软件工程体系机构设计ppt课件.ppt

《软件工程体系机构设计ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《软件工程体系机构设计ppt课件.ppt（102页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第 十 讲体 系 结 构 设 计,进行体系结构设计,设计的任务：从需求信息中综合出数据的表示、程序结构、接口特征和过程细节。信息、功能、行为是创建设计的三个指南。,软件体系结构,什么是软件体系结构？也称架构是关于软件系统组织的定义，一个程序和计算机系统软件体系结构是指系统的一个或者多个结构。结构中包括:软件的构件，构件的外部可见属性以及它们之间的相互关系，系统集成方法和约束。构件：是软件的组成单元，例如一个计算单元，或存储单元是一定程度上的抽象，非可运行的软件,软件体系结构,体系结构的作用凭借体系结构图，软件开发人员可以：分析设计在满足规定需求方面的有效性在设计变更相对容易的阶段，考虑体系结构

2、可能的选择方案降低与软件构造相关联的因软件构造不合理带来的风险,软件体系结构,软件体系结构设计,软件构件的结构、属性和交互作用,传统系统中体系结构的数据构件和面向对象系统中类的定义,软件体系结构（II）,体系结构为何如此重要？软件体系结构的表示有助于对系统开发感兴趣的利益相关者的各方交流突出了早期设计决策，这些决策对随后的软件工程工作有深远影响，同时对系统作为一个可运行实体的最后成功有重要作用构建了一个相对小的，易于理解的模型，该模型描述了系统如何构成以及其构件如何协同工作,体系结构发展过程-1,单主机结构界面、数据和程序集中在单台主机上不需要考虑多用户并发操作的问题C/S(Client/Se

3、rver)结构常见的服务器端体现为关系数据库客户端负责显示和业务逻辑处理在部署和扩展性方面存在不足：系统升级需要一一更新所有客户端,体系结构发展过程-2,B/S(Browser/Server)结构瘦客户端：浏览器或客户端程序(Applet等)三层结构客户端：处理用户接口和用户请求Web服务器端：处理Web服务和运行业务代码数据端：关系型数据库和其他后端数据资源新的发展：多层结构Web服务器分离为Web端和业务服务端(例如J2EE应用服务器),软件工程设计过程,需求分析,体系结构设计,模块化设计,用户界面设计,数据库设计,数据结构与算法设计,实现与测试计划,高层设计阶段,概要设计阶段,详细设计阶

4、段,数据设计,把在分析模型中定义的数据对象转化成软件构件级的数据结构，并在必要时转化为应用程序级的数据库体系结构体系结构级的数据设计数据仓库构件级的数据设计关注被一个或多个构件直接访问的数据结构的表示,数据设计体系结构级的数据设计,庞大数据环境中有效信息提取的方式数据挖掘数据库中的知识发现（KDD）数据仓库 数据仓库是一种解决方案,是对原始的操作数据进行 各种处理并转换成有用信息的处理过程,用户可以通过分 析这些信息从而作出策略性的决策。因此,在很多场合,我 们也把数据仓库系统称为决策支持系统。,数据设计构件级的数据设计,数据规格说明原则：1、应用于功能和行为的系统分析原则也可应用于数据2、标

5、识所有数据结构及其完成的操作3、应该建立定义数据对象内容的机制，并且用于定义数据及其操作4、低层的数据设计决策应该延迟到设计过程的后期5、只有那些直接使用数据结构内部数据的模块才能够看到该数据结构的表示6、应该开发一个由有用的数据结构及其操作组成的库7、软件设计和程序设计语言应该支持抽象数据类型的规格说明和实现,体系结构风格,软件体系结构风格（style），每种风格描述一种系统类别，包括四个关键元素：一组构件，它们完成系统需要的某种功能一组连接器，它们实现构件间的 “通信、合作和协调”约束，定义构件如何集成为一个系统语义模型，使设计者能通过分析系统的构成成分的性质，来理解系统的整体性质,体系结

6、构模式,体系结构模式是风格的具体体现，或者体系结构设计的一个框架。（1）体系结构模式涉及的范围要小一些，它更多集中在体系结构的某一局部而不是体系结构的整体（2）模式在体系结构上施加规则，描述了软件是如何在基础设施层次上处理某些功能性方面的问题（3）体系结构模式倾向于在系统结构的环境中处理特定的行为问题,体系结构风格、程序设计样式与设计模式,程序设计样式重点在于给出开发原则、可实现抽象层次：代码级直接可用设计模式重点在于重用、概念完整性抽象层次：构件级直接可用体系结构风格重点在于重用、概念完整性抽象层次：体系结构有约束和指导作用,体系结构风格,体系结构风格定义了一系列系统的结构组织的模式，它是对

7、一类具有相似结构的系统体系结构的抽象以数据为中心的体系结构数据流体系结构调用和返回体系结构面向对象体系结构层次体系结构,以数据为中心的体系结构,也称仓库，数据存储驻留在体系结构的中心，其他构件访问该数据存储，并进行各种数据操作黑板：当用户感兴趣的数据发生变化时，它将通知客户软件。一些数据(比如一个文件或者数据库)保存在整个结构的中心，并且被其他部件频繁地使用、添加、删除、或者修改,以数据为中心的体系结构（II）,提升可集成性，即现有的构件可以被修改而且新的客户构件可以加入到系统结构中，而无需考虑其他的客户。数据可以在客户间通过“黑板”机制传送，客户构件独立地执行过程。优点开放：数据对所有使用者

8、开放，客户软件可以直接决定存取方式客户构件基本独立问题客户软件难以协作中心数据的格式必须为所有客户软件所接受,数据流体系结构,也称管道/过滤器结构，这种结构适用于输入数据被一系列的计算或者处理部件变换成输出数据。拥有一组称为过滤器的构件，这些构件通过管道连接，每个过滤器独立于其上游和下游的构件而工作。,数据流体系结构（II）,数据需服从输入变换输出的简单流程优点 易理解过滤器易于重用系统易维护易并行运行问题适用于批处理，不易交互流的协作需要考虑.过滤器功能重复,调用和返回体系结构,主程序/子程序体系结构：将功能分解为一个控制层次结构，其中的“主”程序调用一组程序构件，这些程序构件又去调用别的程

9、序构件（此时，对于被调者来说，这些主调者就是主程序）远程过程调用体系结构：构件分布在网络的多个计算机上。,调用和返回体系结构,这种风格使一个软件设计者设计出非常容易修改和扩充的体系结构主程序/子程序风格体系结构远程过程调用风格的体系结构,在这里要了解几个概念：程序结构的深度：程序结构的层次数称为结构的深度。结构的深度在一定意义上反映了程序结构的规模和复杂程度。程序结构的宽度：层次结构中同一层模块的最大模块个数称为结构的宽度。模块的扇入和扇出：扇出表示一个模块直接调用（或控制）的其它模块数目。扇入则定义为调用（或控制）一个给定模块的模块个数。多扇出意味着需要控制和协调许多下属模块。而多扇入的模块

10、通常是公用模块。,面向对象体系结构,系统的构件封装了数据和应用到该数据上的操作构件间通过消息传递进行通信与合作。,层次体系结构,在这种结构中，定义不同的层次，每层都完成了相对外层更靠近机器指令的操作,层次体系结构,层次体系结构定义了不同的层次，各个层次完成各自操作每一层为上层提供服务，又接受下层的服务优点：明确的抽象层次、易于增减或修改层次问题：系统并不是总能分层,编译系统体系结构（例）,各个阶段共用符号表,编译系统体系结构（例）,中间表示成为逐渐成为中心,编译系统体系结构（例）,也许更适合看成仓库风格了,体系结构模式,不同模式操作下的一些特征：并发性持久性分布性,组织和求精,从两个方面考虑组

11、织和求精：控制数据,框架,一个特定应用领域问题的体系模式一个待实例化的完整系统实例MFC(Microsoft Foundation Classes)框架:微软把涉及文件、数据库操作、网络I/O、图形、通用数据结构、用户界面对象等应用功能构件组合在一起，封闭所得的应用框架。Struts：基于WEB应用的开发框架。专家系统外壳（行业应用框架）,体系结构设计,软件必须放在所处环境进行开发设计应该定义与软件交互的外部（其他系统、设备、人）和交互的特性描述一组体系结构原始模型原始模型是一个类或者一个模式，表示体系结构中稳定的元素，它是体系结构设计中抽象的构造块。设计者通过定义、精化对应于每一个原始模型的

12、构件来定义软件结构,系统的环境表示,体系结构环境图（architectural context diagram, ACD）：对软件与外部实体交互方式进行建模与目标系统（开发体系结构的系统）交互的系统可以表示为：上级系统：把目标系统作为某些高层处理方案的一部分下级系统：被目标系统使用，为了完成目标系统的功能提供必要的数据和处理同级系统：在对等的基础上相互作用参与者：通过产生和消耗必不可少的处理所需的信息，实现与目标系统交互的实体（人、设备）。,系统的环境表示,体系结构环境图Architectural Context Diagram (ACD),目标系统,体系结构环境,示例: SafeHome安全

13、功能的体系结构环境图（ACD图）,定义原始模型,原始模型(archetype)是一个类或一个模式，描述了一个目标系统体系结构设计的核心抽象。,将体系结构精化为构件,构件来源应用领域：分析模型中的类基础设施域：如内存管理、通信构件、数据库构件等界面领域：环境图中描述的接口隐含着一个或者多个特定的构件精化：将体系结构应用到一个特定的问题上,构件体系结构,构件体系结构（精化）,评估可选的体系结构设计,对于同一个软件需求，由于各种设计方法的原理不同，会导出不同的软件结构。 同一问题的不同软件结构：,评估可选的体系结构设计,体系结构权衡分析(Architecture Trade-off Analysis

14、 Method, ATAM)Step.1 收集场景Step.2 诱导需求、约束和环境描述Step.3 描述那些已经被用于解决场景和需求的体系结构风格/模式Step.4 通过孤立地考虑每个属性来评估质量属性Step.5 针对特定的体系结构风格、弄清质量属性对各种体系结构属性的敏感性Step.6 使用上步的敏感性分析鉴定候选体系结构,体系结构权衡分析(ATAM),1)定义应用场景（scenarios）：通过use case图来从用户的角度表现系统。2)得出需求、约束和环境描述：这是需求工程的一部分，用以确定所有客户方关心的问题都被列出。3)描述能处理上述情境和需求的体系结构风格。4)单独地评价系统

15、的各项性能。针对体系结构设计的性能包括：可靠性，性能、安全性，可维护性，灵活性，可测试性，可移植性，可重用性和互操作性等。,体系结构权衡分析(ATAM),5)针对不同的架构形式，评价第4步提到的这些性能的敏感程度。可以通过这样的方法来评价：在整个架构中做一些小的变更，分析并确定上诉性能有没有很敏感的变化。那些在体系结构改动中受到较大影响的性能被称为敏感点（sensitive point）。6)通过第5步的敏感度分析来评价第三步中提出的那些体系结构。SEI描述的方法如下：当一个架构的敏感点被确定，我们需要找到在系统中最需要权衡利弊的因素（trade-off point）。权衡因素就是指改变架构中

16、的这项内容系统的很多性能就会发生敏感的变化。比如说，一个client-server结构的系统的表现性能和系统中server的数量是息息相关的（比如增加server的数量，一定程度上系统的表现性能就会提高）这样的话，server的数量就是这个架构中的平衡点。,体系结构权衡分析(II),是在考虑多个相互影响的质量属性的情况下, 从原则上提供一种理解软件体系结构能力的方法。对于特定的软件体系结构, 在系统开发之前, 可以使用ATAM方法确定在多个质量属性之间折中的必要性可以把ATAM方法视为一个框架, 该框架依赖于质量属性, 可以使用不同的分析技术可以迭代地改进,面向数据流设计的基本概念,面向数据流

17、设计（SD）要解决的任务：,DFD（软件系统逻辑模型）,软件系统的结构（软件结构的初始结构描述）,映射,面向数据流设计的基本步骤,精化DFD确定信息流DFD类型把DFD映射到系统模块结构设计出模块结构的上层基于DFD逐步分解高层模块设计出下层模块根据模块独立性原理，精化模块设计模块接口描述系统结构特征：变换型结构事务型结构混合型结构,映射数据流到软件体系结构,映射数据流到软件体系结构,定义了一些不同的“映射”，利用这些映射可以把数据流图变换成软件结构。信息流的类型决定了映射的方法。两种信息流类型：变换型、事务型。变换分析是软件系统结构设计的主要方法。大型软件系统通常是变换型结构和事务型结构的混

18、合通常采用以变换分析为主，事务分析为辅的方式进行软件结构设计。,映射数据流到软件体系结构,变换流,事务流,变换流,信息沿着各种路径进入系统，这些路径称为输入流输入数据通过“变换中心” ，进行转换，此处的信息流称为变换流转换后的数据沿各种路径流出软件，这些流出的路径称为输出流,变换流分析,变换型数据流图,变换流设计实例步骤,第一级分解建立初始结构框架,第二级分解分解结构图各分支,变换流分析实例结构图,变换流分析示例,事务流,将外部信息转换成一个事务，对事务进行评估，并且根据评估结果，启动其中一条（也可能是若干条）动作路径流发出很多动作路径的信息流中心称为事务中心,事务流分析,变换映射,步骤评审基

19、本系统模型评审和精化软件的数据流图确定DFD是否含有变换流或事务流特征通过确定输入和输出流的边界，分离出变换中心完成“第一级分解”完成第二级分解，将DFD中的每个加工映射到体系结构中的相应模块精化第一次迭代得到的体系结构,变换映射（II）,变换映射（III）,事务映射,步骤评审基本系统模型评审和精化软件的数据流图确定DFD含有变换流还是事务流特征标识事务中心和每条动作路径上的流特征将DFD映射到一个适合事务处理的体系结构上分解并精化事务结构和每条动作路径的结构精化第一次迭代得到的体系结构,事务映射（II）,区别：1、有调度模块2、无处理模块,面向数据流的设计方法（I）,汽车数字仪表板的设计(1

20、) 通过模数转换实现传感器和微处理机接口；(2) 在发光二极管面板上显示数据；(3) 指示每小时英里数(mph)，行驶里程，每加仑油行驶的英里数(mpg)等等；(4) 指示加速或减速；(5) 超速警告：如果车速超过55英里/小时，则发出超速警告铃声。,面向数据流的设计方法（II）,完成“第一级分解”位于软件结构最顶层的控制模块Cm协调下述从属模块的功能：输入信息处理控制模块Ca,协调对所有输入数据的接收；变换中心控制模块Ct,完成对内部形式的数据的所有操作；输出信息处理控制模块Ce，协调输出信息的产生。,面向数据流的设计方法（III）,面向数据流的设计方法（IV）,第二级分解把DFD中的每个处

21、理映射成软件结构中一个适当的模块第二级分解方法从变换中心的边界，沿着输入通路向外移动，把输入通路中每个处理映射成软件结构中Ca控制下的一个低层模块从变换中心的边界，沿输出通路向外移动，把输出通路中每个处理映射成受模块Ce控制的一个低层模块把变换中心内的每个处理映射成受Ct控制的一个模块,面向数据流的设计方法（V）,输入的处理,加工的处理,输出的处理,面向数据流的设计方法（VI）,为了得到一个易实现、易测试、易维护的软件结构，应该对初步分割得到的模块进行再分解或合并。,第一级分解,变换分析过程,复审基本系统模型复审并精化DFD确定DFD的类型确定输入流和输出流的边界，孤立变换中心完成“第一级分解

22、” （确定顶层和第一层）完成“第二级分解”(把每个处理映射到SC的一个模块)利用启发式规则和设计度量对软件结构进一步精化,打印,显示,键盘输入,传感器,复审并精化DFD，确定类型,确定边界，即确定逻辑输入（离物理输入端最远，但仍然可以被看作系统输入的那些数据流）和逻辑输出（离物理输出端最远，但仍然可以被看作系统输出的那些数据流）。,第一级分解,确定顶层和第一层,从边界沿输出通路向外移动，将每个处理映射成Me的子模块,第二级分解：,将变换中心内的处理映射成Mt的子模块,从边界沿输入通路向外移动，将每个处理映射成Ma的子模块；,在输入、输出路径上数据的内容和形式也可能发生变化，但应区别于中心加工,

23、出卷系统案例(I),一层数据流图（回顾）,出卷系统案例(II),二级数据流图（自动出卷部分，回顾）,出卷系统案例,Tektronix示波器软件体系结构案例,示波器是对电子信号进行测量，并把结果以图形(轨迹)的形式显示在屏幕上的仪表系统设计示波器软件时面临的问题：复用率极低新示波器软件要根据硬件性能和用户要求的接口重新设计不能快速配置软件，影响了示波器性能的增强只能加载不同的软件,案例（II）,面向对象的风格阐述了各个基本信息成分：波形、信号、测量等问题：难以说明这些成分怎样组合对于不同的功能要求建立一个怎样的数据类型是一个很模糊的概念：测量的结果是应该与被测量的数据类型相同还是与外部的描述一致呢?,案例（III）,层次风格核心层是硬件第二层是波形数字化信号被数字化后储存到内存中第三层是波形处理包括测量、波形迭加、传输等第四层是显示功能将数字化的波形经处理后显示出来最外层是用户接口用户决定哪些数据应该显示在屏幕上,案例（IV）,层次风格没有实际操作的可能例如，模型要求用户与示波器联系只能根据可见性描述出来然而实际上，真正的示波器用户可对所有的层次功能直接产生联系如在硬件层中应可选择探测形式和参数,案例（V）,管道/过滤器模型,没有描述用户的交互机制,案例（VI）,管道/过滤器模型,1988 - 1991,