软件系统设计-架构(1) 概述
2023-08-19 00:14:12 # NJU # 软件系统设计

1. 课程背景

1.1 为什么要研究软件设计与架构？Why Study Software Design & Architecture?

  • 软件(IT)系统无处不在
    Software(IT) systems are everywhere
  • 每个软件密集型系统都有一个软件设计和架构
    Every software intensive system has a sofftware design and architecture
  • 软件设计和架构是实践，教育和研究中越来越重要的领域
    Software design and architecture are an increasingly important area of practice, education, and research
  • 专业: 软件架构师
    As a profession: Software Architect
  • 作为研究领域 As a research area
    • 最初于1960年左右开始 Originally started around 1960
    • 自1990年以来备受关注 Attracting major attention since 1990
  • 本课程是关于
    • 软件设计和架构的概念，原理，方法和模式
      Concepts, principles, methods, and patterns of software design and architecture
    • 软件设计和架构的最新实践
      State-of-the-art practices of software design and architecture

1.2 学习目标 Learning Objectives

  • 理解软件设计和架构的概念和原理
    Understand concepts and principles of software design and architecture
  • 通过考虑需求或通过反向架构来创建软件架构
    Create software architecture by taking requirements or through reverse architecting
  • 在创建软件架构和设计的时候应用设计模式、风格、中间件技术和框架
    Apply patterns, styles, middleware technologies and frameworks in creating software architecture and design
  • 分析软件设计和评估软件架构的系统性
    Analyze software design and evaluate software architecture systematically
  • 了解应用在软件设计和架构中的最先进的方法
    Understand state-of-the-art methods applied in software design and architecture
  • 理解软件设计与软件架构之间的关系，以及其他软件工程的领域话题
    Understand relationships between software design and software architecture, and other software engineering topic areas

2. 介绍

2.1 理解软件工程 Understanding Software Engineering

  • Software 和 Engineering
  • Software vs. Hardware
    • 软件是不可见的: 软件是虚拟的，而硬件是实体的。
    • 软件制作出来就是为了被修改和改变的(软件的演化是他的本质属性)
  • Science vs. Engineering: 科学的研究是研究这个世界既有的部分，而工程是研究的是人类创造新的世界(是不是因为人才产生的)，下面的图是很重要的。

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2.2 什么是软件架构 What is Software Architecture

  • 定义1: 程序或计算系统的软件架构是系统的一个或多个结构，它包括软件元素、这些元素的外部可见属性以及它们之间的关系。
    Definition 1: “The software architecture of a program or computing system is the structure or structures of the system, which comprise software elements, the externally visible properties of those elements, and the relationships among them.” [Software Engineering Institute (SEI)]
  • 定义2: 系统的基本组织，体现在其组件，它们之间的相互关系以及环境以及支配其设计和演进的原则。
    Definition 2: “The fundamental organization of a system, embodied in its components, their relationships to each other and the environment, and the principles governing its design and evolution.” [IEEE 1471 -2000 “Recommended Practice for Architectural Description of Software-Intensive Systems”]

Module和Component的区别

  1. Component(组件): 是已经实现了的软件部分
  2. Module(模块): 是还没有实现出来的软件部分
  3. Element包含了Component和Module。

2.3 架构 vs. 设计 Architecture vs. Design

  • 架构是关于软件设计 It’s about software design

    • 所有的架构都是软件设计，但不是所有的软件设计都是架构
      All architecture is software design, but not all design is software architecture
    • 架构是设计过程的一部分
      “Architecting” is part of the design process

  • 其他观点 Other views

    • 架构是更高层的设计 High-level designs

    • 架构是设计决策的组合 A set of design decisions

    • 架构是根据不同项目而不同的 Locality

  • 系统的结构或组织 Structure/Organization of the system

    • 元素(Elements): 组件(Components)和连接件(Connectors)
      Elements: components & connectors
    • 关系: 静态(static)和动态(dynamic)的关系
      Relationships: static & dynamic relationships

  • 属性: 元素，元素组和整个系统
    Properties: elements, groups of elements & overall system

2.4 架构 vs. 结构 Architecture vs. Structure

  • 架构将系统分解成组件/模块/子系统，降低每一部分的复杂度
    Decomposition of system into components/modules/subsystems
  • 架构定义 Architecture defines
    • 组件接口: 组件可以做什么？
      Component interfaces: What a component can do?
    • 组件交流和依赖: 组件可以怎么沟通交流？
      Component communications and dependencies: How components communicate?
    • 组件职责: 当我们询问它时，组件需要精确的知道自己将要做什么？
      Component responsibilities: Precisely what a component will do when you ask it?

2.4.1 结构和架构 Structure and Architecture

结构 架构
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图中左侧的设计: 第三方的模块与其他的四个模块直接耦合

图中右侧的设计: 我们加入了AL模块来屏蔽了变化

2.4.2 架构确定通信 Architecture Specifies Communication

通信涉及 Communication involves:

  • 数据通过机器传递 Data passing mechanisms, for example:
    • 函数调用 Function call
    • 远程方法调用 Remote method invocation
    • 异步信息 Asynchronous message
  • 控制流 Control flow
    • 组件间的信息流来实现需要的功能 Flow of messages between components to achieve required functionality
    • 序列化的 Sequential
    • 并发/并行 Concurrent/parallel
    • 同步 Synchronization

2.4.3 架构强调非功能性需求(NFA) Architecture Address NFRS

  • 非功能性需求(Non-functional requirements)定义了系统运行的有多好
    Non-functional requirements (NFRs) define “how well a system works?”
  • 当然也需要考虑功能性需求。
  • 非功能性需求很少在功能性需求中被发现
    NFRs rarely captured in functional requirements
    • 又名架构需求 Aka. architecture requirements
    • 必须通过架构引出 Must be elicited by architect
  • 非功能性需求包括 NFRs include
    • 技术约束 Technical constraints
    • 商业约束 Business constraints
    • 质量属性 Quality attrilbutes
  • 讨论: 质量属性列表 Discussion: A list of quality attributes?

3. 如何创建一个设计 How to Develop a Design?

广义的设计策略 Generic Design Strategies:

  1. 分解 Decomposition
  2. 抽象 Abstraction
  3. 逐步的: 分而治之 Stepwise: Divid and Conquer
  4. 生成和测试 Generate and Test
  5. 迭代: 渐进式细化 Iteration: Incremental Refinement
  6. 重用元素 Reuseable elements

3.1 设计是一种抽象 Design is an Abstraction

  • 架构提供了设计的更高层抽象视角
    Architecture provides an higher level abstract view of a design
    • 隐藏设计的复杂性和实现
      Hides complexity and implementation of design
    • 可能是或者可能不是架构元素和软件元素之间的直接映射
      May or may not be a direct mapping between architecture elements and sottware elements
  • 黑盒设计 和 白盒设计 Blackbox design and Whitebox design
    • 是对系统结构和交互的非正式描述
      Informal depiction of system’s structure and interactions.
    • 描述在架构中内嵌的设计哲学
      Portray the design philosophies embodied in the
      architecture
  • 讨论: 为什么在设计中使用抽象？Discussion: Why abstraction in design?

3.2 架构视图 Architecture Views

  • 架构视图主要是为了应对软件不可见的问题，屏蔽其他没有影响的部分，将关注点进行分离
  • 软件架构代表了一个复杂的设计制品
    A software architecture represents a complex design artifact
  • 很多架构的可能视图: 类比建筑-平面图，外部设计，电力设计，水暖，空气调节
    Many possible ‘views’ of the architecture: Analogy with buildings-floor plan, external, electrical, plumbing, air-conditioning

3.2.1 P.Krutchen的4+1视图模型 P.Krutchen’s 4+1 View Model

  • 逻辑视图: 描述了架构中重要的架构元素以及它们之间的关系
    Logical view: describes architecturally significant elements of the architecture and the relationships between them.
  • 过程视图: 描述了架构中的并发和通信元素
    Process view: describes the concurrency and communications elements of an architecture.
  • 物理视图: 描述了主要进程和组件是如何映射到应用程序硬件上的
    Physical view: depicts how the major processes and components are mapped on to the applications hardware.
  • 开发视图: 描述了软件组件是如何在软件内部组织的，比如配置管理工具
    Development view: captures the internal organization of the software components as held in e.g./ a configuration management tool.
  • 用例场景: 捕获架构需求，与多个特定视图相关
    Architecture use cases: capture the requirements for the architecture; related to more than one particular view
    • 四个视图在某一个场景下进行描述

4. 架构师和软件架构师 Architect & Software Architect

架构师设计了满足人类需求的结构
Architects design structures to meet human needs. - James Fitch, 1972

  • 架构师的角色保持不变 The role of the architect remains the same
    • 倾听用户，理解整体的需求
      Listening to clients, understanding the totality of needs
    • 审查可行性
      Scrutinizing feasibilities
    • 形成结构的实用愿景并创建蓝图
      Forming a practical vision of a structure and creating a blueprint
    • 监督构建过程，保证是符合计划的
      Overseeing construction and ensuring compliance to the plan
    • 引导在暴风雨式的设计变更、危机和歧义性中的愿景
      Guiding the vision through the tempest of design changes, crises and ambiguities
  • 软件架构师监督软件构建专业人员: 开发人员、工程师和设计者
    Software architects oversee software construction professionals: Programmers, Engineers, Designers
  • 有名的软件架构师
    • Bill Gates: Chief Software Architect of Microsoft
    • Tim Bernrs-Lee: Inventor and Chief Architect of World Wide Web
    • Roy Fielding: Representational State Transfer (REST)

4.1 软件架构师做什么? What Does a Software Architect Do?

  • 联络 Liaison
    • 在客户、技术团队和商业/需求分析师之间
      Among clients, technical team and business/requirements analysts
    • 与管理或营销 With management or marketing
  • 软件工程: 软件工程的最佳实践
    Software Engineering: Software engineering best practices
  • 技术知识: 深入理解技术领域
    Technology Knowledge: Deep understanding of technology domain
  • 风险管理: Risk Management
    • 与设计、技术决策相关的风险
      Risks associated with the design, technology choices
    • More?

5. 总体设计模型 A General Design Model

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开发和设计是在做减法

5.1 软件设计过程 Software Design Process

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5.2 架构活动 Architecture Activities

  • 为系统创建业务案例 Creating the business case for the System
  • 理解需求 Understanding the requirements
  • 创建和选择架构 Creating and selecting architecture
  • 沟通架构(包括开发人员在内的涉众)
    Communicating the architecture (stakeholders including developers)
  • 分析或评估架构 Analysing or evaluating the architecture
    • 整体的方法论 Overall methodologies
    • 具体技术的质量 Quality specific techniques
  • 实现架构 Implementing the architecture
  • 保证和架构的一致性 Ensuring conformance to an architecture

5.3 软件架构过程 Software Architecture Process

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5.4 架构生命周期 Architecture Lifecycle

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5.5 软件设计和架构知识领域 Software Design & Architecture Knowledge Areas

  • 软件设计基本原理 Software Design Basic Concepts
    • 整体设计原理 General design concepts
    • 上下文: 软件发展生命周期 - 需求、设计、编码和测试
      Context: software development life cycle - requirements, design, construction and testing
    • 设计过程: 角色、活动、工作产品 Design process(role, activity, work product)
    • 软件设计的使能技术 Enabling techniques for software design
  • 核心问题(技术): 一致性、事件控制和处理、分发、异常处理、交互系统、持久化
    Key Issues (technical): concurrency, control and handling of events, distribution, exception handling, interactive systems, persistence
  • 软件结构和架构 Software Structure and Architecture
    • 架构结构和观点 Architecture Structures and viewpoints
    • 架构风格和模式(宏观架构) Architectural styles and patterns (macro-architecture)
    • 设计模式(微观架构) Design patterns (micro-architecture)
  • 软件设计方法 Software Design Methods
    • 架构方法，比如属性驱动的设计 Architecture Methods (e.g., Attribute-Driven Design)
    • 设计方法，比如动态系统发展方法 Design Methods (e.g., Dynamic System Development Method)
  • 软件设计的质量分析和评估 Software Design Quality Analysis and Evaluation
    • 质量属性 Quality attributes
    • 质量分析和评估方法、技术和工具 Quality analysis and evaluation methods, techniques and tools
      • 设计回顾: 比如SEI的架构权衡分析方法
        Design reviews (e.g. SEI’s Architecture Trade-off Analysis Method)
      • 静态分析和动态分析 Static analysis and dynamic analysis
      • 模拟和原型 Simulation and prototyping
    • 度量 Measures:
      • 矩阵: 架构级别 Metrics: Architecture level
      • 技术特有度量指标 Technique specific measures
  • 设计建模和展示 Design Modeling and Representation
    • 架构和设计符号(架构描述语言，ADL)
      Architecture and Design Notations (Architecture Description Languages(ADL))
    • 统一建模语言 Unified Modelling Language (UML)
    • 设计文档(意见或其他) Design Documentation (Views & Beyond)
    • 其他: 在活动、关注点和领域上的不同，比如 ACME，Rapide
      Others: differ in ability, focus and domain (e.g. ACME, Rapide)

6. 讨论

  • 科学和工程有什么不同？What is Difference between Science and Engineering?
    • 科学的研究是研究这个世界既有的部分
    • 工程是研究的是人类创造新的世界(是不是因为人才产生的)
  • 软件和硬件有什么不同？What is Difference between ‘Software’ and ‘Hardware’?
    • 软件是不可见的: 软件是虚拟的，而硬件是实体的。
    • 软件制作出来就是为了被修改和改变的(软件的演化是他的本质属性)
  • 架构和设计有什么不同？What is Difference between Architecture and Design?
    • 所有的架构都是软件设计，但是不是所有的软件设计都是架构
    • 架构是设计过程的一个过程。
    • 其他观点
      • 架构是更高层的设计，是为了修改的
      • 架构是设计决策的组合
  • 架构和结构有什么不同？What is Difference between Architecture and Structure?
    • 架构定义了组件(Component)的接口，Component之间如何交流以及如何相互依赖，Component的职责。
    • 架构提供了设计的更高层抽象视角，隐藏设计的复杂性和实现，更强调非功能性需求。
    • 【标准】架构是包括结构信息的，因为结构是一种静态的、逻辑的、是关于系统如何构成。但是架构除了包含结构，还会增加组件的相互之间的关系接口，还会定义一些动态的行为(一个组件可能和谁进行交互)
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