软件体系结构教学研究

(1.安徽大学 计算机科学与技术学院,安徽 合肥 230039;2.合肥工业大学 管理学院,安徽 合肥 230009)

摘要:在分析软件体系结构课程特点及面临的挑战的基础上,讨论了该课程的教学目的,提出了以学生为中心、基于案例的教学方法。教学实践证明提出的教学模式能够激发学生的学习兴趣,帮助学生更好地掌握本课程的理论和方法。

关键词:软件体系结构;软件案例;教学方法

中图分类号:G642文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)28-7974-03

Software Architecture Teaching Research

SHU Yong-an1, LUO Bin1, ZHU Fang-yi2

(puter Science and Technology Institute, Anhui University, Hefei 230039, China; 2.Management Institute, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract: On the basis of analyzing the characteristics of software architecture course and the challenges faced, this paper discussed the teaching goals and proposed student-centric and case-based teaching methods. The teaching process proved that the teaching mode can stimulate students' learning interest and help them master the theories and methods of the course.

Key words: software architecture; software case; teaching method

随着信息产业的发展,软件系统规模越来越大、越来越复杂,对整个软件系统的结构和规格的说明比起对计算的算法和数据结构的选择显得更加重要。这使得软件体系结构日益成为软件工程领域的一个主要热点。早期的研究人员如Mary Shaw[1]等认为体系结构类似于全局设计。这种观点强调设计模式、体系结构模式和用某种体系结构描述语言(ADL:Architectural Description Language)对最终的体系结构进行描述。另一种广义观点认为,软件体系结构主要是对不同风险承担者的不同质量目标进行权衡。这样,软件体系结构设计就变成一种平衡行为,对涉及到的所有风险承担者的功能和质量需求的集合进行协调,最终形成一个满足这些需求的全局设计。这种观点正被越来越多的人所接受[2]。

软件体系结构在设计大型复杂软件系统中的重要作用是软件体系结构课程产生的主要原因。“软件体系结构”作为高等学校软件工程专业的一门核心课程,是对软件开发、研究过程中形成的软件体系结构理论成果和实践经验的总结。

1 课程特点及面临的挑战

1.1 软件体系结构课程特点

1) 软件体系结构的概念、原理和方法较为抽象。本课程使用文献[2]中的软件体系结构定义:一个程序或计算系统的软件体系结构是该系统的结构,包括软件的元素,这些元素的外部可视属性以及这些元素间的关系。由于软件体系结构主要处理算法与数据结构之上关于整体系统结构设计和描述方面的一些问题,如全局组织和全局控制结构,关于通讯、同步与数据存取的协议,设计构件功能定义,物理分布与合成,设计方案的选择、评估与实现等[3],因此它的原理和方法较为抽象。

2) 软件体系结构是降低开发复杂软件系统风险的工具。传统的软件开发过程可以划分为从概念直到具体实现的若干个阶段,包括问题定义、需求分析、软件设计、软件实现及软件测试等。软件体系结构的建立在需求分析之后,软件设计之前。软件体系结构设计是尽早地做出体系结构方面的重要决策,这些决策在后来的软件开发过程中很难更改。尽早做出正确的决策的目的是为了降低后来改变它们的风险。软件体系结构的目标是建立满足关键需求的系统,而不是设计一个完美的体系结构。这样,产业中的软件体系结构师必须决定哪些体系结构关注点需要仔细处理,哪些关注点可以少注意,以及如何在冲突的关注点间进行平衡。

3) 软件产业环境同软件体系结构教学中的典型练习有很大差别。软件体系结构师不能简单把某种体系结构风格或模式应用于系统变化。软件体系结构师应理解已有的体系结构及其局限性,找出可行的方法去解决新的需求或存在的问题,并评价该方法对体系结构的影响。

4) 一个软件项目涉及很多软件体系结构师和开发人员,与其他软件体系结构师交流并作出共同的决策是常见的工作模式。软件体系结构师和软件体系结构课程学生都应学会如何在一个软件体系结构设计过程中共同承担责任以及在其他人设置很多体系结构约束条件的环境中工作。

1.2 软件体系结构课程教学面临的挑战

一般来说,软件体系结构教学面临以下挑战:学生对现实生活中的软件体系结构挑战没有较多的经验,他们对较难的高层设计任务接触较少。另外,学生对应用领域的熟悉程度还不足以设计该领域的软件体系结构。因此,由于有限的能力和时间,大学课程的设计问题往往从零开始。这与产业环境形成鲜明对照。在产业环境中,体系结构师需要考虑很多已有的软件和系统。与大学的课程练习相比,实际应用中的体系结构决策往往预先受到严格的约束。另外,学生常常有一种心理模式,期望对明确描述的问题去寻找清晰的答案。当遇到松散描述的问题或模糊的问题时,他们往往感到困惑。因此,在大学的软件体系结构课程中开放性问题的解决难度较大。

2 软件体系结构课程的目的

1)学生应该掌握软件体系结构的有关概念,如视图,软件体系结构风格,设计模式等。通过理论和实验教学,使学生具有一定的体系结构设计经验,提高学生处理复杂软件体系结构设计问题的能力。

2)本课程要求教学中提出和要解决的问题对学生具体明确。本课程更多的是通过“做”来学习,“做”主要是构建一个背景来讨论和理解教学内容。

3)本课程在教学过程中强调软件体系结构设计是一个团队活动而不是单个软件体系结构师的个人任务。

4)学生应该知道如何开发一个软件体系结构的不同软件体系结构视图,解决不同风险承担者的关注点,我们使用文献[4]作为模型。

5)学生应懂得软件体系结构的特性。一个软件体系结构从来没有对错之分,至多是能够更好地满足某些环境,它需要在不同风险承担者的关注点间做出大量的平衡。也许存在不同的可接受的解决方案,但最终选择的解决方案依赖于如何在不同风险承担者的关注点间做出平衡[5]。

6)学生应该学会如何评价一个软件体系结构。这给予学生学习和评价一组体系结构决策和平衡的机会。评价活动有助于学生深入了解不同体系结构方案的边界。在评价过程中,学生会理解其它关注点被选中时对该体系结构造成的影响,形成对体系结构描述的质量目标的整体印象。由于评估涉及到要向各风险承担者解释软件体系结构以及导致该软件体系结构的各个决策,这进一步强调了软件体系结构中沟通交流的重要性。

3 基于案例的软件体系结构教学

3.1 课程主要内容

对于大学四年级学生,本课程主要强调概念、原理、方法和实验。课程内容框架如下[6-7]:1)软件体系结构概论;2)软件体系结构建模;3)软件体系结构风格;4)软件体系结构模式;5)软件体系结构描述;6)动态软件体系结构;7)Web服务体系结构;8)基于体系结构的软件开发;9)软件体系结构评估。

根据上述框架,我们首先分析了软件体系结构在软件开发周期中的作用。鉴于目前软件体系结构还没有一个精确的定义,我们讨论了几个有代表性的软件体系结构定义,对它们之间主要区别进行比较。然后我们介绍了如何对软件体系结构进行建模,通过实例重点强调“4+1”模型。

本课程占用较多课时讨论了一些经典的和流行的软件体系结构风格和模式,通过教学案例的讲解和实验,学生应掌握并能够应用这些风格和模式。

为对很多有用的体系结构范例(过程控制、客户机/服务器等)进行统一的描述,需要建立形式化的、规范的描述来对软件体系结构进行表示和推理。我们介绍了多种软件体系结构描述语言,重点介绍基于UML的软件体系结构描述语言并要求学生能够使用该类语言描述一些经典的软件体系结构。

动态软件体系结构是软件体系结构重要研究方向之一,主要研究那些具有特殊使命且需要长期运行的软件系统在运行时刻体系结构的变动。我们主要讨论基于构件的动态系统结构模型和动态体系结构描述语言。

Web服务体系结构是当前流行的软件体系结构之一。我们通过实例详述如何调用Google公司的Web Service接口进行基于Web服务体系结构的软件开发。

在掌握上述内容之后,我们导入基于体系结构的软件开发模型,该模型把整个基于体系结构的软件过程划分为体系结构需求、设计、文档化、复审、实现、演化等六个子过程。

通过具体的实例来评价软件体系结构是本课程教学的重要环节之一。我们主要讨论体系结构权衡分析方法(architecture tradeoff analysis method,ATAM)。通过分析软件体系结构对系统的使用或修改活动的支持程度来判断该体系结构对相关的质量需求的满足程度。例如,用一系列对用户需求的变动来反映易维护性方面的需求,用一系列攻击性操作来代表安全性方面的需求等。

3.2 教学案例

由于本课程内容较为抽象,而学生的设计经验不足,仅根据教材内容授课难以取得较好的效果。为此我们采取以案例为主的方法,将抽象的理论和具体的案例结合起来。案例的选取遵循以下原则:一是案例的选取来源于实际的应用系统。一个应用系统往往较为庞大,我们对其进行加工提炼,以适合课堂教学,学生掌握后,能应用于实际,提高软件开发能力。二是案例的选取紧紧围绕教学内容和当前软件行业发展的状况。本课程围绕软件体系结构设计模式、风格以及当前流行的软件体系结构等教学重点选取案例。三是案例能进行功能扩充。我们在每个案例中留置接口,要求学生在实验课中结合其它课程知识,对教学案例进行扩充。这样不仅有助于学生对教学内容的掌握,而且能够培养学生的动手能力。

我们在教学过程中使用的典型案例有:

1)设计模式案例:MVC、Observer、Singleton和Proxy。以MVC为例,我们在JAVA JDK及Netbeans环境下实现如下功能:当用户在图形化用户界面输入一个圆的半径时,图形用户界面画出该圆,程序显示该圆的半径、周长和面积;当用户在图形化用户界面上拖动表示圆半径的滑块时,自动显示圆的半径、周长和面积,并在图形界面上画出图形。该案例把交互系统的组成分解成模型(M)、视图(V)、控制(C)三种构件。通过该案例的学习,学生能很快领会基于MVC的程序设计思想。

2)软件体系结构风格案例:客户机/服务器(C/S)、浏览器/服务器(B/S)风格。以B/S风格为例,我们在Java JDK、Myeclipse及Tomcat环境下实现计算机学院学生学籍管理系统。通过本案例的学习,要求学生掌握C/S、B/S风格的应用。

3)Web Service案例:Googlesearch。本案例调用Google公司的web service,使得程序可以发送查询,并且接受和打印查询得到的结果。通过该案例的学习,要求学生掌握调用Web service的方法。

4) 体系结构评估案例:文章中查找和重组关键词系统(Key Word In Context,KWIC)。

KWIC系统的基本功能是,输入一些句子,KWIC系统把这些句子中的词循环移位转变为新的句子,然后按字母顺序进行输出。本案例采用共享内存、抽象数据类型、隐式调用和管道过滤器四种方案分别实现,要求学生对上述方案进行比较,进行体系结构评估。

4 教学方法

1)激发学生的学习兴趣。本课程的对象是大学高年级学生,他们面临就业和考研的压力。教师在课堂上灌输抽象的概念和模型会使学生觉得枯燥无味,课堂气氛沉闷。我们在重点章节首先讨论有特色的案例,引导学生对案例的源代码进行逆向工程,然后得到软件体系结构。例如,在讲解Web服务体系结构时,我们通过分析Googlesearch案例来分析Web服务体系结构模型,使用Googlesearch来搜索“安徽大学”相关信息并与Google公司搜索平台的结果相比较,从一开始就引起学生的浓厚兴趣。

2)更新教学内容。由于教材内容往往不能及时反映软件体系结构理论和实践的最新进展,我们在教学过程中穿插最新的学术论文,引导学生关注一些热点问题,使得教学内容与时俱进。我们还同有关高校实验室和具有一定规模的IT公司保持联系,借鉴它们的实践经验充实教学案例。

3)分组案例研究。我们将学生分为多个小组,每组3到4人。我们将从工程项目和书籍中收集的案例集中起来,供每组学生选择。每组学生可以从案例的源代码中抽象出软件体系结构,也可以分析某些案例的体系结构风格或模式,或者对有些案例提出其它的解决方案等。在此过程中,小组中的每个学生担任一个或多个风险承担者。每个小组作为其它小组工作的评价者。最后每组就相关内容以PPT形式作一个报告,时间为20分钟,老师和其它小组成员给出评定成绩。实践表明该方法能充分调动学生的学习积极性。

4)实验平台建设。本课程的教学应使学生通过这门课的学习,能够综合运用其它专业知识,在实际工作中进行基于体系结构的软件开发。为此我们设计几个规模较大、结构较为完整的软件项目作为实验平台,比如客户机/服务器(C/S)、浏览器/服务器(B/S)和Googlesearch等,此类项目包括体系结构需求、体系结构设计、体系结构文档化、体系结构复审、体系结构实现和体系结构演化。我们要求学生以团队形式在平台上自定应用领域实践自己的设计方案或对已有的方案进行扩充。通过让学生开发他们自己的体系结构视图和视点,让他们决定要解决的关注点,对同一问题,得出一系列不同的解决方案。学生可以从不同的解决方案中吸取教训,从质量优先级的角度评价不同解决方案的差别。实验课程结束,要求每个团队提交规定的文档,向全班演示实验结果,由老师和同学集体进行评价,给出成绩。实践表明,实验课的教学培养了学生的团队精神,进一步加强了学生对基于体系结构软件开发过程的掌握。

5 结论

针对软件体系结构课程的特点和学生的状况,我们在教学内容、教学方式等方面进行改进,逐步形成以案例为导引、以学生为中心的教学模式,充分调动学生的学习积极性。通过本课程的学习,学生能够很好地掌握软件体系结构的理论、方法和技术,具备一定的基于体系结构软件开发能力。

参考文献:

[1] Shaw M. Toward Higher Level Abstractions for Software Systems[J]. Data & Knowledge Engineering. Netherland:Elsevier Science Publishers B. V.1990,5(2): 119-128.

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