《软件工程》第 7 章 - 软件体系结构设计

    在软件工程的流程中，软件体系结构设计是构建软件系统骨架的关键环节，它决定了系统的整体布局、模块交互方式以及系统的可扩展性和稳定性。本章将结合 Java 代码示例与可视化图表，深入解析软件体系结构设计的各个方面。

7.1 软件体系结构的概念

7.1.1 何谓体系结构

  软件体系结构是软件系统的高层次抽象，它描述了系统的基本组织，包括系统的组成部分（构件）、各部分之间的关系（连接件）以及指导系统设计和演化的原则。例如，一个电商系统的体系结构会定义订单处理模块、商品管理模块、支付模块等构件，以及它们之间如何进行数据交互和协同工作。

7.1.2 体系结构视图

体系结构可从多个视角进行描述，常见的视图包括：

• 逻辑视图：关注系统的功能和行为，描述系统的类、接口及其关系。
• 开发视图：侧重于软件开发的组织结构，展示代码模块、包以及它们之间的依赖关系。
• 物理视图：描述系统在物理硬件环境中的部署情况，如服务器、网络设备等。
• 过程视图：强调系统的运行时行为，展示进程、线程及其交互。
• 数据视图：关注系统的数据存储和管理，如数据库结构、数据流向。

7.2 体系结构的表示

7.2.1 包图

    包图用于组织和管理系统中的类和接口，通过包（Package）将相关元素分组，体现系统的层次结构和模块化设计。以一个简单的学生管理系统为例，包图如下：

展示了系统各层包之间的依赖关系。

7.2.2 构件图

    构件图描述系统的物理组成部分（构件）及其依赖关系，构件可以是代码库、可执行文件等。学生管理系统的构件图：

呈现了系统构件及其依赖。

7.2.3 部署图

    部署图展示系统在硬件环境中的部署情况，包括节点（如服务器、计算机）和构件在节点上的分布。学生管理系统部署图：

展示系统部署架构。

7.2.4 对象图

   对象图是类图的实例化，展示系统在某一时刻的对象状态和关系。以学生和课程对象关系为例，Java 代码及对象图如下：

class Student {

private String name;

private Course[] courses;

public Student(String name) {

this.name = name;

}

public void addCourse(Course course) {

// 简化处理，假设课程数组有足够空间

for (int i = 0; i < courses.length; i++) {

if (courses[i] == null) {

courses[i] = course;

break;

}

}

}

}

class Course {

private String courseName;

public Course(String courseName) {

this.courseName = courseName;

}

}

对象图：

展示对象间关系。

7.3 体系结构设计的过程模型

体系结构设计过程一般包含以下步骤：

1. 需求分析与关键需求识别；
2. 概念设计，提出初步的体系结构方案；
3. 体系结构精化，从不同视图完善设计；
4. 基于构件的设计与复用；
5. 体系结构验证。

其流程图如下：

展示设计流程。

7.4 体系结构设计模式

7.4.1 何谓设计模式

   设计模式是在软件开发过程中反复出现的通用解决方案，它提供了一种经过验证的设计思路，可提高软件的可维护性、可扩展性和复用性。

7.4.2 通用的体系结构模式

• 分层模式：将系统分为多个层次，如表现层、业务逻辑层、数据访问层，各层之间单向依赖。例如上述学生管理系统采用的就是分层模式。
• MVC 模式：分为模型（Model）、视图（View）、控制器（Controller），实现数据、展示和控制逻辑的分离，常用于 Web 应用开发。

// MVC模式示例 - 模型

class StudentModel {

private String name;

private int age;

public String getName() {

return name;

}

public void setName(String name) {

this.name = name;

}

public int getAge() {

return age;

}

public void setAge(int age) {

this.age = age;

}

}

// MVC模式示例 - 视图

class StudentView {

public void displayStudent(StudentModel student) {

System.out.println("学生姓名: " + student.getName() + "，年龄: " + student.getAge());

}

}

// MVC模式示例 - 控制器

class StudentController {

private StudentModel model;

private StudentView view;

public StudentController(StudentModel model, StudentView view) {

this.model = model;

this.view = view;

}

public void updateView() {

view.displayStudent(model);

}

public void setStudentName(String name) {

model.setName(name);

}

public void setStudentAge(int age) {

model.setAge(age);

}

}

7.5 概念设计

7.5.1 关键需求辨识

   从用户需求中识别对体系结构有重大影响的关键需求。例如在学生管理系统中，“支持多用户同时访问”“数据安全存储” 等需求会影响体系结构的设计选择，如是否采用分布式架构、如何设计数据加密方案。

7.5.2 体系结构初创

   基于关键需求，提出初步的体系结构方案。例如确定采用分层架构，并划分出表现层、业务逻辑层和数据访问层，规划各层的主要职责和交互方式。

7.6 体系结构精化

7.6.1 逻辑视图体系结构的精化

   细化系统的类和接口设计，明确类之间的继承、关联等关系。例如在学生管理系统中，进一步设计学生类、课程类的属性和方法，以及它们之间的选课关系。

7.6.2 开发视图体系结构的设计

   规划代码模块的组织方式，确定包结构、依赖关系，方便团队开发和维护。例如将数据访问相关代码放在一个包中，业务逻辑代码放在另一个包中。

7.6.3 物理视图体系结构的设计

   设计系统在硬件环境中的部署方案，选择合适的服务器、网络设备，规划系统的部署拓扑。如确定使用云服务器，将数据库服务器和应用服务器分开部署。

7.6.4 运行视图体系结构的设计

   关注系统运行时的行为，设计线程、进程的管理和交互方式。例如在多用户访问场景下，设计线程池来处理用户请求，避免资源竞争。

7.6.5 数据视图体系结构的设计

   设计数据的存储结构和管理方式，如设计数据库表结构、索引，规划数据的备份和恢复策略。

7.7 基于构件的体系结构设计

7.7.1 软件复用概述

   软件复用是指在软件开发过程中，重复使用已有的软件资产（如代码、构件、设计模式等），以提高开发效率和质量。

7.7.2 构件创立

   创建可复用的构件，要求构件具有高内聚、低耦合的特点。例如创建一个通用的 “日志记录构件”，用于记录系统运行日志。

class LoggingComponent {

public void logInfo(String message) {

System.out.println("[INFO] " + message);

}

public void logError(String message) {

System.out.println("[ERROR] " + message);

}

}

7.7.3 构件复用

   在不同项目或模块中复用已创建的构件。例如在学生管理系统和图书管理系统中都复用上述日志记录构件。

7.8 体系结构验证

通过以下方式验证体系结构：

• 评审：组织专家和团队成员对体系结构设计进行评审，检查是否满足需求、是否存在设计缺陷。
• 模拟与仿真：使用工具对系统进行模拟运行，测试体系结构的性能、可靠性等指标。
• 原型实现：开发系统原型，验证体系结构在实际应用中的可行性。

   本章全面介绍了软件体系结构设计的相关知识，通过 Java 代码案例、可视化图表和详细的文字说明，帮助读者理解体系结构设计的核心内容。在实际项目中，合理的体系结构设计是软件成功的基础，需要根据项目需求灵活运用这些方法和模式。如果对某个知识点存在疑问，或希望补充更多案例，欢迎随时交流！