3. 软件架构设计过程
3.1 软件架构设计过程总览
◎ 一般的软件过程：
概念化阶段 -> 分析阶段 -> 架构设计阶段 -> 并行开发与测试阶段 -> 验收与交付阶段
──┬── ──┬─ ───┬── ────┬──── ───┬───
↓ ↓ ↓ ↓ ↓
愿景 需求 架构 可执行系统 交付的系统
◎ 软件架构设计过程：
需求分析 -> 领域建模 -> 确定关键需求 -> 概念性架构设计 -> 细化架构 -> 验证架构
│ │ └──────┬──────┘ └────┬───┘
│ │ 概念性架构 实际架构
└───┬────┘ └───────┬──────┘
分析阶段 架构设计阶段
3.2 需求分析
3.2.1 几个概念
◎ 需求捕获 vs 需求分析 vs 系统分析
* 需求捕获是获取知识的过程，知识从无到有。
* 需求分析是挖掘和整理知识的过程，它在已掌握知识的基础上进行。
* 系统分析？如果说需求分析致力于“做什么”，那么系统分析则涉及“怎么做”。
3.2.2 架构师必须掌握的需求知识
◎ 软件架构师不必是需求捕获专家，也不必是编写《软件需求规格说明书》的专家。
但他一定应在需求分类、需求折衷和需求变更的研究方面是专家，否则他和其他软件架构师相比，就输在了“起跑线”上。
◎ 软件需求的类型
┌ 功能需求 ┌ 运行期质量属性
软件需求 ┤ ┌ 质量属性 ┤
└ 非功能需求 ┤ └ 开发期质量属性
└ 约束
◎ 软件质量属性分类方式
运行期质量属性
* 性能 (Performance)
* 安全性 (Security)
* 易用性 (Usability)
* 持续可用性 (Availability)
* 可伸缩性 (Scalability)
* 互操作性 (Interoperability)
* 可靠性 (Reliability)
* 鲁棒性 (Robustness)
开发期质量属性
* 易理解性 (Understandability)
* 可扩展性 (Extensibility)
* 可重用性 (Reusability)
* 可测试行 (Testability)
* 可维护性 (Maintainability)
* 可移植性 (Portability)
3.3 领域建模
◎ 就像《高效能人士的七个习惯》提到的“由内而外全面造就自己”的观点一样，对待软件开发，要具备“由内而外造就软件”的理念。
◎ 想让软件系统随需应变吗？请给软件一个支持变化的“心”。
◎ 什么是领域模型？
领域模型是对实际问题领域的抽象表示，它专注于分析问题领域本身，发掘重要的业务领域概念，并建立业务领域概念之间的关系。
◎ 领域建模和需求分析活动是相互伴随、互相支持、交叠演进的。
◎ 领域模型对软件架构乃至整个软件系统开发工作的作用：
* 探索复杂问题、固化领域知识；
* 决定功能范围、影响可扩展性；
* 提供交流基础、促进有效沟通。
3.4 确定关键需求
◎ 功能、质量和商业需求的某个集合“塑造”了架构。-- Len Bass, 《软件架构实践(第2版)》
◎ 关键需求决定架构，其余需求验证架构。
◎ 什么是对软件架构关键的需求？
* 关键的功能需求。
* 关键的质量属性需求。
* 关键的商业需求。
◎ 如何确定关键需求？
┌> 确定关键功能需求 ┐
● -> 全面整理需求 -> 分析约束性需求 ┤ ├> ●
└> 确定关键质量属性需求 ┘
3.5 概念性架构设计
◎ 概念性架构设计的步骤(这三个步骤以迭代方式进行)：
1. 鲁棒性分析；
2. 引入架构模式；
3. 质量属性分析。
3.5.1 鲁棒性分析
◎ 所谓鲁棒性分析是这样一种方法：通过分析用例规约中的事件流，识别出实现用例规定的功能所需的主要对象及其职责，形成以职责模型为主的初步设计。
◎ 鲁棒性分析是从功能需求向设计方案过度的第一步，所获得的初步设计是一种理想化的职责模型，它的重点是识别组成软件系统的高级职责块、规划它们之间的关系。
◎ 鲁棒性分析填补了分析和设计之间的鸿沟。
◎ 鲁棒图包含三种元素：边界对象、控制对象和实体对象。(见书P196)
3.5.2 引入架构模式
◎ 较为经典的几种架构模式：
分层、MVC、微内核、基于元模型的架构、管道-过滤器。
◎ 关于架构模式的几点说明：
* 分层
避免名不副实的分层架构，即对各层之间交互接口和交互机制的设计严重不足。
* 微内核
缺点：设计和实现的复杂性；性能较低。
优点：扩展性强，可移植性强，软件系统的生命周期长。
3.5.3 质量属性分析
◎ “属性-场景-决策”表方法。举例如下：
┌────┬─────────┬─────────────────────┐
│属性 │场景 │决策 │
├────┼─────────┼─────────────────────┤
│可扩展性│数据库类型可替换 │建立数据库存取层 │
├────┼─────────┼─────────────────────┤
│ │允许加载第三方模块│采用插件机制 │
├────┼─────────┼─────────────────────┤
│... │... │... │
└────┴─────────┴─────────────────────┘
3.6 细化架构设计
◎ 架构细化工作主要体现在基于五视图方法进行架构细化：
约束
↓
┌───────┐
领域模型 -> │基于五视图方法│
关键需求 -> │ │-> 架构方案
概念架构 -> │ 进行架构细化 │
└───────┘
↑
经验
◎ 架构细化设计的工作内容：
┌───────┬──────────────────────────┐
│ 架构设计视图 │ 设计任务 │
├───────┼──────────────────────────┤
│ 逻辑架构 │ 细化功能单元； │
│ │ 发现通用机制； │
│ │ 细化领域模型； │
│ │ 确定子系统接口和交互机制。 │
├───────┼──────────────────────────┤
│ 开发架构 │ 确定要开发或直接利用的程序包之间的依赖关系； │
│ │ 确定采用的技术； │
│ │ 确定采用的框架等。 │
├───────┼──────────────────────────┤
│ 数据架构 │ 持久化数据存储方案； │
│ │ 数据传递、数据复制、数据同步等策略(可选)。 │
├───────┼──────────────────────────┤
│ 运行架构 │ 确定引入哪些进程与线程； │
│ │ 确定主动对象、被动对象，以及控制关系； │
│ │ 处理进程线程的创建、销毁、通信机制、资源争用等； │
│ │ 协议设计。 │
├───────┼──────────────────────────┤
│ 物理架构 │ 确定物理配置方案； │
│ │ 确定如何将目标程序映射到物理节点。 │
└───────┴──────────────────────────┘
◎ 逻辑架构设计中，“发现通用机制”是应被特别强调的。
机制(Mechanism)是模式的实例。机制是特定上下文中重复出现的问题的特定解决方案。
具有良好架构的系统具备概念完整性。它通过对系统架构建立一种清晰的认识来发现通用的抽象和机制。利用这种共性使最终产生的系统结构更为简单。
3.7 实现并验证软件架构
◎ 好的策略必须是一再求证、测试、发现瑕疵漏洞，另想途径或方法来弥补策略不足，有时甚至得全盘放弃，重新策划。-- 张明正，《挡不住的趋势》
◎ 架构原型对功能性需求的实现非常有限，那么“架构验证”要验证什么？
答案是要验证架构对质量属性需求的支持程度，包括运行期质量属性和开发期质量属性。
◎ 验证架构的两种方法：
* 原型法。
对于项目型开发，常采用“原型法”。即对一组架构设计决策在非功能需求方面的满足程度进行验证。该原型往往是演进型，而非抛弃型。
* 框架法。
对于产品型开发，采用“框架法”有更多优点。该方法将架构设计方案用框架的形式实现，并在此基础上进行评估验证。在框架实现后，在框架基础上实现部分应用的功能，即实现一个小的垂直原型，从而进行实际非功能测试和开发期质量属性评价。