系统架构设计基础知识

一. 系统架构概述系统架构的定义
系统架构（System Architecture）是系统的一种整体的高层次的结构表示，是系统的骨架和根基，支撑和链接各个部分，包括构件、连接件、约束规范以及指导这些内容设计与演化的原理，是刻画系统整体抽象结构的一种手段。

软架构的定义

软件体系结构为软件系统提供了结构、行为和属性的高级抽象，由构成系统的元素描述、元素的外部可见属性、这些元素的相互作用、指导元素集成的模式以及这些模式的约束组成。软件体系结构不仅指定了系统的组织结构和拓扑结构，并且显示了系统需求和构成系统的元素之间的对应关系，提供了一些设计决策和演化的基本原理，是构建于软件系统之上的系统级复用。

信息系统架构的定义

信息系统架构 ISA 是关于软件系统的结构、行为和属性的高级抽象，结构中包括软件的构件、构件的外部可见属性、这些构件之间的相互关系。

在描述阶段，其对象是直接构成系统的抽象组件以及各个组件之间的连接规则，特别是相对细致的描述组件之间的通信。

在实现阶段，这些抽象组件被细化为实际的组件，比如具体的类、对象。

二. 软件架构的生命周期

1. 需求分析阶段           

从软件需求模型向SA模型的转换，主要关注两个问题：

(1) 根据需求模型构建架构模型：用例图经过词法分析转换为SA模型（类图）。

(2) 保证模型转换的可追踪性：表格或用例映射。

2. 设计阶段           

这个阶段的研究主要包括3个方面：

(1) SA模型的描述

(2) SA模型的设计与分析方法

(3) 对SA设计经验的总结与复用

SA模型描述的三个层次

(1) SA的基本概念：SA描述方法是构件和连接子的建模。

(2) 体系结构描述语言ADL：支持构件、连接子及其配置的描述语言。

(3) SA模型的多视图表示：体现了关注点分离的思想。“4+1”视图模型。

1. 逻辑视图：最终用户关注系统的功能，描述系统的静态结构。表示了设计模型中在架构方面具有重要意义的部分。记录设计元素的功能和概念接口。（类图、对象图）
2. 开发视图：程序员关注系统的实现, 描述系统构件组织和模块之间的依赖。对组成系统的构件进行建模，描述了在开发环境中软件的静态组织结构，代码构件组织、模块、模块之间的依赖关系。（模块结构图、构件图）
3. 过程视图：系统集成人员关注并发和同步特征，描述线程间的并发和同步。可执行线程和进程作为活动类的建模，是逻辑视图的一次执行实例，描述了并发与同步结构。（活动图、状态图）
4. 物理视图：系统工程师关注系统的部署、安装, 定义软硬件的物理体系结构。描述了软件到硬件的映射，主要描述硬件配置，系统中软硬件的物理体系结构及连接。（配置图）
5. 统一场景：分析人员和测试人员关注系统的行为。

用例：描述功能需求。

质量场景：描述质量需求。

3. 实现阶段           

这个阶段的研究主要包括3个方面：
(1) 研究基于SA的开发过程支持：项目组织结构、配置管理。

(2) 寻求从SA模型向实现过渡的途径：模型映射、构件组装、复用中间件平台。

(3) 研究基于SA的测试技术。

填补高层SA模型和底层实现的鸿沟的典型方法

(1) 在SA模型中引入实现阶段的概念，如引入程序设计语言元素。

(2) 通过模型转换技术，将高层的SA模型逐步精化成能够支持实现的模型。

(3) 封装底层的实现细节，使之成为较大粒度构件，在SA指导下通过构件组装的方式实现系统，通常需要底层中间件平台的支持。

4. 构件组装阶段           

这个阶段的研究主要包括2个方面：
(1) 支持可复用构件的互联，即对SA设计模型中规约的连接子的实现提供支持。

(2) 在组装过程中，检测并消除体系结构失配问题。

对设计阶段连接子的支持：

将连接子转换为具体的程序代码，在工具的支持下，生成连接子的代码。

中间件的基本功能：

提供了构件之间跨平台交互的能力。

提供强大的公共服务能力。

体系结构失配：待复用构件对最终系统的体系结构和环境的假设，与实际状况不同而导致的冲突。

5. 部署阶段           

SA对软件部署的作用：
(1) 描述部署阶段的软硬件模型：基于SA提供的高层的体系结构视图。

(2) 分析部署方案的质量属性：基于SA模型分析，选择合理的部署方案。

6. 后开发阶段           

这个阶段的研究主要围绕维护、演化、复用来进行，有2个典型的研究方向：

(1) 动态软件体系结构

• 体系结构设计阶段的支持

变化的描述、修改策略、描述修改过程、修改的可行性、修改所带来的影响。

• 运行时刻基础设施的支持

体系结构的维护、保证修改在约束范围内、运行时刻信息、分析修改后的体系结构符合指定的属性、正确映射构造元素的变化到实现模块。

(2) 体系结构恢复与重建

从已实现的系统中获取体系结构的过程，输出一组体系结构视图。

重建的方法分为4类：手工重建、工具支持的手工重建、通过查询语言来自动建立聚集、使用其它技术(数据挖掘)。

三. 基于架构的软件设计ABSD

基于体系结构的软件设计 Architecture-Based Software Design

ABSD方法是体系结构驱动的，指由构成体系结构的商业、质量、功能需求的组合驱动的架构设计。

ABSD方法是一个自顶向下、递归细化的方法，软件系统的体系结构通过该方法得到细化，直到能产生软件构件和类。

ABSD设计活动从项目总体框架明确就开始，此时需求抽取和分析还没完成。

ABSD方法的3个基础

1. 功能的分解。

2. 通过选择体系结构风格来实现质量和商业需求。

3. 软件模板的使用。

视角与视图 — 描述软件架构

用例 — 描述功能需求

质量场景 — 描述质量需求

静态视角：展示功能组织，判断质量特性。

动态视角：展示并发行为，判断行为特性。

• 描述软件架构：视角 + 视图
• 描述需求：用例</