第11讲软件架构及设计
软件架构设计基础文档
软件架构设计基础知识文档摘要本文件旨在为新加入的软件开发团队成员提供一份关于软件架构设计的基础知识指南。
内容涵盖常见架构模式、设计原则、性能优化策略等基本概念，旨在帮助初级到中级开发人员建立软件架构设计的框架。
通过代码示例和真实项目案例，配合清晰的架构图和流程图，便于阅读和理解。
1. 引言软件架构设计是开发过程中的一项关键工作，好的设计能够提高系统的可维护性、可扩展性和性能。
本指南将帮助新手开发人员理解基础概念，并掌握一些实用的设计原则和模式。
2. 软件架构概念2.1 什么是软件架构软件架构是指软件系统的高层结构和其组件之间的关系。
它定义了系统的组成部分以及它们如何相互作用。
2.2 软件架构的重要性良好的软件架构能够提高开发效率、降低后期维护成本，并且可以让团队在技术和业务变更中保持灵活性。
3. 常见架构模式3.1 单体架构单体架构是将所有功能模块打包为一个整体，适合小型应用。
# 示例：Flask单体应用from flask import Flaskapp = Flask(__name__)@app.route('/')def hello():return "Hello, World!"if __name__ == '__main__':app.run(debug=True)优缺点：•优势：简单，易于部署。
•缺陷：难以扩展，维护成本高。
3.2 微服务架构将应用拆分成多个小服务，每个服务独立运行，适合大型应用。
# 示例：使用 Flask 创建一个微服务from flask import Flaskapp = Flask(__name__)@app.route('/user')def get_user():return {"name": "Alice"}if __name__ == '__main__':app.run(port=5000)优缺点：•优势：可独立部署和扩展。
软件架构课程设计
软件架构课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解软件架构的基本概念，掌握常见软件架构模式及其特点。
2. 学会分析软件需求，并能根据需求选择合适的架构模式进行设计。
3. 了解软件架构的评估方法和原则，能够对现有软件架构进行简单分析。
技能目标：1. 培养学生运用软件架构知识解决实际问题的能力，提高软件设计水平。
2. 提高学生的团队协作能力，学会在团队中沟通、协作完成软件架构设计。
3. 培养学生运用相关工具和技术进行软件架构可视化表达的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对软件架构设计的兴趣，激发学生的学习热情。
2. 增强学生的责任感，使其认识到软件架构在软件开发过程中的重要性。
3. 培养学生严谨、认真、客观的科学态度，提高学生的创新意识和实践能力。
课程性质分析：本课程为计算机科学与技术专业高年级学生的专业核心课程，旨在帮助学生掌握软件架构的基本知识，提高软件设计能力。
学生特点分析：学生具备一定的编程基础和软件工程知识，具有较强的学习能力和实践能力，但可能对软件架构的理论知识和实际应用存在一定程度的陌生感。
教学要求：1. 结合实际案例，注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力。
2. 强化团队合作，培养学生的沟通协调能力。
3. 通过课程学习，使学生能够独立完成中小型软件架构设计任务，为后续软件开发课程打下坚实基础。
二、教学内容1. 软件架构基本概念：包括软件架构的定义、作用、分类及发展趋势。
教材章节：第一章 软件架构概述2. 常见软件架构模式：介绍分层架构、客户端-服务器架构、微服务架构、事件驱动架构等，分析各自特点及应用场景。
教材章节：第二章 软件架构模式3. 软件架构设计方法：讲解基于需求的软件架构设计方法，包括需求分析、架构风格选择、架构设计及评估。
教材章节：第三章 软件架构设计方法4. 软件架构评估与优化：介绍软件架构评估方法、原则，探讨如何优化现有软件架构。
教材章节：第四章 软件架构评估与优化5. 软件架构可视化：讲解软件架构可视化方法，如UML图、架构图等，以及相关工具的使用。
软件设计模式与软件架构
软件设计模式与软件架构一、软件设计模式的概念软件设计模式是指在软件开发过程中，经过总结、归纳和演化而形成的一些解决方案的集合。
这些解决方案已被证明是可重用的，并可在不同情形下应用于各种不同的问题。
软件设计模式是一种解决方案的抽象表述，可以用于指导系统的设计和演化。
二、软件设计模式的分类1. 创建型模式创建型模式是用来处理对象的创建过程的模式，试图根据对象的实际情况来选择最佳的创建方式。
创建型模式包括单例模式、工厂模式、抽象工厂模式、建造者模式和原型模式等。
2. 结构型模式结构型模式是关于类和对象组合的模式，通常用来设计对象之间的关联关系。
结构型模式包括适配器模式、装饰器模式、代理模式、组合模式、桥接模式、享元模式和外观模式等。
3. 行为型模式行为型模式是关于对象之间交互的模式，通常用来描述算法和对象之间的责任分配。
行为型模式包括模板方法模式、策略模式、命令模式、职责链模式、状态模式、观察者模式、中介者模式和访问者模式等。
三、软件架构的概念软件架构是指一个软件系统的结构和组成方式，主要描述了软件系统的各个部分之间的关系和通信方式。
软件架构主要分为两个层次，一是表示系统的静态结构，二是表示系统的动态行为。
静态结构包括模块化设计、数据架构、UI和系统规范等，动态行为包括用户需求、系统交互、数据流程和算法运算等。
四、软件架构的分类1. 分层式架构分层式架构主要是将软件系统分为若干个不同层次，并在每一层次上建立一组独立的模块。
每一层次的模块都具有相同的抽象级别，并能够互相通信和调用。
分层式架构通常用于大型系统的开发，可以有效的提高软件的可维护性和可扩展性。
2. 客户端-服务器架构客户端-服务器架构主要是将软件系统分为客户端和服务器两个部分，这两个部分分别负责不同的任务。
客户端负责向用户提供UI和交互功能，而服务器负责数据管理和处理。
客户端-服务器架构通常用于分布式系统的开发，并能够支持多种网络协议和数据传输方式。
软件设计与体系结构知识点
1.软件设计的特征(1)软件设计的开端是出现某些新的问题需要软件来解决，这些需要促使设计工作的开始，并成为整个设计工作最初的基础(2)软件设计的结果是给出一个方案，它能够用来实现所需的、可以解决问题的软件，方案的描述可能是文字、图表，甚至数学符号、公式等组成的文档或模型(3)软件设计包含一系列的转换过程，即把一种描述或模型转换为另一种描述或模型，转换后的形态可能更加具体，或更接近于实现(4)产生新的想法或思路对软件设计非常重要，因为设计也是一个创造性的过程，不同的问题或需求总会存在各自的特点，即使同样的问题在不同时期和环境下也会存在区别，因此设计不会是一成不变的(5)软件设计的过程是不断解决问题和实施决策的过程，因为整个设计是解决一个大的问题，在设计过程中将会分解成众多小问题，涉及真需要一次解决这些小的问题，并在出现多种方案或策略时进行决策，选择其中最合适的(6)软件设计也是一个满足各种约束的过程，因为软件可能在性能、运行环境、开发时间、成本、人员技术水平等各个方面存在约束，设计必须在满足这些约束的情况下给出最佳的设计方案(7)大多数的软件实际是一个不断演化的过程，因为需求在一开始很可能是不完整或不精确的，在设计过程中还会不断发生变化并逐步稳定下来，因此设计需要根据需求的变化而不断演化。
2.软件设计的要素( 1 ) 目标描述 ( 2 ) 设计约束 ( 3 ) 产品描述 ( 4 ) 设计原理 ( 5 ) 开发规划 ( 6 ) 使用描述3.软件设计体系的定义( 1 )软件设计体系结构是软件系统的结构，包含软件元素、软件元素外部可见的属性以及这些软件元素之间的关系( 2 )软件体系结构是软件系统的基本组织，包含构建、构件之间、构件与环境之间的关系，以及相关的设计与演化原则4.软件设计的主要活动( 1 ) 软件设计计划 ( 2 ) 体系结构设计 ( 3 ) 界面设计 ( 4 ) 模块/子系统设计 ( 5 ) 过程/算法设计( 6)数据模型设计5.体系结构“4+1 ”多视图建模( 1 )逻辑视图：该视图关注功能需求，即系统应该为最终用户提供什么服务，它与应用领域精密相关( 2 )进程视图：该视图捕获设计中关于并发和同步的内容，重视一些非功能需求，例如性能、可扩展性等，定义了运行实体和它们的属性。
软件架构模式与设计模式
软件架构模式与设计模式软件架构模式和设计模式是软件开发中两个重要的概念。
它们分别关注于软件系统的整体结构和单个组件的设计。
本文将介绍软件架构模式与设计模式的含义、区别以及在实际开发中的应用。
一、软件架构模式的概念软件架构模式是指用于解决软件系统整体设计结构的一种模式。
它关注软件系统的分层、组件之间的通信、并发处理等方面的问题。
软件架构模式提供了一种系统的模板，可以应用于不同的应用领域和系统规模。
常见的软件架构模式有MVC(Model-View-Controller)模式、客户端-服务器模式、分布式系统模式等。
其中，MVC模式将软件系统分为模型、视图和控制器三个部分，用于解决用户界面和业务逻辑的分离问题；客户端-服务器模式将软件系统划分为客户端和服务器两个独立的部分，用于解决多用户访问和资源共享的问题；分布式系统模式将软件系统分布到不同的计算机节点上，用于解决系统扩展性和容错性的问题。
二、设计模式的概念设计模式是指在软件组件的设计过程中，针对特定问题的解决方案。
它关注组件之间的交互、对象的创建和管理、算法和数据结构的优化等方面的问题。
设计模式提供了一种通用的设计思路和模板，可以应用于不同的应用场景和复杂度要求。
常见的设计模式有单例模式、工厂模式、观察者模式等。
其中，单例模式用于确保一个类只有一个实例，常用于线程池、日志系统等场景；工厂模式用于创建对象，将对象的创建和使用解耦，常用于库函数和框架的设计；观察者模式用于定义一种一对多的依赖关系，当一个对象状态发生改变时，所有依赖的对象都会收到通知，常用于事件处理和GUI编程。
三、软件架构模式与设计模式的区别软件架构模式和设计模式都是解决软件开发中的问题的方法论，但它们各自关注的层面和问题域不同。
软件架构模式关注的是系统整体结构和组件之间的关系，它负责定义软件系统的静态和动态特性，而不涉及具体组件的实现细节。
软件架构模式通常以模式化的形式存在，是对软件系统整体设计的抽象和总结。
软件架构设计
软件架构设计一、引言在当今IT领域，软件架构设计是软件开发过程中至关重要的一步。
良好的软件架构能够确保软件系统具备良好的可维护性、可扩展性和可靠性。
本文将对软件架构设计的概念、原则以及相关方法进行探讨。
二、软件架构设计概述软件架构设计是指在软件开发过程中对系统进行整体结构设计的过程。
它关注的是系统的组织、各个模块之间的关系以及系统与外部环境之间的交互。
良好的软件架构设计能够为开发团队提供一个清晰的蓝图，指导系统的开发和演化过程。
三、软件架构设计原则1. 模块化：将系统划分为相互独立且可重用的模块，降低系统的耦合性，提高系统的可维护性和可测试性。
2. 分层架构：将系统划分为不同的层次，每一层都有明确的职责和功能。
这样做可以将复杂的系统划分为简单的模块，便于管理和维护。
3. 松耦合：模块之间的依赖应该尽可能地低，以减少系统的风险和增加系统的灵活性。
4. 高内聚：一个模块内部的元素应该具有高度相关性，实现单一职责原则，降低模块的复杂度。
5. 可扩展性：系统的结构应该具备良好的可扩展性，以满足在未来需求变更时的系统扩展需求。
6. 可测试性：架构设计应该考虑到系统的可测试性，便于对系统进行单元测试和集成测试。
四、软件架构设计方法1. 客户需求分析：首先要从客户的需求出发，明确系统的功能和性能需求，为后续的架构设计提供依据。
2. 系统分解：将系统分解为多个模块，建立模块之间的依赖关系和交互关系，形成整体的架构结构。
3. 技术选型：根据系统需求和团队技术实力，选择适合的技术框架和工具，以支持系统的开发和维护。
4. 评估和优化：评估架构设计的可行性和风险，针对系统的性能和可靠性进行优化。
5. 设计文档编写：编写详细的设计文档，包括系统结构图、模块设计、接口定义等内容，以便团队成员理解和参考。
五、实例分析以一个电商平台的软件架构设计为例，该平台包括用户界面、订单管理、库存管理和支付系统等模块。
根据上述的架构设计原则和方法，可以将该系统划分为用户接口层、业务逻辑层和数据层三个层次。
软件架构设计过程
软件架构设计过程软件架构设计是一个复杂的过程，涉及到多个方面和层次。
以下是一个简化的软件架构设计过程，帮助你了解这个过程：1.需求收集和分析：首先，需要收集和理解软件的需求。
这包括与利益相关者的沟通、编写需求文档、创建用例和场景等。
这一步的目标是明确软件需要做什么，以及它的主要功能和特性。
2.确定架构目标：基于需求，确定软件架构的目标。
这包括性能、可用性、可扩展性、可维护性、安全性等。
根据目标和需求，制定一个初步的架构愿景。
3.系统分解：将整个系统分解成多个组件或模块。
这一步是为了更好地管理和理解复杂的系统。
分解可以基于功能、技术或业务领域进行。
4.选择架构风格和模式：基于分解的结构，选择适合的架构风格和模式（例如，分层架构、事件驱动架构、微服务架构等）。
这些风格和模式有助于确保系统的结构合理且可维护。
5.定义组件和接口：定义各个组件的职责、功能和它们之间的交互。
这包括定义组件之间的接口、通信协议和数据格式。
6.数据设计：设计系统的数据结构，包括数据库模式、数据表、字段、关系等。
确定数据的一致性、冗余性和性能需求。
7.技术选型：根据需求和架构目标，选择合适的技术、工具和平台来支持架构的实现。
这包括选择编程语言、框架、数据库系统等。
8.物理架构设计：确定系统的部署方式和环境要求。
这包括服务器、网络、存储等方面的设计。
考虑系统的可伸缩性、可用性和安全性。
9.安全设计：确保系统能够抵御潜在的安全威胁，保护数据和资源的机密性、完整性和可用性。
设计适当的安全措施，如身份验证、授权控制等。
10.性能和容量规划：预测系统的性能需求和容量要求，并进行相应的规划。
这包括分析系统的响应时间、吞吐量、并发用户数等性能指标。
11.一致性和合规性检查：确保架构设计和选择符合既定的标准和规范，满足相关法律法规的要求。
12.评审和审查：组织专家或团队对软件架构进行评审和审查，确保设计的合理性和有效性。
13.文档编写和记录：将整个架构设计和决策过程记录在文档中，便于团队成员理解和遵循。
软件架构和设计模式
软件架构和设计模式在我们的现代化社会中，各种软件的存在对我们的生活产生了非常重要的影响，如何构建高质量的软件已经成为了一项非常重要的任务。
软件架构和设计模式是构建优质软件的两个非常重要的组成部分，本文将分别从这两个方面进行阐述。
软件架构软件架构是指在系统设计过程中用于描述系统各个部分之间关系的一种方式。
一般来说，软件架构可以分为三个层次：应用架构、中间件和基础设施。
应用架构负责提供特定的业务功能，中间件作为应用架构的一个中间层，负责提供一些通用服务，如通信、安全性以及监控等，基础设施则是实际计算资源的部分，如云计算平台或数据中心。
软件架构的好处之一是它可以提供一种共同语言，以便所有团队成员之间进行更好的交流与合作。
通过软件架构，开发人员可以了解系统中各个组件的职责以及彼此之间的依赖关系，这有助于他们更好地协同工作。
另一个好处是软件架构可以帮助我们实现系统的可伸缩性。
这是因为架构设计者可以在系统设计阶段考虑到未来的需求并相应地设计系统。
例如，如果预计系统将需要在更多的服务器上运行，则需要设计一种能够支持水平扩展的架构。
将来应用程序的需求可能会发生大量更改，但是软件架构可以帮助确保系统设计的灵活性和可扩展性。
设计模式设计模式可以定义为已经被多次证明可以以可靠方式解决特定问题的方案。
设计模式是一种精美的黄金系统，其中的每个模式都已经独立于任何语言或领域进行过解释和测试。
可以将设计模式看作是一种提供设计思路的方法集。
设计模式分为三个主要类别：创建型、结构型和行为型。
创建型设计模式处理有关对象创建的问题，包括对象的实例化和构建。
结构设计模式有助于定义类和对象之间的关系，以便他们更好地协同工作。
行为设计模式则处理与对象之间的通信以及对象的职责和交互有关的问题。
除了简单地将这些设计模式应用于开发过程中，还可以在开发团队中共享和传承这些设计模式。
当团队在开发新的部分时，已经存在的模式将为他们提供参考，这有助于提高代码的一致性、可读性和可维护性。
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架构设计中的重要概念
架构与模式
❖ 架构≠设计模式 ❖ 模式是经验的重用，模式对软件开发中出
现的一些问题给出了比较好的解决方案 ❖ 模式的决定和使用是设计阶段考虑的问题 ❖ 架构和设计中采用合适的模式可以快速的
解决某些问题
软件架构的概念
在软件架构概念的理解上通常分为两大 流派： ❖组成派：软件系统的架构将系统描述为 计算组件及组件之间的交互。 ❖决策派：软件架构是一系列重要决策的 集合。
❖ 架构和设计是两个不同的概念 ❖ 设计主要是指思考和求证的过程 ❖ 设计指明了如何解决一个个问题，并提
出方案和计划 ❖ 当软件系统的架构确定之后，设计就开
始了
正确理解设计的含义
❖ 业务需求是系统架构的决定性因素 ❖ 软件设计和开发在架构确定之后开始进
行 ❖ 开发是在设计的基础上进行的
业务需求 架构
常见的分层架构设计
三、业务逻辑层(BLL) ❖ 业务逻辑层包括所有的业务逻辑，如：
数据验证、控计
❖ 可以在浏览器或其他外部客户端中验证 逻辑，但不能信任客户端的代码。必须 把业务层的逻辑视为真正的验证逻辑。
❖ 业务层部署到应用服务器上，或者尽可 能地与数据库服务器接近，因为业务逻 辑需要操作数据库的大量数据。
软件架构与设计
架构
❖软件架构 Ø逻辑架构：关注功能（三层架构）
❖系统架构 Ø物理架构：关注系统、网络、服务器 等基础设施 Ø数据架构：关注的是数据持久化和存 储层面的问题
软件架构
❖ 软件架构是对系统的高层视角，或者是 对系统的抽象。
❖ 简单来说：软件架构就是软件系统的一 张蓝图。
正确理解设计的含义
两种架构设计的区别和联系
❖组成派和决策派关于软件架构概念的区 别在于从不同角度来描述对软件架构概 念的认识。组成派是从软件架构的最终 形态角度来描述软件架构，决策派是从 软件架构形成过程来描述软件架构。
设计
开发
正确理解设计的含义
机械工程师
正确理解设计的含义
三层架构
❖表示层（User Interface layer-UI） ❖业务逻辑层(Business Logic Layer-BLL) ❖数据访问层（Data Access Layer-DAL）
架构设计中的重要概念
一、Tier和Layer ❖ Layer指系统中的逻辑结构，Tier指系
MVC框架模式
❖模型层（Model）：模型层是应用程序的 核心部分，主要由JavaBean组件来充当 ，可以是一个实体对象或一种业务逻辑 。之所以称之为模型，是因为它在应用 程序中有更好的重用性、扩展性。
MVC框架模式
❖视图层（View）：视图层提供应用程序 与用户之间的交互界面。在MVC模式中， 这一层并不包含任何的业务逻辑，仅仅 提供一种与用户相交互的视图，在Web应 用中由JSP、HTML界面充当。
软件架构的概述
❖ 什么是架构？如果你问五个不同的人， 可能会得到五种不同的答案 Ivar Jacobson, 《AOSD中文版》
❖ 很多人都试图给“架构”下定义，而这 些定义本身却很难统一 Martin Fowler,《企业应用架构模式》
软件架构的概述
❖ “架构”一词最早来自建筑学，原意为 建筑物设计和建造的艺术。在软件工程 领域，软件架构不是一个新名词，只是 在早期的著作中人们将软件架构称为软 件体系结构；
和管理的地方，例如，数据库。
常见的分层架构设计 六、物理部署
常见的分层架构设计
在两层的物理架构中，除了数据存储的位置外， 其他都与单层的配置一样，主要的工作是改变 一下数据库的连接字符串。
常见的分层架构设计
❖ 最佳性能的Web
客户端浏览器
WEB服务器
数据库服务器
MVC框架模式
❖MVC是一个框架模式，它强制性的使应用 程序的输入、处理和输出分开。使用MVC 应用程序被分成三个核心部件：模型、 视图、控制器。它们各自处理自己的任 务。
统的物理部署结构，不同的Layer可以 在同一Tier上；不同的Tier上面可以有 相同的Layer。
架构设计中的重要概念
常见的分层架构设计
常见的5层逻辑架构
逻辑上的N层 架构，优势在 于将功能分割 成明确的角色 和组，提高了 清晰度和可维 护性
常见的分层架构设计
一、界面层
❖ 界面层通过指的是用户层或表现层。 ❖ 为什么把界面层和界面控制层分开来介绍
MVC框架模式
❖控制层（Controller）：控制层用于对 程序中的请求进行控制，起到一种宏观 调控的作用，它可以通知容器选择什么 样的视图、什么样的模型组件，在Web应 用中由Servlet充当。
软件体系结构的概念
❖软件体系结构和软件架构对应的英文单 词都是“Software architecture”，即 它们是意义完全相同的两个中文单词用 语。在使用它们时往往带有一种习惯上 的差异，通常学术上用“软件体系结构” 较多，在软件系统设计上用“软件架构” 较多，如在软件公司里，有“软件架构 师”的职位，但很难听到“软件体系结 构师”的说法。
常见的分层架构设计
二、界面控制层 ❖ 界面控制层的代码是接受用户的输入，
然后将其提供给业务层，在那里输入会 被验证、处理，或者其他的操作。然后， 界面控制代码必须对用户的输入做出响 应，并显示与业务层交互的结果。
常见的分层架构设计
二、界面控制层 ❖ 控制用户界面和程序数据之间同步根据
界面操作完成对程序数据更新程序数据 改变及时反应用户界面。
（一般把界面层和界面控制层综合在一起， 统称为“显示层”）
常见的分层架构设计
二、界面控制层 ❖ 该层包含以下功能：决定用户应该看到
什么，对路径进行导航，以及解释用户 的输入。 ❖ 在Windows窗体的应用程序中，这些逻 辑指窗体后台的代码；Web窗体的应用 程序中，这些逻辑不仅仅指窗体后台的 代码，也包含服务器端控件的代码。
常见的分层架构设计
四、数据访问层(DAL) ❖ 数据访问代码常常需要与数据存储和管
理层进行交互，以便查询、插入、更新 和删除数据。 ❖ 数据访问层并不会真正地管理和存储数 据，它只是为业务逻辑层和数据库之间 提供接口。
常见的分层架构设计
五、数据存储和管理层 ❖ 数据存储和管理层是真正进行数据存储