Software Engineering Architektur, Architekturstile (update: 11.6.)

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1 Software Engineering Architektur, Architekturstile (update: 11.6.) Prof. Adrian A. Müller, PMP, PSM 1, CSM Fachbereich Informatik und Mikrosystemtechnik Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 1

2 Einsatzbedingungen von Software Sequenzielles / nicht-sequenzielles Produkt Nicht-sequenziell: nebenläufig verteilt in Echtzeit parallel Single User / Multi User Bei der Benutzeroberfläche zu berücksichtigen Multi User erfordert Benutzer- und Zugriffsrechteverwaltung Mandantenfähigkeit ja / nein Bei kaufmännischen Anwendung Für unterschiedliche Firmen können logisch vollständig getrennte Datenbereiche eingerichtet werden. Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 2

3 Umgebungs- und Randbedingungen für eine SW Entwicklung Zu berücksichtigende Zielplattform(en) ergeben sich aus Einsatzbedingungen Häufig vom Auftraggeber bereits vorgeschrieben Nutzung der im Unternehmen vorhandenen Plattformen Bei Standardprodukten: Typische Plattformen der Zielgruppe Genaue Ausgestaltung (z. B. zu verwendende Versionen) überprüfen Vorhandenen Entscheidungsspielraum ausloten Plattform-Architektur des Zielsystems Grundlage für die zu entwickelnde Software-Architektur (muss passen) Plattform-Architektur beschreibt Schnittstellen, Dienste, Produkte Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 3

4 Beispiele für verschiedene Architekturstile Objektorientiert Client Server Pipes and Filters Repository (Shared Data) Layered Ajax Web-Architekturen, Mehr-Schichten Architekturen Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 4

5 Objekt-orientiert Kapselung von Funktionen und Daten Verteilte Verarbeitung, Objektgraph Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 5

6 Pipes and Filters Rohre und Filter : Lineare, Sequenzielle Verarbeitung Daten wandern durchs System Pipe Weiterleitung, ggf. Pufferung Filter Verarbeitet Eingabe- zu Ausgabedaten Beispiele Programmierung: Präprozessor Compiler Linker Digitalkamera: Bilderfassung Farbkorrektur Bildeffekte Bildkompression Streamverarbeitung, z. B. Java Streams Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 6

7 Pipes and filters: UNIX Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 7

8 Shared Data (Repository) Gemeinsam genutzte, zentrale Daten Funktionen lesen und ändern die zentralen Daten Beispiele: Datenbanken Shared Data (Repository ) Software-Entwicklung: Zentrales Versionsmanagement-System Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 8

9 Steuerung Wie werden die einzelnen Filter oder Funktionen aufgerufen? Unterschiedliche Möglichkeiten Zentrale Steuerung Die einzelnen Filter oder Funktionen rufen sich gegenseitig auf Jede Funktion ruft die nachfolgende auf (Push-Prinzip) Jede Funktion fordert die Ergebnisse der vorangehenden an (Pull- Prinzip, bei Pipes and Filters) Ereignisgesteuert (implicit invocation) Jede Funktion abonniert bestimmte Ereignisse, auf die sie reagiert Der Abschluss einer Funktion kann selbst wieder ein Ereignis auslösen, auf das wiederum andere Funktionen reagieren, usw. Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 9

10 Implicit Invocation / Event Handling Kennzeichen: Hollywood-Prinzip Don t call us, we call you Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 10

11 Realisierung der Benutzungsoberfläche (engl.: widget toolkits ) Je nach Programmiersprache, Verteilung, Plattform, gibt es: GUI-System UI-Toolkit Z. B. Windows, AWT, SWT (s. nächste Folie) I.d.R. stellen Programmierumgebungen Grafikeditoren für E/A-Gestaltung zur Verfügung Vereinfachen die Ansteuerung der Benutzungsoberfläche (auch GUI-System-übergreifend vgl. Motif, MFC, ) Z. B. Objektorientierte GUI-Klassenbibliotheken UI-Builder oder Maskengenerator Generierung der Oberfläche aus grafischem Modell oder ER-Modell oder andere Information (vgl. nächste Folie: Microsoft Expression Blend 4 Web Application Frameworks Scaffolding (CRUD pages) Template Engines (vgl. Smarty) Diskussion: und was ist mit MVC? Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 11

12 Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 12

13 Software-Architektur GUI-System API (Application Programming Interface) Anwendung 1 GUI- System Anwendung n Anwendung i Anwendung 1 Anwendung i OK Grundfunktionalität für grafische Benutzungsoberfläche Verwaltung Fenster und Icons Kommunikation mit Anwendungen AWT: Button b = new Button ( OK ); Swing: Jbutton b = new Jbutton( OK ); Benutzer steuert die Anwendung Anwendung reagiert auf Ereignisse (events) Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 13

14 Drei Schichten-Architektur Die drei Schichten-Architektur ist typische für moderne GUIs Vorausgesetzt, es entstehen keine Abhängigkeiten von unten nach oben Vgl. die Drei-Schichten-Architektur im Client-Server Kontext Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 14

15 Architekturmuster Layered (Schichten) Schichten bilden Abstraktionsebenen Jede Schicht bietet Funktionalitäten an, die von der nächsthöheren Schicht genutzt wird (umgekehrt nicht) Beispiele: ISO/OSI-Schichtenmodell für Kommunikation Hardware Betriebssystem Anwendungssystem Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 15

16 Layered: Android System Architektur Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 16

17 Einsatz von Architekturstilen Die Architekturstile können auf unterschiedlichen Detaillierungsgraden eingesetzt werden Eine Funktion oder ein Filter kann z. B. eine einzelne Methode oder aber eine komplette Komponente oder ein ganzes System sein Die Stile können kombiniert werden Z. B. können die Filter einer Pipes and Filters- Architektur oder die einzelnen Ebenen einer Schichtenarchitektur selbst wieder gemäß dem objektorientierten Stil aufgebaut sein. Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 17

18 Verteilung im Netz Wichtige Konzepte: Client/Server-Architektur Zweistufig / dreistufig Web-Architektur Web-Browser als Client Anwendung und Datenhaltung auf ein oder mehreren Servern Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 18

19 Client/Server Kennzeichen: Verteilung (Daten und Prozesse) Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 19

20 Client/Server-Architektur Eigenschaften Client ist nach der Anmeldung i.d.r. bis zur Abmeldung permanent mit dem Server verbunden Maximale Anzahl der nebenläufigen Benutzer liegt als Anforderung zur Entwurfszeit fest Client/Server-Umgebung ist i.d.r. bekannt und kann beeinflusst werden (z. B. Betriebssysteme, Datenbanken) Entwickler sind sowohl für Client- als auch für Server-Teil verantwortlich Vorteile Nachteile Einfache Verwaltung von Benutzer-Sitzungen Reduzierung der Systemkomplexität durch geeignete Wahl der Laufzeitumgebung Bekannte Zahl nebenläufiger Benutzer erleichtert den Entwurf Skalierung ist aufwendig (d. h. Änderung der maximalen Benutzerzahlen) Client-Software muss auf jedem Client-Rechner installiert werden Plattformänderungen führen zu Änderungsbedarf der Anwendung Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 20

21 Client/Server: Beispiel HTTP Tim Barners-Lee Roy Fielding Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 21

22 REST s. Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 22

23 Zweistufige Client/Server-Architektur Variante 1 Variante 2 Client Benutzungsoberfläche Client Benutzungsoberfläche Anwendung Server Anwendung Server Datenhaltung Datenhaltung Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 23

24 Zweistufige Client/Server-Architektur In der Regel greifen mehrere Clients auf einen zentralen Server zu Clients (PCs am Arbeitsplatz) Server Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 24

25 Web-Architekturen Vorteile Nachteile Erlaubt hohe Benutzerzahl Gute Skalierbarkeit und Wartbarkeit Keine anwendungsspezifische Software auf dem Client zu installieren Sitzungen sind schwierig zu verwalten Es müssen in der Regel unterschiedliche Web-Browser unterstützt werden Probleme bei Anwendungen mit hohen Datentransfer-Raten Es ist nur in begrenztem Umfang möglich, Funktionalitäten auf dem Client auszuführen Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 25

26 Ajax Quelle: Wikimedia Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 26

27 Web-Architekturen: unterschiedliche Schichtenbildung Client enthält Web-Browser Web-Server stellt zusätzliche Schicht dar Verteilung von HTML-Dokumenten, Multimediaobjekten, Java- Applets, die vom Web-Client über HTTP angefragt werden Kommunikation mit Anwendungs-Server Eigenschaften Keine permanente Verbindung zwischen Client und Server Aufbau TCP-Verbindung, Senden einer Anfrage, Rücksendung der Antwort, Beenden der TCP-Verbindung Potenziell unbegrenzte Userzahl Auf die Laufzeitumgebung des Web-Clients haben die Entwickler i.d.r. keinen Einfluss Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 27

28 Wichtige Aussagen Software Architektur ist grundlegendes Rahmenwerk für die Strukturierung Entwurfsentscheidungen basieren auf Einsatzbedingungen Plattform-Architektur des Zielsystems Verteilung der Datenhaltung nicht-funktionalen Produktanforderungen und Qualitätsanforderungen Architekturstile Objektorientiert Pipe & Filter Shared Memory / Repository Implicit Invocation / Event Handling Layered Interpreter Process Control Client/Server Hinweis: Manche Stile können kombiniert werden Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 28

29 Anhang Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 29

30 Dreistufige Client/Server-Architektur Client Benutzungsoberfläche Anwendungs- Server Anwendung Datenbank- Server Datenhaltung Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 30

31 Dreistufige Client/Server-Architektur Clients (PCs am Arbeitsplatz) Kann auch dynamisch zugeordnet werden, je nach Lastverteilung. Anwendungsserver Datenbank-Server Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 31

32 Oracle 10g 3-tier architecture Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 32

33 Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 33

34 Web-Architekturen Client Web-Client Web-Client Web-Client Web-Client Web-Server Web-Server Web-Server Web-Server Anwendungs-Server Anwendungs-Server Daten-Server Server Daten-Server 2-Schichten 3-Schichten 4-Schichten Daten-Server 4-Schichten partitioniert Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 34

35 Service-orientierte Architektur (SOA) Quelle: Liebhardt, SOA goes real Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 35

36 Aufgabe Gegeben ist der folgende Java-Code zur Berechnung der Kosten einer Reise public class Reisekostenrechner { Dies ist der wichtige Teil } public static void main(string[] args) { Reisegenerator generator = new Reisegenerator(); Uebernachtungsrechner uebernachtungsrechner = new Uebernachtungsrechner(); Fahrtkostenrechner fahrtkostenrechner = new Fahrtkostenrechner(); Gesamtkostenrechner gesamtkostenrechner = new Gesamtkostenrechner(); Reisedrucker reisedrucker = new Reisedrucker(); Reise reise1, reise2, reise3, reise4; } reise1 = reise2 = reise3 = reise4 = generator.generierereise(); uebernachtungsrechner.berechneuebernachtung(reise1); fahrtkostenrechner.berechnefahrtkosten(reise2); gesamtkostenrechner.berechnegesamtkosten(reise3); reisedrucker.drucke(reise4); public class Reise implements Cloneable { public int dauerintagen; public float uebernachtungspreis; public int km; public float kmpreis; public float uebernachtungskosten; public float fahrtkosten; public float gesamtkosten; } public Object clone(){ try{ return super.clone(); } catch( CloneNotSupportedException e ){ return null; } } public class Reisegenerator { Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 } public Reise generierereise(){ Reise r = new Reise(); r.dauerintagen = 5; r.uebernachtungspreis = 100.0f; r.km = 200; r.kmpreis = 0.3f; return r; } Fortsetzung nächste Folie 36

37 Aufgabe (Fortsetzung) public class Uebernachtungsrechner { } public Reise berechneuebernachtung(reise reise){ Reise ergebnis = (Reise)reise.clone(); ergebnis.uebernachtungskosten = ergebnis.dauerintagen * ergebnis.uebernachtungspreis; return ergebnis; } public class Fahrtkostenrechner { Aufgabe Um welchen Architektur-Stil handelt es sich? Welches Steuerungskonzept wird verwendet? } public Reise berechnefahrtkosten(reise reise){ Reise ergebnis = (Reise)reise.clone(); ergebnis.fahrtkosten = ergebnis.km*ergebnis.kmpreis; return ergebnis; } public class Gesamtkostenrechner { } public Reise berechnegesamtkosten(reise reise){ Reise ergebnis = (Reise)reise.clone(); ergebnis.gesamtkosten = ergebnis.fahrtkosten + ergebnis.uebernachtungskosten; return ergebnis; } public class Reisedrucker { public void drucke(reise reise){ System.out.println(); System.out.println("Uebernachtungskosten " + reise.uebernachtungskosten); System.out.println("Fahrtkosten " + reise.fahrtkosten); System.out.println("Gesamtkosten " + reise.gesamtkosten); } } Prof. A. Müller, FH KL Software Engineering Sommer '15 37