软件体系结构设计
软件体系结构设计及其实现
软件体系结构设计及其实现随着信息技术的高速发展，软件已经成为现代社会不可或缺的一个组成部分。
在软件的开发过程中，软件的体系结构设计非常关键。
软件体系结构设计是软件开发过程中的第一步，也是最重要的一步。
好的软件体系结构设计可以为整个软件开发过程奠定良好的基础，也可以为软件的后期维护和升级提供更多的便利。
但是，软件体系结构设计并不是一件简单的事情，需要考虑多方面的因素，并且需要综合各种专业知识。
一、软件体系结构设计的定义和特点软件体系结构是指在系统设计中，对软件系统整体组织结构和各个组成部分之间的关系，进行的系统性设计和描述。
软件体系结构不仅是设计软件系统的框架，也是实现软件系统的基础，同时也是对软件系统进行管理、维护和升级的重要基础。
软件体系结构设计的特点包括以下几点。
（一）高度抽象软件体系结构设计是对软件系统的整体组织结构和各个组成部分之间的关系进行的设计和描述。
因此，软件体系结构设计需要具有高度抽象的特点。
软件体系结构设计不涉及具体的编程实现细节，而是从整体的角度考虑问题，对系统进行宏观把握。
因此，软件体系结构设计需要考虑到更多的概念和模型，需要进行更为有意义的抽象。
（二）多样性在软件体系结构设计中，考虑到软件的应用范围和需求，软件体系结构的模型和模式也有很多种不同的选择。
不同的软件体系结构设计模式都有各自的优缺点，因此，软件开发过程中需要进行充分的需求分析和规划，才能够选择合适的设计模式。
（三）可分析性软件体系结构设计是软件开发的基础，需要保证软件系统的稳定和可靠。
因此，在进行软件体系结构设计时，需要考虑到各种约束条件和因素。
设计出来的体系结构需要具有可分析性，这样才能够进行系统化的测试和验证，确保软件的质量。
二、软件体系结构设计的要素软件体系结构设计需要考虑到很多不同的要素，下面我们来看一下主要的几个要素。
（一）模块化设计模块化设计是软件体系结构设计中最基础的一点，也是最重要的一点。
将复杂的软件分为若干个模块，使得各个模块之间相互独立，可以方便地进行设计、开发、测试和维护。
软件体系结构设计模式
软件体系结构设计模式软件体系结构设计模式是为了解决在软件开发中遇到的常见问题而提出的一种设计思想和方法。
它们是一些被广泛接受和验证的指导原则，可以帮助开发人员设计出易于维护、可扩展、可重用和灵活的软件系统。
本文将介绍几种常见的软件体系结构设计模式。
一、分层模式（Layered Pattern）：分层模式是将软件系统划分为若干个层次，每个层次对应不同的功能和责任。
这种模式可以提高系统的可维护性，减少耦合度，使系统更易于扩展和修改。
分层模式一般分为三个层次：表示层、业务逻辑层和数据访问层。
表示层负责与用户交互，展示数据；业务逻辑层负责处理业务逻辑，实现系统功能；数据访问层负责与数据库进行交互，进行数据的读写操作。
二、管道过滤器模式（Pipes and Filters Pattern）：管道过滤器模式是一种将数据流按照一定的顺序传递和处理的模式。
数据通过一系列的过滤器，最终产生期望的结果。
管道过滤器模式将任务分解为一系列独立的步骤，每个步骤通过一个单独的过滤器来完成。
每个过滤器只处理特定类型的数据，将结果传递给下一个过滤器。
这种模式可以提高系统的可复用性和可扩展性，便于构建复杂的数据处理流程。
三、客户端-服务器模式（Client-Server Pattern）：客户端-服务器模式是一种将软件系统划分为客户端和服务器两个部分的模式。
客户端负责向服务器发送请求，服务器负责处理请求并返回结果。
客户端-服务器模式可以用于实现分布式系统，将系统的负载分散到多台服务器上，提高系统的可扩展性和性能。
同时，通过将客户端和服务器解耦，可以使系统更易于维护和修改。
四、发布-订阅模式（Publish-Subscribe Pattern）：发布-订阅模式是一种将消息发送方（发布者）和消息接收方（订阅者）解耦的模式。
发布者将消息发送到消息队列或消息总线，订阅者从中获取感兴趣的消息进行处理。
发布-订阅模式可以实现系统的解耦和异步通信。
软件工程中的软件体系结构与设计模式
软件工程中的软件体系结构与设计模式软件工程是一门涉及软件开发、维护、测试和管理的学科。
在软件工程的实践中，软件体系结构和设计模式是两个重要的概念。
本文将探讨软件体系结构与设计模式在软件工程中的应用和重要性。
一、软件体系结构软件体系结构是指软件系统的整体结构和组成部分之间的关系。
它描述了软件系统的组织方式、模块划分和模块之间的通信方式。
软件体系结构的设计对于软件系统的可维护性、可扩展性和可重用性具有重要影响。
在软件体系结构的设计中，常用的模式包括层次结构、客户端-服务器模式和发布-订阅模式等。
层次结构将软件系统划分为多个层次，每个层次都有特定的功能。
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部分，客户端发送请求，服务器处理请求并返回结果。
发布-订阅模式中，发布者发布消息，订阅者接收消息。
软件体系结构的设计需要考虑多个因素，如系统的可靠性、性能、安全性和可维护性等。
一个好的软件体系结构应该能够满足系统的需求，并且易于理解和维护。
二、设计模式设计模式是在软件设计中常见问题的解决方案。
它们是经过验证的、可重用的设计思想，可以提高软件的可维护性和可扩展性。
设计模式可以分为三类：创建型模式、结构型模式和行为型模式。
创建型模式用于对象的创建，包括工厂模式、单例模式和原型模式等。
结构型模式用于对象之间的组合，包括适配器模式、装饰器模式和代理模式等。
行为型模式用于对象之间的通信，包括观察者模式、策略模式和命令模式等。
设计模式的应用可以提高软件系统的灵活性和可维护性。
通过使用设计模式，开发人员可以将系统的不同部分解耦，使其更易于修改和扩展。
此外，设计模式还可以提高代码的可读性，减少重复代码的编写。
三、软件体系结构与设计模式的关系软件体系结构和设计模式是紧密相关的概念。
软件体系结构提供了软件系统的整体框架，而设计模式提供了解决具体问题的方法。
在软件体系结构的设计中，设计模式可以用于解决不同层次和模块之间的通信问题。
软件体系结构架构设计文档
基于机器学习的分布式系统故障诊断系统架构设计⽂档本⽂档的⽬的是详细地介绍基于机器学习的分布式系统故障诊断系统所包含的需求。
基于机器学习的分布式系统故障诊断系统是⼀个利⽤机器学习和深度学习技术对分布式系统的故障数据进⾏分析的⼯具，旨在帮助⽤⼾准确地识别和分类分布式系统中的故障，并实现分布式系统故障运维的智能化。
为了确保客⼾能够明确了解产品的具体需求，并使开发⼈员能够根据这些需求进⾏设计和编码，我们将在以下部分描述基于机器学习的分布式系统故障诊断系统的功能、性能、⽤⼾界⾯、运⾏环境和外部接⼝。
此外，我们还将详细说明针对⽤⼾操作的各种系统响应。
2.1 需求介绍该项⽬是为满⾜分布式系统故障⾼效、准确诊断的需求⽽开发的。
基于机器学习的分布式系统故障诊断系统不仅可以对分布式系统的故障数据进⾏深⼊的分析，还可以设计出准确的故障诊断模型。
此外，它还为分布式系统故障的智能化运维提供了有效的技术⽀持。
通过本系统，⽤⼾可以实现对分布式系统故障的快速检测和恢复，从⽽降低运维难度，减少⼈⼒资源消耗。
2.2 需求分析2.2.1 ⼀般性需求操作系统适配性：系统应能够适配主流的操作系统，如W indows、L inux等。
性能和可靠性：系统需保证⾼性能运⾏，同时确保在各种故障情况下的可靠性。
可维护性：系统应当有良好的⽂档和代码结构，确保后期可以轻松地进⾏维护和升级。
可扩充性：随着业务的增⻓和技术的更新，系统应具有良好的可扩充性，以满⾜未来的需求。
适应性：系统需能够适应不同的技术和业务场景，以确保其在多种环境下都能够稳定运⾏。
2.2.2 功能性需求2.2.2.1 ⽤⼾需求1 基于机器学习的故障诊断功能故障诊断与分类：⽤⼾需要系统能够准确地诊断和分类分布式系统中的故障。
KPI指标监控：⽤⼾希望在所有节点正常运⾏时，所有KPI指标都在正常范围内。
故障检测：⽤⼾希望系统能够检测到节点的故障，并识别导致KPI指标异常的故障。
故障传播识别：⽤⼾希望系统能够识别故障在分布式系统中的传播情况。
软件体系结构设计方法的特点
软件体系结构设计方法的特点软件体系结构设计方法是指在软件开发过程中，通过对软件系统的结构和组织方式进行规划和设计的方法。
它是软件工程中的重要环节，直接影响软件系统的稳定性、可维护性和可扩展性。
软件体系结构设计方法具有以下特点：1.模块化设计：软件体系结构设计方法注重对软件系统的模块化划分。
将系统划分为多个模块，每个模块负责特定的功能或任务。
模块化设计可以提高开发效率、降低开发难度和维护成本。
同时，模块之间的接口定义清晰，便于模块之间的协作与集成。
2.分层设计：软件体系结构设计方法通过分层设计将系统划分为若干层次。
每一层次负责不同的功能或服务，并通过明确定义的接口与其他层次进行通信。
分层设计可以提高系统的可扩展性和可重用性。
同时，各层次之间的依赖关系清晰，每一层次的实现对上层是透明的，便于功能的修改和扩展。
3.面向对象设计：软件体系结构设计方法倾向于采用面向对象的设计方法。
面向对象设计将系统划分为多个简单的对象，并通过对象间的继承、组合和关联等关系来描述系统的结构和行为。
面向对象设计具有易于理解、易于维护、易于扩展等优点，适用于复杂系统的设计和实现。
4.客户与服务的解耦：软件体系结构设计方法注重将客户端与服务端解耦。
客户端只需要关注所需的服务，而不需要关心服务的具体实现。
服务端负责提供服务并处理客户端的请求。
这种解耦可以提高系统的灵活性和可扩展性，允许系统的不同部分以不同的速度进行开发和演化。
5.弹性设计：软件体系结构设计方法强调系统的弹性设计。
系统应该具有适应性和容错性，能够在面对不同的环境和需求变化时进行调整和自适应。
弹性设计可以提高系统的稳定性和可靠性，降低系统运行的风险。
6.可视化设计：软件体系结构设计方法倾向于采用可视化的设计方法。
通过绘制各种图表、图形和图示，将系统的结构、组织和功能可视化，便于设计人员和开发人员之间的沟通和理解，促进团队的合作和协作。
7.迭代与重构：软件体系结构设计方法倡导迭代与重构。
软件架构设计中的五层体系结构
软件架构设计中的五层体系结构随着计算机技术的不断发展，软件系统的规模越来越大，复杂度也越来越高，因此在软件系统的开发过程中，软件架构的设计显得尤为重要。
软件架构定义了软件系统的组织结构，包括软件系统的组件、模块、接口、数据流等等，是指导软件系统设计和开发的基石。
软件架构设计中的五层体系结构是一种基于分层思想的软件架构设计模式，被广泛应用于大型软件系统。
该体系结构分为五个层次，每个层次负责处理不同的任务和功能，各层之间协同工作，形成一个完整的软件系统。
下面将详细解释五个层次及其功能。
第一层：用户界面层用户界面层是软件系统与用户之间的接口，负责接收用户的输入请求，并向用户展示软件系统的输出信息。
用户界面层通常包括下面两个部分：1.1 用户界面管理器用户界面管理器是负责响应用户界面的请求，生成和显示用户界面的用户界面组件，如按钮、文本框等。
用户界面管理器还可以帮助用户进行数据输入验证，保证数据的完整性和正确性。
1.2 应用程序编程接口应用程序编程接口（API）是用户界面层与下一层——业务逻辑层之间的桥梁，将用户界面的请求传递给业务逻辑层。
API还可以将业务逻辑层返回的数据展示给用户界面层。
第二层：业务逻辑层业务逻辑层是软件系统的核心，负责处理软件系统的业务逻辑，即实现软件系统的功能。
业务逻辑层通常包括下面两个部分：2.1 业务逻辑模型业务逻辑模型是软件系统中实现业务逻辑的代码和算法集合，是业务逻辑层的核心。
业务逻辑模型需要和其他模块进行交互，因此需要和数据库模型进行配合。
2.2 数据访问模型数据访问模型负责与数据库进行通信，将业务逻辑层操作的数据存储到数据库中，并从数据库中读取数据。
数据访问模型还需要对数据库进行管理和维护，保证数据库的稳定性和安全性。
第三层：数据访问层数据访问层是负责管理和维护数据库的模块，其功能是通过数据访问接口向上层提供一定的数据访问功能，同时向下层提供对数据库的操作。
数据访问层通常包括下面两个部分：3.1 数据库访问接口数据库访问接口提供对外的数据访问API，向上层提供数据库的访问功能。
软件体系结构设计与演化
软件体系结构设计与演化软件是我们生活和工作中不可或缺的一部分。
而软件的良性发展离不开软件体系结构设计和演化的不断优化。
本文将探讨软件体系结构设计和演化的关系，以及如何优化软件体系结构。
一、什么是软件体系结构？软件体系结构指的是软件的大型组织形式。
该结构由一系列的抽象组件和它们彼此之间的相互作用所组成，用于定义软件的基本行为和属性。
软件体系结构有助于开发人员更好地理解软件的复杂性和维护其可用性。
二、软件体系结构的演化当软件系统开始使用后，它的体系结构也会发生变化。
这种变化可能是因为技术上的原因，也可能是因为用户需求的变化。
这种变化称为软件系统的演化。
软件体系结构的演化可以分为几个阶段。
首先是体系结构的建立阶段，这个阶段需要根据需求对体系结构进行规划和设计。
其次是体系结构的重构阶段，这个阶段需要对软件的体系结构进行重构，以便改进现有的软件系统。
最后是体系结构的扩展阶段，这个阶段需要根据需求对软件体系结构进行扩展，以便提供更多的功能。
三、软件体系结构的设计软件体系结构的设计需要遵循一些基本原则，以确保设计的软件具有最佳性能和可维护性。
这些原则包括：1. 分层结构设计原则分层结构是一种把软件系统分成不同的层次的设计模式。
每一层都只能与相邻的层进行通信。
这个原则可以帮助开发人员更好地管理软件系统的复杂性。
2. 单一职责原则单一职责原则是指一个模块只应该有一个改变的原因。
这样可以避免一个模块因为多重责任而发生变化，从而导致软件系统的复杂性增加。
3. 面向接口编程原则面向接口编程原则是指开发人员应该针对接口编程而不是针对实现编程。
这个原则可以帮助开发人员更好地进行接口的扩展和修改。
四、如何优化软件体系结构？优化软件体系结构需要遵循以下步骤：1. 确定优化的目标在优化软件体系结构之前，需要明确优化的目标。
一旦确定了优化目标，就可以针对性地进行工作。
2. 评估软件系统的现状在优化软件系统之前，需要对软件系统的现状进行评估。
软件体系结构设计中的架构风格分析
软件体系结构设计中的架构风格分析在软件体系结构设计中，架构风格是一种用于描述、定义和实现复杂软件系统的基本框架结构和组织方式的概念。
它关注的是软件系统的整体结构和组成，而不是关注具体实现细节。
架构风格提供了一种规范化的、可重用的设计思路，有效提高了软件系统的可靠性、稳定性、可维护性和可重用性。
本文将以软件体系结构设计中的架构风格为主题，探讨架构风格在软件设计中的应用和优势。
一、什么是架构风格？架构风格是一种通用的、模板化的架构设计方案，提供了对于软件系统的组织和结构方式、各个组件之间的关系和接口的一种标准化的描述。
架构风格不同于具体实现，而是关注系统层面的大局，提供了一种模块化、分层、可组合、可重用的设计模式。
一种常见的架构风格是层次结构风格，该风格将软件系统分为不同的层次，每个层次实现特定的功能，层次之间通过接口进行通讯。
二、架构风格的核心概念架构风格有三个核心概念：组件、连接和配置。
组件：组件是软件系统的基本构建块。
每个组件代表一个可以单独编写、编译和测试的软件部分，对外提供接口或服务，对内采用特定的实现方式完成逻辑功能。
连接：连接是不同组件之间的通讯方式。
连接有多种类型，比如消息传递、共享数据、远程调用等方式。
配置：配置是指组件之间的不同部署方式和连接关系。
系统配置可以决定软件系统的性能、可靠性和可扩展性。
三、常见架构风格1.层次结构风格层次结构风格是一种将软件系统分为不同层次的架构设计方案，每个层次实现特定的功能，在层次之间通过接口进行通讯。
该风格将软件系统分成三个部分：表示层、业务逻辑层和数据层。
表示层负责与用户交互，业务逻辑层负责完成业务逻辑的处理，数据层负责数据存储和管理。
2.客户端-服务器风格客户端-服务器风格是一种在软件系统中将服务提供者和客户端分开的架构设计方式。
服务提供者在服务器端提供服务，客户端通过网络连接访问服务器端的服务。
该风格可以将应用程序逻辑和数据存储分离，从而提高系统的可用性和灵活性。
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可信计算终端系统平台安全体系结构
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软件体系结构设计
体系结构的重要性：
今天软件日益庞大复杂、交付时间日益紧迫、 详细设计和软件实现技术日益成熟，体系结构 设计已经成为软件质量的瓶颈。
与详细设计相比，体系结构设计对性能、灵活 性、可修改性、可扩充性等质量需求的影响是 全局性的、决定性的。
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举例：家庭保安系统软件
➢ 组件：
如，图7.12所示的体系结构将家庭保安系统软件 划分为界面、核心和物理设备接口三个层次
核心层负责存储所有业务数据并提供业务逻辑处理 功能
界面层负责向用户呈现家庭保安系统的操作界面， 接收用户的界面输入并将其转换为内部事件传递给 核心层。
物理设备接口层应核心层的要求向传感器、报警器、 报警电话等物理设备发送必要的控制指令，也负责 接收来自传感器的监测数据。
（3）每个层次都可替换，即，一个层次可以被能实 现同样对外服务接口的层次所替代。
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➢ 体系结构与软件需求的关系：
体系结构是以软件需求的实现为目标的软件设 计蓝图，软件需求是体系结构设计的基础和驱 动因素。
软件需求，尤其是非功能需求，对软件体系结 构具有关键性的塑形作用。
➢ 体系结构设计与详细设计的关系：
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7.1 软件体系结构的概念
本节介绍： ➢ 什么是软件体系结构 ➢ 体系结构与需求 ➢ 体系结构设计与详细设计的关系 ➢ 从多种视角探讨软件体系结构的不同表现形式
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7.1.1 何谓体系结构
➢ 软件体系结构包括三大要素： 组件(component) 连接件(connector) 约束(constraints) ➢ 连接件表示组件之间的连接和交互关系 ➢ 约束表示组件中的元素应满足的条件，以及组件经由连接
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软件体系结构设计
➢ 体系结构设计的任务：建立满足软件需求 的软件体系结构。
体系结构既要明确定义软件各子系统、构件、 关键类的职责划分及协作关系，也要描绘它们 在物理运行环境下的部署模型；
体系结构还必须针对软件系统全局性、基础性 的技术问题给出技术解决方案，这种方案构成 目标软件系统的技术基础设施。
先思考几个问题？
软件设计的基本原则？（回顾） 内聚与耦合的区别？（回顾） 软件设计的过程模型？（回顾）
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阅读书的第七章回答下列问题？
➢什么是体系结构？ ➢体系结构视图分为？ ➢体系结构常用哪几种UML图形机制表示
？
10分钟
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第七章 软件体系结构设计
7.1 软件体系结构的概念
详细设计是针对软件体系结构中某个未展开模块的 局部设计，必须遵循体系结构中规定的原则、接口 及约束
详细设计只能实现、不能更改体系结构中规定的模 块的对外接口和外部行为；
软件体系结构必须为详细设计提供可操作的指 导和充分的约束。
7.1.2 体系结构视图
完整的软件体系结构应该包含以下视图：
➢ 逻辑视图：体系结构中各软件模块的逻辑 功能划分（或曰职责分派），以及基于这 种划分的协作行为。逻辑视图的示例见图 7.12。
7.2.1 包图
➢ 包图刻画包之间的构成和依赖关系。
包是UML模型的一种组织单元，它可以包含一组具有 逻辑关联的UML模型元素（例如用例、类等）、模型 图（例如用例图、类图、交互图、状态图、活动图 等），以及其他的包。
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何谓体系结构
➢ 图7.12所示的软件体系结构涉及的约束：
（1）位于较高层次的软件元素可以向低层元素发出 服务请求，低层元素完成计算后向高层元素发送 服务应答，反之不行；
（2）每个软件元素根据其职责位于最恰当的一个层 次当中，不可错置（如，核心层不能包含界面呈 现和界面输入接收职责，也不能直接与物理设备 交互）；
➢ 运行视图：软件运行时进程、线程的划分，它 们之间的并发与同步，瞬时快照——软件运行 过程中某个特定时刻活跃的对象及其协作关系， 以及它们与逻辑视图和开发视图之间的映射关 系。
➢ 数据视图：持久数据的存储方案，数据传递、 备份、恢复、同步方案，与物理视图之间的映 射关系。
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7.2 体系结构的表示
➢ 开发视图：软件源代码的程序分包及目录 结构，采用的类库、中间件或框架 (framework)，它们与逻辑视图中各模块 之间的映射关系。开发视图的示例见图 7.19。
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体系结构视图
➢ 物理视图：安装部署的物理机器及其网络连接， 逻辑视图及开发视图中模块或程序包的物理部 署位置。物理视图的示例见图7.20。
件组装成更大模块时应满足的条件。
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图7.12 家庭保安系统的体系结构雏形
用户界面层 输入键盘接口
显示面板接口(输入)
业务逻辑层 用户命令处理
命令
配置管理
日志管理
传感器监测
设备接口层 传感器接口
警报器接口
设备接口调用 报警电话接口
显示面板接口(输出)
传感数据上报
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7.2 体系结构的表示
包图、构件图、部署图、对象图
7.3 体系结构设计的过程
7.4 体系结构设计模式
7.5 概念设计
7.6 体系结构精化
7.7 基于构件的体系结构
7.8 体系结构验证
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第七章 软件体系结构设计
➢ 软件体系结构的定义：
软件体系结构（architecture，也称“架构”） 从高层抽象的角度刻画组成目标软件系统的设计 元素（包括子系统、构件及类）以及它们之间的 逻辑关联。
➢ 用于表示体系结构的逻辑视图的UML图形 机制主要是包图和构件图，有时还辅以类 图；
开发视图的表示可能会用到包图； 物理视图显然应表示为部署图； 因为运行视图涉及到并发、同步以及软件运行
过程中的瞬时快照，所以它应表示为活动图与 对象图； 数据视图一般表示为类图或者实体-关系图，
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一旦启动基于体系结构的详细设计，对体系结 构进行调优的代价将远大于算法调优的代价。
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软件体系结构设计
本章试图回答的问题 ➢ 对系统进行模块划分时，怎样划分才合理？ ➢ 在大型软件项目中，需求如此之多，如何基于需
求推导体系结构，如何确保体系结构满足软件需 求，尤其是非功能需求？ ➢ 是否存在指导软件体系结构设计的过程及方法学？