有哪些体系结构模式

Question

如题所述

Answer 1

一、体系结构定义：

体系结构是一个计算机术语，由G. Amdahl于1964年首次提出体系结构概念，为以后计算机系统的设计与开发奠定了良好的基础。体系结构包括数据流系统、调用－返回系统、独立部件、虚拟机、以数据为中心的系统（库）、特殊领域风格、特殊结构风格、不同风格合成建立的异构结构、最初始最基本的主程序/子程序九大内容。

二、体系结构由来：

在传统的程序设计领域中，人们使用流程图来表达系统的基本功能和实现的具体逻辑，但是，流程图实际上仅仅是源程序的图形化表示，无法给系统的分析和开发者提供更多的信息，所以没有在实际的系统开发过程中得到广泛的应用。随着软件系统的规模和复杂性的增加，对软件系统的整体结构（数据和控制的逻辑）进行分析和描述成为大型系统开发的一个不可缺少的重要部分，显然，使用流程图是无法达到这个目标的，我们必须使用新的方法和概念来对系统的整体结构进行把握。

三、体系结构的分类：

1. æ•°æ®æµç³»ç»Ÿï¼ŒåŒ…括顺序批处理、管道和过滤器；

2. 调用－返回系统，包括主程序和子程序、面向对象系统、层次结构；

3. 独立部件，包括通信进程、事件隐式调用；

4.虚拟机，包括解释器、规则基系统；

5. 以数据为中心的系统（库），包括数据库、超文本系统、黑板系统；

6. 特殊领域风格；例如过程控制、模拟器；

7. 特殊结构的风格，例如分布式处理、状态转移系统；

8. 不同风格合成建立的异构结构；

9. 最初始、最基本的主程序/子程序。

四、结构范式：

1.管道和过滤器

每个组件具有输入和输出的集合，从流中读出数据作为输入，产生输出数据的流。整个系统可以看成多个过滤器复合形成的数据处理组件。

过滤器A

过滤器B

过滤器C

管道

特点：

过滤器之间是相互独立的（不能共享状态），其中一个过滤器的操作和行为不能影响另外过滤器的操作和行为，流的传送没有副作用。

过滤器对所输入流的来源和输出流的去向不关心，不需要知道流的来源和流的去向，来源和去向对于过滤器的数据处理没有任何影响。

过滤和流的传送可以是并发的，可以同时有多个流的传送存在于系统之中。

实例：

一个最著名的实例是unix的shell编程，多个对数据进行处理的程序（组件）通过管道联结起来，产生总和的效果；还有传统的编译器，源代码经过词法分析、语法分析、中间代码生成、目标代码生成等步骤生成输出的目标代码。

优点：

整个系统的功能是多个过滤器作用的总和，这样可以简化系统的分析和设计，可以经过需求的分析之后将整个系统作为一个过滤器处理，然后再逐步的细化成为多个相互连接的过滤器。

支持组件的重用，同一个过滤器可以多次出现在系统的不同位置。

易于维护和增强，过滤器可以被替换，可以增加新的过滤器到系统中而不改变原有的过滤器，不改变原来系统的基本功能。

本质上的并发性支持，这种体系结构由于本质上是与各个独立的过滤器的状态无关的，与并行的流的通过次序也是无关的，所以并发是一个基本的体系结构自然具有的特性。

缺点：

由于过滤器之间本质上是独立的，所以设计者必须独立考虑每一个过滤器的输入、处理和输出的过程，对于过滤器逻辑上的共同点和相互关系无法在设计中加以体现。

由于这种体系的批处理特性，所以不适合开发和用户交互的应用程序。

系统的多个处理流之间的共同特性无法提取、多个过滤器之间的共同特性也无法提取，所以增加了设计的复杂性。

2.面向对象的体系

在这种体系中，数据和数据上的操作被封装成抽象数据类型或者对象。系统由大量的对象组成，在物理上，对象之间通过函数或者过程调用相互作用；在逻辑上，对象之间通过集成、复合等方式实现设计的复用。

对象D

对象B

对象A

对象E

对象C

对象调用

对象调用

对象调用

ç±»A

ç±»B

ç±»C

ç±»G

对象A

对象E

ç±»F

复合

继承

物理结构逻辑结构

特点：

面向对象系统分析和设计的资料已经太多，这里就不再详细说明了。

优点：

由于封装，实现了灵活性和扩充性，隐藏了实现的细节，提高代码的质量；

使用继承和多态、提高了软件的可重用性。

缺点：

最主要的缺点是，由于对象之间的交互是通过明确的对象函数调用进行的，所以当一个对象需要实现一个特定功能的时候，必须知道哪一个对象提供这种服务，这就降低了系统的灵活性。管道和过滤器模型不需要明确指明数据的来源和去向。

事件驱动的体系

对象E

对象E

对象E

事件分发的总线

事件的创建

事件接收者的注册的创建

对象E

这是面向对象和数据抽象体系的一种变形，系统同样是由大量的对象组成的，但是对象之间的交互不是通过明确指明对象的函数或者过程调用进行的，相反，系统提供事件的创建和发布的机制，对象产生事件，一个或者多个对象通过向系统注册关注这个事件并由此触发出相应的行为或者产生新的事件。

实例：

一个最著名的例子是GUI的模型，鼠标、键盘或者其他输入设备产生各种事件，窗口、程序或者其他对象有这些事件所触发，产生新的事件、进行数据处理或者其他操作。

优点：

用于函数和过程的调用调用不需要指明特定的对象，所以系统具有非常好的灵活性和扩展性，新的组件只需要向系统的事件处理部分注册就可以立刻加入系统中，同样，老的组件也可以方便的从系统中删除。对于动态性要求特别高的系统，特别是如果需要在运行时对系统进行扩充，应该采用该结构。

缺点：

由于函数调用是通过事件发送进行的，所以，发出事件的对象不能确认是否有对象处理了这个事件、是否是期望的对象处理了这个事件、是否获得期望的结果，同样也无法控制事件发生的次序，系统的逻辑和时序的正确性必须通过复杂的时序逻辑和前后条件的断言加以保证。

3.分层次的体系

将系统功能和组件分成不同的功能层次，一般而言，只有最上层的组件和功能可以被系统外的使用者访问，只有相邻的层次之间才能够有函数调用。

下面是一个基本的商务处理系统的层次结构：

用户界面层

事务逻辑层

核心层

实例：

显然，ISO的OSI（开放系统互连）参考模型是最著名的层次模型的例子，通过将开放系统的功能和组件划分成7个层次，定义清晰的（很多时候是过于复杂的）层次之间的接口，实现复杂的互操作性。

优点：

系统的开发和设计可以逐步的分层次的进行，从底层的简单的功能逐步建立高层的复杂和抽象的功能。

灵活性和扩展性，由于相邻层次之间通过清晰的接口交互，所以特定的层次可以被替换和增强，甚至可以增加新的层次。

缺点：

不是所有的系统都可以分解成为清楚的层次

划分清晰、逻辑上一致的层次是非常困难的（OSI的失败和TCP/IP的成功说明了这一点）

严格的层次调用结构会降低系统的性能。

4.知识库体系

使用一个中心数据结构表示系统的当前状态，一组相互独立的组件在中心数据库上进行操作。如果组件负责对中心数据进行选择、处理，这种体系就是传统的数据库模型；如果中心数据结构自主的引发一系列的行为，则这种体系可以看成一个黑板模型。

中心数据库（知识库）

客户组件A

客户组件B

客户组件C

实例：

大量的传统数据库应用程序实际上就是这一体系的具体实例。在很多研究系统中，使用的基于知识库的黑板模型，实际上也是这种体系

优点：

以数据为中心的体系结构，可以自然的表示大量的数据和事务处理的逻辑，适合表达以数据为重新的应用程序。

缺点：

只有很少一部分简单的数据库存储应用可以完全采用这种体系结构表示，在大量实际的商业应用中，完成师傅处理和其他逻辑的应用程序必须采用其他的体系结构表达

5.解释器体系

用户

如果应用程序的逻辑非常复杂，例如，AutoCAD的各种绘图指令，而且，用户可能以非常复杂的方式使用这个系统，一个较好的体系就是提供面向领域的一组指令（语言），系统解释这种语言，产生相应的行为，用户使用这种指令（语言）完成复杂的操作。

使用虚拟机语言描述的业务逻辑

虚拟机解释器

完成实际操作任务的基本指令

实际的问题领域

实例：

大量的开发工具、二次开发工具体现了这一思想：微软在其产品中大量使用的Visual Basic for Application，以及在AutoDesk产品中大量使用的AutoLisp语言，实际上就是给用户提供了一种面向领域的语言，然后核心解释执行这一语言的指令和指令序列。从而扩充产品的功能，方便用户按照自己的需要定制系统。

优点：

非常好的扩展性，用户可以实现对软件系统的二次开发

缺点：

软件开发复杂，特别是这种指令集的设计非常困难。

是否可以采用一种成熟的语言作为二次开发的基础（例如，基于Java）