Ohjelmistoarkkitehtuurit Kevät 2016 Arkkitehtuurityylit vol 2

Transkriptio

1 Ohjelmistoarkkitehtuurit Kevät 2016 Arkkitehtuurityylit vol 2 Samuel Lahtinen Ohjelmistoarkkitehtuurit

2 Aikaisempaa & tänään Arkkitehtuurityylit Tuttua kamaa pipes & filters jne. Tänään viestinvälitys, asiakas-palvelin, tulkki Ohjelmistoarkkitehtuurit

3 Viestinvälitysarkkitehtuurit Lähtökohta: Järjestelmä koostuu keskenään kommunikoivista komponenteista, mahdollisesti hajautettuja Komponenttien palveluja ei tiedetä tarkasti etukäteen Komponentteja ja niiden lukumäärää ei tiedetä tarkasti etukäteen Järjestelmässä liikkuvan tiedon laatua ei tunneta tarkasti etukäteen Ohjelmistoarkkitehtuurit

4 Viestinvälitysarkkitehtuuri: perusidea rekisteröidyt komponentit 1) luo viesti 2) lähetä välittäjälle Komponenttien yhteinen rajapinta: receive(message) 3) päätä vastaanottaja(t) ja välitä viesti sille/niille rekisteröidyt komponentit 4) vastaanota Viesti Viestinvälittäjä 5) tulkitse/ prosessoi viesti Ohjelmistoarkkitehtuurit

5 Rajapinnat vs. viestit Komponentit, Asiakas-palvelin, Web palvelut (SOA), C++, Java func A(X ) Rajapinta toteuttaa Palvelun tarjoaja Palvelun pyytäjä Viestinvälitysarkkitehtuurit, palveluväylät (ESB) Viesti ACTION = A PAR1 = X lukee Viestin välittäjä Palvelun tarjoaja Palvelun tarjoaja Rajapinta kertoo mitä tehdään ja millä tiedolla, viesti voi kertoa mitä tahansa (mitä tehdään, kuka tekee, millä tiedolla). Ohjelmistoarkkitehtuurit

6 Esimerkkejä Koneiden ohjausjärjestelmät Iot-himmelit Multimodaalisia järjestelmiä, komentokeskeiset arkkitehtuurit (WPF, Qt:n osat) Yrityksen liiketoimintojen hallintajärjestelmä Yleisesti: hajautetut järjestelmät, löyhää integrointia vaativat järjestelmät Ohjelmistoarkkitehtuurit

7 Palveluperustainen viestinvälitysarkkitehtuuri Palvelupyyntö Palvelupyyntö Asiakas Viestinvälittäjä Palvelija Palvelun tulos Palvelun tulos Viestinvälittäjä huolehtii siitä, että tulos menee oikealle komponentille Ohjelmistoarkkitehtuurit

8 Esimerkki: Auton viestiväylä moottorinohjaus ajotietokone jarrut vaihdelaatikko CAN väylä (Controller Area Network) Ohjelmistoarkkitehtuurit

9 Auto ja johdotukset ennen väylää Ohjelmistoarkkitehtuurit

10 Väylän kera Ohjelmistoarkkitehtuurit

11 Auton huoltotarkkailujärjestelmä: komponenttikaavio CANBusExaminer Messenger ServiceComponent receive(msg) MessageDispatcher send(msg) register(msgtype,component) recordusage() getstate() Sovitin muuntaa viestin palvelukutsuksi BrakeAdapter EngineAdapter EngineMonitor returnstate Ohjelmistoarkkitehtuurit

12 Viestinvälitys ja viestit Viestisisältö/muoto olennaisessa asemassa Suoritusohjeita, dataa, paluupyyntö Kenelle tarkoitettu Komponenteilla ID, id:n perusteella tehtävä priorisointi Mahdollisuus useampiin eri väyliin, viihdelaitteet, ajoneuvon hallinta, mukavuuslaitteet Ohjelmistoarkkitehtuurit

13 Ohjelmistoarkkitehtuurit

14 CAN-viestit, esimerkki SOF-start of frame Message id viestin tunniste, mitä pienempi, sen korkeampi prioriteetti Control protokollaan ja viestin sisällön pituuteen liittyvää tietoa Data (field) viestisisältö, esim. 0-8 tavua CRC (cyclic redundance check) tarkistearvo(15 bittinen) ACK joku node on käsitellyt viestin (ei välttämättä tarkoitettu kohde) EOF (end of frame) Ohjelmistoarkkitehtuurit

15 Esihistoriaa, sulautettujen ohjelmistojen simulointiympäristö kattila Pohjaventtiili pumppu poltin Kattilan ctrl lämmitys Prosessin ohjaus lämmitin anturi prosessi Simulaation ohjaus Liitin (output) Liitin (inpout) laite Ohjelmistoarkkitehtuurit

16 Esihistoriaa Sisäinen toteutus, viestinvälittäjä jokaisessa prosessissa, laitteet rekisteröityvät sille (viestilähteet & vastaanottajat), nämä kertovat olemassaolostaan ohjaukselle Simulaation ohjaus luo simulaatiomaailman, hallitsee sitä (esim. Ajanhallinta), tekee yhteydet (simulation kuvauksen perusteella) Viestinvälitys kaikessa kommunikaatiossa, viestit Ohjelmistoarkkitehtuurit

17 Viestityyppien & sisällön määritys Viestinvälitysarkkitehtuurit viestejä Tärkeä määritellä viestien rakenne, sisältö, mahdollinen virheiden hallinta jne. Erilaisia viestejä: Tapahtumaviestit, pyyntö-vastaus-viestit, komentoviestit (remote procedure), dataviestit (tiedon siirtoa) Ohjelmistoarkkitehtuurit

18 Viestinvälitysarkkitehtuurin etuja Helppo muuttaa, lisätä ja poistaa komponentteja tai sovelluksia Vikasietoinen (esim. jos viestillä ei vastaanottajaa), voidaan esim. toistaa viestin lähettämistä Joustava järjestelmäkonfiguraatio Sallii heterogeeniset järjestelmät, sovellusintegraation Sallii sekä synkronisen että asynkronisen kommunikoinnin Ohjelmistoarkkitehtuurit

19 Viestinvälitysarkkitehtuurin haittoja Tehokkuus: viestien kirjoittaminen ja lukeminen Vaikeampi toteuttaa, testata ja ymmärtää kuin perinteinen Jotkut tavalliset asiat vaativat erityistukea (esim. tuloksen palautus, synkronisuus) Syntyy helposti implisiittisiä riippuvuuksia yksiköiden välille, näennäisesti toisistaan riippumattomat komponentit vaikeita ylläpitää, muuttaa (erityisesti jos riippuvuuksia ei dokumentoitu) Ohjelmistoarkkitehtuurit

20 Harjoitus Topologia Lineaarinen Keskitetty Rajapinnat Riippuu palvelusta Ei riipu palvelusta Täytä arkkitehtuurityylien nimillä Ohjelmistoarkkitehtuurit

21 Kysyttävää?

22 Malli-näkymä-ohjain arkkitehtuurit (Model-View-Controller, MVC) Interaktiivisten järjestelmien arkkitehtuuriratkaisu, jolla käyttöliittymä erotetaan sovelluslogiikasta. Ohjelmistoarkkitehtuurit

23 Malli-näkymä-ohjain arkkitehtuurit (Model-View-Controller, MVC) Lähtökohdat: Sovelluksen tilasta pitäisi pystyä antamaan erilaisia näkymiä Käyttöliittymän pitäisi välittömästi heijastaa sovelluksen tilan muutoksia Käyttöliittymää pitäisi olla helppo muuttaa Sovellus pitäisi voida kohtuullisella työllä siirtää toiselle graafiselle alustalle Ohjelmistoarkkitehtuurit

24 Vastuut Malli Tarjoaa sovellukseen liittyvät loogiset toiminnot ja tiedot Rekisteröi sovelluksen tilasta kiinnostuneet näkymäkomponentit Ilmoittaa rekisteröityneille komponenteille tilan muutoksista Näkymä Huolehtii sovelluksen tilan näyttämisestä näytöllä Ohjain Ottaa vastaan käyttäjän komentoja Muuntaa komennot sovelluksen toiminnoiksi Ohjelmistoarkkitehtuurit

25 MVC vuorovaikutus Controller Model View handle- Event service suorita toiminto notify update getdata display Ohjelmistoarkkitehtuurit

26 MVC:n edut ja ongelmat Etuja Helppo toteuttaa useita näkymiä samaan tietoon Kaikki näkymät ovat automaattisesti synkronoituja Uusia näkymiä voidaan ajoaikana liittää järjestelmään Käyttöliittymän ulkoasu suhteellisen helposti vaihdettavissa Ongelmia Mahdollisesti turhia näkymien päivityskutsuja Mallidatan kyselyt voivat lisätä suoritusaikaa (yksinkertaiset sovellukset, paljon ylimääräistä työtä) Ohjelmistoarkkitehtuurit

27 Kysyttävää?

28 Tulkkiarkkitehtuurit Tarve antaa toiminnallisia kuvauksia syötteenä järjestelmälle, esimerkiksi: tarve yhdistellä primitiivisiä toimintoja eri tavoin, jotka eivät ole tiedossa etukäteen tarve erottaa looginen, abstrakti suoritusalusta konkreettisesta (esim. jälkimmäisen vaihtamisen helpottamiseksi) Ohjelmistoarkkitehtuurit

29 Tulkkiarkkitehtuurin perusidea toimintakuvauksen sisäinen esitys Tuloste Jokin toiminnallinen kuvaus (teksti, XML, graafinen, ym.) Tulkki kutsuu Konkreettinen suoritusalusta noudattaa toteutus Syöte Kielen määritys Ohjelmistoarkkitehtuurit

30 Esimerkki 1: Java käännös toimintakuvauksen sisäinen esitys Tavukoodi Ohjelman tulokset Java-ohjelma JVM (C-ohj) kutsuu Suoritusalusta (C ympäristö) noudattaa toteutus Ohjelman syöte Javan määritys Ohjelmistoarkkitehtuurit

31 Esimerkki 2: Taulukkolaskenta Laskettu taulukko sis.esitys Taulukkoskripti Skriptitulkki Taulukkolaskenta noudattaa toteutus Skriptikielen määritys Taulukon alkion arvo Ohjelmistoarkkitehtuurit

32 Esimerkki 3: SQL kyselyt DBMS SQL-kysely SQLtulkki Tietokanta Kyselyn tulos Sovellus Ohjelmistoarkkitehtuurit

33 Esimerkki 4: Tulkitseva DSL toimintakuvauksen sisäinen esitys Tuloste Sovelluksen kuvaus DSL-kielellä Tulkki kutsuu API Alusta noudattaa toteutus Syöte DSL-kielen määritys DSL = Domain-Specific Language Ohjelmistoarkkitehtuurit

34 Esimerkki 4: modattavissa olevat pelit sis.esitys Pelin data, toimintaskriptit Skriptitulkki Pelimoottori Häk-häk toteutus Skriptikielen Määritys datatyypit Ohjelmistoarkkitehtuurit

35 Pelien modaus ja laajennokset Skyrim: työkalut karttojen, henkilöiden, tarinoiden, jne. luomiseen, Papyrusskriptit (myös Fallout 3/New Vegas, Oblivion) Medieval Total War 2: x.shtml Joukkojen, rakennusten määrittely tekstiasetustiedostojen avulla Civilization 5: XML, Lua-skriptit Ohjelmistoarkkitehtuurit

36 Qt ja QtScript (Javascript) QML-puoli c++:n ja QML-maailman, jossa myös JavaScript-tuki, yhdisteleminen Ohjelmistoarkkitehtuurit

37 Kysyttävää?

38 Huom. Oman kielen ja tulkkijärjestelmän teko ei välttämättä järkevin vaihtoehto, tarkasta aina kelpaako joku olemassa oleva Ohjelmistoarkkitehtuurit

39 Tulkin suunnittelu: Tulkkisuunnittelumalli (Interpreter) Ongelma: miten esittää tulkittava ohjelma olioina? Mikä suunnittelumalli on samanlainen? Ratkaisu: Interpreter AbstractStruct interpret(rep) * TerminalStruct interpret(rep) CompositeStruct interpret(rep) Ohjelmistoarkkitehtuurit

40 Tulkki-suunnittelumallin johtaminen: Kielen rakenteiden esitys luokkina Ongelma: Miten esittää kielen rakenteet luokkina? Esimerkiksi: Script ::= "SCRIPT" Action {";" Action} "END" Action ::= "IF" Expr "THEN" Action "END" identifier "(" Expr ") Expr ::=... Luokkamalli? Ohjelmistoarkkitehtuurit

41 Välisymbolit ja rakenteiset loppusymbolit esitetään luokkina Esimerkiksi: Script, Action, Expr, identifier => luokkia Ei-rakenteiset loppusymbolit (avainsanat, erikoismerkit ym.): SCRIPT END IF THEN ; ( ) Näitä tarvitaan vain jäsennyksen (ja lukemisen) tueksi, eivät olennaisia (nk. konkreettinen syntaksi) Ohjelmistoarkkitehtuurit

42 Mitä tuotossääntö merkitsee luokkien kannalta? Ehdotus: Tuotossääntö merkitsee sitä, että oikean puolen luokat ovat osa-suhteessa vasemman puolen luokkiin. A ::= B C tarkoittaa: 1 B A 1 C Ohjelmistoarkkitehtuurit

43 Mitä tuotossääntö merkitsee luokkien kannalta? Ehdotus: Tuotossääntö merkitsee sitä, että oikean puolen luokat ovat osa-suhteessa vasemman puolen luokkiin. entä A ::= B C D E? A B C 0..1 D 0..1 E Ohjelmistoarkkitehtuurit

44 Vaihtoehtoiset rakenteet aliluokiksi A ::= B C D E => A ::= A1 A2 A1 ::= B C A2 ::= D E A A1 A2 B C D E Ohjelmistoarkkitehtuurit

45 Rekursiiviset rakenteet Statement ::= CompoundStatement AssignmentStatement CompoundStatement ::= { StatementList } StatementList ::= {Statement ; } Statement * AssignmentStatement CompoundStatement Rekursiokooste Ohjelmistoarkkitehtuurit

46 Esim. Script interpret() 1..* Action interpret() 1 Script ::= "SCRIPT" Action {";" Action} "END" Action ::= CondAction PrimAction CondAction ::= "IF" Expr "THEN" Action "END" PrimAction ::= identifier "(" Expr ")" Expr ::=... CondAction PrimAction Expr interpret() interpret() 1 1 val(): float 1 Identifier name(): String Ohjelmistoarkkitehtuurit

47 Tulkkiarkkitehtuurin edut ja ongelmat Edut: Ajoaikainen looginen suoritusympäristö omassa hallinnassa Tulkittavaa kieltä suhteellisen helppo muuttaa Kielen merkitystä suhteellisen helppo muuttaa Alla oleva ympäristö voidaan helposti vaihtaa Ongelmat: Suorituskyky (epäsuora, ei-natiivi suoritus; sisäisen esityksen muodostaminen) Tilankäyttö (ohjelman sisäinen esitys esim. Tulkki-mallilla voi vaatia paljon tilaa) Tulkkiosuuden toteutus ja suunnittelu, työläys, vaativuus (tulevaisuuden ennustaminen) Ohjelmistoarkkitehtuurit

48 Ääripäästä toiseen Hard-coding vs. soft-coding Ohjelmistoarkkitehtuurit

49 Yhteenvetoa Arkkitehtuuri ~ Domain-tietämys + Tekninen tietämys Domain-tietämys ~ domain-malli Tekninen tietämys ~ arkkitehtuurityylit, suunnittelumallit, yleiset hyvät käytännöt Ohjelmistoarkkitehtuurit

50 Kysyttävää?