软件体系结构_软件体系结构形式化描述
软件体系结构与软件架构
软件体系结构与软件架构作为一名软件工程师，无论是在学术界还是工业界，软件体系结构和软件架构都是我们必须要熟悉并掌握的重要知识点。
不仅如此，软件体系结构和软件架构还被视为软件开发生命周期中最关键的决策点。
本文将从什么是软件体系结构和软件架构、软件体系结构和软件架构之间的关系、软件架构对软件开发生命周期的影响以及当前流行的软件架构模式等多方面对软件体系结构和软件架构进行详细探讨。
一、什么是软件体系结构和软件架构软件体系结构和软件架构是软件开发过程中最重要的两个概念，它们建立了软件设计的基础，可以理解为软件的设计蓝图。
软件体系结构是指软件系统中组件、模块、接口和它们之间的关系，而软件架构则是指软件系统的高层结构和组成方式，即系统在结构上的解决方案。
可以看出，软件体系结构和软件架构是密不可分的概念，一个好的软件架构必须基于一个合理的软件体系结构，二者相互影响、相互依存。
二、软件体系结构和软件架构之间的关系软件体系结构和软件架构之间的关系是紧密相连的。
软件架构是由软件体系结构派生而来的，软件架构决定了软件体系结构的多个方面，例如组件、模块、接口和应用程序的架构模式等。
在软件开发过程中，软件架构起到了至关重要的作用。
它决定了软件系统的性能、可维护性、可重用性、可扩展性等方面，因此，软件架构的设计应该尽早开始，这也是我们说软件架构是软件开发过程中的决策点的原因。
三、软件架构对软件开发生命周期的影响软件架构不仅仅是为软件系统提供了一个高层次的结构，它还影响到了整个软件开发生命周期，从需求分析和设计到实现和维护都有重要的作用。
首先，软件架构有助于对需求进行分析和界定。
在软件开发过程中，软件架构定义了软件系统的范围和需求。
因此，软件架构可以帮助我们定义功能需求，以及在交付的软件系统中哪些功能将被包括。
其次，软件架构为系统设计提供了一个框架。
设计应当被视为软件架构上的一个节点，它是在软件开发的初期阶段最重要的部分。
软件架构指定了系统的大部分建设策略和规则，因此，它对系统的设计产生了深远的影响。
软件体系结构描述 (1)可编辑全文
第4章 软件体系结构描述
4.2 软件体系结构描述框架标准
IEEE P1471详细介绍了一套体系 结构描述的概念框架，并给出建立框 架的思路，但如何描述以及具体的描 述技术等方面缺乏更进一步的指导。
第4章 软件体系结构描述 ◇ Rational
4.2 软件体系结构描述框架标准
基于IEEE P1471推荐的体系结构描述的概 念框架，Rational起草了可重用的软件资产规 格说明，提出了一套易于重用的体系结构描述 规范。
第4章 软件体系结构描述
4.2 软件体系结构描述框架标准
◇ IEEE P1471 软件体系结构描述的标准
◎ 体系结构设计的标识、版本、总体信息。
◎ 系统参与者的标识、以及在体系结构中他们所关注 方面的标识。
◎ 组织体系结构表示所选择的视点的规格说明，以及 这种选择的基本原理。 ◎ 一个或多个体系结构视图。 ◎ 体系结构描述所需的成分之间不一致的记录。 ◎ 体系结构选择的基本原理。
本元素是：构件、连接件、体系结构配置。
主 要 的 体 系 结 构 描 述 语 言 有 Aesop 、 MetaH 、 C2 、 Rapide 、 SADL、Unicon和Wright等，尽管它们都描述软件体系结构，却有 不同的特点。
这些ADL强调了体系结构不同的侧面，对体系结构的研究和应 用起到了重要的作用，但也有负面的影响。每一种ADL都以独立的 形式存在，描述语法不同且互不兼容，同时又有许多共同的特征， 这使设计人员很难选择一种合适的ADL，若设计特定领域的软件体 系结构又需要从头开始描述。
4.3 软件体系结构描述语言
◎ 构造能力：ADL能够使用较小的独立体系结 构元素来建造大型软件系统；
◎ 抽象能力：ADL使得软件体系结构中的构件 和连接件描述可以只关注它们的抽象特性，而 不管其具体的实现细节；
软件体系结构_第二章软件体系结构的风格与模式
软件体系结构_第二章软件体系结构的风格与模式软件体系结构是指软件系统在运行时所表现出来的组成部分之间的关系。
在软件设计和开发过程中，选择适合的体系结构风格与模式对于实现系统的可扩展性、可维护性和可靠性等方面的要求非常重要。
本章将介绍一些常见的软件体系结构风格与模式。
1. 分层体系结构（Layered architecture）分层体系结构是一种自顶向下的体系结构风格，它将软件系统划分为多个分层，每个分层只与其相邻的分层进行通信，并且每个分层都具有一定的功能和责任。
分层体系结构能够有效地提高系统的模块化程度，降低系统的复杂性。
2. 客户/服务器体系结构（Client/Server architecture）客户/服务器体系结构是基于分布式计算的一种体系结构风格，其中客户端和服务器端是相对的角色。
客户端负责用户界面和用户交互，而服务器端负责数据存储和业务逻辑。
客户/服务器体系结构能够提高系统的可扩展性和性能。
3. 事件驱动体系结构（Event-Driven architecture）事件驱动体系结构是一种基于事件和消息的体系结构风格，其中组件之间通过事件和消息进行通信和协作。
事件驱动体系结构能够实现松耦合，提高系统的灵活性和可扩展性。
4. MVC模式（Model-View-Controller pattern）MVC模式是一种软件设计模式，用于将用户界面、数据处理和业务逻辑相分离，使每个部分可以独立变化。
模型（Model）表示应用程序的数据和业务逻辑，视图（View）表示用户界面，控制器（Controller）负责接收和处理用户的输入。
MVC模式能够提高系统的可维护性和可重用性。
5. 微服务架构（Microservices architecture）微服务架构是一种将系统划分为多个小型、自治的服务的体系结构风格。
每个服务都可以独立地开发、部署和扩展，并且通过轻量级的协议进行通信。
微服务架构能够提高系统的灵活性和可扩展性。
有哪些软件体系结描述方法和描述标准
软件体系结构描述方法和描述标准是指在软件体系结构领域中，用于描述和标准化软件体系结构的一些方法和标准。
软件体系结构描述方法和描述标准的出现和应用，对于提高软件体系结构的设计质量、规划和管理质量具有重要作用。
近年来，随着软件技术的发展，对软件体系结构描述方法和描述标准的研究也变得日益重要。
1. 软件体系结构描述方法软件体系结构描述方法是指用于描述和分析软件体系结构的方法论和技术手段。
在实际的软件开发和设计中，软件体系结构描述方法起着至关重要的作用。
常见的软件体系结构描述方法包括但不限于：1）模块化设计方法模块化设计方法是一种将软件系统划分为若干相对独立的模块，并通过模块间的接口和协作来实现软件功能的方法。
模块化设计方法能够帮助软件工程师快速理解和维护软件系统，提高软件系统的可维护性和可扩展性。
2）面向对象设计方法面向对象设计方法是一种以对象为基本单位，通过对象之间的交互来完成软件系统功能的方法。
面向对象设计方法常用的建模语言包括UML（统一建模语言），面向对象设计方法能够帮助软件工程师更好地理解和描述软件系统的结构和行为。
3）架构描述语言和架构描述工具架构描述语言和架构描述工具是用于描述软件体系结构的专用语言和工具。
常见的架构描述语言包括ADL（架构描述语言），架构描述工具包括Rational Rose等。
架构描述语言和工具能够帮助软件工程师更加形象和清晰地描述和分析软件体系结构。
2. 软件体系结构描述标准软件体系结构描述标准是指用于规范和标准化软件体系结构描述的标准和规范。
在软件开发过程中，采用统一的软件体系结构描述标准能够提高软件系统的质量和可维护性。
常见的软件体系结构描述标准包括但不限于：1）ISO/IEC/IEEE 42010ISO/IEC/IEEE 42010是一套国际标准，用于建模和描述系统与软件体系结构的标准。
该标准规定了软件体系结构的描述内容、描述方法和描述格式，能够帮助软件工程师更好地描述和分析软件体系结构。
软件体系结构
软件体系结构◇软件体系结构概论◇软件体系结构建模◇软件体系结构风格◇软件体系结构描述◇动态软件体系结构◇Web服务体系结构◇基于体系结构的软件开发◇软件体系结构的分析与测试◇软件体系结构评估◇软件产品线体系结构软件危机的表现◎软件成本日益增长◎开发进度难以控制◎软件质量差◎软件维护困难软件危机的原因◎用户需求不明确◎缺乏正确的理论指导◎软件规模越来越大◎软件复杂度越来越高◎构件的定义构件是指语义完整、语法正确和有可重用价值的单位软件，是软件重用过程中可以明确辨识的系统；结构上，它是语义描述、通讯接口和实现代码的复合体。
构件模型的三个主要流派OMG（Object Management Group，对象管理集团）的CORBA（Common Object Request Broker Architecture，通用对象请求代理结构）Sun的EJB（Enterprise Java Bean）Microsoft的DCOM（Distributed Component Object Model，分布式构件对象模型）。
构件获取1.从现有构件中获得符合要求的构件，直接使用或作适应性修改，得到可重用的构件；2. 通过遗留工程，将具有潜在重用价值的构件提取出来，得到可重用的构件；3. 从市场上购买现成的商业构件，即COTS（Commercial Off-The-Shell）构件；4. 开发新的符合要求的构件。
构件管理◎构件描述◎构件分类与组织◎人员及权限管理构件描述构件模型是对构件本质的抽象描述，主要是为构件的制作与构件的重用提供依据；构件分类与组织◇关键字分类法◇刻面分类法◇超文本组织方法人员及权限管理一般来讲，构件库系统可包括五类用户，即注册用户、公共用户、构件提交者、一般系统管理员和超级系统管理员。
构件重用◎检索与提取构件◎理解与评价构件◎修改构件◎构件组装构件重用理解与评价构件◇构件的功能与行为◇相关的领域知识◇可适应性约束条件与例外情形◇可以预见的修改部分及修改方法构件组装◇基于功能的组装技术◇基于数据的组装技术◇面向对象的组装技术软件体系结构的定义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，由构成系统的元素的描述、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组成。
软件体系结构总结
软件体系结构总结引言软件体系结构是指对软件系统概要设计的抽象表示，它定义了系统的结构组成、各个组件之间的关系以及与外部环境的交互方式。
在软件开发过程中，合理的软件体系结构设计能够提高系统的可维护性、扩展性和复用性。
本文将从软件体系结构的概念、常见的体系结构风格以及体系结构设计原则进行总结。
软件体系结构概念软件体系结构是对软件系统进行高层次抽象的表示，能够描述系统的组成部分以及这些部分之间的关系。
它提供了一个框架，用于指导软件系统的开发和演化。
软件体系结构通常包括以下几个方面的描述：1.结构元素：指系统中的组件、连接器和配置。
组件是系统中的可替换部分，连接器是组件之间进行通信和协作的媒介，配置是组件和连接器的物理安排。
2.组件关系：描述组件之间的静态关系，比如依赖关系、聚合关系、继承关系等。
3.交互方式：描述组件和连接器之间的动态交互方式，包括数据流、控制流和事件触发等。
4.分析视图：描述软件体系结构的静态特性，通过分析视图可以发现系统中的潜在问题和风险。
5.设计视图：描述软件体系结构的具体设计方案，包括组件和连接器的具体实现细节。
常见的体系结构风格在软件体系结构设计中，常见的体系结构风格包括以下几种：1.面向对象体系结构：基于面向对象编程思想，将系统分解为一系列的对象，每个对象封装了数据和操作，通过消息传递进行通信和协作。
2.分层体系结构：将系统分为多个层次，每个层次都有特定的功能和责任，上层层次使用下层层次提供的服务。
3.客户端-服务器体系结构：将系统分为客户端和服务器，客户端发送请求，服务器进行处理并返回结果。
4.数据流体系结构：以数据流为中心，将系统划分为一系列的数据流和处理器，数据流通过处理器进行转换和处理。
5.发布-订阅体系结构：基于事件驱动的编程模式，组件之间通过发布者-订阅者模型进行通信。
不同的体系结构风格适用于不同的应用场景，根据系统的需求和特点选择合适的体系结构风格是非常重要的。
软件体系结构范文
软件体系结构范文1.分层结构：将软件系统分成多个层次，每个层次都有自己的功能和责任。
每一层都建立在下一层的基础上，并提供给上一层一种简单的接口。
这种分层结构使软件系统的各个模块之间的依赖关系变得清晰明了，易于管理和维护。
2.模块化设计：将软件系统划分为多个独立的模块，每个模块有明确的功能和职责。
每个模块可以独立开发和测试，可以通过定义清晰的接口实现模块之间的通信和协作。
3.数据流控制：确定数据在软件系统中的流向和控制方式。
通过合理地组织数据流，可以提高系统的效率和响应速度。
4.容错处理：考虑系统可能出现的各种错误和异常情况，设计相应的容错机制。
例如，通过添加冗余系统来提高系统的可靠性和可用性。
5.并发控制：考虑软件系统中可能存在的并发操作，设计相应的并发控制机制。
例如，通过加锁和事务处理来保证数据的一致性和正确性。
6.性能优化：通过合理地组织软件系统的组件和模块，优化系统的性能和资源利用率。
例如，通过缓存、异步处理和并行计算来提高系统的运行速度和吞吐量。
7.可扩展性设计：考虑软件系统在未来可能的扩展需求，设计具有良好的扩展性。
例如，通过使用插件式架构和松耦合设计来支持系统的功能扩展和组件替换。
8.可重用性设计：将软件系统的一些组件设计成可重用的模块，方便在其他系统中进行复用。
例如，通过使用设计模式和软件工程方法来提高组件的可重用性。
软件体系结构设计的目标是提供一个模块化、可维护、可扩展、高性能和可重用的软件系统。
它在软件系统的开发过程中起着重要的作用，决定了软件系统的质量和成功与否。
一个好的软件体系结构可以使软件系统更加容易理解、开发、测试和维护，提高软件开发的效率和质量。
软件体系结构
一. 软件体系结构（架构）软件体系结构的定义通常，软件体系结构通常被称为架构，指可以预制和可重构的软件框架结构。
架构尚处在发展期，对于其定义，学术界尚未形成一个统一的意见，而不同角度的视点也会造成软件体系结构的不同理解。
比如，ANSI/IEEE 610.12-1990软件工程标准词汇对于体系结构定义是“体系架构是以构件、构件之间的关系、构件与环境之间的关系为内容的某一系统的基本组织结构以及知道上述内容设计与演化的原理(principle)”；而Garlan & Shaw模型的基本思想是：软件体系结构={构件(component),连接件(connector)，约束(constrain)}。
对于软件项目的开发来说，一个清晰的软件体系结构是首要的。
传统的软件开发过程可以划分为从概念到实现的若干个阶段，包括问题定义、需求分析、软件设计、软件实现及软件测试等。
软件体系结构的建立就位于需求分析之后，软件设计之前。
在建立软件体系结构时系统设计师主要从结构的角度对整个系统进行分析，选择恰当的构件（Component）、构件间的相互作用以及它们的约束，最后形成一个系统框架（Framework）以满足用户的需求，为软件设计奠定基础。
软件体系结构风格软件体系结构设计的一个核心问题是能否使用重复的体系结构模式，即能否达到结构级的软件重用。
也就是说，能否在不同的软件体系中，使用同一体系结构。
基于这个目的，学者们开始研究和实践软件体系结构的风格问题。
软件体系结构风格（Software Architecture Style）是描述某一特定应用领域系统组织方式的惯用模式。
它反映了领域中众多系统所有的结构和语义特性，并指导如何将各个模块和子系统有效地组织成一个完整的系统。
对软件体系结构风格的研究和实践促进了对设计的复用，一些经过实践证明的解决方案也可以可靠地用于解决新的问题。
体系结构风格的不变部分使不同的系统可以共享一个实现代码。
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System
软件体系结构
Model 1 View 1
Model 2 View 2
Model 3 View 3
软件体系结构描述
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THU SAGroup
体系结构描述方式 使用不同的策略和方法可对同一软件体系结构 作不同的理解和描述
如：描述一块石头的重量
• • • • • • • 比较轻 比另一块重一些 大约2公斤 四斤六两 2.32Kg 5.114751207磅 „„
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THU SAGroup
软件体系结构的描述 软件体系结构和软件体系结构描述不同的两个 概念
软件体系结构是附属于系统之中。只要存在系统，体 系结构就存在
• 如：每个石头都会有重量
软件体系结构描述是将体系结构可视化的手段和产物
• 如：表示一个石头的重量
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THU SAGroup
如何理解体系结构描述
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THU SAGroup
形式化方法的进化——ADL
纯形式化方法的不足 形式化方法不能直接支持软件的各种概念，因此难以 在实践中应用 体系结构描述语言ADL (Architecture Description Language) 应用通用的形式化方法对体系结构和风格进行建模和 分析，在体系结构的抽象级上提供一个精确的语义。 提供了强有力的分析能力、抽象和与实现的细节无关 性。 为体系结构元素定义了一系列符号，可以应用于实际 的复杂系统的描述。
• 如WRIGHT、Aesop
根据与实现细节的关系的描述语言 实现无关语言（Implementation Independent Languages） 实现相关语言（Implementation Constraining Languages）
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THU SAGroup
几种ADL简介
Darwin 系统
基于OO的软件体系结构描述方法
OO描述方法的优点：
1. 采用面向对象方法，更能反映软件体系结构的本质特 征。 2. 提供了多个视图直观形象地反映体系结构元素所具有 的功能、特征。 3. 通过类图、包图等反映体系结构的静态特征，并通过 协作图、序列图、部署图等反映体系结构的动态特征。
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THU SAGroup
OOADL 形式化ADL
Ｗright 系统
DSADL
XYZ/ADL
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THU SAGroup
几种ADL简介（续） Darwin
采用π演算来分析、描述带有演化通信结构的并发系 统。在π演算中，一个系统被表述成一组具有独立功 能的进程集，集合中的每个进程可以与其它进程建立 连接，每个连接都有一个连接名。Darwin采用π演算 对系统行为进行建模，利用其强类型系统进行静态检 查。
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THU SAGroup
软件体系结构的形式化描述 软件体系机构形式化描述风格
风格的多样性问题 风格的通用性问题 风格的专用性问题
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THU SAGroup
何谓形式化方法 形式化方法：
借助抽象的方法将软件系统转化为数学模型 如何抽象取决于关注点
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THU SAGroup
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THU SAGroup
UML特性 特点
语义极其丰富 语义相对精确 有少量的形式化基础
用途
需求分析 OO类设计 行为设计和分析 代码自动生成
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THU SAGroup
UML图实例 类图（Class Diagram）
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THU SAGroup
UML图实例 用例图（Use Case Diagram）
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THU SAGroup
非标准图形符号描述
非标准图形符号描述 用由矩形框和有向线段组合而成的图形表达工具。其 中，矩形框代表抽象构件，有向线段代表辅助各构件 进行通讯、控制或关联的连接件。 特点 语义丰富 语义极不精确 没有形式化基础 用途 商业展示 设计草图
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THU SAGroup
ADL应当有什么功能
定义和描述结构概念（Capture） 描述一个系统是如何被构件建立起来的（Construction） 描述如何通过现有的构件生成新的系统（Composition） 指导从多个不同的设计和实现中挑选最优方案（Selection） 检验一个设计是否能够满足需求（Verification） 检测一个需求对系统的隐含影响（Analysis） 根据需求自动化构建系统（Automation）
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THU SAGroup
几种ADL简介（续） XYZ/ADL
针对国内唐稚松院士提出基于时序逻辑的XYZ语言进 行扩充，用来描述验证具有实时性、可靠性要求的软 件体系结构。
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THU SAGroup
几种ADL简介（续）
DSADL 采用属性文法(AG)来形式化描述软件体系结构。传 统的属性文法是在一上下文无关文法(Context Free Grammar，CFG)-G=(VN,VT,P,Z)上附加上下文有关 的属性和规则。其中， VN是非终结符号集；VT是 终结符号集；P是产生式集；Z是开始符号。假设G是 规范CFG。P中的产生式为 p: Xp,,0→Xp,1…Xp,np，np≥1，表示的右部所含符号 的长度；Xp,0∈VN，Xp,i∈V;V= VN∪VT; 1≤i≤np。 DSADL针对分布式软件的特征引入了并行描述机制 、 特殊的终结符号、条件产生式 。
a m F
dm v F dt s v0t at2 / 2
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THU SAGroup
形式化的抽象
实际事物
形式化方法
形式化描述
• 计 算 和 预 测
• 分 析 与 评 估
• 精 确 描 述
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THU SAGroup
内容概要 形式化描述简介 软件体系结构的描述 软件体系结构形式化描述 实例：WRIGHT WRIGHT应用范例
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THU SAGroup
UML图实例 序列图（Sequence Diagram）
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THU SAGroup
UML图实例 协作图（Collaboration Diagram）
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THU SAGroup
UML图实例 构件图（Component Diagram）
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THU SAGroup
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THU SAGroup
模块接口语言MIL MIL的优点：
具有严格的语义基础，能够支持对较大的软件单元进 行诸如：定义/使用（Definition/Use）、接口定义 （Interface Definition）和导入/导出 （Import/Export）等操作。 一般来讲，MIL与实际的实现语言无关，只关注构件 的对外表现协议以及构件之间的通讯关系
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THU SAGroup
项目管理
静态分析器
时间分析器
测试配置
测试结果库
缓冲
最优/最劣时间 计算
布图算法
复杂度计算
带时间特性的 流程图
函数调用关系 图
程序复杂度
测试结果打印
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THU SAGroup
UML 基于UML技术的软件体系结构描述方法
1996年，Rational、Catapulse公司发起workshop， 倡议用UML进行体系结构描述和建模、特定领域体 系结构建模；对UML中的stereotypes、profiles等 进行扩充，支持体系结构的表示 2004年，UML2.0发布，增强了通用软件体系结构的 描述能力。 本质上UML是侧重于面向对象（OO, Object Oriented)软件系统设计的语言
•精确程度不同 •单位不同 •测量基准不同
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THU SAGroup
体系结构描述方式
体系结构描述方式标准 语义丰富性 语义精确性 形式化程度 主要描述方式 非标准的图形符号 UML 模块接口语言MIL Preciseness ADL
Richness
O
Formalization
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THU SAGroup
我们在哪里
抽象描述 体系结构描述 非形式化描述
非标准图形符号描述： 用于粗略描述和展示
UML： 用于系统设计和理解
MIL： 用于实现体系结构的设计
形式化描述
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THU SAGroup
软件体系结构的形式化描述 为什么需要形式化描述
需要严格、精确无歧异的描述，以便在系统众多的涉 众中进行交流 需要演算的能力，使得在判断系统质量的时候可以由 计算得出，而不是仅仅凭借经验推测 需要进行体系结构分析自动化
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THU SAGroup
模块接口语言MIL MIL的缺点
这些语言处理和描述的软件设计开发层次过于依赖程 序设计语言，限制了它们处理和描述比程序设计语言 元素更为抽象的高层次软件构架元素的能力。
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THU SAGroup
内容概要 形式化描述简介 软件体系结构的描述 软件体系结构形式化描述 实例：WRIGHT WRIGHT应用范例
前两者不能被认为是真正意义上的ADL
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THU SAGroup
ADL分类（续）
根据研究范围分类 研究体系结构配置结构的描述语言
• 如Darwin、CHAM（Chemical Abstract Machine）
研究体系结构实例的描述语言
• 如Rapide、UniCon
研究体系结构风格的描述语言
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THU SAGroup
ADL分类 根据结构分类
隐式配置语言(Implicit Configuration Languages) 嵌入式配置语言(Inline Configuration Languages) 显式配置语言(Explicit Configuration Languages)