软件架构设计方法理论

1. 软件架构概述 1.1 什么是软件架构 ◎软件架构的概念很混乱。如果你问五个不同的人,可能会得到五种不同的答案。 ◎软件架构概念主要分为两大流派: 组成派:软件架构 = 组件 + 交互。 决策派:软件架构 = 重要决策集。 ◎组成派和决策派的概念相辅相成。 1.2 软件架构和子系统、框架之间的关系 ◎复杂性是层次化的。 ◎好的架构必须把变化点错落有致地封装到软件系统的不同部分(即关注点分离)。 通过关注点分离,达到“系统中的一部分发生了变化,不会影响其他部分”的目标。 ◎软件单元的粒度: * 粒度最小的单元通常是“类”。 * 几个类紧密协作形成“模块”。 * 完成相对独立的功能的多个模块构成了“子系统”。 * 多个子系统相互配合才能满足一个完整应用的需求,从而构成了软件“系统”。 * 一个大型企业往往使用多套系统,多套系统通过互操作形成“集成系统”。 ◎软件单元的粒度是相对的。同一个软件单元,在不同场景下我们会以不同的粒度看待它。◎架构(Architecture)不等于框架(Framework)。 框架只是一种特殊的软件,框架也有架构。 ◎可以通过架构框架化达到“架构重用”的目的,如很多人都在用 Spring 框架提供的控制反转和依赖注入来构建自己的架构。 1.3 软件架构的作用 ◎如果一个项目的系统架构(包括理论基础)尚未确定,就不应该进行此系统的全面开发。 -- Barry Boehm,《Engineering Context》 ◎一个缺陷充斥的系统,将始终是一个缺陷充斥的系统。 -- Timothy C. Lethbridge,《面向对象软件工程》 ◎软件架构设计为什么这么难? 因为它是跨越现实世界与计算机世界之间鸿沟的一座桥。 软件架构设计要完成从面向业务到面向技术的转换,在鸿沟上架起一座桥梁。 需求 -> 架构设计 -> 软件架构 -> 系统开发 -> 软件系统 ~~~~~~~~ ~~~~~~~~ ◎软件架构对新产品开发的作用: * 上承业务目标。 * 下接技术决策。 * 控制复杂性。 先进行架构设计,后进行详细设计和编码实现,符合“基于问深度分而治之”的理念。 * 组织开发。 1/8 软件架构方案在小组中间扮演了“桥梁”和“合作契约”的作用。 * 利于迭代开发和增量交付。 以架构为中心进行开发,为增量交付提供了良好的基础。在架构经过验证之后,可以 专注于功能的增量提交。 * 提高质量。 ◎软件架构对软件产品线开发的作用: * 固化核心知识; * 提供可重用资产; * 缩短推出产品的周期; * 降低开发和维护成本; * 提高产品质量; * 支持批量定制。 ◎软件产品线:指具有一组可管理的、公共特性的、软件密集性系统的集合,这些系统满足特定的市场需求或任务需求,并且按照预定义方式从一个公共的核心资产集开发得到。 软件产品线架构:针对一个公司或组织内的一系列产品而设计的通用架构。 2. 软件架构设计 2.1 软件架构为谁而设计 ◎架构师应当为项目相关的不同角色而设计: * 架构师要为客户负责,满足他们的业务目标和约束条件。 * 架构师要为用户负责,满足他们关心的功能需求和运行期质量属性。 * 架构师必须顾及处于协作分工“下游”的开发人员。 * 架构师必须考虑“周边”的管理人员,为他们进行分工管理、协调控制和评估监控等工作提供清晰的基础。 2.2 五视图法 ◎什么是软件架构视图? 软件架构视图是对于从某一视角看到的系统所作的简化描述,描述中涵盖了系统的某一 特定方面,而省略了与此无关的其他方面。 ◎软件架构要涵盖的内容和决策太多了,超过了人脑“一蹴而就”的能力范围,因此宜采用“分而治之”的办法。即通过不同的视图来描述架构。 ◎软件架构的五视图法: * 逻辑架构 逻辑架构关注功能。其设计着重考虑功能需求。 * 开发架构 开发架构关注程序包。其设计着重考虑开发期质量属性,如可扩展性、可重用性、 可移植性、易理解性和易测试性等。 * 运行架构 运行架构关注进程、线程、对象等运行时概念,以及相关的并发、同步、通信等问题。 其设计着重考虑运行期质量属性,例如性能、可伸缩性、持续可用性和安全性等。 * 物理架构 物理架构关注软件系统最终如何安装或部署到物理机器。其设计着重考虑“安装和 部署需求”。 * 数据架构 数据架构关注持久化数据的存储方案。其设计着重考虑“数据需求”。 2.3 从概念性架构到实际架构 ◎少就是多 (Less is more.)。 -- 密斯·凡德罗 ◎概念性架构是对系统设计的最初构想。 ◎一般来说,实际的软件架构设计过程是,先进行概念性架构的设计,把最关键的设计要素和交互确定下来,然后再考虑具体技术的运用,设计出实际架构。 2.4 架构设计中的关键要素及解决策略 ◎策略是制胜的关键。 -- 张明正,《挡不住的趋势》 ◎最好的软件开发人员都知道一个秘密:美的东西比丑的东西创建起来更廉价,也更快捷。 -- Robert C. Martin, 《软件之美》 ◎时间就是系统架构的生命。 -- Philippe Kruchten ◎方法产生于恐惧。 ◎面对时间紧迫的压力,我们有理由质疑那种不顾时间花销、一味追求软件架构高质量的做法。软件架构是软件系统质量的核心,必须足够重视,但在不适当的时候“用时间换完美”会毁掉整个项目。 ◎架构设计并非“好的就是成功的”,而是“适合的才是成功的”。 ◎软件架构设计中的关键要素及解决策略: 关键要素策略 ------------------------------------ ----------------- 1. 是否遗漏了至关重要的非功能需求?全面认识需求。 2. 能否驯服数量巨大且频繁变化的需求?关键需求决定架构。 3. 能否从容地设计软件架构的不同方面?多视图探寻架构。 4. 是否及早验证架构方案并作出了调整?及早验证架构。 2.5 软件架构要设计到什么程度 ◎软件系统的架构涵盖了整个系统,尽管架构的有些部分可能只有“一寸深”。 -- Ivar Jacobson, 《统一软件开发过程之路》 ◎软件架构是团队开发的基础。 ◎软件架构要设计到什么程度? * 由于项目的不同、开发团队情况的不同,软件架构的设计程度会有不同。 * 软件架构应当为开发人员提供足够的指导和限制。 ◎高来高去式架构设计的症状: * 缺失重要架构视图。 遗漏了某些重要视图,从而遗漏了对团队某些角色的指导。 * 浅尝辄止、不够深入。 将重大技术风险遗留到后续开发中。 * 名不副实的分层架构。 对各层之间交互接口和交互机制的设计严重不足。 3. 软件架构设计过程 3.1 软件架构设计过程总览 ◎一般的软件过程: 概念化阶段 -> 阶段 -> 架构设计阶段 -> 并行开发与测试阶段 -> 验收与交付阶段──┬────┬────┬──────┬───────┬───↓↓↓↓↓ 愿景需求架构可执行系统交付的系统 ◎软件架构设计过程: 需求分析 -> 领域建模 -> 确定关键需求 -> 概念性架构设计 -> 细化架构 -> 验证架构││└──────┬──────┘└────┬───┘││概念性架构实际架构└───┬────┘└───────┬──────┘分析阶段架构设计阶段 3.2 需求分析 3.2.1 几个概念 ◎需求捕获 vs 需求分析 vs 系统分析 * 需求捕获是获取知识的过程,知识从无到有。 * 需求分析是挖掘和整理知识的过程,它在已掌握知识的基础上进行。 * 系统分析?如果说需求分析致力于“做什么”,那么系统分析则涉及“怎么做”。 3.2.2 架构师必须掌握的需求知识 ◎软件架构师不必是需求捕获专家,也不必是编写《软件需求规格#说明书#》的专家。 但他一定应在需求分类、需求折衷和需求变更的研究方面是专家,否则他和其他 软件架构师相比,就输在了“起跑线”上。 ◎软件需求的类型 ┌功能需求┌运行期质量属性 软件需求┤┌质量属性┤ └非功能需求┤└开发期质量属性 └约束 ◎软件质量属性分类方式 运行期质量属性 * 性能 (Performance) * 安全性 (Security) * 易用性 (Usability) * 持续可用性 (Availability) * 可伸缩性 (Scalability) * 互操作性 (Interoperability) * 可靠性 (Reliability) * 鲁棒性 (Robustness) 开发期质量属性 * 易理解性 (Understandability) * 可扩展性 (Extensibility) * 可重用性 (Reusability) * 可测试行 (Testability) * 可维护性 (Maintainability) * 可移植性 (Portability) 3.3 领域建模 ◎就像《高效能人士的七个习惯》提到的“有内而外全面造就自己”的观点一样,对待软件开发,要具备“有内而外造就软件”的理念。 ◎想让软件系统随需应变吗?请给软件一个支持变化的“心”。 ◎什么是领域模型? 领域模型是对实际问题领域的抽象表示,它专注于分析问题领域本身,发掘重要的业务领域概念,并建立业务领域概念之间的关系。 ◎领域建模和需求分析活动是相互伴随、互相支持、交叠演进的。 ◎领域模型对软件架构乃至整个软件系统开发工作的作用: * 探索复杂问题、固化领域知识; * 决定功能范围、影响可扩展性; * 提供交流基础、促进有效沟通。 3.4 确定关键需求 ◎功能、质量和商业需求的某个集合“塑造”了架构。 -- Len Bass, 《软件架构实践(第2版)》 ◎关键需求决定架构,其余需求验证架构。 ◎什么是对软件架构关键的需求? * 关键的功能需求。 * 关键的质量属性需求。 * 关键的商业需求。 ◎如何确定关键需求? ┌> 确定关键功能需求┐ ● -> 全面整理需求 -> 分析约束性需求┤├> ● └> 确定关键质量属性需求┘ 3.5 概念性架构设计 ◎概念性架构设计的步骤(这三个步骤以迭代方式进行): 继续阅读