研究生課程軟件體系結(jié)構(gòu)的教學(xué)實踐探討

沈瑩　張林

摘 要：軟件體系結(jié)構(gòu)課程是軟件工程知識領(lǐng)域的重要組成部分，銜接需求分析和概要設(shè)計兩個階段，教學(xué)內(nèi)容要求緊密圍繞該領(lǐng)域的最新研究成果展開，難度很大，不容易組織。文章從內(nèi)容、課程實踐項目、教學(xué)效果評估3方面對這門課程的建設(shè)方案進(jìn)行全面闡述。

關(guān)鍵詞：軟件體系結(jié)構(gòu)；質(zhì)量屬性驅(qū)動；軟件架構(gòu)設(shè)計；軟件架構(gòu)文檔；軟件架構(gòu)評估

1 背 景

軟件體系結(jié)構(gòu)，又稱軟件架構(gòu)，是軟件工程領(lǐng)域一個非常重要的組成部分。人們目前一般認(rèn)為軟件開發(fā)過程包含需求分析、概要設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、編碼、測試、維護(hù)等幾個階段。在需求分析階段，開發(fā)人員得到一組關(guān)于系統(tǒng)功能的用例；到了概要設(shè)計階段，開發(fā)人員需要為每個用例確定對應(yīng)的函數(shù)以及參數(shù)名稱和個數(shù)。對于開發(fā)一個很小的系統(tǒng)來說，由于用例數(shù)量少，函數(shù)間的調(diào)用關(guān)系簡單，從用例過渡到函數(shù)實現(xiàn)相對容易，但是目前新出現(xiàn)的軟件規(guī)模越來越大（如Visual Studio 2017安裝包就有3G，而MATLAB 2016 b有6G），功能越來越復(fù)雜，安全性/實時性要求越來越高。開發(fā)大型軟件時，開發(fā)人員需要對系統(tǒng)進(jìn)行合理的模塊劃分，設(shè)計子系統(tǒng)，確定軟件各模塊調(diào)用邏輯，避免出現(xiàn)代碼冗余、代碼膨脹、后期難以修改等致命的問題，這些內(nèi)容則屬于軟件架構(gòu)設(shè)計的范疇。軟件架構(gòu)設(shè)計是軟件工程不可或缺的一部分，連接了需求分析和概要設(shè)計兩個階段，如圖1所示。

雖然軟件架構(gòu)設(shè)計的地位非常重要，但是目前開設(shè)這門課程的高校卻不多。為了滿足軟件工程專業(yè)的培養(yǎng)要求，同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院于2014年開設(shè)了軟件體系結(jié)構(gòu)這門課程，旨在教授學(xué)生如何設(shè)計軟件架構(gòu)、編寫架構(gòu)文檔、對軟件架構(gòu)進(jìn)行評估等知識和方法。為了使學(xué)生對軟件架構(gòu)有一個完整的認(rèn)識，教師可以卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)軟件工程學(xué)院（software engineering institute， SEI）編寫的教材[1]為基礎(chǔ)，綜合目前流行的軟件架構(gòu)模式和多方面資料，制訂相應(yīng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容[2]；同時，每部分理論知識應(yīng)對應(yīng)有課程實踐，學(xué)生能夠通過完成作業(yè)和項目，最終掌握相應(yīng)的知識點。

2 課程內(nèi)容

2.1 軟件質(zhì)量屬性

質(zhì)量屬性需求在設(shè)計軟件架構(gòu)過程中起決定性作用，因此本知識點旨在教授學(xué)生熟悉軟件的質(zhì)量屬性以及每種質(zhì)量屬性的具體例子。在本知識點中，軟件質(zhì)量屬性包含可用性（availability）、可修改性（modifiability）、安全性（security）、性能（performance）、可移植性（portability）、可擴展性（portability）、可測試性（testability）等方面。

學(xué)生學(xué)習(xí)使用場景的形式表示每種質(zhì)量屬性?？捎眯缘母乓獔鼍昂途唧w場景[1]如圖2所示。一個場景包含6個部分：source of stimulus、stimulus、artifact、environment、response和response measure。采用場景表示法能夠統(tǒng)一不同質(zhì)量屬性的表示方式，有利于理解項目需求，幫助架構(gòu)師分析、設(shè)計合適的軟件架構(gòu)。

2.2 軟件架構(gòu)策略和模式

軟件架構(gòu)策略（tactics）是一些能保證系統(tǒng)達(dá)到所需質(zhì)量屬性要求的技術(shù)總稱，如可用性的策略包括備份策略、時間戳策略、回滾策略、模塊監(jiān)控策略等。策略可以提高軟件某一個屬性方面的質(zhì)量，軟件架構(gòu)模式則由一系列的策略組成，是在不同軟件質(zhì)量屬性間作出的一種權(quán)衡（tradeoff）。之所以稱為權(quán)衡，是因為軟件質(zhì)量屬性之間存在著沖突，如采用備份策略增強系統(tǒng)勢必影響到系統(tǒng)的性能（因為需要花時間完成備份間的同步）。常用的軟件架構(gòu)包括分層模式（layered pattern）、代理人模式（broker pattern）、MVC模式、管道過濾器模式（pipe-and-filter pattern）、P2P模式、CS架構(gòu)等。文獻(xiàn)[3]中又總結(jié)了另外3種架構(gòu)模式：事件驅(qū)動架構(gòu)（event-driven architecture）、微內(nèi)核架構(gòu)（microkernel architecture）和微服務(wù)架構(gòu)（microservice architecture）。

軟件架構(gòu)策略和模式具有很強的經(jīng)驗性，簡單地要求學(xué)生記住各種軟件架構(gòu)模式的特點是很難做到的。為了讓學(xué)生深入理解各種策略和模式，可在課程內(nèi)容中引入KWIC系統(tǒng)（該系統(tǒng)的詳細(xì)說明見3.2節(jié)），以說明根據(jù)不同架構(gòu)模式設(shè)計出的軟件有什么樣的特點，另外還可引入示波器軟件，說明如何根據(jù)需求找出合適的架構(gòu)模式并加以修改，直至最終設(shè)計出合適的軟件架構(gòu)。

2.3 質(zhì)量屬性驅(qū)動的軟件架構(gòu)設(shè)計

如何挑選和設(shè)計軟件架構(gòu)需要架構(gòu)師的經(jīng)驗，但是從系統(tǒng)的質(zhì)量屬性出發(fā)設(shè)計軟件架構(gòu)是一個很好的實踐方法。質(zhì)量屬性驅(qū)動法（ADD）根據(jù)用戶的需求輸出一系列的架構(gòu)視圖以及視圖中每個模塊的功能和相互作用關(guān)系。這些輸出結(jié)果是軟件架構(gòu)的原型，根據(jù)這個原型能夠很快得到最終的軟件架構(gòu)。ADD方法包括3個步驟：①找出要分析的對象模塊；②分析該模塊的需求，設(shè)計該模塊的架構(gòu)模式，分解模塊并分配需求和功能，定義子模塊的接口；③重復(fù)第2步直至模塊無法分解。

2.4 軟件架構(gòu)文檔編寫

軟件架構(gòu)文檔是用于記錄軟件架構(gòu)的重要工具，一方面描述了軟件架構(gòu)師在設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)時作出哪些重要決策，另一方面是一種對后期代碼實現(xiàn)的約束。架構(gòu)文檔是會議討論和信息傳遞的基礎(chǔ)，一個清晰完整的架構(gòu)文檔對所有參與的人員都有重要意義。本知識點包括：①如何選擇適合的結(jié)構(gòu)作為架構(gòu)文檔的內(nèi)容；②如何根據(jù)模板撰寫架構(gòu)文檔。學(xué)生需要學(xué)習(xí)根據(jù)模板將合適的結(jié)構(gòu)寫入架構(gòu)文檔中。

2.5 軟件架構(gòu)評估

架構(gòu)師設(shè)計好軟件架構(gòu)并且撰寫架構(gòu)文檔后，項目參與人員需要對該架構(gòu)進(jìn)行評估以確認(rèn)是否符合項目需求。軟件開發(fā)前期的架構(gòu)評估可以避免系統(tǒng)出現(xiàn)致命且難以修改的錯誤，提高軟件開發(fā)的成功率。SEI提供了一種架構(gòu)評估的方法，即體系結(jié)構(gòu)權(quán)衡分析方法（architecture tradeoff analysis method，ATAM）。該方法包含9個步驟，如圖3所示，基于軟件架構(gòu)文檔和需求文檔，參與ATAM討論的人員通過提問的方式向架構(gòu)師確認(rèn)設(shè)計的軟件架構(gòu)能夠滿足所有功能需求和質(zhì)量屬性方面的需求。如果該架構(gòu)不能滿足某些重要的需求，那么架構(gòu)師需要修改軟件架構(gòu)和文檔直至滿足要求為止。endprint

3 課程實踐項目

3.1 ICDE系統(tǒng)的質(zhì)量屬性分析

為了使學(xué)生更好地理解不同質(zhì)量屬性的含義，教師可以通過一個具體的項目（ICDE系統(tǒng)）需求演示該軟件需要具有哪些質(zhì)量屬性。ICDE系統(tǒng)是一個小型系統(tǒng)，用于記錄客戶端用戶的所有操作，如瀏覽頁面的網(wǎng)址、搜索的字符串等，這些信息將被ICDE系統(tǒng)保存在數(shù)據(jù)庫里，供第三方工具分析使用，如圖4所示。項目需求顯示該系統(tǒng)要求記錄用戶每個操作的時間不超過0.1秒；另外，該系統(tǒng)要求能同時將150個用戶的操作保存至數(shù)據(jù)庫中。

課堂實踐中，學(xué)生從性能、可擴展性、可修改性、安全性、可用性、集成性6方面具體分析ICDE系統(tǒng)的質(zhì)量屬性?；趫鼍氨硎痉ǎ瑢W(xué)生需要根據(jù)需求為ICDE系統(tǒng)的每個質(zhì)量屬性找出一個具體場景，并明確指出Source of stimulus、Stimulus、Artifact、Environment、Response和Response measure分別是什么。

3.2 KWIC系統(tǒng)的實現(xiàn)

KWIC系統(tǒng)是一個關(guān)鍵字檢索系統(tǒng)，包含兩個基本功能：①將用戶輸入的字符串（一般為電影名稱）進(jìn)行移位操作并將移位后的字符串保存至數(shù)據(jù)庫；②按照用戶輸入的關(guān)鍵字在數(shù)據(jù)庫中查找相關(guān)電影。課堂上學(xué)生將分析4種架構(gòu)模式下KWIC系統(tǒng)的實現(xiàn)方式，包括數(shù)據(jù)共享架構(gòu)、管道過濾器架構(gòu)、面向?qū)ο蟮某橄髷?shù)據(jù)類型架構(gòu)和事件驅(qū)動的隱式調(diào)用架構(gòu)。每種架構(gòu)都有各自的優(yōu)缺點，通過表格對比，學(xué)生能夠?qū)W習(xí)到以下幾點：①架構(gòu)設(shè)計跟需求有關(guān)，只有適合/不適合的架構(gòu)，沒有絕對好的架構(gòu)；②軟件架構(gòu)模式包含多種策略，是在多個軟件質(zhì)量屬性方面作出的折衷性決策集合。

學(xué)生在課堂上需要了解KWIC系統(tǒng)的需求，并對4種不同架構(gòu)的特點進(jìn)行分析。在課下實踐中，學(xué)生需要下載4種架構(gòu)下實現(xiàn)好的代碼，根據(jù)每種架構(gòu)特點對系統(tǒng)已有的功能進(jìn)行修改，如給系統(tǒng)增加新的功能、改變數(shù)據(jù)類型等。通過該實踐項目，學(xué)生可以親身體會不同架構(gòu)對可能發(fā)生的修改會產(chǎn)生怎樣的影響。

除此之外，學(xué)生還要回答一系列問題，如修改系統(tǒng)功能時需要修改哪些模塊？該架構(gòu)是否支持這種修改？最后學(xué)生需要將答案整理成報告提交給教師。

3.3 利用ADD方法的軟件架構(gòu)設(shè)計

該實踐項目首先讓學(xué)生學(xué)習(xí)ADD方法如何運用在車庫門控制系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計中。車庫門控制系統(tǒng)允許用戶通過開關(guān)按鈕、遙控器和家庭信息系統(tǒng)3種方式控制車庫門的開閉；另外家庭信息系統(tǒng)可以診斷車庫門控制系統(tǒng)出現(xiàn)的問題；最后該系統(tǒng)能夠在多種處理器上運行?？梢蕴崛〕?個質(zhì)量屬性方面的需求：①檢測到障礙物時，門需要在0.1s內(nèi)停止；②車庫門的開閉命令；③支持多種處理器；④多種操作界面。從質(zhì)量屬性出發(fā)，軟件架構(gòu)增加了虛擬機模塊和時間調(diào)度模塊機制，保證實現(xiàn)的系統(tǒng)滿足以上需求。第一輪迭代結(jié)果[1]如圖5所示。

繼續(xù)迭代第2個步驟直至每個模塊不能繼續(xù)劃分為止，這樣就可以得到一個軟件架構(gòu)原型。通過車庫門控制系統(tǒng)，學(xué)生可以掌握ADD方法的步驟，學(xué)會在實際項目開發(fā)中設(shè)計合適的軟件架構(gòu)。

在課下實踐中，學(xué)生需要挑選一個項目進(jìn)行需求分析，找出功能性需求、非功能性需求和約束，利用課堂上講授的ADD方法設(shè)計出合適的軟件架構(gòu)。該實踐項目一般需要學(xué)生結(jié)合實際經(jīng)驗，對做過的項目重新進(jìn)行分析和設(shè)計，觀察利用ADD方法設(shè)計出的架構(gòu)與自己之前實現(xiàn)的架構(gòu)有什么區(qū)別，從而體會兩種架構(gòu)分別有何優(yōu)缺點。

3.4 ATAM的課堂實踐

課堂教學(xué)中，一部分學(xué)生作為評估團(tuán)成員提問，一名學(xué)生作為架構(gòu)師對自己設(shè)計的架構(gòu)進(jìn)行講解和回答問題。通過親身實踐ATAM的9個步驟，學(xué)生能夠?qū)φ麄€評估過程有更深的理解。

4 教學(xué)效果評估

4.1 教學(xué)經(jīng)驗總結(jié)

在課堂教學(xué)中，學(xué)生對老師講授的知識點會結(jié)合實際經(jīng)驗提出自己的問題，如傳統(tǒng)的MVC架構(gòu)如何演化到目前流行的MVP架構(gòu)，兩者的區(qū)別有哪些，分別適應(yīng)于何種需求。此外，學(xué)生對一些策略的具體應(yīng)用很感興趣，如如何應(yīng)用運行時注冊（runtime registration）、動態(tài)查找（dynamic lookup）等策略提高軟件的可修改性；學(xué)生對云服務(wù)和云計算的框架也非常感興趣。多年授課經(jīng)驗表明，學(xué)生更喜歡基于開發(fā)經(jīng)驗理解軟件架構(gòu)的基本概念，而不是簡單地背誦書上的知識點；在課堂上就所講知識和教師進(jìn)行實時交流，要求教師隨時解釋不懂的問題?？傮w來說，通過課堂教學(xué)，學(xué)生不僅了解了軟件架構(gòu)的基本概念和相關(guān)方法，還學(xué)會了設(shè)計軟件架構(gòu)和撰寫架構(gòu)文檔以及如何進(jìn)行架構(gòu)評估。

在課程實踐中，學(xué)生基于項目實例進(jìn)一步理解軟件架構(gòu)相關(guān)知識和設(shè)計方法。在設(shè)計ICDE系統(tǒng)時，學(xué)生先在教師的帶領(lǐng)下自己分析該系統(tǒng)包含哪些質(zhì)量屬性的需求，然后參考答案總結(jié)自己遺漏的地方，并且共同分析自己的結(jié)果和課件答案產(chǎn)生差別的原因。在學(xué)習(xí)KWIC系統(tǒng)時，學(xué)生感受到不同的軟件架構(gòu)最終生產(chǎn)出具有不同質(zhì)量的軟件。在課堂上，學(xué)生會對每種軟件架構(gòu)的設(shè)計過程提出問題，如如何根據(jù)需求對軟件模塊進(jìn)行劃分、每個模塊的功能如何定義等。在學(xué)習(xí)利用ADD方法設(shè)計車庫門控制系統(tǒng)時，學(xué)生對ADD方法的設(shè)計過程表現(xiàn)出很大興趣。由于以前從未使用過類似的軟件架構(gòu)設(shè)計方法，因此學(xué)生會發(fā)現(xiàn)ADD方法設(shè)計出的軟件架構(gòu)和自己設(shè)計的架構(gòu)有很大不同。學(xué)生針對ADD方法中的每一步對模塊功能的細(xì)化提出很多問題，體現(xiàn)出積極思考的過程。在利用ATAM方法進(jìn)行架構(gòu)質(zhì)量評估時，學(xué)生在課堂上展開了熱烈討論。作為架構(gòu)師的學(xué)生對評估團(tuán)成員的提問一一作答，有時會被問題問住，繼而發(fā)現(xiàn)軟件架構(gòu)中存在的問題并加以改正。通過實踐，學(xué)生更加熟悉了ATAM方法的整個流程。

最后，學(xué)生結(jié)合自己做過的項目，利用ADD方法進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計，如有的學(xué)生設(shè)計了安全房屋系統(tǒng)的架構(gòu)，有的學(xué)生為在線旅游網(wǎng)站設(shè)計了軟件架構(gòu)。對于每個項目，學(xué)生都認(rèn)真考慮和仔細(xì)分析，充分將課堂上所學(xué)的知識轉(zhuǎn)化到實踐中。

4.2 教學(xué)中遇到的問題

軟件體系結(jié)構(gòu)這門課程包含的內(nèi)容很多，從相關(guān)理論到實際應(yīng)用，每一點都需要教師閱讀大量材料并且積累豐富的開發(fā)經(jīng)驗。在課堂教學(xué)中，學(xué)生會從各個角度提問，有時甚至需要教師課下查閱資料才能回答學(xué)生的問題。教師在授課過程中也需要不斷積累學(xué)生的問題，通過總結(jié)分類發(fā)現(xiàn)學(xué)生關(guān)注的焦點，針對這些問題作好充分準(zhǔn)備，才能滿足學(xué)生的求知欲望。

在課程實踐項目中，ICDE系統(tǒng)和KWIC系統(tǒng)的需求有些過時，跟目前各種新型項目（如基于移動平臺的項目開發(fā)、包含人工智能的項目開發(fā)等）的需求差別較大，導(dǎo)致學(xué)生通過課程實踐獲得的經(jīng)驗還需要花時間移植到目前流行的架構(gòu)設(shè)計中，因此未來需要對課程實踐項目進(jìn)行改進(jìn)，以滿足當(dāng)下的項目開發(fā)需求。

5 結(jié) 語

經(jīng)過4年的教學(xué)實踐，同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院開設(shè)的軟件體系結(jié)構(gòu)這門課形成了完整的體系結(jié)構(gòu)，既有知識點教學(xué)，又有課程實踐，囊括了軟件架構(gòu)的基本知識。學(xué)生表示在課堂上既學(xué)到了軟件架構(gòu)的基礎(chǔ)理論，又動手寫代碼解決問題，理解了每個知識點的實際應(yīng)用。在以后的教學(xué)中，我們將繼續(xù)關(guān)注當(dāng)前流行的軟件架構(gòu)模式和發(fā)展趨勢，及時更新課程內(nèi)容，努力使學(xué)生接觸最新的技術(shù)，讓學(xué)生具有更強的能力和競爭力。

參考文獻(xiàn)：

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[3] Richards M. Software architecture patterns[M]. Sebastopol： OReilly Media， 2015： 45-46.

（編輯：宋文婷）endprint