Архитектура программного обеспечения

Архитектура программного обеспечения (англ. software architecture) в это структура программы или вычислительной системы, которая включает программные компоненты, видимые снаружи свойства этих компонентов, а также отношения между ними. Этот термин также относится к документированию архитектуры программного обеспечения. Документирование архитектуры ПО упрощает процесс коммуникации между заинтересованными лицами (англ. stakeholders), позволяет зафиксировать принятые на ранних этапах проектирования решения о высокоуровневом дизайне системы и позволяет использовать компоненты этого дизайна и шаблоны повторно в других проектах.

Обзор

Область компьютерных наук с момента своего образования столкнулась с проблемами, связанными со сложностью программных систем. Ранее проблемы сложности решались разработчиками путем правильного выбора структур данных, разработки алгоритмов и применения концепции разграничения полномочий. Хотя термин «архитектура программного обеспечения» является относительно новым для индустрии разработки ПО, фундаментальные принципы этой области неупорядоченно применялись пионерами разработки ПО начиная с середины 1980-х. Первые попытки осознать и объяснить программную архитектуру системы были полны неточностей и страдали от недостатка организованности, часто это была просто диаграмма из блоков, соединенных линиями. В 1990-е годы наблюдается попытка определить и систематизировать основные аспекты данной дисциплины. Первоначальный набор шаблонов проектирования, стилей дизайна, передового опыта (best-practices), языков описания и формальная логика были разработаны в течение этого времени.

Основополагающей идеей дисциплины программной архитектуры является идея снижения сложности системы путем абстракции и разграничения полномочий. На сегодняшний день до сих пор нет согласия в отношении четкого определения термина «архитектура программного обеспечения».

Являясь в настоящий момент своего развития дисциплиной без четких правил о «правильном» пути создания системы, проектирование архитектуры ПО все еще является смесью науки и искусства. Аспект «искусства» заключается в том, что любая коммерческая система подразумевает наличие применения или миссии. То, какие ключевые цели имеет система, описывается с помощью сценариев как нефункциональные требования к системе, также известные как атрибуты качества, определяющих, как будет вести себя система. Атрибуты качества системы включают в себя отказоустойчивость, сохранение обратной совместимости, расширяемость, надежность, пригодность к сервисному обслуживанию (maintainability), доступность, безопасность, удобство использования, а также другие качества. С точки зрения пользователя программной архитектуры, программная архитектура дает направление для движения и решения задач, связанных со специальностью каждого такого пользователя, например, заинтересованного лица, разработчика ПО, группы поддержки ПО, специалиста по сопровождению ПО, специалиста по развертыванию ПО, тестера, а также конечных пользователей. В этом смысле архитектура программного обеспечения на самом деле объединяет различные точки зрения на систему. Тот факт, что эти несколько различных точек зрения могут быть объединены в архитектуре программного обеспечения является аргументом в защиту необходимости и целесообразности создания архитектуры ПО еще до этапа разработки ПО.

История

Начало архитектуре программного обеспечения как концепции было положено в научно-исследовательской работе Эдсгера Дейкстры в 1968 году и Дэвида Парнаса в начале 1970-х. Эти ученые подчеркнули, что структура системы ПО имеет важное значение, и что построение правильной структуры в критически важно. Популярность изучения этой области возросла с начала 1990-х годов вместе с научно-исследовательской работой по исследованию архитектурных стилей (шаблонов), языков описания архитектуры, документирования архитектуры, и формальных методов.

В развитии архитектуры программного обеспечения как дисциплины играют важную роль научно-исследовательские учреждения. Мэри Шоу и Дэвид Гэрлан из университета Carnegie Mellon написали книгу под названием «Архитектура программного обеспечения: перспективы новой дисциплины в 1996 году», в которой выдвинули концепции архитектуры программного обеспечения, такие как компоненты, соединители (connectors), стили и так далее. В калифорнийском университете институт Ирвайна по исследованию ПО в первую очередь исследует архитектурные стили, языки описания архитектуры и динамические архитектуры.

Первым стандартом программной архитектуры является стандарт IEEE 1471: ANSI / IEEE 1471в2000: Рекомендации по описанию преимущественно программных систем. Он был принят в 2007 году, под названием ISO ISO / IEC 42010:2007.

Темы по программной архитектуре

Языки описания архитектуры

Языки описания архитектуры (ADLS) используются для описания архитектуры программного обеспечения. Различными организациями было разработано несколько различных ADLS, в том числе AADL (стандарт SAE), Wright (разработан в университете Carnegie Mellon), Acme (разработан в университете Carnegie Mellon), xADL (разработан в UCI), Darwin (разработан в Imperial College в Лондоне), DAOP-ADL (разработан в Университете Малаги), а также ByADL (Университет Lв™Aquila, Италия). Общими элементами для всех этих языков являются понятия компонента, коннектора и конфигурации.

Виды (views)

Архитектура ПО обычно содержит несколько видов, которые аналогичны различным типам чертежей в строительстве зданий. В онтологии, установленной ANSI / IEEE 1471в2000, виды являются экземплярами точки зрения, где точка зрения существует для описания архитектуры с точки зрения заданного множества заинтересованных лиц.

Примеры видов:

   * Функциональный/логический вид
   * Вид код/модуль
   * Вид разработки (development)/структурный
   * Вид параллельности выполнения/процесс/поток
   * Физический вид/вид развертывания
   * Вид с точки зрения действий пользователя
   * Вид с точки зрения данных

Хотя было разработано несколько языков для описания архитектуры программного обеспечения, но в настоящий момент нет согласия по поводу того, какой набор видов должен быть принят в качестве эталона. В качестве стандарта «для моделирования программных систем (и не только)» был создан язык UML.

Базовые фреймворки для архитектуры ПО (software architecture frameworks)

Существуют следующие фреймворки, относящихся к области архитектуры ПО:

• 4+1
• RM-ODP (Reference Model of Open Distributed Processing)
• Service-Oriented Modeling Framework (SOMF)

Такие примеры архитектур как фреймворк Захмана (Zachman Framework), DODAF и TOGAF относятся к области архитектуры предприятия (enterprise architectures).

Отличие архитектуры ПО от детального проектирования ПО

Архитектура ПО является реализацией нефункциональных требований к системе, в то время как проектирование ПО является реализацией функциональных требований.

Архитектура ПО, которую также можно представить себе в виде разработки стратегии в это деятельность, связанная с определением глобальных ограничений, накладываемых на проектирование системы, такие как выбор парадигмы программирования, архитектурных стилей, стандарты разработки ПО, основанные на использовании компонентов, принципы проектирования и ограничения, накладываемые государственным законодательством. Детальное проектирование, то есть разработка тактики в это деятельность, связанная с определением локальных ограничений проекта, такие как шаблоны проектирования, архитектурные модели, идиомы программирования и рефакторинга. Согласно «гипотезе напряжения/окрестности» (Intension/Locality Hyphotysis), различие между архитектурным и детальным проектированием определяется критерием окрестности (Locality Criteria), согласно которому утверждение, что дизайн ПО не является локальным (а является архитектурным) истинно тогда и только тогда, когда программа, которая удовлетворяет этому критерию может быть расширена в программу, которая не удовлетворяет ему. Например, стиль приложения клиент-сервер является архитектурным стилем (стратегическим дизайном), потому что программа, которая построена на этом принципе, может быть расширена в программу, которая не является клиент-сервером, например, путем добавления peer-to-peer узлов.

Архитектура является проектированием (дизайном), но не всякий дизайн является архитектурным дизайном. На практике, архитектор определяет грань между архитектурой программного обеспечения (архитектурным дизайном) и детальным дизайном (неархитектурным проектированием). Не существует правил или инструкций, как сделать это, которые подходят для любого случая.

Примеры архитектурных стилей и моделей

Есть много распространенных способов разработки программных модулей и их связей, в том числе:

• Blackboard
• Клиент-серверная модель (client-server)
• Архитектуры, построенные вокруг базы данных (database-centric architecture)
• Распределенные вычисления (distributed computing)
• Событийная архитектура (event-driven architecture)
• Front end and back end
• Неявные вызовы (implicit invocations)
• Монолитное приложение (monolithic application)
• Peer-to-peer
• Пайпы и фильтры (pipes and filters)
• Plugin
• Representational State Transfer
• Rule evaluation
• Поиск-ориентированная архитектуры
• Сервис-ориентированная архитектура
• Shared nothing architecture
• Software componentry
• Space based architecture
• Структурированная
• Трех-уровневая

Ссылки

• Крачтен Ф., Оббинк Х.,Стаффорд Д. Ретроспектива программных архитектур на сайте http://www.osp.ru
• Software Architecture:Glossary, Software Engineering Institute  (англ.)
• Architecture: Publications, Software Engineering Institute  (англ.)