架构-软件架构设计
一、软件架构基础概念
1. 软件架构的定义
- 通俗理解:软件架构是软件系统的“骨架”,定义了系统的结构、行为和属性,就像盖房子的设计图纸,规划了房间布局、承重结构和功能分区。
- 核心作用:
- 沟通桥梁:让技术人员(如程序员)和非技术人员(如产品经理)能理解系统设计,比如用“用户模块”“数据存储模块”描述系统组成。
- 质量预测:通过架构设计可提前判断系统是否能满足性能、安全等需求,例如分层架构能提升可维护性。
- 方便迭代:清晰的架构让修改局部功能更简单,比如更换数据库时只需调整数据层接口。
- 重点:架构设计本质是“需求分配”,即把用户需求拆解到不同组件(如登录需求分配给“认证组件”)。
2. 架构 vs 需求分析 vs 软件设计
- 需求分析:明确“系统要做什么”,例如“用户需要在线购物”。
- 架构设计:规划“系统如何组织”,例如设计“前端页面层-业务逻辑层-数据库层”三层架构。
- 软件设计:细化“具体实现细节”,例如设计数据库表结构、编写接口文档。
二、基于架构的软件开发(ABSD方法)
1. 核心思想
- 架构驱动开发:以业务需求(如电商系统的订单处理)、质量需求(如高并发)和功能需求(如商品搜索)为驱动,设计系统架构。
- 三大基础:
- 功能分解:将复杂功能拆分为模块,如电商系统拆分为“用户模块”“订单模块”“支付模块”。
- 架构风格选择:根据需求选合适的架构模式,如高并发场景选“事件驱动”风格。
- 软件模板:复用成熟的架构模板,如微服务架构模板。
2. 开发过程(高频考点)
- 架构需求:收集需求并转化为架构目标,例如“支持10万用户并发访问”。
- 架构设计:确定架构风格(如分层架构)、组件划分(如前端、后端)。
- 架构文档化:编写《架构规格说明书》,明确组件接口和交互规则,确保开发团队理解一致。
- 架构复审:检查架构是否存在缺陷,例如“单点故障”风险。
- 架构实现:开发组件并组装,如用Spring Boot开发后端微服务。
- 架构演化:根据需求变化升级架构,例如从单体架构演进为微服务架构。
3. 实际案例
- 电商系统开发:用ABSD方法,先分解出“商品展示”“购物车”“支付”等功能模块,选择“微服务架构”应对高并发,编写文档定义各服务接口,定期复审确保架构支持业务增长。
三、软件架构风格(核心考点)
1. 数据流风格
- 特点:数据像“水流”一样依次经过多个处理单元(过滤器),前一个的输出是后一个的输入。
- 子风格:
- 管道-过滤器:如编译器,源码依次经过“词法分析器(过滤器)→语法分析器(过滤器)→代码生成器(过滤器)”,每个过滤器独立处理数据。
- 批处理:一次性处理大量数据,如银行每月批量生成对账单。
- 适用场景:数据处理流程固定、需要高可扩展性的场景(如日志处理系统)。
2. 调用/返回风格
- 特点:通过“函数调用”实现模块交互,类似“主程序调用子程序,子程序返回结果”。
- 子风格:
- 分层架构:将系统分为多层,每层提供特定功能,下层向上层提供接口,如操作系统的“硬件层→驱动层→应用层”。
- 面向对象:通过对象方法调用实现交互,如Java程序中“用户对象调用支付对象的支付方法”。
- 实际案例:手机App的“界面层(调用)→业务逻辑层(调用)→数据层”分层架构,每层分工明确,便于维护。
3. 独立构件风格(事件驱动)
- 特点:构件通过“事件”交互,当某个事件发生(如按钮点击),相关构件自动响应,无需显式调用。
- 典型场景:GUI程序(如Windows操作系统),点击“保存”按钮触发“文件保存事件”,相关组件自动执行保存逻辑。
- 优缺点:
- 优点:松耦合,新增功能只需注册事件即可,如电商系统新增“库存不足预警”功能,无需修改订单模块。
- 缺点:事件处理顺序难控制,可能出现逻辑混乱。
4. 虚拟机风格
- 特点:通过“解释器”模拟运行环境,让代码在不同平台运行,如Java字节码在Java虚拟机(JVM)中执行。
- 适用场景:跨平台开发,如“一次编写,到处运行”的Java程序,或脚本语言(Python)的解释执行。
5. 以数据为中心风格
- 特点:有一个“中央数据仓库”,所有构件都访问该仓库,如数据库、黑板系统(多个知识源共享数据)。
- 案例:医疗诊断系统,多个诊断模块(知识源)共享患者病历数据(黑板),共同分析病情。
重点总结
- 必背风格:管道-过滤器(编译器)、分层架构(操作系统)、事件驱动(GUI)、虚拟机(Java跨平台)、黑板系统(AI诊断)。
- 风格判断:根据数据流动方式(数据流vs事件驱动)、模块交互方式(调用vs事件)选择合适的风格。
四、特定领域软件架构(DSSA)
1. 定义
- 针对特定领域(如医疗、金融)设计的通用架构,包含领域模型、参考需求和参考架构,可快速生成该领域的具体应用。
- 例:金融领域的“支付结算架构”,可复用账户管理、交易处理、风险控制等模块。
2. 核心活动
- 领域分析:提取该领域共性需求,如医疗系统的“患者信息管理”“电子病历”。
- 领域设计:设计通用架构,如医疗系统的“患者数据中心+业务模块”。
- 领域实现:开发可复用构件,如病历解析组件、处方生成组件。
3. 考点
- DSSA作用:提高特定领域软件的开发效率和质量,避免重复造轮子。
- 参与人员:领域专家(提供行业知识)、领域分析师(分析需求)、领域设计师(设计架构)、领域实现人员(开发构件)。
五、软件架构评估(质量属性与评估方法)
1. 关键质量属性(必考)
质量属性 | 定义 | 实际案例 | 提升战术 |
---|---|---|---|
性能 | 系统响应速度,如“响应时间<1s” | 电商系统双11高并发处理 | 引入并发(多线程)、资源调度(优先处理支付请求) |
可用性 | 系统正常运行时间比例 | 银行系统7×24小时可用 | 冗余设计(主备服务器)、故障切换(1分钟内切换到备用机) |
安全性 | 防止非授权访问,如抵御SQL注入 | 支付系统加密用户数据 | 身份验证(密码+验证码)、数据加密(HTTPS) |
可修改性 | 方便修改系统,如2人周内修改报表模块 | 微信新增功能不影响现有模块 | 模块化设计(各模块独立)、接口隔离(修改模块不影响其他模块) |
2. 评估方法
- SAAM:主要评估可修改性,通过模拟“修改某模块需要改动多少其他模块”判断架构优劣。
- ATAM:综合评估性能、可用性、安全性等,通过“场景分析”识别架构中的权衡点(如提升性能可能降低安全性)。
3. 实际应用
- 电商系统评估:用ATAM分析“高并发下性能与可用性的权衡”,确定是否采用“分布式缓存(提升性能)+ 多机房容灾(提升可用性)”方案。
六、构件与中间件技术
1. 构件(软件复用核心)
- 定义:可独立部署、可替换的功能单元,如“登录构件”“支付构件”。
- 复用流程:
- 检索构件:通过关键字(如“支付”)或刻面检索(按“应用领域+功能”)从构件库查找。
- 组装构件:通过接口连接,如“登录构件”调用“用户数据库构件”的查询接口。
- 案例:复用开源构件(如Spring框架的“事务管理构件”),快速实现系统功能。
2. 中间件(系统集成桥梁)
- 定义:位于操作系统和应用程序之间的软件,解决异构系统交互问题,类似“翻译官”让不同语言的系统沟通。
- 分类:
- 通信中间件:实现跨平台通信,如消息队列(Kafka)用于异步数据传输。
- 事务中间件:保证交易原子性,如银行转账时确保“扣款”和“入账”同时成功。
- Web中间件:处理Web请求,如Tomcat作为Web服务器中间件。
- 优点:简化开发(无需处理底层通信)、提高复用(中间件可通用)。
3. 重点
- 构件标准:CORBA(跨语言跨平台)、J2EE(Java企业级构件)、DNA 2000(微软构件标准)。
- 中间件作用:屏蔽硬件/操作系统差异,让应用开发更专注业务逻辑。
七、高频考点总结(加粗标注)
- 软件架构定义与作用:架构是高层抽象,核心作用是沟通、预测质量、方便迭代,架构设计是需求分配。
- ABSD方法:三大基础(功能分解、架构风格、软件模板),开发过程六阶段(需求→设计→文档化→复审→实现→演化)。
- 架构风格:五大风格(数据流、调用/返回、独立构件、虚拟机、数据中心)及其子风格特点、案例。
- 质量属性:性能、可用性、安全性、可修改性的定义、案例及提升战术。
- 构件与中间件:构件复用流程、中间件分类及作用,常见构件标准(CORBA、EJB)。
- 评估方法:SAAM(可修改性)、ATAM(多质量属性权衡)。
总结
软件架构设计是系统开发的核心,掌握其概念、风格、评估方法及构件技术,既能应对,也能在实际开发中设计出高效、可扩展的系统。重点记忆高频考点,结合实际案例理解,如用“电商系统”“编译器”等例子加深对架构风格和质量属性的理解。
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