軟體體繫結構風格

  讀者可能會覺得"軟體體繫結構太抽象、太理論化，沒有什麼實際的東西"。然而，任何實踐都必須接受理論的指導，如果拋棄理論基礎，一味地追求實用，那也只能是囫圇吞棗。
　　軟體體繫結構設計的一個核心問題是能否使用重複的體繫結構模式，即能否達到體繫結構級的軟體重用。也就是說，能否在不同的軟體系統中，使用同一體繫結構。基於這個目的，學者們開始研究和實踐軟體體繫結構的風格和類型問題。
　　軟體體繫結構風格是描述某一特定應用領域中系統組織方式的慣用模式。它反映了領域中眾多系統所共有的結構和語義特性，並指導如何將各個模組和子系統有效地組織成一個完整的系統。按這種方式理解，軟體體繫結構風格定義了用於描述系統的術語表和一組指導構件系統的規則。 
　　對軟體體繫結構風格的研究和實踐促進了對設計的複用，一些經過實踐證實的解決方案也可以可靠地用於解決新的問題。體繫結構風格的不變部分使不同的系統可以共用同一個實現代碼。只要系統是使用常用的、規範的方法來組織，就可使別的設計者很容易地理解系統的體繫結構。例如，如果某人把系統描述為"客戶／伺服器"模式，則不必給出設計細節，我們立刻就會明白系統是如何組織和工作的。 
　　下面是Garlan和Shaw對通用體繫結構風格的分類：
　　（1）資料流風格：批處理序列；管道/過濾器
　　（2）調用/返迴風格：主程式/子程式；物件導向風格；階層
　　（3）獨立構件風格：進程通訊；事件系統
　　（4）虛擬機器風格：解譯器；基於規則的系統
　　（5）倉庫風格：資料庫系統；超文本系統；黑板系統
　　限於篇幅，在本文中，我們將只介紹幾種主要的和經典的體繫結構風格和它們的優缺點。有關新出現的軟體體繫結構風格，將在後續文章中進行介紹。

一、C2風格
　　C2體繫結構風格可以概括為：通過串連件綁定在一起的按照一組規則運作的並行構件網路。C2風格中的系統組織規則如下：
　　（1）系統中的構件和串連件都有一個頂部和一個底部；
　　（2）構件的頂部應串連到某串連件的底部，構件的底部則應串連到某串連件的頂部，而構件與構件之間的直接連接是不允許的；
　　（3）一個串連件可以和任意數目的其它構件和串連件串連；
　　（4）當兩個串連件進行直接連接時，必須由其中一個的底部到另一個的頂部。
　　圖1是C2風格的。圖中構件與串連件之間的串連體現了C2風格中構建系統的規則。 

                                                                             圖1 C2風格的體繫結構

　　C2風格是最常用的一種軟體體繫結構風格。從C2風格的組織規則和結構圖中，我們可以得出，C2風格具有以下特點：
　　（1）系統中的構件可實現應用需求，並能將任意複雜度的功能封裝在一起；
　　（2）所有構件之間的通訊是通過以串連件為中介的非同步訊息交換器制來實現的；
　　（3）構件相對獨立，構件之間依賴性較少。系統中不存在某些構件將在同一地址空間內執行，或某些構件共用特定控制線程之類的相關性假設。

二、管道/過濾器風格
　　在管道/過濾器風格的軟體體繫結構中，每個構件都有一組輸入和輸出，構件讀輸入的資料流，經過內部處理，然後產生輸出資料流。這個過程通常通過對輸入資料流的變換及增量計算來完成，所以在輸入被完全消費之前，輸出便產生了。因此，這裡的構件被稱為過濾器，這種風格的串連件就象是資料流傳輸的管道，將一個過濾器的輸出傳到另一過濾器的輸入。此風格特別重要的過濾器必須是獨立的實體，它不能與其它的過濾器共用資料，而且一個過濾器不知道它上遊和下遊的標識。一個管道/過濾器網路輸出的正確性並不依賴於過濾器進行增量計算過程的順序。
　　圖2是管道/過濾器風格的。一個典型的管道/過濾器體繫結構的例子是以Unix shell編寫的程式。Unix既提供一種符號，以串連各組成部分(Unix的進程)，又提供某種進程運行時機制以實現管道。另一個著名的例子是傳統的編譯器。傳統的編譯器一直被認為是一種管道系統，在該系統中，一個階段（包括詞法分析、文法分析、語義分析和代碼產生）的輸出是另一個階段的

                                                                    圖2 管道/過濾器風格的體繫結構

　　管道/過濾器風格的軟體體繫結構具有許多很好的特點：
　　（1）使得軟構件具有良好的隱蔽性和高內聚、低耦合的特點；
　　（2）允許設計者將整個系統的輸入/輸出行為看成是多個過濾器的行為的簡單合成；
　　（3）支援軟體重用。重要提供適合在兩個過濾器之間傳送的資料，任何兩個過濾器都可被串連起來；
　　（4）系統維護和增強系統效能簡單。新的過濾器可以添加到現有系統中來；舊的可以被改進的過濾器替換掉；
　　（5）允許對一些如輸送量、死結等屬性的分析；
　　（6）支援並存執行。每個過濾器是作為一個單獨的任務完成，因此可與其它任務並存執行。 
　　但是，這樣的系統也存在著若干不利因素。
　　（1）通常導致進程成為批處理的結構。這是因為雖然過濾器可增量式地處理資料，但它們是獨立的，所以設計者必須將每個過濾器看成一個完整的從輸入到輸出的轉換。
　　（2）不適合處理互動的應用。當需要增量地顯示改變時，這個問題尤為嚴重。
　　（3）因為在資料轉送上沒有通用的標準，每個過濾器都增加瞭解析和合成資料的工作，這樣就導致了系統效能下降，並增加了編寫過濾器的複雜性。

三、資料抽象和物件導向風格
　　抽象資料類型概念對軟體系統有著重要作用，目前軟體界已普遍轉向使用物件導向系統。這種風格建立在資料抽象和物件導向的基礎上，資料的表示方法和它們的相應操作封裝在一個抽象資料類型或對象中。這種風格的構件是對象，或者說是抽象資料類型的執行個體。對象是一種被稱作管理者的構件，因為它負責保持資源的完整性。對象是通過函數和過程的調用來互動的。

                                                        圖3 資料抽象和物件導向風格的體繫結構

　　物件導向的系統有許多的優點，並早已為人所知：
　　（1）因為對象對其它對象隱藏它的表示，所以可以改變一個對象的表示，而不影響其它的對象。
　　（2）設計者可將一些資料存取操作的問題分解成一些互動的代理程式的集合。
　　但是，物件導向的系統也存在著某些問題：
　　（1）為了使一個對象和另一個對象通過程序呼叫等進行互動，必須知道對象的標識。只要一個對象的標識改變了，就必須修改所有其他明確調用它的對象。
　　（2）必須修改所有顯式調用它的其它對象，並消除由此帶來的一些副作用。例如，如果A使用了對象B，C也使用了對象B，那麼，C對B的使用所造成的對A的影響可能是料想不到的。

四、基於事件的隱式調用風格
　　基於事件的隱式調用風格的思想是構件不直接調用一個過程，而是觸發或廣播一個或多個事件。系統中的其它構件中的過程在一個或多個事件中註冊，當一個事件被觸發，系統自動調用在這個事件中註冊的所有過程，這樣，一個事件的觸發就導致了另一模組中的過程的調用。
　　從體繫結構上說，這種風格的構件是一些模組，這些模組既可以是一些過程，又可以是一些事件的集合。過程可以用通用的方式調用，也可以在系統事件中註冊一些過程，當發生這些事件時，過程被調用。 
　　基於事件的隱式調用風格的主要特點是事件的觸發者並不知道哪些構件會被這些事件影響。這樣不能假定構件的處理順序，甚至不知道哪些過程會被調用，因此，許多隱式調用的系統也包含顯式調用作為構件互動的補充形式。
　　支援基於事件的隱式調用的應用系統很多。例如，在編程環境中用於整合各種工具，在資料庫管理系統中確保資料的一致性約束，在使用者介面系統中管理資料，以及在編輯器中支援語法檢查。例如在某系統中，編輯器和變數監視器可以登記相應Debugger的斷時間點事件。當Debugger在斷點處停下時，它聲明該事件，由系統自動調用處理常式，如編輯程式可以卷屏到斷點，變數監視器重新整理變數數值。而Debugger本身只聲明事件，並不關心哪些過程會啟動，也不關心這些過程做什麼處理。
　　隱式調用系統的主要優點有：
　　（1）為軟體重用提供了強大的支援。當需要將一個構件加入現存系統中時，只需將它註冊到系統的事件中。
　　（2）為改進系統帶來了方便。當用一個構件代替另一個構件時，不會影響到其它構件的介面。
　　隱式調用系統的主要缺點有：
　　（1）構件放棄了對系統計算的控制。一個構件觸發一個事件時，不能確定其它構件是否會響應它。而且即使它知道事件註冊了哪些構件的構成，它也不能保證這些過程被 調用的順序。
　　（2）資料交換的問題。有時資料可被一個事件傳遞，但另一些情況下，基於事件的系統必須依靠一個共用的倉庫進行互動。在這些情況下，全域效能和資源管理便成了問題。
　　（3）既然過程的語義必須依賴於被觸發事件的上下文約束，關於正確性的推理存在問題。

五、層次系統風格
　　層次系統組織成一個階層，每一層為上層服務，並作為下層客戶。在一些層次系統中，除了一些精心挑選的輸出函數外，內部的層只對相鄰的層可見。這樣的系統中構件在一些層實現了虛擬機器（在另一些層次系統中層是部分不透明的）。串連件通過決定層間如何互動的協議來定義，拓撲約束包括對相鄰層間互動的約束。 
　　這種風格支援基於可增加抽象層的設計。這樣，允許將一個複雜問題分解成一個增量步驟序列的實現。由於每一層最多隻影響兩層，同時只要給相鄰層提供相同的介面，允許每層用不同的方法實現，同樣為軟體重用提供了強大的支援。
　　圖4是層次系統風格的。層次系統最廣泛的應用是分層通訊協定。在這一應用領域中，每一層提供一個抽象的功能，作為上層通訊的基礎。較低的層次定義低層的互動，最低層通常只

                                                               圖4 層次系統風格的體繫結構

　　層次系統有許多可取的屬性：
　　（1）支援基於抽象程度遞增的系統設計，使設計者可以把一個複雜系統按遞增的步驟進行分解；
　　（2）支援功能增強，因為每一層至多和相鄰的上下層互動，因此功能的改變最多影響相鄰的上下層；
　　（3）支援重用。只要提供的服務介面定義不變，同一層的不同實現可以交換使用。這樣，就可以定義一組標準的介面，而允許各種不同的實現方法。
　　但是，層次系統也有其不足之處：
　　（1）並不是每個系統都可以很容易地劃分為分層的模式，甚至即使一個系統的邏輯結構是層次化的，出於對系統效能的考慮，系統設計師不得不把一些低級或進階的功能綜合起來；
　　（2）很難找到一個合適的、正確的層次抽象方法。

六、倉庫風格
　　在倉庫風格中，有兩種不同的構件：中央資料結構說明目前狀態，獨立構件在中央資料存貯上執行，倉庫與外構件間的相互作用在系統中會有大的變化。
　　控制原則的選取產生兩個主要的子類。若輸入資料流中某類時間觸發進程執行的選擇，則倉庫是一傳統型資料庫；另一方面，若中央資料結構的目前狀態觸發進程執行的選擇，則倉庫是一黑板系統。
　　圖4是黑板系統的組成。黑板系統的傳統應用是訊號處理領域，如語音和模式識別。另一應用是松耦合

                                                                          圖4 黑板系統的組成

　　我們從圖4中可以看出，黑板系統主要由三部分組成：
　　（1）知識源。知識源中包含獨立的、與應用程式相關的知識，知識源之間不直接進行通訊，它們之間的互動只通過黑板來完成。
　　（2）黑板資料結構。黑板資料是按照與應用程式相關的層次來組織的解決問題的資料，知識源通過不斷地改變黑板資料來解決問題。
　　（3）控制。控制完全由黑板的狀態驅動，黑板狀態的改變決定使用的特定知識。

七、結束語
　　軟體體繫結構風格為大粒度的軟體重用提供了可能。然而，對於應用體繫結構風格來說，由於視點的不同，系統設計師有很大的選擇空間。要為系統選擇或設計某一個體繫結構風格，必鬚根據特定項目的具體特點，進行分析比較後再確定，體繫結構風格的使用幾乎完全是特化的。
　　在本文中，我們只講述了"純"的體繫結構。但是，從上面的介紹中，我們知道，不同的結構有不同的處理能力的強項和弱點，一個系統的體繫結構應該根據實際需要進行選擇，以解決實際問題。事實上，也存在一些系統，它們是由這些純體繫結構組合而成，即採用了異構軟體體繫結構。關於軟體體繫結構的異構問題，我們將在後續文章中進行介紹