Marcel Bennicke Claus Lewerentz. Lehrstuhl Software-Systemtechnik , ForumBB BTU Cottbus 1

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1 Software-Architekturen Marcel Bennicke Claus Lewerentz Lehrstuhl Software-Systemtechnik , ForumBB BTU Cottbus 1 Überblick Software-Architektur Was ist Architektur? Warum ist Architektur wichtig? Architektur beschreiben Architekturen wiederverwenden Analyse von SW-Architekturen Analysearten architektonischer Verfall Architektur bewerten Architektur verstehen (Reverse Engineering) Beispiele aus dem Eclipse-Projekt , ForumBB BTU Cottbus 2 1

2 Was wollen wir Ihnen mitgeben? Die explizite Beschäftigung mit Software-Architektur fördert das Verständnis des Produkts in seinem Anwendungsumfeld und beinhaltet zum großen Teil die langfristige Planung von Software-Entwicklungen Präzise, überprüfbare Beschreibungen von Software- Architekturen werden benötigt Als effektives Kommunikationsmittel Als Grundlage der Konsistenzprüfung von Programmcode Ohne explizites Handeln wird eine Software-Architektur nicht gelebt, sie wird nicht strikt umgesetzt und verfällt im Zuge von Wartungstätigkeiten. Analysen können den Verfall aufdecken und orrekturbedarf aufzeigen , ForumBB BTU Cottbus 3 Software-Architektur , ForumBB BTU Cottbus 4 2

3 Das Problem Anforderungen??? Wie soll die Lücke zwischen Anforderungen und dem lauffähigen System überwunden werden? Quellcode [Garlan, 2001] , ForumBB BTU Cottbus 5 Die kanonische Antwort Anforderungen Ein Wunder geschieht! - Unvorhersehbar - Ungeplant, nicht wiederholbar - Benötigt Künstler - Teuer Quellcode [Garlan, 2001] , ForumBB BTU Cottbus 6 3

4 Software Entwicklungs-n Anforderungen - systematisch - besser vorhersehbar Funktionale Dekomposition OO ABER - Benötigt viel Erfahrung - Für jedes Produkt vollst. neu auszuführen -Erst anhand des Resultats analysierbar Quellcode [Garlan, 2001] , ForumBB BTU Cottbus 7 Die Rolle der Software-Architektur Anforderungen Software-Architektur Quellcode - Grobes Systemkonzept - Systemweite Abstraktion - Struktur der Strukturen des Systems - Wiederverwendung abstrakter Ideen Vorteile - Langfristige Planung! -Verstehbar! - Analysierbar! - Wiederverwendbar! [Garlan, 2001] , ForumBB BTU Cottbus 8 4

5 Probleme mit Software Zunehmender Anteil an Software in allen Lebensbereichen Bis zu 80% der Kosten von SW-Systemen entfallen auf die Wartung, aber die meisten n zielen aber auf die anderen 20% der Kosten (Konstruktion statt Evolution) Merkmale von SW-Entwicklungsprojekten Überschreiten von Zeit + Budget Konzentration auf Abgabe EINES Produkts (nicht auf Evolution) Hohe Wartungskosten Wiederverwendung von Code, nicht von Ideen Kommunikationsprobleme Abhängigkeit von einzelnen Personen Wiedergewinnung verlorengegangener Informationen nötig , ForumBB BTU Cottbus 9 Was ist Architektur? Architektur: Die Struktur eines Software-Produkts, die SW Komponenten, extern wahrnehmbare Eigenschaften der Komponenten und Beziehungen zwischen diesen umfasst. Abstraktion: abstrakte Komponenten mit Eigenschaften und Beziehungen (jeweils unterschiedlicher Art) Ein System beinhaltet viele Strukturen, nicht nur eine. Für bestimmte Zwecke/Analysen sind jeweils bestimmte Sichten auf ein System relevant. Jedes System hat eine Architektur aber sie muss nicht bekannt sein (Reverse Engineering) Architektur beschreibt nur Außensicht der Elemente, nicht deren Innenleben (Wirkung auf andere Elemente) , ForumBB BTU Cottbus 10 5

6 Von Anforderungen zum Programm /1 Anforderungen Analyse-Modelle Funktion Mehrere konsistente Analyse-Modelle Konzeptuelle Systemarchitektur Produktdefinition Qualität Realisierungsumgebung Statische Produktstruktur (Komponenten + Beziehungen) Spezifikation der Komponenten (Struktur + Verhalten) Software-Architektur Bauplan des Programms , ForumBB BTU Cottbus 11 Von Anforderungen zum Programm /2 Funktion Produktdefinition Qualität Realisierungsumgebung Entwurfswissen Erfahrung Standards (Domainspezifisch Software-Infrastruktur Plattform, Bibliotheken Software-Architektur Entwicklungsorganisation Programm-Code , ForumBB BTU Cottbus 12 6

7 Beispiel für eine Architektur Referenz-Architektur für Compiler Scanner Parser Generator Helloworld.c Tokens Syntaxbaum Code Entwickler profitieren von dieser Architektur, weil sie wohlverstanden ist Was sind die Bestandteile? Welche Verantwortungen haben sie Wie sind die Bestandteile miteinander verbunden? Merkmale: Verständlich: gerader Datenfluss durch die Stationen Realisierbar: Realisierung jeder Station durch ein Team Koordination aus Architektur ableitbar Erweiterbar: neue Station kann leicht hinzugefügt werden Skalierbar: parallele Stationen möglich , ForumBB BTU Cottbus 13 Warum ist Architektur wichtig? Verstehen und Kommunikation Gemeinsame Sprache für alle Stakeholder Wiederverwendung Etablierung einer A. verursacht Kosten erhalten! Z.B. Referenz-Architekturen, architektonische Stile Konstruktion Grober Bauplan für Entwickler Resultat frühzeitiger Entscheidungen Evolution A. ist Resultat der Überlegungen über erwartete Änderungen Festlegung des erlaubten Rahmens für Änderungen Verstehen unterstützen (50% des Wartungsaufwands) Analyse Erlaubt die frühzeitige Analyse und Priorisierung hinsichtlich Qualitätszielen Management Erreichen einer Architektur ist wichtiger Meilenstein A. ist Grundlage für Projektorganisation , ForumBB BTU Cottbus 14 7

8 Wofür Architektur Kommunikationsplattform Grobe Beschreibung des Systems Kann von allen Stakeholdern verstanden werden Nutzt verschiedene Sichten (Reduktion der Komplexität) Zuordnen und Priorisieren von Anforderungen Alternative Lösungen abwägen Bauplan für Design&Implementierung Festlegen der wesentlichen Komponenten, Schnittstellen und Interaktionen Systematische Wiederverwendung Rahmen für Projektplanung , ForumBB BTU Cottbus 15 Die zentrale Rolle des Architekten Vision gestalten:übergreifende Anforderungen & Ziele Abstimmung und Review von Anforderungen Integration von technischen Konzepten Analyst Entwurfsalternativen evaluieren Einführen einer Architektur Mitarbeit als Programmierer und Tester Trainer und Berater des Entwicklerteams Schnittstellen koordinieren Programmierer Entscheidung über Prüfung der Einhaltung der Entwurfs-Alternativen Architekturvorgaben Schulung und Einführung Architektur verständlich Software-Architekt von SW-Architektur im Team machen Auswahl von Werkzeugen, Software-Architektur langfristig Technologien etablieren Organisation des Teams entspr. Architektur Integration des Architektur Organisation der Evolution in übergreifende QS Projektleiter Hüter der Software-Architektur , ForumBB BTU Cottbus 16 8

9 Architektur eines Hauses funktionell sicher schön Jeder Handwerker benötigt eigenen Plan -Abstraktion dicht Aber auch andere Pläne: -Überschneidungen -Konsistenz energieeffizient bezahlbar stabil , ForumBB BTU Cottbus 17 Architektur von Software Architekt, Entwickler: Funktionssicht: -Werden Funktionen geforderte - Datenflüsse Funktionen erbracht? Administratoren: Physikal. Sicht -CPUs, Notwendige Sensoren Ressourcen -Netzwerke Installation, Betrieb Entwickler: Artefaktsicht -Unterstützung Dateien, Verzeichnisse von - Enthaltenseinsbeziehung Entwicklungs- Tätigkeiten (z.b. Testen, Konf.-Mgmt.) Programmierer: Codesicht -System Klassen, verstehen, Funktionen - Symbolreferenzen erweitern, warten Integratoren,Tester: Laufzeitsicht -Leistung Prozesse, Threads - Interprozesskommunikation Verfügbarkeit , ForumBB BTU Cottbus 18 9

10 Sichten Es gibt viele Sichten auf ein System, jeweils mit unterschiedlichen Schwerpunkten Je nach Sicht treten bestimmte Aspekte in den Vordergrund, andere werden vernachlässigt Die Spezialisierung der Sichten erlaubt es, die Komplexität besser zu handhaben Die Sichten sich nicht völlig unabhängig bestimmte Informationen können mehrfach auftreten Zwei Sichten sind konsistent, wenn sie sich nicht widersprechen Diskussion darüber, welche Sichten insgesamt existieren und deren Bezeichnungen sind noch im Fluss (hier verwendet: [Kazman, 2001]) Generelle Beschreibungsform: Graph Knoten: Einheiten (z.b. Funktional, Organisatorisch, Ausführung) Kanten: Beziehungen (z.b. Datenfluss, Abhängigkeiten) , ForumBB BTU Cottbus 19 Sichten Sicht Funktional Artefakte Code Laufzeit Physikalisch Entwicklungseinheiten Unterteilungskriterium Bezug zu Anforderungen Programmiereinheiten Ausführungseinheiten Konfigurations-/ Wartungseinheiten Einheiten Funktionen, Prozeduren, Hauptabstraktionen Dateien, Verzeichnisse Deklarationen Prozesse, Threads CPUs, Rechner Beziehungen Abhängigkeiten, Datenflüsse Enthaltensein Querverweise Kommunikation Netzwerke Jede Sicht erlaubt die Spezifikation von Beschränkungen hinsichtlich der Auswahl von Einheiten und der erlaubten Beziehungen, z.b: alle Code-Teile einer Komponente sind in einem Verzeichnis Eine Schicht darf nur auf die unmittelbare Nachbarschicht zugreifen , ForumBB BTU Cottbus 20 10

11 Funktionssicht Steuerung Eingabe Konvertierung Präsentation Ausgabe Formate Inhalt Komponenten Verbindungen Für wen? Zweck abstrakte Sicht auf Systemfunktionen zentrale Abstraktionen, Funktionsbereiche Abhängigkeiten, Datenflüsse Endbenutzer, Domänen-Analyst, Projektleiter Festlegung des Funktionsumfangs Partitionierung der Funktionen im Hinblick auf - erwartete Änderungen und Änderbarkeit - Wiederverwendung - Werkzeugunterstützung (Generieren) - arbeitsteilige Entwicklung , ForumBB BTU Cottbus 21 Code-Sicht InputManager read(source, parser) Eingabe read() Formats getparserfor(string) parser = formats.getparserfor( Java ); Input.read(file,parser)... Inhalt Komponenten Verbindungen Für wen? Zweck Programmtext zeigt Abbildung von Funktionalität auf Codestrukturen Programmeinheiten (Klassen, Funktionen, Datentypen) Querverweise zwischen Symbolen Programmierer, Entwerfer, Wiederverwender Codierung Einschätzung von - Änderbarkeit - Portabilität - Ersetzbarkeit einzelner Teile , ForumBB BTU Cottbus 22 11

12 Organisationssicht CVSROOT Inhalt Komponenten Verbindungen Für wen? Zweck statische Organisation der SW in Entwicklungsumgebung Datenbank von Artefakten Dateien, Verzeichnisse Enthaltenseins-Beziehung Programmierer, Projektmanager, Konfigurationsmanager, Wartungsentwickler Versionen und Varianten des Codes verwalten Management der arbeitsteiligen Entwicklung, Testen Änderbarkeit abschätzen Systemaufteilung für Entwicklung, Testen, Integration, Wartung , ForumBB BTU Cottbus 23 Laufzeit-Sicht Inhalt Komponenten Verbindungen Für wen? Zweck Sicht auf gleichzeitige Abläufe des Systems, wie diese kommunizieren und Ressourcen teilen Prozesse, Threads Datenfluss, Nachrichten, Synchronisation Administratoren (Deployment) Endanwender (Leistung, Verfügbarkeit) Tester, Integratoren Auslieferungsplanung Abschätzen von Leistung und Verfügbarkeit - Skaliert das System gut? - Wie hoch ist die erwartetet Ausfallsicherheit? - Wo sind kritische Stellen? , ForumBB BTU Cottbus 24 12

13 Physikalische Sicht Inhalt Komponenten Verbindungen Für wen? Zweck Verteilung der SW auf Hardware-Ressourcen Prozessoren, Sensoren, Speicher Netzwerke, Komminikationsgeräte Auslieferer, Administratoren (beim Kunden) Entwickler Betriebsumgebung festlegen Installationsplanung Abschätzen von Leistung, Verfügbarkeit, Skalierbarkeit und Sicherheit , ForumBB BTU Cottbus 25 Detailierungsebenen: : Subsystem Subsystem Paket Paket Paket Subsystem Paket Paket Paket Paket Schnittstellen-Pakete , ForumBB BTU Cottbus 26 13

14 Detailierungsebenen: : Paket/Modul Paket Paket Paket , ForumBB BTU Cottbus 27 Detailierungsebenen: : Datei/Klasse , ForumBB BTU Cottbus 28 14

15 Detailierungsebenen : /Attribut , ForumBB BTU Cottbus 29 Architekturen-Sprachen ADLs: Architecture Description Languages z.b. ACME, Aesop, C2, Darwin, Koala, Rapide... IDLs: Interface Description Languages z.b. CORBA IDL,.NET IDL,... Komponenten-Sprachen z.b. UML Struktur + Verhalten + Interaktion von Komponenten Formale Spezifikationssprachen z.b. Z, CSP Präzise Semantik (algebraische Strukturen) , ForumBB BTU Cottbus 30 15

16 Beispiel: MVC in Rapide , ForumBB BTU Cottbus 31 Beispiel: MVC in Corba-IDL IDL/Java , ForumBB BTU Cottbus 32 16

17 Beispiel: MVC in UML-RT , ForumBB BTU Cottbus 33 Beispiel: MVC in Z , ForumBB BTU Cottbus 34 17

18 Architekturbeschreibungen Es gibt je nach Anwendungsgebiet spezifische Architekturbeschreibungsansätze Vielen Architekturbeschreibungen fehlt eine präzise Semantik Beschreibungsnotation muß geeignet sein, um verschiedene Sichten und Detailierungsebenen darzustellen zur effektiven Kommunikation zwischen Architekten und anderen Rollen als Bauplan für den Programmcode zu dienen , ForumBB BTU Cottbus 35 Architektur und Evolution In Konstruktion: Sich klar werden über langfristige Ziele mögliche erwartete Anforderungs-Änderungen Entwicklungsparadigma Langfristige Artefakt-Planung (Versionen, Wiederverwendung, Frameworks, Abhängigkeit von externen Komponenten) Technische Rahmenbedingungen (Zielplattformen, Sprachen) Release-Planung (Auslieferung, Installationseinheiten) Architektur ist erste verfügbare konsistente Menge von Resultaten von Entwurfsentscheidungen Prioritäten für konkurrierende Ziele wurden festgelegt (z.b. Leistung vs. Sicherheit, Kosten aktuell vs. Kosten Zukunft) Technische Merkmale: zentrale Ressourcen, Schnittstellen, Hinarbeit auf Wiederverwendung von Artefakten Zuordnung organisatorischer Einheiten zu architektonischen Einheiten , ForumBB BTU Cottbus 36 18

19 Architekturen wiederverwenden Etablierung (d.h. Entwicklung und Dissemination) einer Architektur erfordert viele Ressourcen, sie sollte daher wiederverwendet werden Ansätze Referenzarchitektur Standardarchitektur in bestimmtem Anwendungsfeld Architektonische Stile und Muster Lösungen für ähnliche Probleme mittels Standard-Strukturen Produktlinien systematisches Ausfaktorisieren von Gemeinsamkeiten und systematische Wiederverwendung Frameworks halbfertige Anwendung mit Löchern Implementierter Kern von Produktlinien , ForumBB BTU Cottbus 37 Referenzarchitekturen , ForumBB BTU Cottbus 38 19

20 Beispiel:.NET ecommerce System , ForumBB BTU Cottbus 39 Muster Muster = erfahrungsgemäß gute Lösung für ein Problem höhere Abstraktion der Wiederverwendung als z.b. einzelne Klassen definieren gemeinsames Vokabular für Lösungen in Kontexten Legen Folgen der Lösung offen erhöhen Produktivität von Reverse + Forward Engineering forward: Erfahrungen von Experten nutzen reverse: zielgerichtete Struktursuche möglich leichtes Verständnis Systeme so reengineeren, dass Muster genutzt werden besseres Verständis oft bessere Erweiterbarkeit und Wiederverwendbarkeit Unterschiedlich abstrakte Muster, Musterkataloge, Muster-Sprachen Architektonische Stile Entwurfsmuster Idiome , ForumBB BTU Cottbus 40 20

21 Architektonische Stile Beobachtung: Bestimmte Strukturen treten (bei ähnlichen Anforderungen) immer wieder auf Ein Stil beschreibt ein gesamtes System Architektonischer Stil Datenfluss Pipes & Filters Datenzentriert Blackboard Interagierende Prozesse Verteilte Objekte Ereignissysteme Eine Klasse von Architekturen oder wesentlicher Teile davon Bestimmte Einheiten mit spezifiziertem Verhalten Bestimmte Topologie Verteilte Daten Zusammengesetzte Dokumente Hypertext Call-and-Return Interagierende Objekte Funktionen , ForumBB BTU Cottbus 41 Beispiel: Broker / , ForumBB BTU Cottbus 42 21

22 Beispiel: Broker / , ForumBB BTU Cottbus 43 Beispiel: Broker / , ForumBB BTU Cottbus 44 22

23 Beispiel: Broker / , ForumBB BTU Cottbus 45 Objektorientierte Entwurfsmuster Seit Mitte 90er: Wiederverwendung abstrakter Ideen im Entwurf Muster beschreiben erprobte, erfolgreiche Lösungen für häufig vorkommende Entwurfsprobleme Erlangten Popularität mit dem Buch der GoF [Gamma et al. 1995] , ForumBB BTU Cottbus 46 23

24 Beispiel: Composite-Muster Zweck Objekte in Ganzes-Teil- Beziehung anordnen Diese Beziehung nach außen abkapseln Struktur Folgen [ Gamma et al., 1994] Neue elementare Typen können hinzugefügt werden ohne das der Anwendungscode geändert werden muss Anwendungscode wird einfacher Der Entwurf wird sehr generell. Einige Prüfungen können nicht mehr auf das Typsystem zurückgeführt werden, sondern müssen zur Laufzeit durchgeführt werden , ForumBB BTU Cottbus 47 Produktlinien , ForumBB BTU Cottbus 48 24

25 Produktlinen-Architekturen , ForumBB BTU Cottbus 49 Frameworks , ForumBB BTU Cottbus 50 25

26 Blackbox/Whitebox Frameworks , ForumBB BTU Cottbus 51 Beispiel: San Francisco , ForumBB BTU Cottbus 52 26