基于中間層的軟件體系結構模型

侯 彬，張立臣

（廣東工業(yè)大學 廣東 廣州 510006）

隨著計算機技術的不斷發(fā)展和應用，軟件系統(tǒng)規(guī)模和復雜度日益增加。軟件設計人員在設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構來構造復雜的大型軟件系統(tǒng)。

1 軟件體系結構一般模型

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

軟件體系結構的特點：1）軟件系統(tǒng)結構是一個高層次上的抽象，它并不涉及具體的系統(tǒng)結構，也不關心具體的實現(xiàn)。2）軟件體系結構必須支持系統(tǒng)所要求的功能，在設計軟件體系結構時，必須考慮系統(tǒng)的動態(tài)行為。3）在設計軟件體系結構時，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。所以應在多個不同方向的目標中進行決策。

軟件系統(tǒng)建模技術的提出，其主要目的是為了解決因日益復雜的結構模型而導致的系統(tǒng)設計方面的問題。從早期提出的以數(shù)據(jù)為中心的體系結構模型，然后是以功能執(zhí)行為中心的體系結構模型，逐步發(fā)展到以系統(tǒng)內(nèi)核為中心的面向?qū)ο蟮捏w系結構模型。這些體系結構模型的演變進化是為了不斷適應計算機應用領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，但這些技術的共同目標就是提高實際應用系統(tǒng)的開放性、集成性、適應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構模型

[2-7]可以分析現(xiàn)有的幾種軟件體系結構模型的技術特性，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?。通過分析可以得出，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，每個部分的體系結構適合不同的模型。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），而且每個模塊適應不同的體系結構模型，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構建模的系統(tǒng)。因此，基于中間層的體系結構模型構建不同體系結構系統(tǒng)。

2.1 中間件

計算機技術迅速發(fā)展。從硬件技術看，CPU速度越來越高，處理能力越來越強；從軟件技術看，應用程序的規(guī)模不斷擴大，特別是Internet及WWW的出現(xiàn)，使計算機的應用范圍更廣，許多應用程序需在網(wǎng)絡環(huán)境的異構平臺上運行。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)絡協(xié)議和網(wǎng)絡體系結構連接。如何把這些系統(tǒng)集成起來并開發(fā)新的應用是一個非?，F(xiàn)實而困難的問題。

為解決分布異構問題，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)）和應用之間的通用服務，如圖1所示，這些服務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、硬件和OS平臺的透明性的應用或服務的交互；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。對于應用軟件開發(fā)，中間件遠比操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡服務更為重要，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，應用軟件幾乎不需任何修改，從而保護了企業(yè)在應用軟件開發(fā)和維護中的重大投資。

2.2 基于中間層的體系結構

基于類中間層的體系結構模型如圖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，中間層向應用界面提供接口，并為其提供服務；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構模型Fig.2 Architecture model based on middle layer

3 基于中間層的體系結構模型實例

以學校一卡通系統(tǒng)為實例，闡述基于中間層的體系結構模型。系統(tǒng)的終端是一張卡片，里面儲存相關用戶信息。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)為中心的體系結構的模型即可。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)的體系結構模型Fig.3 Architecture model of restaurants subsystem

以數(shù)據(jù)為中心體系結構模型的特點是[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）一個部件只需要關注其本身輸入和輸出的數(shù)據(jù)流。4）系統(tǒng)結構中功能上的聯(lián)系比較松散，無法實現(xiàn)功能復用，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)行為中心的體系結構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)的體系結構模型Fig.4 Architecture model of library subsystem

以功能執(zhí)行為中心的體系結構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)行功能與應用程序的分離；2）用戶與系統(tǒng)的界面交互功能和應用程序的分離。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，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系結構模型是把系統(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)的體系結構模型Fig.5 Architecture model of staff management subsystem

面向?qū)ο篌w系結構模型的特點[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，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模型。

該實例系統(tǒng)用中間層用協(xié)調(diào)各個子模塊，對應用層和子系統(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，應用層的設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)的體系結構模型Fig.6 Architecture model of card system

4 結束語

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

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