《軟件體系結構》PPT課件

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1、1 2 軟 件 體 系 結 構 的 設 計3 特 定 領 域 的 體 系 結 構4 分 布 式 軟 件 體 系 結 構 2 3 軟 件 構 件 可 以 是 子 系 統(tǒng) ， 也 可 以 是 模 塊 。在 它 們 之 間 沒 有 清 晰 的 界 限 ， 但 可 以 依 據下 列 兩 點 加 以 區(qū) 分 ：1) 一 個 子 系 統(tǒng) 獨 立 構 成 系 統(tǒng) ， 不 依 賴 其 他子 系 統(tǒng) 提 供 的 服 務 。 子 系 統(tǒng) 由 模 塊 或 更小 的 子 系 統(tǒng) 構 成 。 子 系 統(tǒng) 之 間 的 交 互 通過 它 們 的 接 口 。2) 一 個 模 塊 通 常 是 一 個 能 提 供 一 個 或 多

2、 個服 務 的 系 統(tǒng) 構 件 ， 它 能 夠 利 用 其 他 模 塊提 供 的 服 務 ， 一 般 不 被 看 成 一 個 獨 立 的系 統(tǒng) ， 模 塊 可 以 由 更 簡 單 的 模 塊 組 成 。 4 5 6 7 4) 控 制 構 件 : 管 理 其 它 構 件 運 行 的 時 間 、 時機 及 次 序 。 例 如 ， 調 度 器 、 同 步 器 等 。5) 鏈 接 構 件 : 在 實 體 之 間 傳 遞 信 息 。 例 如 ，通 信 機 制 、 用 戶 界 面 等 。1) 過 程 調 用 : 在 某 一 特 定 執(zhí) 行 路 徑 中 傳 遞 執(zhí) 行指 針 。 如 普 通 過 程 調 用

3、、 遠 程 過 程 調 用 。2) 數 據 流 : 相 互 獨 立 的 處 理 通 過 數 據 流 進 行 交互 ， 在 得 到 數 據 的 同 時 被 賦 予 控 制 權 限 。如 UNIX 系 統(tǒng) 中 的 管 道 。 8 3) 間 接 激 活 : 處 理 因 事 件 的 發(fā) 生 而 激 活 ， 在處 理 間 沒 有 直 接 交 互 。 例 如 ， 事 件 驅 動 系統(tǒng) 、 自 動 垃 圾 回 收 等 。4) 消 息 傳 遞 : 相 互 獨 立 的 處 理 間 有 明 確 交 互 ，通 過 顯 式 數 據 傳 遞 。 傳 遞 可 以 是 同 步 的 ，也 可 以 是 異 步 的 。 如 TC

4、P/IP 。5) 共 享 數 據 : 構 件 通 過 同 一 數 據 空 間 進 行 并發(fā) 操 作 。 如 多 用 戶 數 據 庫 , 數 據 黑 板 。 9 2 軟 件 體 系 結 構 的 設 計 軟 件 體 系 結 構 的 設 計 過 程 是 為 系 統(tǒng) 建 立 一 個基 本 架 構 。 它 包 括 識 別 系 統(tǒng) 的 主 要 構 件 和 這些 構 件 之 間 的 通 信 。 設 計 過 程 的 主 要 活 動系 統(tǒng) 構 造 ： 將 系 統(tǒng) 分 解 為 一 系 列 基 本 的 子系 統(tǒng) ， 每 一 子 系 統(tǒng) 是 獨 立 的 軟 件 成 分 ?？?制 建 模 ： 建 立 系 統(tǒng) 各 部 分

5、 之 間 的 控 制 關系 的 一 般 模 型 。模 塊 分 解 ： 將 子 系 統(tǒng) 進 一 步 分 解 為 模 塊 。 10 11 視 覺 系 統(tǒng)對 象 識別 系 統(tǒng) 手 臂 控 制 器 機 械 爪 控 制 器組 裝 選擇 系 統(tǒng)組 裝 系 統(tǒng) 傳 送 帶 控 制 器 12 13 14設 計 分 析 器 報 告 生 成 器項 目 數 據 倉 庫 設 計 編 輯 器 代 碼 生 成 器設 計 翻 譯 器 程 序 編 輯 器 15 16 子 系 統(tǒng) 的 數 據 模 型 必 須 與 數 據 倉 庫 的 數 據 模型 保 持 一 致 。 如 果 一 個 新 子 系 統(tǒng) 的 數 據 模 型與 數 據

6、倉 庫 的 數 據 模 型 沖 突 ， 很 難 將 它 集 成到 系 統(tǒng) 中 來 。 不 同 的 子 系 統(tǒng) 對 保 密 性 、 恢 復 和 備 份 有 不 同的 要 求 ， 而 數 據 倉 庫 模 型 將 迫 使 所 有 子 系 統(tǒng)采 用 相 同 的 策 略 。 17 18 film & picture library系 統(tǒng) 的 體 系 結 構 19 20 21 22 23以 太 網IP TCPFTP以 太 網IPTCPFTP FTP協(xié) 議TCP協(xié) 議IP協(xié) 議以 太 網 協(xié) 議物 理 連 接 應 用 層傳 輸 層TCP/IP 通 信 的 層 次 模 型 24 25 26 27 28 應 用

7、 系 統(tǒng)基 本 工 具內 核不 同 元 素 組 合 29 應 用 軟 件 層特 定 業(yè) 務 層中 間 件 層系 統(tǒng) 軟 件 層 各 個 應 用 的 各 種 變 型各 個 應 用 系 統(tǒng)各 個 構 件 庫 系 統(tǒng) (針 對 特 定 論 域 、 特 定 業(yè) 務 )不 依 賴 平 臺 的 低 層 構 件 等特 定 的 平 臺 軟 件 ： 操 作 系 統(tǒng) 等 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 位 于 中 央 的 系 統(tǒng) 控 制 器 管 理 一 組 進 程 的 執(zhí) 行 ，這 些 進 程 管 理 傳 感 器 、 傳 動 裝 置 等 。 根 據 系 統(tǒng) 的 狀 態(tài) 變 量 ， 系

8、統(tǒng) 控 制 器 決 定 什 么時 候 進 程 應 該 啟 動 或 停 止 。 系 統(tǒng) 控 制 器 負 責 監(jiān) 測 哪 些 進 程 產 生 需 要 處 理的 信 息 ， 或 哪 些 進 程 收 到 需 要 處 理 的 信 息 。 系 統(tǒng) 控 制 器 不 停 地 循 環(huán) ， 輪 流 檢 測 傳 感 器 和其 他 進 程 的 事 件 和 狀 態(tài) 變 化 。 基 于 上 述 功 能 ， 有 時 將 此 模 型 稱 為 事 件 - 循 環(huán)模 型 。 40 41 42 事 件 和 消 息 處 理 器子 系 統(tǒng) 1 子 系 統(tǒng) 2 子 系 統(tǒng) 3 子 系 統(tǒng) 4 43 44 45Process1 Handl

9、er1 Process2Handler2 Process3Handler3 Process4Handler4 這 種 模 型 可 以 嵌 入 到 其 他 控 制 模 型 中 使 用 ，用 以 對 事 件 作 出 緊 急 反 應 。 46 47 對 象 是 系 統(tǒng) 的 構 件 。 因 此 對 象 分 解 的 焦 點 在于 對 象 類 、 對 象 屬 性 及 對 象 操 作 。 實 現 時 ，對 象 就 是 從 這 些 類 中 產 生 。 48 49 customer#nameaddresscredit periodinvoice#dateamountcustomer# invoice#datea

10、mountcustomer#invoice#dateamountcustomer#issue()sendReminder()acceptPayment()sendReceipt() 50 51 52 Readissuedinvoices Identifypayments Issuereceipts ReceiptsFindpaymentsdue IssuepaymentreminderRemindersInvoices Payments 53 3 特 定 領 域 的 體 系 結 構 前 面 介 紹 的 體 系 結 構 模 型 都 是 一 般 的 模 型 ，可 應 用 于 各 種 不 同 類 型

11、 的 應 用 中 。 對 于 一 個 特 殊 的 應 用 領 域 ， 還 可 使 用 特 定 于它 的 體 系 結 構 模 型 ， 在 開 發(fā) 新 的 系 統(tǒng) 時 可 以復 用 其 公 共 體 系 結 構 。 這 種 體 系 結 構 模 型 即為 特 定 領 域 的 體 系 結 構 。 存 在 兩 種 特 定 領 域 的 體 系 結 構 模 型 ： u 類 屬 模 型 (Generic model)u 參 考 模 型 (Reference model) 54 3.1 類 屬 模 型 類 屬 模 型 是 從 許 多 實 際 系 統(tǒng) 中 抽 象 出 來 的 模型 ， 它 封 裝 了 這 些 系 統(tǒng)

12、 的 主 要 特 征 。 例 如 ， 在 實 時 系 統(tǒng) 中 ， 對 于 不 同 類 型 的 系 統(tǒng) ，如 數 據 采 集 系 統(tǒng) 、 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 等 ， 有 它 們 各 自的 類 屬 模 型 。 又 例 如 ， 在 語 言 的 編 譯 器 中 包 括 有 詞 法 分 析器 、 語 法 分 析 器 、 語 義 分 析 器 、 代 碼 生 成 器等 ， 還 有 在 編 譯 過 程 中 建 立 的 符 號 表 、 語 法樹 等 。 存 在 不 同 的 體 系 結 構 模 型 組 織 編 譯 器 的 構 件 。 55 編 譯 器 的 數 據 流 模 型 編 譯 器 可 以 使 用 復 合 模 型

13、 實 現 。 編 譯 器 用 數據 流 體 系 結 構 實 現 ， 處 理 流 程 按 詞 法 分 析 語 法 分 析 語 義 分 析 代 碼 生 成 的 順 序 執(zhí) 行 ，但 處 理 共 享 數 據 時 ， 使 用 了 當 作 數 據 倉 庫 用的 符 號 表 。 符 號 表詞 法 分 析 語 法 分 析 語 義 分 析 代 碼 生 成 56 數 據 流 模 型 在 沒 有 用 戶 交 互 的 批 處 理 環(huán) 境 下執(zhí) 行 編 譯 十 分 有 效 。 但 當 編 譯 器 需 要 與 其 他語 言 處 理 工 具 ， 如 編 輯 器 、 交 互 調 試 器 、 字體 打 印 機 等 集 成 時

14、 效 果 不 是 很 好 。 此 時 ， 編 譯 器 可 以 使 用 基 于 數 據 倉 庫 的 模 型來 組 織 類 屬 系 統(tǒng) 的 構 件 。 在 這 種 模 型 中 ， 符 號 表 、 語 法 樹 等 起 到 中 央信 息 倉 庫 的 作 用 ， 各 種 工 具 或 工 具 件 的 通 信都 經 過 它 。 此 外 ， 有 關 程 序 的 語 法 定 義 、 輸出 格 式 定 義 等 都 從 工 具 中 取 出 ， 歸 入 到 數 據倉 庫 中 。 57 語 言 處 理 系 統(tǒng) 的 數 據 倉 庫 模 型語 法 樹詞 法分 析 器 語 法分 析 器 語 義分 析 器 字 體打 印 機 編

15、 輯 器 優(yōu) 化 器 代 碼生 成 器 語 法 定 義符 號 表 符 號 表數 據 倉 庫 58 3.2 參 考 模 型 一 般 的 軟 件 體 系 結 構 模 型 反 映 的 是 已 有 系 統(tǒng)的 體 系 結 構 ， 而 參 考 模 型 反 映 了 一 大 類 系 統(tǒng)的 體 系 結 構 。 參 考 模 型 源 于 對 應 用 領 域 的 研 究 ， 它 描 述 了一 個 理 想 化 的 包 含 了 系 統(tǒng) 應 具 有 的 所 有 特 征的 軟 件 體 系 結 構 。 典 型 的 例 子 是 OSI參 考 模 型 。 它 描 述 了 開 放系 統(tǒng) 互 連 的 標 準 。 如 果 一 個 系 統(tǒng)

16、 遵 從 這 個 標準 ， 就 可 以 與 其 他 遵 從 該 標 準 的 系 統(tǒng) 互 連 。 59 通 常 ， 參 考 模 型 不 能 被 正 式 看 作 是 系 統(tǒng) 實 現的 方 式 ， 而 主 要 使 用 它 作 為 比 較 一 個 應 用 領域 中 不 同 系 統(tǒng) 之 間 異 同 的 工 具 。 OSI參 考 模 型 是 一 個 七 層 模 型 。 較 低 層 主 要實 現 物 理 連 接 ， 中 間 層 主 要 實 現 數 據 傳 輸 ，較 高 層 實 現 帶 有 語 義 的 應 用 信 息 的 傳 輸 。 其 他 典 型 的 參 考 模 型 有 關 CASE環(huán) 境 的 參 考 模型

17、 ECMA， 關 于 軟 件 工 廠 的 參 考 模 型 ， 某 些設 計 模 式 等 。 60 OSI參 考 模 型 的 體 系 結 構應 用 層表 示 層對 話 層傳 輸 層網 絡 層數 據 鏈 路 層物 理 層 網 絡 層數 據 鏈 路 層物 理 層 應 用 層表 示 層對 話 層傳 輸 層網 絡 層數 據 鏈 路 層物 理 層通 信 介 質 61 4 分 布 式 系 統(tǒng) 體 系 結 構 所 有 大 型 計 算 機 系 統(tǒng) 現 在 都 是 分 布 式 系 統(tǒng) 。 分 布 式 系 統(tǒng) 的 信 息 處 理 分 布 在 多 個 計 算 機 上 ，而 不 是 只 限 于 單 個 計 算 機 上

18、。 在 分 布 式 系 統(tǒng) 中 ， 系 統(tǒng) 軟 件 運 行 于 用 網 絡 相連 的 一 組 松 散 地 集 成 在 一 起 的 處 理 器 上 。 例 如 ， 銀 行 的 ATM系 統(tǒng) 、 預 定 系 統(tǒng) 、 群 件(Groupware) 系 統(tǒng) 等 。 62 4.1 分 布 式 系 統(tǒng) 的 主 要 特 征1) 資 源 共 享 允 許 硬 件 、 軟 件 資 源 共 享 使 用 。2) 開 放 性 是 指 系 統(tǒng) 通 過 非 私 有 資 源 來 擴 展 自己 的 能 力 。 分 布 式 系 統(tǒng) 可 包 括 來 自 不 同 廠 家的 硬 件 和 軟 件 的 兼 容 產 品 。3) 并 發(fā) 性

19、在 分 布 式 系 統(tǒng) 中 ， 在 網 絡 的 不 同 計算 機 上 可 同 時 運 行 多 個 進 程 ， 它 們 在 運 行 期間 可 以 互 相 通 信 。4) 可 伸 縮 性 分 布 式 系 統(tǒng) 是 可 伸 縮 的 ， 可 以 通過 增 加 新 的 資 源 來 滿 足 對 系 統(tǒng) 的 新 的 需 求 。 63 5) 容 錯 性 具 有 多 臺 計 算 機 和 復 制 信 息 的 潛 能意 味 著 分 布 式 系 統(tǒng) 能 夠 容 忍 某 些 硬 件 或 軟 件的 失 效 。 在 大 多 數 系 統(tǒng) 中 ， 當 失 效 發(fā) 生 時 會導 致 某 些 服 務 能 力 下 降 ， 只 有 當

20、網 絡 失 效 時才 完 全 喪 失 其 服 務 能 力 。6) 透 明 性 是 指 對 用 戶 隱 藏 了 系 統(tǒng) 的 分 布 情 況 。用 戶 可 以 完 全 透 明 地 訪 問 系 統(tǒng) 的 資 源 而 不 必了 解 系 統(tǒng) 資 源 的 分 布 。 不 過 ， 在 多 數 情 況 下 ，可 以 讓 用 戶 了 解 一 些 有 關 系 統(tǒng) 組 織 的 知 識 ，這 有 助 于 用 戶 更 好 地 使 用 這 些 資 源 。 64 4.2 典 型 的 分 布 式 系 統(tǒng) 的 體 系 結 構1. 多 處 理 器 體 系 結 構 多 處 理 器 系 統(tǒng) 由 多 個 不 同 的 進 程 組 成 ，

21、這 些進 程 可 以 在 不 同 的 處 理 器 上 運 行 。 例 如 ， 在 實 時 系 統(tǒng) 中 ， 采 集 信 息 、 制 訂 決 策 、執(zhí) 行 控 制 等 進 程 可 以 由 調 度 器 控 制 在 同 一 臺處 理 器 上 運 行 ， 而 使 用 多 處 理 器 則 能 夠 改 進系 統(tǒng) 的 性 能 和 彈 性 。 進 程 分 配 到 哪 一 臺 處 理 器 ， 可 以 是 預 先 確 定的 ， 也 可 以 用 分 配 器 控 制 進 行 分 配 。 65 傳 感 器控 制 進 程 控 制 室顯 示 進 程 交 通 燈 光控 制 進 程傳 感 器處 理 器 交 通 流 量處 理 器

22、交 通 信 號控 制 處 理 器多 處 理 器 交 通 控 制 系 統(tǒng) 多 進 程 的 軟 件 系 統(tǒng) 不 一 定 是 分 布 式 系 統(tǒng) 。 但如 果 有 多 個 處 理 器 可 用 ， 可 考 慮 分 布 式 實 現 。交 通 流 量傳 感 器 和 攝 像 頭 交 通 信 號 燈操 作 員 控 制 臺 66 2. 客 戶 機 /服 務 器 體 系 結 構 在 這 種 體 系 結 構 中 ， 一 個 應 用 程 序 被 模 型 化為 一 組 由 服 務 器 提 供 的 服 務 和 一 組 使 用 這 些服 務 的 客 戶 機 。 客 戶 機 需 要 知 道 服 務 器 的 存 在 ， 但 通

23、 常 不 知道 其 他 客 戶 機 的 存 在 。 客 戶 機 與 服 務 器 是 不 同 的 進 程 。 通 常 我 們 討論 它 們 時 ， 把 它 們 當 作 邏 輯 進 程 ， 就 是 說 ，不 關 心 它 們 物 理 上 放 在 哪 一 臺 計 算 機 上 。 67 客 戶 機 /服 務 器 體 系 結 構 邏 輯 模 型 ， 進 程 與 處 理 器 之間 不 一 定 是 一 對 一 的 映 射 。s1 服 務 器 進 程客 戶 機 進 程 c1 c5 c11c12c6 c7 c10s1 網 絡s2 s3s4c8 c9c1c2c3 c4 68 客 戶 機 /服 務 器 網 絡 中 的

24、 計 算 機 物 理 模 型 ， 是 邏 輯 模 型的 具 體 實 現CC1 CC2 CC3CC4 CC5 CC6SC2 SC1網 絡c1 c2 c3, c4c8, c9 c10, c11, c12c5, c6, c7 s3, s4s1, s2SC2 服 務 器 計 算 機客 戶 機 計 算 機CC1 69 客 戶 機 /服 務 器 的 三 層 結 構 表 示 層 處 理 與 用 戶 的 交 互 和 顯示 提 交 給 用 戶 的 信 息 。 應 用 處 理 層 實 現 應 用 的 邏 輯 。 數 據 管 理 層 定 義 和 操 作 數 據 庫 。 在 集 中 式 系 統(tǒng) 中 ， 三 層 的 界

25、 限不 必 分 得 這 樣 清 楚 。 在 分 布 式 系 統(tǒng) 中 必 須 清 楚 地 給出 它 們 之 間 的 界 限 ， 以 便 將 每一 層 分 布 到 不 同 的 機 器 上 。 表 示 層數 據 管 理 層應 用 處 理 層 70 客 戶 機 /服 務 器 的 二 層 結 構 二 層 客 戶 機 /服 務 器 體 系 結 構 有 兩 種 形 態(tài) : 瘦 客 戶 機 模 型 所 有 應 用 處 理 與 數 據 管 理都 在 服 務 器 上 ， 客 戶 機 只 負 責 表 示 功 能 。 胖 客 戶 機 模 型 服 務 器 只 負 責 數 據 管 理 ，客 戶 機 負 責 應 用 邏 輯

26、 與 系 統(tǒng) 用 戶 的 交 互 。應 用 處 理數 據 管 理數 據 管 理服 務 器 客 戶 機 服 務 器 客 戶 機表 示表 示應 用 處 理瘦 客 戶 機模 型胖 客 戶 機模 型 71 電 子 商 務 系 統(tǒng) 常 用 的 三 層 體 系 結 構 數 據 層 數 據 存 儲 應 用 邏 輯 層 業(yè) 務 處 理 、 業(yè) 務 流 轉 、 系 統(tǒng) 管理 、 日 志 管 理 、 消 息 管 理 、 權 限 管 理 、 碼 表維 護 、 其 他 等 ； 表 示 層 用 戶 接 口 ；Web服 務 器（ 表 示 層 ） 應 用 服 務 器（ 應 用 邏 輯 層 ） 數 據 庫 服 務 器（ 數

27、據 層 ）ASPJava源 程 序解 釋 執(zhí) 行 ASPJava源 程 序 ADOODBC采 購 請 求數 據 庫 信 息 批 發(fā) 72 3 分 布 式 對 象 體 系 結 構 分 布 式 系 統(tǒng) 設 計 的 更 通 用 的 方 法 是 去 掉 客 戶機 與 服 務 器 的 差 別 ， 用 分 布 式 對 象 系 統(tǒng) 進 行設 計 。 在 分 布 式 對 象 體 系 結 構 中 ， 對 象 是 基 本 系 統(tǒng)構 件 。 對 象 提 供 一 組 服 務 ， 并 提 供 對 外 這 些服 務 的 接 口 。 對 象 之 間 不 存 在 客 戶 機 與 服 務 器 的 界 限 。 接受 服 務 者

28、即 扮 演 客 戶 機 的 角 色 ， 提 供 服 務 者就 是 服 務 器 。 73 對 象 可 能 分 布 在 網 絡 的 多 臺 計 算 機 上 ， 它 們通 過 中 間 件 相 互 通 信 。 這 個 中 間 件 被 看 作 軟件 總 線 ， 它 提 供 服 務 實 現 對 象 通 信 和 增 刪 。 軟 件 總 線o1s(o1) o2s(o2) o3s(o3) o4s(o4)o6s(o6) o5s(o5)o7s(o7) o8s(o8) o9s(o9) 74 這 個 中 間 件 叫 做 對 象 請 求 代 理 ， 它 的 作 用 是 在對 象 之 間 提 供 一 個 無 縫 的 接 口 。 原 則 上 ， 系 統(tǒng) 中 的 對 象 可 以 通 過 不 同 的 程 序 語言 來 實 現 ， 可 以 運 行 于 不 同 的 平 臺 上 ， 而 它 們的 名 字 在 系 統(tǒng) 中 可 以 不 為 其 他 對 象 所 知 。 中 間件 就 像 “ 膠 水 ” 一 樣 實 現 無 縫 的 對 象 通 信 。 有 兩 種 主 要 的 支 持 分 布 式 對 象 計 算 的 標 準 。 CORBA（ 通 用 對 象 請 求 代 理 體 系 結 構 ） DCOM（ 分 布 式 構 件 對 象 模 型 ）