關(guān)于軟件體系結(jié)構(gòu)研究的初步探討

李　波　聶裕鵬

摘要：軟件體系結(jié)構(gòu)是軟件工程中的一個(gè)新興研究領(lǐng)域，它與軟件工程技術(shù)的發(fā)展有著密切的關(guān)系。首先，從軟件工程技術(shù)的發(fā)展了解軟件體系結(jié)構(gòu)研究的必然性。然后，給出軟件體系結(jié)構(gòu)的概念描述，介紹有關(guān)體系結(jié)構(gòu)研究的內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：軟件體系結(jié)構(gòu)；軟件工程技術(shù)；軟件構(gòu)件

中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-1145（2009）15-0149-02

一、軟件工程技術(shù)的發(fā)展

軟件工程技術(shù)的基本目標(biāo)就是用抽象的方法將現(xiàn)實(shí)世界（問題域）的問題轉(zhuǎn)化為程序空間（解題域）的解題程序，通過程序控制的方式，由計(jì)算機(jī)的執(zhí)行獲得問題的結(jié)果。然而，由于人們認(rèn)識(shí)和理解現(xiàn)實(shí)世界的過程和方法不一致，導(dǎo)致了構(gòu)造軟件系統(tǒng)時(shí)所使用的分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的過程與方法也不一致，這種不一致是軟件生產(chǎn)效率低下的主要癥結(jié)之一。軟件工程技術(shù)的水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于硬件，造成了“軟件危機(jī)”，而軟件工程技術(shù)與開發(fā)方法就是在解決“軟件危機(jī)”的過程中逐步發(fā)展起來的。

隨著計(jì)算機(jī)硬件的不斷更新，計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言經(jīng)歷了從匯編語言到高級(jí)語言的發(fā)展過程，規(guī)模越來越大，復(fù)雜程度越來越高。人們逐漸認(rèn)識(shí)到高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言只不過實(shí)現(xiàn)了高級(jí)源程序碼到機(jī)器指令間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，卻仍然缺乏將問題域映射到程序空間的方法和工具，即缺乏軟件設(shè)計(jì)的方法和工具。為了改變軟件開發(fā)的手工狀況，適應(yīng)大規(guī)模軟件開發(fā)的需要，人們開始尋找新的適合工程化軟件開發(fā)的設(shè)計(jì)方法、工具與管理方式。

1．程序設(shè)計(jì)方法學(xué)的研究。程序設(shè)計(jì)方法學(xué)的研究以結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)為代表，它強(qiáng)調(diào)從程序結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)風(fēng)格上來研究程序。E.W.dijkstra首先提出了結(jié)構(gòu)化自頂向下和逐步求精的軟件設(shè)計(jì)方法，即在程序設(shè)計(jì)中將目標(biāo)逐步分解為子目標(biāo)并加以細(xì)化，直至得到可執(zhí)行的程序。20世紀(jì)70年代，Parnas引入信息隱藏作為模塊劃分的基本原則。從Simular 67語言引入類的概念，人們開始了有關(guān)抽象數(shù)據(jù)類型ADT的研究。

2．軟件開發(fā)方法學(xué)的研究。程序設(shè)計(jì)方法研究的是小規(guī)模的程序，而軟件開發(fā)方法學(xué)則是研究大規(guī)模軟件開發(fā)應(yīng)遵循的方法和準(zhǔn)則，以及軟件開發(fā)項(xiàng)目管理方法。軟件開發(fā)方法學(xué)的內(nèi)容包括對(duì)軟件生命周期和其中各階段相應(yīng)的軟件開發(fā)方法的研究。軟件生命周期從總體上規(guī)范了軟件開發(fā)過程中各項(xiàng)工作的內(nèi)容及步驟，從而使軟件開發(fā)有章可循。從70年代開始，人們陸續(xù)提出了一些軟件開發(fā)方法，如結(jié)構(gòu)化分析和設(shè)計(jì)方法等。進(jìn)入80年代后期，面向?qū)ο蟮姆治?設(shè)計(jì)（OOA/OOD）逐漸得到了廣泛的重視和研究。目前，面向?qū)ο蠓椒ㄔ诙喾降呐χ拢呀?jīng)初步實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一建模語言UML，這標(biāo)志著它已成為軟件開發(fā)的主流技術(shù)，正在大規(guī)模軟件生產(chǎn)方面發(fā)揮越來越重要的作用。

3．計(jì)算機(jī)輔助軟件工程。在軟件工程學(xué)中，方法和工具是同一問題的兩個(gè)方面。方法是工具研制的先導(dǎo)，工具是方法的現(xiàn)實(shí)體現(xiàn)。計(jì)算機(jī)輔助軟件工程（CASE）就是為工程化的軟件生產(chǎn)提供計(jì)算機(jī)化的支持，以期提高軟件生產(chǎn)率和軟件產(chǎn)品的質(zhì)量。進(jìn)入90年代以來，結(jié)合面向?qū)ο蠹夹g(shù)，各種基于對(duì)象的構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)逐步涌現(xiàn)并走向?qū)嵱茫渲幸詫?duì)象管理集團(tuán)（OMG）制定的CORBA（Common Objec七Request Broker Architecture）工業(yè)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)和Microsoft公司的COM/DCOM構(gòu)件模型最為著名。這些構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)為不同的構(gòu)件在異構(gòu)環(huán)境下相互操作定義了統(tǒng)一的接口，它們的出現(xiàn)為軟件的開發(fā)和設(shè)計(jì)提供了新的平臺(tái)和方式。

使用構(gòu)件技術(shù)開發(fā)軟件，對(duì)于軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析、設(shè)計(jì)與描述比對(duì)算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇顯得更加重要。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的考慮包括：如何將軟件元素復(fù)合組織成為一個(gè)有機(jī)的系統(tǒng);如何定義全局控制結(jié)構(gòu)；如何規(guī)定各元素間的通信、同步協(xié)議；系統(tǒng)功能如何在各組成元素間劃分，以及如何將各元素組織完成某一系統(tǒng)功能；軟件系統(tǒng)各元素如何進(jìn)行物理分布及系統(tǒng)配置；系統(tǒng)的規(guī)模與性能如何；如何選擇系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案以及確定系統(tǒng)的演化方向。因此，必須首先確定軟件的總體組織結(jié)構(gòu)，選擇或開發(fā)完成系統(tǒng)功能所需的構(gòu)件以及構(gòu)件之間的交互關(guān)系，這正是軟件體系結(jié)構(gòu)的研究范疇。

二、軟件體系結(jié)構(gòu)的基本概念

雖然軟件體系結(jié)構(gòu)在軟件工程中已有很深的根基，但由于有關(guān)研究和使用剛剛興起，因而對(duì)它的理解還沒有達(dá)成共識(shí)。就體系結(jié)構(gòu)而言，它是指建立系統(tǒng)時(shí)的構(gòu)造模型、構(gòu)造風(fēng)格和構(gòu)造模式。軟件體系結(jié)構(gòu)對(duì)于軟件系統(tǒng)的構(gòu)造所起的是指導(dǎo)性的作用，著重于探討軟件系統(tǒng)的總體框架。廣義而言，軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)涉及多方面的內(nèi)容：（1）軟件的成分及系統(tǒng)框架；（2）軟件成分的選擇，各成分之間的相互作用，軟件成分的進(jìn)一步復(fù)合以及指導(dǎo)軟件復(fù)合過程的總體模式；（3）系統(tǒng)的功能、性能、設(shè)計(jì)以及從多種方案及選項(xiàng)中進(jìn)行選擇的決策?？梢姡浖w系結(jié)構(gòu)更為關(guān)注的是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其成分，而方法更關(guān)心系統(tǒng)的開發(fā)過程。

綜合來說，軟件體系結(jié)構(gòu)開始于系統(tǒng)的早期設(shè)計(jì)，主要描述以下屬性：功能性構(gòu)件和數(shù)據(jù)構(gòu)件；構(gòu)件間的連接，包括數(shù)據(jù)流和控制流；各種約束，包括構(gòu)件通信協(xié)議、構(gòu)件間的同步等；用構(gòu)件及它們之間的連接表示的整體結(jié)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系等。

三、軟機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究目的和內(nèi)容

在使用構(gòu)件技術(shù)的組合軟件工程中，好的軟件體系結(jié)構(gòu)是決定軟件系統(tǒng)開發(fā)成敗的關(guān)鍵。然而，許多以前被人們廣泛采用的體系結(jié)構(gòu)如管道、層次系統(tǒng)、客戶機(jī)/服務(wù)器模式等都可能被按照個(gè)人的嗜好做出不同的理解并以不同的方式應(yīng)用到系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)上。其結(jié)果通常是軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員無法就系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的共性達(dá)成共識(shí)，因而也沒有對(duì)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估與選擇的基本原則。

有關(guān)軟件體系結(jié)構(gòu)的研究目前可分為三類：（1）研究體系結(jié)構(gòu)主要目的是使用領(lǐng)域分析技術(shù)和工具獲取有關(guān)軟件體系結(jié)構(gòu)的所有特征，并創(chuàng)建一個(gè)通用的體系結(jié)構(gòu)描述語言ADL (Architectural Description Language)，用于刻畫其性質(zhì)。這將為設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)嚴(yán)格定義軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一方法，從而避免了自然語言與框圖描述可能引起的理解上的不一致，即所謂的二義性。（2）體系結(jié)構(gòu)的分類主要研究體系結(jié)構(gòu)專業(yè)的范疇與內(nèi)容，其目的在于通過大量的實(shí)例，考察體系結(jié)構(gòu)的決策是如何受項(xiàng)目需求、組織目標(biāo)和個(gè)人背景影響的，從而對(duì)軟件開發(fā)實(shí)踐中所采用的體系結(jié)構(gòu)劃分原則與模式進(jìn)行分類并理論化，幫助開發(fā)人員確定有關(guān)體系結(jié)構(gòu)選擇的工程化原則。（3）第三類研究主要致力于特定領(lǐng)域軟件體系結(jié)構(gòu)框架的研究，如關(guān)于操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及用戶界面等領(lǐng)域的軟件體系結(jié)構(gòu)研究。這一類的研究成果可為某一領(lǐng)域中新產(chǎn)品的開發(fā)提供一個(gè)復(fù)用度很高的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與開發(fā)模式。

建立完善的體系結(jié)構(gòu)理論不僅適合軟件系統(tǒng)開發(fā)的需要，也是軟件維護(hù)的需要。從開發(fā)方面考慮：首先，對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象形成幾類通用的模型，將有利于在較高的抽象層次上理解不同類型系統(tǒng)間的相互關(guān)系；其次，理論的建立為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員確立正確的體系結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo)性意見；第三，不同類型的體系結(jié)構(gòu)模型是分析一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)高級(jí)性質(zhì)的模型;第四，統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)描述方式將為軟件開發(fā)人員間進(jìn)行交流提供便利；最后，對(duì)于業(yè)已存在的可復(fù)用模塊來說，它們可能被包裝成為過程、進(jìn)程或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過濾器等，它們分別以過程調(diào)用、進(jìn)程通訊和共享數(shù)據(jù)等方式與其他模塊進(jìn)行交互，體系結(jié)構(gòu)的提出將有利于解決何時(shí)以及如何對(duì)這些可復(fù)用模塊進(jìn)行復(fù)合的問題。而從軟件維護(hù)方面考慮，對(duì)軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其性質(zhì)給出嚴(yán)格的定義并文檔化，非常有利于維護(hù)人員全面理解系統(tǒng)的構(gòu)成。不僅如此，由于組成系統(tǒng)的各成分界限劃分得較為清晰，使得代碼維護(hù)成本降低且容易保持原有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)格。

四、結(jié)語

當(dāng)前對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)從萌芽工作進(jìn)展到對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格的分類、評(píng)估、形式化及特定領(lǐng)域體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和基于構(gòu)件的軟件開發(fā)，而且軟件體系結(jié)構(gòu)描述語言也相繼出現(xiàn)，使軟件體系結(jié)構(gòu)的表示更加嚴(yán)謹(jǐn)。但軟件體系結(jié)構(gòu)在一些方面仍然不成熟，很難被一般的開發(fā)人員所理解，主要問題在于沒有統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)劃分標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)原則，缺乏形式化技術(shù)對(duì)其進(jìn)行完整性和一致性的分析，并且，現(xiàn)有的軟件體系結(jié)構(gòu)模式已無法適應(yīng)新的軟件開發(fā)技術(shù)的需要。另外，開發(fā)人員進(jìn)行軟件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)缺少有效的計(jì)算機(jī)輔助工具的幫助。

為了幫助開發(fā)人員有效地使用體系結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)在分析特定領(lǐng)域軟件靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型和動(dòng)態(tài)模型的基礎(chǔ)上，以構(gòu)造此類軟件的過程模型為指導(dǎo)，利用形式化方法建立以過程為中心的軟件開發(fā)環(huán)境，為開發(fā)人員提供高級(jí)的開發(fā)環(huán)境。

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作者簡介：李波，女，湖南商學(xué)院計(jì)電學(xué)院講師，軟件工程碩士；聶裕鵬，男，長沙商貿(mào)旅游職業(yè)技術(shù)學(xué)院經(jīng)貿(mào)系教師。