Лекция 4. Архитектурные стили Учебные вопросы: 1. Понятие архитектурного стиля. Классификация архитектурных стилей 2. Потоки данных, вызов с возвратом. - презентация

1 Лекция 4. Архитектурные стили Учебные вопросы: 1. Понятие архитектурного стиля. Классификация архитектурных стилей 2. Потоки данных, вызов с возвратом 3. Независимые компоненты, централизованные данные. 4. Виртуальные машины 5. Использование стилей

2 Вопрос 1

3 Архитектурный стиль можно определить как семейство систем в терминах шаблона организации структуры. Он определяет номенклатуру компонентов и типов соединительных звеньев, а также набор условий, в соответствии с которыми они могут соединяться. Иногда вместо термина архитектурный стиль используется термин архитектурный паттерн (шаблон). Паттерн это, по существу, фрагмент кода на конкретном языке программирования, а архитектурный стиль это подход к проектированию.

4 Классификация архитектурных стилей: 1. Потоки данных (Data Flow Systems) А) системы пакетно-последовательной обработки (Batch Sequential Systems); Б) системы типа конвейеры и фильтры (Pipe and Filter Architecture).

5 Классификация архитектурных стилей: 2. Вызов с возвратом (Call-and-Return Systems) А) программа-сопрограммы (Main Program and Subroutines), Б) объектно-ориентированные системы (Object-Oriented Systems), В) клиент-серверные системы (Client-Server Systems), Г) иерархические многоуровневые системы (Hierarchically Layered Systems).

6 Классификация архитектурных стилей: 3. Независимые компоненты (Independent Component Systems) А) взаимодействующих процессов (Communicating Sequential Processes); Б) системы, управляемые событиями (Event-Based Systems).

7 Классификация архитектурных стилей: 4. Централизованные данные (Data-Centric Systems) А) системы, основанные на использовании централизованной базы данных (Database Systems); Б) системы, использующие принцип классной доски (Blackboard Systems)..

8 Классификация архитектурных стилей: 5. Виртуальные машины (Virtual Machines) А) интерпретаторы (Interpreters). Б) системы, основанные на правилах (Rule-Based Systems).

9 Вопрос 2

10 Системы пакетно-последовательной обработки представляют собой набор связанных программных модулей, образующих линейную структуру. Задача делится на отдельные подзадачи. При этом выходные данные, сформированные одной подзадачей, используются в качестве входных данных для другой подзадачи. Обычно подзадачи выполняются последовательно. Данные могут передаваться либо через системную память, либо через внешние файлы. Для управления вычислительным процессом обычно используются скриптовые языки. Типичным примером такого подхода являются программы, написанные на языке Unix shell.

11 Система, построенная с использованием стиля конвейеры и фильтры, представляет собой множество модулей, каждому из которых ставится в соответствие один или несколько процессов. Модули могут быть как одинаковыми, так и разными и могут выполняться как на одном, так и на различных хостах. Данные с выходов одного модуля могут поступать на входы одного или нескольких других модулей.

12 Система работает по принципу конвейера. Данные между отдельными ступенями конвейера могут передаваться разными способами, в частности, посредством использования механизмов межпроцессорного взаимодействиями, такими как pipe в Unix. Обработка носит преимущественно линейный характер, хотя конвейеры могут иметь обратные связи. Примером данного подхода может служить компилятор. Данный стиль широко используется при построении систем обработки сигналов и изображений.

13 Системы, работающие по принципу вызова с возвратом Отличительной особенностью систем, относящихся к данной группе, является то, что это синхронные программные архитектуры, в которых клиентская программа приостанавливает свое функционирование на то время, пока поставщик сервиса обслуживает запрос. По завершении обработки запроса сервер возвращает результат вычислений клиенту. Архитектуры, работающие по принципу вызова с возвратом, могут иметь произвольное число уровней вложенности.

14 Архитектурный стиль типа программа-сопрограммы. Программа выполняет функции контроллера, который управляет вычислительным процессом, в то время как функциональность реализуется в сопрограммах. Сопрограммы могут выполняться как на локальном, так и на удаленном хосте. В последнем случае речь идет о вызове удаленных процедур.

15 Архитектурный стиль типа программа-сопрограммы. Отличительной особенностью данных архитектур является то, что основная программа и сопрограммы работают одновременно (параллельно). В данном случае на основную программу (ведущий) возлагаются функции диспетчеризации процесса вычислений. Сопрограмма (ведомый) получает задание, выполняет его, а по завершению задания запрашивает ведомого о новом задании.

16 Архитектурный стиль типа клиент-сервер. Клиент-серверные системы можно рассматривать как специальный случай стиля программа-сопрограммы. Клиент это процесс, который формирует запрос на обслуживание. Сервер это процесс, который реализует сервис. В простейшем случае клиент посылает серверу команды и ожидает окончания выполнения запроса. Результатом выполнения запроса могут быть либо данные, либо подтверждение выполнения команды. Большинство серверов работает с множеством клиентов.

17 Архитектурный стиль типа клиент-сервер. Принято выделять два типа клиент-серверных систем: с толстым и тонким клиентом Толстым называют клиентское приложение, которое содержит наряду с кодом, отвечающим за представление данных, достаточно большой объем кода, реализующего бизнес-логику. Тонкий клиент содержит код, который реализует исключительно функции, связанные с представлением информации. Обычно тонкий клиент это Web-браузер.

18 Большинство ранних версий клиент-серверных приложений имели двухслойную организацию, в которой на сервере размещался репозиторий данных. На сервер возлагаются функции, связанные с управлением данными, а на клиентской стороне реализуется логика приложения (бизнес-логика) и логика представления.

19 Трехслойная архитектура отличается от двухслойной тем, что бизнес- логика размещается на отдельном сервере. Процессы становятся более устойчивыми, поскольку работают независимо от клиентов и от серверов

20 Объектно-ориентированный архитектурный стиль Отличительной особенностью является то, что объекты полностью инкапсулируют код и данные, и общение между объектами происходит либо посредством вызова процедур, либо посредством механизма сообщений. Объектно-ориентированные системы также поддерживают механизмы наследования и/или делегирования.

21 Объектно-ориентированный архитектурный стиль Одна из проблем, возникающих в процессе функционирования объектно-ориентированных систем, состоит в том, что объект должен знать, где находится тот объект, с которым он хочет взаимодействовать и какими интерфейсами он обладает. Привязка к объекту может осуществляться либо в статике, либо в динамике.

22 Объектно-ориентированный архитектурный стиль Основное достоинство объектно-ориентированных систем возможность сокрытия данных от пользователя. Это позволяет изменять внутреннее представление объекта, не уведомляя об этом клиента. Другим достоинством объектно-ориентированных систем является то, что они естественным образом поддерживают процесс распараллеливания вычислений.

23 Объектно-ориентированный архитектурный стиль Объектно-ориентированная система может рассматриваться как коллекция взаимодействующих агентов. Каждый объект при этом может быть как клиентом, так и сервером. Объекты могут располагаться в одном процессе, храниться в библиотеках, находиться в разных процессах, работающих на одном хосте и, наконец, располагаться на разных хостах. Важная разновидность объектов компоненты, которые являются объектами со специальными свойствами. Широко известны такие компонентные системы, как COM, CORBA, EJB.

24 Иерархические многоуровневые системы Иерархические многоуровневые системы используются преимущественно для построения крупномасштабных приложений. Система содержит несколько слоев. Каждый слой можно рассматривать как виртуальную машину для вышележащего слоя.

25 Иерархические многоуровневые системы Каждый из слоев можно рассматривать также как набор сервисов для вышележащего слоя, таким образом, вышележащий слой работает в режиме клиента, а нижележащий в режиме сервера. Обычно каждый из слоев взаимодействует с соседними слоями через четко определенные интерфейсы. Данный стиль повсеместно используется для построения стеков протоколов, в частности коммуникационных протоколов.

26 Иерархические многоуровневые системы Другим возможным применением данного стиля являются операционные системы. Система включает три уровня: уровень ядра системы, уровень системных утилит и уровень, на котором работает прочее программное обеспечение.

27 Иерархические многоуровневые системы Основное достоинство данного стиля состоит в том, что он позволяет вести разработку кода для каждого из слоев независимо и иметь несколько вариантов реализации кода, кроме того, имеется возможность безболезненно модифицировать код послойно.

28 Вопрос 3

29 Идея взаимодействующих процессов состоит в том, что имеется множество независимых процессов, которые обмениваются сообщениями. Эта модель была предложена и разработана еще в 1970-х гг. Хоаром и имеет множество вариантов реализаций, наиболее популярными из которых являются микроядерные архитектуры, параллельные системы, основанные на обмене сообщениями, а также мультиагентные системы.

30 Отличительной особенностью систем, управляемых событиями, является то, что процесс обработки запускается только тогда, когда происходит соответствующее событие. Можно привести следующие примеры событий: срабатывает таймер, пользователь перемещает мышь, пользователь щелкает клавишей мыши по пиктограмме или графическом объекте. Обобщенная структура системы, управляемой событиями

31 Системы, основанные на использовании централизованной базы данных особенностью является наличие централизованного хранилища информации, содержимое которого общедоступно. Централизованное хранилище используется как для хранения данных, так и метаданных (знаний о данных).

32 Системы, использующие принцип классной доски реализуют метафору классной доски, на которой можно писать мелом, при этом написанное доступно всем участникам обсуждения. В основе классная доска представляет собой базу данных, в которую можно записывать данные, читать их в ней и удалять из нее.

33 Вопрос 4

34 Виртуальная машина представляет собой эмулятор, который работает поверх аппаратной и (или) программной настройки и обеспечивает программный интерфейс, в общем случае отличный от программного интерфейса той платформы, на которой он работает. Виртуальная машина образует внешний слой, отвечающий за взаимодействие с клиентскими приложениями Типовые варианты использования интерпретаторов: отладка программного обеспечения; запуск программ, написанных для одной операционной системы (ОС) под управлением другой ОС; интерпретаторы команд; интерпретаторы некоторого языка

35 Системы, основанные на правилах включает в себя процессор логического вывода (движок), используемый для обработки правил; базу знаний; рабочую память и интерфейс пользователя.

36 Процессор логического вывода выполняет анализ запроса пользователя и определяет логический вывод. Во время выполнения вывода процессор по мере надобности выбирает из базы знаний правила и данные. В базе знаний хранятся два типа данных: факты, относящиеся к домену задач, и набор правил, также относящихся к домену задач. Процессор логического вывода применяет правила к данным до тех пор, пока не будет получен результат. Рабочая память используется для хранения промежуточных результатов.

37 Вопрос 5

38 Системы пакетно- последовательной обработки Задачу можно разделить на четко определенные подзадачи, каждая из которых использует единственную операцию ввода- вывода. Результаты операции либо отправляются пользователю, либо поступают на вход другой подзадачи. Имеются готовые приложения, которые можно использовать для решения отдельных подзадач.

39 Системы типа конвейеры и фильтры Алгоритм решения задачи можно представить как совокупность повторяющихся преобразований над однотипными и независимыми друг от друга наборами данных. Число ветвлений и обратных связей минимально

40 Системы типа программа-сопрограммы Порядок вычислений фиксирован, компоненты не могут делать ничего полезного, пока ждут результатов своих запросов к другим компонентам. Использование механизма наследования не дает существенных выгод

41 Объектно-ориентированные системы Можно существенно уменьшить трудозатраты на разработку системы за счет использования в процессе разработки механизма наследования. Объекты находятся на разных хостах

42 Клиент-серверные системы Задачу можно сформулировать как совокупность запросов с которыми клиенты обращаются к серверу, т. е. разделить на части, выделив клиентскую часть, отвечающую за формирование задания серверу, и серверную, отвечающую за выполнение запроса. Каждый клиент может обращаться к серверу в любое время. Сервер может только отвечать на запросы. Число клиентов может меняться, и они могут обращаться к серверу с разными запросами

43 Иерархические многоуровневые системы Задачу можно представить в виде совокупности слоев с четко определенными интерфейсами, требуется иметь разные варианты бизнес-логики для разных слоев. Важна переносимость приложения между платформами, важна возможность использовать уже существующие реализации слоев

44 Системы взаимодействующих процессов Передача сообщений достаточный механизм взаимодействия для процессов. Нет большого объема долгоживущих централизованных данных

45 Системы, управляемые событиями Система по своей природе асинхронная. Функционирование системы инициируется асинхронными событиями. Система может быть реализована как совокупность независимых процессов, функционирующих на разных платформах. Потребители событий отделены от сигнализаторов; важна масштабируемость в форме добавления процессов, переключаемых событиями

46 Системы, основанные на использовании централизованной базы данных Задачи можно разделить между выдающими запросы и отрабатывающими запросы или между производителями и потребителями данных Главный вопрос хранение, представление, управление и поиск больших объемов связанных долгоживущих данных. Порядок исполнения компонентов определяется потоком входных запросов по доступу/обновлению данных; данные высокоструктурированы; доступна и экономична коммерческая СУБД

47 Системы, использующие принцип классной доски Имеется большое число клиентов, которые общаются между собой для решения общей задачи. Важна масштабируемость в форме добавления потребителей данных

48 Интерпретаторы Проектирование вычислений, когда нет реальной машины, или ее использование затруднено, требуется скрыть специфику платформы, пользователю необходимо предоставить возможность использовать либо стандартный, либо скриптовый язык программирования

49 Системы, основанные на правилах Алгоритм решения задачи можно описать в терминах множества правил и способов их применения. Правила могут меняться конечным пользователем