【愚公系列】软考高级-架构设计师 092-系统架构设计概述

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文章目录

• 🚀前言
• 🚀一、系统架构设计概述
• • 🔎1.概述
  • • 🦋1.1 软件架构的定义
    • 🦋1.2 简单理解软件架构
    • 🦋1.3 软件体系结构设计
  • 🔎2.详细解释
  • • 🦋2.1 软件架构的定义
    • 🦋2.2 软件架构的作用
    • 🦋2.3 类比解释
    • 🦋2.4 总结
    • 🦋2.5 关键点
  • 🔎3.案例场景
  • • 🦋3.1 需求分析
    • 🦋3.2 软件架构设计
    • 🦋3.3 系统设计
  • 🔎4.软件架构设计的生命周期
  • • 🦋4.1 需求分析阶段
    • 🦋4.2 设计阶段
    • 🦋4.3 实现阶段
    • 🦋4.3 构件组装阶段
    • 🦋4.5 部署阶段
    • 🦋4.6 后开发阶段
• 🚀感谢：给读者的一封信

🚀前言

系统架构设计是指在软件工程、信息系统、计算机系统等领域中，定义系统的高层结构和组织方式的过程。系统架构设计的目的是确保系统满足业务需求、性能要求、可维护性和扩展性等方面的需求，同时提供一个清晰的蓝图，指导系统的详细设计和实现。

1. 定义架构需求

这一阶段包括理解和明确系统需要解决的业务问题、功能需求和非功能需求（如性能、安全性、可用性、可扩展性等）。

• 业务需求：系统需要实现的具体业务功能。
• 功能需求：用户与系统交互的具体功能。
• 非功能需求：系统性能、可扩展性、安全性等方面的要求。

2. 选择架构风格

系统架构风格是对系统整体结构的一个宏观描述，常见的架构风格包括：

• 客户端-服务器（Client-Server）
• 分层架构（Layered Architecture）
• 微服务架构（Microservices）
• 事件驱动架构（Event-Driven Architecture）
• 面向服务架构（Service-Oriented Architecture, SOA）

3. 划分系统模块

将系统分解成若干个模块或组件，每个模块有明确的职责和边界。这一过程通常包括：

• 模块定义：确定系统的主要模块及其功能。
• 模块交互：定义模块之间的接口和交互方式。

4. 定义系统的高层结构

描述系统的高层结构，包括模块的划分、模块之间的通信方式、数据流、控制流等。常见的结构图包括：

• 架构图：展示系统主要模块及其相互关系。
• 组件图：展示系统组件及其接口。
• 部署图：展示系统在物理或虚拟节点上的部署方式。

5. 选择技术栈

选择适合系统需求的技术和工具，包括编程语言、数据库、框架、中间件等。

• 编程语言：Java, Python, JavaScript等。
• 数据库：关系型数据库（如MySQL, PostgreSQL）和非关系型数据库（如MongoDB, Cassandra）。
• 框架：Spring（Java），Django（Python），React（JavaScript）等。
• 中间件：消息队列（如RabbitMQ, Kafka），API网关，负载均衡器等。

6. 设计关键组件

详细设计系统的关键组件，确保它们能够实现所需功能，并满足性能和安全性等非功能需求。

• 数据存储和访问：设计数据库模式和数据访问层。
• 业务逻辑层：设计核心业务逻辑的实现方式。
• 接口和API：设计系统的外部接口和API。

7. 考虑非功能需求

确保系统架构设计考虑了所有非功能需求，如性能（响应时间、吞吐量）、可扩展性（水平扩展、垂直扩展）、安全性（认证、授权、数据加密）等。

8. 验证和评审架构

通过原型、架构评审、仿真和测试等方式验证架构设计，确保其可行性和有效性。

• 原型：构建系统的原型以验证关键设计决策。
• 评审：组织架构评审会议，邀请专家和利益相关者评估架构设计。

9. 文档编制

编写详细的系统架构文档，记录架构设计的所有决策和细节，包括架构图、模块设计、接口说明等。

🚀一、系统架构设计概述

🔎1.概述

🦋1.1 软件架构的定义

软件架构是指系统的一个或多个结构，这些结构包括软件的组件、组件的外部可见属性以及它们之间的相互关系。

🦋1.2 简单理解软件架构

软件架构是从需求分析到软件设计之间的过渡过程。只要软件架构设计合理，整个软件就不会出现坍塌性的错误，即不会崩溃。

🦋1.3 软件体系结构设计

软件体系结构的设计通常考虑设计金字塔中的两个层次：

1. 数据设计：

   • 数据设计为软件体系结构设计提供了数据基础。它涉及数据的存储、组织和管理，确保数据能够高效地被访问和处理。

2. 体系结构设计：

   • 体系结构设计为软件系统的整体结构提供了规划和设计。它涉及确定系统的主要组件及其交互方式，确保系统能够满足功能和非功能需求。

🔎2.详细解释

🦋2.1 软件架构的定义

软件架构为软件系统提供了一个结构、行为和属性的高级抽象，由以下部分组成：

• 构件的描述
• 构件的相互作用（连接件）
• 指导构件集成的模式
• 这些模式的约束

🦋2.2 软件架构的作用

1. 整体结构描述：

   • 软件架构描述了软件系统的整体结构，包括其组成部分、相互作用以及它们之间的关系。

2. 行为定义：

   • 软件架构定义了软件系统的行为，即系统如何响应用户的请求和事件。

3. 属性影响：

   • 软件架构影响软件系统的属性，例如性能、可靠性和安全性。

🦋2.3 类比解释

想象你正在建造一座大楼。在软件架构中，大楼的总体设计和布局相当于架构。你需要决定：

• 大楼的总高度
• 楼层的布局
• 房间的位置
• 电力、水源和通风系统的安排

这些决策构成了大楼的架构，影响大楼的功能、性能和可维护性。

🦋2.4 总结

在软件中，架构决策包括：

• 如何组织代码、模块和组件
• 如何处理数据流
• 如何设计用户界面和业务逻辑

好的软件架构能够确保软件具有：

• 良好的性能
• 可扩展性
• 可维护性
• 安全性

就像一个精心设计的大楼能够提供舒适和便捷的居住环境一样，软件架构就是软件的总体设计方案，决定了软件如何组织和工作，规定了软件系统的整体结构和各个部分之间的关系，以满足用户需求和业务目标。

🦋2.5 关键点

• 软件架构是软件系统的总体设计方案：

  • 确定软件如何组织和工作
  • 规定软件系统的整体结构和各部分之间的关系

• 影响软件的各个方面：

  • 性能
  • 可扩展性
  • 可维护性
  • 安全性

好的架构是构建可靠软件的基础。

🔎3.案例场景

建造一座房子的场景

🦋3.1 需求分析

1. 获取需求：

   • 明确需求：决定建造一座房子，首先需要明确需求，包括房子的用途、大小、房间数量、特殊需求（例如，卧室、浴室数量，是否需要车库等）。

2. 分析需求：

   • 编写用例：例如，客厅用于娱乐，卧室用于休息。
   • 考虑家庭成员需求：例如，儿童需要自己的房间。

🦋3.2 软件架构设计

1. 系统结构：

   • 房屋组织：设计房子的架构时，考虑如何组织不同的房间和功能区，以满足需求。这包括确定房子的总体布局和连接方式。

2. 性能和可扩展性：

   • 性能需求：选择材料以保持温度、隔音等。
   • 扩展性考虑：考虑将来可能的扩建需求。

🦋3.3 系统设计

1. 详细设计：

   • 设计细节：在系统设计阶段，细化每个房间的设计，包括墙壁、窗户、门、地板和天花板的具体设计。

2. 模块功能：

   • 房间功能设计：设计每个房间的功能和布局，确保它们适合房子的整体需求。例如，厨房的功能布局需要考虑食品准备和烹饪的流程。

通过这个示例可以看到：

• 需求分析：定义房子的基本需求。
• 软件架构设计：决定房子的整体结构和连接方式。
• 系统设计：详细设计每个房间的具体细节。

这三个步骤相互连接，确保最终的房子满足需求和期望，具有良好的性能和可维护性。

🔎4.软件架构设计的生命周期

软件架构设计不仅仅在开发初期进行，而是贯穿于软件开发生命周期的各个阶段，包括需求分析、设计、实现、测试、部署和维护等。

🦋4.1 需求分析阶段

• 对象区别：需求分析面向的是问题空间，而软件架构设计面向的是解空间。
• 模型转换：从需求模型向软件架构模型的转换主要关注两个问题：
  • 如何根据需求模型构建软件架构模型。
  • 如何保证模型转换的可追踪性。
• 核心关注：将用户需求转换为软件架构模型，并确保模型的可追踪性。

🦋4.2 设计阶段

• 研究内容：软件架构研究的早期和主要阶段，涉及以下内容：
  • 软件架构模型的描述。
  • 软件架构模型的设计与分析方法。
  • 软件架构设计经验的总结与复用。
• 描述层次：研究分为三个层次：
  • 软件架构的基本概念（构件和连接件）。
  • 体系结构描述语言（ADL）。
  • 软件架构模型的多视图表示。
• 核心关注：软件架构模型的描述、设计与分析方法，以及设计经验的总结与复用。

🦋4.3 实现阶段

• 初期研究：最初软件架构研究关注的是较高层次的系统设计、描述和验证。
• 实现转换：为了有效实现从软件架构设计到实现的转换，研究关注以下方面：
  • 对开发过程的支持。
  • 开发语言和构件的选择。
  • 相关测试技术。
• 核心关注：如何将软件架构设计转换为代码，并进行测试。

🦋4.3 构件组装阶段

• 指导作用：在软件架构设计模型的指导下，可复用构件的组装可以在较高层次上实现系统，提高系统实现效率。
• 系统蓝图：在构件组装过程中，软件架构设计模型起到了系统蓝图的作用。
• 核心关注：如何在架构设计模型的指导下，进行可复用构件的组装，提高系统实现效率，并解决组装过程中的相关问题。

🦋4.5 部署阶段

• 高层视图：提供高层的体系结构视图来描述部署阶段的软硬件模型。
• 质量分析：基于软件架构模型分析部署方案的质量属性，从而选择合理的部署方案。
• 核心关注：如何根据软件架构模型进行部署，并分析部署方案的质量属性。

🦋4.6 后开发阶段

• 研究方向：围绕维护、演化、复用等方面进行研究，典型的研究方向包括：
  • 动态软件体系结构。
  • 体系结构恢复与重建。
• 核心关注：如何根据软件架构模型进行维护和演化。

软件架构设计贯穿于软件开发生命周期的各个阶段，每个阶段都有其特定的关注点和研究内容。通过这些阶段的研究和实践，可以确保软件架构设计在开发、实现、部署和维护过程中发挥其应有的作用，从而提高软件系统的质量和可维护性。

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