Ohjelmistoarkkitehtuurit Kevät 2012-2013 Johannes Koskinen http://www.cs.tut.fi/~ohar/ 1 Arkkitehtuurityylit Osittavat arkkitehtuurityylit Kerrosarkkitehtuurit (rakenteen ositus) Tietovuoarkkitehtuurit (toiminnan ositus) Palveluihin perustuvat arkkitehtuurityylit Asiakas-palvelin arkkitehtuurit Viestinvälitysarkkitehtuurit Erikoisarkkitehtuurityylit MVC arkkitehtuurit Tulkkiarkkitehtuurit 2 1
Mitä ovat arkkitehtuurityylit? Arkkitehtuurityyli = yleinen malli, joka kertoo miten järjestelmä organisoidaan ylimmällä abstraktiotasolla, määräten järjestelmän yleisen teknisen luonteen Arkkitehtuurityylit eivät sulje toisiaan pois! Kysymyksiä, jotka voivat johtaa arkkitehtuurityylin valintaan: - Koostuuko järjestelmä komponenteista, jotka ovat selvästi eri käsitetasoilla? - Onko järjestelmän päätarkoitus jalostaa tietoa? - Jaetaanko järjestelmässä jotain resurssia tai tietoa erillisille sovelluksille? - Koostuuko järjestelmä joukosta komponentteja, jotka kommunikoivat keskenään etukäteen tuntemattomilla tavoilla? Ovatko komponentit usein vaihtuvia? 3 Kerrosarkkitehtuurit Kerrosarkkitehtuuri: Järjestelmän organisointi käsitetasoltaan nouseviin kerroksiin.. 4 2
Abstraktiotasojen rikkominen ja ohitus Ohitus käyttää toteuttamiseen Abstraktiotasojen rikkominen 5 Takaisinkutsut kerrosarkkitehtuurissa Sovelluskerros normaali kutsu takaisinkutsu Alustakerros Takaisinkutsulla voidaan rikkoa kerrosarkkitehtuurin periaatetta ilman, että alempi kerros riippuu ylemmästä 6 3
Kerrosarkkitehtuurien kuvaus: hampurilainen Ei ohituksia Ohituksia Ohituksia 7 Kerrosten rajapinnat Kerros A Comp1 Comp2 Comp3 Kerros B Comp4 Comp5 Comp6 Ks. Fasaadi 8 4
Esimerkki: tyypillinen liiketoimintajärjestelmä Käyttöliittymä Sovelluskohtainen logiikka Sovellusaluekohtainen logiikka Tietokanta 9 10 5
Kerrosarkkitehtuuri voi olla moniulotteinen Core GUI Default GUI App GUI GUI Käyttöliittymä Core Logic Default Logic App Logic Logic Core Support Default Support App Support Support Peruspalvelut 11 Kerrosarkkitehtuuri voi olla moniulotteinen Core GUI Default GUI App GUI Core Logic Core Support Default Logic Default Support App Logic App Support Yleiskäyttöinen Tuotekohtainen Core Default App Domain-Yritys-Tuote 12 6
Kerrosten riippuvuusanalyysi rivikerros riippuu sarakeker P1 P2 P3 P4 P5 P1 X X P2 X X P3 X X OK, ohitusaste = 1 P4 X P5 13 Kerrosten riippuvuusanalyysi row depends on col P1 P2 P3 P4 P5 P1 X X P2 P3 X X X P4 P5 X X Ei OK, mitä tehdä? Vaihdetaan P2:n ja P3:n paikat, jos P2 ei ole selvästi korkeammalla käsitetasolla 14 7
Kerrosten riippuvuusanalyysi row depends on col P1 P2 P3 P4 P5 P1 X X P2 X X Ei OK, mitä tehdä? P3 X X X P4 X Yhdistetään P2 ja P3? P5 15 Kerrosten riippuvuusanalyysi Kerros P2 Yksittäisten komponenttien siirto Comp1 Comp2 Comp3 Kerros P3 Siirto OK, jos ei käsitetason ristiriitaa Comp4 Comp5 Comp6 16 8
Kerrosten riippuvuusanalyysi Kerros P2 Yksittäisten komponenttien vaihto Comp1 Comp2 Comp3 Kerros P3 Ei voi siirtää Comp4 Comp5 Comp6 17 Harjoitus Suunnittele kerrosarkkitehtuuri seikkailupelille. Järjestelmään kuuluvat seuraavat osat: - Yleinen seikkailupelilogiikka (AL) - Tietokanta (DB) - Pelikäyttöliittymä (GUI) - Graafinen tuki seikkailupeleille (GS) - Pelitietokantapalvelut (GB) - Pelin logiikka (GL) - Yleinen graafinen kirjasto (G) Sijoita nämä osat kerroksiin. 18 9
GB DB G GL AL GS - Yleinen seikkailupelilogiikka (AL) - Tietokanta (DB) - Pelikäyttöliittymä (GUI) - Graafinen tuki seikkailupeleille (GS) - Pelitietokantapalvelut (GB) - Pelin logiikka (GL) - Yleinen graafinen kirjasto (G) GUI 19 Kerrosarkkitehtuurien edut ja ongelmat Etuja Melkein aina sovellettavissa Tukee järjestelmän ymmärtämistä ja hallintaa Vähentää riippuvuuksia (ylläpidettävyys, muunneltavuus) Helppo liittää yrityksen organisaatioon (Conway) Tukee uudelleenkäyttöä (tuoterunkoarkkitehtuurin pohjana) Ongelmia Suorituskyky voi heikentyä (epäsuoruus) Saattaa johtaa tarpeettomaan/moninkertaiseen laskentaan Poikkeusten käsittely 21 10
Esimerkki (patologinen) GUI OrderApplication OrderPlatform OrderApplication:orderCheck(XMLdoc apporder) parse apporder check apporder (app specific checking) g = make XMLdoc genorder generalordercheck(g) OrderPlatform:generalOrderCheck(XMLdoc genorder) parse genorder check genorder(general checking) 22 Kysyttävää? 11
Tietovuoarkkitehtuurit Tietovuoarkkitehtuuri koostuu komponenteista (filter), jotka tuottavat ja kuluttavat tietoalkioita, ja tietoalkioita komponentilta toiselle kuljettavista väylistä (pipe). filter pipe filter pipe filter pipe pipe filter pipe filter 24 Tyypillistä tietovuoarkkitehtuurille Prosessointiyksiköt toimivat toisistaan riippumattomasti (eivät jaa tilatietoa) Prosessointiyksiköt eivät tunne toisiaan, ainoastaan väylien vaatiman tietoformaatin Tieto voidaan prosessoida paloittain Yksiköt ovat tilattomia 25 12
Erikoistapaus: liukuhihnatyyli (pipeline) pipe pipe filter filter filter 26 Kontrollin toteutus liukuhihnatyylissä: työntävä tapa Source Filter1 Filter2 Sink push(data) process push(data) process push(data) push(data) process 27 13
Kontrollin toteutus liukuhihnatyylissä: vetävä tapa Source Filter1 Filter2 Sink pull data pull pull process data process data pull 28 Rinnakkaiset yksiköt: puskurointi Puskuri filter filter Kukin yksikkö omassa prosessissaan Hitain yksikkö määrää kokonaisajan Puskurien koko on kriittinen tekijä Puskuri on tyypillisesti jonorakenne 29 14
Esimerkki: äänenkäsittelyjärjestelmä Raaka äänidata Lataaja Käsittelyyksikkö... Kaiuttimet Markku Reunanen: Äänijärjestelmän ohjelmistoarkkitehtuuri. D-työ, TTY, 2002. 30 Esimerkki: yksivaihekääntäjä Selaaja Jäsentäjä Koodin generointi merkkejä tekstialkioita kielen rakenteita koodi ongelma: ohjelmatekstin kontekstisidonnainen käsittely ratkaisu: (i) tietoa kerätään globaaliin symbolitauluun (data) (ii) jäsentäjä toimii pääohjelmana (kontrolli) 31 15
Esimerkki: MapReduce http://aws.amazon.com/ 32 Tietovuoarkkitehtuurien edut ja ongelmat Etuja: Mutkikas tiedon käsittelyprosessi voidaan jakaa helpommin hallittaviin palasiin Tukee uudelleenkäyttöä: prosessointiyksiköitä voidaan kombinoida eri tavoin Tukee ylläpitoa: prosessointiyksikköä voidaan helposti muuttaa Tukee rinnakkaisuutta Ongelmia: Ei sovi interaktiivisille järjestelmille Tiedon tulkinnasta tulee suorituskykyrasitetta Virhetilanteiden käsittely voi olla vaikeaa 33 16
Kysyttävää? Palveluihin perustuvat arkkitehtuurityylit Oliot (1970-luku) olio lista lisää Käyttävä yksikkö poista 35 17
Palveluihin perustuvat arkkitehtuurityylit Komponentit (1980-luku) Suomenkielen tavutus komponentti Tavutusrajapinta Tekstijärjestelmä 36 Palveluihin perustuvat arkkitehtuurityylit Asiakas-palvelin (1990-luku) Palvelun pyytäjä Palvelun tarjoaja Palvelun pyytäjä Esim. EJB verkko 37 18
Palveluihin perustuvat arkkitehtuurityylit Service-Oriented Architecture (SOA) (2000-luku) kysyy palvelua Palvelurekisteri verkko rekisteröityy Palvelun pyytäjä palvelun saaminen Palvelun tarjoaja Esim. Web services 38 Palveluihin perustuvat arkkitehtuurityylit Palveluväylä (Enterprise Service Bus, ESB) Sovellus Sovellus Sovellus Sovellus Sovitin Sovitin Sovitin Sovitin Väylä - sovellukset tarjoavat palvelujaan väylän kautta - idea: viestin reititys riippuu viestistä -> ei synny riippuvuuksia sovellusten välille 39 19
SOA (looginen kuva) http://www.ibm.com/developerworks/architecture/library/ar-logsoa/ 40 Asiakas-palvelin arkkitehtuurit Asiakas-palvelin arkkitehtuuri: järjestelmä koostuu jotakin resurssia kontrolloivista ja siihen liittyviä palveluja tarjoavista palvelimista (server) ja palveluja tarvitsevista asiakkaista (client). 41 20
Asiakas-palvelin arkkitehtuurit Palvelut tarjotaan istunnoissa, tiettyyn kokonaisuuteen kuuluvat palvelut annetaan saman yhteyden aikana kontrolloidusti (transaktioina) Asiakkaat ja palvelimet toimivat omissa prosesseissaan, tyypillisesti hajautettuina Asiakkaat ovat tyypillisesti omia sovelluksia, jotka eivät tunne toisiaan Palvelimet eivät tunne asiakkaita Palvelimet tyypillisesti hallinnoivat jotain resurssia tai tietovarastoa 42 Esimerkkejä Tietovarastopalvelimet Sovelluspalvelimiin perustuvat järjestelmät Sähköpostipalvelimet, Web palvelimet 43 21
Tietovarasto- ja sovelluspalvelimet Asiakas Asiakas Käyttöliittymä Sovelluskohtainen logiikka Sovellusaluekohtainen logiikka Palvelin Tietokanta Käyttöliittymä Palvelin Sovelluskohtainen logiikka Sovellusaluekohtainen logiikka Tietokanta 44 Asiakas-palvelin arkkitehtuurien edut ja ongelmat Etuja Helpottaa yhteisen resurssin hallintaa (esim. tietoturva) Helpottaa ylläpitoa ja muunneltavuutta (esim. palvelimen vaihto) Hyvä teknologinen tuki Ongelmia Verkkoliikenteestä johtuvat suorituskykyongelmat Palvelinkeskeisyys: kriittisen palvelimen vikaantuminen Poikkeusten käsittely 45 22
Yhteenvetoa Kerrosarkkitehtuuri osittaa järjestelmän käsitetasojen mukaan Tietovuoarkkitehtuuri osittaa järjestelmän työstämisvaiheiden mukaan Palvelupohjaiset järjestelmät ovat kehittyneet olioohjelmoinnista lähtien kohti palveluväyläratkaisuja ja pilvijärjestelmiä 46 Kysyttävää? 23