Introdução à Arquitetura de Software Virgínia C. C. de Paula - DIMAp/UFRN - DI/UFPE Nelson Souto...

Introdução à Arquitetura de Software

Virgínia C. C. de Paula - DIMAp/UFRN - DI/UFPE

Nelson Souto Rosa - DI/UFPE

Paulo R. F. Cunha - DI/UFPE

2XII SBES 13-16 de Outubro de 1998 Maringá - Paraná - Brasil

Agenda

Introdução Arquitetura de software Estilos arquiteturais Linguagens de descrição de arquitetura Exemplo Tendências


Introdução

Contexto

Arquitetura de Software

Pontos básicos Tópicos de pesquisa

HistóricoAS como disciplina

ADLs

Estilos

Formalização Novas ADLs

Arquiteturas convergentes

Ferramentas

Engenharia de Software

Desenvolvimentobaseado em arquiteturaEstilos

Engenharia de requisitos ...


Introdução

Motivação

A estrutura do software é importante, e adotar a estrutura correta pode trazer

benefícios

O aumento do tamanho e da complexidade dos softwares


Introdução

Motivação

A importância da Arquitetura de Software para os projetistas de software nos anos 90 é comparável a importância das estruturas de dados para os programadores nos anos 60


Introdução

Histórico– Dijkstra, 1968

• particionamento • estruturação do software

– Parnas, 1970-2• família de programas• estrutura do software

– DeRemer, 1975• Programming-in-the-small X Programming-in-the

large


Introdução

Histórico– 1970-80

• Componentes de um compilador– 1980

• Divisão em camadas das pilhas de protocolos


Agenda



Arquitetura de software

Sobre o termo Arquitetura de Software Disciplina

área emergente da ES aborda as questões ligadas à estrutura do software

Estrutura do software

várias definições nenhuma aceita como padrão semelhanças no núcleo das definições e diferenças nas características adicionais



Definição 1

“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]



Definição 2

“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]



Definição 3

“Uma arquitetura de software é um conjunto de componentes genéricos junto com uma descrição de propriedades, regras

de como estes componentes podem interagir, e estilo de interação destes

componentes.” [Jackson 95]



Definição 4

“Arquitetura de software é a estrutura de um programa ou um sistema, seus

relacionamentos e os princípios que guiam o seu projeto e a sua evolução

no tempo.” [Garlan 95]



Pontos comuns

“elementos arquiteturais” “elementos de projeto” “componentes genéricos”

“estrutura”

“interações” “interagir”

Componentes

Conectores

Configuração



Modelos– Perry, 1992

• elementos – processamento, armazenamento, interação

• forms – conjunto de propriedades dos elementos e dos

relacionamentos

• rationale – “justificativa” para os elementos e forms



Modelos– Shaw, 1996

• componentes• conectores• configuração



Componente– modela a computação e o armazenamento de

informações

– desenvolvido independentemente

– exemplos de componentes• cliente• servidor• aplicação inteira



Conector

– modela as interações entre os componentes

– desenvolvido independentemente

– exemplos de conectores

• protocolos de comunicação



Configuração – topologia

– composição

– conjunto de componentes combinados usando-se os conectores

– grafo de componentes e conectores ligados, descrevendo uma estrutura arquitetural



Visão de uma Arquitetura de Software

Componente

Conector

Configuração



Componentes e formas de interação

Módulo Chamada de procedimento Dados compartilhados Objeto Invocação de método Filtro Fluxo de dados ( pipe ) Processo Passagem de mensagem, RPC Arquivo de dados Leitura e escrita Base de dados Consulta

Componentes Tipos de interação



Software X Hardware

número pequeno de elementos de projeto mudança de escala com a replicação dos elementos de projeto ênfase na organização e configuração

Arquitetura de Hardware

grande número de elementos de projeto mudança de escala com a adição de novos elementos de projeto ênfase na organização e configuração




Software X Rede

nós conexões poucas topologias

Arquitetura de Rede

componentes conectores muitas topologias




Software X Construção

visões enfatizando diferentes aspectos da construção restrição sobre os elementos de projeto e a composição estreita relação entre o estilo arquitetural e os princípios de engenharia a relação entre o estilo e o material utilizado para a construção é fundamental

Arquitetura de Construção

visões para diferentes usos e usuários estilos arquiteturais

princípios de engenharia e estilo arquitetural

implementação ( algoritmos e estrutura de dados que satisfazem a arquitetura )




Sobre Arquitetura de Software– descrição mais abstrata no ciclo de vida do

software

– suprime detalhes da implementação

– Arquitetura de Software sempre existiu, mas era implícita



Sobre Arquitetura de Software– separação de interesses

• funcionalidade• interação

Funcionalidadee

Interação

Funcionalidade Interação



Sobre Arquitetura de Software– define aspectos estruturais importantes

– fornece uma base para as outras fases de desenvolvimento do software

– a arquitetura é normalmente descrita usando-se linhas e caixas de diagramas acompanhados por uma descrição textual



Desenvolvimento de software

Análise de requisitos

Arquitetura

Projeto

Análise de requisitos

Implementação

Análise do domínio

Desenvolver / escolher a arquitetura

Representação da arquitetura

Projeto

Implementação

Desenvolvimento tradicional Desenvolvimento baseado em arquitetura

Análise e avaliação da arquitetura



Arquitetura X Projeto

componentes e conectores restrições sobre componentes e conectores composição de componentes

Arquitetura

procedimentos e interfaces algoritmos e estruturas de dados composição procedural

Projeto



Por que definir uma Arquitetura de Software?

– reuso de elementos de projeto permitindo

maior rapidez na construção do software

– definindo-se uma arquitetura é possível

predizer algumas características do software



Por que definir uma Arquitetura de Software?

– facilita a comunicação entre os

desenvolvedores do software

– permite um entendimento maior da evolução

do software



Por que definir uma Arquitetura de Software?– possibilidade de análise da descrição da

arquitetura nas fases iniciais do desenvolvimento• consistência da configuração, componentes e

conectores• completude• propriedades não funcionais• conformidade com um determinado estilo


Agenda



Estilos arquiteturais

Sobre o termo Estilo arquitetural

– padrão organizacional

– padrão arquitetural

– padrão idiomático

– padrão de organização estrutural

– idioma arquitetural


Estilos arquiteturais Definição

“Um estilo arquitetural consiste de um vocabulário de elementos de projeto, um conjunto de regras de configuração, uma interpretação semântica da composição dos elementos, e um conjunto de análises

que podem ser executadas sobre um sistema construído em um determinado estilo.”

[Garlan 95]


Estilos arquiteturais Vocabulário

– idioma de projeto

– restringe os elementos arquiteturais que podem ser utilizados em uma descrição de arquitetura

– elementos arquiteturais• componentes • conectores


Estilos arquiteturais Regras de configuração

– restrições topólogicas

– restrigem as composições dos elementos

arquiteturais

• proibição de ciclos no estilo Fipe-filter

• relacionamento n-para-1 no estilo Cliente-

servidor



Análise– verificação de propriedades

• ausência de deadlock em um estilo Cliente-servidor

Interpretação semântica– a composição dos elementos de projeto

precisa de uma semântica bem definida


Estilos arquiteturais Sobre Estilo Arquitetural

– uso ad hoc• “Camelot é baseado no modelo Cliente-servidor e usa

RPC para comunicação remota e local dos clientes e servidore” [Spector 87]

– define uma família e não apenas um sistema– explora os pontos comuns entre famílias de sistemas

e ignora detalhes específicos– a construção de compiladores é o primeiro exemplo

do uso de estilos


Estilos arquiteturais Sobre Estilo Arquitetural

– a descrição da arquitetura é uma instância de um estilo

– exemplos• Cliente-servidor• Pipe-filter• Objetos• Invocação implícita• Camadas, repositórios



Sobre Estilo Arquitetural


Servidor

Cliente

Cliente

Cliente

Request-reply

Estilo Cliente-servidor





Central

Fonte

Fonte

Fonte

Estilo Blackboard





Filtro

Filtro

Filtro

Filtro

Pipe

Estilo Pipe-Filter


Estilos arquiteturais Por que definir estilos arquiteturais?

– reuso de projetos

– reuso de código

– o uso de estruturas convencionais facilita o entendimento da arquitetura• “cliente-servidor”

– a restrição do espaço de projeto permite análises mais especializadas para os estilos


Agenda



Linguagens de descrição de arquitetura

ADL - Architecture Description Language O que podemos esperar de uma linguagem

para descrição de arquitetura de software? – ênfase em estruturas de alto nível em oposição

a detalhes de implementação



Como uma ADL se relaciona com outras linguagens?

Linguagens deRequisitos

Linguagem deRequisitos

Linguagens deProgramação

Linguagens deModelagem



ADLs e outras linguagens

vinculam abstrações arquiteturais à soluções específicas

Linguagens de Programação

representam trechos de comportamento para facilitar a apresentação dos requisitos, adequando-se a representação de componentes arquiteturais têm enfoque no problema

Linguagens de Requisitos



ADLs e outras linguagens

enfatizam o comportamento do todo ao invés do comportamento das partes podem representar componentes cooperativos e representam arquiteturas razoavelmente bem

Linguagens de Modelagem

intencionalmente, suprimem o vínculo de abstrações com soluções específicastêm enfoque na solução concentram-se na representação das partes

ADLs



Propriedades desejáveis de uma ADL– Composição

• divisão hierárquica de um sistema complexo em partes menores

– Abstração• explicitar a estrutura de mais alto nível

– Reusabilidade• componentes, conectores e padrões de

arquitetura



Propriedades desejáveis de uma ADL– Configuração

• separação da descrição de estruturas compostas da descrição dos elementos dessas composições

– Análise• permite verificar propriedades dos sistemas,

especialmente referentes a Arquiteturas Dinâmicas

Arquiteturas dinâmicas são aquelas que permitem evolução da estrutura

de um sistema durante sua execução.



Propriedades desejáveis de uma ADL

– Heterogeneidade

• habilidade para combinar diferentes padrões

arquiteturais em um mesmo sistema

• possibilidade de combinar componentes

escritos em linguagens diferentes



Propriedades desejáveis de uma ADL– habilidade para representar componentes

(primitivos ou compostos)

– habilidade para representar conectores

– abstração e encapsulamento

– tipos e checagem de tipos

– permitir a construção de ferramentas de análise




– abstração de componentes

– abstração de comunicação

– integridade de comunicação

• a comunicação é limitada a componentes

conectados arquiteturalmente a outros

– habilidade de modelar arquiteturas dinâmicas




– habilidade de ter intuição sobre causa e tempo

– suporte a refinamento hierárquico

– relatividade

• mapeamento de comportamentos para

arquiteturas diferentes (checagem de

conformidade)



Generalidade das ADLs – instâncias arquiteturais

• projetadas para descrever sistemas específicos– estilos arquiteturais

• projetadas para descrever padrões de estruturas de arquitetura

– arquiteturas em geral• procuram dar significado à questões de

arquitetura e as formas como abstrações arquiteturais permitem análise de projeto.



Modelagem de componentes– conceitos diferentes em cada ADL

• MetaH – um programa

• C2 – uma aplicação inteira (componentes hierárquicos)

– interfaces de componentes• pontos de interação com o ambiente externo• permitem a percepção da semântica dos

componentes– serviços oferecidos– portas de comunicação



Modelagem de componentes– componentes como tipos para serem reusados– uso explícito de parametrização

• ACME, Darwin e Rapide

– semântica dos componentes permite análise do comportamento, estabelecimento de restrições e mapeamento consistente de um nível para outro da arquitetura



Modelagem de componentes– restrições podem ser definidas por uma

linguagens específica– componentes podem evoluir

• subtipagem de componentes• refinamento

A maioria das ADLs não oferece suporte à evolução.



Modelagem de componentes– especificação de propriedades não-funcionais

• permite simulação do comportamento em tempo de execução

• análise dos componentes• verificação de restrições• auxilia no gerenciamento do projeto

A maioria das ADLs não oferece suporte à especificação de propriedades não-funcionais.



Modelagem de conectores– não necessariamente corresponde a uma

unidade de compilação em uma implementação

– podem ser modelados explicitamente• possuem interface própria



Modelagem de conectores

– podem ser modelados como entidades de

primeira classe

• tipos ou instâncias

• estabelecer restrições de uso via interface

• suportar evolução



Modelagem de conectores– ADLs podem fornecer protocolos de

conectores e semântica de transações.• análise sobre as interações• verificação de restrições

A maioria das ADLs não oferece suporte à evolução e à especificação de propriedades não-funcionais.



Modelagem de configurações– a estrutura de um sistema deve, idealmente,

permitir que a especificação da configuração seja compreendida sem se conhecer os componentes e os conectores

– descrição de configurações permite estimar aspectos concorrentes e distribuídos de uma arquitetura



Modelagem de configurações– ADLs podem modelar evolução e dinamismo das

configurações– suporte à composição hierárquica é fundamental

em uma ADL– em algumas ADLs uma configuração é modelada

simplesmente como um componente composto• Darwin• UniCon• CL



Modelagem de configurações– heterogeneidade

• uma configuração deve idealmente lidar com componentes e conectores programados em diversas linguagens

– a especificação de restrições é fundamental para descrever dependências entre componentes e conectores

– Uma ADL deve permitir refinamento da arquitetura



Modelagem de configurações– devem suportar especificação e

desenvolvimento de sistemas que possam sofrer alterações durante sua execução.

• C2• Darwin• Rapide• ZCL



ACME– tentativa de definir um denominador comum

através de uma linguagem de intercâmbio para arquitetura de software

– modela• componentes• conectores• sistemas (configurações)



ACME– propriedades

• Portas– pontos de interação

• Roles– especifica o papel desempenhado por cada

participante de uma interação



ACME– propriedades

• Representações– cada detalhamento de uma estrutura hierárquica

• Rep-maps (represention maps)– indica a correspondência entre a representação

interna de um sistema e a interface externa do componente ou conector



Exemplo CL - descrição textual

O sistema de monitoramento de pacientes consiste de medições periódicas ou por solicitação de

pulso, temperatura e pressão através de sensores colocados no paciente. Tais sensores disparam um alarme sempre que qualquer das medições

atingirem valores não adequados.

Sistema de Monitoramento de Pacientes



Exemplo CL - representação gráfica

Paciente

estado

alarmealarme

estado

Enfermeira

Hospital



Exemplo CL - descrição CLsystem hospital begin

use task enfermeira, paciente; create cama from paciente; create cuidado from enfermeira ; link cama.alarme to

cuidado.alarme; link cuidado.estado to cama.estado; activate cuidado, cama; end.


Agenda



Exemplo

Sistema de Informação da Internet ( SII )– sistemas usados para busca de informações na

Internet

– exemplos• Gopher• WAIS• Archie / Prospero• WWW


Exemplo

World-Wide Web“WWW é um sistema hipermídia distribuído organizado como um conjunto de clientes e

servidores que compartilham um conjunto comum de protocolos de comunicação. Os servidores

disponibilizam recursos para uma comunidade de clientes que usam o HTTP (HyperText Transfer

Protocol)”


Exemplo

Componentes do servidor– servidor HTTP– resolvedor de caminho

• permite determinar o arquivo que está sendo requisitado

– gerenciador de streams• gerencia a comunicação com a rede

– gerenciador de interface• interface para mostrar os resultados das solicitações

dos usuário


Exemplo

Componentes do cliente– gerenciador de acesso

• formula as solicitações de acordo com o protocolo utilizado

– gerenciador de protocolo• faz o mapeamento entre os vários protocolos

( HTTP, NNTP, FTP, Gopher ) e o gerenciador de acesso


Exemplo

Componentes do cliente

– gerenciador de streams

• trata as comunicações de rede

– gerenciador de cache

• mantém uma cópia local das informações

solicitadas


Exemplo

Arquitetura

CGI

Sistema de Arquivos

Ger. InterfaceUsuário

Ger. Acesso

Ger. Protocolos

Ger.Cache

Ger. Streams

Protocolos

Cliente Servidor

Resolvedor decaminho

Ger. Streams

Servidor HTTP


Exemplo

Estilo arquitetural– vocabulário

• processo• componente computacional• repositório de dados passivo• repositório de dados ativo

– conector• fluxo de dados bi e uni direcional• fluxo de controle bi e uni direcional


Agenda



Tendências

ADLs e arquiteturas dinâmicas– arquiteturas dinâmicas são aquelas que

permitem evolução da estrutura de um sistema durante sua execução

– geralmente descrevem sistemas críticos e de longa vida

– as mudanças devido à evolução do sistema normalmente são descritas no nível de configuração


Tendências

ADLs e arquiteturas dinâmicas– adição de novos componentes


Tendências

ADLs e arquiteturas dinâmicas– substituição de um componente existente por

um outro de mesma assinatura.


Tendências

ADLs e arquiteturas dinâmicas– remoção de componentes desnecessários.


Tendências

ADLs e arquiteturas dinâmicas– reconfiguração da arquitetura


Tendências

ADLs e arquiteturas dinâmicas

– pode ser necessário mover um componente de

uma máquina para outra. A arquitetura deve dar

suporte a modificações no mapeamento dos

componentes para os processadores.

– ADLs que suportam dinamismo: C2, Darwin,

Rapide e ZCL.


Tendências

Formalização de arquitetura de software– modelo de Abowd, Allen e Garlan

– definição de estilos• domínio sintático

– componentes, conectores e configurações

• mapeamento do domínio sintático para o modelo semântico do estilo


Tendências

Formalização de arquitetura de software– inicialmente foi proposto um modelo para

MILs, incorporando elementos essenciais e operações como esquemas genéricos em Z• o modelo inicial foi estendido formando o

Architectural Style Description Language (ASDL)– Semântica de componentes e interacões– Estruturas hierárquicas– Arquiteturas estáticas


Tendências

Formalização de arquitetura de software– Modelo Wright

• descrição da arquitetura com base na descrição formal do comportamento abstrato de componentes e conectores

• comportamento dos componentes especificado em CSP

• é possível descrever aplicações e estilos


Tendências

Formalização de arquitetura de software

– Modelos formais que suportam dinamismo

• Darwin

• Allen, Douence e Garlan

• ZCL


Tendências

Formalização de estilos– comparar estilos– relacionar sistemas desenvolvidos em

diferentes estilos– desenvolver ferramentas para explorar estilos– combinar estilos para formar um novo

Desenvolvimento de software baseado em arquitetura


Tendências

ADLs de alto nível Desenvolvimento de arquiteturas para

domínios específicos Integração de ADLs com metodologias de

projeto padrões

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