Architektur Muster. Strukturierungsprinzipien zur Organisation von Software-Systemen. Prof. Dr. Nikolaus Wulff

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1 Architektur Muster Strukturierungsprinzipien zur Organisation von Software-Systemen Prof. Dr. Nikolaus Wulff

2 Architekturmuster Architekturmuster beschreiben die grundsätzliche Struktur und Organisation einer Anwendung und liegen auf der höchsten Abstraktionsebene. Ein Architekturmuster beschreibt die Menge vordefinierter Subsysteme, spezifiziert deren Zuständigkeit und enthält Regeln zu Organisation der Beziehungen zwischen Ihnen. Architekturmuster sind prinzipiell sprach neutral und Plattform unabhängig. Konkrete Ausprägungen sind an ein bestimmtes OS oder eine Sprache gebunden, z. B. EJB- oder Dot.Net. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 2

3 Architekturmuster Kategorien Vom Chaos zur Struktur Layers Pipes-and-Filter Blackboard-Muster Verteilte Systeme Broker-Muster Interaktive Systeme Model-View-Controller Presentation-Abstraction-Control Adaptierbare Systeme Reflection-Muster Microkernel Prof. Dr. Nikolaus Wulff 3

4 Layers Größere Softwaresysteme werden in Schichten (engl. Layers) organisiert. Jede Schicht stellt eine höhere Abstraktionsebene als die darunterliegende Schicht da. Dies führt zu einer vertikalen Struktur. Innerhalb einer Schicht gibt es viele verschiedene Komponenten, die ihrerseits nach bestimmten Aufgaben und Diensten organisiert werden, dies führt zu einer horizontalen Strukturierung. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 4

5 Layers Struktur Layer N Layer N-1... Layer 2 Layer 1 Schicht J verwendet Dienste der Schicht J-1. Schicht J kommuniziert nur mit Schicht J-1. I.A. kennt die Schicht J die Schicht J+1 nicht. Abhängigkeiten zwischen den Schichten werden minimiert. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 5

6 Layers und Partitionierung Comp_3.1 Comp_3.2 Comp_3.3 Comp_2.1 Comp_2.2 Comp_2.3 Comp_1.1 Comp_1.2 Komponenten einer Schicht kommunizieren untereinander und mit den Komponenten benachbarter Schichten. Kommunikation über mehrere Schichtgrenzen hinweg findet i.a. nicht statt. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 6

7 TCP/IP Schichtenmodel FTP FTP Protokoll FTP TCP TCP Protokoll TCP IP IP Protokoll IP Ethernet Ethernet Protokoll Physikalische Verbindung Ethernet Prof. Dr. Nikolaus Wulff 7

8 Layers cont. So wie bis lang beschrieben bauen die oberen Schichten auf den unteren auf. Die kann jedoch zu unerwünschten Abhängigkeiten führen. Die abstrakten/höherwertigen oberen Schichten sind abhängig von den elementaren unteren Schichten. Das Dependency Inversion Principle (DIP) stellt diese Abhängigkeitskette auf den Kopf. Häufig wird dies von entsprechenden Frameworks nach dem Inversion of Control Muster (IoC) realisiert. Schichten kennen sich dann gar nicht mehr oder allenfalls von unten nach oben... Prof. Dr. Nikolaus Wulff 8

9 Top-Down Abhängigkeiten Naiv modelliert verlaufen die Abhängigkeiten zwischen den Schichten Top-Down. Die High-Level Pakete sind von den Low-Level Paketen abhängig. Application RuleEngine (from <<uses>> BusinessRules Rule (from Business Application BusinessRules Util Das Dependency Inversion Principle (DIP) verlangt genau das Gegenteil: <<uses>> XMLParser (from Util) Util High Level Module dürfen nie von Low Level Modulen abhängen. Low Level Module können von High Level Modulen abhängen. High Level Module müssen stabil sein. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 9

10 Umkehren der Abhängigkeiten Nach dem Anwenden des DIP sind die High Level Module nicht mehr von den Low Level Modulen abhängig. Obwohl die Anwendung immer noch Top-Down designed ist verlaufen die Abhängigkeiten Bottum-Up. Anstatt uses wird eine implements Relation verwendet. Der Abhängigkeitsgraph ist auf den Kopf gestellt. => Dependency Inversion Application BusinessRules Util RuleEngine (from Application <<Interface>> Rule (from «implements» RuleImpl (from Business BusinessRules <<Interface>> Parser (from Business «implements» XMLParser (from Util) Util Prof. Dr. Nikolaus Wulff 10

11 J2EE Schichtenmodel Client Applikationen, Applets, Browser Präsentation JSP, Servlets und andere UI Business Ebene EJBs und JavaBeans Integrations Ebene JMS, JDBC, Connectors und Legacy Resourcen Datenbanken und externe Systeme Benutzer Interaktion Single sign-on, Sessionverwaltung, Formatierung und Zustellung Geschäftslogik, Transaktionen, Daten und Services Resource adapters, rule engine und workflow, Altanwendungen Daten und externe Dienste Prof. Dr. Nikolaus Wulff 11

12 J2EE Architektur Browser HTTP SSL Web Container EJB Container JSP Servlet EJB Client Container HTTP SSL JMS JNDI JTA Java Mail JAF RM I- IIOP JDBC JMS JNDI JTA Java Mail JAF RM I- IIOP JDBC Database Application Client, Applet J2SE J2SE JMS JNDI RM I- IIOP J2SE JDBC IIOP/ RMI Prof. Dr. Nikolaus Wulff 12

13 Layers: Vorteile Wiederverwendung von Schichten Die API einer Schicht kann in verschiedenen Kontexten verwendet werden. Unterstützung von Standardisierung Klar definierte Abstraktionen erleichtern die Entwicklung standardisierter APIs. Abhängigkeiten bleiben lokal Änderungen z.b. eines Gerätetreibers betreffen nur eine Schicht, ohne die anderen zu tangieren. Austauschbarkeit Eine Implementierung kann einfach ausgetauscht werden. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 13

14 Layers: Nachteile Kaskaden veränderten Verhaltens Ändert sich das Verhalten einer Schicht, so propagiert dies durch alle Schichten. (API nicht kompatibel) Geringe Effizienz Zwischen den Schichten finden häufig Datentransformationen statt. Unnötige Arbeit Niedrige Dienste verrichten oft redundante oder überflüssige Arbeit. Dies verringert die Performance Schwierigkeit die richtige Granularität zu finden Prof. Dr. Nikolaus Wulff 14

15 Pipes-and-Filters Eine Pipes-and-Filter Architektur eignet sich für Systeme, die Datenströme verarbeiten. Jeder Verarbeitungsschritt ist in einem Filter gekapselt. Daten werden durch Kanäle (engl. Pipes) weiter geleitet. Die Filter lassen sich beliebig neu anordnen, hintereinander schalten und austauschen. Dies ermöglicht es Familien von verwandten Systemen zu erzeugen. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 15

16 Pipes-and-Filter Beispiele Der Kommandointerpreter sowie viele Werkzeuge des Unix Betriebssystems sind nach dem Pipes-and- Filter Muster gebaut. Die Ausgabe des einen dient als Eingabe für das nächste Werkzeug: cat file sort -u grep name Die Klassen des java.io-pakets sind nach dem P&F Muster designed. Die java.awt.image- ImageProducer, ImageSource und ImageFilter Abstraktionen bilden eine P&F Architektur, die sich beliebig erweitern lässt, durch hinzufügen neuer Quellen und Senken. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 16

17 Ströme verketten Die Java IO-Ströme lassen sich wie bei der Unix Pipe Architektur verketten. Dadurch ist es möglich Filter dazwischen zu schalten oder Ströme mit neuen Eigenschaften zu dekorieren. Eingabe Datei FileInputStream copy(from, to) Ausgabe Datei FileOutputStream GZIPOutputStream Prof. Dr. Nikolaus Wulff 17

18 Ein ZIP Strom Die Verkettung von Strömen ist recht einfach: OutputStream out; out = new FileOutputStream(destination); out = new BufferedOutputStream(out); out = new GZIPOutputStream(out); und hier die generische Kopiermethode: protected void copy(inputstream in, OutputStream out) throws IOException { byte[] buf = new byte[4096]; int read, EOF = -1; while( (read = in.read(buf))!= EOF) { out.write(buf, 0, read); } } Prof. Dr. Nikolaus Wulff 18

19 Filter als Ströme Durch die Verkettung von Eingabe- oder Ausgabeströmen lassen sich sehr einfach und modular Filter entwickeln. Es muss lediglich ein zusätzlicher Filter in die Einoder Ausgabe geschaltet werden: Eingabe Datei FileInputStream MyFilterInputStream Ausgabe Datei FileOutputStream copy(from, to) Prof. Dr. Nikolaus Wulff 19

20 Pipes-and-Filter: Vorteile Flexibilität durch Austausch und Hinzufügen neuen von Filtern. Flexibilität durch Neuanordnung. Wiederverwendung einzelner Filter. Rapid Prototyping von Pipeline Prototypen. Zwischendateien sind nicht notwendig aber so gewünscht möglich. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 20

21 Pipes-and-Filter: Nachteile Die Kosten der Datenübertragung zwischen den Filtern können je nach Pipe sehr hoch sein. Häufig überflüssige Datentransformationen zwischen den einzelnen Filterstufen. Fehlerbehandlung über Filterstufen hinweg ist teilweise schwierig. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 21

22 Broker Das Broker Muster dient zur Strukturierung verteilter Software-Systeme mit entkoppelten, entfernten Komponenten. Ein Vermittler (engl. Broker) dient zur Koordination der Kommunikation. Eine Broker Architektur bietet Dienste für das Hinzufügen, Entfernen, Auswechseln, Aktivieren und Suchen von Komponenten. Aus Sicht eines Klienten ist es nicht erkennbar, ob er mit einer lokalen oder entfernten Komponente kommuniziert. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 22

23 Broker Beteiligte Prof. Dr. Nikolaus Wulff 23

24 Broker Beispiele Die Broker Architektur war das grundlegende Muster für die Entwicklung von CORBA. Der Common-Object-Request-Broker-Architecture. Eine Abwandlung ist in der J2EE EJB und der.net Plattform zu finden. Auch Java RMI beinhaltet Grundprinzipien des Broker Musters. Registry und Naming Service sind Teile des Brokers. Stub- und Skeleton-Klassen werden als die Client- und Server-Proxys generiert. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 24

25 Broker: Vorteile Standort unabhängig: Der Broker kümmert sich um das Auffinden von Services. Einfache Änderbarkeit und Erweiterung von Komponenten, falls die Schnittstellen stabil sind. Portierbarkeit eines Broker Systems. Interoperabilität zwischen Broker Systemen. Wiederverwendung der Komponenten. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 25

26 Broker: Nachteile Eingeschränkte Effizienz, hohe Netzwerklast. Niedrige Fehlertoleranz Schwieriges Testen und Debuggen. Die versprochene Interoperabilität zwischen den Broker Systemen wurde nie erreicht! Wiederverwendung funktioniert meist nur effizient innerhalb eines Servers. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 26

27 Model-View-Controller Das Model-View-Controller Muster unterteilt eine interaktive Anwendung in drei Komponenten: Das Modell enthält die Kernfunktionalität und die Daten. Die View präsentiert dem Anwender die graphische Repräsentation der Daten. Der Controller behandelt die Benutzereingaben. View und Controller zusammen bilden die Benutzerschnittstelle. Ein Mechanismus zur Benachrichtigung über Änderungen sichert die Konsistenz mit dem Modell. => Observer-Pattern Prof. Dr. Nikolaus Wulff 27

28 MVC statische Sicht UI Der Controller akzeptiert Eingaben und ruft die service-methode des Modells. Das Modell ändert seinen Status und informiert alle Observer. Alle Views passen ihre Ansicht entsprechend den neuen Daten an. Der Controller schaltet entsprechende Elemente der View an oder aus. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 28

29 MVC: Vorteile Mehrere Ansichten auf das selbe Modell. Automatische Synchronisation aller Ansichten. Austauschbarkeit von Ansicht und Controller. Gute Trennung von Modell und VC. Potential für vorgefertigte Frameworks. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 29

30 MVC: Nachteile Größere Komplexität Potential für unnötige häufige Aktualisierungen Enge Verbindung zwischen View und Controller Enge Kopplung von VC an das Modell. Häufig ineffizienter Datenzugriff auf das Modell. View und Controller sind schwer zu portieren. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 30

31 Zusammenfassung Architekturmuster bilden gegenwärtig die oberste Abstraktionsebene eines Software-Designs. Sie erleichtern die Paketierung eines Frameworks oder einer Anwendung. Sie erleichtern das Entkoppeln von Klassen, indem hochfrequente Kommunikationsanteile innerhalb eines Paketes liegen. Das DIP und IoC Prinzip hat in Frameworks wie z.b. Spring in den letzten Jahren Einzug in alle Software Entwürfe gefunden. Prof. Dr. Nikolaus Wulff 31

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