软件体系结构-完整PPT课件张友生

软件体系结构软件体系结构-完整完整PPTPPT课课件张友生件张友生关关 于于 教教 材材 出版社：清华大学出版社出版社：清华大学出版社 作者：张友生作者：张友生课课 程程 内内 容容 软件体系结构概论软件体系结构概论 软件体系结构建模软件体系结构建模 软件体系结构风格软件体系结构风格 软件体系结构描述软件体系结构描述 动态软件体系结构动态软件体系结构 Web Web服务体系结构服务体系结构 基于体系结构的软件开发基于体系结构的软件开发 软件体系结构的分析与测试软件体系结构的分析与测试 软件体系结构评估软件体系结构评估 软件产品线体系结构软件产品线体系结构 软件危机的表现软件危机的表现 软件成本日益增长软件成本日益增长 开发进度难以控制开发进度难以控制 软件质量差软件质量差 软件维护困难软件维护困难第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.1 1.1 从软件危机谈起从软件危机谈起 软件危机的表现软件危机的表现 软件成本日益增长软件成本日益增长 20 20世纪世纪5050年代，软件成本在整个计算机系统成本中所年代，软件成本在整个计算机系统成本中所占的比例为占的比例为10%-20%10%-20%。到。到2020世纪世纪6060年代中期，软件成本在年代中期，软件成本在计算机系统中所占的比例已经增长到计算机系统中所占的比例已经增长到50%50%左右。左右。而且，该数字还在不断地递增，下面是一组来自美国而且，该数字还在不断地递增，下面是一组来自美国空军计算机系统的数据：空军计算机系统的数据：19551955年，软件费用约占总费用的年，软件费用约占总费用的18%18%，19701970年达到年达到60%60%，19751975年达到年达到72%72%，19801980年达到年达到80%80%，19851985年达到年达到85%85%左右。左右。第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.1 1.1 从软件危机谈起从软件危机谈起 软件危机的表现软件危机的表现 开发进度难以控制开发进度难以控制 由于软件是逻辑、智力产品，软件的开发需建立庞大由于软件是逻辑、智力产品，软件的开发需建立庞大的逻辑体系，这是与其他产品的生产不一样的。的逻辑体系，这是与其他产品的生产不一样的。在在软软件件开开发发过过程程中中，用用户户需需求求变变化化等等各各种种意意想想不不到到的的情情况况层层出出不不穷穷，令令软软件件开开发发过过程程很很难难保保证证按按预预定定的的计计划划实实现，给项目计划和论证工作带来了很大的困难。现，给项目计划和论证工作带来了很大的困难。盲盲目目增增加加软软件件开开发发人人员员并并不不能能成成比比例例地地提提高高软软件件开开发发能能力力。相相反反，随随着着人人员员数数量量的的增增加加，人人员员的的组组织织、协协调调、通信、培训和管理等方面的问题将更为严重。通信、培训和管理等方面的问题将更为严重。第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.1 1.1 从软件危机谈起从软件危机谈起 软件危机的表现软件危机的表现 软件质量差软件质量差 软件项目即使能按预定日期完成，结果却不尽人意。软件项目即使能按预定日期完成，结果却不尽人意。19651965年至年至19701970年，美国范登堡基地发射火箭多次失败，绝年，美国范登堡基地发射火箭多次失败，绝大部分故障是由应用程序错误造成的。大部分故障是由应用程序错误造成的。在在“软件作坊软件作坊”里，由于缺乏工程化思想的指导，程里，由于缺乏工程化思想的指导，程序员几乎总是习惯性地以自己的想法去代替用户对软件的序员几乎总是习惯性地以自己的想法去代替用户对软件的需求，软件设计带有随意性，很多功能只是程序员的需求，软件设计带有随意性，很多功能只是程序员的“一一厢情愿厢情愿”而已，这是造成软件不能令人满意的重要因素。而已，这是造成软件不能令人满意的重要因素。第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.1 1.1 从软件危机谈起从软件危机谈起 软件危机的表现软件危机的表现 软件维护困难软件维护困难 由于在软件设计和开发过程中，没有严格遵循软件开由于在软件设计和开发过程中，没有严格遵循软件开发标准，各种随意性很大，没有完整的真实反映系统状况发标准，各种随意性很大，没有完整的真实反映系统状况的记录文档，给软件维护造成了巨大的困难。的记录文档，给软件维护造成了巨大的困难。特别是在软件使用过程中，原来的开发人员可能因各特别是在软件使用过程中，原来的开发人员可能因各种原因已经离开原来的开发组织，使得软件几乎不可维护。种原因已经离开原来的开发组织，使得软件几乎不可维护。有资料表明，工业界为维护软件支付的费用占全部硬有资料表明，工业界为维护软件支付的费用占全部硬件和软件费用的件和软件费用的40%-75%40%-75%。第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.1 1.1 从软件危机谈起从软件危机谈起 软件危机的原因软件危机的原因 用户需求不明确用户需求不明确 缺乏正确的理论指导缺乏正确的理论指导 软件规模越来越大软件规模越来越大 软件复杂度越来越高软件复杂度越来越高第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.1 1.1 从软件危机谈起从软件危机谈起 用户需求不明确用户需求不明确 在软件开发完成之前，用户不清楚软件的具体需求；在软件开发完成之前，用户不清楚软件的具体需求；用户对软件需求的描述不精确，可能有遗漏、有二义用户对软件需求的描述不精确，可能有遗漏、有二义性、甚至有错误；性、甚至有错误；在软件开发过程中，用户还提出修改软件功能、界面、在软件开发过程中，用户还提出修改软件功能、界面、支撑环境等方面的要求；支撑环境等方面的要求；开发人员对用户需求的理解与用户本来愿望有差异。开发人员对用户需求的理解与用户本来愿望有差异。第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.1 1.1 从软件危机谈起从软件危机谈起 软件危机的原因软件危机的原因 缺乏正确的理论指导缺乏正确的理论指导 缺乏有力的方法学和工具方面的支持。由于软件不同缺乏有力的方法学和工具方面的支持。由于软件不同于大多数其他工业产品，其开发过程是复杂的逻辑思维过于大多数其他工业产品，其开发过程是复杂的逻辑思维过程，其产品极大程度地依赖于开发人员高度的智力投入。程，其产品极大程度地依赖于开发人员高度的智力投入。由于过分地依靠程序设计人员在软件开发过程中的技巧和由于过分地依靠程序设计人员在软件开发过程中的技巧和创造性，加剧软件产品的个性化，也是发生软件危机的一创造性，加剧软件产品的个性化，也是发生软件危机的一个重要原因。个重要原因。第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.1 1.1 从软件危机谈起从软件危机谈起 软件危机的原因软件危机的原因 软件规模越来越大软件规模越来越大 随着软件应用范围的增广，软件规模愈来愈大。大型随着软件应用范围的增广，软件规模愈来愈大。大型软件项目需要组织一定的人力共同完成，而多数管理人员软件项目需要组织一定的人力共同完成，而多数管理人员缺乏开发大型软件系统的经验，而多数软件开发人员又缺缺乏开发大型软件系统的经验，而多数软件开发人员又缺乏管理方面的经验。各类人员的信息交流不及时、不准确、乏管理方面的经验。各类人员的信息交流不及时、不准确、有时还会产生误解。有时还会产生误解。软件项目开发人员不能有效地、独立自主地处理大型软件项目开发人员不能有效地、独立自主地处理大型软件的全部关系和各个分支，因此容易产生疏漏和错误。软件的全部关系和各个分支，因此容易产生疏漏和错误。第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.1 1.1 从软件危机谈起从软件危机谈起 软件危机的原因软件危机的原因 软件复杂度越来越高软件复杂度越来越高 软件不仅仅是在规模上快速地发展扩大，而且其复杂软件不仅仅是在规模上快速地发展扩大，而且其复杂性也急剧地增加。软件产品的特殊性和人类智力的局限性，性也急剧地增加。软件产品的特殊性和人类智力的局限性，导致人们无力处理导致人们无力处理“复杂问题复杂问题”。所谓所谓“复杂问题复杂问题”的概念是相对的，一旦人们采用先的概念是相对的，一旦人们采用先进的组织形式、开发方法和工具提高了软件开发效率和能进的组织形式、开发方法和工具提高了软件开发效率和能力，新的、更大的、更复杂的问题又摆在人们的面前。力，新的、更大的、更复杂的问题又摆在人们的面前。第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.1 1.1 从软件危机谈起从软件危机谈起 软件危机的原因软件危机的原因 如何克服软件危机如何克服软件危机 人们面临的不光是技术问题，更重要的是管理问人们面临的不光是技术问题，更重要的是管理问题。管理不善必然导致失败题。管理不善必然导致失败 。要提高软件开发效率，提高软件产品质量，必须要提高软件开发效率，提高软件产品质量，必须采用工程化的开发方法与工业化的生产技术。采用工程化的开发方法与工业化的生产技术。在技术上，应该采用基于重用的软件生产技术；在技术上，应该采用基于重用的软件生产技术；在管理上，应该采用多维的工程管理模式。在管理上，应该采用多维的工程管理模式。第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.1 1.1 从软件危机谈起从软件危机谈起 构件模型及实现构件模型及实现 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.2 1.2 构件与软件重用构件与软件重用 构件的定义构件的定义 构件是指语义完整、语法正确和有可重用价值的单构件是指语义完整、语法正确和有可重用价值的单位软件，是软件重用过程中可以明确辨识的系统；结构位软件，是软件重用过程中可以明确辨识的系统；结构上，它是上，它是语义描述语义描述、通讯接口通讯接口和和实现代码实现代码的复合体。的复合体。构件模型及实现构件模型及实现 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.2 1.2 构件与软件重用构件与软件重用 构件模型的构件模型的三个主要流派三个主要流派 OMGOMG（Object Management GroupObject Management Group，对象管理集团）的，对象管理集团）的CORBACORBA（Common Object Request Broker ArchitectureCommon Object Request Broker Architecture，通用对象请求代理结构），通用对象请求代理结构）SunSun的的EJBEJB（Enterprise Java BeanEnterprise Java Bean）MicrosoftMicrosoft的的DCOMDCOM（Distributed Component Object Distributed Component Object ModelModel，分布式构件对象模型）。，分布式构件对象模型）。构件模型及实现构件模型及实现 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.2 1.2 构件与软件重用构件与软件重用 青鸟构件模型青鸟构件模型 构件获取构件获取第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.2 1.2 构件与软件重用构件与软件重用 从现有构件中获得符合要求的构件，直接使用或作从现有构件中获得符合要求的构件，直接使用或作适应性修改，得到可重用的构件；适应性修改，得到可重用的构件；通过遗留工程，将具有潜在重用价值的构件提取出通过遗留工程，将具有潜在重用价值的构件提取出来，得到可重用的构件；来，得到可重用的构件；从市场上购买现成的商业构件，即从市场上购买现成的商业构件，即COTSCOTS（Commercial Off-The-ShellCommercial Off-The-Shell）构件；）构件；开发新的符合要求的构件。开发新的符合要求的构件。构件管理构件管理 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.2 1.2 构件与软件重用构件与软件重用 构件描述构件描述 构件分类与组织构件分类与组织 人员及权限管理人员及权限管理 构件管理构件管理 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.2 1.2 构件与软件重用构件与软件重用 构件描述构件描述 构件模型是对构件本质的抽象描述，主要是为构件构件模型是对构件本质的抽象描述，主要是为构件的制作与构件的重用提供依据；的制作与构件的重用提供依据；从管理角度出发，也需要对构件进行描述，例如：从管理角度出发，也需要对构件进行描述，例如：实现方式、实现体、注释、生产者、生产日期、大小、实现方式、实现体、注释、生产者、生产日期、大小、价格、版本和关联构件等信息，它们与构件模型共同组价格、版本和关联构件等信息，它们与构件模型共同组成了对构件的完整描述。成了对构件的完整描述。构件管理构件管理 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.2 1.2 构件与软件重用构件与软件重用 构件分类与组织构件分类与组织 关键字分类法关键字分类法 刻面分类法刻面分类法 超文本组织方法超文本组织方法 构件管理构件管理 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.2 1.2 构件与软件重用构件与软件重用 关键字分类法关键字分类法 构件管理构件管理 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.2 1.2 构件与软件重用构件与软件重用 刻面分类法刻面分类法 使用环境使用环境 应用领域应用领域 功能功能 层次层次 表示方法表示方法 构件管理构件管理 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.2 1.2 构件与软件重用构件与软件重用 超文本组织法超文本组织法 构件管理构件管理 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.2 1.2 构件与软件重用构件与软件重用 人员及权限管理人员及权限管理 一般来讲，构件库系统可包括五类用户，即注册用一般来讲，构件库系统可包括五类用户，即注册用户、公共用户、构件提交者、一般系统管理员和超级系户、公共用户、构件提交者、一般系统管理员和超级系统管理员。统管理员。构件重用构件重用 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.2 1.2 构件与软件重用构件与软件重用 检索与提取构件检索与提取构件 理解与评价构件理解与评价构件 修改构件修改构件 构件组装构件组装 构件重用构件重用 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.2 1.2 构件与软件重用构件与软件重用 检索与提取构件检索与提取构件 基于关键字的检索基于关键字的检索 刻面检索法刻面检索法 超文本检索法超文本检索法 其他检索方法其他检索方法 构件重用构件重用 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.2 1.2 构件与软件重用构件与软件重用 理解与评价构件理解与评价构件 构件的功能与行为构件的功能与行为 相关的领域知识相关的领域知识 可适应性约束条件与例外情形可适应性约束条件与例外情形 可以预见的修改部分及修改方法可以预见的修改部分及修改方法 构件重用构件重用 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.2 1.2 构件与软件重用构件与软件重用 修改构件修改构件 理想的情形是对库中的构件不作修改而直接用于新理想的情形是对库中的构件不作修改而直接用于新的软件项目。的软件项目。但是，在大多数情况下，必须对构件进行或多或少但是，在大多数情况下，必须对构件进行或多或少的修改，以适应新的需求。的修改，以适应新的需求。为了减少构件修改的工作量，要求开发人员尽量使为了减少构件修改的工作量，要求开发人员尽量使构件的功能、行为和接口设计更为抽象化、通用化和参构件的功能、行为和接口设计更为抽象化、通用化和参数化。数化。构件重用构件重用 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.2 1.2 构件与软件重用构件与软件重用 构件组装构件组装 基于功能的组装技术基于功能的组装技术 基于数据的组装技术基于数据的组装技术 面向对象的组装技术面向对象的组装技术 构件重用构件重用 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.2 1.2 构件与软件重用构件与软件重用 构件组装构件组装 基于功能的组装技术基于功能的组装技术 基基于于功功能能的的组组装装技技术术采采用用子子程程序序调调用用和和参参数数传传递递的的方方式式将将构构件件组组装装起起来来。它它要要求求库库中中的的构构件件以以子子程程序序/过过程程/函函数数的的形形式式出出现现，并并且且接接口口说说明明必必须须清清晰晰。当当使使用用这这种种组组装装技技术术进进行行软软件件开开发发时时，开开发发人人员员首首先先应应对对目目标标软软件件系系统统进进行行功功能能分分解解，将将系系统统分分解解为为强强内内聚聚、松松耦耦合合的的功功能能模模块块。然然后后根根据据各各模模块块的的功功能能需需求求提提取取构构件件，对对它它进进行适应性修改后再挂接在上述功能分解框架中。行适应性修改后再挂接在上述功能分解框架中。构件重用构件重用 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.2 1.2 构件与软件重用构件与软件重用 构件组装构件组装 基于数据的组装技术基于数据的组装技术 首首先先根根据据当当前前软软件件问问题题的的核核心心数数据据结结构构设设计计出出一一个个框框架架，然然后后根根据据框框架架中中各各结结点点的的需需求求提提取取构构件件并并进进行行适适应应性性修修改改，再再将将构构件件逐逐个个分分配配至至框框架架中中的的适适当当位位置置。此此后后，构构件件的的组组装装方方式式仍仍然然是是传传统统的的子子程程序序调调用用与与参参数数传传递递。这这种种组组装装技技术术也也要要求求库库中中构构件件以以子子程程序序形形式式出出现现，但但它它所所依依赖赖的的软软件件设设计计方方法法不不再再是是功功能能分分解解，而而是是面面向向数数据据的设计方法，例如的设计方法，例如JacksonJackson系统开发方法。系统开发方法。构件重用构件重用 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.2 1.2 构件与软件重用构件与软件重用 构件组装构件组装 面向对象的组装技术面向对象的组装技术 构造法构造法 在在子子类类中中引引进进基基类类的的对对象象作作为为子子类类的的成成员员变变量量，然然后在子类中通过成员变量重用基类的属性和方法。后在子类中通过成员变量重用基类的属性和方法。子类法子类法 将将新新子子类类直直接接说说明明为为库库中中基基类类的的子子类类，通通过过继继承承和和修改基类的属性与行为完成新子类的定义。修改基类的属性与行为完成新子类的定义。软件重用实例软件重用实例 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.2 1.2 构件与软件重用构件与软件重用 自学自学 背景资料背景资料 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.3 1.3 体系结构的兴起和发展体系结构的兴起和发展 随着软件系统规模越来越大、越来越复杂，整个系统随着软件系统规模越来越大、越来越复杂，整个系统的结构和规格说明显得越来越重要。的结构和规格说明显得越来越重要。对于大规模的复杂软件系统来说，对总体的系统结构对于大规模的复杂软件系统来说，对总体的系统结构设计和规格说明比起对计算的算法和数据结构的选择已设计和规格说明比起对计算的算法和数据结构的选择已经变得明显重要得多。经变得明显重要得多。对软件体系结构的系统、深入的研究将会成为提高软对软件体系结构的系统、深入的研究将会成为提高软件生产率和解决软件维护问题的新的最有希望的途径。件生产率和解决软件维护问题的新的最有希望的途径。背景资料背景资料 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.3 1.3 体系结构的兴起和发展体系结构的兴起和发展 事实上，软件总是有体系结构的，不存在没有体事实上，软件总是有体系结构的，不存在没有体系结构的软件。系结构的软件。软件体系结构虽脱胎于软件工程，但其形成同时软件体系结构虽脱胎于软件工程，但其形成同时借鉴了计算机体系结构和网络体系结构中很多宝贵的借鉴了计算机体系结构和网络体系结构中很多宝贵的思想和方法，最近几年软件体系结构研究已完全独立思想和方法，最近几年软件体系结构研究已完全独立于软件工程的研究，成为计算机科学的一个最新的研于软件工程的研究，成为计算机科学的一个最新的研究方向和独立学科分支。究方向和独立学科分支。软件体系结构的定义软件体系结构的定义 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.3 1.3 体系结构的兴起和发展体系结构的兴起和发展 Dewayne Perry Dewayne Perry和和A1exander Wo1f A1exander Wo1f 软软件件体体系系结结构构是是具具有有一一定定形形式式的的结结构构化化元元素素，即即构构件件的集合，包括处理构件、数据构件和连接构件。的集合，包括处理构件、数据构件和连接构件。处处理理构构件件负负责责对对数数据据进进行行加加工工，数数据据构构件件是是被被加加工工的的信息，连接构件把体系结构的不同部分组合连接起来。信息，连接构件把体系结构的不同部分组合连接起来。这这一一定定义义注注重重区区分分处处理理构构件件、数数据据构构件件和和连连接接构构件件，这一方法在其他的定义和方法中基本上得到保持。这一方法在其他的定义和方法中基本上得到保持。第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.3 1.3 体系结构的兴起和发展体系结构的兴起和发展 Mary Shaw Mary Shaw和和David Garlan David Garlan 软软件件体体系系结结构构是是软软件件设设计计过过程程中中的的一一个个层层次次，这这一一层层次次超超越越计算过程中的算法设计和数据结构设计。计算过程中的算法设计和数据结构设计。体体系系结结构构问问题题包包括括总总体体组组织织和和全全局局控控制制、通通讯讯协协议议、同同步步、数数据据存存取取，给给设设计计元元素素分分配配特特定定功功能能，设设计计元元素素的的组组织织，规规模模和和性性能能，在各设计方案间进行选择等。在各设计方案间进行选择等。软软件件体体系系结结构构处处理理算算法法与与数数据据结结构构之之上上关关于于整整体体系系统统结结构构设设计计和和描描述述方方面面的的一一些些问问题题，如如全全局局组组织织和和全全局局控控制制结结构构、关关于于通通讯讯、同同步步与与数数据据存存取取的的协协议议，设设计计构构件件功功能能定定义义，物物理理分分布布与与合合成成，设设计方案的选择、评估与实现等计方案的选择、评估与实现等。软件体系结构的定义软件体系结构的定义 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.3 1.3 体系结构的兴起和发展体系结构的兴起和发展 Kruchten Kruchten 软软件件体体系系结结构构有有四四个个角角度度，它它们们从从不不同同方方面面对对系系统统进进行行描描述述：概概念念角角度度描描述述系系统统的的主主要要构构件件及及它它们们之之间间的的关关系系；模模块块角角度度包包含含功功能能分分解解与与层层次次结结构构；运运行行角角度度描描述述了了一一个个系系统统的的动动态态结结构构；代代码码角角度度描描述述了了各各种种代代码码和和库函数在开发环境中的组织。库函数在开发环境中的组织。软件体系结构的定义软件体系结构的定义 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.3 1.3 体系结构的兴起和发展体系结构的兴起和发展 Hayes Roth Hayes Roth 软软件件体体系系结结构构是是一一个个抽抽象象的的系系统统规规范范，主主要要包包括括用用其其行行为为来来描描述述的的功功能能构构件件和和构构件件之之间间的的相相互互连连接接、接接口口和关系。和关系。软件体系结构的定义软件体系结构的定义 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.3 1.3 体系结构的兴起和发展体系结构的兴起和发展 David Garlan David Garlan 和和 Dewne Perry Dewne Perry 软软件件体体系系结结构构是是一一个个程程序序系系统统各各构构件件的的结结构构、它它们们之之间间的的相相互互关关系系以以及及进进行行设设计计的的原原则则和和随随时时间间演演化化的的指导方针。指导方针。软件体系结构的定义软件体系结构的定义 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.3 1.3 体系结构的兴起和发展体系结构的兴起和发展 Barry Boehm Barry Boehm 软软件件体体系系结结构构包包括括一一个个软软件件和和系系统统构构件件，互互联联及及约约束束的的集集合合；一一个个系系统统需需求求说说明明的的集集合合；一一个个基基本本原原理理用用以说明这一构件，互联和约束能够满足系统需求。以说明这一构件，互联和约束能够满足系统需求。软件体系结构的定义软件体系结构的定义 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.3 1.3 体系结构的兴起和发展体系结构的兴起和发展 BassBass，Ctements Ctements 和和 Kazman Kazman 软软件件体体系系结结构构包包括括一一个个或或一一组组软软件件构构件件、软软件件构构件件的的外外部部的的可可见见特特性性及及其其相相互互关关系系。其其中中，“软软件件外外部部的的可可见见特特性性”是是指指软软件件构构件件提提供供的的服服务务、性性能能、特特性性、错错误处理、共享资源使用等。误处理、共享资源使用等。软件体系结构的定义软件体系结构的定义 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.3 1.3 体系结构的兴起和发展体系结构的兴起和发展 我们的定义我们的定义 软件体系结构为软件系统提供了一个结构、行为和软件体系结构为软件系统提供了一个结构、行为和属性的高级抽象，由构成系统的元素的描述、这些元素属性的高级抽象，由构成系统的元素的描述、这些元素的相互作用、指导元素集成的模式以及这些模式的约束的相互作用、指导元素集成的模式以及这些模式的约束组成。软件体系结构不仅指定了系统的组成。软件体系结构不仅指定了系统的组织结构组织结构和和拓扑拓扑结构结构，并且显示了系统需求和构成系统的元素之间的对，并且显示了系统需求和构成系统的元素之间的对应关系，提供了一些设计决策的基本原理。应关系，提供了一些设计决策的基本原理。软件体系结构的定义软件体系结构的定义 软件体系结构的意义软件体系结构的意义 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.3 1.3 体系结构的兴起和发展体系结构的兴起和发展 体系结构是风险承担者进行交流的手段体系结构是风险承担者进行交流的手段 软件体系结构代表了系统的公共的高层次的抽象。软件体系结构代表了系统的公共的高层次的抽象。这样，系统的大部分有关人员（即使不是全部）能把它这样，系统的大部分有关人员（即使不是全部）能把它作为建立一个互相理解的基础，形成统一认识，互相交作为建立一个互相理解的基础，形成统一认识，互相交流。流。体系结构提供了一种共同语言来表达各种关注和协体系结构提供了一种共同语言来表达各种关注和协商，进而对大型复杂系统能进行理智的管理。这对项目商，进而对大型复杂系统能进行理智的管理。这对项目最终的质量和使用有极大的影响。最终的质量和使用有极大的影响。第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.3 1.3 体系结构的兴起和发展体系结构的兴起和发展 体系结构是早期设计决策的体现体系结构是早期设计决策的体现 （1 1）软件体系结构明确了对系统实现的约束条件）软件体系结构明确了对系统实现的约束条件（2 2）软件体系结构决定了开发和维护组织的组织结构）软件体系结构决定了开发和维护组织的组织结构（3 3）软件体系结构制约着系统的质量属性）软件体系结构制约着系统的质量属性（4 4）通过研究软件体系结构可能预测软件的质量）通过研究软件体系结构可能预测软件的质量（5 5）软件体系结构使推理和控制更改更简单）软件体系结构使推理和控制更改更简单（6 6）软件体系结构有助于循序渐进的原型设计）软件体系结构有助于循序渐进的原型设计（7 7）软件体系结构可以作为培训的基础）软件体系结构可以作为培训的基础 软件体系结构的意义软件体系结构的意义 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.3 1.3 体系结构的兴起和发展体系结构的兴起和发展 软件体系结构是可传递和可重用的模型软件体系结构是可传递和可重用的模型 软件体系结构级的重用意味着体系结构的决策能在软件体系结构级的重用意味着体系结构的决策能在具有相似需求的多个系统中发生影响，这比代码级的重具有相似需求的多个系统中发生影响，这比代码级的重用要有更大的好处。用要有更大的好处。软件体系结构的意义软件体系结构的意义 软件体系结构的软件体系结构的发展史发展史 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.3 1.3 体系结构的兴起和发展体系结构的兴起和发展 “无体系结构无体系结构”设计阶段设计阶段萌芽阶段萌芽阶段以汇编语言进行小规模应用程序开以汇编语言进行小规模应用程序开发为特征发为特征以描述系统的高层抽象结构为中心，以描述系统的高层抽象结构为中心，不关心具体的建模细节，划分了体系不关心具体的建模细节，划分了体系结构模型与传统软件结构的界限，该结构模型与传统软件结构的界限，该阶段以阶段以KruchtenKruchten提出的提出的“4+1”“4+1”模型为模型为标志标志出现了从不同侧面描述系统的结构模出现了从不同侧面描述系统的结构模型，以型，以UMLUML为典型代表。为典型代表。出现了程序结构设计主题，以控制流出现了程序结构设计主题，以控制流图和数据流图构成软件结构为特征图和数据流图构成软件结构为特征高级阶段高级阶段初期阶段初期阶段第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.3 1.3 体系结构的兴起和发展体系结构的兴起和发展 PerryPerry和和WolfWolf认为认为未来的年代是研究软件体系结构的时代未来的年代是研究软件体系结构的时代 软件体系结构的软件体系结构的发展史发展史 软件体系结构的应用现状软件体系结构的应用现状 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.4 1.4 体系结构的应用现状体系结构的应用现状 软件体系结构描述语言软件体系结构描述语言 体系结构描述构造与表示体系结构描述构造与表示 体系结构分析、设计与验证体系结构分析、设计与验证 体系结构发现、演化与重用体系结构发现、演化与重用 基于体系结构的软件开发方法基于体系结构的软件开发方法 特定领域的体系结构框架特定领域的体系结构框架 软件体系结构支持工具软件体系结构支持工具 软件产品线体系结构软件产品线体系结构 建立评价软件体系结构的方法建立评价软件体系结构的方法第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.4 1.4 体系结构的应用现状体系结构的应用现状 软件体系结构描述语言软件体系结构描述语言 ADL ADL提供了具体的语法与刻画体系结构的概念框架。提供了具体的语法与刻画体系结构的概念框架。ADLADL使得系统开发者能够很好地描述他们设计的体系结使得系统开发者能够很好地描述他们设计的体系结构，以便与他人交流，能够用提供的工具对许多实例进构，以便与他人交流，能够用提供的工具对许多实例进行分析。行分析。软件体系结构的应用现状软件体系结构的应用现状 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.4 1.4 体系结构的应用现状体系结构的应用现状 体系结构描述构造与表示（体系结构描述构造与表示（1 1）按照一定的描述方法，用体系结构描述语言对体系按照一定的描述方法，用体系结构描述语言对体系结构进行说明的结果则称为体系结构的表示，而将描述结构进行说明的结果则称为体系结构的表示，而将描述体系结构的过程称为体系结构构造体系结构的过程称为体系结构构造 软件体系结构的应用现状软件体系结构的应用现状 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.4 1.4 体系结构的应用现状体系结构的应用现状 体系结构描述构造与表示（体系结构描述构造与表示（2 2）（1 1）KruchtenKruchten提出的提出的“4+1”“4+1”模型。模型。（2 2）BoochBooch从从UMLUML的角度给出了一种由设计视图、过程视图、实现视的角度给出了一种由设计视图、过程视图、实现视图和部署视图，再加上一个用例视图构成的体系结构描述模型。图和部署视图，再加上一个用例视图构成的体系结构描述模型。（3 3）IEEEIEEE于于19951995年成立了体系结构工作组，起草了体系结构描述框年成立了体系结构工作组，起草了体系结构描述框架标准架标准IEEE P1471IEEE P1471。（4 4）RationalRational从资产重用的角度提出了体系结构描述的规格说明框从资产重用的角度提出了体系结构描述的规格说明框架。架。软件体系结构的应用现状软件体系结构的应用现状 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.4 1.4 体系结构的应用现状体系结构的应用现状 体系结构分析、设计与验证（体系结构分析、设计与验证（1 1）体系结构分析的内容可分为体系结构分析的内容可分为结构分析结构分析、功能分析功能分析和和非功能分析非功能分析。非功能分析：定量分析方法、推断分析方法。非功能分析：定量分析方法、推断分析方法。Kazman Kazman等人提出了一种非功能分析的体系结构分析等人提出了一种非功能分析的体系结构分析方法方法SAAMSAAM，并运用场景技术，提出了基于场景的体系结，并运用场景技术，提出了基于场景的体系结构分析方法，而构分析方法，而BarbacciBarbacci等人提出了多质量属性情况下等人提出了多质量属性情况下的体系结构质量模型、分析与权衡方法的体系结构质量模型、分析与权衡方法ATAMATAM。软件体系结构的应用现状软件体系结构的应用现状 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.4 1.4 体系结构的应用现状体系结构的应用现状 体系结构分析、设计与验证（体系结构分析、设计与验证（2 2）生成一个满足软件需求的体系结构的过程即为体系生成一个满足软件需求的体系结构的过程即为体系结构设计。体系结构设计过程的本质在于：将系统分解结构设计。体系结构设计过程的本质在于：将系统分解成相应的组成成分（如构件、连接件），并将这些成分成相应的组成成分（如构件、连接件），并将这些成分重新组装成一个系统。重新组装成一个系统。软件体系结构的应用现状软件体系结构的应用现状 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.4 1.4 体系结构的应用现状体系结构的应用现状 体系结构分析、设计与验证（体系结构分析、设计与验证（3 3）体系结构设计有两大类方法：过程驱动方法和问题体系结构设计有两大类方法：过程驱动方法和问题列表驱动方法。列表驱动方法。基于过程驱动的体系结构设计方法适用范围广，易基于过程驱动的体系结构设计方法适用范围广，易于裁减，具备动态特点，通用性与实践性强。于裁减，具备动态特点，通用性与实践性强。问题列表驱动法的基本思想是问题列表驱动法的基本思想是枚举枚举设计空间，并考设计空间，并考虑设计维的相关性，以此来选择体系结构的风格。该方虑设计维的相关性，以此来选择体系结构的风格。该方法适用于特定领域，是静态的，并可以实现量化体系结法适用于特定领域，是静态的，并可以实现量化体系结构设计空间。构设计空间。软件体系结构的应用现状软件体系结构的应用现状 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.4 1.4 体系结构的应用现状体系结构的应用现状 体系结构分析、设计与验证（体系结构分析、设计与验证（4 4）体系结构设计研究的重点内容之一就是体系结构风体系结构设计研究的重点内容之一就是体系结构风格或模式，体系结构模式在本质上反映了一些特定的元格或模式，体系结构模式在本质上反映了一些特定的元素、按照特定的方式组成一个特定的结构，该结构应有素、按照特定的方式组成一个特定的结构，该结构应有利于上下文环境下的特定问题的解决。利于上下文环境下的特定问题的解决。软件体系结构的应用现状软件体系结构的应用现状 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.4 1.4 体系结构的应用现状体系结构的应用现状 体系结构分析、设计与验证（体系结构分析、设计与验证（5 5）体系结构模式分为两个大类：固定术语和参考模型。体系结构模式分为两个大类：固定术语和参考模型。已知的固定术语类的体系结构模型包括管道过滤器、已知的固定术语类的体系结构模型包括管道过滤器、客户客户/服务器、面向对象、黑板、分层、对等模式、状态服务器、面向对象、黑板、分层、对等模式、状态转换、一些派生的固定术语类的体系结构模式，包括转换、一些派生的固定术语类的体系结构模式，包括Gen Gen VocaVoca，C2C2和和RESTREST等；而参考模型则相对较多，常常与特等；而参考模型则相对较多，常常与特定领域相关。定领域相关。软件体系结构的应用现状软件体系结构的应用现状 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.4 1.4 体系结构的应用现状体系结构的应用现状 体系结构分析、设计与验证（体系结构分析、设计与验证（6 6）体系结构测试着重于仿真系统模型，解决体系结构体系结构测试着重于仿真系统模型，解决体系结构层的主要问题。由于测试的抽象层次不同，体系结构测层的主要问题。由于测试的抽象层次不同，体系结构测试策略可以分为单元试策略可以分为单元/子系统子系统/集成集成/验收测试等阶段的测验收测试等阶段的测试策略。试策略。在体系结构集成测试阶段，在体系结构集成测试阶段，DebraDebra等人提出了一组针等人提出了一组针对体系结构的测试覆盖标准，对体系结构的测试覆盖标准，Paola InveradiPaola Inveradi提出了一提出了一种基于种基于CHAMCHAM的体系结构语义验证技术。的体系结构语义验证技术。软件体系结构的应用现状软件体系结构的应用现状 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.4 1.4 体系结构的应用现状体系结构的应用现状 体系结构发现、演化与重用（体系结构发现、演化与重用（1 1）体系结构发现解决如何从已经存在的系统中提取软体系结构发现解决如何从已经存在的系统中提取软件的体系结构，属于逆向工程范畴。件的体系结构，属于逆向工程范畴。Waters Waters等人提出了一种迭代式体系结构发现过程，等人提出了一种迭代式体系结构发现过程，即由不同的人员对系统进行描述，然后对这些描述进行即由不同的人员对系统进行描述，然后对这些描述进行分类并融合，发现并解除冲突，将体系结构新属性加入分类并融合，发现并解除冲突，将体系结构新属性加入到已有的体系结构模型中，并重复该过程直至体系结构到已有的体系结构模型中，并重复该过程直至体系结构描述充分。描述充分。软件体系结构的应用现状软件体系结构的应用现状 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.4 1.4 体系结构的应用现状体系结构的应用现状 体系结构发现、演化与重用（体系结构发现、演化与重用（2 2）由于系统需求、技术、环境、分布等因素的变化而由于系统需求、技术、环境、分布等因素的变化而最终导致软件体系结构的变动，称之为软件体系结构演最终导致软件体系结构的变动，称之为软件体系结构演化。化。软件系统在运行时刻的体系结构变化称为体系结构软件系统在运行时刻的体系结构变化称为体系结构的动态性，而将体系结构的静态修改称为体系结构扩展。的动态性，而将体系结构的静态修改称为体系结构扩展。体系结构扩展与体系结构动态性都是体系结构适应性和体系结构扩展与体系结构动态性都是体系结构适应性和演化性的研究范畴。演化性的研究范畴。软件体系结构的应用现状软件体系结构的应用现状 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.4 1.4 体系结构的应用现状体系结构的应用现状 体系结构发现、演化与重用（体系结构发现、演化与重用（3 3）体系结构重用属于设计重用，比代码重用更抽象。体系结构重用属于设计重用，比代码重用更抽象。由于软件体系结构是系统的高层抽象，反映了系统的主由于软件体系结构是系统的高层抽象，反映了系统的主要组成元素及其交互关系，因而较算法更稳定，更适合要组成元素及其交互关系，因而较算法更稳定，更适合于重用。于重用。体系结构模式就是体系结构重用研究的一个成果，体系结构模式就是体系结构重用研究的一个成果，而体系结构参考模型则是特定域软件体系结构的重用的而体系结构参考模型则是特定域软件体系结构的重用的成熟的象征。成熟的象征。软件体系结构的应用现状软件体系结构的应用现状 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.4 1.4 体系结构的应用现状体系结构的应用现状 基于体系结构的软件开发方法（基于体系结构的软件开发方法（1 1）在引入了体系结构的软件开发之后，应用系统的构在引入了体系结构的软件开发之后，应用系统的构造过程变为造过程变为“问题定义问题定义软件需求软件需求软件体系结构软件体系结构 软件设计软件设计软件实现软件实现”，可以认为软件体系结构架起，可以认为软件体系结构架起了软件需求与软件设计之间的一座桥梁。了软件需求与软件设计之间的一座桥梁。软件体系结构的应用现状软件体系结构的应用现状 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.4 1.4 体系结构的应用现状体系结构的应用现状 基于体系结构的软件开发方法（基于体系结构的软件开发方法（2 2）软件开发模型是跨越整个软件生存周期的系统开发、软件开发模型是跨越整个软件生存周期的系统开发、运行、维护所实施的全部工作和任务的结构框架，给出运行、维护所实施的全部工作和任务的结构框架，给出了软件开发活动各阶段之间的关系。了软件开发活动各阶段之间的关系。目前，常见的软件开发模型大致可分为三种类型目前，常见的软件开发模型大致可分为三种类型:（1 1）以软件需求完全确定为前提的瀑布模型。）以软件需求完全确定为前提的瀑布模型。（2 2）在在软软件件开开发发初初始始阶阶段段只只能能提提供供基基本本需需求求时时采采用用的的渐进式开发模型，如螺旋模型等。渐进式开发模型，如螺旋模型等。（3 3）以形式化开发方法为基础的变换模型。）以形式化开发方法为基础的变换模型。软件体系结构的应用现状软件体系结构的应用现状 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.4 1.4 体系结构的应用现状体系结构的应用现状 基于体系结构的软件开发方法（基于体系结构的软件开发方法（3 3）所所有有开开发发方方法法都都是是要要解解决决需需求求与与实实现现之之间间的的差差距距。但但是是，这这三三种种类类型型的的软软件件开开发发模模型型都都存存在在这这样样或或那那样样的的缺缺陷，不能很好地支持基于软件体系结构的开发过程。陷，不能很好地支持基于软件体系结构的开发过程。在在基基于于构构件件和和基基于于体体系系结结构构的的软软件件开开发发逐逐渐渐成成为为主主流流情况下，已经出现了情况下，已经出现了基于构件的软件工程基于构件的软件工程。但但是是，对对体体系系结结构构的的描描述述、表表示示、设设计计和和分分析析以以及及验验证证等等内内容容的的研研究究还还相相对对不不足足，随随着着需需求求复复杂杂化化及及其其演演化化，切实可行的体系结构设计规则与方法将更为重要。切实可行的体系结构设计规则与方法将更为重要。软件体系结构的应用现状软件体系结构的应用现状 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.4 1.4 体系结构的应用现状体系结构的应用现状 特定领域的体系结构框架特定领域的体系结构框架 特特定定领领域域的的体体系系结结构构是是将将体体系系结结构构理理论论应应用用到到具具体体领领域域的的过过程程，常常见见的的DSSADSSA有有：CASECASE体体系系结结构构、CADCAD软软件件的的参参考考模模型型、信信息息系系统统的的参参考考体体系系结结构构、网网络络体体系系结结构构DSSADSSA、机机场场信信息息系系统统的的体体系系结结构构和和信信息息处处理理DSSADSSA等等。国国内内学学者者提提出出的的DSSADSSA有有：北北京京邮邮电电大大学学周周莹莹新新博博士士提提出出的的电电信信软软件件的的体体系系结结构构，北北京京航航空空航航天天大大学学金金茂茂忠忠教教授授等等人提出的测试环境的体系结构等。人提出的测试环境的体系结构等。软件体系结构的应用现状软件体系结构的应用现状 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.4 1.4 体系结构的应用现状体系结构的应用现状 软件体系结构支持工具软件体系结构支持工具 几乎每种体系结构都有相应的支持工具，如几乎每种体系结构都有相应的支持工具，如UniconUnicon，AesopAesop等体系结构支持环境，等体系结构支持环境，C2C2的支持环境的支持环境ArchStudioArchStudio，支持主动连接件的，支持主动连接件的TracerTracer工具等。工具等。支持体系结构分析的工具，如支持静态分析的工具、支持体系结构分析的工具，如支持静态分析的工具、支持类型检查的工具、支持体系结构层次依赖分析的工支持类型检查的工具、支持体系结构层次依赖分析的工具、支持体系结构动态特性仿真工具、体系结构性能仿具、支持体系结构动态特性仿真工具、体系结构性能仿真工具等。真工具等。软件体系结构的应用现状软件体系结构的应用现状 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.4 1.4 体系结构的应用现状体系结构的应用现状 软件产品线体系结构（软件产品线体系结构（1 1）产品线代表着一组具有公共的系统需求集的软件系产品线代表着一组具有公共的系统需求集的软件系统，它们都是根据基本的用户需求对标准的产品线构架统，它们都是根据基本的用户需求对标准的产品线构架进行定制，将可重用构件与系统独有的部分集成而得到进行定制，将可重用构件与系统独有的部分集成而得到的。的。软件产品线是一个十分适合专业的软件开发组织的软件产品线是一个十分适合专业的软件开发组织的软件开发方法，能有效地提高软件生产率和质量、缩短软件开发方法，能有效地提高软件生产率和质量、缩短开发时间、降低总开发成本。开发时间、降低总开发成本。软件体系结构的应用现状软件体系结构的应用现状 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.4 1.4 体系结构的应用现状体系结构的应用现状 软件产品线体系结构（软件产品线体系结构（2 2）软件体系结构有利于形成完整的软件产品线。软件体系结构有利于形成完整的软件产品线。体系结构在软件产品线的开发中具有至关重要的作体系结构在软件产品线的开发中具有至关重要的作用，在这种开发生产中，基于同一个软件体系结构，可用，在这种开发生产中，基于同一个软件体系结构，可以创建具有不同功能的多个系统。以创建具有不同功能的多个系统。软件体系结构的应用现状软件体系结构的应用现状 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.4 1.4 体系结构的应用现状体系结构的应用现状 建立评价软件体系结构的方法建立评价软件体系结构的方法目前，常用的三个软件体系结构评估方法是：目前，常用的三个软件体系结构评估方法是：（1 1）体系结构权衡分析方法（）体系结构权衡分析方法（ATAMATAM方法）方法）（2 2）软件体系结构分析方法（）软件体系结构分析方法（SAAMSAAM方法）方法）（3 3）中间设计的积极评审（）中间设计的积极评审（ARIDARID方法）方法）软件体系结构的应用现状软件体系结构的应用现状 第第1 1章章 软件体系结构概论软件体系结构概论1.4 1.4 体系结构的应用现状体系结构的应用现状 目目前前，软软件件体体系系结结构构尚尚处处在在迅迅速速发发展展之之中中，越越来来越越多多的的研研究究人人员员正正在在把把注注意意力力投投向向软软件件体体系系结结构构的的研研究究。关关于于软软件件体体系系结结构构的的研研究究工工作作主主要要在在国国外外展展开开的的，国国内内到到目目前前为为止止对对于于软软件件体体系系结结构构的的研研究究尚尚处处在在起起步步阶阶段段。软软件件体体系系结结构构在在国国内内未未