软件体系结构综述Word下载.docx

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Abstract:

Softwarearchitecture（SA）isemergingasoneoftheprimaryresearchareasinsoftwareengineeringrecentlyandoneofthekeytechnologiestothedevelopmentoflarge-scalesoftware-intensivesystemandsoftwareproductlinesystem.ThehistoryandthemajordirectionofSAaresummarized,andtheconceptofSAisbroughtupbasedonanalyzingandcomparingtheseveralclassicaldefinitionsaboutSA.BasedonsumminguptheactivitiesaboutSA,twocategoriesofstudyaboutSAareextractedout,andtheadvancementsofresearchesonSAaresubsequentlyintroducedfromsevenaspects.Additionally,somedisadvantagesofstudyonSAarediscussed,andthecausesareexplainedatthesametime.Finally,itisconcludedwithsomesignificantlypromisingtendencyaboutresearchonSA.

Keywords:

softwarearchitecture;

architecture-baseddevelopment;

architecturedescriptionlanguage;

architecturalrepresentationanddescription;

architecturalevolutionandreuse;

architecturaldiscovery;

architecturalanalysis;

architecturalverificationandevaluation;

domain-specificsoftwarearchitecture（DSSA）

1软件体系结构起源与发展

1.1软件体系结构研究的必要性和重要意义

自NATO于1968年提出软件工程概念以来,软件工程界已经提出了一系列的理论、方法、语言和工具,解决了软件开发过程中的若干问题.但是,软件固有的复杂性、易变性和不可见性,使得软件开发周期长、代价高和质量低的问题依然存在.大量实践统计表明:

大系统软件开发中70％的错误是由需求和软件设计阶段引入的;

而且错误在系统中存在的时间愈长则愈难发现,解决这些错误的代价也愈高.

为了提高软件需求和软件设计的质量,软件工程界提出了需求分析工程技术和各种软件建模技术.但是在需求与设计之间仍存在一条很难逾越的鸿沟,即缺乏能够反映做决策的中间过程,从而很难有效地将需求转换为相应的设计.为此,软件体系结构概念应运而生,并试图在软件需求与软件设计之间架起一座桥梁,着重解决软件系统的结构和需求向实现平坦地过渡的问题.

从机器语言、汇编语言、过程式程序设计语言、面向对象程序设计语言、形式化（半形式化）规格说明语言（如体系结构描述语言）发展过程中,可以发现:

计算机语言越来越适合于开发人员的思维活动模型,代码复用的级别也在不断地提升,如图1所示.体系结构技术的研究,使软件复用从代码复用发展到设计复用和过程复用.

鉴于软件体系结构的重要性,D.E.Perry将软件体系结构视为软件开发中第1类重要的设计对象,而BarryBoehm明确指出:

“在没有设计出体系结构及其规则时,那么整个项目不能继续下去,而且体系结构应该看做是软件开发中可交付的中间产品”.由此可见,体系结构在软件开发中为不同的人员提供了共同交流的语言,体现并尝试了系统早期的设计决策,并作为系统设计的抽象,为实现框架和构件的共享与复用、基于体系结构的软件开发提供了有力的支持.

1.2软件体系结构的发展史

软件系统的规模在迅速增大的同时,软件开发方法也经历了一系列的变革.在此过程中,软件体系结构也由最初模糊的概念发展到一个渐趋成熟的技术.

20世纪70年代以前,尤其是在以ALGOL68为代表的高级语言出现以前,软件

开发基本上都是汇编程序设计.此阶段系统规模较小,很少明确考虑系统结构,一般不存在系统建模工作.70年代中后期,由于结构化开发方法的出现与广泛应用,软件开发中出现了概要设计与详细设计,而且主要任务是数据流设计与控制流设计.因此,此时软件结构已作为一个明确的概念出现在系统的开发中.

20世纪80年代初到90年代中期,是面向对象开发方法兴起与成熟阶段.由于对象是数据与基于数据之上操作的封装,因而在面向对象开发方法下,数据流设计与控制流设计则统一为对象建模,同时,面向对象方法还提出了一些其他的结构视图.如在OMT方法中提出了功能视图、对象视图与动态视图（包括状态图和事件追踪图）;

而BOOCH方法中则提出了类视图、对象视图、状态迁移图、交互作用图、模块图、进程图;

而1997年出现的统一建模语言UML则从功能模型（用例视图）、静态模型（包括类图、对象图、构件图、包图）、动态模型（协作图、顺序图、状态图和活动图）、配置模型（配置图）描述应用系统的结构.

90年代以后则是基于构件的软件开发阶段,该阶段以过程为中心,强调软件开发采用构件化技术和体系结构技术,要求开发出的软件具备很强的自适应性、互操作性、可扩展性和可重用性.此阶段中,软件体系结构已经作为一个明确的文档和中间产品存在于软件开发过程中,同时,软件体系结构作为一门学科逐渐得到人们的重视,并成为软件工程领域的研究热点,因而Perry和Wolf认为,“未来的年代将是研究软件体系结构的时代!

”.

纵观软件体系结构技术发展过程,从最初的“无结构”设计到现行的基于体系结构软件开发,可以认为经历了4个阶段:

（1）“无体系结构”设计阶段:

以汇编语言进行小规模应用程序开发为特征;

（2）萌芽阶段:

出现了程序结构设计主题,以控制流图和数据流图构成软件结构为特征;

（3）初期阶段:

出现了从不同侧面描述系统的结构模型,以UML为典型代表;

（4）高级阶段:

以描述系统的高层抽象结构为中心,不关心具体的建模细节,划分了体系结构模型与传统的软件结构的界限,该阶段以Kruchten提出的“4+1”模型为标志.由于概念尚不统一、描述规范也不能达成一致认识、在软件开发实践中软件体系结构尚不能发挥重要作用,因此,我们认为软件体系结构技术达到成熟还需一段时日.

1.3体系结构的主要研究方向

在基于构件和体系结构的软件开发方法下,程序开发模式也相应地发生了根

本变化.软件开发不再是“算法+数据结构”,而是“构件开发+基于体系结构的构件组装”.那么,如何描述、表示、设计体系结构?

如何验证一个体系结构是否符合期望的系统需求?

如何基于体系结构开发实例化的软件系统?

将是基于构件和体系结构的软件开发方法所必须研究和解决的核心问题.归纳现有体系结构的研究活动,主要包括如下几个方面:

（1）体系结构理论模型的研究;

（2）体系结构描述研究,主要研究体系结构描述语言及其支持环境、体系结构描述规范;

（3）体系结构设计研究:

包括体系结构设计方法、体系结构风格、体系结构设计空间等内容;

（4）体系结构分析与验证:

研究如何将软件的非功能特性转化为体系结构的需求,如何分析体系结构满足期望的需求的属性,对体系结构的语法、语义、类型失配等进行检查与验证的研究;

（5）体系结构演化与复用研究:

研究产品线中软件体系结构演进的理论与方法,

从已有文档、系统设计和代码中逆向提取软件体系结构、体系结构复用等;

（6）动态体系结构研究:

研究软件系统由于特殊需要必须在连续运营情况下的体系结构变化与支撑平台;

（7）基于体系结构的软件开发:

研究引入体系结构后的软件开发过程、基于体系结构开发与中间技术集成、基于体系结构的程序框架自动生成技术等.

2软件体系结构的研究现状

2.1软件体系结构的有关定义

若干软件体系结构学者提出了自己的概念与定义,我们将介绍几个具有代表性的定义,并分析其共同点.然后,根据我们对软件体系结构的理解,给出能够反映软件体系结构基本特征的定义.

定义1.Garlan&

Shaw模型:

SA={components,connectors,constrains}.

构件（component）可以是一组代码,如程序的模块;

也可以是一个独立的程序,如数据库的SQL服务器.连接器（connector）表示构件之间的相互作用.它可以是过程调用、管道、远程过程调用等.一个软件体系结构还包括某些限制（constrain）.该模

型视角是程序设计语言,构件主要是代码模块.定义2.Perry&

Wolf模型:

SA={elements,form,rational}.

软件体系结构是由一组元素（elements）构成.这组元素分成3类:

处理元素（processingelements）、数据元素（dataelements）和连接元素（connectingelements）.软件体系结构形式（form）是由专有特性（properties）和关系（relationship）组成.专有特性用于限制软件体系结构元素的选择,关系用于限制软件体系结构元素组合的拓扑结构.而在多个体系结构方案中选择合适的体系结构方案往往基于一组准则（rational）.

定义3.CFRP模型:

SA={elements,interfaces,connections,connectionsemantics}.

软件系统由一组元素构成（elements）.这组元素分成处理元素和数据元素.每个元素有一个接口（interface）,一组元素的互连（connection）构成系统的拓扑.元素互连的语义是:

静态互连语义（如数据元素的互连）,描述动态连接的信息转换的协议（如过程调用,管道等）.

定义4.Vestal模型:

SA={component,idioms/styles,commonpatternsofinteraction}.

软件由构件（component）组成,构件之间通过通用的互操作模式相连.体系结构风格（style）描述了一种通用的设计模式,可满足特定系列的应用需求.

定义5.IEEE610.12-1990软件工程标准词汇中的定义:

Architecture={component,connector,environment,principle}.

体系结构是以构件、构件之间的关系、构件与环境之间的关系为内容的某一系统的基本组织结构,以及指导上述内容设计与演化的原理.

定义6.Boehm模型:

SA={components,connections,constraints,stakeholders’needs,rationale}.

软件体系结构包含系统构件、连接件、约束的集合;

反应不同人员需求的集合;

以及能够展示由构件、连接件和约束所定义的系统在实现时如何满足系统不同人员需求的原理的集合.

比较上述各种体系结构的定义可以发现:

定义1和定义3都强调了体系结构

是由构件、连接件及其约束（或连接语义）,即从构造的角度来审视软件体系结构.而定义2和定义4侧重于从体系结构风格、模式和规则等角度来考虑软件体系结构,采用的是一种俯瞰的视角.定义5不仅强调了体系结构系统的基本构成,同时还强调了体系结构的环境即与外界的交互.定义6则强调了软件体系结构是一组概念以及关于软件系统结构的设计决策,用来使待开发的系统在体系结构上满足重要的功能与质量需求.尽管各种定义都从不同的角度关注软件体系结构,但其核心内容都是软件系统的结构,并且都涵盖了如下一些实体:

构件、构件之间的交互关系、限制、构件和连接件构成的拓扑结构、设计原则与指导方针.

根据我们对软件体系结构的理解,将软件体系结构定义为“在软件密集的大规模系统或具有类似需求和结构的软件产品线的开发中,必须从一个较高的层次来考虑组成系统的构件、构件之间的交互,以及由构件与构件交互形成的拓扑结构,这些要素应该满足一定的限制,遵循一定的设计规则,能够在一定的环境下进行演化.而且,软件体系结构应能反映系统开发中具有重要影响的设计决策,便于各种人员的交流,反映多种关注,据此开发的系统能完成系统既定的功能和性能需求.”

2.2软件体系结构研究的不同思路

实践表明:

一个好的体系结构是系统开发成功的重要因素.但由于对软件体系结构的不同见解,不仅导致了上节讨论的软件体系结构的概念分歧,也使得研究内容和研究途径呈现很大的差异.

归纳起来,目前体系结构研究可以分为典型的两种派别:

学院派与实用派.学院派研究者侧重于软件体系结构形式化理论研究.实用派研究者将软件体系结构设计、描述与表示同传统的软件系统建模视为一体.因此,将软件建模技术直接用来描述软件体系结构.典型的思路是:

将UML可视化建模技术直接用来表示软件体系结构.

2.3软件体系结构研究的主要内容与进展

目前,软件体系结构研究活动主要集中在如下几个领域:

（1）软件体系结构描述语言ADL

提出了若干适用于特定领域的ADL.典型的有:

C2是一种基于构件和消息的

ADL,适用于大型频繁交互的层次型图形用户界面的软件的体系结构描述;

Darwin

和Wright分别将π演算和CSP作为其数学基础,适用于分布、并发类型的体系结构描述;

ACME是一种体系结构互换语言,支持从一种ADL向另一种ADL规格说明转换.其他比较有影响的ADL,如Aesop,Unicon,Rapide,SADL,MetaH,Weaves等.在体系结构描述语言研究方面,国内的一些学者则相应地提出了几种比较有特色的体系结构描述语言,如基于框架和角色模型的软件体系结构规约FRADL,多智能体系统体系结构描述语言A-ADL,可视化体系结构描述语言XYX/ADL,基于主动连接件的体系结构描述语言Tracer等.Shaw和Garlan则倡导将连接件作为ADL中第一类实体,同时还提出一个好的ADL的框架应具备如下几个方面的特点,即组装性、抽象性、重用性、可配置、异构性、可分析.在此基础上,Medvidovic提出了一种ADL的分类和比较框架,详细分析了多种典型的ADL的优点与不足.我们认为Medvidovic的工作应该算是对当前ADL研究的最全面的总结,并为将来的

ADL的开发提供了很有价值的参考建议.

（2）体系结构描述构造与表示

按照一定的描述方法,用体系结构描述语言对体系结构进行说明的结果则称为体系结构的表示,而将描述体系结构的过程称为体系结构构造.在体系结构描述方面,Kruchten提出的“4+1”模型是当前软件体系结构描述的一个经典范例,该模型由逻辑视图、开发视图、过程视图和物理视图组成,并通过场景将这4个视图有机地结合起来,比较细致地描述了需求和体系结构之间的关系.

而Booch则从UML的角度给出了一种由设计视图、过程视图、实现视图和布署视图,再加上一个用例视图构成的体系结构描述模型.Medvovonic则总结了用

UML描述体系结构的3种途径:

不改变UML用法而直接对体系结构建模;

利用

UML支持的扩充机制扩展UML的元模型实现对体系结构建模概念的支持;

对

UML进行扩充,增加体系结构建模元素.于卫等人研究了其中的第2种方案,其主要思路是提炼5个软件体系结构的核心部件,利用UML的扩充机制中的一种给出了相应的OCL约束规则的描述,并且给出了描述这些元素之间关系的模型.

IEEE于1995年成立了体系结构工作组（AWG）,综合了体系结构描述研究成果,

并参考业界的体系结构描述的实践,起草了体系结构描述框架标准即IEEEP1471.

Rational从资产复用的角度提出了体系结构描述的规格说明框架（architecturaldescriptionspecification）,该建议草案已经提交给OMG,可望成为体系

结构描述的规范.IEEEP1471和RationalRAS中的ADS,都提出了体系结构视点

（viewpoint）的概念,并从多个视点描述体系结构的框架.但问题在于:

一个体系结构应该从哪几个视点进行考虑?

每个视点由哪些视构成?

各种视点应当使用哪种体系结构描述语言,以及采用哪些体系结构建模和分析技术等问题都未解决.

综上所述,虽然UML作为一个工业化标准的可视化建模语言,支持多角度、多层次、多方面的建模需求,支持扩展,并有强大的工具支持,确实是一种可选的体系结构描述语言,但是根据Medvovonic给出的体系结构语言的框架,UML不属于体系结构描述语言的范畴.事实上,判断一个语言是否适合用作体系结构描述语言的关键在于,它能否表达体系结构描述语言应该表达的概念与抽象,如果需要转化,其复杂性如何.

（3）软件体系结构分析、设计与验证

体系结构是对系统的高层抽象,并只对感兴趣的属性进行建模.由于体系结构是在软件开发过程之初产生的,因此设计优质的体系结构可以减少和避免软件错误的产生和维护阶段的高昂代价.体系结构是系统集成的蓝本、系统验收的依据,体系结构本身需要分析与测试,以确定这样的体系结构是否满足需求.体系结构分析的内容可分为结构分析、功能分析和非功能分析.而在进行非功能分析时,可以采用定量分析方法与推断的分析方法.在非功能分析的途径上,则可以采用单个体系结构分析与体系结构比较的分析方法.Kazman等人提出了一种非功能分析的体系结构分析方法SAAM,并运用场景技术,提出了基于场景的体系结构分析方法,而Barbacci等人则提出了多质量属性情况下的体系结构质量模型、分析与权衡方法ATAM.

体系结构测试着重于仿真系统模型,解决体系结构层的主要问题.由于测试的

抽象层次不同,体系结构测试策略可以分为单元/子系统/集成/验收测试等阶段的测试策略.在体系结构集成测试阶段,Debra等人提出一组针对体系结构的测试覆盖准则,如构件覆盖准则等[26];

文献[27]给出了基于霍尔公理的构件设计正确性验证技术,PaolaInveradi则提出一种基于CHAM的体系结构动态语义验证技术.

生成一个满足软件需求的体系结构的过程即为体系结构设计.体系结构设计过程的本质在于:

将系统分解成相应的组成成分（如构件、连接件）;

并将这些成分重新组装成一个系统.具体说来,体系结构设计有两大类方法:

过程驱动方法和检

查列表驱动方法.前者包括:

（a）面向对象方法,与OOA/OOD相似,但更侧重接口与交互;

（b）“4＋1”模型方法;

（c）基于场景的迭代方法.应该说,基于过程驱动的体系结构设计方法适用范围广,易于裁剪,具备动态特点,通用性与实践性强.而问题列表驱动法,其基本思想就是枚举设计空间、并考虑设计维的相关性,以此来选择体系结构的风格.显然,该方法适用于特定领域,是静态的,并可以实现量化体系结构设计空间.如Allen博士的论文专门研究了用户界面类的量化设计空间,提出了19个功能维,26个结构维,622条设计规则.

体系结构设计研究的重点内容之一就是体系结构风格或者说是体系结构模式,体系结构模式在本质上反映了一些特定的元素、按照特定的方式组成一个特定的结构,该结构应有利于上下文环境下的特定问题的解决.体系结构模式分为两个大类:

固定术语和参考模型.已知的固定术语类的体系结构模式包括管道过滤器、客户服务器、面向对象、黑板、分层、对等模式（基于事件调用方法,隐式调用,基于推模式）、状态转换,以及一些派生的固定术语类的体系结构模式,包括

GenVoca,C2,REST;

而参考模型则相对较多,常常与特定领域相关,如编译器的顺序参考模型和并行参考模型、信息系统的参考模型、航空模拟环境系统的参考模型等等.尚未解决的一个问题是:

体系结构风格（模式）与领域之间的关系是什么?

即是不是特定的领域就必须采用某种体系结构风格.我们认为,体系结构在某个领域的成功应用标志着这个领域的相对成熟.

应该说,体系结构分析、设计和验证已经取得了很丰富的研究成果.但是这些方法存在着一个普遍缺点:

可操作性差,难于实用化,因此并没有取得很好的实践效果.

（4）软件体系结构发现、演化与复用

软件体系结构发现解决如何从已经存在的系统中提取软件的体系结构,属于逆向工程范畴.文献[31]提出了一种类似于“盲人摸象”的迭代式体系结构发现过程,即由不同的人员对系统进行描述,然后对这些描述进行分类并融合,发现并解除冲突,将体系结构新属性加入到已有的体系结构模型中,并重复该过程直至体系结构描述充分.

由于系统需求、技术、环境、分布等因素的变化而最终导致软件体系结构的变动,称之为软件体系结构演化.软件系统在运行时刻的体系结构变化称为体系结

构的动态性,而将体系结构的静态修改称为体系结构扩展.体系结构扩展与体系结构动态性都是体系结构适应性和演化性的研究范畴.可以用多值代数或图重写理论来解释软件体系结构的演化,文献[32]专门研究系统的动态可配置特性,提出了电信软件体系结构动态修改的方案.体系结构的动态性分为有约束的和无约束的以及结构动态性和语义动态性.Darwin和C2都直接支持结构动态性,而

CHAM,Wright,Rapide支持语义动态性.在C2中定义有专门支持体系结构修改的描述语言AML,而Darwin对体系结构的修改则采用相应的脚本语言,CHAM是通过多值演算实现系统体系结构的变换,Wright是通过顺序通信进程CSP描述构件的交互语义.

体系结构复用属于设计复用,比代码复用更抽象.一般认为易于复用的标准包括:

领域易于理解,变化相对慢,内部有构件标准,与已存在的基础设施兼容,在大规模系统开发时体现规模效应.由于软件体系结构是系统的高层抽象,反映了系统的主要组成元素及其交互关系,因而较算法更稳定,更适合于复用.鉴于软件体系结构是应大系统开发和软件产品线技术而出现的,在其二者之间,我们认为:

产品线中的体系结构复用将更有现实意义,并具有更大的相似性.体系结构模式就是体系结构复用研究的一个成果,而体系结构参考模型则是特定域软件体系结构的复用的成熟的象征.文献[33]采用扩展数据流技术EDFG,并通过EDFG的细化与规格说明,实现了系统与构件的构造过程,得出相应的体系结构是易于复用的结论.

总之,复用技术作为软件工程领域倡导的有效技术之一,在基于构件与