关于软件体系结构研究的初步探讨

李　波　聂裕鹏

摘要：软件体系结构是软件工程中的一个新兴研究领域，它与软件工程技术的发展有着密切的关系。首先，从软件工程技术的发展了解软件体系结构研究的必然性。然后，给出软件体系结构的概念描述，介绍有关体系结构研究的内容。

关键词：软件体系结构；软件工程技术；软件构件

中图分类号：TP311文献标识码：A

文章编号：1674-1145（2009）15-0149-02

一、软件工程技术的发展

软件工程技术的基本目标就是用抽象的方法将现实世界（问题域）的问题转化为程序空间（解题域）的解题程序，通过程序控制的方式，由计算机的执行获得问题的结果。然而，由于人们认识和理解现实世界的过程和方法不一致，导致了构造软件系统时所使用的分析、设计和实现的过程与方法也不一致，这种不一致是软件生产效率低下的主要症结之一。软件工程技术的水平远远落后于硬件，造成了“软件危机”，而软件工程技术与开发方法就是在解决“软件危机”的过程中逐步发展起来的。

随着计算机硬件的不断更新，计算机程序设计语言经历了从汇编语言到高级语言的发展过程，规模越来越大，复杂程度越来越高。人们逐渐认识到高级程序设计语言只不过实现了高级源程序码到机器指令间的自动转换，却仍然缺乏将问题域映射到程序空间的方法和工具，即缺乏软件设计的方法和工具。为了改变软件开发的手工状况，适应大规模软件开发的需要，人们开始寻找新的适合工程化软件开发的设计方法、工具与管理方式。

1．程序设计方法学的研究。程序设计方法学的研究以结构化程序设计为代表，它强调从程序结构和设计风格上来研究程序。E.W.dijkstra首先提出了结构化自顶向下和逐步求精的软件设计方法，即在程序设计中将目标逐步分解为子目标并加以细化，直至得到可执行的程序。20世纪70年代，Parnas引入信息隐藏作为模块划分的基本原则。从Simular 67语言引入类的概念，人们开始了有关抽象数据类型ADT的研究。

2．软件开发方法学的研究。程序设计方法研究的是小规模的程序，而软件开发方法学则是研究大规模软件开发应遵循的方法和准则，以及软件开发项目管理方法。软件开发方法学的内容包括对软件生命周期和其中各阶段相应的软件开发方法的研究。软件生命周期从总体上规范了软件开发过程中各项工作的内容及步骤，从而使软件开发有章可循。从70年代开始，人们陆续提出了一些软件开发方法，如结构化分析和设计方法等。进入80年代后期，面向对象的分析/设计（OOA/OOD）逐渐得到了广泛的重视和研究。目前，面向对象方法在多方的努力之下，已经初步实现了标准化的统一建模语言UML，这标志着它已成为软件开发的主流技术，正在大规模软件生产方面发挥越来越重要的作用。

3．计算机辅助软件工程。在软件工程学中，方法和工具是同一问题的两个方面。方法是工具研制的先导，工具是方法的现实体现。计算机辅助软件工程（CASE）就是为工程化的软件生产提供计算机化的支持，以期提高软件生产率和软件产品的质量。进入90年代以来，结合面向对象技术，各种基于对象的构件标准逐步涌现并走向实用，其中以对象管理集团（OMG）制定的CORBA（Common Objec七Request Broker Architecture）工业构件标准和Microsoft公司的COM/DCOM构件模型最为著名。这些构件标准为不同的构件在异构环境下相互操作定义了统一的接口，它们的出现为软件的开发和设计提供了新的平台和方式。

使用构件技术开发软件，对于软件系统结构的分析、设计与描述比对算法与数据结构的选择显得更加重要。这种系统结构上的考虑包括：如何将软件元素复合组织成为一个有机的系统;如何定义全局控制结构；如何规定各元素间的通信、同步协议；系统功能如何在各组成元素间划分，以及如何将各元素组织完成某一系统功能；软件系统各元素如何进行物理分布及系统配置；系统的规模与性能如何；如何选择系统设计方案以及确定系统的演化方向。因此，必须首先确定软件的总体组织结构，选择或开发完成系统功能所需的构件以及构件之间的交互关系，这正是软件体系结构的研究范畴。

二、软件体系结构的基本概念

虽然软件体系结构在软件工程中已有很深的根基，但由于有关研究和使用刚刚兴起，因而对它的理解还没有达成共识。就体系结构而言，它是指建立系统时的构造模型、构造风格和构造模式。软件体系结构对于软件系统的构造所起的是指导性的作用，着重于探讨软件系统的总体框架。广义而言，软件系统结构涉及多方面的内容：（1）软件的成分及系统框架；（2）软件成分的选择，各成分之间的相互作用，软件成分的进一步复合以及指导软件复合过程的总体模式；（3）系统的功能、性能、设计以及从多种方案及选项中进行选择的决策。可见，软件体系结构更为关注的是系统结构及其成分，而方法更关心系统的开发过程。

综合来说，软件体系结构开始于系统的早期设计，主要描述以下属性：功能性构件和数据构件；构件间的连接，包括数据流和控制流；各种约束，包括构件通信协议、构件间的同步等；用构件及它们之间的连接表示的整体结构的拓扑关系等。

三、软机体系结构研究目的和内容

在使用构件技术的组合软件工程中，好的软件体系结构是决定软件系统开发成败的关键。然而，许多以前被人们广泛采用的体系结构如管道、层次系统、客户机/服务器模式等都可能被按照个人的嗜好做出不同的理解并以不同的方式应用到系统设计开发上。其结果通常是软件系统设计人员无法就系统体系结构的共性达成共识，因而也没有对软件系统结构设计方案进行评估与选择的基本原则。

有关软件体系结构的研究目前可分为三类：（1）研究体系结构主要目的是使用领域分析技术和工具获取有关软件体系结构的所有特征，并创建一个通用的体系结构描述语言ADL (Architectural Description Language)，用于刻画其性质。这将为设计人员提供一个严格定义软件系统结构的统一方法，从而避免了自然语言与框图描述可能引起的理解上的不一致，即所谓的二义性。（2）体系结构的分类主要研究体系结构专业的范畴与内容，其目的在于通过大量的实例，考察体系结构的决策是如何受项目需求、组织目标和个人背景影响的，从而对软件开发实践中所采用的体系结构划分原则与模式进行分类并理论化，帮助开发人员确定有关体系结构选择的工程化原则。（3）第三类研究主要致力于特定领域软件体系结构框架的研究，如关于操作系统、数据库系统及用户界面等领域的软件体系结构研究。这一类的研究成果可为某一领域中新产品的开发提供一个复用度很高的系统结构与开发模式。

建立完善的体系结构理论不仅适合软件系统开发的需要，也是软件维护的需要。从开发方面考虑：首先，对软件体系结构进行抽象形成几类通用的模型，将有利于在较高的抽象层次上理解不同类型系统间的相互关系；其次，理论的建立为系统设计人员确立正确的体系结构提供指导性意见；第三，不同类型的体系结构模型是分析一个复杂系统高级性质的模型;第四，统一的体系结构描述方式将为软件开发人员间进行交流提供便利；最后，对于业已存在的可复用模块来说，它们可能被包装成为过程、进程或数据转换过滤器等，它们分别以过程调用、进程通讯和共享数据等方式与其他模块进行交互，体系结构的提出将有利于解决何时以及如何对这些可复用模块进行复合的问题。而从软件维护方面考虑，对软件的系统结构及其性质给出严格的定义并文档化，非常有利于维护人员全面理解系统的构成。不仅如此，由于组成系统的各成分界限划分得较为清晰，使得代码维护成本降低且容易保持原有的系统设计风格。

四、结语

当前对软件体系结构的研究已经从萌芽工作进展到对软件体系结构风格的分类、评估、形式化及特定领域体系结构的应用和基于构件的软件开发，而且软件体系结构描述语言也相继出现，使软件体系结构的表示更加严谨。但软件体系结构在一些方面仍然不成熟，很难被一般的开发人员所理解，主要问题在于没有统一的体系结构划分标准和设计原则，缺乏形式化技术对其进行完整性和一致性的分析，并且，现有的软件体系结构模式已无法适应新的软件开发技术的需要。另外，开发人员进行软件体系结构的设计缺少有效的计算机辅助工具的帮助。

为了帮助开发人员有效地使用体系结构模型进行软件设计，应当在分析特定领域软件静态结构模型和动态模型的基础上，以构造此类软件的过程模型为指导，利用形式化方法建立以过程为中心的软件开发环境，为开发人员提供高级的开发环境。

参考文献

[1]梅宏，申峻嵘．Journal of software 软件学报 VOL.17,NO.6,June 2006．

[2]Dahl O J，Hoare C A&Dijkstra E W .Structure Programming[M]．London; Academic Press，1972．

[3]Pamas D C. A Technique for Software Module Specification, with Examples[J]．Communication of the ACM,1972，15(5)．

[4]Royce W W.Managing the Development ofLarge Software System:Concepts and Techniques[M]．Wescon:Yourdon Press，1970．

作者简介：李波，女，湖南商学院计电学院讲师，软件工程硕士；聂裕鹏，男，长沙商贸旅游职业技术学院经贸系教师。