Архитектура программного обеспечения

Проектирование программного обеспечения – сложный и многогранный процесс, требующий знаний, технических навыков и практического опыта. Большую роль в разработке играет архитектура программных систем.

Архитектура программного обеспечения – наука и искусство выстраивать и проектировать ПО так, чтобы оно отвечало требованиям, обеспечивало простоту доработки и масштабируемости.

Подробнее о том, что такое архитектура ПО в программировании, зачем нужна, принципы и другие нюансы, расскажем в этой статье.

Для чего нужна архитектура ПО

Программная архитектура – это фундамент разработки IT-продукта. Разработчики пишут код для создания программы. Строки объединяются в функции, функции объединяются в классы, классы – в модули. Как итог – готовая программа. 

Для сокращения срока создания сложного продукта разработчики в начале работы создают общий план будущего ПО с главными блоками и способами их соединения. После они его детализируют, прорабатывая требования и характеристики. Так получается информация для построения компонентов ПО.

Во-первых, благодаря управляемости архитектор использует отдельные компоненты и модули, отвечающие за отдельные функции, чтобы организовать разработку ПО и поддержку.

Также четкая архитектура программного продукта помогает легко его поддерживать. Даже если разработчики не знакомы с деталями системы, они смогут быстро и легко сориентироваться в коде, что упрощает работу команды.

С помощью архитектуры ПО можно легко дорабатывать, расширять и масштабировать проект. Быстро добавлять новые элементы, увеличивать функциональность и производительность, эффективно использовать ресурсы.

Архитектура программных средств, в том числе монолитная, обеспечивает повторное использование. Компоненты используются несколько раз в разных частях системы. Главное преимущество – уменьшить количество ошибок и сократить время разработки. Также она включает в себя меры безопасности для обеспечения защиты.

Основные принципы архитектуры ПО

Принципы, которые учитываются при проектировании.

• Гибкость. Строить не на годы, а с возможностью внесения изменений. Учитывайте, как программа может измениться, чтобы отвечать современным требованиям, и добавьте гибкость, чтобы легко поддерживать изменения.
• Открытость/закрытость. Программные сущности закрыты для модификации, открыты для расширения.
• Снижение риска и модель для анализа. Важно использовать такие инструменты, как UML, чтобы регистрировать требования и проектные решения. Не стоит формализировать модель так, чтобы было невозможно легко адаптировать и повторить дизайн. 
• Устойчивость – организация зависимостей от более стабильных компонентов к менее стабильным.
• Единственность – избежание дублирования кода.
• Минимальное знание. Каждый модуль знает только о соседях, чтобы снизить взаимозависимость и повысить изоляцию. 
• Инверсия зависимостей. Зависимости внутри системы строятся на абстракциях.
• Разделение ответственности. 1 элемент – 1 причина для изменения (для четкого разделения обязанностей).

Если следовать этим архитектурным принципам, можно спроектировать расширяемую, гибкую и поддерживаемую систему. 

Типы архитектурных стилей

Архитектурные стили – высокоуровневые стратегии. Представляют собой абстрактную структуру для систем. 

8 главных стилей:

• Многослойный.
• Компонентно-ориентированный.
• Сервисно-ориентированный.
• Распределенная система.
• Предметно-ориентированный.
• «Переводчик».
• Параллелизм.
• Ориентированный на данные.

Многослойный – самый распространенный. Типичный пример – многоуровневый стиль из 3 слоев: слой представления, бизнес-логика и хранение данных. Плюсы – легкий в понимании, тестировании и поддержке. Минус – появление накладных расходов на производительность.

Компонентно-ориентированный разделяет функциональность на слои в рамках одной системы, организованной как повторно используемые и слабосвязанные компоненты. Преимущества – гибкость, поддерживаемость, повторное использование. Недостаток – компонентами сложно управлять.

Сервисно-ориентированный для разработки ПО как набора взаимодействующих сервисов через сеть. Плюсы – слабая связанность, гибкость и возможность повторного использования. Минусы – сложность, сетевая зависимость.

Распределенная система. Компоненты на сетевых компьютерах передают сообщения для взаимодействия и координирования действий, чтобы достичь цели. Преимущества – общий доступ, устойчивость к ошибкам и сбоям, возможность масштабирования. Недостатки – сложность, сетевая зависимость.

Предметно-ориентированный – создание программных абстракций (моделей предметных областей). Отличается ограниченными связями, целостностью и взаимосвязью. Минус – требует глубокого понимания и опыта.

«Переводчик» определяет способы оценки предложений. Для каждого символа создается терминальный или нетерминальный стиль. Отличается большой гибкостью и простой отладкой. Недостаток – требует больше ресурсов.

В стиле параллелизма несколько независимых задач выполняются в одно и то же время. Параллелизм улучшает производительность, что особенно актуально для многопроцессорных систем. Минус – сложная взаимная блокировка.

Архитектура, ориентированная на данные. Стиль фокусируется на организации и преобразовании данных. Подходит для больших объемов данных, решения сложных задач. Обеспечивает правильную последовательность данных, целостность и надежность. Среди недостатков – возможные проблемы с масштабируемостью. 

Архитектурные паттерны

Это предметные и специфичные элементы для конкретного модуля или проблемы. Структурированное решение, которое описывает организацию компонентов и взаимодействий. Паттерны напоминают шаблоны проектирования ПО, но абстрактнее.

У каждого архитектурного стиля свои паттерны. У многослойного – многослойный паттерн и «Чистая архитектура». Первый разделяет систему на определенное количество слоев, у каждого своя зона ответственности. Паттерн «Чистая архитектура» подчеркивает разделение функциональности в системе, организовывая ПО в концентрические слои, в центральном – предметная область, по кругу – специфичные слои для приложения, внутренние влияют на внешние. Так изменения почти не влияют на бизнес-логику.

В компонентно-ориентированном стиле 3 паттерна. Объектно-ориентированный паттерн – парадигма с объектами, содержащими данные в виде полей (атрибуты) и код в виде процедур (методы). Облегчает проектирование сложных систем, их реализацию и поддержку. «Микроядро» для отделения микроядра от расширенных специфичных для клиента функций. Так можно легко и быстро расширить систему, не меняя основной код. Паттерн «Плагин» – добавляет новые функции с помощью модулей или плагинов, интегрируя их через стандартный интерфейс для расширения и настройки приложения.

Паттерны сервисно-ориентированного стиля:

• SOA. Проект ПО как набор отдельных сервисов, которые используются в системах.
• Брокер. Координирует коммуникацию компонентов системы через посредника.
• Микросервисный паттерн для архитектуры. Проект приложения выглядит как набор небольших сервисов. Каждый сервис общается за счет легковесных механизмов, работает в своем процессе.
• Бессерверный паттерн. Приложения создаются и работают без серверов в облачных средах.

У стиля распределенной системы 2 паттерна:

• Пространство данных. Равномерно распределяет ресурсы и сервисы по серверам, что позволяет избегать единой точки отказа.
• Одноранговая сеть. Здесь каждый участник действует как клиент. Узлы и сервис обмениваются данными без центрального сервера.

Понимая стили и паттерны, специалист сможет проектировать надежные, масштабируемые и поддерживаемые системы.

Проектирование архитектуры ПО

Проектирование включает в себя этапы:

• Понимание и анализ требований заказчика.
• Изучение архитектурных требований.
• Определение целей, которые нужно достичь с помощью архитектуры.
• Выбор стиля и паттерна для работы.
• Определение компонентов системы.
• Проектирование интерфейса.
• Работа с данными – структура и метод доступа.
• Управление состоянием. 
• Работа с безопасностью.
• Тестирование.
• Реализация.

Каждый этап требует системного подхода. Необходимо учитывать все аспекты системы и требования, чтобы разработать эффективную и устойчивую архитектуру.

Преимущества хорошей архитектуры ПО

Хорошая архитектура ПО – фундамент приложения. Благодаря ей можно легко создавать, расширять и поддерживать приложения. Она гибкая и масштабируемая, безопасная и производительная.

Признаки:

• Расширяемость. Простота добавления новых функций без значительных изменений кода.
• Гибкость. Легко адаптируется к изменениям требований.
• Поддерживаемость. Разработчики смогут быстро и легко изменять код, находить и исправлять ошибки.
• Масштабируемость. Возможность масштабировать ПО в соответствии с новыми требованиями и потребностями.
• Высокая производительность приложения.
• Читаемость. Удобно и легко читать и понимать.
• Безопасность. Защищает данные от несанкционированного доступа.
• Тестируемость. Хорошая архитектура облегчает написание и выполнение тестов.

Хорошая архитектура – ключевой фактор успеха приложения.

Инструменты и методы архитектурного проектирования

Главные программные инструменты – компьютерное моделирование и CAD-программы. С помощью них архитекторы создают, изменяют и анализируют цифровые модели. Это помогает ускорить проектирование. Также инструменты повышают качество готового продукта.

CAD-программы помогают быстро создавать точные модели и чертежи, сокращая срок работы. Однако некоторые из них требуют материальных вложений в обучение и покупку лицензии.

С помощью компьютерного моделирования архитекторы создают 3D-модели для клиентов, чтобы увидеть и оценить предлагаемый дизайн. Программные инструменты помогают избегать ошибок, которые легко совершить при ручном проектировании. Также гарантируют точные измерения и расчеты.

Распространенные методы:

• Метод слоев. Каждый слой – уровень функциональности и абстракции.
• Метод группировки. Подсистемы, компоненты и модули группируются на основе функциональности.
• Событийно-ориентированный. Архитектор проектирует систему вокруг событий и обработки.

Другие методы:

• Календарный.
• Метод на основе управления требованиями.
• Архитектурный метод.
• Событийно-ориентированный.
• Клиент-сервис.

Методы комбинируют в зависимости от поставленных задач и требований. 

Архитектура ПО – сложная наука, требующая комплексной работы, технических знаний и опыта. Для результата необходимо изучить принципы, архитектурные стили и паттерны, а также использовать правильные инструменты и методы.