第9章 · 播客 第6集
软件架构设计 · 调用返回、独立构件、虚拟机与仓库风格
🎙️ 本集播客：第6集：调用/返回风格三子——主程序/子程序、面向对象（两优两缺）、层次结构（三优两缺、分层通信协议）；独立构件风格的进程通信与事件系统，隐式调用两优三缺加 Debugger 断点事件实例，优缺点逐条对应。 语音由微软 Edge 神经网络语音预生成（女声·晓伊，男声·云希）。点击下方任意对话可直接从该句开始播，当前句朗读时下一句已预先加载，无缝衔接。
明
阿明
师姐，调用/返回风格是个什么思想？
雅
小雅
调用/返回风格，顾名思义就是在系统中采用了调用与返回机制。利用调用-返回实际上是一种分而治之的策略，其主要思想是将一个复杂的大系统分解为一些子系统，以便降低复杂度，并且增加可修改性。程序从其执行起点开始执行该构件的代码，程序执行结束，将控制返回给程序调用构件。它包括三种具体的架构风格：主程序/子程序、面向对象风格、层次结构。
雅
小雅
第一个，主程序/子程序风格。它是结构化开发时期的经典架构风格，一般采用单线程控制，把问题划分为若干处理步骤，构件即为主程序和子程序，子程序通常可合成为模块，过程调用作为交互机制、即充当连接件。调用关系具有层次性，其语义逻辑表现为子程序的正确性取决于它调用的子程序的正确性。
明
阿明
「结构化开发时期的经典风格」，这个定性是选项。
雅
小雅
对。第二个，面向对象风格。它建立在数据抽象和面向对象的基础上，数据的表示方法和它们的相应操作封装在一个抽象数据类型或对象中，构件是对象、或者说是抽象数据类型的实例。对象是一种被称作管理者的构件，因为它负责保持资源的完整性，对象是通过函数和过程的调用来交互的。这种风格的两个重要特征：对象负责维护其表示的完整性；对象的表示对其他对象而言是隐蔽的。因为一个对象对它的客户隐藏了自己的表示，所以这些对象可以不影响它的客户就能改变其实现方法。
雅
小雅
面向对象的优点两条：因为对象对其他对象隐藏它的表示，所以可以改变一个对象的表示而不影响其他的对象；设计者可将一些数据存取操作的问题分解成一些交互的代理程序的集合。缺点也是两条，注意它们其实是同一件事的两面：为了使一个对象和另一个对象通过过程调用等进行交互，必须知道对象的标识，只要一个对象的标识改变了，就必须修改所有其他明确调用它的对象；必须修改所有显式调用它的其他对象，并消除由此带来的一些副作用，例如，如果 A 使用了对象 B，C 也使用了对象 B，那么 C 对 B 的使用所造成的对 A 的影响可能是料想不到的。
明
阿明
面向对象风格必须知道对象标识才能交互，这是它与隐式调用最大的分界吧？
雅
小雅
正是，这个对比待会儿讲事件系统时你再说一遍。第三个，层次结构风格。层次系统组织成一个层次结构，每一层为上层服务，并作为下层客户。在一些层次系统中，除了一些精心挑选的输出函数外，内部的层只对相邻的层可见，这样的系统中构件在一些层实现了虚拟机。连接件通过决定层间如何交互的协议来定义，拓扑约束包括对相邻层间交互的约束。
雅
小雅
层次系统最广泛的应用是分层通信协议，每一层提供一个抽象的功能，作为上层通信的基础，较低的层次定义低层的交互，最低层通常只定义硬件物理连接。可取的属性三条：支持基于抽象程度递增的系统设计，使设计者可以把一个复杂系统按递增的步骤进行分解；支持功能增强，因为每一层至多和相邻的上下层交互，因此功能的改变最多影响相邻的上下层；支持重用，只要提供的服务接口定义不变，同一层的不同实现可以交换使用，这样就可以定义一组标准的接口而允许各种不同的实现方法。
明
阿明
「功能改变最多影响相邻上下层」，这句是层次结构优点的题眼。缺点呢？
雅
小雅
两条：并不是每个系统都可以很容易地划分为分层的模式，甚至即使一个系统的逻辑结构是层次化的，出于对系统性能的考虑，系统设计师不得不把一些低级或高级的功能综合起来；很难找到一个合适的、正确的层次抽象方法。
雅
小雅
接着独立构件风格。它主要强调系统中的每个构件都是相对独立的个体，它们之间不直接通信，以降低耦合度、提升灵活性。包括两个子风格。进程通信架构风格：构件是独立的过程，连接件是消息传递，这种风格的特点是构件通常是命名过程，消息传递的方式可以是点到点、异步和同步方式及远过程调用等。
雅
小雅
事件系统风格，全名是基于事件的隐式调用风格。思想是构件不直接调用一个过程，而是触发或广播一个或多个事件；系统中的其他构件中的过程在一个或多个事件中注册，当一个事件被触发，系统自动调用在这个事件中注册的所有过程，这样一个事件的触发就导致了另一模块中的过程的调用。从架构上说，这种风格的构件是一些模块，既可以是一些过程，又可以是一些事件的集合。主要特点是事件的触发者并不知道哪些构件会被这些事件影响，不能假定构件的处理顺序，甚至不知道哪些过程会被调用，因此许多隐式调用的系统也包含显式调用作为构件交互的补充形式。
明
阿明
这就对上了：面向对象必须知道对象标识，隐式调用恰恰不知道谁会响应。有例子吗？
雅
小雅
原文给了一串应用场景：在编程环境中用于集成各种工具，在数据库管理系统中确保数据的一致性约束，在用户界面系统中管理数据，以及在编辑器中支持语法检查。还有个具体例子：在某系统中，编辑器和变量监视器可以登记相应 Debugger 的断点事件，当 Debugger 在断点处停下时，它声明该事件，由系统自动调用处理程序——编辑程序可以卷屏到断点，变量监视器刷新变量数值。而 Debugger 本身只声明事件，并不关心哪些过程会启动，也不关心这些过程做什么处理。这个例子里「谁登记谁响应、声明的不管后果」，把隐式调用的气质演活了，案例分析题爱用它。
雅
小雅
隐式调用系统的主要优点两条：为软件重用提供了强大的支持，当需要将一个构件加入现存系统中时，只需将它注册到系统的事件中；为改进系统带来了方便，当用一个构件代替另一个构件时，不会影响到其他构件的接口。缺点三条：构件放弃了对系统计算的控制，一个构件触发一个事件时，不能确定其他构件是否会响应它，而且即使它知道事件注册了哪些构件的过程，它也不能保证这些过程被调用的顺序；数据交换的问题，有时数据可被一个事件传递，但另一些情况下基于事件的系统必须依靠一个共享的仓库进行交互，在这些情况下全局性能和资源管理便成了问题；既然过程的语义必须依赖于被触发事件的上下文约束，关于正确性的推理存在问题。
明
阿明
放弃控制、数据交换、正确性推理，三条缺点。本集必背我来：调用/返回是分而治之的策略，三子是主程序/子程序、面向对象、层次结构；主程序/子程序是结构化开发时期的经典架构风格，单线程控制，过程调用充当连接件；面向对象两特征——对象维护表示完整性、表示对其他对象隐蔽，缺点是必须知道对象标识、标识改变要改所有调用者；层次结构每层为上层服务并作为下层客户，最广泛应用是分层通信协议，优点是抽象递增、功能改变最多影响相邻上下层、支持重用，缺点是不易划分、难找正确的层次抽象；独立构件风格两子是进程通信和事件系统，进程通信的连接件是消息传递，隐式调用触发者不知道谁响应，优点是重用和替换方便，缺点是放弃控制、数据交换难、正确性推理有问题。
雅
小雅
背得漂亮。下一集讲剩下两大类：虚拟机风格的解释器和基于规则的系统，仓库风格的数据库系统、超文本系统和黑板系统——黑板的三组成部分知识源、黑板数据结构、控制，以及它出自 HEARSAY-II 语音理解系统这个出身，都是选择题常客。
明
阿明
师姐，虚拟机风格这个名字听着玄乎，它是造虚拟机的意思吗？
雅
小雅
接近但不限于。虚拟机风格的基本思想是人为构建一个运行环境，在这个环境之上，可以解析与运行自定义的一些语言，这样来增加架构的灵活性。它主要包括解释器和规则为中心两种架构风格。
雅
小雅
先解释器。一个解释器通常包括四部分，名单要会背：完成解释工作的解释引擎；一个包含将被解释的代码的存储区；一个记录解释引擎当前工作状态的数据结构；一个记录源代码被解释执行进度的数据结构。具有解释器风格的软件中含有一个虚拟机，可以仿真硬件的执行过程和一些关键应用。解释器通常被用来建立一种虚拟机以弥合程序语义与硬件语义之间的差异。其缺点是执行效率较低。典型的例子是专家系统。
明
阿明
四件套：解释引擎、被解释代码的存储区、当前工作状态、执行进度。「典型例子是专家系统」「缺点执行效率较低」，这两句都像选项。
雅
小雅
都是。规则为中心，也叫基于规则的系统，它包括四件：规则集、规则解释器、规则/数据选择器及工作内存。注意跟解释器四件套区分开——名字看着像，内容完全两套，考试会把两套混着出。
雅
小雅
接着仓库风格。在仓库即 repository 风格中，有两种不同的构件：中央数据结构说明当前状态，独立构件在中央数据存储上执行，仓库与外构件间的相互作用在系统中会有大的变化。仓库风格包括的子风格有：数据库系统、超文本系统、黑板风格。数据库架构是仓库风格最常见的形式，构件主要有两大类，一个是中央共享数据源，保存当前系统的数据状态；另一个是多个独立处理元素，处理元素对数据元素进行操作。超文本系统的典型代表，就是早期的静态网页。
明
阿明
数据库系统最常见、超文本对应早期静态网页——这三个子风格的「代表」各有一句。黑板是重头吧？
雅
小雅
对，三种架构子风格中最复杂的就是黑板系统。先记出身：黑板系统是在抽象与总结语言理解系统 HEARSAY-II 的基础上产生的——原文写 HEARSAY-11，罗马数字二。它适合于解决复杂的非结构化的问题，能在求解过程中综合运用多种不同知识源，使得问题的表达、组织和求解变得比较容易。
雅
小雅
定义再念一遍：黑板系统是一种问题求解模型，是组织推理步骤、控制状态数据和问题求解之领域知识的概念框架。它将问题的解空间组织成一个或多个应用相关的分级结构，分级结构的每一层信息由一个唯一的词汇来描述，它代表了问题的部分解。领域相关的知识被分成独立的知识模块，它将某一层次中的信息转换成同层或相邻层的信息。各种应用通过不同知识表达方法、推理框架和控制机制的组合来实现。
明
阿明
「分级结构的每一层代表问题的部分解」，这句听着就是考点。
雅
小雅
是。影响黑板系统设计的最大因素是应用问题本身的特性，但支撑应用程序的黑板体系结构有许多相似的特征和构件。对于特定应用问题，黑板系统可通过选取各种黑板、知识源和控制模块的构件来设计，也可以利用预先定制的黑板体系结构的编程环境。
雅
小雅
黑板系统的传统应用是信号处理领域，如语音和模式识别；另一应用是松耦合代理数据共享存取。最后是本节最重要的必背：黑板系统主要由三部分组成。第一，知识源：知识源中包含独立的、与应用程序相关的知识，知识源之间不直接进行通信，它们之间的交互只通过黑板来完成。第二，黑板数据结构：黑板数据是按照与应用程序相关的层次来组织的解决问题的数据，知识源通过不断地改变黑板数据来解决问题。第三，控制：控制完全由黑板的状态驱动，黑板状态的改变决定使用的特定知识。
明
阿明
知识源之间不直接通信、只通过黑板交互，控制由黑板状态驱动——这三句是黑板的灵魂。
雅
小雅
而且这三句能出成配对题：问「黑板系统中知识源之间的通信方式」，答只通过黑板完成；问「什么驱动控制」，答黑板的状态。到这里，Garlan 和 Shaw 五大类十个子风格全部讲完。本集必背：虚拟机风格思想是人为构建运行环境、解析运行自定义语言、增加灵活性；解释器四件是解释引擎、代码存储区、当前工作状态数据结构、执行进度数据结构，缺点执行效率较低，典型例子专家系统；
雅
小雅
基于规则的系统四件是规则集、规则解释器、规则/数据选择器、工作内存；仓库风格两种构件是中央数据结构和独立构件，三子风格是数据库系统、超文本系统、黑板系统，数据库最常见、超文本对应早期静态网页；黑板出自 HEARSAY-II 语言理解系统，传统应用是信号处理如语音和模式识别，三组成是知识源、黑板数据结构、控制，解空间组织成分级结构、每层代表问题的部分解。
明
阿明
五大类通关！下一集讲什么？
雅
小雅
下一集进入 9.4 节层次系统架构风格的实战篇：二层 C/S 的四大局限、三层 C/S 的表示层功能层数据层各管什么、B/S 的三层实现和三条不足——练习题第十三题「二层 C/S 的主要缺点不包括」就在那里等你。