侯 彬，張立臣

（廣東工業(yè)大學 廣東 廣州 510006）

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，軟件系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜度日益增加。軟件設(shè)計人員在設(shè)計過程中不僅要考慮軟件系統(tǒng)的功能，而且要解決更難處理的可修改性、性能、可靠性、非功能性等問題。于是軟件開發(fā)人員開始研究軟件體系結(jié)構(gòu)來構(gòu)造復(fù)雜的大型軟件系統(tǒng)。

1 軟件體系結(jié)構(gòu)一般模型

一般的軟件體系結(jié)構(gòu)的定義[1]為：軟件體系結(jié)構(gòu)為軟件系統(tǒng)提供了一個結(jié)構(gòu)、行為和屬性的高級抽象，并由構(gòu)成系統(tǒng)的元素描述、元素相互作用、指導(dǎo)元素集成模式以及模式約束組成。軟件體系結(jié)構(gòu)不僅指定了系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和拓撲結(jié)構(gòu)，并且顯示了系統(tǒng)需求和構(gòu)成系統(tǒng)的元素之間的對應(yīng)關(guān)系，提供了一些設(shè)計決策的基本原理。

軟件體系結(jié)構(gòu)的特點：1）軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是一個高層次上的抽象，它并不涉及具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也不關(guān)心具體的實現(xiàn)。2）軟件體系結(jié)構(gòu)必須支持系統(tǒng)所要求的功能，在設(shè)計軟件體系結(jié)構(gòu)時，必須考慮系統(tǒng)的動態(tài)行為。3）在設(shè)計軟件體系結(jié)構(gòu)時，必須考慮現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容性、安全性和可靠性，同時還要考慮系統(tǒng)以后的擴展性和伸縮性。所以應(yīng)在多個不同方向的目標中進行決策。

軟件系統(tǒng)建模技術(shù)的提出，其主要目的是為了解決因日益復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模型而導(dǎo)致的系統(tǒng)設(shè)計方面的問題。從早期提出的以數(shù)據(jù)為中心的體系結(jié)構(gòu)模型，然后是以功能執(zhí)行為中心的體系結(jié)構(gòu)模型，逐步發(fā)展到以系統(tǒng)內(nèi)核為中心的面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)模型。這些體系結(jié)構(gòu)模型的演變進化是為了不斷適應(yīng)計算機應(yīng)用領(lǐng)域的擴大而引出的新的問題需求。雖然有很多軟件系統(tǒng)建模技術(shù)，但這些技術(shù)的共同目標就是提高實際應(yīng)用系統(tǒng)的開放性、集成性、適應(yīng)需求變化的擴展性以及開發(fā)與執(zhí)行的高效性。通過分析以上模型，并且又參考了很多現(xiàn)有的具有代表性的建模方式，最終提出一種新的基于中間層的建模方式。

2 基于中間層的體系結(jié)構(gòu)模型

[2-7]可以分析現(xiàn)有的幾種軟件體系結(jié)構(gòu)模型的技術(shù)特性，如：數(shù)據(jù)流、管道/過濾器、功能執(zhí)行中心、面向?qū)ο蟮饶Ｐ汀Ｍㄟ^分析可以得出，這些常用的模型都有自己的優(yōu)缺點，并不適合所有系統(tǒng)，如一個大型的可以分成多個模塊的項目。每個模塊的功能不同，每個部分的體系結(jié)構(gòu)適合不同的模型。如：學校一卡通系統(tǒng)（即：只要手持一張卡，就可以在學校里如：餐廳，圖書館等刷卡的場所進行相關(guān)活動，整個系統(tǒng)通過終端的刷卡機記錄其全部刷卡情況）有若干模塊組成（餐廳管理系統(tǒng)、圖書館管理系統(tǒng)、教職工管理系統(tǒng)等），而且每個模塊適應(yīng)不同的體系結(jié)構(gòu)模型，而采用上面提到的任何一種模型都不太合適。因此，針對那些可以分成若干個相互依賴而不是很緊密的子模塊，每個子模塊又適合用不同的體系結(jié)構(gòu)建模的系統(tǒng)。因此，基于中間層的體系結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建不同體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

2.1 中間件

計算機技術(shù)迅速發(fā)展。從硬件技術(shù)看，CPU速度越來越高，處理能力越來越強；從軟件技術(shù)看，應(yīng)用程序的規(guī)模不斷擴大，特別是Internet及WWW的出現(xiàn)，使計算機的應(yīng)用范圍更廣，許多應(yīng)用程序需在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的異構(gòu)平臺上運行。這一切都對新一代的軟件開發(fā)提出了新的需求。在這種分布異構(gòu)環(huán)境中，通常存在多種硬件系統(tǒng)平臺（如PC，工作站，小型機等），在這些硬件平臺上又存在各種各樣的系統(tǒng)軟件（如不同的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、語言編譯器等），以及多種風格各異的用戶界面，這些硬件系統(tǒng)平臺還可能采用不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)連接。如何把這些系統(tǒng)集成起來并開發(fā)新的應(yīng)用是一個非?，F(xiàn)實而困難的問題。

為解決分布異構(gòu)問題，提出了中間件（middle ware）的概念。中間件是位于平臺（硬件和操作系統(tǒng)）和應(yīng)用之間的通用服務(wù)，如圖1所示，這些服務(wù)具有標準的程序接口和協(xié)議。針對不同的操作系統(tǒng)和硬件平臺，它們可以有符合接口和協(xié)議規(guī)范的多種實現(xiàn)。

圖1 中間件示意圖Fig.1 Schematic of middle ware

中間件具有如下特點：1）滿足大量應(yīng)用的需要；2）運行于多種硬件和OS平臺；3）支持分布計算，提供跨網(wǎng)絡(luò)、硬件和OS平臺的透明性的應(yīng)用或服務(wù)的交互；4）支持標準的協(xié)議；5）支持標準的接口。

由于標準接口對于可移植性和標準協(xié)議對于互操作性的重要性，中間件已成為許多標準化工作的主要部分。對于應(yīng)用軟件開發(fā)，中間件遠比操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)更為重要，中間件提供的程序接口定義了一個相對穩(wěn)定的高層應(yīng)用環(huán)境，不管底層的計算機硬件和系統(tǒng)軟件怎樣更新?lián)Q代，只要將中間件升級更新，并保持中間件對外的接口定義不變，應(yīng)用軟件幾乎不需任何修改，從而保護了企業(yè)在應(yīng)用軟件開發(fā)和維護中的重大投資。

2.2 基于中間層的體系結(jié)構(gòu)

基于類中間層的體系結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。其思想是：1）把一個大的系統(tǒng)分成若干個子模塊，每個模塊根據(jù)其自身的特點選擇其合適的建模方式；2）在整個系統(tǒng)模型和應(yīng)用程序之間提供一個類似中間件的層次。底層的模塊形成的系統(tǒng)像上一層提供一些功能服務(wù)，中間層向應(yīng)用界面提供接口，并為其提供服務(wù)；3）各個子系統(tǒng)模塊之間的信息傳遞也是依靠中間層來完成的。

圖2 基于中間層的體系結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Architecture model based on middle layer

3 基于中間層的體系結(jié)構(gòu)模型實例

以學校一卡通系統(tǒng)為實例，闡述基于中間層的體系結(jié)構(gòu)模型。系統(tǒng)的終端是一張卡片，里面儲存相關(guān)用戶信息。在開發(fā)中，系統(tǒng)中可以分成若干模塊，如：餐廳子系統(tǒng)模塊、圖書館子系統(tǒng)模塊、教職工管理子系統(tǒng)模塊等等。

3.1 餐廳子系統(tǒng)模塊

餐廳子系統(tǒng)主要是往卡沖值、劃卡消費。此模塊用以數(shù)據(jù)為中心的體系結(jié)構(gòu)的模型即可。如圖3所示在以數(shù)據(jù)為中心的模型中，數(shù)據(jù)集合被置于整個軟件系統(tǒng)的核心位置，并以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)描述形式提供各個功能部件共享。各個功能部件的開發(fā)過程完全獨立，部件之間存在一致的數(shù)據(jù)交換接口。

圖3 餐廳子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Architecture model of restaurants subsystem

以數(shù)據(jù)為中心體系結(jié)構(gòu)模型的特點是[2]：1）系統(tǒng)的每個部件都有輸入端和輸出端。2）系統(tǒng)的各個部件是相互獨立的實體，它們之間不共享任何狀態(tài)信息，而且每個部件不必知道其上一步或下一步的部件是什么。除非是系統(tǒng)最前端的部件，否則部件不必知道系統(tǒng)輸入端的數(shù)據(jù)流是什么。3）一個部件只需要關(guān)注其本身輸入和輸出的數(shù)據(jù)流。4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中功能上的聯(lián)系比較松散，無法實現(xiàn)功能復(fù)用，容易造成代碼冗余。另外數(shù)據(jù)接口標準難于符合所有的應(yīng)用需求，這使此模型建造的系統(tǒng)模型帶有局限性。

3.2 圖書館子系統(tǒng)模塊

圖書館子系統(tǒng)主要是圖書的借入與借出，以功能執(zhí)行為中心的體系結(jié)構(gòu)的模型比較適合此模塊。該模型使用一個統(tǒng)一的執(zhí)行中心的形式來實現(xiàn)各類應(yīng)用或系統(tǒng)部件的數(shù)據(jù)和界面的共享，如圖4所示。

圖4 圖書館子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Architecture model of library subsystem

以功能執(zhí)行為中心的體系結(jié)構(gòu)的模型最大的特點是實現(xiàn)了2個分離[4]：1）共有的計算和執(zhí)行功能與應(yīng)用程序的分離；2）用戶與系統(tǒng)的界面交互功能和應(yīng)用程序的分離。這2個分離優(yōu)化了代碼執(zhí)行效率避免了代碼冗余，便于實現(xiàn)風格一致的用戶界面。程序與數(shù)據(jù)庫的交換功能集中到執(zhí)行中心統(tǒng)一實現(xiàn)，有利于數(shù)據(jù)的管理與維護，保證了數(shù)據(jù)的一致性。另外，這類模型既可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的開放性，又具備了功能的開放性，系統(tǒng)的擴充性也較好。

3.3 教職工管理子系統(tǒng)模塊

教職工管理子系統(tǒng)由于教職工與其職位有關(guān)，且一個教職工就是一個實體，雖然信息大部分都是個人自己獨特擁有，但其特征和行為大都相同，可以抽象出來組成一個教職工類型。所以，用面向?qū)ο蟮慕７绞奖容^適合。面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)模型是把系統(tǒng)中的所有資源如數(shù)據(jù)、模塊等都看作是一個個對象。數(shù)據(jù)的表示方法和其相應(yīng)操作封裝在一個對象中，各對象之間通過信息傳遞發(fā)生聯(lián)系，它是實現(xiàn)對象之間相互聯(lián)系和作用的唯一手段，如圖5所示。

圖5 教職工管理子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)模型Fig.5 Architecture model of staff management subsystem

面向?qū)ο篌w系結(jié)構(gòu)模型的特點[5]：1）封裝功能：為信息隱藏提供具體的實現(xiàn)手段，用戶不必知道對象的內(nèi)部狀態(tài)，只需了解其功能描述就可使用 （封裝是一種信息隱藏技術(shù)，目的使對象的生產(chǎn)者和使用者分離，使對象的定義和實現(xiàn)分開），可減輕開發(fā)一個軟件系統(tǒng)的難度和周期。2）繼承性：提供了代碼共享的手段。避免編程人員重復(fù)編寫代碼，編程人員可以方便地共享已有的軟件資源和程序代碼，從而大幅度提高軟件的開發(fā)效率和減少今后的軟件維護工作量。3）錯誤的局部性：某對象出現(xiàn)錯誤，就可限制在本對象之內(nèi)，不向外傳播。就對本對象進行修改，容易找到錯誤處理。4）調(diào)用的方式：對象和另一個對象主要通過過程調(diào)用進行交互，因此一個對象調(diào)用另一對象就必須知道該對象的標識。5）降低系統(tǒng)的效率：如果一旦改變了某一對象的標識符，就必須修改所有其他對象，并清除由此帶來的一些副作用。

圖6為一卡通系統(tǒng)的基于中間層的軟件體系機構(gòu)模型。

該實例系統(tǒng)用中間層用協(xié)調(diào)各個子模塊，對應(yīng)用層和子系統(tǒng)提供通用的接口，并且各個子系統(tǒng)模塊之間的信息傳遞依靠中間層完成。通過中間層，應(yīng)用層的設(shè)計就可以不必考慮子系統(tǒng)的模型差異，更便于開發(fā)。

圖6 一卡通系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)模型Fig.6 Architecture model of card system

4 結(jié)束語

通過分析幾種常見的軟件體系結(jié)構(gòu)模型，提出了一種基于中間層的體系結(jié)構(gòu)建模方法。在實際應(yīng)用中，應(yīng)該具體問題具體分析，選擇合適的體系結(jié)構(gòu)。分析總結(jié)每種結(jié)構(gòu)模型的特征和優(yōu)缺點，并用它來指導(dǎo)工程實踐活動，有利于工程人員和軟件可發(fā)人員基于不同的應(yīng)用目的選取合適的體系結(jié)構(gòu)，有利于提高軟件工程活動的質(zhì)量和效率。

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