深入解析 18 種軟件架構設計模式 （1）

什麼是軟件架構？

軟件架構是指軟件系統的高級結構，定義了系統中不同組件和模塊之間的交互方式。它涵蓋了各種設計決策和模式，這些決定塑造了系統的整體行爲、性能、可擴展性和可維護性。

軟件架構是定義軟件系統高級結構和組織的過程。 它包括識別並選擇合適的組件，決定它們如何相互作用，並確定它們應如何組織以實現特定目標。軟件架構的目標是創建一個可維護、可擴展、安全的系統，滿足用戶和組織的需求。

爲什麼需要軟件架構？

一個強大的架構爲構建滿足用戶和利益相關者需求的軟件提供了堅實的基礎。它確保系統符合功能性和非功能性需求，例如性能、安全性和可靠性。通過精心設計的架構，開發人員可以構建易於修改和擴展的軟件，從而更輕鬆地適應不斷變化的業務需求。

軟件架構對於管理複雜性也至關重要。隨着軟件系統變得愈發複雜，理解不同組件之間的交互變得更加困難。一個良好的架構能夠提供系統的高層視圖，使得理解其結構和運行方式變得更加容易。這進一步幫助開發人員識別潛在問題，並對系統的修改作出明智的決策。

軟件架構與軟件設計的區別

軟件架構

軟件架構是指整個軟件系統的高級結構。 它定義了系統的組件或模塊、它們之間的關係，以及設計和演化的原則與指導方針。軟件架構注重確保軟件滿足必要的質量屬性，例如性能、可擴展性、可靠性和安全性。

示例：設計一個現代化的電商平臺時，軟件架構會定義以下內容：

  1. 組件：如客戶端接口（網頁、移動應用）、後端服務（產品目錄、用戶認證）和數據庫。

  2. 交互：這些組件如何通信，例如通過 RESTful API 或消息隊列。

  3. 部署：組件如何在服務器或雲服務（如 AWS、Azure）上部署的策略。

  4. 可擴展性：系統如何應對高峯購物季節的負載變化。

  5. 安全性：保護用戶數據和交易的安全措施。

軟件設計

軟件設計，也稱爲詳細設計，側重於對軟件架構中定義的單個組件或模塊的設計。 它涉及每個組件的內部結構、接口、算法和數據結構的詳細規範。軟件設計的目標是將架構藍圖轉化爲開發人員可以實現的詳細規格。

示例：在電商平臺中：

  1. 詳細組件設計：設計產品目錄服務，以高效處理產品信息的查詢和更新，包括選擇適當的數據庫模式。

  2. 接口設計：定義不同服務間用於通信的 API 和數據格式。

  3. 算法設計：開發搜索功能的算法，以便快速檢索與用戶查詢相關的產品。

  4. 數據存儲設計：決定如何安全地存儲用戶信息和交易數據到數據庫中。

軟件架構與軟件設計的比較

軟件架構提供了更廣泛的視角，關注軟件的整體結構和組織方式。

  1. 抽象性：更加抽象和概念化，定義系統的藍圖。

  2. 目標：確保系統滿足功能性與非功能性需求。

  3. 關注點：組件間的關係和系統的整體組織。

軟件設計是一項更詳細、更具體的活動，專注於軟件內部組件和行爲的設計。

  1. 具體性：更具體，指定組件如何被構建和集成。

  2. 目標：確保每個組件在既定架構下有效運行。

  3. 關注點：組件的內部結構和實現細節。

軟件架構通過定義高級結構和原則，爲軟件設計奠定了基礎。它指導設計過程，確保系統能夠高效地被構建和運行。

如何進行軟件架構：4C 模型

架構文檔化是一種結構化的方法，用於記錄軟件系統或應用程序的設計、結構、組件和行爲。它的重要性體現在以下幾點：確保清晰性：幫助團隊更好地理解系統結構和目標。促進協作：在開發人員和利益相關者之間建立共識。支持維護與演進：爲未來的迭代和擴展提供指導。提供結構化的開發方式：提高開發和管理效率。

正如 Dave Thomas 所說：“前期做大量設計是愚蠢的，但完全不做設計更加愚蠢。”

1. Context（上下文層級）

定義：上下文層級描述系統的高層視圖，包括系統的目標、利益相關者和運行環境。

示例：記錄一個新的電商平臺架構的上下文：

  1. 目標：使用戶能夠在線瀏覽和購買商品。

  2. 利益相關者：客戶、管理員、支持人員、開發人員。

  3. 環境：基於 Web 的應用程序，可通過瀏覽器和移動設備訪問。

文檔化方法：

  1. 圖表：使用上下文圖展示系統與外部實體（如用戶、外部系統）的關係。

  2. 文字描述：描述系統的目標、用戶類型及戰略目標。

2. Containers（容器層級）

定義：容器層級描述系統的運行環境（如服務器、數據庫、消息隊列等），並識別主要的技術選擇和部署決策。它側重於物理或虛擬基礎設施的部署與支持。

示例：電商平臺的容器描述：

  1. 容器：Web 服務器（如 Apache 或 Nginx）、應用服務器（如 Tomcat）、數據庫服務器（如 MySQL 或 MongoDB）。

  2. 部署：基於雲的基礎設施，如 AWS EC2 實例、RDS 數據庫，或 Kubernetes 集羣。

文檔化方法：

  1. 圖表：容器圖展示系統的各部分如何被物理或虛擬地部署。

  2. 文字描述：記錄每個容器的職責、使用的技術和交互模式。

3. Components（組件層級）

定義：組件層級描述每個容器內部的構成模塊，展示系統的主要構建模塊及其相互關係。

示例：電商平臺應用服務器容器的組件：

  1. 組件：用戶認證模塊、產品目錄模塊、購物車模塊、訂單處理模塊。

  2. 技術：Spring MVC（Web 層）、Hibernate（ORM）、RESTful API（通信）。

文檔化方法：

  1. 圖表：組件圖說明主要模塊的結構及其依賴關係。

  2. 文字描述：詳述每個組件的功能、接口、數據流及其依賴關係。

4. Code（代碼層級）

定義：代碼層級是最低層級，描述系統實際的代碼實現及其如何完成組件的功能。對於開發人員而言，這一層級至關重要，需清晰描述代碼結構和工作原理。

示例：電商平臺用戶認證模塊的代碼：

  1. 類：User，AuthenticationManager，UserDAO。

  2. 方法：authenticateUser()，getUserDetails()，updateUserPassword()。

  3. 關係：類之間的依賴注入、數據訪問模式等。

文檔化方法：

  1. 圖表：類圖展示類的關係及繼承層次。

  2. 文字描述：通過代碼註釋、README 文件和內嵌文檔解釋類和方法的用途、用法及邏輯。

使用 4C 模型記錄架構的優勢

通過 4C 模型，軟件架構師可以創建多層次的圖表和文檔，清晰描述系統的每個層級，從而提供一個全面的系統架構視圖。這種方法幫助團隊：

  1. 識別潛在問題與權衡：提前發現架構中的技術挑戰和風險。

  2. 提升可擴展性、可維護性和適應性：通過清晰的設計指導後續開發和擴展。

  3. 促進溝通與理解：讓開發人員和利益相關者都能快速理解系統結構，從而更高效地協作和決策。

通過 4C 模型文檔化，系統架構的透明性大幅提高，未來的修改和擴展也變得更加簡單和直觀。

18 種需要了解的軟件架構設計模式

架構模式通過提供可複用的設計方案，有助於解決常見的軟件設計挑戰，從而提升生產力。

如果您從事軟件架構設計工作，可能會遇到重複的目標和問題。架構模式通過提供應對這些場景的可重複設計，幫助開發者更高效地解決這些問題。

“架構模式捕獲了各類系統和軟件要素的設計結構，使其可以被複用。在編寫代碼的過程中，開發者往往在項目內、公司內乃至職業生涯中多次遇到類似問題。通過創建設計模式，工程師們可以藉助一種可複用的方法來解決問題，結構化地實現項目目標。”

1. 客戶端 - 服務器模式 Client-Server

客戶端 - 服務器架構是一種模型，客戶端（用戶或應用程序）向服務器發送請求，服務器返回所需數據或服務。客戶端和服務器可以位於同一臺機器上，也可以通過網絡連接分佈在不同的機器上。

  1. 客戶端職責：負責啓動與服務器的通信併發送請求。

  2. 服務器職責：監聽來自客戶端的請求，進行處理並返回響應。

特點：

  1. 可擴展性 客戶端 - 服務器架構高度可擴展，支持多個客戶端連接到同一服務器並共享資源。

  2. 安全性 與其他網絡模型相比，客戶端 - 服務器架構能夠更好地控制資源和數據訪問，從而提供更高的安全性。

  3. 可靠性 服務器可提供備份與恢復服務，即使發生故障也能確保系統的可靠運行。

這種架構適用於需要集中管理資源的場景，如 Web 應用、在線遊戲、或企業內網服務等。通過客戶端 - 服務器模式，開發者可以快速構建一個高效、穩定的分佈式系統，同時保留擴展和維護的靈活性。

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