基于模型的敏捷軟件架構設計方法

文/蔣丹 劉永吉

1 引言

敏捷開發(fā)是一種以用戶的需求進化為核心，采用迭代、循序漸進的方法進行軟件開發(fā)的方法。近年來，敏捷開發(fā)方法運用越來越普遍，許多公司（如IBM、Google等）紛紛采用了敏捷開發(fā)方法。Ansgar等闡明，敏捷開發(fā)方法以其精益開發(fā)、簡單可靠、增量快速交付等特征，得到了軟件業(yè)界的廣泛關注。同時，在全球大背景下，IT行業(yè)軟件開發(fā)中由于子系統(tǒng)數(shù)量不斷增長、功能模塊增長、邏輯任務增長、子系統(tǒng)耦合度提高等問題，導致軟件開發(fā)需要高可讀性和高可復用性，必然需要軟件向基于模型的敏捷架構靠攏。

本文根據敏捷開發(fā)理論，研究面向模型的敏捷架構設計方法。從架構設計方法的角度，首先，分析了傳統(tǒng)軟件架構開發(fā)中的弊端；其次，分析了基于模型的軟件架構技術；最后，將敏捷開發(fā)與基于模型的軟件架構方法結合，提出了一種基于模型的敏捷架構設計方法。

表1：基于文檔的軟件工程與基于模型的軟件工程設計元素對比

2 傳統(tǒng)的軟件架構

傳統(tǒng)的軟件開發(fā)一般采用瀑布模型，瀑布模型將開發(fā)和交付企業(yè)軟件項目的流程分割為相互獨立的階段，每個階段都要完成規(guī)定的文檔。架構設計方面，瀑布模型的支持者主張大設計前置（BDUF），這也是眾多計劃驅動軟件開發(fā)方法論的普遍做法。如圖1所示。

由于，傳統(tǒng)的軟件架構設計是根據所有的需求文檔設計出的大型架構，使得其傳統(tǒng)系統(tǒng)分析與設計方法都不能很好地適應不斷變化的環(huán)境。雖然傳統(tǒng)軟件開發(fā)方法已經被軟件界人士所認可，但這也無法掩蓋傳統(tǒng)軟件開發(fā)方法存在的問題和弊端，比如，不能保證軟件質量，軟件開發(fā)周期長，軟件可靠性、可擴展性和可重用性不能良好體現(xiàn)等。同時，傳統(tǒng)的軟件開發(fā)也是一種基于文檔的開發(fā)。通過產生的需求文檔、設計說明文檔等，進行代碼的編寫，這種基于文檔的開發(fā)，不僅會照成工作量大、人力資源無法保證文檔的維護，而且手工編碼引入了人為錯誤，開發(fā)效率低下，設計與現(xiàn)實脫節(jié)，無法保證文檔與代碼的一致性，最重要的是，基于文檔的傳統(tǒng)開發(fā)中的需求無法進行仿真驗證，錯誤只能放在后期發(fā)現(xiàn)，代價極大。最重要的是，容易造成架構的浪費以及不可變。

圖1：軟件開發(fā)中軟件架構的一般過程

3 基于模型技術

基于模型的技術是采用面向對象的設計方法，基于系統(tǒng)建模語言SYSML的建模機制對系統(tǒng)的行為和架構進行設計與分析，與軟件工程思想一脈相承。見表1。

如圖2所示，基于模型的軟件開發(fā)結構的核心是基于抽象。通過規(guī)范化的建模語言和方法消除傳統(tǒng)方法的缺陷。開發(fā)人員可以通過建模語言和方法掌握進行模型的建立、并對模型進行驗證?；谀Ｐ筒坏韧诨趫D形或者基于工具，它是方法論和思維方式的升華，要行之有效的全面推行，就要使得廣大設計人員正確認識它。從時間占比上，基于模型的開發(fā)方法在前期會占用大量的時間，因此，需要整個研制體系、上下游都理解并適應這種方法帶來的影響和改變。

4 敏捷軟件架構設計方法

4.1 敏捷開發(fā)

敏捷軟件開發(fā)是一種從1990年代開始逐漸引起廣泛關注的一種新型的以人為核心、迭代、循序漸進的開發(fā)方法，它的核心思想在于快速、增量式的交付可工作的軟件。在敏捷軟件開發(fā)中，軟件項目被分解成多個子項目，各個子項目的成果都經過測試，具備可視、可集成和可運行可使用的特征，經多次迭代來完成，每次迭代都有明確的目標并能快速交付可運行的軟件。

如圖3所示，敏捷開發(fā)與傳統(tǒng)軟件開發(fā)的不同之處在于，傳統(tǒng)的軟件開發(fā)需要將所有的軟件需求進行整合，對所有需求統(tǒng)一進行需求分析，軟件設計，代碼編寫和測設；而敏捷開發(fā)的特點在于對當前需求進行需求分析，軟件設計，代碼編寫和測試，按此步驟依次迭代每個需求，直到所有需求均被迭代完畢。

圖2：基于模型的軟件工程

4.2 敏捷軟件架構

圖3：傳統(tǒng)開發(fā)與敏捷開發(fā)過程差異

圖4：敏捷開發(fā)前和敏捷開發(fā)后的架構設計方法

在傳統(tǒng)軟件開發(fā)中，需求分析階段規(guī)劃好大量的功能需求和非功能需求，架構師針對這些需求進行整合后進行架構設計。架構設計是同時完成分析和設計兩項工作。而在敏捷開發(fā)中，需求是迭代式進行收集，每次迭代進行設計時，僅僅對當前的需求進行建模，會隨著每次迭代的進行，逐步調整架構設計。所以，可以看出傳統(tǒng)軟件架構和敏捷方法之間的緊張關系（沿著最后可能的時刻留下架構決策）與預期（提前規(guī)劃）之間的緊張關系。

同時沃特曼，諾貝爾和艾倫探討了在設計前期架構時花費太少時間，增加風險和花費太多時間，對客戶價值交付產生負面影響之間的緊張關系。他們確定了可能影響敏捷架構的六種力量：需求不穩(wěn)定性，技術風險，早期價值，團隊文化，客戶敏捷性和經驗。這些力量可以通過六種策略來解決：響應變化，解決風險，新興架構，預先設計大型設計以及使用框架和模板架構。敏捷架構原則通過協(xié)作，緊急設計，有意架構，設計簡單性以及可測試性，可部署性和可釋放性設計來支持精益敏捷開發(fā)?？焖僭驮O計，領域建模和分散式創(chuàng)新進一步支持了它。軟件架構設計描述的是事物本身，而敏捷開發(fā)描述的是創(chuàng)建這個事物的過程；敏捷開發(fā)中架構設計的方式，指什么時候進行架構設計，并以什么樣的方式進行架構設計。

圖4中，敏捷開發(fā)后軟件架構設計的方式產生了變化；敏捷開發(fā)把原先軟件過程前期的架構設計，分散到了整個敏捷開發(fā)軟件過程中。

看到敏捷開發(fā)中分散化的架構設計，想起公司財務中的“馬克威茨資產組合理論”，用馬克威茨資這個諾貝爾大師的理論來解釋敏捷開發(fā)中的分散架構形式，也行得通?！榜R克威茨資資產組合理論”中說道：可以通過分散投資使收益率不變而方差（風險）減少。通俗一點講也就是不要把雞蛋放在一個籃子里。

如果按照資產組合理論，下面這些就是軟件架構設計中的組合，把一次性軟件過程前期30%（甚至更多）的架構設計，換成如下的軟件組合：

（1）引入新需求后的架構。每次迭代中，新需求引入前，都可以進行構思和架構；

（2）重構產生架構。先讓軟件運行，再重構其代碼。那么軟件的架構隨著重構自然而然的在軟件過程中產生；

（3）開發(fā)過程中的設計：以前是設計完后開發(fā)，現(xiàn)在是邊設計邊開發(fā)；

（4）所以敏捷開發(fā)不是輕架構設計，而是依然注重架構設計。只不過架構的方式變化了，變得更加有效且風險更小。

圖5：敏捷開發(fā)中迭代式架構設計過程

4.3 基于模型的敏捷架構設計

在數(shù)字化轉型的大趨勢下，基于模型是走向設計的技術保證，而選擇敏捷結構設計方法是追求速度與質量平衡。在基于模型的開發(fā)工程中，傳遞的是模型而不再是文檔，基于模型在軟件實現(xiàn)前可以而且應該更好地與客戶溝通、確認需求。同時，大量的模型驗證工作在軟件實現(xiàn)前可以而且應該得以展開。

重構是敏捷開發(fā)的重要技術，就是在不改變軟件現(xiàn)有功能的基礎上，通過調整程序代碼改善軟件的質量、性能，使其程序的設計模式和架構更趨合理，提高軟件的擴展性和維護性。本文將利用重構技術來進行架構設計，如圖5所示描述了敏捷開發(fā)中迭代式架構設計過程。敏捷開發(fā)中進行架構設計的核心思想是進化式設計。進化式的設計是指在敏捷開發(fā)的整個生命周期中，通過每一次迭代來充實、修改和優(yōu)化設計方案，以使其最大限度地符合客戶對系統(tǒng)的需求。它是不傷害到現(xiàn)有架構的能力和已經實現(xiàn)的功能，同時對其他部分的影響盡可能小。

在基于模型的敏捷架構設計中，每一次迭代的架構設計過程大概分為八個步驟：

（1）需求分析階段，通過周期性收集用戶的業(yè)務需求，使用Doors工具進行軟件需求分析與管理，生成軟件高層需求文檔，形成Product Backlog列表；

（2）在Visual Studio2010（或其他工具）中，將Product Backlog列表分解成一個個用戶故事（對單一功能實現(xiàn)的描述），用戶故事有三個參照值：Stack Rank（優(yōu)先級）、Story Point（實現(xiàn)難度、工作量）、Risk（風險）；

（3）團隊一起將每一個用戶故事進行細化成一個個Task。團隊成員領取Task進行開發(fā)；

（4）在整個項目開發(fā)生命周期內，需要對需求訂單進行不斷維護，同時也要對需求變更進行管理與跟蹤。

（5）采用SCADE Suite、SCADE Display進行軟件設計，開發(fā)軟件低層需求，建立高層需求與低層需求的追蹤關系；

（6）根據需求模型，軟件詳細設計階段采用SCADE Suite、SCADE Display進行軟件控制邏輯和人機交互設計，并通過需求追蹤管理工具建立模型與需求之間的追蹤關系。形成當前迭代的Architecture Backlog，確定項目系統(tǒng)中某模塊的架構樣式，明確每層需要的技術；

（7）每次迭代根據Architecture Backlog實現(xiàn)的功能，通過使用IBM rational rhapsody工具畫時序圖等；

團隊開發(fā)成員、架構師、產品負責人以及測試組相關成員參加架構設計評審，評審通過后進入開發(fā)階段，以正確的起到指引、框定的作用，使得開發(fā)朝著正確的方向進行。

5 結論

基于模型的敏捷架構是一種精益敏捷方法，可以解決構建企業(yè)解決方案的復雜性。反過來，基于模型的敏捷架構設計方法支持當前用戶的需求，同時改進系統(tǒng)以滿足近期的未來需求。這種方法允許系統(tǒng)架構（甚至是大型解決方案）隨著時間的推移而發(fā)展，同時支持當前用戶的需求。 這避免了與啟動 - 停止 - 啟動性質相關的開銷和固有的重新設計。借助敏捷架構，系統(tǒng)始終運行，支持更持續(xù)的價值流。同時，能夠避免系統(tǒng)過載，該模型構成經濟框架的一部分并幫助分散決策，這兩者對于快速，可持續(xù)的價值流動至關重要。

對于傳統(tǒng)開發(fā)中不能很好的適應不斷變化的環(huán)境，架構的可擴展性和可重用性不良好，以及隨著應用程序的擴展和時間的推移，內核的體量往往會開始成為沉重負擔，本文提出了一種基于模型的敏捷架構設計方法，該方法不僅開發(fā)節(jié)約了時間成本，并且提了軟件產品質量。在未來的相關研究中，我們會將面向模型的敏捷架構等方面推廣到更大的項目中，并進一步完善該方法。