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.
