。每一個視角只關心繫統的一個側面，5個視角結合在一起才能夠反映系統的軟件體系結構的全部內容。"4+1"模型如圖1所示。

發展基於體系結構的軟件開發模型

軟件開發模型是跨越整個軟件生存週期的系統開發、運行、維護所實施的全部工作和任務的結構框架，給出了軟件開發活動各階段之間的關係。常見的軟件開發模型大致可分為三種類型:

所有開發方法都是要解決需求與實現之間的差距。但是，這三種類型的軟件開發模型都存在這樣或那樣的缺陷，不能很好地支持基於軟件體系結構的開發過程。因此，研究人員在發展基於體系結構的軟件開發模型方面做了一定的工作。例如，為了形象地表示體系結構的生命週期，北京郵電大學的周瑩新博士建立了一個軟件體系結構的生命週期模型，該模型如圖2所示。

軟件產品線體系結構的研究

軟件體系結構的開發是大型軟件系統開發的關鍵環節。體系結構在軟件生產線的開發中具有至關重要的作用，在這種開發生產中，基於同一個軟件體系結構，可以創建具有不同功能的多個系統。在軟件產品族之間共享體系結構和一組可重用的構件，可以增加軟件工程和降低開發和維護成本。

一個產品線代表着一組具有公共的系統需求集的軟件系統，它們都是根據基本的用户需求對標準的產品線構架進行定製，將可重用構件與系統獨有的部分集成而得到的。採用軟件生產線式模式進行軟件生產，將產生巨型編程企業。但目前生產的軟件產品族大部分是處於同一領域的。

軟件體系結構貫穿於軟件研發的整個生命週期內，具有重要的影響。這主要從以下三個方面來進行考察：

對軟件體系結構風格的研究和實踐促進了對設計的複用，一些經過實踐證實的解決方案也可以可靠地用於解決新的問題。體系結構風格的不變部分使不同的系統可以共享同一個實現代碼。只要系統是使用常用的、規範的方法來組織，就可使別的設計者很容易地理解系統的體系結構。例如，如果某人把系統描述為"客户/服務器"模式，則不必給出設計細節，立刻就會明白系統是如何組織和工作的。

下面是Garlan和Shaw對通用體系結構風格的分類：

C2體系結構風格可以概括為：通過連接件綁定在一起的按照一組規則運作的並行構件網絡。C2風格中的系統組織規則如下：

圖3是C2風格的示意圖。圖中構件與連接件之間的連接體現了C2風格中構建系統的規則。

C2風格是最常用的一種軟件體系結構風格。從C2風格的組織規則和結構圖中，可以得出，C2風格具有以下特點：

（1）系統中的構件可實現應用需求，並能將任意複雜度的功能封裝在一起；

（2）所有構件之間的通訊是通過以連接件為中介的異步消息交換機制來實現的；

（3）構件相對獨立，構件之間依賴性較少。系統中不存在某些構件將在同一地址空間內執行，或某些構件共享特定控制線程之類的相關性假設。

在管道/過濾器風格的軟件體系結構中，每個構件都有一組輸入和輸出，構件讀輸入的數據流，經過內部處理，然後產生輸出數據流。這個過程通常通過對輸入流的變換及增量計算來完成，所以在輸入被完全消費之前，輸出便產生了。因此，這裏的構件被稱為過濾器，這種風格的連接件就象是數據流傳輸的管道，將一個過濾器的輸出傳到另一過濾器的輸入。此風格特別重要的過濾器必須是獨立的實體，它不能與其它的過濾器共享數據，而且一個過濾器不知道它上游和下游的標識。一個管道/過濾器網絡輸出的正確性並不依賴於過濾器進行增量計算過程的順序。

圖4是管道/過濾器風格的示意圖。一個典型的管道/過濾器體系結構的例子是以Unix shell編寫的程序。Unix既提供一種符號，以連接各組成部分(Unix的進程)，又提供某種進程運行時機制以實現管道。另一個著名的例子是傳統的編譯器。傳統的編譯器一直被認為是一種管道系統，在該系統中，一個階段（包括詞法分析、語法分析、語義分析和代碼生成）的輸出是另一個階段的輸入。

管道/過濾器風格的軟件體系結構具有許多很好的特點：

但是，這樣的系統也存在着若干不利因素。

抽象數據類型概念對軟件系統有着重要作用，軟件界已普遍轉向使用面向對象系統。這種風格建立在數據抽象和麪向對象的基礎上，數據的表示方法和它們的相應操作封裝在一個抽象數據類型或對象中。這種風格的構件是對象，或者説是抽象數據類型的實例。對象是一種被稱作管理者的構件，因為它負責保持資源的完整性。對象是通過函數和過程的調用來交互的。

圖5是數據抽象和麪向對象風格的示意圖。

面向對象的系統有許多的優點，並早已為人所知：

但是，面向對象的系統也存在着某些問題：

基於事件的隱式調用風格的思想是構件不直接調用一個過程，而是觸發或廣播一個或多個事件。系統中的其它構件中的過程在一個或多個事件中註冊，當一個事件被觸發，系統自動調用在這個事件中註冊的所有過程，這樣，一個事件的觸發就導致了另一模塊中的過程的調用。

從體系結構上説，這種風格的構件是一些模塊，這些模塊既可以是一些過程，又可以是一些事件的集合。過程可以用通用的方式調用，也可以在系統事件中註冊一些過程，當發生這些事件時，過程被調用。

基於事件的隱式調用風格的主要特點是事件的觸發者並不知道哪些構件會被這些事件影響。這樣不能假定構件的處理順序，甚至不知道哪些過程會被調用，因此，許多隱式調用的系統也包含顯式調用作為構件交互的補充形式。

支持基於事件的隱式調用的應用系統很多。例如，在編程環境中用於集成各種工具，在數據庫管理系統中確保數據的一致性約束，在用户界面系統中管理數據，以及在編輯器中支持語法檢查。例如在某系統中，編輯器和變量監視器可以登記相應Debugger的斷點事件。當Debugger在斷點處停下時，它聲明該事件，由系統自動調用處理程序，如編輯程序可以卷屏到斷點，變量監視器刷新變量數值。而Debugger本身只聲明事件，並不關心哪些過程會啓動，也不關心這些過程做什麼處理。

隱式調用系統的主要優點有：

隱式調用系統的主要缺點有：

層次系統組織成一個層次結構，每一層為上層服務，並作為下層客户。在一些層次系統中，除了一些精心挑選的輸出函數外，內部的層只對相鄰的層可見。這樣的系統中構件在一些層實現了虛擬機（在另一些層次系統中層是部分不透明的）。連接件通過決定層間如何交互的協議來定義，拓撲約束包括對相鄰層間交互的約束。

這種風格支持基於可增加抽象層的設計。這樣，允許將一個複雜問題分解成一個增量步驟序列的實現。由於每一層最多隻影響兩層，同時只要給相鄰層提供相同的接口，允許每層用不同的方法實現，同樣為軟件重用提供了強大的支持。

圖6是層次系統風格的示意圖。層次系統最廣泛的應用是分層通信協議。在這一應用領域中，每一層提供一個抽象的功能，作為上層通信的基礎。較低的層次定義低層的交互，最低層通常只定義硬件物理連接。

層次系統有許多可取的屬性：

但是，層次系統也有其不足之處：

在倉庫風格中，有兩種不同的構件：中央數據結構説明當前狀態，獨立構件在中央數據存貯上執行，倉庫與外構件間的相互作用在系統中會有大的變化。

控制原則的選取產生兩個主要的子類。若輸入流中某類時間觸發進程執行的選擇，則倉庫是一傳統型數據庫；另一方面，若中央數據結構的當前狀態觸發進程執行的選擇，則倉庫是一黑板系統。

圖7是黑板系統的組成。黑板系統的傳統應用是信號處理領域，如語音和模式識別。另一應用是松耦合代理數據共享存取。

我們從圖4中可以看出，黑板系統主要由三部分組成：

（1）知識源。知識源中包含獨立的、與應用程序相關的知識，知識源之間不直接進行通訊，它們之間的交互只通過黑板來完成。

（2）黑板數據結構。黑板數據是按照與應用程序相關的層次來組織的解決問題的數據，知識源通過不斷地改變黑板數據來解決問題。

（3）控制。控制完全由黑板的狀態驅動，黑板狀態的改變決定使用的特定知識。

現有的ADLs大多是與領域相關的，所以不利於對不同領域體系結構的説明。但這些針對不同領域的ADLs在某些方面又大同小異，造成資源的冗餘。其實，大多數ADLs具有一系列的共同概念。如何用一種公共形式把各種語言綜合起來，使得能夠交換各種體系結構描述信息，將是今後軟件體系結構研究和實踐的重點之一。

軟件體系結構設計既然作為軟件工程的一部分，它的計算機輔助實現手段是相當重要的。我們應當開發出一些軟件工具來實現體系結構的描述和分析，開發階段轉換工具，以實現階段成果的自動轉換，例如，把需求規格説明自動轉換為構件等。關於這方面的研究成果很少，特別是可以應用到實際項目開發中的工具和環境就更少。

當今軟件系統的規模變得越來越大，結構也越來越複雜，同時從頭開始構建的大系統數量在急劇地減少，因而很多遺留系統正在被逐步地利用。從遺留系統軟件代碼和系統中抽取結構信息，經過描述、統一、抽象、一般化與實例化等處理，可總結出系統的體系結構。

在這種情況下，軟件再工程變得越來越重要，因為它提供了一條把遺留系統轉換為可進化系統的現實可行的途徑，是一種可以改進人們對軟件的理解和改進軟件本身的活動。這類研究的目的是為一些特定的應用領域的軟件系統提供一些體系結構框架，如控制系統、移動機器人和用户接口界面等。通過這些框架可以很方便地構造一個新的軟件系統。