【成为架构师课程系列】怎样进行概念架构（Conceptual Architecture）？

目录

前言

什么是概念架构

概念架构阶段的3个步骤

 初步设计

高层分割

分层式概念服务架构

Layer:逻辑层 

Tier: 物理层

按通用性分层

技术堆叠

考虑非功能需求

【禅与计算机程序设计艺术：更多阅读】

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前言

胜兵先胜而后求战，败兵先站而后求胜。 -- 孙子，《孙子兵法 . 形篇》

人们常常使用战术，而忽略了战略。战略要求从大局上把握整个架构与设计......架构错误的代价非常高。 -- Stephane Faroult, 《SQL语言艺术》

架构新手和有经验的架构师的区别之一，在于是否懂得，并能有效的进行概念架构设计。作为架构新手，尤其害怕碰到自己没有做过的系统：系统较大时，一点祭出“架构 = 模块 + 接口”的发布却不太奏效，架构新手就往往乱了阵脚。

有经验的架构师不会一上来就关注与如何定义“接口”，他们在大型架构设计的早期，比较注重识别重大需求、特色需求、高风险需求（抓重点关键问题），据此来设计概念架构。

另外，概念架构设计还是投标及售后工作的有力武器。金牌售前和普通售前的一个重要区别是，能否清晰的讲解概念架构，并借此说明 “客户关系的价值如何实现、担心的问题如何解决”。

”Use Case驱动“的观点既有积极意义，也有不利影响。从积极的方面看，Use Case这种需求描述方式确实有助于分析模型，设计模型，实现模型和测试模型的建立.....但是从另一方面看，OOSE对Use Case的依赖程度超出了它的实际能力。 -- 邵伟忠， 《面向对象的系统设计》

顶级设计者在设计中并不是按部就班地采用自顶向下（或自底向上）的方法，而是着眼于权重更大的目标。这些目标通常是难点问题，设计者不能轻易地看出这些问题的解决方案。为了得到整个的设计方案，设计者必须先致力于难点的设计并消除其中的疑惑。 -- Robert L. Glass, 《软件工程的事实与谬误》

概念架构是大型系统架构设计成败的关键。

什么是概念架构

下面是宏伟的金门大桥，这么复杂的架构，桥梁架构师是怎么“开始设计”的呢？

 

答案是：概念架构（Conceptual Architecture）。下图展示了斜拉桥的概念架构示意图。由此图可以看出，概念架构高屋建瓴的给出高层解决方案：索塔负责承重，斜拉索吊起刚性梁。

 

下面，来看看软件行业（来自Dana Bredemeyer等专家）中概念架构的定义：

概念性架构界定系统的高层组件，以及它们之间的关系。概念性架构意在对系统进行适当分解，而不陷入细节。借此，可以与管理人员、市场人员、用户等非技术人员交流架构。概念性架构规定了每个组件的非正规约及架构图，但不涉及接口细节。(The Conceptual Architecture identifies the high-level components of the system, and the relatiooonships among them. Its purpose is to direct attention at an appropriate decomposition of the system without delving into details. Moreover, it proovides a useful vehicle for coommunicating the architecture to non-technical audiences, such as management, marketing, and users. It consists oof the Architecutre Diagram (without interface detail) and an informal component specification for each component.)

根据定义，我们注意到如下几点：

• 概念架构满足“架构 = 组件 + 交互”的基本定义，只不过概念架构仅关注高层组件(high-level components)。
• 概念架构对高层组件的“职责”进行笼统的界定（informal specification），并给出了高层组件之间的相互关系(Architecture Diagram)。
• 概念架构不应涉及接口细节(withouot iinterface detaiil)。

概念架构阶段的3个步骤

概念架构设计分为3个步骤：

1. 初步设计：基于关键功能，借助鲁棒图进行以发现职责为目的的初步设计。这一步并不总是需要，但对于架构师而言，是“新系统”就必须重视这一步。
2. 高层分割：对系统这个黑盒子进行高层切分，例如切分复杂系统为多个二级系统，或者直接切分系统为具体子系统。
3. 考虑非功能需求：概念架构 ≠ 理想化架构，所以不仅要考虑功能，也必须考虑非功能。

 初步设计

好的开始是成功的一半。 -- 谚语

所谓鲁棒性分析时这样一种方法： 通过分析用例规约中的事件流，识别出实现用例规定的功能所需要的主要对象及其职责，形成以职责模型为主的初步设计 -- 温昱，《软件架构设计》

Conceptual Architecture阶段包含3个步骤：

• 第1步，初步设计。
• 第2步，高层分割。
• 第3步，考虑非功能需求。

 

高层分割

复杂性是层次化的。 -- Frederick.P.Brooks,《人月神话》

分析与综合是思维方向相反的过程。一部是先分析后综合，没有分析就不能综合；没有综合的分析，也只有片面的分析。 -- 肖纪美，《梳理人、事、物的纠纷：问题分析方法》

“架构 = 模块 + 接口”的做法，其不足可概括为两点。

第一，忽视了多视图。“模块 + 接口”仅是逻辑架构设计视图的核心内容，而软件系统的架构设计还可能涉及开发视图、运行视图、物理视图、数据视图等多方面的考虑。

第二，忽略了概念架构设计。对规模较大的系统而言，都必须先根据重大风险（包含功能方面、质量方面、约束方面），有针对性的制定包括“高层分割”在内的设计决策，然后才是“模块 + 接口”一级的设计。

那么，如何对软件系统进行“高层分割”呢？这属于Conceptual Architecture阶段第2步的工作。

例子：PM系统的高层分割，采用了经典的4层架构方式。

 

分层式概念服务架构

人们常说，“分层式最流行的架构模式”。从字面上理解，这似乎意味着大家所进行的“分层”在思想层面上是一致的。但事实并非如此。在实践中，分层有不同的角度，并且互不矛盾。通常会总结为“3 + 1”流派。

• Layer：逻辑层
• Tier：物理层
• 按通用性分层
• 技术堆叠

Layer:逻辑层 

逻辑层(Layer)重视职责的划分，职责之间常常是上层使用下层的关系--但是根本不关心上层和下层是否“能分布”在不同机器上。

 

图片来源：Layered Business Architectures: Logical Structures

• 图中的Services层对下层Domain Model部分的访问，是一种跨机器的远程访问吗？

答案是：不知道，也不关心。整个架构图中的箭头表示的是逻辑上服务使用关系，而对物理角度是否是跨机器的访问方式并不关心。

按Layer分层 ≠ 按Tier分层。

• 图中的User Interface、Services、Domain Model和Persistent Data是通用性逐渐增加吗？（”通用性越大，所处层次就越靠下“是按通用性分层的常见方式。）

答案是：无法确定那一层更通用。例如，作为最下层的Persistent Data层本来支持硬盘，但后来要支持磁盘阵列，再后来要支持SAN（存储区域网络），这都要求存Persistent Data层要有针对性的进行改变。

按Layer分层 ≠ 按通用性分层。

Tier: 物理层

物理层(Tier)指”能分布“在不同机器上的软件单元，不同的物理层之间必须有跨机器访问的能力--可以通过远程调用、或通讯协议等方式。

 

图片来源：Oracle Application Server Containers for J2EE

关于Tier这种分层方式， 最需要强调的是，几层(Tier)架构是看”能分布“的能力，不是看”实际部署情况“。

我们常说的Java EE应该是N-Layer的，因为从逻辑上来看，Java EE里面有表现层、业务逻辑层和数据持久层。从物理上而言，这3层可以在不同的Tier上（表现层在PC上，业务逻辑层在应用服务器上，数据持久层在数据库服务器上），也可以在一个Tier上，比如Martin说过，如果把数据库、应用服务器和浏览器都装在一台电脑上，那么3-layer就在1-tier上了。

这段话问题不小。

毕竟，”N-Tiers架构“的一大好处是可伸缩性--业务量小的时候将N个Tier都部署在同一台机器上 ，等业务量大的时候再为每个Tier单独安排一台或一组机器，这恰恰是"N-Tiers架构"的目标！所以，一个系统如果架构设计时是”4-Tiers架构“的，并且开发时也实现了这一点，那么把它们部署在同一台机器上并没有改变”4-Tiers架构“。最终，工程师的实际部署方案觉得了系统是几层(Tier)架构，这未免荒唐。

其实，总结出”3级“映射关系（而不是”两级“）就清楚了：

逻辑层Layer -> 物理层Tier -> 一台或一组计算机

关于按Tier分层 ，再看一例：微软的Azure虚拟网络系统，很明确的进行了不同的tier的划分，各层之间必然是能以进行跨机器方式的协议互相通讯的（只不过每个Tier的部署规模比较大罢了）。

图片来源：Azure中具有Apache Cassandra的Linux多層式架構 (N-tier) 應用程式

按通用性分层

严格来讲，按通用性分层是另一种Layer，但是，绝对有必要让它”独立门户“以引起实践者的足够重视。

按通用性分层式只：将通用性不同的部分划归不同的层，以此作为系统的总体切分方式。

一般而言，通用程度越大，所处层次就越靠下。

 

不同，嵌入式系统的分层架构有所不同：通用性最强的层位于中间，硬件相关的部分，以及应用特点部分分布位于下层和上层。

 

这种“中间通用、上下专用”的分层方式对可移植性关键的通信系统、控制系统、软件平台等情况都非常重要。

技术堆叠

技术堆叠不是独立的架构，而是基于分层架构（或其他架构模式）提供的进一步说明。

下面这个两个架构模式都是按Tier分层，并明确了各个技术点。

图片来源：I Love the Java Jive: J2EE for Oracle Technologists

图片来源：Category Archives: Day 15. Understanding J2EE Architecture

另一个例子，基本架构模式是基于通用性分层的，也加入技术堆叠的描述。

图片来源：Java SpringMVC

考虑非功能需求

架构不仅仅是系统功能需求的结果 -- Len Bass, 《软件架构实践(第二版)》

在我们当中，有不少人一厢情愿的认为：只要所开发出的系统完成了用户期待的功能，项目就算成功了，但这并不符合实际。 -- 温昱,《软件架构设计》

《软件架构设计》一书中指出，“其实任何作为复合整体的复杂事物，都有可能有架构，比如一本书”。“非功能目标的考虑”在ADMEMS方法中不是一个阶段，而是一个贯穿环节。

我们接下来讨论的重点是贯穿案例 -- PASS系统概念架构设计的第3步，考虑非功能需求。

概念架构 ≠ 理想化架构

• 重大需求塑造概念架构。这里的 “重大需求”应涵盖功能需求、质量及约束3类需求中的关键部分。
• 概念架构是一个“架构设计阶段”，必须在细化架构设计阶段之前，针对重大需求、特色需求、高风险需求，形成稳定的高层架构设计成果。
• 如果只考虑“功能需求”来设计概念架构，将导致概念架构沦为“理想化架构”，这个脆弱的架构不久就会面临“大改”的压力，甚至直接导致投标等工作失败。

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