软件体系结构第一章.ppt

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1、,软件体系结构Software Architecture教师：王凯东副教授，硕士导师(欢迎同学报考或报送研究生)Email：,Core Material(教材及参考书),软件体系结构（第二版），张友生，北京：清华大学出版社，2006.软件体系结构原理、方法与实践，张友生，北京：清华大学出版社，2009.Mary Shaw,David Garlan 著软件体系结构，北京:清华大学出版社，2007.,Core Material(教材及参考书),Bass L,Clements P,Kazman R,Software Architecture in Practice,2nd Edition,Addis

2、on Wesley,2003.(软件构架实践，第二版，清华大学出版社)Shaw M,Garlan D,Software Architecture Perspectives on an emerging discipline,Prentice Hall,1996.（软件体系结构一门初露端倪学科的展望，清华大学出版社）Stephen T.Albin,The Art of Software Architecture Design Methods and Techniques,2003.（软件体系结构的艺术，机械工业出版社）Eckel,B,Thinking in Patterns,MindView,说

3、明,初步确定本课程的考核方法如下平时+作业 10%20%考试 90%80%TA 辅导时间：每周五第5、6、7、8节课，在B603 605附近教师休息室。每周四下午5、6信远楼I-209教师休息室。,课 程 内 容,软件体系结构概论 软件体系结构建模 软件体系结构风格 软件体系结构描述 动态软件体系结构 Web服务体系结构 基于体系结构的软件开发 软件体系结构的分析与测试 软件体系结构评估 软件产品线体系结构,产生背景-软件的产生和发展的历史,第一台计算机诞生,机器指令编程（0和1组成）,回到过去！,大众机械学杂志 1949,将来的电脑将只有1000个电子管但是却有1.5吨重。,我想在整个世界，

4、我们只能卖出5台电脑。,Thomas J.WatsonIBM董事会主席 1943,没有必要每个人在家里都有一台电脑。,Ken OlsonDEC总裁 1977,计算机语言的产生,1952年MIT开始使用汇编语言,1954年IBM公司开发了Fortran语言,1960年，计算机权威刊物CACM上发表了“关于算法语言Algol60的报告”,1971，瑞士的Njklaus Wirth 在 Algol的基础上开始开发Pascal语言,同年，美国的贝尔实验室的Dennis Ritche开发出 C 语言,各种面向对象的高级语言,各种高级语言的诞生使得人们有可能编制出越来越复杂的软件系统,软件危机,软件的规模

5、越来越庞大复杂度越来越高交付时间相对短,产生软件危机,软件危机,美国IBM公司在1963年至1966年开发的IBM360机的操作系统。这一项目花了5000人一年的工作量，最多时有1000人投入开发工作，写出了近100万行源程序。.据统计，这个操作系统每次发行的新版本都是从前一版本中找出1000个程序错误而修正的结果。.这个项目的负责人F.D.Brooks事后总结了他在组织开发过程中的沉痛教训时说：“.正像一只逃亡的野兽落到泥潭中做垂死的挣扎，越是挣扎，陷得越深，最后无法逃脱灭顶的灾难。.程序设计工作正像这样一个泥潭，.一批批程序员被迫在泥潭中拼命挣扎，.谁也没有料到问题竟会陷入这样的困境.”。

6、IBM360操作系统的历史教训成为软件开发项目的典型事例为人们所记取。,软件危机,软件危机的表现：软件成本日益增长 开发进度难以控制 软件质量差 软件维护困难,软件危机的主要表现,软件危机的主要表现,软件成本日益增长20世纪50年代，软件成本在整个计算机系统成本中所占的比例为10%-20%。到20世纪60年代中期，软件成本在计算机系统中所占的比例已经增长到50%左右。而且，该数字还在不断的递增，下面是一组来自美国空军计算机系统的数据：1955年，软件费用约占总费用的18%，1970年达到60%，1975年达到72%，1980年达到80%，1985年达到85%左右。,软件危机的主要表现,开发进度

7、难以控制在软件开发过程中，用户需求变化等各种意想不到的情况层出不穷，令软件开发过程很难保证按预定的计划实现，给项目计划和论证工作带来了很大的困难。盲目增加软件开发人员并不能成比例的提高软件开发能力。相反，随着人员数量的增加，人员的组织、协调、通信、培训和管理等方面的问题将更为严重。,软件危机的主要表现,软件质量差 由于缺乏工程化思想的指导，程序员几乎总是习惯性的以自己的想法去代替用户对软件的需求，软件设计带有随意性，很多功能只是程序员的一厢情愿而已，这是造成软件令人不满意的重要因素。软件项目即使能按预定日期完成，结果却不尽人意。1965年至1970年，美国范登堡基地发射火箭多次失败，绝大部分故

8、障是由应用程序错误造成的。,软件危机的主要表现,软件维护困难由于在软件设计和开发过程中，没有严格遵循软件开发标准，各种随意性很大，没有完整的真实反映系统状况的记录文档，给软件维护造成了巨大的困难。特别是在软件使用过程中，原来的开发人员可能因各种原因已经离开原来的开发组织，使得软件几乎不可维护。有资料表明，工业界为维护软件支付的费用占全部硬件和软件费用的40-75%,人员构成:微软产品组实例,Windows 2000 Team开发人员900测试人员1800程序经理450文档人员100本地化人员110内部IT50市场人员100培训人员115技术支持人员 600技术传播人员 1120合计5345,软

9、件危机,软件危机的原因?,用户需求不明确 缺乏正确的理论指导 软件规模越来越大 软件复杂度越来越高,软件危机的原因,用户需求不明确 在软件开发完成之前，用户不清楚软件的具体需求；用户对软件需求的描述不精确，可能有遗漏、有二义性、甚至有错误；在软件开发过程中，用户还提出修改软件功能、界面、支撑环境等方面的要求；开发人员对用户需求的理解与用户本来愿望有差异。,软件危机的原因,缺乏正确的理论指导 缺乏有力的方法学和工具方面的支持。由于软件不同于大多数其他工业产品，其开发过程是复杂的逻辑思维过程，其产品极大程度地依赖于开发人员高度的智力投入。由于过分地依靠程序设计人员在软件开发过程中的技巧和创造性，加

10、剧软件产品的个性化，也是发生软件危机的一个重要原因。,软件危机的原因,软件规模越来越大 随着软件应用范围的增广，软件规模愈来愈大。大型软件项目需要组织一定的人力共同完成，而多数管理人员缺乏开发大型软件系统的经验，而多数软件开发人员又缺乏管理方面的经验。各类人员的信息交流不及时、不准确、有时还会产生误解。软件项目开发人员不能有效地、独立自主地处理大型软件的全部关系和各个分支，因此容易产生疏漏和错误。,软件危机的原因,软件复杂度越来越高 软件不仅仅是在规模上快速地发展扩大，而且其复杂性也急剧地增加。软件产品的特殊性和人类智力的局限性，导致人们无力处理“复杂问题”。所谓“复杂问题”的概念是相对的，一

11、旦人们采用先进的组织形式、开发方法和工具提高了软件开发效率和能力，新的、更大的、更复杂的问题又摆在人们的面前。,软件危机,如何克服软件危机？,What is Software Engineering?,Software engineering is the activities and tasks that creates a software product.There are five main areas,these are:AnalysisDesignDevelopment(To most engineers,this is the most important)TestingMain

12、tenance,软件工程（教材定义）,软件工程是用工程、科学和数学的原则与方法来研制、维护计算机软件的有关技术和管理方法。软件工程包括三个要素：软件工程方法软件工程工具软件工程的过程,软件工程,软件开发模型：瀑布模型演化模型螺旋模型增量模型喷泉模型智能模型,软件体系结构的产生和发展,软件体系结构的产生和发展,起初，人们把软件设计重点放在数据结构和算法上。随着软件系统规模越来越大、越来越复杂，整个系统的结构和规格说明显得越来越重要。对于大规模的复杂软件系统来说，对总体的系统结构设计和规格说明比起对计算的算法和数据结构的选择已经变得明显重要的多。对软件体系结构的系统地、深入地研究将会成为提高软件生

13、产率和解决软件维护问题的新的最有希望的途径。,软件体系结构的产生、兴起和发展,事实上，软件总是有体系结构的，不存在没有体系结构的软件。软件体系结构虽脱胎于软件工程，但其形成同时借鉴了计算机体系结构和网络体系结构中很多宝贵的思想和方法，最近几年软件体系结构研究已完全独立于软件工程的研究，成为计算机科学的一个最新的研究方向和独立学科分支。,What is Software Architecture,对房子进行建模,What is Software Architecture,目前关于软件体系结构的定义有六十多种，有的定义从构造的角度来审视软件体系结构，有的侧重于从体系结构风格、模式和规则角度来考虑。

14、,软件体系结构的定义,Dewayne Perry和A1exander Wo1f 软件体系结构是具有一定形式的结构化元素，即构件的集合，包括处理构件、数据构件和连接构件。处理构件负责对数据进行加工，数据构件是被加工的信息，连接构件把体系结构的不同部分组合连接起来。这一定义注重区分处理构件、数据构件和连接构件，这一方法在其他的定义和方法中基本上得到保持。,软件体系结构的定义,Mary Shaw和David Garlan 软件体系结构是软件设计过程中的一个层次，这一层次超越计算过程中的算法设计和数据结构设计。体系结构问题包括总体组织和全局控制、通讯协议、同步、数据存取，给设计元素分配特定功能，设计元

15、素的组织，规模和性能，在各设计方案间进行选择等。软件体系结构处理算法与数据结构之上关于整体系统结构设计和描述方面的一些问题，如全局组织和全局控制结构、关于通讯、同步与数据存取的协议，设计构件功能定义，物理分布与合成，设计方案的选择、评估与实现等。,软件体系结构的定义,Kruchten 软件体系结构有四个角度，它们从不同方面对系统进行描述：概念角度描述系统的主要构件及它们之间的关系；模块角度包含功能分解与层次结构；运行角度描述了一个系统的动态结构；代码角度描述了各种代码和库函数在开发环境中的组织。Hayes Roth 软件体系结构是一个抽象的系统规范，主要包括用其行为来描述的功能构件和构件之间的

16、相互连接、接口和关系。,软件体系结构的定义,David Garlan 和 Dewne Perry 软件体系结构是一个程序系统各构件的结构、它们之间的相互关系以及进行设计的原则和随时间演化的指导方针。Barry Boehm 软件体系结构包括一个软件和系统构件，互联及约束的集合；一个系统需求说明的集合；一个基本原理用以说明这一构件，互联和约束能够满足系统需求。？,软件体系结构的定义,Bass，Ctements 和 Kazman 软件体系结构包括一个或一组软件构件、软件构件的外部的可见特性及其相互关系。其中，“软件外部的可见特性”是指软件构件提供的服务、性能、特性、错误处理、共享资源使用等。,软件体

17、系结构的定义,我们的定义 软件体系结构为软件系统提供了一个结构、行为和属性的高级抽象，由构成系统的元素的描述、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的基本原理。,软件体系结构的意义,体系结构是风险承担者进行交流的手段 软件体系结构代表了系统的公共的高层次的抽象。这样，系统的大部分有关人员（即使不是全部）能把它作为建立一个互相理解的基础，形成统一认识，互相交流。体系结构提供了一种共同语言来表达各种关注和协商，进而对大型复杂系统能进行理智的管理。这对项目最终的

18、质量和使用有极大的影响。,软件体系结构的意义,体系结构是早期设计决策的体现（1）软件体系结构明确了对系统实现的约束条件（2）软件体系结构决定了开发和维护组织的组织结构（3）软件体系结构制约着系统的质量属性（4）通过研究软件体系结构可能预测软件的质量（5）软件体系结构使推理和控制更改更简单（6）软件体系结构有助于循序渐进的原型设计（7）软件体系结构可以作为培训的基础,软件体系结构的意义,软件体系结构是可传递和可重用的模型 软件体系结构级的重用意味着体系结构的决策能在具有相似需求的多个系统中发生影响，这比代码级的重用要有更大的好处。通过体系结构的抽象可以使设计者能够对一些经过实践证明是非常有效的体

19、系结构构件进行重用，从而提高设计效率和可靠性，大大降低设计的复杂性。,软件体系结构的发展史,Perry和Wolf认为未来的年代是研究软件体系结构的时代,软件体系结构的应用现状,软件体系结构描述语言 体系结构描述构造与表示 体系结构分析、设计与验证 体系结构发现、演化与重用 基于体系结构的软件开发方法 特定领域的体系结构框架 软件体系结构支持工具 软件产品线体系结构 建立评价软件体系结构的方法,构件与软件重用,构件模型及实现 软件重用是指两次或多次不同软件开发过程中重复使用相同或相近软件元素的过程。软件元素包括程序代码、测试用例、设计文档、设计过程、需求分析文档和领域分析知识。把可重用的软件元素

20、称为软件构件，简称构件。可重用的软件元素越大，重用的颗粒度越大。构件的定义 构件是指语义完整、语法正确和有可重用价值的单位软件，是软件重用过程中可以明确辨识的系统；结构上，它是语义描述、通讯接口和实现代码的复合体。构件的使用同它的开发、生产无关。,构件与软件重用,构件模型及实现 参考模型，描述模型，实现模型 构件模型的三个主要流派 OMG（Object Management Group，对象管理集团）的CORBA（Common Object Request Broker Architecture，通用对象请求代理结构）Sun的EJB（Enterprise Java Bean）Microsoft

21、的DCOM（Distributed Component Object Model，分布式构件对象模型）。,构件与软件重用,构件获取（重用）领域具有内聚性和稳定性特征，具有可重用性。从现有构件中获得符合要求的构件，直接使用或作适应性修改，得到可重用的构件；通过遗留工程，将具有潜在重用价值的构件提取出来，得到可重用的构件；从市场上购买现成的商业构件，即COTS（Commercial Off-The-Shell）构件；开发新的符合要求的构件。,构件与软件重用,构件管理 构件描述 构件分类与组织 人员及权限管理,构件与软件重用,构件管理 构件描述 构件模型是对构件本质的抽象描述，主要是为构件的制作与构

22、件的重用提供依据；从管理角度出发，也需要对构件进行描述，例如：实现方式、实现体、注释、生产者、生产日期、大小、价格、版本和关联构件等信息，它们与构件模型共同组成了对构件的完整描述。,构件与软件重用,构件管理 构件分类与组织 关键字分类法 刻面分类法 超文本组织方法,构件与软件重用,关键字分类法,构件与软件重用,刻面分类法 思想来源于图书馆学举例：使用环境 应用领域 功能 层次 表示方法,构件与软件重用,超文本组织方法,构件与软件重用,构件管理 人员及权限管理 一般来讲，构件库系统可包括五类用户，即注册用户、公共用户、构件提交者、一般系统管理员和超级系统管理员。不同的职责，不同的权限，互相协作，

23、共同维护构件库正常运作。,构件与软件重用,构件重用 检索与提取构件 理解与评价构件 修改构件 构件组装,构件与软件重用,构件重用 检索与提取构件 基于关键字的检索 刻面检索法 超文本检索法 其他检索方法,构件与软件重用,构件重用 理解与评价构件 构件的功能与行为 相关的领域知识 可适应性约束条件与例外情形 可以预见的修改部分及修改方法,构件与软件重用,构件重用 修改构件 理想的情形是对库中的构件不作修改而直接用于新的软件项目。但是，在大多数情况下，必须对构件进行或多或少的修改，以适应新的需求。为了减少构件修改的工作量，要求开发人员尽量使构件的功能、行为和接口设计更为抽象化、通用化和参数化。,构

24、件与软件重用,构件重用 构件组装 基于功能的组装技术 基于数据的组装技术 面向对象的组装技术,构件与软件重用,构件重用 构件组装 基于功能的组装技术 基于功能的组装技术采用程序调用和参数传递的方式将构件组装起来。它要求库中的构件以子程序/过程/函数的形式出现，并且接口说明必须清晰。当使用这种组装技术进行软件开发时，开发人员首先应对目标软件系统进行功能分解，将系统分解为强内聚、松耦合的功能模块。然后根据各模块的功能需求提取构件，对它进行适应性修改后再挂接在上述功能分解框架中。,构件与软件重用,构件重用 构件组装 基于数据的组装技术 首先根据当前软件问题的核心数据结构设计出一个框架，然后根据框架中

25、各结点的需求提取构件并进行适应性修改，再将构件逐个分配至框架中的适当位置。此后，构件的组装方式仍然是传统的程序调用与参数传递。这种组装技术也要求库中构件以子程序形式出现，但它所依赖的软件设计方法不再是功能分解，而是面向数据的设计方法，例如Jackson系统开发方法。,构件与软件重用,构件重用 构件组装 面向对象的组装技术 构造法 在子类中引进基类的对象作为子类的成员变量，然后在子类中通过成员变量重用基类的属性和方法。子类法 将新子类直接说明为库中基类的子类，通过继承和修改基类的属性与行为完成新子类的定义。,构件与软件重用,软件重用实例 自己看,作业 第一章,1、简要概述什么是软件危机，产生软件危机的原因，如何克服软件危机？2、什么是软件重用，软件重用的层次可以分为哪几个级别？3、什么是可重用构件？相对于普通软件产品，对可重用构件有何特殊要求？5、简述3种应用最广泛的构件技术规范DCOM、CORBA和EJB的各自特点。6、基于构件的软件开发方法能有效提高开发效率，简述在实际项目中，有那些方式获取构件，如何管理以及重用构件？7、软件体系结构定义众多，你是如何理解软件体系结构的？软件体系结构在软件系统中有和作用？,