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ARQUITETURA DE SOFTWARE 1

Introdução • O que é arquitetura?

• Disposição das partes ou elementos de um edifício ou espaço urbano. [Aurélio]

• A estrutura e organização lógica de funcionamento de um sistema computacional. [Aurélio]

• Considerando essas definições, como desenvolver sistemas mais complexos, sem pensar em sua arquitetura??

• Como fica a qualidade desses sistemas sem “cuidar” da arquitetura??

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Introdução • À medida que a complexidade e o tamanho dos

sistemas de software têm aumentado, engenheiros de software têm lançado mão de princípios de projeto, tais como a modularização e o ocultamento da informação, de modo a obter sistemas com maior qualidade e a um baixo custo.

• Para isso, o projeto da estrutura global do software (arquitetura de software) é uma questão que vem sendo considerada.

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Motivação

• Projetos simples podem ser realizados por uma única pessoa • Pouca modelagem

• Ferramentas simples

• Processo simples

• Pouco projeto

• Pouca especialização para construir 4

Motivação

• Projetos complexos/Maiores exigem arquitetura • Mais modelagem

• Ferramentas mais poderosas

• Processos mais bem definidos

• Mais projeto

• Alta especialização para construção 5

Visões Arquiteturais • Para um edifício, são usados tipos diferentes de plantas para

representar diversos aspectos da arquitetura.

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Visão 4+1 da Arquitetura - RUP

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Visão Lógica

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Visão de Implementação

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Visão de Processo

• Focaliza assuntos como concorrência e paralelismo, tolerância a falhas e objetos distribuídos.

• Interoperabilidade

• Escalabilidade

• Disponibilidade

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Visão de Implantação

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Visão de Casos de uso

• Contém alguns cenários-chave usados para dirigir a descoberta e projeto da arquitetura e posteriormente, para validar as diferentes visões.

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Arquitetura é o elemento central do desenvolvimento de sw

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Introdução • A arquitetura de software é dita como tendo

principal papel na determinação da qualidade e da manutenibilidade do software.[Wasserman, 1996]

• Os atributos de qualidade dos sistemas de software são estreitamente relacionados às suas arquiteturas. [SEI, 2005]

• Atributos de qualidade:

• performance/desempenho, confiabilidade, manutenibilidade, portabilidade,...

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O que é arquitetura de software?

• “Uma arquitetura de software deve conter: a definição dos elementos de projeto que compõe o software; a descrição das interações entre estes elementos; os padrões de composição dos elementos; e um conjunto de restrições sobre estes padrões.”

[Shaw 96]

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O que é arquitetura de software?

• “A descrição da arquitetura de software é um passo intermediário entre a análise de requisitos e o projeto. Esta descrição consiste de elementos arquiteturais, as interações entre estes elementos, e as restrições sobre estes elementos e sobre as suas interações.”

[Perry 92]

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Definições

• Instância arquitetural:

• Refere-se à arquitetura de um determinado sistema de software.

• Estilo arquitetural:

• Definem as restrições sobre a forma e a estrutura de uma família de instâncias arquiteturais. Exemplos: • Camadas (duas, três ou quatro camadas)

• Pipes and Filters

• Centrada na base de dados

• Cliente-Servidor

• Estilos resultantes da combinação de estilos arquiteturais.

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Estilo arquitetural • Permite que um profissional (projetista, arquiteto ou

engenheiro) determine a classe a qual pertence a organização de um sistema.

• O que ajudam a identificar o estilo que retrata a arquitetura de software do sistema? • Características dos componentes (subsistemas) e conectores do

sistema

• Topologia da arquitetura

• Restrições semânticas

• Mecanismos de interação entre os componentes.

• O uso de estilos arquiteturais no desenvolvimento de software facilita:

• a comunicação entre as pessoas envolvidas no desenvolvimento

• o entendimento do projeto em desenvolvimento

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Vantagens de uma arquitetura explícita • Comunicação entre stakeholders

• A arquitetura pode ser utilizada como o foco de discussão entre os interessados

• Reutilização em larga escala

• A arquitetura pode ser reutilizada em uma variedade de sistemas

• Análise do sistema

• A arquitetura pode ser utilizada para análise preliminar sobre a possibilidade do sistema atender seus requisitos não-funcionais

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Atributos de arquitetura • Performance

• Localizar operações de modo a minimizar a comunicação entre subsistemas

• Segurança

• Utilizar uma arquitetura em camadas com recursos críticos localizados em camadas internas

• Disponibilidade

• Incluir componentes redundantes na arquitetura

• Manutenção

• Utilizar componentes especializados e auto-contidos

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Arquitetura de referência • Alguns autores utilizam os termos estilos arquiteturais e

arquitetura de referência como sinônimos.

• Contudo, arquitetura de referência é: • Uma estrutura que provê uma caracterização das funcionalidades dos

sistemas de software de um dado domínio de aplicação.

• Exemplos:

• ADAGE um arquitetura de referência para o apoio ao desenvolvimento de sistemas de software no domínio de controle de aviões (Batory et al., 1995),.

• Arquitetura de referência para sistemas de comércio eletrônico (Bass et al., 2003).

• Arquitetura de referência para servidores WWW.

• Arquitetura de referência para sistemas baseados em componentes

• Arquitetura de referência para sistemas orientados a serviços 21

Arquitetura de referência

• Constituem um elemento fundamental para o desenvolvimento de linhas de produto (do inglês, product lines)

• Podem também ser consideradas como o primeiro e essencial passo para o desenvolvimento de frameworks de aplicação.

• Propor arquiteturas de referência para sistemas de um dado domínio de aplicação não é uma tarefa trivial.

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Arquitetura de software de domínio específico • Base estrutural para a interoperabilidade de

componentes dentro de um domínio.

• Pode dar apoio a uma abordagem de desenvolvimento de domínio específico que possibilite a configuração de componentes reutilizáveis.

• Compreende um modelo de domínio, requisitos de referência, uma arquitetura de referência, infraestrutura ou ambiente de apoio e um processo de desenvolvimento.

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Projeto arquitetural

• processo de construção de uma arquitetura de software explícita

• ligação entre os processos de especificação e de projeto detalhado de software

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Projeto arquitetural

• Principais atividades

• Decomposição do sistema de software em subsistemas e componentes

• Identificação das interações e comunicação entre eles

• Modelagem arquitetural

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Projeto arquitetural

• Problemas

• O projeto de arquiteturas de software específicas (ainda) é baseado em intuição e experiência

• Métodos pouco ajudam!

• Documentação (arquitetura e decisões)

• Modelagem arquitetural

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Arquitetura de Software

• Elementos [Shaw 96]

• componentes

• conectores

• configurações

• estilos

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Componente • Unidade de computação ou de armazenamento de

dados

• clientes, servidores

• databases

• filtros

• camadas

• ADTs

• Simples ou composto

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Conector

• Elemento que modela

• interações entre componentes

• regras que governam tais interações

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Conector

• interações simples

• chamadas de procedimentos

• acesso a variáveis compartilhadas

• interações complexas

• protocolos cliente-servidor

• protocolos de acesso a base de dados

• broadcast de eventos

• piped data streams

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Configuração • Uma configuração arquitetural ou topologia é um grafo

de componentes e conectores que descrevem a estrutura arquitetural • aderência a regras de estilo

• Componentes compostos são configurações

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Componentes e conectores

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Arquitetura de uma ferramenta CASE

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Tradutor de

projeto

Editor de

projeto

Gerador de

código

Analisador

de projeto

Gerador de

relatório

Editor de

programa

Repositório

de projeto

Sistema de controle robotizado de embalagem

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Sistema

de Visão

Sistema de

identificação de

objetos

Controlador de

braço

Controlador

de garra

Sistema de

seleção de

embalagem

Sistema de

embalagem Controlador de

transportadora

Cliente-servidor

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Rede de banda larga

Cliente 2 Cliente 4

Servidor de

catálogo

catálogo

Servidor de

vídeo

Arquivos de

clipes de filmes

Servidor de

fotografias

Fotografias

digitalizadas

Servidor de

hipertexto

Web de

hipertexto

Cliente 3 Cliente 2 Cliente 3 Cliente 4 Cliente 1

Arquitetura baseada em eventos

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Subsistema

1

Subsistema

2

Subsistema

3

Subsistema

4

Manipulador de eventos e mensagens

Questões

• Como escolher subsistemas e componentes?

• Quais as suas propriedades? E responsabilidades?

• Como componentes interagem?

• Como incorporar e explicitar propriedades não-funcionais?

• Como descrever uma arquitetura?

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Estilos Arquiteturais

Estilo Arquitetural

• Padrões ou idiomas de projeto que guiam a organização de módulos e sub-sistemas em sistemas completos. (Shaw & Garlan)

• Abstração de características de composição e interação recorrentes de um conjunto de arquiteturas. (Taylor)

• Idiomas de projeto “chave” que permitem a exploração de padrões estruturais e evolutivos adequados e que facilitam a reutilização de componentes, conectores e processo. (Medvidovic)

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Estilo arquitetural

• Um estilo arquitetural define uma família de sistemas em termos de um padrão de organização estrutural.

• Um estilo arquitetural define • Um vocabulário de tipos de componentes e

conectores

• Um conjunto de restrições sobre como podem ser combinados

• Um ou mais modelos semânticos que especificam como as propriedades sistêmicas podem ser determinadas a partir das propriedades de suas partes

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Estilos arquiteturais

• O modelo de arquitetura de um sistema pode estar em conformidade com um modelo ou estilo genérico

• Um conhecimento destes modelos pode simplificar o problema de definição de arquiteturas de sistemas

• Sistemas de grande porte, no entanto, são heterogêneos e não seguem um único estilo

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Estilos Arquiteturais Shaw and Garlan, Software Architecture, 1996

• Independent Components

• Communicating Processes

• Event-Driven

• Data Flow

• Batch

• Pipes & Filters

• Data –Centric

• Repository

• Blackboard

• Call & Return

• Layered

• Object Oriented

• Main Program & Subroutine

• Virtual Machine

• Interpretter

• Rule-Based

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Estilos

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Layered systems [Shaw&Garlan94]

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Padrões Arquiteturais POSA

Padrões

• Projetistas e arquitetos experientes…

• procuram aderir a princípios e promover boas práticas de design.

• usam padrões para documentar e reutilizar experiência comprovadamente boa em novos projetos (de software)

• Abordagem orientada a problemas

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O que é um padrão?

• Um padrão é uma regra envolvendo 3 partes, que expressa uma relação entre um certo contexto, um problema e uma solução.

• Contexto

• uma situação que dá margem a um problema

• Problema

• o problema recorrente que surge em tal contexto

• Solução

• uma solução comprovada para o problema.

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Contexto Exemplos

• "your environment is a distributed and possibly heterogeneous system with independent cooperating components".

• "interactive applications with a flexible human-computer interface".

• "building systems that support their own modification a priori".

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Problema Exemplos

• “... From a developer"s viewpoint, there should essentially be no difference between developing software for centralized systems and developing for distributed ones”...

• “User interfaces are especially prone to change requests. When you extend the functionality of an application, you must modify menus to access these new functions”...

• “Software systems evolve over time. They must be open to modifications in response to changing technology and requirements”... 49

Solução Exemplos • “Introduce a broker component to achieve better

decoupling of clients and servers”...

• “Use the Model-View-Controller (MVC). MVC was first introduced in the Smalltalk-80 programming environment. MVC divides an interactive application into the three areas: processing, output, and input”...

• “Make the software self-aware, and make selected

aspects of its structure and behavior accessible for adaptation and change. This leads to an architecture that is split into two major parts: a meta level and a base level”...

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Forças

• “As an element in the world, each pattern is a relationship between a certain context, a certain system of forces which occurs repeatedly in that context, and a certain spatial configuration which allows these forces to resolve themselves”.

• Forças?

• O termo força denota qualquer aspecto do problema que deve ser considerado ao propor a solução.

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Forças Exemplos

• Requisitos que a solução deve atender

• “peer-to-peer inter-process communication must be efficient”

• Restrições a serem consideradas

• “inter-process communication must follow protocol XPTO”

• Propriedades desejáveis

• “changing software should be easy”

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Forças MVC

• O padrão Model-View-Controller especifica duas forças:

• Deve ser fácil modificar a interface do usuário, mas...

• O núcleo funcional do software não deve ser afetada por essa modificação.

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Forças

• Forças discutem o problema a partir de diversos pontos-de-vista e ajudam a compreensão de detalhes

• Forças podem complementar ou contradizer umas às outras.

• Extensibilidade de um sistema versus minimização de seu código

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Padrões arquiteturais Buschman, 1996 • Padrões arquiteturais expressam esquemas fundamentais

para a organização estrutural de sistemas de software

• Padrões arquiteturais oferecem um conjunto pré-definido de subsistemas, especificam suas responsabilidades e incluem regras e orientações (guidelines) para organizar os relacionamentos entre eles.

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Padrões arquiteturais Buschman, 1996

• Distributed Systems • Broker

• Interactive Systems • MVC

• PAC

• Adaptable Systems • Microkernel

• Reflection

• From Mud to Structure • Layers

• Pipes & Filters

• Blackborad

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Categorias

Categorias de Padrões do livro POSA • Justificativa

• Organizar padrões em função da principal propriedade sistêmica global que incorporam

• Categorias • From Mud to Structure

• padrões que ajudam a evitar um ‘mar' de componentes.

• Distributed systems • suporte à estruturação de sistemas com componentes distribuídos

• Interactive systems • facilidade de adaptação de interface do usuário

• Adaptable systems • suporte à extensão de aplicações e sua adaptação à tecnologia em

evolução e à mudança em requisitos não funcionais 57

Client-server

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Client-server Multi-tier

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Broker

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Publish-Subscribe

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Peer-to-peer

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Exemplos

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Referências

• Resources for Software Architects

• http://www.bredemeyer.com/index.html

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