Garlan和Shaw在《软件体系结构--一门初露端倪学科的展望》(1996)中对架构" title="软件架构">软件架构模式进行了分类,这也是目前较为流行的分类方式:
(1)数据流风格:批处理序列;管道/过滤器
(2)调用/返回风格:主程序/子程序;面向对象风格;层次结构
(3)独立构件风格:进程通信;事件系统。
(4)虚拟器风格:解释器;基于规则系统。
(5)仓库风格:数据库系统;超文本系统;黑板系统
温昱在其《软件架构设计》(2007)中推荐了另外一种分类方法,这也是同样于1996年出版的《面向模式的软件体系结构》中的分类方法:
(1)从混沌到结构:分层;管道/过滤器,黑板系统。
“关注各个方面的整体转换,并将工作重点集中于混乱组织成可以结构的问题”
(2)分布式系统:代理者.
(3)交互式系统:MVC;PAC.
(4)适应性系统:微内核;基于元模型。
温昱将前一种称之为经典分类方法,意指其有广泛影响,后一种称为现代分类方法。其指出面向对象开发方法应该和任何一种架构模式都没有直接关系;MVC模式也没提及。他认为经典分类是根据交互机制进行的(调用、发消息或共享数据),现代分类方法是将架构目标作为分类的依据,后一种方式更利于架构师" title="软件架构师">软件架构师挑选合适的架构模式
“但是,绝大多数软件体系结构不能仅依据一个体系结构模式来构建。它们必须支持几种用不同体系结构模式来说明的系统需求。”
1.分层模式:
分层模式是最通用和常见的架构模式。它将依赖性局部化,可替换性好。"治众如治寡,分而治之"。我们的很多组织就是分层模式。分层模式没有明确规定必须的层的类型和数量,不过大部分分层架构模式通常包括4层:表示层,业务层,持久化层和数据库。分层模式是架构中最基本的模式,但是也是我们开发中最被忽视的模式。我们开发中往往没有去定义代码的“层次”,仅仅以“功能”纵向划分模块,没有按实现层次横向切分。
还是以厨房为例吧。
小厨房无所谓了。厨房大了以后,如何管理厨房呢?你当然可以精确管理到每个人,但人的精力是有限的。所以你需要任命一些帮手,有管财务的,有管人事的,有管接待的,有管服务的,有管物资的,当然更要有厨师长,他们先你负责,你分派任务,他们每人可能又有一些助手......
分层模式比较适用于业务逻辑处理。
代码就不重复了,看我的例解嵌入式系统分层结构
分层结构我认为用下图表示比较合适:底层为上层提供服务
2.管道/过滤器模式:
厨房中的流水线即为此模式典型,先买菜,再理菜,再洗菜,再切菜,在炒菜等......前一个单元对数据进行加工后,后一个单元继续加工。这种模式交互性比较差,适用于复杂性处理。管道/过滤器架构模式貌似分层架构其实不然。分层模式的下一层对上一层的输出进行处理(一般来说是细化),然后将结果返回;管道/过滤器模式的下一单元将上一单元的输出进行再加工。可以这样想有台机器,把一头猪从一端填进去,另一端出来就是的就是火腿肠。分层模式就像送信(TCP/IP协议就是这么解释的):如何把一份信准确及时的送给对方呢?多个阶段就是多个层(物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层)。管道/过滤器模式适合于单进单出的系统,关注数据处理的系统。
管道/过滤器模式像流水线,下一道工序在上一道工序基础上继续加工
3.代理模式:
餐厅来客人了,客人需要点菜,直接找厨师吗?有的菜需要辣一些,有的想清淡一些,客人也需要跑到厨房跟厨师说吗?吃完饭,需要买单,客人去找收银台?小餐馆当然无所谓,但是大餐馆如果这样搞, 客人肯定非常恼火,一众厨师肯定也非常头大。餐厅如何做呢?餐厅的服务生来搞定。服务生起到代理人的作用。有这样一种情况,如果来了一个客人,这个客人说的话服务生听不懂,这怎么办?我们想到的是找一个翻译,翻译起到在客人和服务生之间交流的中介作用,这时候采用的是何种工作模式呢?这不是代理模式也不是管道/过滤器模式,而是分层模式。在软件开发过程中,我们也经常会遇到类似的情况,有部分功能我们可能需要第三方的开发包,但是又不希望被“绑死”在特定的第三方上,这时候我们可能会自定义接口,将第三方屏蔽,设计模式中称这种模式为适配器模式。
代理模式把下图中的9种关系变换成6种关系:
4.MVC模式:
MVC表示Model、View和Controller。这三种组件通过交互来协作。View创建了controller之后,Controller根据用户交互调用Model中的服务,而Model会将自身的改变通知View,View会读取Model的信息更新自身。MVC模式比较适用与GUI程序。还是以厨房为例:厨房中有某道菜非常有名,客人都很喜欢点这道菜,服务生也经常先客人推荐这道菜,但是如果某些原料没有了,这道菜就不能做了,这时服务生要向客人说明情况,采购人员可能需要采购新原料,厨师可能不在做前期准备,客人可能暂时不再点这道菜.......在点菜、采购、订单、制作等活动他们之间是相互影响的,他们之间如何协作呢?一一通知吗?显然工作量太大。可以用让一个人管理一个公告牌或者小黑板,记录原材料的数量等,厨师每取一份材料就改变一次公告牌内容,一旦取完了,服务生就应该提醒顾客某道菜不要再点了,采购人员发现原材料不足,也会主动采购新材料。而服务生发现原材料充足,也会向顾客推荐,同时在顾客点单的情况下,在公告牌通知预留一份材料。
如果不这么做呢?可能是如下情形:服务生把菜单给厨师,厨师去取原料,发现不足,厨师通知服务生,告诉服务生某道菜没法做,厨师可能还要通知采购新材料。服务生然后告知顾客,某道菜材料不足,没法做。采购来原材料后,采购人员通知服务生可以告知顾客重新点了,顾客点单后,服务生再通知厨师做菜....非常的繁琐,但是可怜的是,我们在外用餐时还会经常遇到此类情况。
在这里公告牌就相当于Model,如果信息比较多,可能的情况下,甚至安排专门人员管理这个公告牌,这个人就是View,他负责如何显示信息。参与就餐活动的人会影响Model的内容,而所有人因公告牌内容而采取一系列的活动,这就是Controller,Controller接收输入。用户通过控制器改变了模型数据,模型的数据发生了变化要通报所有视图,视图从模型中恢复数据并更新所显示的信息。区分出系统中哪些是需要“人”来操作的,哪些是用来单纯“输出信息”的,哪些是内部的状态,就是构造MVC系统的关键。
看一个例子:
data
string msg
d
datad
coutendl
msgd
data
Model model
View view
Model mView v
modelm
viewv
data
modeldata
msgmodelmsgmsg
model
modelmsg
viewmodeldatamodelmsg
datamsg
coutdata
coutmsgendl
Model model
View view
Controller controller modelview
controller
controler
controller“hello”
controler
*上图来源于菜鸟,以上代码也是模仿其编写的。
上图来源于经典软件架构,补充了MVC模式很多细节。
我的感觉两个图和代码一起看比较合适。
若不用MVC模式呢?
data
string msg
data;
coutdata
coutmsgendl
msg“hello”;
coutdata
coutmsgendl
当数据量多的时候,如何修改呢?有重用性吗?要改变显示样式有如何改呢?
既然MVC的主要用途是GUI系统,再举一个例子,模拟音乐播放器:
歌词
上一首
播放
下一首
进度
列表循环
$document
state
_rate_of_progress
_current
_recycle
_contet
pre
_current
_current_current
_rate_of_progress
play_pause
state
state
state
next
_current
_current_current
_rate_of_progress
rate_of_progress
state
_rate_of_progress
_rate_of_progress
_rate_of_progress
_recycle
recycle
_recycle_recycle
state
$
$
_recycle
$
$
$_rate_of_progress
$_contet_current
timer
ctle
etargetid
_rate_of_progresseoffsetX$
timer
$ctl
$ctl
$ctl
$ctl
$ctl
$ctl
$ctl
5.状态模式:
状态模式来实现状态驱动行为,主要是用来实现有限状态机的。在GOF中将其放在设计模式中,认为其是一种行为模式,我认为将其放在架构模式中更好:各种状态相互转化,表示状态的元素构成了一系列“环”。
现实生活中个人、组织也是经常在各自状态之间进行切换的,在不同的场合切换不同的身份(或状态)。"实现有限状态机的一种方法是使用一系列的if-then语句或switch语句稍加整理。虽然初看之下,这种方法是合理的,但当实际应用到任何一个稍复杂的情况,switch/if-then解决方法就变成了有一个怪物,随着更多的状态和条件的加入,这种结构就像意大利面条一样跳转得非常快,使得程序流程很难理解并且产生一个调试噩梦。此外,它不灵活,难以扩展超出它原始设定的范围"。"一种用于组织状态和影响状态变换的更好的机制是一个状态变换表"。"另一种方法就是将状态转换规则嵌入到状态本身的内部"。(引自:[美]Mat Buckland,《游戏人工智能编程案例精粹(修订版)》,人民邮电出版社,2012),以下的代码也为摘抄或模仿上述文献编制:
entity_type
entity_type
entity_type
Stateentity_type m_pOwner
Stateentity_typem_pPreviousState
Stateentity_typem_pCurrentState
Stateentity_typem_pGlobalState
entity_type ownerowner
Stateentity_typesm_pCurrentStates
Stateentity_typesm_pGlobalStates
Stateentity_typesm_pPreviousStates
m_pGlobalStatem_pCurrentStatem_pOwner
m_pCurrentStatem_pCurrentStatem_pOwner
Stateentity_typepNewState
m_pPreviousStatem_pCurrentState
m_pCurrentStatem_pOwner
m_pCurrentStatepNewState
m_pCurrentStatem_pWner
m_pPreviousState
m_datam_pStateMachine
m_data
m_pStateMachine
StateMachineE m_pStateMachine
m_data
StateMachineEm_pStateMachine;
: StateE
:
E a
coutam_dataendl
am_data a
E a
Ea
: StateE
:
E a
coutam_dataendl
am_data a
E a
Ea
E e
iii
e
为更进一步解释状态模式,下面列举一个相对比较复杂的例子:模拟电子手表。电子手表只有4个键,其中一个键主要起照明作用,电子手表功能由其余三个按键实现,但是却要设定时间、日期、闹铃等功能,逻辑关系比较复杂,如果不采用状态模式设计的话,代码的实现会非常的困难。因为代码量相对较大,不在此展示,具体见模拟电子手表--结合MVC模式和状态模式
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