软件设计与架构

软件设计与架构关注软件系统如何被构建成组件和连接器，职责如何分解，以及设计决策如何满足功能需求和质量属性。

Definition

软件设计是定义系统架构、组件、接口和其他特征的过程，而软件架构是构成系统元素、它们之间的关系以及两者属性的结构集合。

Scope

此领域涵盖架构风格和模式（分层、客户端-服务器、微服务、事件驱动、管道与过滤器）；设计原则，如模块化、信息隐藏、内聚、耦合和关注点分离；面向对象和基于组件的设计；设计模式；架构质量属性及其权衡；以及用于表达设计的UML等建模符号。

Sub-topics

• 软件架构风格
• 软件设计模式
• 软件建模与UML

Core questions

• 系统应如何分解为模块和组件？
• 哪种架构风格最能支持所需的质量属性？
• 耦合和内聚等设计原则如何指导良好的结构？
• 如何通过可重用模式解决重复出现的设计问题？

Key theories

信息隐藏和模块化

Parnas认为，模块的定义应隐藏可能在稳定接口后发生变化的设计决策，从而使变化局部化；这一原则是模块化、封装和低耦合的基础。

架构质量属性和权衡

架构受性能、可修改性、可用性和安全性等质量属性驱动；由于这些属性之间存在冲突，架构本质上是通过策略和模式指导的权衡推理。

设计模式

重复出现的设计问题有众所周知的命名解决方案——创建型、结构型和行为型模式——它们捕捉了专家实践，并为面向对象设计提供了共享词汇。

Clinical relevance

架构决策在后期最难更改，并且最强烈地决定了系统的质量属性，因此良好的设计和架构可以降低长期维护成本，实现可伸缩性和演进，并塑造团队组织。

Evidence & guidelines

ISO/IEC/IEEE 42010 标准化了架构描述，而SWEBOK软件设计知识领域以及《Software Architecture in Practice》等参考文本提供了共识性指导。

History

模块化设计原则由Parnas在20世纪70年代早期阐明。面向对象设计和设计模式在20世纪80年代和90年代成熟，软件架构在20世纪90年代中期随着Shaw和Garlan的工作而成为一个独立的学科，服务导向和微服务风格则在21世纪初和21世纪10年代相继出现。

Debates

单体架构与微服务架构

将系统构建为单一可部署的单体还是许多独立可部署的服务，这一问题广受争议；微服务以分布式系统复杂性为代价提供了独立的扩展和部署，因此正确的选择取决于规模和组织结构。

Key figures

• David Parnas
• Mary Shaw
• Len Bass
• Erich Gamma
• Grady Booch

Seminal works

• parnas1972
• gamma1994
• bass2012

Frequently asked questions

设计和架构有什么区别？

架构关注最高层次的结构和更改成本最高的决策——主要组件、它们的交互以及系统范围的质量属性——而设计涵盖这些组件更详细的内部结构；两者的界限是重要性而非明确的划分。

设计模式为何重要？

模式捕捉了重复出现的设计问题的成熟解决方案，并为工程师提供了共享词汇，使设计更容易沟通、推理和演进；它们是需要审慎应用的指导，而非强制性的食谱。