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软件的复杂性

随着软件技术和应用的不断发展，软件系统的规模越来越大，复杂度也越来越高，在这种情况下，代码级别的软件复用已经远远不能满足大型软件开发的要求。

面对日益复杂的软件系统的设计与构造，软件工程师需要考虑的关键问题是，对整个系统的结构和行为进行抽象，一方面是寻求更好的方法，使系统的整体设计更容易理解，另一方面是寻求构造大型复杂软件系统的有效方法，实现系统级的复用。

举例1
要求编写一个程序，该程序读入一个文本文件，统计在该文本文件中每个英文单词出现的频率，并输出单词频率最高的100个单词。在编写这个程序的时候，重点会考虑哪些部分的设计呢？对于这个程序的设计，主要考虑选择合适的分词方法和查询算法，建立可以实现快速查找的数据结构，还会涉及到外部存储文件或数据库的构造，在代码构造时可以调用已有的 Python 代码库，也就是说，编写小规模的程序主要关注的是算法的选择、数据结构的设计和数据库的构造。

举例2
如果是开发一个 Web 信息检索系统，这时，应该关注哪方面呢？该系统要对发布在Web信息资源进行搜集、整理和组织，形成一个信息资源索引库，并通过检索界面将最符合用户要求的网站或网页提供给用户。这个系统比前面的词频统计程序要复杂得多，无法简单地用数据结构和算法来进行描述和设计。现在对整个系统的结构和行为进行抽象，一般网信息检索的过程为，系统先要从网上抓取网页，对网页信息进行处理，建立索引数据库，用户进行查询时根据输入的查询关键字在索引数据库中进行搜索，并对搜索结果进行处理和排序，最后返回一系列与用户查询相关的网页信息。这样整个系统就可以抽象成如下三个部分：

对应上面的三个部分/过程，整个系统可以划分成三个功能模块：

信息采集模块：实现网页搜集功能
标引处理模块：实现预处理功能
信息检索模块：实现检索服务的功能

除了模块分解之外，还要考虑使用什么策略来实现非功能需求的目标，比如可以采用分布式的文件系统和计算框架，提高大规模网页搜集和检索的效率等等。

从这事例可看出，对于大规模的复杂系统来说，对系统的全局结构设计和规划，变得比算法的选择和数据结构的设计明显要重要得多。

处理复杂性
在工程领域，体系结构设计被广泛地应用于处理复杂系统的设计问题。

比如说大型的客机在整体上被划分成机翼、机身、尾翼、起落装置和动力装置等不同的组成部分，其总体结构也要根据技术的要求和使用环境，来确定飞机的外形、总体布局、发动机选型等。机体的设计还要满足强度、刚度、疲劳、损伤容限等一些安全性的要求。

起源于建筑学的“体系结构”

体系结构这个词起源于建筑学，它是从系统的宏观层面上描绘出整个建筑的结构，把一个复杂的建筑体拆分成一些基本的建筑模块，并通过这些基本的模块进行有机地组合，形成整个建筑。

建筑的体系结构设计要满足坚固、适用、赏心悦目的要求。具体包括以下方面：

有哪些基本的建筑单元？比如砖、瓦、梁、柱、屋顶、外墙、门窗等
如何将这些基本单元进行组合形成整体建筑？
建筑单元怎样搭配才合理？
不同类型的建筑有什么典型的结构？比如欧洲古典风格和中国园林风格就是两种不同的建筑类型
如何快速节省地进行建造施工？
怎样对建造完成的建筑进行适当的修改？
如何保证单元的更改不会影响整栋建筑的质量？

软件体系结构概念

软件体系结构（Software Architecture）包括构成系统的设计元素的描述、设计元素之间的交互、设计元素的组合模式以及在这些模式中的约束。

软件体系结构主要包含 5 个方面的内容：

构件：代表着一组基本的构成要素
连接件：构成要素之间的连接关系
约束：作用于这些要素或连接关系上的限制条件
质量：系统的质量属性，如性能、可扩展性、可修改性、可重用性、安全性等
物理分布：要素连接之后形成的拓扑结构，描述了软件到硬件的映射

简单地说，软件体系结构 = 构件 + 连接件 + 约束，它提供了在更宏观的结构层次上来理解系统层面问题的一个骨架，它主要关注于把一个复杂系统从整体到部分的一个最高层次的划分、对于设计模块的一个功能定义，以及如何把这些模块组合成为一个完整的系统。系统的分解要满足设计目标的要求，反映开发中具有重要影响的设计决策，从而保证系统的质量要求。

构件

在软件体系结构的概念中，构件是具有某种功能的可复用的软件结构单元，它们表示系统中主要的计算元素和数据存储。

任何在系统运行中承担一定功能或者发挥一定作用的软件体，都可以看作是构件，像函数、模块、对象、类、文件、相关功能的集合等。

构件作为一个封装的实体，只能通过它的接口和外部环境进行交互，其内部的结构是被隐藏起来的。

构件的功能以服务的形式体现出来，并通过接口向外发布，进而产生与其他构件之间的关联。

连接

连接是构件之间建立和维护行为关联和信息传递的一个途径。它需要两个方面的支持：一个是连接发生和维持的机制，另一个是连接的协议。

一般来说，基本的连接机制包括：过程调用、中断、I/O、事件、进程、线程、共享、同步、并发、消息、远程调用、动态连接、API 等等

协议是连接的规约，对于过程调用来说可以是参数的个数和类型、参数排列次序等。对于消息传送来说可以是消息的格式。除了连接实现的难易程度之外，同步或者异步，是影响连接实现的复杂因素之一。

连接件

连接件表示构件之间的交互，并实现构件之间的连接。

比如说，管道、过程调用、事件广播、客户机-服务器、数据库连接等，都是属于连接件。连接件也可以看作是一类特殊的构件，它和一般的构件的区别在于，一般构件是软件功能设计和实现的承载体，而连接件是负责完成构件之间信息交换和行为联系的专用构件。

软件体系结构的目标

初期的总体设计，是决定软件产品成败的一个关键因素。往往错误的设计决策会造成灾难性的后果。

在软件设计过程中，可以对一些经过实现证明的体系结构进行复用，从而提高设计的效率和可靠性，降低设计复杂度。另外，也可以把一些公共部分抽象提取出来，形成公共类和工具类，为大规模开发提供基础和规范。
体系结构的设计要具备灵活性，在产品开发的演化过程中，可以很方便地增加新的功能，更好的适应用户需求的变化。
由于体系结构构件了一个相对小的简单的模型，这样就把复杂的问题简单化，使系统更加易于理解和实现。
软件体系结构突出体现了早期的设计决策，展现出系统满足需求的能力。

软件体系结构的发展

软件系统规模在迅速增大的同时，软件开发方法也经历了一系列变化。软件体系结构也从最初的一个模糊概念，发展成一个日趋成熟的技术。

从 20 世纪 70 年代开始，出现了面向过程的开发方法，系统被划分成不同的子程序，子程序之间的调用关系就构成了系统的结构，软件结构成为开发的一个明确概念。

到了 80 年代，面向对象方法逐渐兴起和成熟，系统被划分成不同的对象，并采用统一建模语言来描述系统的结构。

90 年代开始，软件开发强调构件化技术和体系结构技术，体系结构也成为软件工程领域的一个研究热点，出现了体系结构风格、框架和设计模式这样一些概念。

2000 年之后，面向服务的体系结构成为面向对象模型的替代模型，它具备分布式、跨平台、互操作和松散耦合等特点，致力于解决企业信息化过程中不断变化的需求，和异构环境集成的难题。

在这个发展过程中，软件系统的基本模块它的粒度越来越大，系统的结构越来越趋向分布和开放，所解决的问题也从技术本身转向商务过程。

下面介绍体系结构风格、设计模式和框架的概念，及它们的区别。

风格、模式和框架

体系结构风格用于描述某一个特定应用领域中系统组织的惯用模式，反映了领域中众多系统所共有的结构和语义特性。比如说 MVC 就是一种常见的体系结构风格。

设计模式描述了软件系统设计过程中常见问题的一些解决方案，一般是从大量的成功实践中总结出来的，而且被广泛公认的一些实践和知识。观察者模式是一种常用的设计模式，主要用于解决事件处理的问题。

软件框架是由开发人员定制的应用系统的骨架，是整个或者部分系统的可重用的设计，一般由一组抽象的构件和构件实例之间的交互方式组成。像 Django 就是一个开放源代码的外部应用框架，是由 Python 写成的，包括面向对象的映射器，基于正则表达式的 URL 分发器、视图系统和模板系统这样一些核心的构件。

框架和体系结构的关系：

体系结构是一种设计规约，而框架是一种具体实现，只不过它实现的是应用领域的共性部分，是领域中最终应用的模板；
体系结构的目的是指导软件系统的开发，而框架的目的是设计的复用，确定了框架之后，软件体系结构也随之确定；
对于同一种软件体系结构，比如说 Web 开发中的 MVC，可以通过多种框架来实现，像前端有 ANGULAR、BACKBONE，后端有 python 的 django 等框架

框架和设计模式的关系：

框架给出的是整个应用的体系结构，而设计模式给出的是单一设计问题的解决方案；
- 比如说一个网络游戏，可以基于网易的 Pomelo 框架开发，这是一个基于 Node.js 的高性能分布式游戏服务器框架，在实现某个动画功能时，可能会使用观察者设计模式，来实现自动化的通知更新；
设计模式的目的是改善代码结构，提高程序的结构质量，框架强调的是设计的重用性和系统的可扩展性，目的是缩短开发周期，提高开发质量；