軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格、設(shè)計模式及其應(yīng)用

李建東

（蒙自市智慧城市運(yùn)營管理中心 云南省蒙自市 661199）

根據(jù)上級領(lǐng)導(dǎo)的安排，我組織我們單位的技術(shù)人員和軟件公司的技術(shù)人員為市政府開發(fā)一套OA 系統(tǒng)，該系統(tǒng)的使用范圍為全市所有單位，該系統(tǒng)通過接口可以與州級的OA 系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)。該系統(tǒng)包括辦公管理、發(fā)文管理、收文管理、檔案管理、個人事務(wù)、圖書管理、信息管理、會議管理以及車輛管理等功能。在該系統(tǒng)的開發(fā)中我擔(dān)任系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計師（項目負(fù)責(zé)人）的角色，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計和需求分析的工作。

1 軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格概述

軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格是描述某一特定應(yīng)用領(lǐng)域中系統(tǒng)組織方式的慣用模式。組織方式描述了系統(tǒng)的組成構(gòu)件和這些構(gòu)件的組織方式。慣用模式則反映眾多系統(tǒng)共有的結(jié)構(gòu)和語義。按照Shaw 和Garlan的分類，軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格分為5 類，其中：

（1）數(shù)據(jù)流風(fēng)格，包括批處理序列風(fēng)格和管道過濾器風(fēng)格。

（2）調(diào)用/返回風(fēng)格，包括主程序/子程序風(fēng)格、數(shù)據(jù)抽象和面向?qū)ο箫L(fēng)格、分層系統(tǒng)風(fēng)格。

（3）獨立構(gòu)件風(fēng)格，包括進(jìn)程通信風(fēng)格、事件驅(qū)動系統(tǒng)風(fēng)格。

（4）虛擬機(jī)風(fēng)格，包括解釋器風(fēng)格和基于規(guī)則的系統(tǒng)。

（5）倉庫風(fēng)格，包括數(shù)據(jù)庫風(fēng)格、黑板系統(tǒng)風(fēng)格、超文本系統(tǒng)風(fēng)格。

除了上述5 種風(fēng)格外比較常用的一種風(fēng)格是分布式架構(gòu)風(fēng)格，它包括客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）風(fēng)格、瀏覽器/服務(wù)器（B/S）風(fēng)格。

在管道/過濾器風(fēng)格中，每個構(gòu)件都有一組輸入和輸出，數(shù)據(jù)輸入構(gòu)件，經(jīng)過處理以后，產(chǎn)生數(shù)據(jù)輸出。所以，構(gòu)件被稱為過濾器，而這種風(fēng)格中的連接件就好像是數(shù)據(jù)流傳輸?shù)墓艿馈nix 中shell程序的編寫以及編譯器主要應(yīng)用了這種風(fēng)格。在數(shù)據(jù)抽象和面向?qū)ο箫L(fēng)格中，數(shù)據(jù)的表示方法和對它們的相應(yīng)操作被封裝在一個對象或抽象數(shù)據(jù)類型當(dāng)中，在這種風(fēng)格中構(gòu)件是對象，或者說是抽象數(shù)據(jù)類型的實例。而對象間交互的方式是連接件，對象是通過函數(shù)和過程調(diào)用來進(jìn)行交互的。數(shù)據(jù)抽象和面向?qū)ο箫L(fēng)格的應(yīng)用十分的廣泛，現(xiàn)在面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)都屬于這種風(fēng)格，它經(jīng)常與其它架構(gòu)風(fēng)格一起使用。在事件驅(qū)動系統(tǒng)中構(gòu)件不直接調(diào)用一個過程，而是廣播或觸發(fā)一個或多個事件。系統(tǒng)中的其它構(gòu)件中的過程在一個或多個事件中注冊。當(dāng)一個事件被觸發(fā)，系統(tǒng)自動調(diào)用在這個事件中注冊的所有過程，這樣，一個事件的觸發(fā)就導(dǎo)致了另一個模塊中的過程的調(diào)用。在面向?qū)ο笙到y(tǒng)中的某事件的單擊事件、雙擊事件就應(yīng)用了這種風(fēng)格。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)風(fēng)格中，構(gòu)件主要有兩類，一類是中央共亨數(shù)據(jù)源，保存當(dāng)前系統(tǒng)的數(shù)據(jù)狀態(tài)；另一類是多個獨立處理單元，處理單元對數(shù)據(jù)元素進(jìn)行操作。它主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中。

2 設(shè)計模式概述

設(shè)計模式是人們在長期的開發(fā)實踐中良好經(jīng)驗的結(jié)晶，它提供了一個簡單、統(tǒng)一的描述方法，使人們可以復(fù)用這些軟件設(shè)計方法、過程管理經(jīng)驗。一個設(shè)計模式通常由四部分組成：

（1）模式名。模式名就是給模式取的一個助記名。

（2）問題。描述了應(yīng)該在何時使用模式，即在解決何種問題時可使用該模式。

（3）解決方案。描述設(shè)計的組成成分，它們之間的交互以及職責(zé)的分配。

（4）效果。描述了模式應(yīng)用的效果以及使用模式時應(yīng)權(quán)衡的問題，即模式的優(yōu)缺點。按照目的和用途的不同，設(shè)計模式可分為創(chuàng)建型模式、結(jié)構(gòu)型模式和行為型模式三種。創(chuàng)建型模式主要用于創(chuàng)建對象。結(jié)構(gòu)型模式主要用于處理類或?qū)ο蟮慕M合。行為型模式主要用于描述類或?qū)ο蟮慕换ヒ约奥氊?zé)的分配。其中創(chuàng)建型模式包括：工廠方法、抽象工廠、原型模式、單例模式、建造者模式。結(jié)構(gòu)型模式包括：適配器模式、橋接模式、組合模式、裝飾模式、外觀模式、亨元模式、代理模式。行為型模式包括：職責(zé)鏈模式、命令模式、解釋器模式、迭代器模式、中介者模式、備忘錄模式、觀察者模式、狀態(tài)模式、策略模式、模板方法、訪問者模式。

適配器模式將一個類的接口轉(zhuǎn)換成客戶需要的另外一個接口，從而使接口不兼容的類可以相互調(diào)用。橋接模式將抽象部分與它的實現(xiàn)部分分離，使它們都可以獨立地變化。組合模式將對象組合成樹形結(jié)構(gòu)以表示“整體—部分”的層次結(jié)構(gòu)。組合模式使得用戶對單個對象和組合對象的使用具有一致性。裝飾模式可以動態(tài)地給一個對象添加一些額外的職責(zé)，就增加功能來說，裝飾模式比生成子類更為靈活。外觀模式為子系統(tǒng)的一組接口提供一個一致的界面，此模式定義了一個高層接口，這個接口使得這一子系統(tǒng)更加容易使用。中介者模式用一個中介對象來封裝一系列的對象交互。中介者使各對象不需要顯式地相互引用，從而使其松散耦合。

3 軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格的應(yīng)用

通過對OA 系統(tǒng)需求的獲取和分析，我們知道該系統(tǒng)的用戶主要有兩類，一類是辦公室用戶，他們在辦公室里通過局域網(wǎng)使用OA，而另一類用戶是外出用戶，他們通過Internet 使用OA，而管理員有全市系統(tǒng)管理員和單位系統(tǒng)管理員，全市系統(tǒng)管理員可以添加、刪除全市的所有人員，而單位系統(tǒng)管理員可以添加、刪除本單位的所有人員，該系統(tǒng)的主要功能包括辦公管理、收文管理、發(fā)文管理、信息管理、個人事務(wù)、檔案管理、圖書管理、會議管理以及車輛管理等?；谏鲜龅男枨?，我們決定采用C/S 和B/S 的混合架構(gòu)風(fēng)格來設(shè)計整體架構(gòu)。而選擇5 種經(jīng)典架構(gòu)風(fēng)格中的某幾種風(fēng)格來設(shè)計內(nèi)部架構(gòu)。在該系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計中，外出用戶訪問OA系統(tǒng)，我們采用了B/S 架構(gòu)。對于外出用戶由瀏覽器通過internet訪問Web 服務(wù)器，通過Web 服務(wù)器再訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)。這樣做的好處在于外出用戶只需要一臺可以上Internet 的計算機(jī)就可以通過瀏覽器使用OA，而無需下載安裝客戶端軟件。出于Internet 網(wǎng)安全性的考慮，我們在Internet 和Web 服務(wù)器之間安裝了一臺VPN網(wǎng)關(guān)。辦公室用戶訪問OA 系統(tǒng)，我們采用C/S 架構(gòu)。對于辦公室用戶由客戶端軟件通過局域網(wǎng)直接訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。這樣做的好處在于C/S 架構(gòu)的數(shù)據(jù)查詢和修改的響應(yīng)速度較快、交互性較強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小。

在該系統(tǒng)中通過采用管道/過濾器風(fēng)格，實現(xiàn)通用收文流程和通用發(fā)文流程之間的對接。在每個單位中，通用收文流程中收到的外單位發(fā)來的公文，可以通過通用收文流程中的選擇發(fā)文類別來選擇所需的發(fā)文類別，如：局長、副局長、某某科室長、所有人員、某某人等，根據(jù)需要也可以多選，然后單擊發(fā)文，該文件便通過通用收文流程接口輸出，通用發(fā)文流程中有相應(yīng)的接口對應(yīng)獲取并分析處理數(shù)據(jù)，根據(jù)發(fā)文類別把文件發(fā)到相應(yīng)人員的OA 系統(tǒng)里。通過這種方式減少了文件存儲和轉(zhuǎn)發(fā)、多次人員選擇等的工作量，提高了工作效率。通過采用事件驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)了會議安排管理和會議室安排情況、后勤管理的對接。由于整個行政中心的會議室都是共用的，在該系統(tǒng)中會議管理人員只需要按照要求在會議安排管理中輸入?yún)藬?shù)及所需要的軟硬件環(huán)境等，并點確定后，系統(tǒng)將自動調(diào)出符合輸入?yún)l件，并且未被安排的會議室安排情況表，并且自動通知負(fù)責(zé)該會議室的后勤管理人員做好后勤服務(wù)準(zhǔn)備。當(dāng)所有后勤管理人員都確定收到這些消息并做好準(zhǔn)備后，系統(tǒng)將自動出現(xiàn)某某會議室已做好開會的準(zhǔn)備的提示。通過這種方式實現(xiàn)了整個會議安排管理的自動化，無需手動操作更多的內(nèi)容，當(dāng)以后改進(jìn)系統(tǒng)的時候，可以很方便地操作。此外由于該系統(tǒng)是采用面向?qū)ο蟮乃枷脒M(jìn)行的開發(fā)，我們在開發(fā)系統(tǒng)時抽取了很多類，如：管理員類、某某市管理員類、某某市某某單位管理員類、用戶類、流程類、發(fā)文流程類、收文流程類等等，類之間通過繼承實現(xiàn)了重用，類通過實例化生成了對象，對象間通過發(fā)送消息進(jìn)行交互，所以該系統(tǒng)大量使用了數(shù)據(jù)抽象和面向?qū)ο箫L(fēng)格。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中使用了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)風(fēng)格實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共亨。該系統(tǒng)在Web 頁面中，使用了超文本系統(tǒng)風(fēng)格實現(xiàn)了構(gòu)件按照人類的思維方式任意跳轉(zhuǎn)。

4 設(shè)計模式的應(yīng)用

在該系統(tǒng)開發(fā)中，我們也大量使用了設(shè)計模式，在頁面設(shè)計中使用了裝飾模式，這樣如果用戶對開發(fā)的頁面顯示效果不滿意，通過添加具體裝飾類的方法，可以在不影響其它對象的情況下，動態(tài)的改變頁面的顯示效果，也可以很方便的撤銷原來的顯示效果。在登錄模塊的設(shè)計中，我們采用了外觀模式。登錄模塊根據(jù)用戶輸入的用戶名確定該用戶的類別，它是系統(tǒng)管理員還是一般用戶，是全市的系統(tǒng)管理員還是單位的系統(tǒng)管理員。然后根據(jù)相應(yīng)的用戶類別，選擇相應(yīng)的接口，進(jìn)入相應(yīng)的頁面。

在該系統(tǒng)中，需要對用戶和系統(tǒng)管理員進(jìn)行查找，需要按收發(fā)文條數(shù)對各單位進(jìn)行排序。而這些常用的算法在我們的類庫中都有相應(yīng)的類，為了提高查找和排序的效率，我們決定重用類庫中的快速排序算法類和二分查找算法類。但快速排序算法類和二分查找算法類的接口不是OA 系統(tǒng)所兼容的接口，如果對接口進(jìn)行修改將導(dǎo)致大量代碼的修改。此時我們采用了適配器模式，把快速排序算法類和二分查找算法類的接口適配成OA 系統(tǒng)所兼容的接口。在短信模塊的設(shè)計中，我們使用了中介者模式。在整個模塊中有一個守護(hù)進(jìn)程在一直運(yùn)行，相當(dāng)于一個中介者，用戶是否在線，以及新短信存在與否，這些同事對象都是通過守護(hù)進(jìn)程這個中介者與客戶端發(fā)生交互的。個人事務(wù)的設(shè)計中，使用了組合模式。將對象組合成樹形結(jié)構(gòu)以表示“整體—部分”的層次結(jié)構(gòu)。組合模式使得用戶對單個對象和組合對象的使用具有一致性。在收發(fā)文流程的設(shè)計中，我們使用了職責(zé)鏈模式。使擬稿者、核稿者、簽發(fā)者、發(fā)文者等多個對象都有機(jī)會處理請求，避免了請求的發(fā)送者和接收者之間的耦合關(guān)系。

在該系統(tǒng)的開發(fā)中我們也遇到了一些問題，一是各單位的電腦形形色色，有配置高的，有配置低的，有的電腦甚至用了十年都沒有更換，然而C/S 架構(gòu)中的客戶端軟件既要完成用戶與應(yīng)用間的對話功能，又要處理業(yè)務(wù)邏輯，這種胖客戶端的形式使某些配置低的電腦很難承當(dāng)這種負(fù)載，從而導(dǎo)致響應(yīng)速度慢甚至死機(jī)的現(xiàn)象，后來我們對辦公室用戶OA 的使用采用了三層C/S 架構(gòu)，以減輕客戶端的負(fù)載。二是開發(fā)中不要過度使用設(shè)計模式，為了使用設(shè)計模式而使用設(shè)計模式。使用設(shè)計模式的前提是，明確該模式是否符合問題的場景，并且應(yīng)該權(quán)衡利弊，比如使用代理模式能在一定程度上降低系統(tǒng)的耦合度，但缺點是會使請求的處理速度變慢，并且實現(xiàn)代理模式需要額外的工作。在請求處理速度要求高的模塊中，就不適合使用代理模式。

在該項目的開發(fā)中，選用了多種軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格及設(shè)計模式。整個系統(tǒng)各個模塊相對獨立，實現(xiàn)了松散耦合，使系統(tǒng)具有很好的開放性、易擴(kuò)展性、易移植性、靈活性。節(jié)省了開發(fā)和維護(hù)成本，提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率。