архитектура приложения при разработке

4 типа архитектуры программного обеспечения

Детальный обзор существующих подходов

Зачем нужна архитектура ПО

Первые разработчики создавали программное обеспечение без архитектуры. Сначала это казалось удобным: никаких издержек, связанных с планированием, и ускоренное прототипирование. Но мере усложнения ПО теряло гибкость и управляемость, а каждое новое изменение обходилось все дороже. Это мешало развивать проект за границы, определенные изначально. Такая система получила название Большой комок грязи (Big Ball of Mud).

За годы развития ПО разработчикам удалось придумать надежные подходы, чтобы устранить недостатки проектирования без архитектуры. Ниже представлены некоторые из самых известных.

Подробно рассмотрим каждую из них.

Многослойная архитектура

Этот подход работает п о принципу разделения ответственностей. ПО разделено на слои, лежащие друг на друге, и каждый из них выполняет определенную обязанность.

Архитектура делит ПО на следующие слои.

Данные и элементы управления проходят через каждый слой в дизайне и передаются от одного к другому. Эта система также повышает уровень абстракции и в некоторой степени даже стабильность ПО.

Преимущества

Недостатки

Многоуровневая архитектура

Этот архитектурный подход разделяет комплекс ПО на уровни по принципу взаимодействия “клиент-сервер”. Архитектура может иметь один, два и больше уровней, разделяющих ответственности между поставщиком данных и потребителем.

Этот подход использует шаблон Request Response для связи между уровнями. В отличие от многослойной архитектуры, он предлагает масштабируемость, которая может быть как горизонтальной (масштабирование сети с помощью высокопроизводительных узлов), так и вертикальной (масштабирование каждого узла путем повышения его производительности).

Одноуровневая система

В данном подходе единая система работает как на стороне сервера, так и клиента. Это обеспечивает простоту развертывания и отличную скорость связи, а также устраняет необходимость межсистемного взаимодействия (Inter-system communication — ISC).

Такая система подходит только для небольших однопользовательских приложений.

Двухуровневая система

Эта система состоит из двух физических машин в качестве сервера и клиента. Она обеспечивает изоляцию операций управления данными, обработки данных и операций представления.

Трехуровневая и n-уровневая системы

Такие архитектуры обладают высокой масштабируемостью как по горизонтали, так и по вертикали. Реализация n-уровневой системы, как правило, обходится дороже, но обеспечивает высокую производительность. Поэтому она обычно применяется в крупных и комплексных программных решениях.

Этот подход можно сочетать с современной сервис-ориентированной архитектурой, чтобы создавать сложнейшие модели. Поскольку реализация может оказаться дорогостоящей с точки зрения времени и ресурсов, рекомендуется использовать его для сложных ПО, требующих производительности и масштабируемости.

Сервис-ориентированная архитектура (SOA)

Эта архитектурная модель состоит из компонентов и приложений, которые связываются друг с другом с помощью четко определенных сервисов.

Она состоит из 5 элементов:

Клиент отправляет запрос с использованием стандартного протокола и формата данных по сети. Этот запрос обрабатывается ESB (enterprise service bus — сервисная шина предприятия), которая считается сердцем сервис-ориентированной архитектуры и отвечает за оркестровку и маршрутизацию. С помощью сервисного репозитория ESB направляет запрос в специальный сервис, который может взаимодействовать с другими сервисами и базами данных, чтобы составить полезную нагрузку (данные) ответа.

Полный вызов ответа на запрос согласуется с правилами управления и безопасности SOA для выполнения безопасной и корректной транзакции.

Как правило, сервисы делятся на два вида.

Типы сервисов

Mикросервисная архитектура

При таком подходе приложение разрабатывается как набор небольших сервисов, каждый из которых работает в собственном процессе и связывается с легковесными механизмами, обычно API для HTTP-ресурса.

Архитектура работает по принципу компонентизации сервисов. Она разделяет программное обеспечение на различные изолированные компоненты (сервисы), каждый из которых несет единую ответственность. Изменения в одной сервисе не должны затрагивать другие.

Состав микросервисов

Архитектура состоит из изолированных компактных микросервисов, способных расширяться независимо друг от друга. Она включает 5 следующих компонентов:

Характеристики микросервисов

Микросервисная архитектура должна включать следующие характеристики.

Рекомендуется развивать каждый микросервис отдельно под управлением разных команд. Поскольку передача данных происходит по стандартному протоколу и формату данных, структура одного сервиса не затронет функциональность сопутствующих.

Источник

Как проектируют приложения: разбираемся в архитектуре

Старший iOS-разработчик из «ВКонтакте» рассказывает, почему архитектура не главное в проекте и как сделать продукт поддерживаемым и масштабируемым.

Катя Павловская для Skillbox Media

Евгений Ёлчев

Старший iOS-разработчик во «ВКонтакте». Раньше был фулстеком, бэкендером и DevOps, руководил отделом мобильной разработки, три года преподавал iOS-разработку в GeekBrains, был деканом факультета. Состоит в программном комитете конференции Podlodka iOS Crew, ведёт YouTube-канал с видеоуроками по Flutter. В Twitter пишет под ником @tygeddar.

Я люблю спорить о том, какая архитектура лучше. Может, из-за своего внутреннего перфекциониста или диплома архитектора информационных систем, а может, потому, что мне лень копаться в плохих проектах.

Спойлер: больше всего я люблю архитектуру MVC. Дальше расскажу, как она работает и почему мне не нравятся всякие MVVM, MVP и VIPER. Кстати, недавно я разобрался во Flux и её имплементации Redux и понял, что их я тоже недолюбливаю.

В основе статьи — тред автора в Twitter.

Что такое архитектура MVC

Я тогда был студентом, делал курсовые и пет-проекты. У них была сложная вёрстка и непростая структура БД, но максимально простая логика. Код получался простым, но в целом меня такой подход устраивал.

Мне не приходило в голову, что можно делать не так, как написано в документации к инструментам и в примерах на форумах. Я был счастлив и не забивал голову чепухой.

Я пробовал поменять логику в своём проекте — перенёс её из одного файла в другой, но разницы не заметил. По факту ничего и не изменилось, только код теперь лежал в другом файле.

Изучая дискуссии в интернете и рассуждая самостоятельно, я понял, что «толстая» модель мне не нравится. Пусть лучше модель остаётся базой данных, а контроллер и дальше управляет логикой.

Со временем мои проекты становились всё сложнее, а контроллеры пухлее (правда, не как UIViewController в iOS). Я пробовал с этим бороться, выносил логику в сторонние файлы, которые включал в контроллеры, но это мало что меняло: архитектура сохранялась, просто код переносился из одного файла в другой.

Почему MVC не работала в моих проектах

В 2013 году я пересел на Laravel, разобрался с автозагрузкой классов в PHP, начал разбираться с ООП и прочитал «Совершенный код» Стива Макконнелла.

Стало ясно, что не стоит складывать всё в один файл — код и классы должны организовывать структуру, а некоторые фрагменты кода лучше убрать из MVC и выделить в самостоятельные части, которые можно переиспользовать.

С этого момента я начал писать проекты по-другому. В них появились иерархии классов, которые хранили логику, а контроллер сильно похудел — он получал данные от базы, передавал их в разные пакеты, получал от них результат и отправлял на HTML-страницу.

Архитектура проектов не была идеальной, потому что не подошла бы ни для одной сложной системы. Но для моих целей она была крутой и удобной: код получался читабельный, а все элементы проекта оставались довольно независимы.

Как я делал систему управления
VDS-сервером

В сложной системе нельзя передавать все данные через один контроллер, поэтому каждый плагин отдельно реализовывал веб- и API-интерфейсы, доступ к данным и бизнес-логику, вынесенную в пакеты для переиспользования.

Получилось так: HTML ⟷ JavaScript (модели, общение с API) ⟷ API ⟷ переиспользуемые пакеты ⟷ бизнес-логика и доступ к данным. Всё это не было похоже на MVC.

Почему архитектура не главное в проекте

Когда я увидел, как это реализуют в других компаниях, то осознал несколько важных нюансов.

Архитектура не даёт преимуществ. Ни одна продвинутая архитектура не была лучше того, что я делал в самом начале. За всё время я перепробовал разные подходы и поэтому мог оценить их пользу для проекта. Но между MVC и MVP не было разницы — кроме названий классов и правил вроде тех, когда элементы вызывают друг друга.

Компании понимают архитектуру по-разному. Одни говорят, что используют MVVM, у других то же самое называется MVC. Я видел пять MVVM-систем, и все были разными. Исключение — VIPER, у которой благодаря Егору Толстому есть подробная документация и много примеров. Но даже там были отличия.

Популярная архитектура не значит лучшая. Выбирать архитектуру из-за мейнстримности бесполезно. Кто-то решает использовать MVVM, но одни и те же компоненты кладёт в разные части проекта.

Архитектура не спасёт проект. Сама по себе она не решает проблемы и не гарантирует успеха.

Что же такое MVC на самом деле

Я постоянно изучал архитектуры, читал книги и спорил с коллегами, несколько раз пересматривал идею MVC в языке Smalltalk и несколько раз менял к ней отношение.

В итоге я понял, что MVC — это не три файла, и даже не несколько классов для каждого элемента. Модель — не про данные и не про бизнес-логику, а контроллер давно не нужен, и пора использовать MV.

Приложения с бизнес-логикой и доступом к данным были и до MVC, им не хватало только пользовательского интерфейса. Главная задача MVC — связать UI со всем остальным. Единственная рекомендация от создателя — при надобности создавать для каждой View свой фасад для Model и слушать его через паттерн-наблюдатель.

View — это и есть пользовательский интерфейс, Model — остальное приложение. Задача Controller — не быть прослойкой между V и M, а всего лишь принимать информацию от пользователя.

Принцип MVC — не мешать UI с бизнес-логикой, базой данных и другими частями приложения. А как это реализовать, уже пускай думает архитектор. Это не космическая инженерия.

Важно понимать, что MVP, MVVM или VIPER не заменяют MVC, а только дополняют её. Контроллер уже не нужен, потому что за ввод данных отвечает View, это стало его неотъемлемой частью.

Получается, что MVC в Apple, MVVM и другие варианты — это MV, где контроллер убрали за ненадобностью. Из всех современных MV(x) именно MVVM больше всего похожа на каноническую MVC.

Все эти термины усложняют общение. Иногда сложно понять, о чём тебе говорят, хотя задача архитектуры в том, чтобы всё было проще и понятнее.

Как разобраться в любой архитектуре

Может показаться, что все архитектуры одинаковые, и им вообще не стоит уделять внимания. Но это не так. У меня есть несколько правил.

Главное — реализация. Глобальная архитектура не так важна, как её воплощение. Всё зависит от того, как вы называете классы, где храните элементы и как классы общаются между собой. Все из команды должны соблюдать ваш стандарт, и тогда проект будет проще поддерживать.

Model — ваша ответственность. Архитектура MVC не даёт инструкций, как правильно написать основную часть приложения. Ваша ответственность в том, чтобы не устраивать в Model кашу, где половина классов — Service, а вторая половина — Helper.

Нужно разбираться в основах. Не стоит изучать конкретную архитектуру, лучше понять, из чего она логически следует. Тут поможет история, объектно-ориентированное и функциональное программирование, паттерны, SOLID и всё остальное. Обязательно надо прочитать «Совершенный код» Стива Макконнелла.

С какого-то момента я начал теряться в проекте. У меня появилась куча сущностей с похожими названиями и похожими данными, я создал миллиард экшенов. В итоге сам запутался, что, как и с чем взаимодействует.

Redux хороша для больших проектов, ориентированных на офлайн, где одновременно происходит куча асинхронных неблокируемых событий. Там этот бойлерплейт стоит терпеть, потому что он спасёт вам жизнь. Но в обычном тонком клиенте лучше использовать стандартную MV и не париться.

Вывод: что прочитать об архитектуре

На «Хабре» есть отличные статьи об MVC — «Охота на мифический MVC. Обзор, возвращение к первоисточникам и про то, как анализировать и выводить шаблоны самому» и «Охота на мифический MVC. Построение пользовательского интерфейса». Обязательно прочитайте их, если интересуетесь архитектурой — автор тщательно и на хороших примерах разобрал, что это такое.

Источник

Краткий обзор 10 популярных архитектурных шаблонов приложений

Jul 29, 2018 · 7 min read

Вы когда-нибудь задавались вопросом о том, как именно разрабатываются масштабные системы крупных предприятий? До того, как перейти к непосредственной разработке программного обеспечения, мы определяемся с правильным архитектурным шаблоном, который даст нам желаемое качество и функционал. Следовательно, мы должны разбираться в нюансах различных архитектур еще до того, как применить их к своему дизайну.

Что такое архитектурный шаблон?

По материалам Википедии,

Архитектурный шаблон — это общее и повторяющееся решение часто возникающей проблемы архитектуры приложений в пределах заданного контекста. Архитектурные шаблоны схожи с шаблонами программного дизайна, однако имеют более широкий охват.

В данной статье я вкратце разберу 10 самых популярных архитектурных шаблонов, расскажу про их назначение, плюсы и минусы использования.

1. Многоуровневый шаблон

2. Клиент-серверный шаблон

4. Каналы и фильтры

5. Шаблон посредника

6. Одноранговый шаблон

1. Многоуровневый шаблон

Данный шаблон используется для структурирования программ, которые можно разложить на группы неких подзадач, находящихся на определенных уровнях абстракции. Каждый слой предоставляет службы для следующего, более высокого слоя.

Чаще всего в общих информационных системах встречаются следующие 4 слоя:

· Слой представления (также известен как слой пользовательского интерфейса)

· Слой приложения (также известен как слой сервиса)

· Слой бизнес-логики (также известен как уровень предметной области)

· Слой доступа к данным (также известен как уровень хранения данных)

Использование

· Общие десктопные приложения.

2. Клиент-серверный шаблон

Данный шаблон состоит из двух частей: сервера и множества клиентов. Серверный компонент предоставляет службы клиентским компонентам. Клиенты запрашивают услуги у сервера, а он, в свою очередь, оказывает эти самые услуги клиентам. Более того, сервер продолжает «подслушивать» клиентские запросы.

Использование

· Онлайн приложения (электронная почта, совместный доступ к документам, банковские услуги).

3. Ведущий-ведомый

В этом шаблоне также задействованы два участника — ведущий и ведомые. Ведущий компонент распределяет задачи среди идентичных ведомых компонентов и вычисляет итоговый результат на основании результатов, полученных от своих «подчиненных».

Использование

· В репликации баз данных. Там главная БД считается авторитетным источником, а подчиненные базы с ней синхронизируются.

· Периферийные устройства, подключенные к шине в компьютере (ведущие и ведомые устройства).

4. Каналы и фильтры

Этот шаблон подходит для систем, которые производят и обрабатывают потоки данных. Каждый этап обработки происходит внутри некоего компонента фильтра. Данные для обработки передаются через каналы. Эти каналы можно использовать для буферизации или синхронизации данных.

Использование

· Компиляторы. Последовательные фильтры выполняют лексический, синтаксический, семантический анализ и создание кода.

· Рабочие процессы в биоинформатике.

5. Шаблон посредника

Данный шаблон нужен для структуризации распределенных систем с несвязными компонентами. Эти компоненты могут взаимодействовать друг с другом через удаленный вызов службы. Компонент посредник отвечает за координацию взаимодействия компонентов.

Сервер размещает свои возможности (службы и характеристики) у посредника (брокера). Клиент запрашивает услугу у брокера. Затем брокер перенаправляет клиента к подходящей службе из своего реестра.

Использование

6. Одноранговый шаблон

В данном шаблоне существуют отдельные компоненты, так называемые пиры. Пиры могут выступать в роли как клиента, запрашивающего услуги от других равноправных участников (пиров), так и сервера, предоставляющего услуги другим пирам. Пир может быть клиентом или сервером, или всем сразу, а также способен со временем динамически изменять свою роль.

Использование

· Проприетарные мультимедийные приложения (как тот же Spotify).

7. Шина событий

Этот шаблон, в основном, взаимодействует с событиями и состоит из 4 главных компонентов: источник события, прослушиватель события, канал и шина событий. Источники размещают сообщения для определенных каналов на шине событий. Прослушиватели подписываются на определенные каналы. Прослушиватели получают уведомления о появлении сообщений, размещенных на каналах из их подписки.

Использование

· Разработки на Android

8. Модель-представление-контроллер

Этот шаблон также известен как MVC-шаблон. Он разделяет интерактивные прикладные программы на 3 части:

1. модель — содержит ключевые данные и функционал;

2. представление — показывает информацию пользователю (можно задавать более одного представления);

3. контроллер — занимается обработкой данных от пользователя.

Это делается с целью разграничения внутреннего представления информации от способов ее представления и принятия от пользователя. Данная схема изолирует компоненты и позволяет эффективно реализовать повторное использование кода.

Использование

· Архитектура WWW-приложений, написанных на основных языках программирования.

9. Доска

Такой шаблон подходит для проблем, для которых отсутствуют четкие детерминированные решения. Шаблон «Доска» состоит из 3 главных компонентов:

· доска — это структурированная глобальная память, содержащая объекты из пространства возможных решений;

· источник знания — специализированные модули со своим собственным представлением;

· компоненты управления — выбирает, настраивает и исполняет модули.

Все компоненты имеют доступ к доске. Компоненты могут производить новые объекты данных, которые добавляются к доске. Компоненты ищут на доске конкретные виды данных. Одним из способов поиска является сопоставление шаблонов с существующим источником знаний.

Использование

· идентификация и отслеживание транспортных средств;

· определение структур белка;

· интерпретация сигналов Sonar.

10. Интерпретатор

Он подходит для разработки компонента, который должен интерпретировать программы, написанные на специальном языке программирования. В основном, там расписано, как вычислять строки (иначе говоря: «предложения» или «выражения»), написанные на каком-то определенном языке программирования. Суть в том, чтобы присвоить класс каждому символу языка.

Использование

· языки запросов к базе данных (SQL);

· языки, которые используются для описания протоколов передачи данных.

Сравнение архитектурных шаблонов

Ниже приводятся плюсы и минусы каждого из архитектурных шаблонов.

Многоуровневый шаблон

Клиент-серверный шаблон

Шаблон «Ведущий-ведомый»

Шаблон «Каналы и фильтры»

Шаблон «Посредник»

Одноранговый шаблон

Шаблон «Шина событий»

Шаблон «Модель-представление-контроллер»

Шаблон «Доска»

Шаблон «Интерпретатор»

Источник

Создание архитектуры программы или как проектировать табуретку

Взявшись за написание небольшого, но реального и растущего проекта, мы «на собственной шкуре» убедились, насколько важно то, чтобы программа не только хорошо работала, но и была хорошо организована. Не верьте, что продуманная архитектура нужна только большим проектам (просто для больших проектов «смертельность» отсутствия архитектуры очевидна). Сложность, как правило, растет гораздо быстрее размеров программы. И если не позаботиться об этом заранее, то довольно быстро наступает момент, когда ты перестаешь ее контролировать. Правильная архитектура экономит очень много сил, времени и денег. А нередко вообще определяет то, выживет ваш проект или нет. И даже если речь идет всего лишь о «построении табуретки» все равно вначале очень полезно ее спроектировать.

К моему удивлению оказалось, что на вроде бы актуальный вопрос: «Как построить хорошую/красивую архитектуру ПО?» — не так легко найти ответ. Не смотря на то, что есть много книг и статей, посвященных и шаблонам проектирования и принципам проектирования, например, принципам SOLID (кратко описаны тут, подробно и с примерами можно посмотреть тут, тут и тут) и тому, как правильно оформлять код, все равно оставалось чувство, что чего-то важного не хватает. Это было похоже на то, как если бы вам дали множество замечательных и полезных инструментов, но забыли главное — объяснить, а как же «проектировать табуретку».

Хотелось разобраться, что вообще в себя включает процесс создания архитектуры программы, какие задачи при этом решаются, какие критерии используются (чтобы правила и принципы перестали быть всего лишь догмами, а стали бы понятны их логика и назначение). Тогда будет понятнее и какие инструменты лучше использовать в том или ином случае.

Данная статья является попыткой ответить на эти вопросы хотя бы в первом приближении. Материал собирался для себя, но, может, он окажется полезен кому-то еще. Мне данная работа позволила не только узнать много нового, но и в ином контексте взглянуть на кажущиеся уже почти банальными основные принципы ООП и по настоящему оценить их важность.

Информации оказалось довольно много, поэтому приведены лишь общая идея и краткие описания, дающие начальное представление о теме и понимание, где искать дальше.

Критерии хорошей архитектуры

Вообще говоря, не существует общепринятого термина «архитектура программного обеспечения». Тем не менее, когда дело касается практики, то для большинства разработчиков и так понятно какой код является хорошим, а какой плохим. Хорошая архитектура это прежде всего выгодная архитектура, делающая процесс разработки и сопровождения программы более простым и эффективным. Программу с хорошей архитектурой легче расширять и изменять, а также тестировать, отлаживать и понимать. То есть, на самом деле можно сформулировать список вполне разумных и универсальных критериев:

Эффективность системы. В первую очередь программа, конечно же, должна решать поставленные задачи и хорошо выполнять свои функции, причем в различных условиях. Сюда можно отнести такие характеристики, как надежность, безопасность, производительность, способность справляться с увеличением нагрузки (масштабируемость) и т.п.

Гибкость системы. Любое приложение приходится менять со временем — изменяются требования, добавляются новые. Чем быстрее и удобнее можно внести изменения в существующий функционал, чем меньше проблем и ошибок это вызовет — тем гибче и конкурентоспособнее система. Поэтому в процессе разработки старайтесь оценивать то, что получается, на предмет того, как вам это потом, возможно, придется менять. Спросите у себя: «А что будет, если текущее архитектурное решение окажется неверным?», «Какое количество кода подвергнется при этом изменениям?». Изменение одного фрагмента системы не должно влиять на ее другие фрагменты. По возможности, архитектурные решения не должны «вырубаться в камне», и последствия архитектурных ошибок должны быть в разумной степени ограничены. «Хорошая архитектура позволяет ОТКЛАДЫВАТЬ принятие ключевых решений» (Боб Мартин) и минимизирует «цену» ошибок.

Расширяемость системы. Возможность добавлять в систему новые сущности и функции, не нарушая ее основной структуры. На начальном этапе в систему имеет смысл закладывать лишь основной и самый необходимый функционал (принцип YAGNI — you ain’t gonna need it, «Вам это не понадобится») Но при этом архитектура должна позволять легко наращивать дополнительный функционал по мере необходимости. Причем так, чтобы внесение наиболее вероятных изменений требовало наименьших усилии.

Требование, чтобы архитектура системы обладала гибкостью и расширяемостью (то есть была способна к изменениям и эволюции) является настолько важным, что оно даже сформулировано в виде отдельного принципа — «Принципа открытости/закрытости» (Open-Closed Principle — второй из пяти принципов SOLID): Программные сущности (классы, модули, функции и т.п.) должны быть открытыми для расширения, но закрытыми для модификации.

Иными словами: Должна быть возможность расширить/изменить поведение системы без изменения/переписывания уже существующих частей системы.

Это означает, что приложение следует проектировать так, чтобы изменение его поведения и добавление новой функциональности достигалось бы за счет написания нового кода (расширения), и при этом не приходилось бы менять уже существующий код. В таком случае появление новых требований не повлечет за собой модификацию существующей логики, а сможет быть реализовано прежде всего за счет ее расширения. Именно этот принцип является основой «плагинной архитектуры» (Plugin Architecture). О том, за счет каких техник это может быть достигнуто, будет рассказано дальше.

Масштабируемость процесса разработки. Возможность сократить срок разработки за счёт добавления к проекту новых людей. Архитектура должна позволять распараллелить процесс разработки, так чтобы множество людей могли работать над программой одновременно.

Тестируемость. Код, который легче тестировать, будет содержать меньше ошибок и надежнее работать. Но тесты не только улучшают качество кода. Многие разработчики приходят к выводу, что требование «хорошей тестируемости» является также направляющей силой, автоматически ведущей к хорошему дизайну, и одновременно одним из важнейших критериев, позволяющих оценить его качество: «Используйте принцип «тестируемости» класса в качестве «лакмусовой бумажки» хорошего дизайна класса. Даже если вы не напишите ни строчки тестового кода, ответ на этот вопрос в 90% случаев поможет понять, насколько все «хорошо» или «плохо» с его дизайном» (Идеальная архитектура).

Существует целая методология разработки программ на основе тестов, которая так и называется — Разработка через тестирование (Test-Driven Development, TDD).

Возможность повторного использования. Систему желательно проектировать так, чтобы ее фрагменты можно было повторно использовать в других системах.

Хорошо структурированный, читаемый и понятный код. Сопровождаемость. Над программой, как правило, работает множество людей — одни уходят, приходят новые. После написания сопровождать программу тоже, как правило, приходится людям, не участвовавшем в ее разработке. Поэтому хорошая архитектура должна давать возможность относительно легко и быстро разобраться в системе новым людям. Проект должен быть хорошо структурирован, не содержать дублирования, иметь хорошо оформленный код и желательно документацию. И по возможности в системе лучше применять стандартные, общепринятые решения привычные для программистов. Чем экзотичнее система, тем сложнее ее понять другим (Принцип наименьшего удивления — Principle of least astonishment. Обычно, он используется в отношении пользовательского интерфейса, но применим и к написанию кода).

Модульная архитектура. Декомпозиция как основа

Не смотря на разнообразие критериев, все же главной при разработке больших систем считается задача снижения сложности. А для снижения сложности ничего, кроме деления на части, пока не придумано. Иногда это называют принципом «разделяй и властвуй» (divide et impera), но по сути речь идет об иерархической декомпозиции. Сложная система должна строится из небольшого количества более простых подсистем, каждая из которых, в свою очередь, строится из частей меньшего размера, и т.д., до тех пор, пока самые небольшие части не будут достаточно просты для непосредственного понимания и создания.

Удача заключается в том, что данное решение является не только единственно известным, но и универсальным. Помимо снижения сложности, оно одновременно обеспечивает гибкость системы, дает хорошие возможности для масштабирования, а также позволяет повышать устойчивость за счет дублирования критически важных частей.

Соответственно, когда речь идет о построении архитектуры программы, создании ее структуры, под этим, главным образом, подразумевается декомпозиция программы на подсистемы (функциональные модули, сервисы, слои, подпрограммы) и организация их взаимодействия друг с другом и внешним миром. Причем, чем более независимы подсистемы, тем безопаснее сосредоточиться на разработке каждой из них в отдельности в конкретный момент времени и при этом не заботиться обо всех остальных частях.

«Архитектура идентифицирует главные компоненты системы и способы их взаимодействия. Также это выбор таких решений, которые интерпретируются как основополагающие и не подлежащие изменению в будущем.«

«Архитектура — это организация системы, воплощенная в ее компонентах, их отношениях между собой и с окружением.
Система — это набор компонентов, объединенных для выполнения определенной функции.«

Таким образом, хорошая архитектура это, прежде всего, модульная/блочная архитектура. Чтобы получить хорошую архитектуру надо знать, как правильно делать декомпозицию системы. А значит, необходимо понимать — какая декомпозиция считается «правильной» и каким образом ее лучше проводить?

«Правильная» декомпозиция

1. Иерархическая

Не стоит сходу рубить приложение на сотни классов. Как уже говорилось, декомпозицию надо проводить иерархически — сначала систему разбивают на крупные функциональные модули/подсистемы, описывающие ее работу в самом общем виде. Затем, полученные модули, анализируются более детально и, в свою очередь, делятся на под-модули либо на объекты.

Перед тем как выделять объекты разделите систему на основные смысловые блоки хотя бы мысленно. Для небольших приложений двух уровней иерархии часто оказывается вполне достаточно — система вначале делится на подсистемы/пакеты, а пакеты делятся на классы.

Эта мысль, при всей своей очевидности, не так банальна как кажется. Например, в чем заключается суть такого распространенного «архитектурного шаблона» как Модель-Вид-Контроллер (MVC)? Всего навсего в отделении представления от бизнес-логики, то есть в том, что любое пользовательское приложение вначале делится на два модуля — один из которых отвечает за реализацию собственно самой бизнес логики (Модель), а второй — за взаимодействие с пользователем (Пользовательский Интерфейс или Представление). Затем, для того чтобы эти модули могли разрабатываться независимо, связь между ними ослабляется с помощью паттерна «Наблюдатель» (подробно о способах ослабления связей будет рассказано дальше) и мы фактически получаем один из самых мощных и востребованных «шаблонов», которые используются в настоящее время.

Типичными модулями первого уровня (полученными в результате первого деления системы на наиболее крупные составные части) как раз и являются — «бизнес-логика», «пользовательский интерфейс», «доступ к БД», «связь с конкретным оборудованием или ОС».

Для обозримости на каждом иерархическом уровне рекомендуют выделять от 2 до 7 модулей.

2. Функциональная

Деление на модули/подсистемы лучше всего производить исходя из тех задач, которые решает система. Основная задача разбивается на составляющие ее подзадачи, которые могут решаться/выполняться независимо друг от друга. Каждый модуль должен отвечать за решение какой-то подзадачи и выполнять соответствующую ей функцию. Помимо функционального назначения модуль характеризуется также набором данных, необходимых ему для выполнения его функции, то есть:

Модуль = Функция + Данные, необходимые для ее выполнения.

Причем желательно, чтобы свою функцию модуль мог выполнить самостоятельно, без помощи остальных модулей, лишь на основе своих входящих данных.

Модуль — это не произвольный кусок кода, а отдельная функционально осмысленная и законченная программная единица (подпрограмма), которая обеспечивает решение некоторой задачи и в идеале может работать самостоятельно или в другом окружении и быть переиспользуемой. Модуль должен быть некой «целостностью, способной к относительной самостоятельности в поведении и развитии» (Кристофер Александер).

Таким образом, грамотная декомпозиция основывается, прежде всего, на анализе функций системы и необходимых для выполнения этих функций данных.

3. High Cohesion + Low Coupling
Самым же главным критерием качества декомпозиции является то, насколько модули сфокусированы на решение своих задач и независимы. Обычно это формулируют следующим образом: «Модули, полученные в результате декомпозиции, должны быть максимально сопряженны внутри (high internal cohesion) и минимально связанны друг с другом (low external coupling).«

Следствием High Cohesion является принцип единственной ответственности (Single Responsibility Principle — первый из пяти принципов SOLID), согласно которому любой объект/модуль должен иметь лишь одну обязанность и соответственно не должно быть больше одной причины для его изменения.

Делая декомпозицию системы желательно проверять ее качество задавая себе вопросы: «Какую функцию выполняет каждый модуль?«, “Насколько модули легко тестировать?”, “Возможно ли использовать модули самостоятельно или в другом окружении?”, “Как сильно изменения в одном модуле отразятся на остальных?”

В первую очередь следует, конечно же, стремиться к тому, чтобы модули были предельно автономны. Как и было сказано, это является ключевым параметром правильной декомпозиции. Поэтому проводить ее нужно таким образом, чтобы модули изначально слабо зависели друг от друга. Но кроме того, имеется ряд специальных техник и шаблонов, позволяющих затем дополнительно минимизировать и ослабить связи между подсистемами. Например, в случае MVC для этой цели использовался шаблон «Наблюдатель», но возможны и другие решения. Можно сказать, что техники для уменьшения связанности, как раз и составляют основной «инструментарий архитектора». Только необходимо понимать, что речь идет о всех подсистемах и ослаблять связанность нужно на всех уровнях иерархии, то есть не только между классам, но также и между модулями на каждом иерархическом уровне.

Как ослаблять связанность между модулями

Для наглядности, картинка из неплохой статьи «Decoupling of Object-Oriented Systems», иллюстрирующая основные моменты, о которых будет идти речь.

1. Интерфейсы. Фасад

Главным, что позволяет уменьшать связанность системы, являются конечно же Интерфейсы (и стоящий за ними принцип Инкапсуляция + Абстракция + Полиморфизм):

Благодаря интерфейсам и полиморфизму, как раз и достигается возможность модифицировать и расширять код, без изменения того, что уже написано (Open-Closed Principle). До тех пор, пока взаимодействие модулей описано исключительно в виде интерфейсов, и не завязано на конкретные реализации, мы имеем возможность абсолютно «безболезненно» для системы заменить один модуль на любой другой, реализующий тот же самый интерфейс, а также добавить новый и тем самым расширить функциональность. Это как в конструкторе или «плагинной архитектуре» (plugin architecture) — интерфейс служит своего рода коннектором, куда может быть подключен любой модуль с подходящим разъемом. Гибкость конструктора обеспечивается тем, что мы можем просто заменить одни модули/«детали» на другие, с такими же разъемами (с тем же интерфейсом), а также добавить сколько угодно новых деталей (при этом уже существующие детали никак не изменяются и не переделываются). Подробнее про Open-Closed Principle и про то, как он может быть реализован можно почитать тут + хорошая статья на английском.

Интерфейсы позволяют строить систему более высокого уровня, рассматривая каждую подсистему как единое целое и игнорируя ее внутреннее устройство. Они дают возможность модулям взаимодействовать и при этом ничего не знать о внутренней структуре друг друга, тем самым в полной мере реализуя принцип минимального знания, являющейся основой слабой связанности. Причем, чем в более общей/абстрактной форме определены интерфейсы и чем меньше ограничений они накладывают на взаимодействие, тем гибче система. Отсюда фактически следует еще один из принципов SOLID — Принцип разделения интерфейса (Interface Segregation Principle), который выступает против «толстых интерфейсов» и говорит, что большие, объемные интерфейсы надо разбивать на более маленькие и специфические, чтобы клиенты маленьких интерфейсов (зависящие модули) знали только о методах, которые необходимы им в работе. Формулируется он следующим образом: «Клиенты не должны зависеть от методов (знать о методах), которые они не используют» или “Много специализированных интерфейсов лучше, чем один универсальный”.

Итак, когда взаимодействие и зависимости модулей описываются лишь с помощью интерфейсов, те есть абстракций, без использования знаний об их внутреннем устройстве и структуре, то фактически тем самым реализуется инкапсуляция, плюс мы имеем возможность расширять/изменять поведения системы за счет добавления и использования различных реализаций, то есть за счет полиморфизма. Из этого следует, что концепция интерфейсов включает в себя и в некотором смысле обобщает почти все основные принципы ООП — Инкапсуляцию, Абстракцию, Полиморфизм. Но тут возникает один вопрос. Когда проектирование идет не на уровне объектов, которые сами же и реализуют соответствующие интерфейсы, а на уровне модулей, то что является реализацией интерфейса модуля? Ответ: если говорить языком шаблонов, то как вариант, за реализацию интерфейса модуля может отвечать специальный объект — Фасад.

Фасад — это объект-интерфейс, аккумулирующий в себе высокоуровневый набор операций для работы с некоторой подсистемой, скрывающий за собой ее внутреннюю структуру и истинную сложность. Обеспечивает защиту от изменений в реализации подсистемы. Служит единой точкой входа — «вы пинаете фасад, а он знает, кого там надо пнуть в этой подсистеме, чтобы получить нужное».

Таким образом, мы получаем первый, самый важный паттерн, позволяющий использовать концепцию интерфейсов при проектировании модулей и тем самым ослаблять их связанность — «Фасад». Помимо этого «Фасад» вообще дает возможность работать с модулями точно также как с обычными объектами и применять при проектировании модулей все те полезные принципы и техники, которые используются при проектирования классов.

Замечание: Хотя большинство программистов понимают важность интерфейсов при проектировании классов (объектов), складывается впечатление, что идея необходимости использовать интерфейсы также и на уровне модулей только зарождается. Мне встретилось очень мало статей и проектов, где интерфейсы бы применялись для ослабления связанности между модулями/слоями и соответственно использовался бы паттерн «Фасад». Кто, например, видел «Фасад» на схемах уже упоминавшегося «архитектурного шаблона» Модель-Вид-Контроллер, или хотя бы слышал его упоминание среди паттернов, входящих в состав MVC (наряду с Observer и Composite)? А ведь он там должен быть, поскольку Модель это не класс, это модуль, причем центральный. И у создателя MVC Трюгве Реенскауга он, конечно же, был (смотрим «The Model-View-Controller (MVC ). Its Past and Present», только учитываем, что это писалось в 1973 году и то, что мы сейчас называем Представлением — Presentaition/UI тогда называлось Editior). Странным образом «Фасад» потерялся на многие годы и вновь обнаружить его мне удалось лишь недавно, в основном, в обобщенном варианте MVC от Microsoft («Microsoft Application Architecture Guide»). Вот соответствующие слайды:

А разработчикам, к сожалению, приходится заново «переоткрывать» идею, что к объектам Модели, отвечающей за бизнес-логику приложения, нужно обращаться не напрямую а через интерфейс, то есть «Фасад», как например, в этой статье, откуда для полноты картины взят еще один слайд:

2. Dependency Inversion. Корректное создание и получение зависимостей

Не смотря на свою фундаментальность и кажущуюся простоту это правило нарушается, пожалуй, чаще всего. А именно, каждый раз, когда в коде программы/модуля мы используем оператор new и создаем новый объект конкретного типа, то тем самым вместо зависимости от интерфейса образуется зависимость от реализации.

Понятно, что этого нельзя избежать и объекты где-то должны создаваться. Но, по крайней мере, нужно свести к минимуму количество мест, где это делается и в которых явно указываются классы, а также локализовать и изолировать такие места, чтобы они не были разбросаны по всему коду программы. Решение заключается в том, чтобы сконцентрировать создание новых объектов в рамках специализированных объектов и модулей — фабрик, сервис локаторов, IoC-контейнеров.

В каком-то смысле такое решение следует Принципу единственного выбора (Single Choice Principle), который говорит: «всякий раз, когда система программного обеспечения должна поддерживать множество альтернатив, их полный список должен быть известен только одному модулю системы«. В этом случае, если в будущем придется добавить новые варианты (или новые реализации, как в рассматриваемом нами случае создания новых объектов), то достаточно будет произвести обновление только того модуля, в котором содержится эта информация, а все остальные модули останутся незатронутыми и смогут продолжать свою работу как обычно.

Ну а теперь разберем подробнее, как это делается на практике и каким образом модули могут корректно создавать и получать свои «зависимости», не нарушая принципа Dependency Inversion.

Но, как и было сказано, модуль не может это сделать напрямую — для создания необходимо вызвать конструктор конкретного типа, и в результате модуль будет зависеть не от интерфейса, а от конкретной реализации. Решить проблему в данном случае позволяет шаблон Фабричный Метод (Factory Method).

«Суть заключается в том, что вместо непосредственного инстанцирования объекта через new, мы предоставляем классу-клиенту некоторый интерфейс для создания объектов. Поскольку такой интерфейс при правильном дизайне всегда может быть переопределён, мы получаем определённую гибкость при использовании низкоуровневых модулей в модулях высокого уровня».

В случаях, когда нужно создавать группы или семейства взаимосвязанных объектов, вместо Фабричного Метода используется Абстрактная Фабрика (Abstract factory).

Этот подход реализуется шаблоном Локатор Сервисов (Service Locator), основная идея которого заключается в том, что в программе имеется объект, знающий, как получить все зависимости (сервисы), которые могут потребоваться.

Главное отличие от фабрик в том, что Service Locator не создаёт объекты, а фактически уже содержит в себе инстанцированные объекты (или знает где/как их получить, а если и создает, то только один раз при первом обращении). Фабрика при каждом обращении создает новый объект, который вы получаете в полную собственность и можете делать с ним что хотите. Локатор же сервисов выдает ссылки на одни и те же, уже существующие объекты. Поэтому с объектами, выданными Service Locator, нужно быть очень осторожным, так как одновременно с вами ими может пользоваться кто-то еще.

Объекты в Service Locator могут быть добавлены напрямую, через конфигурационный файл, да и вообще любым удобным программисту способом. Сам Service Locator может быть статическим классом с набором статических методов, синглетоном или интерфейсом и передаваться требуемым классам через конструктор или метод.

Вообще говоря, Service Locator иногда называют антипаттерном и не рекомендуют использовать (главным образом потому, что он создает неявные связности и дает лишь видимость хорошего дизайна). Подробно можно почитать у Марка Симана:
Service Locator is an Anti-Pattern
Abstract Factory or Service Locator?

Это так и называется — Внедрение Зависимостей (Dependency Injection). Обычно требуемые зависимости передаются либо в качестве параметров конструктора (Constructor Injection), либо через методы класса (Setter injection).

Такой подход инвертирует процесс создания зависимости — вместо самого модуля создание зависимостей контролирует кто-то извне. Модуль из активного элемента, становится пассивным — не он делает, а для него делают. Такое изменение направления действия называется Инверсия Контроля (Inversion of Control), или Принцип Голливуда — «Не звоните нам, мы сами вам позвоним».

Это самое гибкое решение, дающее модулям наибольшую автономность. Можно сказать, что только оно в полной мере реализует «Принцип единственной ответственности» — модуль должен быть полностью сфокусирован на том, чтобы хорошо выполнять свою функцию и не заботиться ни о чем другом. Обеспечение его всем необходимым для работы это отдельная задача, которой должен заниматься соответствующий «специалист» (обычно управлением зависимостями и их внедрениями занимается некий контейнер — IoC-контейнер).

По сути, здесь все как в жизни: в хорошо организованной компании программисты программируют, а столы, компьютеры и все необходимое им для работы покупает и обеспечивает кладовщик. Или, если использовать метафору программы как конструктора — модуль не должен думать о проводах, сборкой конструктора занимается кто-то другой, а не сами детали.

Более подробно и с примерами о способах создания и получения зависимостей можно почитать, например, в этой статье (только надо иметь ввиду, что хотя автор пишет о Dependency Inversion, он использует термин Inversion of Control; возможно потому, что в русской википедии содержится ошибка и этим терминам даны одинаковые определения). А принцип Inversion of Control (вместе с Dependency Injection и Service Locator) детально разбирается Мартином Фаулером и есть переводы обеих его статей: «Inversion of Control Containers and the Dependency Injection pattern» и “Inversion of Control”.

Не будет преувеличением сказать, что использование интерфейсов для описания зависимостей между модулями (Dependency Inversion) + корректное создание и внедрение этих зависимостей (прежде всего Dependency Injection) являются центральными/базовыми техниками для снижения связанности. Они служат тем фундаментом, на котором вообще держится слабая связанность кода, его гибкость, устойчивость к изменениям, переиспользование, и без которого все остальные техники имеют мало смысла. Но, если с фундаментом все в порядке, то знание дополнительных приемов может быть очень даже полезным. Поэтому продолжим.

3. Замена прямых зависимостей на обмен сообщениями

Иногда модулю нужно всего лишь известить других о том, что в нем произошли какие-то события/изменения и ему не важно, что с этой информацией будет происходить потом. В этом случае модулям вовсе нет необходимости «знать друг о друге», то есть содержать прямые ссылки и взаимодействовать непосредственно, а достаточно всего лишь обмениваться сообщениями (messages) или событиями (events).

Связь модулей через обмен сообщениями является гораздо более слабой, чем прямая зависимость и реализуется она чаще всего с помощью следующих шаблонов:

Организация взаимодействия посредством рассылки сообщений имеет дополнительный «бонус» — необязательность существования «подписчиков» на «опубликованные» (т.е. рассылаемые) сообщения. Качественно спроектированная подобная система допускает добавление/удаление модулей в любое время.

Типичный пример — контроль трафика в аэропорту. Все сообщения, исходящие от самолетов, поступают в башню управления диспетчеру, вместо того, чтобы пересылаться между самолетами напрямую. А диспетчер уже принимает решения о том, какие самолеты могут взлетать или садиться, и в свою очередь отправляет самолетам соответствующие сообщения. Подробнее, например, тут.

Дополнение: Модули могут пересылать друг другу не только «простые сообщения, но и объекты-команды. Такое взаимодействие описывается шаблономКоманда (Command). Суть заключается в инкапсулировании запроса на выполнение определенного действия в виде отдельного объекта (фактически этот объект содержит один единственный метод execute()), что позволяет затем передавать это действие другим модулям на выполнение в качестве параметра, и вообще производить с объектом-командой любые операции, какие могут быть произведены над обычными объектами. Кратко рассмотрентут, соответствующая глава из книги банды четырехтут, есть также статья нахабре.

4. Замена прямых зависимостей на синхронизацию через общее ядро

Данный подход обобщает и развивает идею заложенную в шаблоне «Посредник». Когда в системе присутствует большое количество модулей, их прямое взаимодействие друг с другом становится слишком сложным. Поэтому имеет смысл взаимодействие «все со всеми» заменить на взаимодействие «один со всеми». Для этого вводится некий обобщенный посредник, это может быть общее ядро приложения, хранилище или шина данных, а все остальные модули становятся независимыми друг от друга клиентами, использующими сервисы этого ядра или выполняющими обработку содержащейся там информации. Реализация этой идеи позволяет модулям-клиентам общаться друг с другом через посредника и при этом ничего друг о друге не знать.

Ядро-посредник может как знать о модулях-клиентах и управлять ими (пример — архитектура apache ), так и может быть полностью, или почти полностью, независимым и ничего о клиентах не знать. В сущности именно этот подход реализован в «шаблоне» Модель-Вид-Контроллер (MVC), где с одной Моделью (являющейся ядром приложение и общим хранилищем данных) могут взаимодействовать множество Пользовательских Интерфейсов, которые работают синхронно и при этом не знают друг о друге, а Модель не знает о них. Ничто не мешает подключить к общей модели и синхронизировать таким образом не только интерфейсы, но и другие вспомогательные модули.

Очень активно эта идея также используется при разработке игр, где независимые модули, отвечающие за графику, звук, физику, управление программой синхронизируются друг с другом через игровое ядро (модель), где хранятся все данные о состоянии игры и ее персонажах. В отличие от MVC, в играх согласование модулей с ядром (моделью) происходит не за счет шаблона «Наблюдатель», а по таймеру, что само по себе является интересным архитектурным решением весьма полезным для программ с анимацией и «бегущей» графикой.

5. Закон Деметры (law of Demeter)

Закон Деметры запрещает использование неявных зависимостей: «Объект A не должен иметь возможность получить непосредственный доступ к объекту C, если у объекта A есть доступ к объекту B и у объекта B есть доступ к объекту C«. Java-пример.

Это означает, что все зависимости в коде должны быть «явными» — классы/модули могут использовать в работе только «свои зависимости» и не должны лезть через них к другим. Кратко этот принцип формулируют еще таким образом: «Взаимодействуй только с непосредственными друзьями, а не с друзьями друзей«. Тем самым достигается меньшая связанность кода, а также большая наглядность и прозрачность его дизайна.

Закон Деметры реализует уже упоминавшийся «принцип минимального знания», являющейся основой слабой связанности и заключающийся в том, что объект/модуль должен знать как можно меньше деталей о структуре и свойствах других объектов/модулей и вообще чего угодно, включая собственные подкомпоненты. Аналогия из жизни: Если Вы хотите, чтобы собака побежала, глупо командовать ее лапами, лучше отдать команду собаке, а она уже разберётся со своими лапами сама.

6. Композиция вместо наследования

Одну из самых сильных связей между объектами дает наследование, поэтому, по возможности, его следует избегать и заменять композицией. Эта тема хорошо раскрыта в статье Герба Саттера — «Предпочитайте композицию наследованию».

Могу только посоветовать в данном контексте обратить внимание на шаблон Делегат (Delegation/Delegate) и пришедший из игр шаблон Компонет (Component), который подробно описан в книге «Game Programming Patterns» (соответствующая глава из этой книги на английском и ее перевод).

Что почитать

Интересные решения и идеи можно найти в материалах, посвященных разработке игр. Game Programming Patterns — большой сайт с подробным описанием многих шаблонов и примерами их применения к задаче создания игр (оказывается, есть уже его перевод — «Шаблоны игрового программирования», спасибо strannik_k за ссылку). Возможно будет полезна также статья «Гибкая и масштабируемая архитектура для компьютерных игр» (и ее оригинал. Нужно только иметь ввиду что автор почему-то композицию называет шаблоном «Наблюдатель»).

Источник