第4章系统体系结构设计

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1、第第4 4章章 系统体系结构设计系统体系结构设计 4.1 系统设计的核心内容4.2 软件体系结构的概念4.3 软件体系结构的风格 4.4 软件体系结构设计4.5 模块设计4.6 小结4.1 系统设计的核心内容系统设计的核心内容l软件系统设计的软件系统设计的5个核心内容：个核心内容：l体系结构设计体系结构设计l模块设计模块设计(对象或类设计对象或类设计)l用户界面设计用户界面设计l数据库设计数据库设计l数据结构和算法设计数据结构和算法设计(也称详细设计也称详细设计)l 依据依据“分而治之分而治之”的思想，把系统设的思想，把系统设计过程划分为三个阶段：高层设计阶段、计过程划分为三个阶段：高层设计阶

2、段、概要设计阶段和详细设计阶段。高层设计概要设计阶段和详细设计阶段。高层设计阶段的重点是体系结构设计。概要设计阶阶段的重点是体系结构设计。概要设计阶段的重点是模块设计段的重点是模块设计(对象和类设计对象和类设计)、用、用户界面设计、数据库设计。详细设计阶段户界面设计、数据库设计。详细设计阶段主要进行数据结构和算法设计。设计工作主要进行数据结构和算法设计。设计工作流程如图流程如图4.1所示。所示。图4.1 系统设计过程示意图4.2 软件体系结构的概念软件体系结构的概念l4.2.1 软件体系结构的兴起l 软件体系结构为软件系统提供了一个软件体系结构为软件系统提供了一个结构、行为和属性的高级抽象，由

3、构成系结构、行为和属性的高级抽象，由构成系统的元素的描述、这些元素的相互作用、统的元素的描述、这些元素的相互作用、指导元素集成的模式以及这些模式的约束指导元素集成的模式以及这些模式的约束组成。软件体系结构不仅指定了系统的组组成。软件体系结构不仅指定了系统的组织结构和拓扑结构，并且显示了系统需求织结构和拓扑结构，并且显示了系统需求和构成系统的元素之间的对应关系，提供和构成系统的元素之间的对应关系，提供了一些设计决策的基本原理。了一些设计决策的基本原理。4.3 软件体系结构的风格软件体系结构的风格l4.3.1 软件体系结构的风格概述l 体系结构设计表示计算机系统的基础体系结构设计表示计算机系统的基

4、础架构，主要从高层描述各组成部分的关系架构，主要从高层描述各组成部分的关系以及它们的接口。以及它们的接口。l 核心问题是能否使用重复的体系结构核心问题是能否使用重复的体系结构模式模式 l常见的软件体系结构风格有：常见的软件体系结构风格有：l(1)经典软件体系结构风格经典软件体系结构风格l(2)客户机客户机/服务器风格，也称两层客户服务器风格，也称两层客户机机/服务器结构。服务器结构。l(3)三层客户机三层客户机/服务器结构风格。服务器结构风格。l(4)浏览器浏览器/服务器风格。服务器风格。l(5)公共对象请求代理体系结构。公共对象请求代理体系结构。l(6)正交软件体系结构。正交软件体系结构。l

5、(7)基于层次消息总线的体系结构风格。基于层次消息总线的体系结构风格。l(8)异构结构风格。异构结构风格。l(9)互连系统构成的系统及其体系结构。互连系统构成的系统及其体系结构。l(10)特定领域软件体系结构。特定领域软件体系结构。l 4.3.2 两层客户机/服务器结构l 客户机客户机/服务器服务器(Client/Server 简称简称C/S)结构，是基于资源不对等，且为实现结构，是基于资源不对等，且为实现共享而提出来的，是共享而提出来的，是20世纪世纪90年代成熟年代成熟起来的技术，客户机起来的技术，客户机/服务器结构将应用服务器结构将应用一分为二，由服务器提供应用一分为二，由服务器提供应用

6、(数据数据)服务，服务，多台客户机进行连接。多台客户机进行连接。l 两部分各自完成不同的功能并充当不两部分各自完成不同的功能并充当不同的角色。客户为完成特定的工作向服务同的角色。客户为完成特定的工作向服务器发出请求，而服务器接受客户的请求，器发出请求，而服务器接受客户的请求，并将处理结果返送给客户。两个部分协作并将处理结果返送给客户。两个部分协作完成一个共同的任务。完成一个共同的任务。l 客户机客户机/服务器体系结构存在以下几服务器体系结构存在以下几个局限：个局限：l(1)两层客户机两层客户机/服务器结构是单一服务服务器结构是单一服务器且以局域网为中心的，所以难以扩展至器且以局域网为中心的，所

7、以难以扩展至大型企业广域网或大型企业广域网或Internet；l(2)软、硬件的组合及集成能力有限；软、硬件的组合及集成能力有限；l(3)客户机的负荷太重，难以管理大量的客户机的负荷太重，难以管理大量的客户机，系统的性能容易变坏；客户机，系统的性能容易变坏；l(4)数据安全性不好。数据安全性不好。l(5)系统客户方软件安装维护困难、数据系统客户方软件安装维护困难、数据库系统的无法满足对于成百上千的终端同库系统的无法满足对于成百上千的终端同时联机的需求、由于客户机时联机的需求、由于客户机/服务器间的服务器间的大量数据通信不适合远程连接，使其只能大量数据通信不适合远程连接，使其只能适合于局域网应用

8、。适合于局域网应用。l 采用客户机采用客户机/服务器结构，服务器的服务器结构，服务器的操作系统不但可以为操作系统不但可以为WINDOWS系统服务系统服务器，也可以是器，也可以是UNIX、LINUX服务器，除服务器，除了服务器端安装及维护方式不同外，客户了服务器端安装及维护方式不同外，客户端安装及连接服务器方式同连端安装及连接服务器方式同连WINDOWS服务器方式没有区别。服务器方式没有区别。l 一般用于客户机在一般用于客户机在50台以下的管理台以下的管理信息系统，客户机采用信息系统，客户机采用Visual Basic或或Delphi编写，服务器采用编写，服务器采用SQL Server、DB2、

9、ORACLE等大型数据库管理系统。等大型数据库管理系统。l 在两层客户机在两层客户机/服务器结构中，每一服务器结构中，每一个客户端都存在数据引擎，并且每个客户个客户端都存在数据引擎，并且每个客户端与数据库服务器建立独立的数据库连接。端与数据库服务器建立独立的数据库连接。l 4.3.3 三层客户机/服务器结构 l 客户机上只需安装具有用户界面和简单的客户机上只需安装具有用户界面和简单的数据处理功能的应用程序，负责处理与用户的数据处理功能的应用程序，负责处理与用户的交互和与应用服务器的交互。应用服务器负责交互和与应用服务器的交互。应用服务器负责处理商业和应用逻辑，具体地说就是接受客户处理商业和应用

10、逻辑，具体地说就是接受客户端应用程序的请求，然后根据商业和应用逻辑端应用程序的请求，然后根据商业和应用逻辑将这个请求转化为数据库请求后与数据库服务将这个请求转化为数据库请求后与数据库服务器交互，并将与数据库服务器交互的结果传送器交互，并将与数据库服务器交互的结果传送给客户端应用程序。给客户端应用程序。l 数据库服务器软件根据应用服务器发数据库服务器软件根据应用服务器发送的请求进行数据库操作，并将操作的结送的请求进行数据库操作，并将操作的结果传送给应用服务器。应用服务器成为客果传送给应用服务器。应用服务器成为客户机与数据库服务器的中间桥梁。三层客户机与数据库服务器的中间桥梁。三层客户机户机/服务

11、器应用软件的模型如图服务器应用软件的模型如图4.5所示。所示。图4.5 三层结构的客户机/服务器系统l三层客户机三层客户机/服务器结构的优点是：服务器结构的优点是：l(1)允许合理地划分三层结构的功能，使允许合理地划分三层结构的功能，使之在逻辑上保持相对独立性，从而使整个之在逻辑上保持相对独立性，从而使整个系统的逻辑结构更为清晰，能提高系统和系统的逻辑结构更为清晰，能提高系统和软件的可维护性和可扩展性。软件的可维护性和可扩展性。l(2)整个系统被分成不同的逻辑块，层次整个系统被分成不同的逻辑块，层次清晰，一层的改动不会影响其他层次；清晰，一层的改动不会影响其他层次；l(3)允许更灵活有效地选用

12、相应的平台和允许更灵活有效地选用相应的平台和硬件系统，使之在处理负荷能力上与处理硬件系统，使之在处理负荷能力上与处理特性上分别适应于结构清晰的三层；并且特性上分别适应于结构清晰的三层；并且这些平台和各个组成部分可以具有良好的这些平台和各个组成部分可以具有良好的可升级性和开放性。被分成三层的应用基可升级性和开放性。被分成三层的应用基本上不需要修正。本上不需要修正。l(4)能够使能够使“肥胖肥胖”的客户机变得较的客户机变得较“瘦瘦”一些；一些；l(5)开发和管理工作向服务器端转移，使开发和管理工作向服务器端转移，使得分布的数据处理成为可能；得分布的数据处理成为可能；l(6)管理和维护变得相对简单。

13、管理和维护变得相对简单。l(7)三层客户机三层客户机/服务器结构中，应用的服务器结构中，应用的各层可以并行开发，各层也可以选择各自各层可以并行开发，各层也可以选择各自最适合的开发语言。最适合的开发语言。l(8)允许充分利用功能层有效地隔离开表允许充分利用功能层有效地隔离开表示层与数据层，未授权的用户难以绕过功示层与数据层，未授权的用户难以绕过功能层而利用数据库工具或黑客手段去非法能层而利用数据库工具或黑客手段去非法地访问数据层，这就为严格的安全管理奠地访问数据层，这就为严格的安全管理奠定了坚实的基础，整个系统的管理层次也定了坚实的基础，整个系统的管理层次也更加合理。更加合理。l 在三层客户机在

14、三层客户机/服务器结构中，由于服务器结构中，由于数据访问是通过功能层进行的，因此客户数据访问是通过功能层进行的，因此客户端不再与数据库直接建立数据连接。也就端不再与数据库直接建立数据连接。也就是说，建立在数据库服务器上的连接数量是说，建立在数据库服务器上的连接数量将大大减少。将大大减少。4.4 软件体系结构设计软件体系结构设计l4.4.1 软件体系结构设计原则l 一个软件系统的体系结构设计的好不一个软件系统的体系结构设计的好不好，可以用合适性、结构稳定性、可扩展好，可以用合适性、结构稳定性、可扩展性、可复用性等特征来评估。性、可复用性等特征来评估。l(1)合适性合适性l(2)结构稳定性结构稳定

15、性l(3)可扩展性可扩展性l(4)可复用性可复用性l4.4.2 体系结构的选择l体系的选取有如下几点关键问题：体系的选取有如下几点关键问题：l(1)是单机还是客户机是单机还是客户机/服务器系统？服务器系统？l(2)是常规应用开发还是底层开发是常规应用开发还是底层开发(是否是否有单片机系统有单片机系统)？l(3)客户机最大终端数是多少？客户机最大终端数是多少？l(4)是否提供给第三方应用编程接口？是否提供给第三方应用编程接口？l(5)网络网络(或数据通信或数据通信)是什么连接方式？是什么连接方式？l(6)数据文件的保存方式数据文件的保存方式(文本、本地数文本、本地数据库、大型数据库据库、大型数据

16、库)？l4.4.3 技术选型l(1)主要硬件环境主要硬件环境 l(2)操作系统操作系统 l(3)应用系统内的各种服务器软件应用系统内的各种服务器软件 l(4)开发语言及开发工具开发语言及开发工具 l(5)计算机辅助设计软件计算机辅助设计软件 l 体系结构设体系结构设计的主要步骤如计的主要步骤如图图4.7所示。所示。4.4.4 体系结构设计步骤l(1)设计准备设计准备l(2)确定影响系统设计的约束因素确定影响系统设计的约束因素l(3)确定设计策略确定设计策略l(4)系统分解与设计系统分解与设计l(5)撰写体系结构设计文档撰写体系结构设计文档l(6)设计评审设计评审l图4.9 三层客户机/服务器的

17、基本结构4.4.5 三层客户机/服务器结构的应用4.5 模块设计模块设计l4.5.1 模块与模块化l “模块化模块化”是指：将系统分解为一系列是指：将系统分解为一系列功能模块，然后逐一实现这些模块，最后功能模块，然后逐一实现这些模块，最后把所有的模块集成为原来的系统。这样做把所有的模块集成为原来的系统。这样做的好处是能够大大降低系统的开发难度。的好处是能够大大降低系统的开发难度。l4.5.2 模块设计原则l(1)信息隐蔽信息隐蔽l(2)高内聚高内聚l(3)低耦合低耦合4.5.3 模块设计步骤l(1)设计准备设计准备l(2)模块设计模块设计l 接口设计接口设计l 数据结构与算法设计数据结构与算法

18、设计4.6 小结小结 软软件件系系统统设设计计的的核核心心内内容容包包括括软软件件体体系系结结构构设设计计、对对象象或或类类设设计计、用用户户界界面面设设计计、数数据据库库设设计计、详详细细设设计计。软软件件体体系系结结构构为为软软件件系系统统提提供供了了一一个个结结构构、行行为为和和属属性性的的高高级级抽抽象象，由由构构成成系系统统的的元元素素的的描描述述、这这些些元元素素的的相相互互作作用用、指指导导元元素素集集成成的的模模式式以以及及这这些些模模式式的的约约束束组成。组成。l 常见的软件体系结构风格有经典软件常见的软件体系结构风格有经典软件体系结构风格，如管道和过滤器；两层客体系结构风格，如管道和过滤器；两层客户机户机/服务器结构风格；三层客户机服务器结构风格；三层客户机/服务服务器结构风格；浏览器器结构风格；浏览器/服务器风格等等。服务器风格等等。l 软件系统的体系结构设计的原则是满软件系统的体系结构设计的原则是满足合适性、结构稳定性、可扩展性、可复足合适性、结构稳定性、可扩展性、可复用性。模块设计的基本原则是信息隐蔽、用性。模块设计的基本原则是信息隐蔽、高内聚、低耦合。高内聚、低耦合。