Hochschule Darmstadt Fachbereich Informatik. Softwaretechnik II. 4. Software-Architektur

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1 Hochschule Darmstadt Fachbereich Informatik Softwaretechnik II 4. Software-Architektur

2 Häufige Mängel in Software-Projekten sind vermeidbar Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 68

3 Architektur einer Hundehütte Kann von einer Person realisiert werden. Einfacher Bauplan Einfache Arbeitsschritte Einfache Werkzeuge Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 69

4 Architektur einer Kathedrale... every large software project is similar to the first attempt to build a flying-buttress construction cathedral. (Richard P. Gabriel) Wird von vielen Personen realisiert in mehrjähriger Bauzeit. Komplizierte Baupläne Aufwendige Arbeitsschritte Viele spezielle Werkzeuge Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 70

5 Bau einer Kathedrale Es gibt mehrere professionelle Architekten möglichst mit Erfahrungen mit ähnlichen Bauvorhaben, die den Bau leiten und die Arbeiten koordinieren Es werden diverse Pläne erstellt, die das Gebäude bzgl. verschiedener Aspekte zeigen Raumaufteilung (Grund- und Seitenriss) Gas-, Elektroinstallation und ggfs. Datennetz Sanitäre Installation (Wasser, Abfluss) Die Pläne verwenden viele Standardelemente (Fenster, Türen etc.) Die variablen Parameter (z.b. Breite einer Tür) werden in den Plänen festgelegt... und für Software-Projekte??? Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 71

6 Software-Projekt: Fahrerinformationssystem Umfang: Bereitstellung neuer Funktionalität (Spracheingabe, ) Neuentwicklung großer Teile (User Interface komplett) Auslieferung von Zwischenständen Team: ca. 50 SW Entwickler + Management + Querschnitt Dauer: 2-3 Jahre Budget: ca. 30 Mio. Architektur für Software ist notwendig! Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 72

7 Lernziel Software-Architektur Sie sollen in diesem Kapitel verstehen, warum eine Software-Architektur für ein großes Projekt wichtig ist was eine Software-Architektur ist dass es viele Architekturen zu einer Aufgabe gibt dass jede Architektur spezifische Eigenschaften hat dass die Qualitätsanforderungen entscheidend für die Architektur sind dass es bekannte Architekturstile mit bekannten Qualitätseigenschaften gibt dass es schwierig ist, eine gute Architektur zu entwickeln wie man eine Architektur darstellt Anschließend verstehen Sie die Bedeutung einer SW-Architektur und ahnen wie man eine SW-Architektur erstellt! Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 73

8 Einordnung im V-Modell Grobentwurf (SW-Architektur) Anwendungsszenarien Testfälle Abnahmetest Systemtest Feinentwurf (Design) Testfälle Integrationstest Testfälle Anforderungsdefinition Modul-Implementierung Modultest Quelle: H. Balzert, Lehrbuch der Softwaretechnik, Band 2 Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 74

9 Situation im Projekt Es ist (mehr oder weniger) verstanden, was der Auftraggeber will Es ist ein großes Projekt Nun geht es an die Umsetzung in Software aber wie? Idee: Erstelle eine grobe Skizze des Systems! Festlegung grundlegender Eigenschaften Fokussierung auf kritische Punkte keine Details (Implementierung, Programmiersprache, Technik, ) Aufteilung in Pakete Beschreiben der Verantwortlichkeiten der Pakete Beschreiben der Kommunikation der Pakete erste Evaluation der Funktionalität möglich "Software-Architektur" Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 75

10 Definition Die Software-Architektur eines Rechnersystems beschreibt die Struktur der Software des Systems, die aus Komponenten, deren extern sichtbaren Eigenschaften und Verantwortlichkeiten und deren Beziehungen besteht (Len Bass et. al.) Dilbert:... Its a bunch of shapes connected by lines... Eine von vielen Definitionen siehe auch: Es kommt darauf an, die der Aufgabenstellung angemessenen Komponenten und Beziehungen zu finden! Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 76

11 Auf der Suche nach der SW-Architektur - Beispiel "KWIC" Aufgabe Wie sieht die Architektur für folgendes (einfache) System aus? The KWIC (KeyWord in Context) index system accepts an ordered set of lines; each line is an ordered set of words, and each word is an ordered set of characters. Any line may be circulary shifted by repeatedly removing the first word and appending it at the end of the line. The KWIC index system outputs a listing of all circular shifts of all lines in alphabetical order. On the Criteria for Decomposing Systems into Modules, David Parnas. CACM, 1972 Anwendung: z.b. Index im Unix Manual siehe auch: "Software Architecture: Perspectives on an Emerging Discipline" Mary Shaw and David Garlan, Prentice Hall, Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 77

12 Funktionalität von "KWIC" Eingabe Perspectives on Software Architecture Computers in Context KeyWord in Context: Jede Eingabezeile wird wortweise zyklisch geshifted und dann die Ergebniszeilen sortiert Zwischenergebnis (zyklische Shifts) Perspectives on Software Architecture Architecture Perspectives on Software Software Architecture Perspectives on on Software Architecture Perspectives Computers in Context Context Computers in in Context Computers Ausgabe (sortiert) Architecture Perspectives on Software Computers in Context Context Computers in in Context Computers on Software Architecture Perspectives Perspectives on Software Architecture Software Architecture Perspectives on Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 78

13 KWIC: SW-Architektur I: Funktionaler Stil Direct Memory Access Subprogram Call System IO Master Control "Subroutine with shared data" Input Circular Shift Alphabetizer Output Input Medium Characters Index Alphabetized Index Output Medium Zerlegung in vier Basisfunktionen Koordination durch ein Hauptprogramm, das sie sukzessive aufruft Daten werden als gemeinsame Ressource von den Modulen verwendet Keine Kapselung der Daten Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 79

14 KWIC: SW-Architektur II: Objektorientierter Stil Subprogram Call System IO Master Control "Abstract Data Types" Input Output Input Medium setchar getchar getword Characters shift Circular Shift Alphabetic Shifts Output Medium Kontrollfluss durch zentrale Koordination Prozedurale Abstraktion durch Kapselung der Zugriffsmethoden Datenkapselung Algorithmen und Datenrepräsentation der einzelnen Klassen können geändert werden, ohne die anderen zu beeinflussen char getword getline Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 80 alphsort i-th

15 KWIC: SW-Architektur III: Eventgesteuerter Stil Implicit Invocation Subprogram Call System IO IO Control "Implicit Invocation" Input Circular Shift Alphabetizer Output Input Medium insert Lines Keine zentrale Steuerung Veränderung der Daten löst Events aus Events führen zu Aktionen, die ihrerseits Events erzeugen Modell aktiver Daten delete i-th insert delete Lines i-th Output Medium Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 81

16 KWIC: SW-Architektur IV: Pipes & Filters als Stil Input Medium Input Circular Shift "Pipes and Filters" Pipe System IO Alphabetizer Output Output Medium Verteilte Steuerung: jeder Filter arbeitet, sobald Daten an seiner Eingabe anliegen Die Daten existieren nur temporär als I/O zwischen den Filtern Die Filter sind voneinander unabhängig, sie kommunizieren nur über die Pipes zwischen ihnen Datenfluss und Kontrollfluss fallen zusammen Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 82

17 KWIC: Qualitätseigenschaften der Architekturen Änderung...in der Datenstruktur (andere Characters für Wort-Grenzen)...in der Funktionalität (Rausfiltern von "the")...in der Performance (Platz)...in der Performance (Laufzeit)...in der Wartung (Wiederverwendung von Teilen) Funktional (+) - 5 Eventgesteuert Objektorientiert + (+) 2 + (+) Pipes & Filters Jede Lösung hat Vorteile und Nachteile Es gibt noch viele andere Lösungen Welche ist die "richtige" Architektur? 1: Änderung an mehreren Stellen 2: Einfügen einer neuen Komponente 3: Mehrfache Datenhaltung 4: nicht parallelisierbar 5: Datenmodell mehrfach verdrahtet Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 83

18 Wie findet man die SW-Architektur? Es gibt nicht DIE Software-Architektur! Es gibt viele verschiedene Architekturen Jede hat spezielle Qualitätseigenschaften Je nachdem welche Anforderungen gelten (bzw. erwartet werden), muss eine entsprechende Architektur entworfen werden zuerst müssen die wesentlichen Qualitätseigenschaften bestimmt werden! Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 84

19 Architektur-Treiber Architektur-Treiber sind diejenigen Anforderungen an das Software- System, die die Architektur maßgeblich bestimmen Qualitätsanforderungen geschäftliche Anforderungen Mehrbenutzer- Fähigkeit Verfügbarkeit Kosten Performance Zeit Kompatibilität Sicherheit Fehlertoleranz wesentliche funktionale Anforderungen Berechtigungen Organisation Mehrplatzfähigkeit Konfigurierbarkeit Erweiterbarkeit Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 85

20 Wie findet man eine (gute) SW-Architektur? Annahme: Die Architekturtreiber sind identifiziert und in ihrer Bedeutung bewertet (priorisiert) aber wie wird daraus eine Architektur? Idee: Entwerfen und Analysieren! Durch Entwerfen von Komponenten, Beziehungen und Verantwortlichkeiten (z.b. SWT1: Komponentendiagramme) iteratives Analysieren der Qualitätseigenschaften mit Szenarien ("Welche Änderungen werden erwartet? Sind wahrscheinlich?) z.b. SWT1: Sequenzdiagramme Erleichterung durch (Wieder-)Verwendung von bewährten "Mustern" mit bekannten Eigenschaften ("Architektur-Stile") Ein erfahrener Architekt hilft dabei sehr! Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 86

21 Grundprinzipien im Entwurf (I) 1) Geheimnisprinzip Komponenten kapseln ihre Funktionalität Komponenten sind benutzbar ohne Kenntnis der Realisierung "Geheimagenten-Prinzip": Jeder "verrät" nur das, was ein anderer wissen muss, um mit ihm zu arbeiten! Jeder "weiß" nur das, was er wissen muss, um seinen Job zu machen! Umsetzung in C++: Sichtbarkeit "private" für alle Attribute und interne Methoden Vorteile: interne Änderungen sind von außen nicht sichtbar erleichtert verteilte Entwicklung bessere Wartbarkeit, Testbarkeit, Änderbarkeit Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 87

22 Grundprinzipien im Entwurf (II) 2) Schwache Kopplung Kopplung ist ein Maß dafür, wie sehr ein Element von anderen abhängt Das Prinzip der schwachen Kopplung fordert Klassen so zu definieren, dass nur die nötige Kopplung da ist Klasse A ist von B abhängig, wenn: - A hat ein Attribut vom Typ B - A verwendet eine Methode eines Objekts vom Typ B - A hat eine Methode mit Parameter/Return vom Typ B - A ist von B abgeleitet - A implementiert die Schnittstelle von B Vorteile einer schwachen Kopplung: Verständlichkeit, gute Wiederverwendbarkeit Nicht tangiert durch Veränderung anderer Klassen Veränderungen der Klasse tangiert nur wenige andere Klassen Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 88

23 Grundprinzipien im Entwurf (III) 3) Starke Kohäsion Kohäsion steht für die Abhängigkeiten innerhalb einer Klasse. Kohäsion ist ein Maß dafür, wie eng die Beziehungen und der Fokus der Verantwortlichkeiten einer Klasse oder eines Subsystems sind. Schwache Kohäsion: - Eine Klasse ist verantwortlich für viele Aufgaben in unterschiedlichen Bereichen - Eine Klasse ist für eine sehr komplexe Aufgabe in einem Bereich zuständig Starke Kohäsion: - Jede Methode einer Klasse hat einen einzigen, klaren Zweck - die Methoden bilden eine Gruppe zusammengehörender Aufgaben Vorteile von starker Kohäsion: Gute Verständlichkeit, Wartbarkeit, Erweiterbarkeit und Wiederverwendbarkeit Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 89

24 Architektur-Stile ("Architektur-Muster") Analogie zu Architektur-Stilen in der Baukunst man kann eine Kirche gotisch oder romanisch bauen Beides ergibt eine Kirche, aber mit ganz anderen Eigenschaften Ein Architektur-Stil ist eine Abstraktion von den Spezifika einer konkreten Architektur liefert eine Leitlinie für die Art der Komponenten und Beziehungen gibt einen Rahmen für Entwurfsentscheidungen legt Qualitätseigenschaften eines Systems fest In einer Architektur werden meist mehrere Architektur-Stile verwendet Architektur-Stile können die Erfüllung der Qualitätsanforderungen erleichtern - oder auch praktisch unmöglich machen Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 90

25 Übersicht wichtiger Architekturstile Datenflusssysteme Batch sequenziell Pipes und Filter Prozess- Kontrollschleifen Kontrollfluss Funktionale Zerlegung Objektorientierte Organisation Schichten = kennen Sie bereits von KWIC Unabhängige Komponenten Kommunizierende Prozesse Eventgesteuerte Systeme Datenzentrierte Systeme Repositories Blackboard Virtuelle Maschinen Interpreter Regelbasierte Systeme Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 91

26 Architekturstil Pipes and Filters: Beispiel Compiler Lexikalische Analyse / Scanner Syntaxanalyse Parser Semantische Analyse Zwischencode Generierung Optimierung ASCII Programmtext Token Strom Abstrakter Syntaxbaum Attributierter abstrakter Syntaxbaum Zwischencode Optimierter Zwischencode Mips Intel Sparc Interpreter Programm Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 92

27 Architekturstil Layers: Typischer Einsatz Externe Schnittstelle Anwendungslogik Anwendungsdaten Persistente Datenhaltung Mit Hilfe des Layers- Stils lassen sich Anwendungen strukturieren, die in Gruppen von Teilaufgaben zerlegbar sind und in denen diese Gruppen auf verschiedenen Abstraktionsebenen liegen User Interface Applikation Betriebssystem Treiber Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 93

28 Zuordnung der 4-Schichtenarchitektur zu Klassen-Stereotypen Stereotypname Symbol Externe Schnittstelle Schnittstellenklasse <<boundary>> Anwendungslogik Kontrollklasse <<control>> Anwendungsdaten Entitätsklassen <<entity>> Persistente Datenhaltung Softwaretechnik II, Prof. Dr. Ralf Hahn, WS , h_da, Fachbereich Informatik 94