软件工程思想(5)

第五章  系 统 设 计

系统设计是把需求转化为软件系统的最重要的环节。系统设计的优劣在根本上决定了软件系统的质量。就象“一切帝国主义都是纸老虎”那样可以断定“差的系统设计必定产生差的软件系统。”所以我们要努力保证系统设计“根正苗红”，把一切左倾、右倾的设计思潮消灭在萌芽状态。

Windows NT的一位系统设计师拥有8辆法拉利跑车，让Microsoft公司的一些程序员十分眼红。但你只能羡慕而不能愤恨，因为并不是每个程序员都有本事成为复杂软件系统的设计师。系统设计要比纯粹的编程困难得多。即便你清楚客户的需求，却未必知道应该设计什么样的软件系统——既能挣最多的钱又能让客户满意。“天下西湖三十六，最美是杭州”，千年前苏东坡大学士对西湖精采绝伦的系统设计，使杭州荣升为“天堂”，让后人只剩下赞叹和破坏的份了。

本章讲述系统设计的四方面内容：体系结构设计、模块设计、数据结构与算法设计、用户界面设计。如果将软件系统比喻为人体，那么：

（1）体系结构就如同人的骨架。如果某个家伙的骨架是猴子，那么无论怎样喂养和美容，这家伙始终都是猴子，不会成为人。

（2）模块就如同人的器官，具有特定的功能。人体中最出色的模块设计之一是手，手只有几种动作，却能做无限多的事情。人体中最糟糕的模块设计之一是嘴巴，嘴巴将最有价值但毫无相干的几种功能如吃饭、说话、亲吻混为一体，使之无法并行处理，真乃人类之不幸。

（3）数据结构与算法就如同人的血脉和神经，它让器官具有生命并能发挥功能。数据结构与算法分布在体系结构和模块中，它将协调系统的各个功能。人的耳朵和嘴巴虽然是相对独立的器官，但如果耳朵失聪了，嘴巴就只能发出“啊”“呜”的声音，等于丧失了说话的功能（所以聋子天生就是哑巴），可人们却又能用手势代替说话。人体的数据结构与算法设计真是十分神奇并且十分可笑。

（4）用户界面就如同人的外表，最容易让人一见钟情或一见恶心。象人类追求心灵美和外表美那样，软件系统也追求（内在的）功能强大和（外表的）界面友好。但随着生活节奏的加快，人们已少有兴趣去品味深藏不露的内在美。如果把Unix系统比作是健壮的汉子和妇人，那么Windows系统就象妩媚的小白脸和狐狸精。想不到Windows系统竟然能兴风作浪，占去大半市场。有鉴于此，我们应该鼓励女士多买化妆品（男士付钱）以获得更好的界面。

在进行系统设计时，我们要深情地关注软件的质量因素，如正确性与精确性、性能与效率、易用性、可理解性与简法性、可复用性与可扩充性等等。即使把系统设计做好了，也并不意味着就能产生好的软件系统。在程序设计、测试、维护等环节还要做大量的工作，无论哪个环节出了差错，都会把好事搞砸了。据说上帝把所有的女士都设计成天使，可是天使们在下凡时有些双脚先着地，有些脸先着地。上帝的这一疏忽让很多女孩伤透了心。我们在开发软件时，一定要吸取这个教训。

5.1  体系结构设计

杨叔子院子曾这样指点其弟子：

文学中有科学，音乐中有数学，漫画中有现代数学的拓扑学。漫画家可以“几笔”就把一个人画出来，不管怎么美化或丑化，就是活像。为什么？因为那“几笔”不是别的，而是拓扑学中的特征不变量，这是事物最本质的东西。

体系结构是软件系统中最本质的东西：

（1）体系结构是对复杂事物的一种抽象。良好的体系结构是普遍适用的，它可以高效地处理多种多样的个体需求。一提起“房子”，我们的脑中马上就会出现房子的印象（而不是地洞的印象）。“房子”是人们对住宿或办公环境的一种抽象。不论是办公楼还是民房，同一类建筑物（甚至不同类的建筑物）之间都具有非常相似的体系结构和构造方式。如果13亿中国人民每个人都要用特别的方式构造奇异的房子，那么960万平方公里的土地将会变得千疮百孔，终日不得安宁。

（2）体系结构在一定的时间内保持稳定。只有在稳定的环境下，人们才能干点事情，社会才能发展。科学告诉我们，宇宙间万物无时无刻不在运动、飞行。由于我们的生活环境在地球上保持相对稳定，以致于我们可以无忧无虑地吃饭和睡觉，压根就意识不到自己是活生生的导弹。软件开发最怕的就是需求变化，但“需求会发生变化”是个无法逃避的现实。人们希望在需求发生变化时，最好只对软件做些皮皮毛毛的修改，可千万别改动软件的体系结构。就如人们对住宿的需求也会变动，你可以经常改变房间的装璜和摆设，但不会在每次变动时都要去折墙、拆柱、挖地基。如果当需求发生变化时，程序员不得不去修改软件的体系结构，那么这个软件的系统设计是失败的。

良好的体系结构意味着普适、高效和稳定。本节将论述两种非常通用的软件体系结构：层次结构和客户机/服务器（Client/Server）结构。

5.1.1 层次结构

层次结构表达了这么一种常识：有些事情比较复杂，我们没法一口气干完，就把事情分为好几层，一层一层地去做。高层的工作总是建立在低层的工作之上。层次关系主要有两种：上下级关系和顺序相邻关系。

一、上下级关系的层次结构

我们从小学一直读到博士研究生毕业，要读20多年，可以分为五个层次。而范进的知识结构只有两层：“私塾”和“秀才”，但读了五十多年，如图5.1所示。一般地处于较高层次的学生应该懂得所有低层次的知识，而处于低层次学生无法懂得所有高层次的知识。图5.1的层次结构存在上下级关系，如同在军队中，上级可以命令下级，而下级不能命令上级。如果把图5.1的层次结构当成是一个软件系统的结构，那么上层子系统可以使用下层子系统的功能，而下层子系统不能够使用上层子系统的功能。

二、顺序相邻关系的层次结构

顺序相邻关系的层次结构表明通讯只能在相邻两层之间发生，信息只能被一层一层地顺序传递。这种层次结构的经典之作是计算机网络的OSI参考模型，如图5.2所示。为了减少设计的复杂性，大多数网络都按层（Layer）或级（Level）的方式组织。每一层的目的都是向它的上一层提供一定的服务，而把如何实现这一服务的细节对上一层加以屏蔽。一台机器上的第n层与另一台机器上的第n层进行对话。通话的规则就是第n层的协议。数据不是从一台机器的第n层直接传送到另一台机器的第n层。发送方把数据和控制信息逐层向下传递。最低层是物理介质，它进行实际的通讯。接收方则将数据和控制信息逐层向上传递。

每一对相邻层之间都有接口。接口定义了下层提供的原语操作和服务。当网络设计者在决定一个网络应包含多少层，每一层应当做什么的时候，其中很重要的工作是在相邻层之间定义清晰的接口。接口可以使得同一层能轻易地用某一种实现（Implementation）来替换另一种完全不同的实现（如用卫星信道来代替所有的电话线），只要新的实现能向上层提供同一组服务就可以了。[Tanenbaum 1998]

小 学 （5-6年）
 
 

硕 士（2-3年）
 
                                           

                                            考上“举人”时已五十多岁了

本 科（4年）
 
                                            复习报考“举人”用了几十年

中 学（6年）
 
私 塾
 
秀 才
 
博 士（3-4年）
 
 

   图5.1（a）从小学读到博士存在的五个学习阶段         图5.1（b）范进的知识结构

数据链路层
 
网络层
 
传输层
 
会话层
 
表示层
 
应用层
 
数据链路层
 
网络层
 
传输层
 
会话层
 
表示层
 
应用层
 
物理层
 
举人
 
主

机

A

 
主

机

B

物理层
 
图5.2  计算机网络的OSI参考模型

三、其它的层次结构