基于面向?qū)ο蟮膽?yīng)用軟件體系結(jié)構(gòu)

韓山師范學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 胡能發(fā)

1 引言

隨著軟件系統(tǒng)規(guī)模與復(fù)雜度的加劇、軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)顯得越來(lái)越重要。特別是對(duì)于大規(guī)模的軟件系統(tǒng)而言，好的軟件結(jié)構(gòu)可以大大降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高軟件生產(chǎn)效率，方便軟件維護(hù)，控制軟件開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。因此，如何確定軟件系統(tǒng)框架尤為重要。近年來(lái)，軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)不斷成熟，各種面向?qū)ο蟮能浖_(kāi)發(fā)工具，已經(jīng)成為人們的首方法，已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)方法。基于面向?qū)ο蟮能浖w系結(jié)構(gòu)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各類軟件的開(kāi)發(fā)之中。

2 軟件體系結(jié)構(gòu)的建模

軟件體系結(jié)構(gòu)模型中最常用的模型是結(jié)構(gòu)模型與動(dòng)態(tài)模型，共分為5種類型，主要有：結(jié)構(gòu)模型、框架模型、動(dòng)態(tài)模型、過(guò)程模型及其功能模型。

2.1 結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)模型是一種最能用的模型，也是一種最直觀的建模方法。這種建模方法以軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件、連接件及其他概念來(lái)表達(dá)軟件的體系結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)模型的核心是軟件體系結(jié)構(gòu)描述語(yǔ)言，它是通過(guò)結(jié)構(gòu)建模來(lái)反映系統(tǒng)的重要語(yǔ)義內(nèi)容，包括系統(tǒng)的配置、約束條件、隱含的假設(shè)條件、軟件風(fēng)格、屬性等等。

2.2 框架模型

軟件框架模型主要側(cè)重于描述系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，與結(jié)構(gòu)模型類似，也是一種直觀的建模方法，但它對(duì)軟件結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)描述不太深入。因此框架模型重點(diǎn)是對(duì)一些特殊的問(wèn)題建模，以適應(yīng)問(wèn)題域本身的結(jié)構(gòu)。

2.3 動(dòng)態(tài)模型

軟件系統(tǒng)的”大顆?！钡男袨橥哂袆?dòng)態(tài)性，這種動(dòng)態(tài)建模方法是對(duì)結(jié)構(gòu)模型及框架模型的補(bǔ)充。有些軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本身就具有動(dòng)態(tài)。例如，在軟件助手的設(shè)計(jì)中，由于用戶角色發(fā)生變化，造成了用戶對(duì)軟件助手產(chǎn)生不同的體驗(yàn)，因此，軟件體系結(jié)構(gòu)的配置、建立或刪除、更新是具有動(dòng)態(tài)性的，這種模型描述了系統(tǒng)的重新配置或演化。

2.4 過(guò)程模型

軟件過(guò)程模型是一種軟件開(kāi)發(fā)策略，這種策略為軟件工程的提供了一套系統(tǒng)開(kāi)發(fā)范形，以方便對(duì)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。任何不同種類的系統(tǒng)，都需要建立相應(yīng)的軟件過(guò)程模型，確定項(xiàng)目與應(yīng)用的性質(zhì)、開(kāi)發(fā)方式及需要控制的過(guò)程。

2.5 功能模型

該模型將軟件結(jié)構(gòu)看成是一組功能構(gòu)件的集成，它描述了軟件系統(tǒng)從輸入到輸出的加工過(guò)程，該模型著重描述了系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，并將系統(tǒng)的控制性質(zhì)作出行為化的描述。在UML中主要采用用例圖來(lái)表達(dá)，在結(jié)構(gòu)化分析方法中則采用數(shù)據(jù)流圖來(lái)描述軟件系統(tǒng)的功能需求。

以上這5種模型各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，從軟件開(kāi)發(fā)的不同視角來(lái)看，將這5種模型按一定的方式進(jìn)行整合集成，將形成一個(gè)從不同視角來(lái)刻畫(huà)軟件體系結(jié)構(gòu)的完整模型。最典型的模型是Kr ucht en于1995年提出的“4+1”的視圖模型。該模型從5個(gè)不同的視角來(lái)刻畫(huà)軟件的體系結(jié)構(gòu)，類似于從不同方向觀察某一物體的形態(tài)等。“4+1”的視圖模型包括邏輯視角、過(guò)程視角、物理視角、開(kāi)發(fā)視角及場(chǎng)景視角，每一個(gè)視角只描述軟件系統(tǒng)的一個(gè)側(cè)面，只有將5個(gè)視角全部結(jié)合在一起，才能全面反映出軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的所有內(nèi)容。

3 面向?qū)ο蟮膽?yīng)用軟件體系結(jié)構(gòu)

面向?qū)ο蠓椒▉?lái)源于人們的自然思維方式，是人們認(rèn)識(shí)自然最直觀也是最直接的方法。人們通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中客觀存在的事物進(jìn)行抽象，規(guī)范，將現(xiàn)實(shí)世界中的物理模型轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的邏輯模型，最終構(gòu)造出軟件系統(tǒng)。面向?qū)ο蠓椒ㄔ诜治鱿到y(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)，以問(wèn)題域中的事物作為分析的依據(jù)，從中發(fā)現(xiàn)對(duì)象、發(fā)現(xiàn)對(duì)象屬性及服務(wù)，以對(duì)象作為軟件系統(tǒng)的最基本的構(gòu)成單元，所有對(duì)象的集合集成在一起，并以一定的方式描述各對(duì)象的關(guān)系，最終形成對(duì)象層、特征層以及關(guān)系層結(jié)構(gòu)，從而完整地形成整個(gè)軟件。面向?qū)ο蠓椒ㄋO(shè)計(jì)的軟件，可以看成問(wèn)題域物理模型到軟件系統(tǒng)邏輯模型的映射。

軟件體系結(jié)構(gòu)實(shí)際上是構(gòu)件的集成，其組成元素具有一定形式化的結(jié)構(gòu)，主要包括處理構(gòu)件、數(shù)據(jù)構(gòu)件以擴(kuò)連接構(gòu)件等。其中對(duì)數(shù)據(jù)的加工處理由處理構(gòu)件來(lái)完成，數(shù)據(jù)構(gòu)件是被處理的對(duì)象，將軟件體系結(jié)構(gòu)中不同部分組組合連接起來(lái)，則是由連接構(gòu)件完成。

軟件體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)程序或系統(tǒng)的構(gòu)件的組織結(jié)構(gòu)，它們之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系以及支配系統(tǒng)設(shè)計(jì)和演變的原則和方針。一般地，一個(gè)系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)描述了該系統(tǒng)中的所有計(jì)算構(gòu)件，構(gòu)件之間的交互、連接件以及如何將構(gòu)件和連接件結(jié)合在一起的約束。研究軟件體系結(jié)構(gòu)的首先要解如何將軟件體系結(jié)構(gòu)表達(dá)出來(lái)，即通過(guò)結(jié)構(gòu)建模來(lái)表示軟件體系結(jié)構(gòu)。

一個(gè)軟件系統(tǒng)的綜合性能往往與軟件系統(tǒng)的開(kāi)放性具有一定的關(guān)聯(lián)，軟件系統(tǒng)可擴(kuò)充性強(qiáng)，數(shù)據(jù)的開(kāi)放性、功能的開(kāi)放性好，對(duì)將系統(tǒng)的升級(jí)與維護(hù)十分重要。而軟件結(jié)構(gòu)是否具備良好的開(kāi)放性，最關(guān)鍵的是采用什么樣的模型來(lái)開(kāi)發(fā)軟件系統(tǒng)。如果模型不合理甚至沒(méi)有模型，就有可能出現(xiàn)象60年代一樣軟件危機(jī)，造成軟件性能下降，甚至開(kāi)發(fā)失敗。軟件各模塊獨(dú)立開(kāi)發(fā)完成后，其系統(tǒng)的集成則是整個(gè)軟件能否高效運(yùn)行的關(guān)鍵。將各功能子系統(tǒng)統(tǒng)一集成到同一個(gè)環(huán)境后，其性能的好壞取決于開(kāi)發(fā)系統(tǒng)所采用的模型。

開(kāi)放性對(duì)于應(yīng)用軟件休系結(jié)構(gòu)而，一般與社會(huì)技術(shù)發(fā)展水平有關(guān)。從1946年第一臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以來(lái)，計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)以驚人的速度向前發(fā)展，同時(shí)各種計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)工具、開(kāi)發(fā)方法與技術(shù)層出不窮，面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)工具與技術(shù)已非黨成熟，曾先后出現(xiàn)了許多類系統(tǒng)模型，引頷著軟件技術(shù)的不同以展階段。其模型主要有4種，它們是以數(shù)據(jù)為中心的系統(tǒng)模型、以執(zhí)行為中心的系統(tǒng)模型、面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)模型、基于總線的系統(tǒng)模型。

以數(shù)據(jù)為中心的系統(tǒng)模型，在軟件系統(tǒng)的核心層中共享數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中各部份采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式來(lái)描述，以方便各子系統(tǒng)部件交互。各子系統(tǒng)獨(dú)立完全開(kāi)發(fā)，模塊之間耦合度低，獨(dú)立性強(qiáng)。這類系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)充性，數(shù)據(jù)開(kāi)放性好，方便系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)，是面向?qū)ο蠓椒ㄖ饕攸c(diǎn)。

以執(zhí)行為中心的系統(tǒng)模型，通過(guò)將可執(zhí)行的代碼放在一個(gè)執(zhí)行中，來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶或?qū)ο髮?duì)代碼的共享房問(wèn)，避免了代碼冗余，數(shù)據(jù)與界面具有一致性。例如目前流行的3D游戲開(kāi)發(fā)工具Unit y3d軟件，其開(kāi)發(fā)的軟件就具有這種類似結(jié)構(gòu)。這類模型將執(zhí)行功能從各對(duì)象的服務(wù)功能中分離出來(lái)，放在執(zhí)行中心共享。這類模型可擴(kuò)充性好，具有數(shù)據(jù)開(kāi)放性以及功能開(kāi)放性，整體上比以數(shù)據(jù)為中心的系統(tǒng)模型要好。

由于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的發(fā)展，各種面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ?、分析與設(shè)計(jì)技術(shù)及軟件已非常成熟，出現(xiàn)了面向?qū)ο蟮能浖w系結(jié)構(gòu)模型。該模型強(qiáng)調(diào)對(duì)象封裝，用戶操作界面、共享的數(shù)據(jù)及相應(yīng)的操作，都被封裝在所在的對(duì)象中。從軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，這種模型沒(méi)有中心，沒(méi)有順序，系統(tǒng)完成由各對(duì)象組成。面向?qū)ο笾饕攸c(diǎn)是封裝、繼承與多態(tài)，這各模型結(jié)構(gòu)與以數(shù)據(jù)為中心及以執(zhí)行為中心的模型完成不同，主要優(yōu)點(diǎn)在于，數(shù)據(jù)和功能的合理封裝降低系統(tǒng)復(fù)雜性，從整體上看，優(yōu)于前兩類模型。

基于總線的軟件系統(tǒng)模型，是在面向?qū)ο鬄榛A(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，由于組件與中間件技術(shù)，是面象對(duì)象技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，因此在建立軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型時(shí)引入了新的思想，產(chǎn)生了新的軟件工程技術(shù)，即基于總線的軟件系統(tǒng)模型。這種技術(shù)是面向?qū)ο蠹夹g(shù)的產(chǎn)物，采用這種技術(shù)開(kāi)發(fā)軟件，需要建立一種高效的總線結(jié)構(gòu)，規(guī)范的一致接口，使得不同組件之間通過(guò)公共的接口集成起來(lái)。這種結(jié)構(gòu)極大地降低了各組件通訊的復(fù)雜度，提高了組件的互操作性。

4 結(jié)束語(yǔ)

面向?qū)ο蠹夹g(shù)具有易維護(hù)、可讀性高、可重用好、易擴(kuò)展、開(kāi)發(fā)效率高的優(yōu)點(diǎn)，其開(kāi)發(fā)方法接近于日常生活和自然的思考方式，由于面向?qū)ο蠹夹g(shù)主要特征是繼承、封裝與多態(tài)，其模型所設(shè)計(jì)的軟件體系結(jié)構(gòu)獨(dú)立性高，使得系統(tǒng)更靈活、更容易擴(kuò)展，因此，該方法已成為當(dāng)下軟件系統(tǒng)首選的開(kāi)發(fā)方法。

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