【软件开发】架构设计Structure-上篇

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• 架构设计本质：

系统的架构设计，是改善耦合的最好方式。架构设计的本质，就是：划分耦合的单位——也就是划分模块。系统应该划分成什么样的模块，代表了设计者对于系统应对的需求的基本理解。一旦能清晰的划分出模块了，其代码耦合就有了最基本的范围。而模块本身也是提示程序员理解系统的基本单位。

 

• 架构设计概念

功能模块：纵向划分模块

实现层次：横向切分层次

 

• 架构特征要求：

系统的非功能性特征，如可扩展性、可靠性、强壮性、灵活性、性能等。

1.可靠性（Reliable）。软件系统对于用户的商业经营和管理来说极为重要，因此软件系统必须非常可靠。

2.安全性（Secure）。软件系统所承担的交易的商业价值极高，系统的安全性非常重要。

3.可扩展性（SCAlable）。软件必须能够在用户的使用率、用户的数目增加很快的情况下，保持合理的性能。只有这样，才能适应用户的市场扩展得可能性。

4.可定制化（CuSTomizable）。同样的一套软件，可以根据客户群的不同和市场需求的变化进行调整。

5.可扩展性（Extensible）。在新技术出现的时候，一个软件系统应当允许导入新技术，从而对现有系统进行功能和性能的扩展。

6.可维护性（MAIntainable）。软件系统的维护包括两方面，一是排除现有的错误，二是将新的软件需求反映到现有系统中去。一个易于维护系统可以有效地降低技术支持的花费。

7.客户体验（Customer Experience）。软件系统必须易于使用。

8.市场时机（Time to Market）。软件用户要面临同业竞争，软件提供商也要面临同业竞争。以最快的速度争夺市场先机非常重要。

 

• 常见架构模式：

1分层模式 (Layered pattern)

2客户端／服务器模式 (Client-server pattern)

3主／从模式 (Master-slave pattern)

4管道／过滤器模式 (Pipe-filter pattern)

5代理模式 (Broker pattern)

6对等模式 (Peer-to-peer pattern)

7事件总线模式 (Event-bus pattern)

8模型／视图／控制器 (MVC) 模式 (Model-view-controller pattern)

9黑板模式 (Blackboard pattern)

10解析器模式 (Interpreter pattern)

• 1分层模式 (Layered pattern)

分层模式简介

分层模式用于对结构化设计的软件进行层次拆解，每个层次为独立的抽象，为其上层抽象提供服务。

系统通常被拆分为以下四个层次：

表示层（也称为 UI 层）

应用层（也称为服务层）

业务逻辑层（也称为领域层）

数据访问层（也称为持久化层）

分层建立方法：

以业务逻辑特征建模 ——使用分层模式，往往需要我们在大脑里对问题领域进行层次抽象，这种抽象最可信赖的原则，就是按照业务逻辑去做。比如现实业务中有一个角色，我们就建立一个角色的模块；如果我们有一个场景，就以此为名建立一个这样的模块。以业务逻辑建立的模块，本身也会让系统更容易被理解，因为在代码里能找到和现实中一一对应的概念。
分层模式优点：

1）重复代码减少了，功能开发更快了——一顶层开发只需要学习下层类库，就可以开始开发；近似功能模块被统一，修BUG覆盖面更好。

2）性能提升代码能更好的覆盖了——集中了通用实现代码，也集中了优化部分

3）可以并行开发，资深人员负责底层，一般人员负责上层

使用场景

通用桌面应用程序

电子商务 Web 应用

• 2  客户端／服务器模式 (Client-server pattern)

客户端／服务器模式由两个部分构成：一个服务器与多个客户端。服务器组件同时为多个客户端组件提供服务。客户端向服务器发启服务请求，服务器将相应服务信息回应给客户端。此外，服务器持续监听来自客户端的请求。

使用场景

电子邮件、文件共享及银行业务等在线应用

• 3. 主／从模式 (Master-slave pattern)

主／从模式由两个部分构成：主设备与从设备。主服务组件将作业分发给多个从设备组件，并根据这些从设备反馈的结果，计算生成最终结果。

使用场景

数据库复制，主数据库被认定为权威数据源，各从数据库与主数据保持同步

在计算机系统中通过总线互连的各设备（包括主设备与从设备）

• 4. 管道／过滤器模式 (Pipe-filter pattern)

管道／过滤器模式用于构造用于生成及处理数据流的系统。每个处理过程都封装在过滤器（filter）组件之中，要处理的数据通过 管道(pips) 进行投递。管道同时用于作为 过滤器（filter） 间的缓冲及同步。

使用场景

编译器，一系列的过滤器用于词法分析、语法分析、语义分析及代码生成

生物信息学的工作流

• 5. 代理模式（Broker pattern）

代理模式用于在结构化系统中对组件解耦。系统内各组件间采用远过程调用（remote service invocations）的方式交互。代理（Broker）组件充当组件间通讯的协调角色。

提供服务的组件将其能力（服务以及特性）发布给代理，客户端均向代理请求服务，由代理将请求重定向到先前已发布过对应服务的组件进行处理。

使用场景

消息中间件软件：Apache ActiveMQ，Apache Kafka，RabbitMQ 与 JBoss 等等

• 6. 对等模式 (Peer-to-peer pattern)

对等模式中的组件称之为对等体（peer），对等体既作为向其他对等体请求服务的客户端，同时也做为响应其他对等体请求的服务端。对等体可以在运行过程中动态地改变其角色，即，既可以单独做为客户端或服务端运行，又可同时作为客户端与服务端运行。

使用场景

网络文件共享：Gnutella 与 G2)

流媒体协议：P2PTV 与 PDTP.

流媒体应用： Spotify.

• 7. 事件总线模式（Event-bus pattern）

事件总线模式应用于事件处理，主要由四个组件构成：事件源（event source），事件侦听者（event listener），通道（Channel）以及总线（event bus）。事件源将消息发布到总线的特定通道，侦听者订阅相应的通道，事件源所发布的消息经通道通告给订阅通道的侦听者。

使用场景

Android 开发

通告（Notification）服务

• 8. 模型／视图／控制器 (MVC) 模式（Model-view-controller pattern）

模型／视图／控制器模式（简称 MVC 模式）将交互式应用程序拆分为三个部分：

模型（model） – 包含核心功能及数据

视图（view） – 呈现信息给用户（通过有多个视图）

控制器（controller） – 处理用户的输入操作

MVC 模式通过将内部信息表示、用户信息呈现以及用户操作接收分开的方式解耦组件，实现高效代码重用。

使用场景

主流开发语言所构建的互联网网页应用架构

Django 与 Rails 等网页应用开发框架

• 9. 黑板模式（Blackboard pattern）

黑板模式适用于 无预知确定解决策略 的问题，主要由三个组件构成：

黑板（blackboard） – 用于存储解空间对象的结构化全局内存

知识（knowledge）源 – 能自表意的专用模块

控制（control）组件 – 选择、配置与执行的模块

所有的组件均能访问黑板，组件可将新生成的数据对象写入黑板，也可以通过模式匹配从黑板中获取知识源所生成的特定数据。

使用场景

语音识别

车辆识别和追踪

蛋白质的结构鉴定

声纳信号解析

• 10. 解析器模式（Interpreter pattern）

解析器模式用于设计语言的解析程序，主要用于指定评估程序代码行，即解析出特定语言的语句与表达式，其核心思想是为语言的每个符号定义相应的类。

使用场景

SQL 等数据库查询语言

通讯协议描述语言

 

• 常见软件架构

• 1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

• 2事件驱动架构

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，触发下一步操作

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。

• 3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。

• 4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

• 5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。

虚拟中间件又包含四个组件。

消息中间件（Messaging Grid）：管理用户请求和session，当一个请求进来以后，决定分配给哪一个处理单元。

数据中间件（Data Grid）：将数据复制到每一个处理单元，即数据同步。保证某个处理单元都得到同样的数据。

处理中间件（Processing Grid）：可选，如果一个请求涉及不同类型的处理单元，该中间件负责协调处理单元

部署中间件（Deployment Manager）：负责处理单元的启动和关闭，监控负载和响应时间，当负载增加，就新启动处理单元，负载减少，就关闭处理单元。

 

• 四大软件结构

• 1单体架构

单体架构比较初级，典型的三级架构，前端(Web/手机端)+中间业务逻辑层+数据库层。这是一种典型的Java Spring mvc或者Python Drango框架的应用。其架构图如下所示：

单体架构的应用比较容易部署、测试， 在项目的初期，单体应用可以很好地运行。然而，随着需求的不断增加， 越来越多的人加入开发团队，代码库也在飞速地膨胀。慢慢地，单体应用变得越来越臃肿，可维护性、灵活性逐渐降低，维护成本越来越高。

• 2分布式应用

中级架构，分布式应用，中间层分布式+数据库分布式，是单体架构的并发扩展，将一个大的系统划分为多个业务模块，业务模块分别部署在不同的服务器上，各个业务模块之间通过接口进行数据交互。

数据库也大量采用分布式数据库，如redis、ES、solor等。通过LVS/Nginx代理应用，将用户请求均衡的负载到不同的服务器上。其架构图如下所示：

该架构相对于单体架构来说，这种架构提供了负载均衡的能力，大大提高了系统负载能力，解决了网站高并发的需求。

• 3微服务架构

微服务架构，主要是中间层分解，将系统拆分成很多小应用（微服务），微服务可以部署在不同的服务器上，也可以部署在相同的服务器不同的容器上。当应用的故障不会影响到其他应用，单应用的负载也不会影响到其他应用，其代表框架有Spring cloud、Dubbo等。

其架构图如下所示：

4 Serverless架构

当我们还在容器的浪潮中前行时，已经有一些革命先驱悄然布局另外一个云计算战场：Serverless架构。

 

• 参考资料：

软件体系架构阅读笔记(九) - 算法网 (itpcb.com)
https://itpcb.com/a/701414
软件架构概览-架构-火龙果软件工程 (uml.org.cn)
http://www.uml.org.cn/zjjs/zjjs-bk.asp
常用软件架构模式_软件架构模式的处理过程_经典软件架构模式_常用16味药膳药材_新闻头条 (xinwentoutiao.net)
https://www.xinwentoutiao.net/jishu/20200502/1276760.html
MVC、MVP、MVVM的区别和联系（精讲版） (biancheng.net)
http://c.biancheng.net/view/7743.html#:~:text=MVC%E3%80%81MVP%E3%80%81MVVM%20%E4%B8%89%E8%80%85%E7%9A%84%E4%B8%BB%E8%A6%81%E5%8C%BA%E5%88%AB%E5%B0%B1%E5%9C%A8%E4%BA%8E%E9%99%A4%20View%20%E5%B1%82%E5%92%8C%20Model%20%E5%B1%82%E4%B9%8B%E5%A4%96%E7%9A%84%E7%AC%AC%E4%B8%89%E5%B1%82%EF%BC%8C%E8%BF%99%E4%B8%80%E5%B1%82%E7%9A%84%E4%B8%8D%E5%90%8C%E4%BD%BF%E5%BE%97,MV%20%E7%B3%BB%E5%88%97%E6%A1%86%E6%9E%B6%E5%8C%BA%E5%88%86%E5%BC%80%E6%9D%A5%E3%80%82%20%E5%85%B6%E5%AE%9E%E5%BE%88%E9%9A%BE%E8%AF%B4%E5%87%BA%20MVC%E3%80%81MVP%E3%80%81MVVM%20%E5%93%AA%E4%B8%80%E4%B8%AA%E6%9B%B4%E5%A5%BD%EF%BC%8C%E4%BB%8E%E8%A1%A8%E9%9D%A2%E4%B8%8A%E7%9C%8B%EF%BC%8C%E6%98%BE%E7%84%B6%E6%98%AF%20MVVM%20%E6%9C%80%E5%A5%BD%EF%BC%8C%E4%BD%BF%E7%94%A8%E8%B5%B7%E6%9D%A5%E6%9B%B4%E6%96%B9%E4%BE%BF%EF%BC%8C%E4%BB%A3%E7%A0%81%E7%9B%B8%E5%AF%B9%E4%B9%9F%E8%BE%83%E5%B0%91%E3%80%82
Android安卓架构MVC、MVP、MVVM之间的区别和联系(图解+案例+源码)_快乐李同学的博客-CSDN博客_android mvc mvp mvvm区别
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模式浅谈_风一样的少年-CSDN博客_mvc mvp mvvm
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MVC、MVP、MVVM特点及三者的区别_Ancecis的博客-CSDN博客
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MVC，MVP 和 MVVM 的图示 - 阮一峰的网络日志 (ruanyifeng.com)
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简单介绍 10 个常见的软件架构 - 知乎 (zhihu.com)
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五种常见软件架构 - 时间朋友 - 博客园 (cnblogs.com)
https://www.cnblogs.com/doit8791/p/9343826.html
浅析常用软件架构的三种架构模型 - 云+社区 - 腾讯云 (tencent.com)
https://cloud.tencent.com/developer/article/1116141
十大常用软件架构模式简介 - 简书 (jianshu.com)
https://www.jianshu.com/p/128ec31551b7
四大常用的软件架构，来看看你们公司用哪种？

-程序人生-Web开发者网 (webkfz.com)
http://webkfz.com/cxrs/eass.html
最常用的4 大软件架构 - 知乎 (zhihu.com)
https://zhuanlan.zhihu.com/p/343457113
软件架构入门 - 阮一峰的网络日志 (ruanyifeng.com)
https://www.ruanyifeng.com/blog/2016/09/software-architecture.html
软件架构设计-软件架构风格、分层架构 - 惊觉 (leheavengame.com)
http://leheavengame.com/article/60dbbb53049f556e1a231ffe
《软件架构设计》学习笔记 (uml.org.cn)
http://uml.org.cn/zjjs/201307151.asp
逻辑架构和物理架构在架构设计中的应用 (uml.org.cn)
http://www.uml.org.cn/zjjs/200906045.asp
软件架构设计 (uml.org.cn)
http://www.uml.org.cn/zjjs/201107193.asp
《软件架构》总览 | 并发编程网 – ifeve.com
http://ifeve.com/%E3%80%8A%E8%BD%AF%E4%BB%B6%E6%9E%B6%E6%9E%84%E3%80%8B%E6%80%BB%E8%A7%88/

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