软件架构模式

Garlan和Shaw在《软件体系结构--一门初露端倪学科的展望》(1996)中对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:

1class  Model{ 2 public: 3      int  data; 4      string msg; 5      void setData(d){ 6          this.data=d; 7          cout<<"get data"<<endl;//业务处理 8          msg+=d; 9      } 10     int getData(){ 11         return this.data; 12     } 13 }; 14 15class Controller{ 16 private: 17     Model model; 18     View view; 19 public: 20     Controller(Model m,View v){ 21           this.model=m; 22           this.view=v; 23     } 24     void setData(data){ 25this.model.setData(data); 26} 27     void setMsg(msg){this.model.msg=msg;} 28     int  getData(){return this.model.getData();} 29     int  getMsg(){return this.model.msg;} 30     void updateView(){         this.view.output(this.model.data,this.model.msg); 31    } 32 }; 33 34class View{ 35 public: 36      void  output(data,msg){ 37          cout<<data; 38          cout<<msg<<endl; 39      }; 40 }; 41 42int main(){ 43    Model model= new Model(); 44    View view= new View(); 45    Controller controller= new Controller(model,view); 46    controller.setData(10); 47    controler.updateView(); 48    controller.setMsg(“hello”); 49    controler.updateView(); 50    return 1; 51 } 52 53

*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?

1int main(){ 2     int  data; 3     string msg; 4     data=105     cout<<data; 6     cout<<msg<<endl; 7      msg=“hello”; 8     cout<<data; 9     cout<<msg<<endl; 10       return 1; 11} 12 13

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:

1<!DOCTYPE html> 2<html> 3<head> 4<script src="https://apps.bdimg.com/libs/jquery/2.1.4/jquery.min.js"></script> 5<script src="myscript.js"></script> 6<style> 7#bar{ 8height:10px; 9background-color:darkcyan; 10} 11#rate_of_progress{width:200px}; 12</style> 13</head> 14<body> 15<table> 16<tr> 17<td>歌词</td><td id="content"></td> 18</tr> 19<tr> 20<td id="pre">上一首</td> 21<td id="play_pause">播放</td> 22<td id="next">下一首</td> 23<td >进度</td><td id="rate_of_progress"><div id="bar"></div></td> 24<td id="recycle">列表循环</td> 25</tr> 26</table> 27</body> 28</html> 29
1//myscript.js 2$(document).ready(function(){ 3//模型 4var Model={ 5state:"pause", 6_rate_of_progress:0, 7_current:0, 8_recycle:0, 9_contet:["1....","2....","3....","4....","5....","6....","7....","8....","9....","10...."], 10pre:function(){ 11 this._current--; 12 if(this._current<0)this._current=9; 13 this._rate_of_progress=0; 14}, 15play_pause:function(){ 16 if(this.state=="pause"){ 17 this.state="play"; 18 } 19 else{ 20 this.state="pause"; 21 } 22}, 23next:function(){ 24 this._current++; 25 if(this._current>=10)this._current=0; 26 this._rate_of_progress=0; 27}, 28rate_of_progress:function(){ 29 if(this.state=="pause")return; 30 this._rate_of_progress++; 31 if(this._rate_of_progress>=100){ 32 this._rate_of_progress=0; 33 if(this._recycle==0) 34 this.next(); 35 } 36}, 37recycle:function(){ 38 this._recycle=1-this._recycle; 39}, 40}; 41//视图 42var View={ 43View:function(){ 44 if(Model.state=="pause"){ 45 $("#play_pause").html("播放"); 46 } 47 else{ 48 $("#play_pause").html("暂停"); 49 }    50 if(Model._recycle==0){ 51 $("#recycle").html("列表循环"); 52 } 53 else{ 54 $("#recycle").html("单曲循环"); 55 } 56 57 $("#bar").width(Model._rate_of_progress+'%'); 58 $("#content").html(Model._contet[Model._current]); 59}, 60}; 61//控制器 62var Controller={ 63timer:null, 64ctl:function(e){ 65   switch(e.target.id) 66 { 67 case "next": 68 Model.next(); 69 break; 70 case "pre": 71 Model.pre(); 72 break; 73 case "play_pause": 74 Model.play_pause(); 75 break; 76 case "rate_of_progress": 77 case "bar": 78 Model._rate_of_progress=e.offsetX/$("#rate_of_progress").width()*100; 79 break; 80 case "content": 81 Model.content(); 82 break; 83 case "recycle": 84 Model.recycle(); 85 break; 86 } 87   View.View(); 88}, 89}; 90Controller.timer=setInterval(function(){ 91 Model.rate_of_progress(); 92 View.View(); 93},100); 94//控制器与输入关联 95$("#content").click(Controller.ctl); 96$("#next").click(Controller.ctl); 97$("#pre").click(Controller.ctl); 98$("#play_pause").click(Controller.ctl); 99$("#rate_of_progress").click(Controller.ctl); 100$("#bar").click(Controller.ctl); 101$("#recycle").click(Controller.ctl); 102}); 103

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:

1template<class entity_type> 2class State{ 3   public: 4       virtual void Enter(entity_type*)=0; 5       virtual void Execute(entity_type*)=0; 6       virtual void Exit(entity_type*)=0; 7       ~State(); 8}; 9template<class entity_type> 10class StateMachine{ 11   private: 12       State<entity_type>* m_pOwner; 13       State<entity_type>*m_pPreviousState; 14       State<entity_type>*m_pCurrentState; 15       State<entity_type>*m_pGlobalState; 16     public: 17          void StateMachine(entity_type *owner):m_pOwner(owner),m_pCurrentState(NULL), m_pPreviousState(NULL){} 18          void SetCurrentState(State<entity_type>*s){m_pCurrentState=s}; 19          void SetGlobalState(State<entity_type>*s){m_pGlobalState=s}; 20          void SetPreviousState(State<entity_type>*s){m_pPreviousState=s}; 21          void  Update()const{ 22              if(m_pGlobalState)m_pCurrentState->Execute(m_pOwner); 23              if(m_pCurrentState)m_pCurrentState->Execute(m_pOwner); 24         } 25         void ChangeState(State<entity_type>*pNewState){ 26             m_pPreviousState=m_pCurrentState; 27             m_pCurrentState->Exit(m_pOwner); 28             m_pCurrentState=pNewState; 29             m_pCurrentState->Enter(m_pWner); 30        } 31       void RevertToPreviousState(){ 32            ChangeState(m_pPreviousState); 33      } 34 }; 35
1class E { 2   public:       E(){m_data=0;m_pStateMachine->setMachine(this);} 3       void Update(){ 4           ++m_data; 5           m_pStateMachine->Update(); 6          } 7       StateMachine<E>*GetFSM()const{return m_pStateMachine;} 8       int m_data; 9  private: 10      StateMachine<E>*m_pStateMachine; 11 } 12 class State1public State<E> { 13    public14        void Execute(E *a){ 15            cout<<"s1="<<a->m_data<<endl; 16            if(a->m_data%3==0)              a->GetFSM()->ChangeState(new State2()); 17            } 18       void Enter(E *a){}; 19       void Exit(E*a){}; 20  } 21 class State2public State<E> { 22    public23         void Execute(E *a){ 24            cout<<"s2="<<a->m_data<<endl; 25            if(a->m_data%5==0)              a->GetFSM()->ChangeState( new State1()); 26             } 27       void Enter(E *a){}; 28       void Exit(E*a){}; 29 } 30 31int main(){ 32   E e; 33   for(int i=0;i<200;i++){ 34       e.Update(); 35       sleep(200); 36    } 37 } 38

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

代码交流 2021