Ohjelmistoarkkitehtuurit Kevät 2016 Arkkitehtuurityylit vol 2 Samuel Lahtinen http://www.cs.tut.fi/~ohar/ Ohjelmistoarkkitehtuurit 2016 9.2.2016 1
Aikaisempaa & tänään Arkkitehtuurityylit Tuttua kamaa pipes & filters jne. Tänään viestinvälitys, asiakas-palvelin, tulkki Ohjelmistoarkkitehtuurit 2016 9.2.2016 2
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 2016 9.2.2016 3
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 2016 9.2.2016 4
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 2016 9.2.2016 5
Esimerkkejä Koneiden ohjausjärjestelmät Iot-himmelit Multimodaalisia järjestelmiä, komentokeskeiset arkkitehtuurit (WPF, Qt:n osat) Yrityksen liiketoimintojen hallintajärjestelmä Yleisesti: hajautetut järjestelmät, löyhää integrointia vaativat järjestelmät Ohjelmistoarkkitehtuurit 2016 9.2.2016 6
Palveluperustainen viestinvälitysarkkitehtuuri Palvelupyyntö Palvelupyyntö Asiakas Viestinvälittäjä Palvelija Palvelun tulos Palvelun tulos Viestinvälittäjä huolehtii siitä, että tulos menee oikealle komponentille Ohjelmistoarkkitehtuurit 2016 9.2.2016 7
Esimerkki: Auton viestiväylä moottorinohjaus ajotietokone jarrut vaihdelaatikko CAN väylä (Controller Area Network) Ohjelmistoarkkitehtuurit 2016 9.2.2016 8
Auto ja johdotukset ennen väylää Ohjelmistoarkkitehtuurit 2016 9.2.2016 9
Väylän kera Ohjelmistoarkkitehtuurit 2016 9.2.2016 10
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 2016 9.2.2016 11
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 2016 9.2.2016 12
https://eewiki.net/download/attachments/27295747/can_network.jpg?version=2&modificationdate=1382572042097&api=v2 Ohjelmistoarkkitehtuurit 2016 9.2.2016 13
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 2016 9.2.2016 14
Esihistoriaa, sulautettujen ohjelmistojen simulointiympäristö kattila Pohjaventtiili pumppu poltin Kattilan ctrl lämmitys Prosessin ohjaus lämmitin anturi prosessi Simulaation ohjaus Liitin (output) Liitin (inpout) laite Ohjelmistoarkkitehtuurit 2016 9.2.2016 15
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 2016 9.2.2016 16
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 2016 9.2.2016 17
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 2016 9.2.2016 18
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 2016 9.2.2016 19
Harjoitus Topologia Lineaarinen Keskitetty Rajapinnat Riippuu palvelusta Ei riipu palvelusta 1 2 3 4 Täytä arkkitehtuurityylien nimillä Ohjelmistoarkkitehtuurit 2016 9.2.2016 20
Kysyttävää?
Malli-näkymä-ohjain arkkitehtuurit (Model-View-Controller, MVC) Interaktiivisten järjestelmien arkkitehtuuriratkaisu, jolla käyttöliittymä erotetaan sovelluslogiikasta. Ohjelmistoarkkitehtuurit 2016 9.2.2016 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 2016 9.2.2016 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 2016 9.2.2016 25
MVC vuorovaikutus Controller Model View handle- Event service suorita toiminto notify update getdata display Ohjelmistoarkkitehtuurit 2016 9.2.2016 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 2016 9.2.2016 27
Kysyttävää?
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 2016 9.2.2016 29
Tulkkiarkkitehtuurin perusidea toimintakuvauksen sisäinen esitys Tuloste Jokin toiminnallinen kuvaus (teksti, XML, graafinen, ym.) Tulkki kutsuu Konkreettinen suoritusalusta noudattaa toteutus Syöte Kielen määritys Ohjelmistoarkkitehtuurit 2016 9.2.2016 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 2016 9.2.2016 31
Esimerkki 2: Taulukkolaskenta Laskettu taulukko sis.esitys Taulukkoskripti Skriptitulkki Taulukkolaskenta noudattaa toteutus Skriptikielen määritys Taulukon alkion arvo Ohjelmistoarkkitehtuurit 2016 9.2.2016 32
Esimerkki 3: SQL kyselyt DBMS SQL-kysely SQLtulkki Tietokanta Kyselyn tulos Sovellus Ohjelmistoarkkitehtuurit 2016 9.2.2016 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 2016 9.2.2016 34
Esimerkki 4: modattavissa olevat pelit sis.esitys Pelin data, toimintaskriptit Skriptitulkki Pelimoottori Häk-häk toteutus Skriptikielen Määritys datatyypit Ohjelmistoarkkitehtuurit 2016 9.2.2016 35
Pelien modaus ja laajennokset Skyrim: http://www.creationkit.com/main_page työkalut karttojen, henkilöiden, tarinoiden, jne. luomiseen, Papyrusskriptit (myös Fallout 3/New Vegas, Oblivion) Medieval Total War 2: http://medieval2.heavengames.com/m2tw/mod_portal/tutorials/inde x.shtml Joukkojen, rakennusten määrittely tekstiasetustiedostojen avulla Civilization 5: http://modiki.civfanatics.com/index.php/main_page XML, Lua-skriptit Ohjelmistoarkkitehtuurit 2016 9.2.2016 36
Qt ja QtScript (Javascript) http://doc.qt.io/qt-5/qtscript-index.html QML-puoli c++:n ja QML-maailman, jossa myös JavaScript-tuki, yhdisteleminen Ohjelmistoarkkitehtuurit 2016 9.2.2016 37
Kysyttävää?
Huom. Oman kielen ja tulkkijärjestelmän teko ei välttämättä järkevin vaihtoehto, tarkasta aina kelpaako joku olemassa oleva Ohjelmistoarkkitehtuurit 2016 9.2.2016 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 2016 9.2.2016 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 2016 9.2.2016 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 2016 9.2.2016 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 2016 9.2.2016 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 0..1 0..1 B C 0..1 D 0..1 E Ohjelmistoarkkitehtuurit 2016 9.2.2016 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 2016 9.2.2016 45
Rekursiiviset rakenteet Statement ::= CompoundStatement AssignmentStatement CompoundStatement ::= { StatementList } StatementList ::= {Statement ; } Statement * AssignmentStatement CompoundStatement Rekursiokooste Ohjelmistoarkkitehtuurit 2016 9.2.2016 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 2016 9.2.2016 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 2016 9.2.2016 48
Ääripäästä toiseen Hard-coding vs. soft-coding Ohjelmistoarkkitehtuurit 2016 9.2.2016 49
Yhteenvetoa Arkkitehtuuri ~ Domain-tietämys + Tekninen tietämys Domain-tietämys ~ domain-malli Tekninen tietämys ~ arkkitehtuurityylit, suunnittelumallit, yleiset hyvät käytännöt Ohjelmistoarkkitehtuurit 2016 9.2.2016 50
Kysyttävää?