ANSI/IEEE 610.12-1990软件工程标准词汇对于体系结构定义是:“体系架构是以构件、构件之间的关系、构件与环境之间的关系为内容的某一系统的基本组织结构以及知道上述内容设计与演化的原理(principle)”。
Mary Shaw和David Garlan认为软件体系结构是软件设计过程中,超越计算中的算法设计和数据结构设计的一个层次。体系结构问题包括各个方面的组织和全局控制结构,通信协议、同步,数据存储,给设计元素分配特定功能,设计元素的组织,规模和性能,在各设计方案之间进行选择。Garlan &Shaw模型的基本思想是:软件体系结构={构件(component),连接件(connector),约束(constrain)}.其中构件可以是一组代码,如程序的模块;也可以是一个独立的程序,如数据库服务器。连接件可以是过程调用、管道、远程过程调用(RPC)等,用于表示构件之间的相互作用。约束一般为对象连接时的规则,或指明构件连接的形式和条件,例如,上层构件可要求下层构件的服务,反之不行;两对象不得递规地发送消息;备族腊代码复制迁移的一致性约束;什么条件下此种连接无效等。
关于架构的定义还有很多其他观点,比如Bass定义、Booch &Rumbaugh &Jacobson定义、Perry &Wolf模型[7]、Boehm模型等等,虽然各种定义关键架构的角度不同,研究对象也略有侧重,但其核心的内容都是软件系统的结构,其中以Garlan &Shaw模型为代表,强调了体系结构的基本要素是构件、连接件及其约束(或者连接语义),这些定义大部分是从构造的角度来甚至软件体系结构,而IEEE的定义不仅强调了穗基系统的基本组成,同时强调了体系结构的环境即和外界的交互。
什么是模式
模式(Pattern)的概念最早由建筑大师Christopher Alexander于二十世纪仿滑七十年代提出,应用于建筑领域,八十年代中期由Ward Cunningham和Kent Beck将其思想引入到软件领域,Christopher Alexander将模式分为三个部分:首先是周境(Context,也可以称着上下文),指模式在何种状况下发生作用;其二是动机(System of Forces),意指问题或预期的目标;其三是解决方案(Solution),指平衡各动机或解决所阐述问题的一个构造或配置(Configuration)。他提出,模式是表示周境、动机、解决方案三个方面关系的一个规则,每个模式描述了一个在某种周境下不断重复发生的问题,以及该问题解决方案的核心所在,模式即是一个事物(thing)又是一个过程(process),不仅描述该事物本身,而且提出了通过怎样的过程来产生该事物。这一定义已被软件界广为接受。
软件模式的应用对软件开发产生了重大的作用,主要表现在:
软件模式是人们在长期的设计软件、管理组织软件开发等实践中大量经验的提炼和抽象,是复用软件设计方法、过程管理经验的有力工具。模式类似于拳击中的组合拳,它提供了一系列软件开发中的思维套路。如,通过模式的使用,有利于在复杂的系统中产生简洁、精巧的设计。
软件模式为我们提供了一套简洁通用的设计、管理、组织方面的词汇,同时模式也为我们提供了一个描述抽象事物的规范标准,可大大促进软件开发过程中人与人之间的交流,而软件开发中的交流是至关重要的,“软件项目失败的原因最终都可追溯到信息没有及时准确地传递到应该接收它的人”。
架构和模式的关系
因为架构(Architecture)和模式(Pattern)在当前的软件开发中经常地被提及,可是很多人容易混淆这两个术语,而对此,学术界也没有一个非常统一的定义。
架构和模式应该是一个属于相互涵盖的过程,但是总体来说Architecture更加关注的是所谓的High-Level Design,而模式关注的重点在于通过经验提取的“准则或指导方案”在设计中的应用,因此在不同层面考虑问题的时候就形成了不同问题域上的Pattern。模式的目标是,把共通问题中的不变部分和变化部分分离出来。不变的部分,就构成了模式,因此,模式是一个经验提取的“准则”,并且在一次一次的实践中得到验证,在不同的层次有不同的模式,小到语言实现(如Singleton)大到架构。在不同的层面上,模式提供不同层面的指导。根据处理问题的粒度不同,从高到低,模式分为3个层次:架构模式(Architectural Pattern)、设计模式(Design Pattern)、实现模式(Implementation Pattern).架构模式是模式中的层次,描述软件系统里的基本的结构组织或纲要,通常提供一组事先定义好的子系统,指定它们的责任,并给出把它们组织在一起的法则和指南。比如,用户和文件系统安全策略模型,N-层结构,组件对象服务等,我们熟知的MVC结构也属于架构模式的层次。一个架构模式常常可以分解成很多个设计模式的联合使用。设计模式是模式中的第二层次,用来处理程序设计中反复出现的问题。例如,[GOF95]总结的23个基本设计模式——Factory Pattern, Observer Pattern等等。实现模式是最低也是体的层次,处理具体到编程语言的问题。比如,类名,变量名,函数名的命名规则;异常处理的规则等等。
相对于系统分析或者设计模式来说,体系结构从更高的层面去考虑问题,所以关注的问题就体现在“不变”因素上,比如系统部署中,更加关心应用程序的分层分级设计,而在这个基础之上提出的部署方案,才是架构考虑的重点。体系结构关心应用程序模式,更加体现在通过技术去解决这些业务差异带来的影响,关心是否是分布式应用程序,关心系统分层是如何设计,也关心性能和安全,因此在这样的情况之下,会考虑集群,负载平衡,故障迁移等等一系列技术。
希望通过定义的方式来区分架构和模式是不太可能的,因为本来就是交互交叉和提供服务的,它实际上是架构模式,而不是设计模式。在大部份情况下,表现为下面几个设计模式之一:Strategy模式、Mediator模式、Composite模式、Observer模式。对于熟悉架构设计的系统架构师而言,似乎可以用如下来解释架构和模式之间的关系:架构是Hight-Level Design,着眼于不同业务中共性的解决方案,而模式是General Principle(通用原理)。
架构类型:分布式、SOA架构、单体式。
分布式架构
分布式应用架构中,相互独立,代码独立开发,独立部署,通过API接口互相通信。通讯协议一般使用HTTP,数据格式是JSON(是一种轻量级的数据交换格式),应用集成方式比较简化。
优点: 应用内部高内聚,独立开发、测试和部署,应用之间松耦合,业务边界清晰,业务依赖明确,支持大项目并行开发。
缺点: API接口需求变化,应用就需要重新部署,通信可靠性和数据的封装性相对于进程内调用比较差。
SOA架构[现在也流程SAAS服务模式架构也称云架构]
SOA也是分布式应用架构一种。
SOA架构提供配套的服务治理,包括服务注册、服务路由、服务授权、服务降级、服务监控等等。
SOA架构既体现业务的拆分,又体现业务的整合,更多地从业务整体上考虑系统拆分。
优点:以服务层为主,聚焦核心业务,同时以提供整个系统共享,服务作为独立的应用,独立部署,接口清晰,很容易做自动化测试和部署,服务是无状态的,很容易做水平扩展;通过容器虚拟化技术,实现故障隔离和资源高效利用。
缺点:系统依赖复杂,给开发/测试/部署带来不便,分布式数据一致性和分布式事务支持困难,一般通过最终一致性简化解决。
单体式应用
系统只有一个应用、打包成一个应用;部署在一台机器;在一个DB里存储数据.
单体式应用采用分层架肆迹扮构,一般为表示层、业务层、数据访问层、DB层,表示层负责用户体验,业务层负责业务逻辑,数据访问层负责DB层的数据存取
优点:开发、编译、调试一站式、一个应用程序包含所有功能点,容易测试和部署
缺点:系统逐渐庞大时,代码复杂度高,难以维护,应用扩展水平低,业务和模块职责区分不清晰。
软件架构
一、 微服务架构
微服务架构(microservices architecture)是服务导向架构(service-oriented architecture,缩写 SOA)的升级。
每一个服务就是一个独立的部署单元(separately deployed unit)。这些单元都是分布式的,互相解耦,通过远程通信协议(比如REST、SOAP)联系。
微服务架构分成三种实现模式。
RESTful API 模式 :服务通过 API 提供,云服务就属于这一类
RESTful 应用模式 :服务通过传统的网络协议或者应用协议提供,背后通常是一个多功能的应用程序,常见于企业内部
集中消息模式 :采用消息代理(message broker),可以实现消息队列、负载均衡、统一日志和异常处理,缺点是会出现单点失败,消息代理可能要做成集群
优点
扩展性好,各个服务之间低耦合
容易部署,软件从单一可部署单元,被拆成了多个服务,每个服务都是可部署单元
容易开发,每个组件都可以进行持续集成式的开发,可以做到实时部署,不间断地升级
易于测试,可以单独测试每一个服务
缺点
由于强调互相独立和低耦合,服务裂灶可能会拆分得很细。这导致系统依赖大量的微服务,变得很凌乱和笨重,性能也会不佳。
一旦服务之间需要通信(即一个服务要用到另一个服务),整个架构就会变得复杂。典型的例子就是一些通用的 Utility 类,一种解决方案是把它们拷贝到每一个服务中去,用冗余换取架构的简单性。
分布式的本质使得这种架构很难实现原子性 *** 作,交易回滚会比较困难。
二、 事件驱动架构州燃
事件(event)是状态发生变化时,软件发出的通知。
事件驱动架构(event-driven architecture)就是通过事件进行通信的软件架构。它分成四个部分。
事件队列(event queue):接收事件的入口。
分发器(event mediator):将不同的事件分发到不同的业务逻辑单元。
事件通道(event channel):分发器与处理器之间的联系渠道。
事件处理器(event processor):实现业务逻辑,处理完成后会发出事件,触发下一步 *** 作
对于简单的项目,事件队列、分发器和事件通道,可以合为一体,整个软件就分成事件代理和事件处理器两部分。
优点
分布式的异步架构,事件处理器之间高度解耦,软件的扩展性好;适用性广,各种类型的项目都可以用;性能较好,因为事件的异步本质,软件不易产生堵塞;事件处理器可以独立地加载和卸载,容易部署
缺点
涉及异步编程(要考虑远程通信、失去响应等情况),开发相对复杂难以支持原子性 *** 作,因为事件通过会涉及多个处理器,很难回滚分布式和异步特性导致这个架构较难测试。
三、分层架构。
分层架构(layered architecture)是最常见的软件架构,也是事实上的标准架构。如果你不知道要用什么架构,那就用它。
这种架构将软件分成若干个水平层,每一层都有清晰的角色和分工,不需要知道其他层的细节。层与层之间通过接口通信。
虽然没有明确约定,软件一定要分成多少层,但是四层的结构最常见。
表现层(presentation):用户界面,负责视觉和用户互动。
业务层(business):实现业务逻辑。
持久层(persistence):提供数据,SQL 语句就放在这一层。
数据库(database) :保存数据。
有的软件在逻辑层和持久层之间,加了一个服务层(service),提供不同业务逻辑需要的一些通用接口。
用户的请求将依次通过这四层的处理,不能跳过其中任何一层。
优点
1、结构简单,容易理解和开发。
2、不同技能的程序员可以分工,负责不同的层,天然适合大多数软件公司的组织架构
3、每一层都可以独立测试,其他层的接口通过模拟解决
缺点
1、一旦环境变化,需要代码调整或增加功能时,通常比较麻烦和费时
2、部署比较麻烦,即使只修改一个小地方,往往需要整个软件重新部署,不容易做持续发布
软件升级时,可能需要整个服务暂停
3、扩展性差。用户请求大量增加时,必须依次扩展每一层,由于每一层内部是耦合的,扩展会很困难。
五、 微核架构。
微核架构(microkernel architecture)又称为"插件架构"(plug-in architecture),指的是软件的内核相对较小,主要功能和业务逻辑都通过插件实现。
内核(core)通常只包含系统运行的最小功能。插件则是互相独立的,插件之间的通信,应该减少到最低,避免出现互相依赖的问题。
优点
1、良好的功能延伸性(extensibility),需要什么功能,开发一个插件即可
2、功能之间是隔离的,插件可以独立的加载和卸载,使得它比较容易部署,
3、可定制性高,适应不同的开发需要
4、可以渐进式地开发,逐步增加功能
缺点
1、扩展性(scalability)差,内核通常是一个独立单元,不容易做成分布式
2、开发难度相对较高,因为涉及到插件与内核的通信,以及内部的插件登记机制。
五、 云架构。
云结构(cloud architecture)主要解决扩展性和并发的问题,是最容易扩展的架构。
它的高扩展性,主要原因是没使用中央数据库,而是把数据都复制到内存中,变成可复制的内存数据单元。然后,业务处理能力封装成一个个处理单元(prcessing unit)。访问量增加,就新建处理单元;访问量减少,就关闭处理单元。由于没有中央数据库,所以扩展性的最大瓶颈消失了。由于每个处理单元的数据都在内存里,最好要进行数据持久化。
这个模式主要分成两部分:处理单元(processing unit)和虚拟中间件(virtualized middleware)。
处理单元:实现业务逻辑
虚拟中间件:负责通信、保持sessions、数据复制、分布式处理、处理单元的部署。
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