3 Архитектурные паттерны 3.1 Расслоение системы

Привет, мой друг, тебе интересно узнать все про архитектурные паттерны, тогда с вдохновением прочти до конца. Для того чтобы лучше понимать что такое архитектурные паттерны, расслоение системы , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Объектно-ориентированное программирование ООП.

Одно из странных свойств, присущих индустрии программного обеспечения, связано с тем, что какой-либо термин может иметь множество противоречивых толкований. Так, термин "архитектура" пытаются трактовать все, кому не лень, и всяк на свой лад. Впрочем, можно назвать два общих варианта. Первый связан с разделением системы на наиболее крупные составные части; во втором случае имеются в виду некие конструктивные решения, которые после их принятия с трудом поддаются изменению. Также растет понимание того, что существует более одного способа описания архитектуры и степень важности каждого из них меняется в продолжение жизненного цикла системы. Архитектура - весьма субъективное понятие. В лучшем случае оно отображает общую точку зрения команды разработчиков на результаты проектирования системы. Обычно это согласие в вопросе идентификации главных компонентов системы и способов их взаимодействия, а также выбор таких решений, которые интерпретируются как основополагающие и не подлежащие изменению в будущем. Если позже оказывается, что нечто изменить легче, чем казалось вначале, это "нечто" легко исключается из "архитектурной" категории.

архитектурные паттерны рассматривают вопросы посвященные тому, как осуществить декомпозицию системы по слоям (layers) и как обеспечить надлежащее взаимодействие слоев между собой. Многие паттерны, рассмотренные ниже, можно определенно считать "архитектурными" в том смысле, что они представляют "значимые" составные части приложения и/или "основополагающие" аспекты функционирования этих частей. Другие относятся к вопросам реализации.

3.1 расслоение системы

Концепция слоев (layers) — одна из общеупотребительных моделей, используемых разработчиками программного обеспечения для разделения сложных систем на более простые части. В архитектурах компьютерных систем, например, различают слои кода на языке программирования, функций операционной системы, драйверов устройств, наборов инструкций центрального процессора и внутренней логики чипов. В среде сетевого взаимодействия протокол FTP работает на основе протокола TCP, который, в свою очередь, функционирует "поверх" протокола IP, расположенного "над" протоколом Ethernet. Описывая систему в терминах архитектурных слоев, удобно воспринимать составляющие ее подсистемы в виде "слоеного пирога". Слой более высокого уровня пользуется службами, предоставляемыми нижележащим слоем, но тот не "осведомлен" о наличии соседнего верхнего слоя. Более того, обычно каждый промежуточный слой "скрывает" нижний слой от верхнего: например, слой 4 пользуется услугами слоя 3, который обращается к слою 2, но слой 4 не знает о существовании слоя 2. (Не в каждой архитектуре слои настолько "непроницаемы", но в большинстве случаев дело обстоит именно так). Расчленение системы на слои предоставляет целый ряд преимуществ.

Рисунок 1.1 - Компоненты приложения

• Отдельный слой можно воспринимать как единое самодостаточное целое, не особенно заботясь о наличии других слоев (скажем, для создание службы FTP необходимо знать протокол TCP, но не тонкости Ethernet).
• Можно выбирать альтернативную реализацию базовых слоев (приложения FTP способны работать без каких либо изменений в среде Ethernet, по соединению РРР или в любой другой среде передачи информации).
• Зависимость между слоями можно свести к минимуму. Так, при смене среды пере дачи информации (при условии сохранения функциональности слоя IP) служба FTP будет продолжать работать как ни в чем не бывало.
• Каждый слой является удачным кандидатом на стандартизацию (например, TCP и IP — стандарты, определяющие особенности функционирования соответствую щих слоев системы сетевых коммуникаций).
• Созданный слой может служить основой для нескольких различных слоев более высокого уровня (протоколы TCP/IP используются приложениями FTP, telnet, SSH и HTTP). В противном случае для каждого протокола высокого уровня пришлось бы изобретать собственный протокол низкого уровня.

Схема расслоения обладает и определенными недостатками.

• Слои способны удачно инкапсулировать многое, но не все: модификация одного слоя подчас связана с необходимостью внесения каскадных изменений в остальные слои. Классический пример из области корпоративных программных приложений: поле, добавленное в таблицу базы данных, подлежит воспроизведению в графическом интерфейсе и должно найти соответствующее отображение в каждом промежуточном слое.
• Наличие избыточных слоев нередко снижает производительность системы. При переходе от слоя к слою моделируемые сущности обычно подвергаются преобразованиям из одного представления в другое. Несмотря на это, инкапсуляция нижележащих функций зачастую позволяет достичь весьма существенного преимущества. Например, оптимизация слоя транзакций обычно приводит к повышению производительности всех вышележащих слоев. Однако самое трудное при использовании архитектурных слоев — это определение содержимого и границ ответственности каждого слоя.

3.1.1.1 Развитие модели слоев в корпоративных программных приложениях

Понятие слоя приобрело очевидную значимость в середине 1990-х годов с появлением систем клиент/сервер (client/server). Это были системы с двумя слоями: клиент нес ответственность за отображение пользовательского интерфейса и выполнение кода приложения, а роль сервера обычно поручалась СУБД. Клиентские приложения создавались с помощью таких инструментальных средств, как Visual Basic, PowerBuilder и Delphi, предоставлявших в распоряжение разработчика все необходимое, включая экранные компоненты, обслуживающие интерфейс SQL: для конструирования окна было достаточно перетащить на рабочую область необходимые управляющие элементы, настроить параметры доступа к базе данных и подключиться к ней, используя таблицы свойств.

Если задачи сводились к простым операциям по отображению информации из базы данных и ее незначительному обновлению, системы клиент/сервер действовали безотказно. Проблемы возникли с усложнением логики предметной области — бизнес-правил, алгоритмов вычислений, условий проверок и т.д. Прежде все эти обязанности возлагались на код клиента и находили отражение в содержимом интерфейсных экранов. Чем сложнее становилась логика, тем более неуклюжим и трудным для восприятия делался код. Воспроизведение элементов логики на экранах приводило к дублированию кода, и тогда при необходимости внести простейшее изменение приходилось "прочесывать" всю программу в поисках одинаковых фрагментов.

Одной из альтернатив было описание логики в тексте хранимых процедур, размещаемых в базе данных. Языки хранимых процедур, однако, отличались ограниченными возможностями структуризации, что вновь негативно сказывалось на качестве кода. Помимо того, многие отдали предпочтение реляционным системам баз данных, поскольку используемый в них стандартизованный язык SQL открывал возможности безболезненного перехода от одной СУБД к другой. Хотя воспользовались ими на практике только единицы, мысль о возможной смене поставщика СУБД, не связанной со сколько-нибудь ощутимыми затратами, согревала всех. А наличие жесткой зависимости языков хранимых процедур от конкретных версий систем фактически разрушало эти надежды.

По мере роста популярности систем клиент/сервер набирала силу и парадигма объектно-ориентированного программирования, давшая сообществу ответ на сакраментальный вопрос о том, куда "девать" бизнес-логику: перейти к системной архитектуре с тремя слоями, в которой слой представления отводится пользовательскому интерфейсу, слой предметной области предназначен для описания бизнес-логики, а третий слой представляет источник данных. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . В этом случае удалось бы разнести интерфейс и логику, поместив последнюю на отдельный уровень, где она может быть структурирована с помощью соответствующих объектов.

Несмотря на предпринятые усилия, движение под знаменем объектной ориентации в направлении трехуровневой архитектуры было еще слишком робким и неуверенным. Многие проекты оказывались чрезмерно простыми, что отнюдь не вызывало у программистов желания покинуть наезженную колею систем клиент/сервер и связать себя новыми обязательствами. Помимо того, средства разработки приложений клиент/сервер с трудом поддерживали трехуровневую модель вычислений либо не предоставляли подобных инструментов вовсе.

Радикальный сдвиг произошел с появлением Web. Всем внезапно захотелось иметь системы клиент/сервер, где в роли клиента выступал бы Web-обозреватель. Если, однако, вся бизнес-логика приложения сосредоточивалась в коде толстого клиента, при переходе к Web-интерфейсу приходилось пересматривать ее полностью. А в удачно спроектированной трехуровневой системе достаточно было просто заменить уровень представления, не затрагивая слой предметной области. Позже, с появлением Java, все увидели объектно-ориентированный язык, претендующий на всеобщее признание. Появившиеся инструментальные средства конструирования Web-страниц были в меньшей степени связаны с SQL и потому более подходили для реализации третьего уровня.

При обсуждении вопросов расслоения программных систем нередко путают понятия слоя (layer) и уровня, или яруса (tier). Часто их употребляют как синонимы, но в большин-стве случаев термин уровень трактуют, подразумевая физическое разделение. Поэтому системы клиент/сервер обычно описывают как двухуровневые (в общем случае "клиент" действительно отделен от сервера физически): клиент - это приложение для настольной машины, а сервер — процесс, выполняемый сетевым компьютером-сервером. Я применяю термин слой, чтобы подчеркнуть, что слои вовсе не обязательно должны располагаться на разных машинах. Отдельный слой бизнес-логики может функционировать как на персональном компьютере "рядом" с клиентским слоем интерфейса, так и на сервере базы данных. В подобных ситуациях речь идет о двух узлах сети, но о трех слоях или уровнях. Если база данных локальна, все три слоя могут соседствовать и на одном компьютере, но даже в этом случае они должны сохранять свой суверенитет.

3.1.1.2 Три основных слоя

Мы уже говорили с Вами о расслонеии системы на уровне (или слои, layers), когда обсуждали вопросы связанные с моделью проекта. Тогда мы ввели 4 слоя: представления, бизнес-объектов (или домен), промежуточного ПО (часто его называют источник данных) и системного ПО. Рассмотрим подробее верхние три уровня (уровень системного ПО, настолько сильно зависит от программной и аппаратной платформы, что его рассмотрение будет либо слишком узким (если говорить лишь об одной платформе) либо слишком объекным для этого курса (если попытаться рассмотреть хотя бы несколько вариантов) . И так, акцентируем наше внимание на архитектуре с тремя основными слоями: представление (presentation), домен (предметная область, бизнес-логика) (domain) и источник данных (data source). В таблице приведено их краткое описание

Слой представления охватывает все, что имеет отношение к общению пользователя с системой. Он может быть настолько простым, как командная строка или текстовое меню, но сегодня пользователю, вероятнее всего, придется иметь дело с графическим интерфейсом, оформленным в стиле толстого клиента (Windows, Swing и т.п.) или основанным на HTML. К главным функциям слоя представления относятся отображение информации и интерпретация вводимых пользователем команд с преобразованием их в соответствующие операции в контексте домена (бизнес-логики) и источника данных.

Источник данных — это подмножество функций, обеспечивающих взаимодействие со сторонними системами, которые выполняют задания в интересах приложения. Код этой категории несет ответственность за мониторинг транзакций, управление другими приложениями, обмен сообщениями и т.д. Для большинства корпоративных приложений основная часть логики источника данных сосредоточена в коде СУБД.

Логика домена {бизнес-логика или логика предметной области) описывает основные функции приложения, предназначенные для достижения поставленной перед ним цели. К таким функциям относятся вычисления на основе вводимых и хранимых данных, проверка всех элементов данных и обработка команд, поступающих от слоя представления, а также передача информации слою источника данных.

Иногда слои организуют таким образом, чтобы бизнес-логика полностью скрывала источник данных от представления. Чаще, однако, код представления может обращаться к источнику данных непосредственно. Хотя такой вариант менее безупречен с теоретической точки зрения, в практическом отношении он нередко более удобен и целесообразен: код представления может интерпретировать команду пользователя, активизировать функции источника данных для извлечения подходящих порций информации из базы данных, обратиться к средствам бизнес-логики для анализа этой информации и осуществления необходимых расчетов и только затем отобразить соответствующую картинку на экране.

Часто в рамках приложения предусматривают несколько вариантов реализации каждой из трех категорий логики. Например, приложение, ориентированное на использование как интерфейсных средств толстого клиента, так и командной строки, может (и, вероятно, должно) быть оснащено двумя соответствующими версиями логики представления. С другой стороны, различным базам данных могут отвечать многочисленные слои источников данных. На отдельные "пакеты" может быть поделен даже слой бизнес-логики (скажем, в ситуации, когда алгоритмы расчетов зависят от типа источника данных).

Хотя три основных слоя - представление, бизнес-логика и источник данных - можно обнаружить в любом корпоративном приложении, способ их разделения зависит от степени сложности этого приложения. Простой сценарий извлечения порции информации из базы данных и отображения ее в контексте Web-страницы можно описать одной процедурой. Но я все равно попытался бы выделить в нем три слоя - пусть даже, как в этом случае, распределив функции каждого слоя по разным подпрограммам. При усложнении приложения это дало бы возможность разнести код слоев по отдельным классам, а позже разбить множество классов на пакеты. Форма расслоения может быть произвольной, но в любом корпоративном приложении слои должны быть идентифицированы.

Помимо необходимости разделения на слои, существует правило, касающееся взаимоотношения слоев: зависимость бизнес-логики и источника данных от уровня пред-ставления не допускается. Другими словами, в тексте приложения не должно быть вызовов функций представления из кода бизнес-логики или источника данных. Правило позволяет упростить возможность адаптации слоя представления или замены его альтернативным вариантом с сохранением основы приложения. Связь между бизнес-логикой и источником данных, однако, не столь однозначна и во многом определяется выбором типовых решений для архитектуры источника данных.

Самым сложным в работе над бизнес-логикой является, вероятно, выбор того, что именно и как следует относить к тому или иному слою. Мне нравится один неформальный тест. Вообразите, что в программу добавляется принципиально отличный слой, например интерфейс командной строки для Web-приложения. Если существует некий набор функций, которые придется продублировать для осуществления задуманного, значит, здесь логика домена "перетекает" в слой представления. Можно сформулировать тест иначе: нужно ли повторять логику при необходимости замены реляционной базы данных XML-файлом.

Хорошим примером ситуации является система, о которой мне когда-то рассказали. Представьте, что приложение отображает список выделенных красным цветом названий товаров, объемы продаж которых возросли более чем на 10% в сравнении с уровнем прошлого месяца. Допустим, программист разместил соответствующую логику непосредственно в слое представления, решив здесь же сопоставлять уровни продаж текущего и прошлого месяца и изменять цвет, если разность превышает заданный порог.

Проблема заключается в том, что в слой преставления вводится несвойственная ему логика предметной области. Чтобы надлежащим образом разделить слои, нужен метод бизнес-логики, отображающий факт превышения уровня продаж определенного продукта на заданную величину. Метод должен осуществить сравнение уровней продаж по двум месяцам и возвратить значение булева типа. В коде слоя представления достаточно вызвать этот метод и, руководствуясь полученным результатом, принять решение об изменении цвета отображения. В этом случае процесс разбивается на две части: выявление факта, который может служить основанием для изменения цвета, и собственно изменение.

А самое веселое состоит в том, что на самом деле верны оба вывода!

3.1.1.3 Где должны функционировать уровни

На протяжении этой, и последующих лекций речь идет о логических слоях, т.е. о расчленении системы на отдельные части. Подобное разделение полезно даже тогда, когда все слои функционируют на одной машине. Впрочем, существуют ситуации, где различия в поведении системы могут быть обусловлены принципами ее физической организации.

В большинстве случаев существует только два варианта размещения и выполнения компонентов корпоративных приложений - на персональном компьютере и на сервере.

Зачастую самым простым является функционирование кода всех слоев системы на сервере. Это становится возможным, например, при использовании HTML-интерфейса, воспроизводимого Web-обозревателем. Основным преимуществом сосредоточения всех частей приложения в одном месте является то, что при этом максимально упрощаются процедуры исправления ошибок и обновления версий. В этом случае не приходится беспокоиться о внесении соответствующих изменений на всех компьютерах, об их совместимости с другими приложениями и синхронизации с серверными компонентами.

Общие аргументы в пользу размещения каких-либо слоев на компьютере клиента состоят в повышении быстроты реагирования (responsiveness) приложения и в обеспечении возможности локальной работы. Чтобы код сервера смог отреагировать на действия, предпринимаемые пользователем на клиентской машине, требуется определенное время. А если пользователю необходимо быстро опробовать несколько вариантов и немедленно увидеть результат, продолжительность сетевого обмена становится серьезным препятствием. Помимо того, приложению требуется сетевое соединение как таковое. Может быть, в обозримом будущем так и случится, но что делать жителям какой-нибудь Тмутаракани, которые не желают ждать, пока кто-то из операторов беспроводной связи удосужится обеспечить "покрытие" их Богом забытого селения. А поддержка возможностей локального функционирования выдвигает особые требования, но боюсь, что они выбиваются из контекста этой книги.

Приняв к сведению все приведенные соображения, можно исследовать альтернативы, рассматривая слой за слоем. Слой источника данных лучше всегда располагать на сервере. Исключение составляет случай, когда функции сервера дублируются в коде "очень толстого" клиента для обеспечения средств локального функционирования системы. При этом предполагается, что изменения, вносимые в раздельные источники данных на клиентской машине и на сервере, подлежат синхронизации посредством механизма репликации. Однако, это уже тема для другого курса.

Решение о том, где должен функционировать слой представления, большей частью зависит от предпочтений в выборе типа пользовательского интерфейса. Применение интерфейса толстого клиента автоматически влечет за собой необходимость размещения слоя представления на клиентской машине. Использование Web-интерфейса означает, что логика представления сосредоточена на сервере. Существуют и исключения, например удаленное управление клиентским программным обеспечением (таким, как Х-сервер в UNIX) с запуском Web-сервера на настольном компьютере, но они редки.

Если речь идет о создании системы типа "поставщик-потребитель" ("business to customer" — В2С), у вас просто нет выбора. К серверу может подключиться любой, и вы вряд ли будете мириться с потерей посетителя только из-за того, что он использует какоето экзотическое программное или аппаратное обеспечение. Поэтому целесообразно все функции сконцентрировать на сервере, а клиенту передавать материал в формате HTML, полностью готовый для воспроизведения с помощью Web-обозревателя. Подобное архитектурное решение ограничено в том, что реализация самой незначительной логики пользовательского интерфейса требует обращения к серверу, а это не может не сказаться на быстроте реагирования приложения. Уменьшить зависимость от сервера можно за счет применения фрагментов кода на языках сценариев Web-обозревателя (подобных JavaScript) и загружаемых аплетов, но подобные меры снижают уровень совместимости обозревателей и вызывают другие проблемы. Чем более "чист" код HTML, тем проще жизнь.

Вряд ли ваша жизнь будет простой даже в том случае, если каждый из настольных компьютеров вашей компании настроен, как утверждает начальник отдела информационных технологий, "максимально тщательно". Необходимость поддержки клиентского программного обеспечения в актуальном состоянии и требование исключить даже малую вероятность его несовместимости с другими программами - это серьезные проблемы, которые проявляются и в тривиальных ситуациях.

Основной повод для применения интерфейсов толстого клиента - сложность задач и невозможность создания полноценных полезных приложений иной архитектуры. Однако популярность Web-интерфейсов неуклонно растет, а потребность в использовании толстых клиентов, напротив, снижается. Могу сказать одно: пользуйтесь Web-интерфейсами, если можете, и обращайтесь к средствам толстого клиента, если без них никак не обойтись.

А как быть с кодом бизнес-логики? Его можно активизировать или целиком на сервере, или полностью в контексте клиентской части, или используя смешанный стиль. И вновь вариант "все на сервере" наиболее привлекателен с точки зрения удобства сопровождения системы. Передача каких-либо бизнес-функций клиенту может быть обусловлена только, скажем, необходимостью повышения быстроты реагирования интерфейса системы или потребностью в средствах поддержки локального функционирования.

Если в рамках клиента необходимо выполнять какие-либо функции логики предметной области, прежде всего уместно рассмотреть возможность поручения клиенту всех таких функций. Подобный вариант очень похож на выбор интерфейса толстого клиента. Запуск Web-сервера на клиентской машине ненамного повысит быстроту реагирования приложения, хотя даст возможность использовать его в локальном режиме. Где бы ни находился код бизнес-логики, его следует сохранять в отдельных модулях, не связанных со слоем представления, используя одно из типовых решений - сценарий транзакции (TransactionScript) или модель предметной области (Domain Model). Передача клиенту всего кода бизнес-логики сопровождается - и это уже отмечалось - усложнением процедур обновления системы.

Расщепление множества бизнес-функций между сервером и клиентом выглядит как наихудшее решение, поскольку в общем случае затрудняет идентификацию того или иного фрагмента логики. Основная причина, побуждающая применять подобную архитектуру, может состоять в том, что клиенту необходимо владеть только какой-то частью бизнес-логики. Главное - изолировать эту порцию кода в отдельном модуле, не зависящем от других частей системы. Это даст возможность активизировать код и на компьютере клиента, и на сервере, если такая потребность возникнет позже. Такой подход, разумеется, требует дополнительных усилий, но они оправданны.

После выбора узлов обработки необходимо попытаться обеспечить выполнение всего кода, относящегося к каждому отдельному узлу, в рамках единого процесса, функционирующего либо на одном узле, либо в пределах кластера из нескольких узлов. Не стоит делить слои по разрозненным процессам, если в этом нет насущной необходимости. В противном случае вам придется иметь дело с решениями типа интерфейса удаленного доступа (Remote Facade) и объекта переноса данных (Data Transfer Object), а это чревато потерей производительности и повышением сложности.

Важно помнить, что подобные вещи относятся к числу тех, которые часто называют катализаторами сложности (complexity boosters): это распределенная обработка, многопоточные вычисления, сочетание радикально различных концепций (например, "объектной ориентации" и "реляционной модели"), межплатформенное взаимодействие и обеспечение предельно высокого уровня быстродействия. Решение любой из названных задач сопряжено с большими затратами. Конечно, иногда приходится их нести, но это должно рассматриваться как исключение, а не правило.

Я хотел бы услышать твое мнение про архитектурные паттерны Надеюсь, что теперь ты понял что такое архитектурные паттерны, расслоение системы и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Объектно-ориентированное программирование ООП

Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.