关于不同体系结构风格的简单认识

管道/过滤器

在 管道/过滤器风格的软件体系结构中，每个构件都有一组输入和输出，构件读输入的数据流，经过内部处理，然后产生输出数据流。这个过程通常通过对输入流的变 换及增量计算来完成，所以在输入被完全消费之前，输出便产生了。因此，这里的构件被称为过滤器，这种风格的连接件就象是数据流传输的管道，将一个过滤器的 输出传到另一过滤器的输入。此风格特别重要的过滤器必须是独立的实体，它不能与其它的过滤器共享数据，而且一个过滤器不知道它上游和下游的标识。一个管道 /过滤器网络输出的正确性并不依赖于过滤器进行增量计算过程的顺序。

下图是管道/过滤器风格的示意图。一个典型的管道/过滤器体系结构的例子是以Unix shell编写的程序。Unix既提供一种符号，以连接各组成部分(Unix的进程)，又提供某种进程运行时机制以实现管道。另一个著名的例子是传统的编译器。传统的编译器一直被认为是一种管道系统，在该系统中，一个阶段（包括词法分析、语法分析、语义分析和代码生成）的输出是另一个阶段的输入。

管道/过滤器风格的体系结构

管道/过滤器风格的软件体系结构具有许多很好的特点：

（1）使得软构件具有良好的隐蔽性和高内聚、低耦合的特点；

（2）允许设计者将整个系统的输入/输出行为看成是多个过滤器的行为的简单合成；

（3）支持软件重用。重要提供适合在两个过滤器之间传送的数据，任何两个过滤器都可被连接起来；

（4）系统维护和增强系统性能简单。新的过滤器可以添加到现有系统中来；旧的可以被改进的过滤器替换掉；

（5）允许对一些如吞吐量、死锁等属性的分析；

（6）支持并行执行。每个过滤器是作为一个单独的任务完成，因此可与其它任务并行执行。

但是，这样的系统也存在着若干不利因素。

（1）通常导致进程成为批处理的结构。这是因为虽然过滤器可增量式地处理数据，但它们是独立的，所以设计者必须将每个过滤器看成一个完整的从输入到输出的转换。

（2）不适合处理交互的应用。当需要增量地显示改变时，这个问题尤为严重。

（3）因为在数据传输上没有通用的标准，每个过滤器都增加了解析和合成数据的工作，这样就导致了系统性能下降，并增加了编写过滤器的复杂性。

数据抽象和面向对象组织

抽象数据类型概念对软件系统有着重要作用，目前软件界已普遍转向使用面向对象系统。这种风格建立在数据抽象和面向对象的基础上，数据的表示方法和它们的相应操作封装在一个抽象数据类型或对象中。这种风格的构件是对象，或者说是抽象数据类型的实例。对象是一种被称作管理者的构件，因为它负责保持资源的完整性。对象是通过函数和过程的调用来交互的。

下图是数据抽象和面向对象风格的示意图。

面向对象的系统有许多的优点，并早已为人所知：

（1）因为对象对其它对象隐藏它的表示，所以可以改变一个对象的表示，而不影响其它的对象。

（2）设计者可将一些数据存取操作的问题分解成一些交互的代理程序的集合。

但是，面向对象的系统也存在着某些问题：

（1）为了使一个对象和另一个对象通过过程调用等进行交互，必须知道对象的标识。只要一个对象的标识改变了，就必须修改所有其他明确调用它的对象。

（2）必须修改所有显式调用它的其它对象，并消除由此带来的一些副作用。例如，如果A使用了对象B，C也使用了对象B，那么，C对B的使用所造成的对A的影响可能是料想不到的。

基于事件的隐式调用

基于事件的隐式调用风格的思想是构件不直接调用一个过程，而是触发或广播一个或多个事件。系统中的其它构件中的过程在一个或多个事件中注册，当一个事件被触发，系统自动调用在这个事件中注册的所有过程，这样，一个事件的触发就导致了另一模块中的过程的调用。

从体系结构上说，这种风格的构件是一些模块，这些模块既可以是一些过程，又可以是一些事件的集合。过程可以用通用的方式调用，也可以在系统事件中注册一些过程，当发生这些事件时，过程被调用。

基于事件的隐式调用风格的主要特点是事件的触发者并不知道哪些构件会被这些事件影响。这样不能假定构件的处理顺序，甚至不知道哪些过程会被调用，因此，许多隐式调用的系统也包含显式调用作为构件交互的补充形式。

支持基于事件的隐式调用的应用系统很多。例如，在编程环境中用于集成各种工具，在数据库管理系统中确保数据的一致性约束，在用户界面系统中管理数据，以及在编辑器中支持语法检查。例如在某系统中，编辑器和变量监视器可以登记相应Debugger的断点事件。当Debugger在断点处停下时，它声明该事件，由系统自动调用处理程序，如编辑程序可以卷屏到断点，变量监视器刷新变量数值。而Debugger本身只声明事件，并不关心哪些过程会启动，也不关心这些过程做什么处理。

隐式调用系统的主要优点有：

（1）为软件重用提供了强大的支持。当需要将一个构件加入现存系统中时，只需将它注册到系统的事件中。

（2）为改进系统带来了方便。当用一个构件代替另一个构件时，不会影响到其它构件的接口。

隐式调用系统的主要缺点有：

（1）构件放弃了对系统计算的控制。一个构件触发一个事件时，不能确定其它构件是否会响应它。而且即使它知道事件注册了哪些构件的构成，它也不能保证这些过程被 调用的顺序。

（2）数据交换的问题。有时数据可被一个事件传递，但另一些情况下，基于事件的系统必须依靠一个共享的仓库进行交互。在这些情况下，全局性能和资源管理便成了问题。

（3）既然过程的语义必须依赖于被触发事件的上下文约束，关于正确性的推理存在问题。

分层系统

层 次系统组织成一个层次结构，每一层为上层服务，并作为下层客户。在一些层次系统中，除了一些精心挑选的输出函数外，内部的层只对相邻的层可见。这样的系统 中构件在一些层实现了虚拟机（在另一些层次系统中层是部分不透明的）。连接件通过决定层间如何交互的协议来定义，拓扑约束包括对相邻层间交互的约束。

这种风格支持基于可增加抽象层的设计。这样，允许将一个复杂问题分解成一个增量步骤序列的实现。由于每一层最多只影响两层，同时只要给相邻层提供相同的接口，允许每层用不同的方法实现，同样为软件重用提供了强大的支持。

层次系统风格的体系结构

 

上图是层次系统风格的示意图。层次系统最广泛的应用是分层通信协议。在这一应用领域中，每一层提供一个抽象的功能，作为上层通信的基础。较低的层次定义低层的交互，最低层通常只定义硬件物理连接。

层次系统有许多可取的属性：

（1）支持基于抽象程度递增的系统设计，使设计者可以把一个复杂系统按递增的步骤进行分解；

（2）支持功能增强，因为每一层至多和相邻的上下层交互，因此功能的改变最多影响相邻的上下层；

（3）支持重用。只要提供的服务接口定义不变，同一层的不同实现可以交换使用。这样，就可以定义一组标准的接口，而允许各种不同的实现方法。

但是，层次系统也有其不足之处：

（1）并不是每个系统都可以很容易地划分为分层的模式，甚至即使一个系统的逻辑结构是层次化的，出于对系统性能的考虑，系统设计师不得不把一些低级或高级的功能综合起来；

（2）很难找到一个合适的、正确的层次抽象方法。

仓库系统及知识库

在仓库风格中，有两种不同的构件：中央数据结构说明当前状态，独立构件在中央数据存贮上执行，仓库与外构件间的相互作用在系统中会有大的变化。

控制原则的选取产生两个主要的子类。若输入流中某类时间触发进程执行的选择，则仓库是一传统型数据库；另一方面，若中央数据结构的当前状态触发进程执行的选择，则仓库是一黑板系统。

下图是黑板系统的组成。

黑板系统的传统应用是信号处理领域，如语音和模式识别。另一应用是松耦合代理数据共享存取。

我们从图中可以看出，黑板系统主要由三部分组成：

（1）知识源。知识源中包含独立的、与应用程序相关的知识，知识源之间不直接进行通讯，它们之间的交互只通过黑板来完成。

（2）黑板数据结构。黑板数据是按照与应用程序相关的层次来组织的解决问题的数据，知识源通过不断地改变黑板数据来解决问题。

（3）控制。控制完全由黑板的状态驱动，黑板状态的改变决定使用的特定知识。

C2体系结构

C2体系结构风格可以概括为：通过连接件绑定在一起的按照一组规则运作的并行构件网络。C2风格中的系统组织规则如下：

（1）系统中的构件和连接件都有一个顶部和一个底部；

（2）构件的顶部应连接到某连接件的底部，构件的底部则应连接到某连接件的顶部，而构件与构件之间的直接连接是不允许的；

（3）一个连接件可以和任意数目的其它构件和连接件连接；

（4）当两个连接件进行直接连接时，必须由其中一个的底部到另一个的顶部。

下图是C2风格的示意图。图中构件与连接件之间的连接体现了C2风格中构建系统的规则。

C2风格是最常用的一种软件体系结构风格。从C2风格的组织规则和结构图中，我们可以得出，C2风格具有以下特点：

（1）系统中的构件可实现应用需求，并能将任意复杂度的功能封装在一起；

（2）所有构件之间的通讯是通过以连接件为中介的异步消息交换机制来实现的；

（3）构件相对独立，构件之间依赖性较少。系统中不存在某些构件将在同一地址空间内执行，或某些构件共享特定控制线程之类的相关性假设。

C/S体系结构

C/S 结构的基本原则是将计算机应用任务分解成多个子任务，由多台计算机分工完成，即采用“功能分布”原则。客户端完成数据处理，数据表示以及用户接口功能；服务器端完成DBMS（数据库管理系统）的核心功能。这种客户请求服务、服务器提供服务的处理方式是一种新型的计算机应用模式。

下图是C/S 风格的示意图

C/S结构的优点是能充分发挥客户端PC的处理能力，很多工作可以在客户端处理后再提交给服务器。对应的优点就是客户端响应速度快。具体表现在以下两点：

（1）应用服务器运行数据负荷较轻。

（2）数据的储存管理功能较为透明。

C/S结构主要暴露的缺点有以下几点：

（1）开发成本较高。

（2）客户端程序设计复杂。

（3）软件移植，维护和升级困难。

三层C/S体系结构

针对二层C/S体系结构的缺点，三层C/S体系结构应运而生。其结构如下图所示。在三层C/S体系结构中，增加了一个应用服务器。可以将整个应用逻辑驻留在应用服务器上，而只有表示层存在于客户机上。这种结构被称为"瘦客户机"。三层C/S体系结构是将应用功能分成表示层、功能层和数据层三个部分。

三层C/S体系结构的优点如下：

（1）由于数据访问是通过中间层进行的，因此客户端不再与数据库直接建立数据连接。也就是说，建立在数据库服务器上的连接数量将大大减少。例如一个500个客户端的应用系统，500个客户端分别与中间层服务器建立DCOM连接，而DCOM通讯所占用的系统资源极为有限，并且是动态建立与释放连接，因此客户端数量将不再受到限制。同时，中间层与数据库服务器之间的数据连接通过“连接池”进行连接数量的控制，动态分配与释放数据连接，因此数据连接的数量将远远小于客户端数量。

 

（2）可维护性得以提高。因为业务规则、合法性校验存在于中间层，因此当业务规则发生改变时，只需更改中间层服务器上的某个组件（如某个DLL文件），而客户端应用程序不需做任何处理，有些时候，甚至不必修改中间层组件，只需要修改数据库中的某个存储过程就可以了。

 

（3）良好的可重用性。同样，如果需要开发B/S应用，则不必要重新进行数据访问、业务规则等的开发，可以直接在WEB服务器端调用现有的中间层（如可以采用基于IIS的WebClass开发，或直接编写ASP代码）。

 

（4）事务处理更加灵活，可以在数据库端、组件层、MTS（或COM+）管理器中进行事务处理。

B/S体系结构

B/S结构（Browser/Server，浏览器/服务器模式），是WEB兴起后的一种网络结构模式，WEB浏览器是客户端最主要的应用软件。这种模式统一了客户端，将系统功能实现的核心部分集中到服务器上，简化了系统的开发、维护和使用。客户机上只要安装一个浏览器，如Netscape Navigator或Internet Explorer，服务器安装SQL Server、Oracle、MYSQL等数据库。浏览器通过Web Server 同数据库进行数据交互。B/S结构如下:

它的特点有：

（1）维护和升级方式简单。

（2）成本降低，选择更多。

（3）应用服务器运行数据负荷较重。由于B/S架构管理软件只安装在服务器端（Server）上，网络管理人员只需要管理服务器就行了，用户界面主要事务逻辑在服务器（Server）端完全通过WWW浏览器实现，极少部分事务逻辑在前端（Browser）实现，所有的客户端只有浏览器，网络管理人员只需要做硬件维护。但是，应用服务器运行数据负荷较重，一旦发生服务器“崩溃”等问题，后果不堪设想。因此，许多单位都备有数据库存储服务器，以防万一。

CORBA体系结构

CORBA（Common Object Request Broker Architecture,公共对象请求代理体系结构，通用对象请求代理体系结构）是由OMG组织制订的一种标准的面向对象应用程 序体系规范。或者说 CORBA体系结构是对象管理组织（OMG）为解决分布式处理环境(DCE)中，硬件和软件系统的互连而提出的一种解决方案；OMG组织是一个国际性的非盈利组织，其职责是为应用开发提供一个公共框架，制订工业指南和对象管理规范，加快对象技术的发展。

结构如下：

 

它是面向对象的软件，以数据为中心设计，对象类既具有模块的封装性和类属等特性，还具有继承特性，极大地提高了类的可扩充性和可再用能力。对象类较之于传统软件的功能模块而另具有的优点是：

（1）易于理解，具有完整的语义特征；

（2）易于扩充和修改，具有较高的通用性和适应性；

（3）易于构造组装，具有规范的外部接口。

正交软件体系结构

正交软件结构的基本思想是把应用系统的结构按功能的正交相关性。垂直分割为多个线索。线索又分为几个层次。每个线索由多个具有不同层次功能和不同抽象水平的组件构成。而各线索的相同层次的组件。即同一层中的组件具有相同的抽象水平。对于大型复杂软件系统。每一条线索又可以按类似的方法划分为若干条子线索。其子线索还可划分为更低一级的子线索。形成多级正交结构。

正交结构对于降低软件进化的复杂性具有以下优点：

（1）易理解性!结构十分清晰。拥有本应用领域一些专业知识的用户能够通过阅读结构功能说明来了解每一个组件的功用。

（2）自适应性!组件是软件的基本量子。它既足够大。因而有功能的。能重用的。又足够小。因而易于维护/修改和进化。因而对组件的局部修改不会影响整个软件的体系结构。

（3）结构易调整性!由于采用垂直线索组件族结构。当要增加或删除一个功能时。只要增加或删除一个线索组件族就可以了。

（4）结构可重用性!对于软件环境的较大变更。体系结构是可重用的。

JB/HMB（基于层次消息总线）的体系结构

JB/HMB 风格基于层次消息总线支持构件的分布和并发, 构件之间通过消息总线进行通讯,如图1 所示。 消息总线是系统的连接件, 负责消息的分派传递和过滤以及处理结果的返回。 各个构件挂接在消息总线上, 向总线登记感兴趣的消息类型。 构件根据需要发出消息, 由消息总线负责把该消息分派到系统中所有对此消息感兴趣的构件, 消息是构件之间通讯的唯一方式。 构件接收到消息后, 根据自身状态对消息进行响应, 并通过总线返回处理结果。 由于构件通过总线进行连接, 并不要求各个构件具有相同的地址空间或局限在一台机器上。

 

对JB/HMB 风格的主要特点作一总结。

(1) 从接口结构和行为方面对构件进行刻画。 在JB/HMB 风格中, 构件的描述包括接

口静态结构和动态行为3 个方面。

(2) 接口: 构件可以提供一个或多个接口, 每个接口定义了一组发送和接收的消息集合,

刻画了构件对外提供的服务以及要求的环境服务, 接口之间可以通过继承表达相似性。

(3) 静态结构: 复合构件是由子构件通过局部消息总线连接而成的, 形成该复合构件的

内部结构。

(4) 动态行为: 构件行为通过带输出的有限状态机刻画, 构件接收到外来消息后, 不但根据消息类型, 而且根据构件当前所处的状态对消息进行响应, 并导致状态的变迁。

(5) 基于层次消息总线。 消息总线是系统的连接件, 负责消息的传递过滤和分派, 以及

处理结果的返回。 各个构件挂接在总线上, 向系统登记感兴趣的消息。 构件根据需要发出消息,由消息总线负责把该消息分派到系统中对此消息感兴趣的所有构件。 构件接收到消息后, 根据自身状态对消息进行响应, 并通过总线返回处理结果。 由于构件通过总线进行连接, 并不要求各个构件具有相同的地址空间或局限在一台机器上, 系统具有并发和分布的特点。 系统和复合构件可以逐层分解, 子构件通过(局部)消息总线相连。 每条消息总线分别属于系统和各层次的复合构件, 我们把这种特征的总线称为层次消息总线。 在系统开发方面, 由于各层次的总线局部在相应的复合构件中, 因此可以更好地支持系统的构造性和演化性。

(6) 统一描述系统和组成系统的构件。 组成系统的构件通过消息总线进行连接, 复杂构

件又可以分解为比较简单的子构件, 通过局部消息总线进行连接, 如果子构件仍然比较复杂,可以进一步分解。 系统呈现出树状的拓扑结构。 另外, 整个系统也可以作为一个构件, 集成到更大的系统中。 于是, 就可以对整个系统和组成系统的各层构件采用统一的方式进行描述。

(7) 支持运行时刻的系统演化。 系统的持续可用性是许多重要的应用系统的一个关键性

要求, 运行时刻的系统演化可减少因关机和重新启动而带来的损失和风险。 JB/HMB 风格方便地支持运行时刻的系统演化, 主要包括动态增加或删除构件动态改变构件响应的消息类型和消息过滤。

异构结构

不同的体系结构有不同的处理能力，面对具体问题，混合软件体系结构处理问题能够结合各自的优点，这种体系结构被称为异构结构。

异构结构风格特点主要体现在构建协调上，它有这样几种形式：

（1）形式A改变成B的形式。

（2）公布A的形式的抽象化信息。

（3）在数据传输过程中从A的形式转变到B的形式。

（4）通过协商，达到一个统一的形式。

（5）使B成为支持多种形式。

（6）为B提供进口/出口转换器

（7）引入中间形式。

（8）在A上添加一个适配器或安装包。

（9）保持对A和B的版本并行一致。

SASIS软件体系结构

SIS（互联系统构成的系统）是指系统可分为若干不同部分，每个部分作为独立系统开发。整个系统通过一组互联系统实现，而互联系统之间互相通信，履行系统的职责。其中一个系统体现整体性能，称为上级系统；其余系统代表整体的一个部分，称为从属系统。从上级系统角度看，从属系统是子系统，上级系统独立于其从属系统，每个从属系统仅仅是上级系统模型中所指定内容的一个实现，并不属于上级系统功能约束的一部分。这样的系统的软件体系结构称为SASIS。

SASIS具有以下优点：

（1）使用“分而治之”的原则来理解系统，能有效地降低系统的复杂性。

（2）因为各从属系统相对独立，自成系统，提高了系统开发的并行性。

（3）当某从属系统的需求发生变化事务，不必开发新版本的上级系统，只需对该从属系统内部构件进行变更，提高了系统的可维护性。

然而，SASIS也有固定的缺点，如资源管理开销增大，各从属系统的开发进度无法同步等等。

DSSA软件体系结构

简单的说，DSSA就是在一个特定应用领域中为一组应用提供组织结构参考的标准软件体系结构。它有如下特点：

（1）一个严格定义的问题域/解决域。

（2）具有普遍性，使其可以用于领域中某个特定应用的开发。

（3）对整个领域合适程度的抽象。

（4）具备该领域固定的、典型的在开发过程中可重用元素。