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。

◎ 好的架构设计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“基于问题深度分而治之”的理念

* 组织开发。

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.软件架构设计方法

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 要素和交互机制确定下来，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？

2. 能否驯服数量巨大且频繁变化的需求？

3. 能否从容地设计软件架构的不同方面？

4. 是否及早验证架构方案并作出了调整？

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

全面认识需求。 关键需求决定架构。 多视图探寻架构。 及早验证架构。

◎ 一般的软件过程：

概念化阶段-> 分析阶段-> 架构设计阶段-> 并行开发与测试阶段-> 验收与交付阶段11111

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

I I ' --------------- ! ---------- ' ' -------- ! ----- '

I I 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

厂功能需求厂运行期质量属性

软件需求T 厂质量属性T

匚非功能需求T 匚开发期质量属性

匚约束

◎ 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？

厂〉确定关键功能需求「

?-＞全面整理需求-＞分析约束性需求T 卜＞?

L＞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) ：

1.鲁棒性分析；

2.引入架构模式；

3.质量属性分析。

3.5.1鲁棒性分析

◎ 所谓鲁棒性分析是这样一种方法：通过分析用例规约中的事件流，识别出实现用例规定的功能所需的主要对象及其职责，形成以职责模型为主的初步设计。

◎ 鲁棒性分析是从功能需求向设计方案过度的第一步，所获得的初步设计是一种理想化的职责模型，它的重点是识别组成