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Architektur und QualitätArchitektur und Qualität

Seminar Software-Analyse

WS 04/05

Daniel Zaum

<[email protected]>

2Daniel Zaum: Architektur und Qualität

GliederungGliederung

Architektur

•Definitionen•Motivation

Qualität Architekturstile

Beispiel

•Anforderungen •5 Typen•Eigenschaften

•Anwendung•Zusammenhang Qualität/Architektur

Einordnung des Themas

Hauptteil

Zusammenfassung

Einleitung


Einordung des ThemasEinordung des Themas

Architektur

Qualität

Software-AnalyseMetrikenHilfsmittel

Macht Aussage über

Bestimmt

Macht Aussage über

Fordert


Einleitung: Konzept und MotivationEinleitung: Konzept und Motivation

• Ziel: Architektur und Qualität– Als Werkzeuge zur Software-Analyse darstellen

– Greifbar und erkennbar machen

• Dazu:– Knappe Definitionen

– Muster und Eigenschaften, Beispiele

• Motivation:– Software-Design

• Rechtzeitig planen

• Qualität sicherstellen

– Software-Analyse• Herausfinden, was man von einem System erwarten kann


Gliederung - ArchitekturGliederung - Architektur

Architektur



Beispiel




Was ist eine Software-Architektur?Was ist eine Software-Architektur?

• Stellt das Diagramm eine Architektur dar?

Control-Prozess

LogikGUIDaten-bank


Was ist eine Software-Architektur?Was ist eine Software-Architektur?

• Stellt das Diagramm eine Architektur dar?

• Nein, denn wichtige Fragen bleiben unbeantwortet:– Was sind die Komponenten?

– Was sind die Verknüpfungen?

– Warum wurde das Diagramm so strukturiert?

– Wie verhält sich das System zur Laufzeit?

Control-Prozess

LogikGUIDaten-bank


Definition Software-ArchitekturDefinition Software-Architektur

• Architektur steht am Anfang des System-Designs– Zum High-Level-Design gehören jedoch auch noch andere Dinge

• Eine Architektur legt die Struktur eines Systems fest– Eine System kann jedoch mehrere Strukturen haben

• Eine Architektur definiert Komponenten und Beziehungen– Man muss zwischen Runtime und Designtime unterscheiden

„Die Struktur der Software-Komponenten eines Systems mit ihren nach außen sichtbaren Eigenschaften und

ihren Beziehungen untereinander.“ [Bass]


Motivation für ArchitekturenMotivation für Architekturen

• Kommunikation zwischen den Projektmitgliedern– Besonders geeignet für Stakeholder-Kommunikation

– Relativ leicht zugänglich, da auf hoher Ebene

• Erste Möglichkeit, Design-Entscheidungen zu treffen– Entscheidungen der Architektur betreffen den gesamten Produktzyklus

– Die Architektur ist der erste analysierbare Teil eines SW-Systems

• Wiederverwendbare Abstraktion eines Systems– Vergleiche Design-Patterns


Gliederung - QualitätGliederung - Qualität

Architektur



Beispiel




Was ist Qualität?Was ist Qualität?

• Definition von Qualität ist sehr schwierig

• Alternative Definitionen:

– „Qualität ist Kundenzufriedenheit“ [Datev]

– „Qualität heißt, die Anforderungen eines Menschen zu erfüllen“ [Weinberg]

– „Qualität ist die Fehlerfreiheit eines Produktes“ [Thraller]

„Gesamtheit von Merkmalen einer Einheit bezüglich ihrerEignung, festgelegte Erfordernisse zu erfüllen.“ [ISO8402]


QualitätsanforderungenQualitätsanforderungen

Funktionale Anforderungen „Was?“• Programm berechnet Produkt zweier Zahlen.

nichtfunktionale Anforderungen

„Wie?“

• Die Zahlen müssen je 10 hoch 10 Stellen haben

• Antwortzeit muss unter 5ms liegen

• laufzeit-relevant

• nicht laufzeit-relevant

Typ Beschr. Beispiel


QualitätsanforderungenQualitätsanforderungen

Funktionale Anforderungen „Was?“• Programm berechnet Produkt zweier Zahlen.

nichtfunktionale Anforderungen

„Wie?“

• Die Zahlen müssen je 10 hoch 10 Stellen haben

• Antwortzeit muss unter 5ms liegen

• laufzeit-relevant

• nicht laufzeit-relevant

Typ Beschr. Beispiel

• Wichtiger Unterschied: bei der Architektur-Auswahl beachten• Beispiel: Modularität der Architektur != Modularität zur Laufzeit


Zeit, die vergeht, bis auf ein Ereignis reagiert wirdVerarbeitungsschritte pro Zeiteinheit

Performanz (Performance)Performanz (Performance)

• Abhängig von:– Kommunikation (dauert meist länger als Berechnung)

– Effiziente Algorithmen

• Kann auf Architektur-Ebene gemessen werden

• Simulation auf Grundlage der Architektur möglich

• Früher war Performanz die treibende Anforderung

• Heute rücken wegen Overprovisioning andere Anforderungen in den Vordergrund

architekturabhängiglaufzeit-relevant


Sicherheit (Security)Sicherheit (Security)

Fähigkeit, unautorisiertem Zugriff zu widerstehenFähigkeit, denial-of-service Angriffen zu widerstehen

• Abhängig von:– Authorisierungsserver

– Netzwerk-Monitor

– Firewall

– Trusted Kernel

• Folgerung: Es werden spezielle Komponenten und Schnittstellen benötigt



Verfügbarkeit (Availability)Verfügbarkeit (Availability)

• Abhängig von:– Fehlertoleranz des Systems / der Architektur

– Error-Handling

– Verdopplung kritischer Komponenten und Schnittstellen

– Wartbarkeit und Testbarkeit

• Maß für die Zeit, in der ein System wie vorgesehen läuft

• Eng verknüpft mit Zuverlässigkeit

mean time to failuremean time to failure + mean time to repair



Bedienbarkeit (Usability)Bedienbarkeit (Usability)

Lernbarkeit und EinprägsamkeitEffizienz, Fehlertoleranz und Zufriedenheit

• Abhängig von:– Genaue Beobachtung der Benutzer

– Abbildung des Denk-Modells der Nutzer in Software-Modell

– Standards

• Größtenteils nicht durch Architektur beeinflussbar

• Jedoch: Schnittstellen beispielsweise zur GUI beeinflussen die Bedienbarkeit

nicht architekturabhängiglaufzeit-relevant


Die Fähigkeit, schnell und günstig Änderungen durchzuführenLokalität von Änderungen

Modfizierbarkeit (Modifiability)Modfizierbarkeit (Modifiability)

• Abhängig von:– Wie begrenzt sind Änderungen (Lokalität)?

• Erweiterung der Funktionalität

• Löschen oder Vereinfachen

• Anpassung/Portierung auf neue Systeme

• Umstrukturierungen

– Lose Kopplung von Komponenten

• Faustregel: Lokale Änderungen sind billiger als globale

• Spezialfall: Wiederverwendbarkeit

architekturabhängignicht laufzeit-relevant


Fähigkeit eines Systems, unter verschiedenen Umgebungen zu laufen

Portierbarkeit (Portability)Portierbarkeit (Portability)

• Abhängig von:– Kapselung von plattform-spezifischen Eigenschaften

– „Portability-Layer“

• Verschiedene Umgebungen sind:– Hardware

– Software

– Kombination von beidem

• „Portability-Layer“ ist nur auf Architektur-Ebene sichtbar



Die Fähigkeit von Einzelkomponenten zum Zusammenspiel

Integrierbarkeit (Integrability)Integrierbarkeit (Integrability)

• Abhängig von:– Komplexität der Komponenten nach aussen

– Interaktions-Mechanismen

– Protokolle

– Klare Aufteilung der Aufgaben

• Interoperabilität: Zusammenspiel von Systemen



Fähigkeit eines Systems, seine Fehler aufzuzeigen

Testbarkeit (Testability)Testbarkeit (Testability)

• Abhängig von:– Kontrollieren des Zustands jeder Komponente

– Überwachen der Ausgaben jeder Komponente

• Genauer:– Das System hat mindestens einen Fehler

– Das System ist gut testbar, wenn dieser Fehler beim nächsten Test auch auftritt

– Also schnell gefunden werden kann



Übersicht: QualitätsanforderungenÜbersicht: Qualitätsanforderungen

laufzeit-relevant

Performanz

Sicherheit

Verfügbarkeit

Benutzbarkeit

nicht laufzeit-relevant

Modifizierbarkeit

Portierbarkeit

Integrierbarkeit

Testbarkeit

++ Kommunikation, Parallelisierung

o Spezielle Sicherheits-Komponenten

++ Fehlertoleranz, Redundanz

- -

++ Modularisierung, Kapselung

++ Portability-Layer

+ Einfache Schnitstellen, Protokolle

+ Kontrolle, Überwachung (einzelner Komponenten)


KompromisseKompromisse

• Qualitätsanforderungen beeinflussen sich gegenseitig

• Es können nicht alle Anforderungen zu 100% erfüllt werden

• Qualitäten müssen priorisiert werden

Sicherheit

Bedienbarkeit

Gummiband

„I will contend that conceptual integrity is the most importantconsideration in system design.“ [Fred Brooks]


Gliederung - ArchitekturstileGliederung - Architekturstile

Architektur



Beispiel




ArchitekturstileArchitekturstile

• Schlüssel-Komponenten und Regeln, um diese zu verbinden:

– Komponenten-Typen • z.B. Prozess, Speicher, Prozedur

– Topologische Anordnung • um die Laufzeit-Zusammenhänge zu verdeutlichen

– Semantische Beschränkungen • z.B. Ein Speicher kann seinen Inhalt nicht selber ändern

– Verbinder, die Kommunikation, Koordination und Kooperation zwischen Komponenten ermöglichen

• z.B. Routinen-Aufruf, RPC, Sockets

• Stil als abstrakte Klasse, von Architektur implementiert


NotationNotation

Komponenten

Verbinder

Prozess

Komponente oder Objekt

Passiver Speicher

Aktiver Speicher

Kontroll-Fluss

Daten-Fluss


Architekturstile: ÜbersichtArchitekturstile: Übersicht

Independent Components

CommunicatingProcesses

Event Systems

Implicit Invocation Explicit Invocation

Data Flow

BatchSequential

Pipes andFilters

Data-Centered

Repository Blackboard

Virtual Machine

Interpreter Rule-BasedSystem

Call and Return

Programmand Subroutine

ObjectOriented

Layered


„„Data-Centered“-ArchitekturData-Centered“-Architektur

Zugriff und Veränderung eines gemeinsamen Daten-Speichers

• Bietet:– Integrierbarkeit der Daten

• Typen:– Repository: Passiver Daten-Speicher (Bsp.: Datei)

– Blackboard: Aktiver Daten-Speicher (Bsp.: Datenbank)

Client

Daten-Speicher

Client

Client

Client


„„Data-Flow“-ArchitekturData-Flow“-Architektur

Eine Abfolge von Operationen auf Eingangs-Daten anwenden

• Bietet:– Modifizierbarkeit

– Wiederverwendbarkeit

• Typen:– Batch-Sequential: Komponenten sind eigenständige Programme

– Pipes and Filters: Ein System, verarbeitet Daten als Stream

Syntax-Check Parsen Sortieren


„„Virtual Machine“-ArchitekturVirtual Machine“-Architektur

Erschaffung einer Abstraktions-Ebene durch Simulation

• Bietet:– Portierbarkeit

• Typen:– Interpreter

– Rule-Based

Interpreter

Programm-Zustand

internerZustand

interpretiertesProgramm

Eingaben

Ausgaben


„„Call and Return“-Architektur(1)Call and Return“-Architektur(1)

Aufteilen eines Programms in kleinere Einzelteile


– Skalierbarkeit

– Wiederverwendbarkeit (Portierbarkeit)

• Typen:– Main Program and Subroutine: Hierarchische Aufteilung

• RPC: Wie oben nur im Netzwerk verteilt

– Object-Oriented: Aufteilung in Objekte

– Layered: Aufeinander aufbauende Schichten


„„Call and Return“-Architektur(2)Call and Return“-Architektur(2)

Main

Sub1

Sub2

User Interface

Spezielle Funktionen

Allgemeine Funktionen

Main and Subroutine

LayeredObject-OrientedObjekt

Objekt

Objekt

Objekt


„„Independent Component“-ArchitekturIndependent Component“-Architektur

Kommunizierende Objekte, die sich nicht direkt kontrollieren


– Wiederverwendbarkeit

– Skalierbarkeit und Performanz

• Typen:– Event Systems: Observer-Prinzip

– Communicating Processes: Bsp.: Client-Server

Server

Client

Client

Client


Heterogene ArchitekturenHeterogene Architekturen

• Lokal heterogen– Scheint zur Laufzeit eine einheitliche Architektur zu haben

– Besteht jedoch aus mehreren Architekturen

– Bsp.: „Main and Subroutines“ mit gemeinsamem Speicher

• Hierarchisch heterogen– Architekturen sind ineinander verschachtelt

– Unter-Komponenten sind anders aufgebaut, als Gesamt-System

• Heutzutage häufig– Kombination von Objekt-Orientierter „Tier“-Architektur mit

„Layered“-Architektur.


Architekturstile: ZusammenfassungArchitekturstile: Zusammenfassung

Performanz

Sicherheit

Verfügbarkeit

Benutzbarkeit

Modifizierbarkeit

Portierbarkeit

Integrierbarkeit

Testbarkeit


Data-Flow

Data-Centered

Virtual Machine

Call and Return

Wiederverwendbark.


Gliederung - BeispielGliederung - Beispiel

Architektur



Beispiel




Beispiel: KWIC (Keyword in Context)Beispiel: KWIC (Keyword in Context)

• Liest Strings ein

• Vertauscht die Wörter der Strings zyklisch miteinander

• Sortiert die resultierenden Strings alphabetisch

• Sinn: Schnell durchsuchbaren Index erzeugen

Ich wünsche ein frohes Festund einen guten Rutsch

6) Ich wünsche ein frohes Fest

3) Fest Ich wünsche ein frohes

4) frohes Fest Ich wünsche ein

1) ein frohes Fest Ich wünsche

9) wünsche ein frohes Fest Ich

8) und einen guten Rutsch

7) Rutsch und einen guten

5) guten Rutsch und einen

2) einen guten Rutsch und


Beispiel: „Data Centered“-ArchitekturBeispiel: „Data Centered“-Architektur

Eingabe Vertauschen Sortieren Ausgabe

Zeichen Indexsortierter

Index

Kontrolle


Beispiel: „Call and Return (OO)“-ArchitekturBeispiel: „Call and Return (OO)“-Architektur

Eingabe

Vertauschen Sortieren

Ausgabe

Zeichen Indexsortierter

Index

Kontrolle

Zeichen


Beispiel: „Pipe and Filter“-ArchitekturBeispiel: „Pipe and Filter“-Architektur

Vertauschen Sortieren

Eingabe Vertauschte Zeilen Sortierte Ausgabe


Beispiel: VergleichBeispiel: Vergleich

Ändern des Datentyps

Ändern der Funktionalität

Performanz

Wiederverwendbarkeit

DataCentered

Call andReturn

Pipe andFilter

--

-

++

-

+

+

-

++

-

++

o

+

„There is no silver bullet.“ [Fred Brooks]


LiteraturempfehlungLiteraturempfehlung

Software Architecture in Practice2nd edition

L.Bass, P.Clements, R. Kazman

512 SeitenAddison-Wesley Professional 2003

ca. 50,- eur


ZusammenfassungZusammenfassung

Performanz

Sicherheit

Verfügbarkeit

Benutzbarkeit

Modifizierbarkeit

Portierbarkeit

Integrierbarkeit

Testbarkeit


Data-Flow

Data-Centered

Virtual Machine

Call and Return

Wiederverwendbark.

C. Processes

Event System

Batch

Pipe

Repository

Blackboard

Main and Sub

Object Oriented

Layered


AnhangAnhang

Anhang


Einleitung: MotivationEinleitung: Motivation

• Mit dem Auto unterwegs in einer fremden Stadt– Unter Zeitdruck

– Lesen einer Karte oder Passanten fragen kostet Zeit, die man nicht hat

– Man fährt nach Gefühl drauf los

– ...und kommt erst recht zu spät

„We don't have the time to be efficient.“


Weitere BegriffeWeitere Begriffe

ReferenzModell

ArchitekturStil

ReferenzArchitektur

SoftwareArchitektur

Architektur Stil

• Einer Architektur auferlegte Zwänge

• Beschreibung von Typen und Mustern

• Beispiel: Client-Server

Referenz Modell

• Teilfunktionalität eines Systems inklusive Datenfluss

• Beispiel: Standard Komponenten einer Datenbank-Anwendung

Referenz Architektur

• Projektion eines Referenz Modells auf ein Software-Sytem

• Beispiel: iLam-System, SE-Anmelde-System


Struktur oder Komponenten eines Systems können später wiederverwendet werden

Wiederverwendbarkeit (Reusability)Wiederverwendbarkeit (Reusability)

• Abhängig von:– Lose Kopplung zwischen Komponenten

– Um eine Komponente in einem neuen System zu nutzen muss man• Die dazu erforderlichen Komponenten mitnehmen

• Äquivalente bereitstellen

• Spezialfall von Modifizierbarkeit

architekturabhängig


Anforderungen an die ArchitekturAnforderungen an die Architektur

• Architektur selbst kann gewissen Anforderungen erfüllen:

– Konzeptuelle Integrität (conceptual integrity)

– Richtigkeit und Vollständigkeit (correctnes and completeness)

– Umsetzbarkeit (buildability)

• Lieber auf einzelne Qualitäts-Anforderungen verzichten, als auf ein durchgängiges und einheitliches Architektur-Konzept

„I will contend that conceptual integrity is the most importantconsideration in system design.“ [Fred Brooks]


Motivation für Architekturen (2)Motivation für Architekturen (2)

• Was leistet eine Architektur?

– Legt Struktur der Implementation fest

– Damit auch teilweise die Organisation des Projektes

– Erlaubt Optimierung auf bestimmte Qualitäten hin

– Erleichtert Änderungen (einzelner Komponenten)

– Ermöglicht den Aufbau ganzer Produkt-Linien

– Erleichtert das Verwenden von vorgefertigten Komponenten

– Ein wichtiger Teil der Dokumentation

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