PDF de programación - Arquitecturas Software

Arquitecturas Software

Juan José Moreno Navarro
(Curso de Software basado en

Componentes, junto a Lars-Ake Fredlund)

Arquitecturas Software

• Motivación:

– Complejidad creciente de aplicaciones.
– Sistemas distribuidos (segunda coordenada de

complejidad).

– Sistemas abiertos y basados en componentes

(tercera coordenada de complejidad).

• Idea principal:

Estructura de alto nivel de un sistema software y

sus propiedades globales.

Arquitecturas Software

• Características:

– Parte del diseño de software.
– Nivel del diseño de software donde se definen

la estructura y propiedades globales del
sistema.

– Incluye sus componentes, las propiedades
observables de dichos componentes y las
relaciones que se establecen entre ellos.

– Un aspecto crítico: Una arquitectura errónea

puede llevar a problemas incontables.

1

Arquitecturas Software

• Características:

– Representación de alto nivel de la estructura del
sistema describiendo las partes que lo integran.

– Puede incluir los patrones que supervisan la

composición de sus componentes y las
restricciones al aplicar los patrones.

– Trata aspectos del diseño y desarrollo que no
pueden tratarse adecuadamente dentro de los
módulos que forman el sistema.

Arquitecturas Software

• Nueva disciplina:

– Toda aplicación tiene una arquitectura, aunque

no sea explícita.

– Tradicionalmente ha habido un repertorio de

técnicas, patrones y expresiones para
estructuras sistemas software complejos.

• Arquitectura de Software:

– Hace explícito con rigor lo anterior.
– Incluye modelos, lenguajes y herramientas para

la descripción y desarrollo práctico de
arquitecturas software.

Arquitecturas Software

• Objetivos:

– Comprender y mejorar la estructura de las

aplicaciones complejas.

– Reutilizar dicha estructura (o partes de ella) para

resolver problemas similares.

– Planificar la evolución de la aplicación, identificando

las partes mutables e inmutables de la misma, así
como los costes de los posibles cambios.

– Analizar la corrección de la aplicación y su grado de

cumplimiento respecto a los requisitos iniciales.

– Permitir el estudio de algunas propiedad específica

del dominio.

2

Arquitecturas Software

• ¿De qué se ocupa?

– Diseño preliminar o de alto nivel.
– Organización a alto nivel del sistema, incluyendo

aspectos como la descripción y análisis de
propiedades relativas a su estructura y control
global, los protocolos de comunicación y
sincronización utilizados, la distribución física del
sistema y sus componentes, etc.

– Otros aspectos relacionados con el desarrollo del

sistema y su evolución y adaptación al cambio:
composición, reconfiguración, reutilización,
escalabilidad, mantenibilidad, etc.

Arquitecturas Software

• ¿De qué no se ocupa?

– Diseño detallado.
– Diseño de algoritmos.
– Diseño de estructuras de datos.

Arquitecturas Software

• ¿Qué elementos intervienen?

– Componentes.
– Realizan cómputos y almacenamiento de datos.
– Interaccionan unos con otros durante la

ejecución.

• ¿Qué elementos no intervienen?

– Módulos (fuente) del sistema.
– Interacción: relaciones de definición/uso.
– Importación o exportación de elementos

definidos en el código fuente.

3

Arquitecturas Software

• ¿Cómo interviene en la consecución de una

solución?
– Métodos arquitectónicos.
– Espacio de los diseños arquitectónicos:

propiedades de los diferentes diseños
arquitectónicos y su capacidad para resolver
diferentes problemas.
• ¿Cómo no interviene?

– Métodos de desarrollo de software:

Proporcionan un camino entre el espacio del
problema y la solución.

Arquitecturas Software

• Puntos en común:

– Los métodos de desarrollo suelen basarse en un

estilo arquitectónico preferido.

– Nuevos estilos arquitectónicos proponen

nuevos métodos de desarrollo.

Un mismo diseño arquitectónico puede servir

para dos aplicaciones distintas (ej. los
patrones de diseño)

Estilos arquitectónicos

• Clasificación de los sistemas software en grandes familias
cuyos integrantes comparten un patrón estructural común.

• Ejemplos: Filtros y pipes, organizados en capas,

cliente/servidor, etc.

• Intervienen: patrón de organización general, tipos de

componentes presentes habitualmente, interacciones entre
ellos.

• Ejemplos de componentes: clientes, servidores, filtros,

niveles, bases de datos, ...

• Ejemplos de mecanismos de interacción: RPC, paso de

mensajes, protocolos de comunicación, ...

• El campo de aplicación no es relevante.

4

Estilos arquitectónicos

Sistemas de flujo de datos

Procesamiento por lotes
Filtros y pipes

Sistemas basados en
llamada y retorno

Sistemas de componentes
independientes

Programa principal y subrutinas
Orientados a objetos
Organizados en capas

Comunicación entre procesos
Cliente/servidor
Basados en eventos

Estilos arquitectónicos

Sistemas centrados en
los datos

Repositiorios
Pizarras

Máquinas virtuales

Intérpretes
Basados en reglas

Sistemas heterogéneos

Localmente heterogéneos
Jerárquicamente heterogéneos
Simultáneamente heterogéneos

Estilos arquitectónicos

• Indica

– Los tipos de componentes y conectores

involucrados.

– Patrones y restricciones de interconexión o

composición entre ellos: Invariantes del estilo.

• Asociados a cada estilo hay una serie de

propiedades que lo caracterizan, determinando
sus ventajas e inconvenientes, condicionando la
elección de uno u otro estilo.

5

Ejemplo: Organización en capas

• Los componentes son las capas o niveles que pueden

estar implementadas internamente por objetos o
procedimientos.

• Cada nivel tiene asociado una funcionalidad:

– Niveles bajos: Funciones simples, ligadas al hardware o al

entorno.

– Niveles altos: Funciones más abstractas.

• Mecanismos de interacción entre componentes:

– Llamadas a procedimientos.
– Llamadas a métodos.

Ejemplo: Organización en capas

• Restricciones:

– Solo llamadas de niveles superiores a inferiores.
– (Variante) Solo llamadas entre niveles adyacentes.

• Aplicación:

– Torres de protocolos de comunicación,
– Sistemas operativos,
– Compiladores.

Ejemplo: Organización en capas

s
a
d
a
m
a
l
l

Nivel n: aplicaciones de usuario

.
.
.

Nivel n: aplicaciones de usuario

Nivel n: aplicaciones de usuario

o
n
r
o
t
e
r

6

Ejemplo: Organización en capas

• Propiedades:

– Facilita la migración. El acoplamiento con el entorno está

localizado en las capas inferiores. Estas son las únicas a
re-implementar en caso de transporte a un entorno
diferente.

– Cada nivel implementa unas interfaces claras y lógicas, lo
que facilita la sustitución de una implementación por otra.

– Permite trabajar en varios niveles de abstracción. Para

implementar los niveles superiores no necesitamos
conocer en entorno subyacente, solo las interfaces que
proporcionan los niveles inferiores.

Modelos y arquitecturas de referencia
• Particularizan un estilo imponiendo una serie de

restricciones sobre el mismo y realizando una
descomposición y definición estándar de componentes.
• OSI (Open System Interconection) que particulariza el

estilo de organización en capas, con 7 niveles.

• RM-ODP para el diseño de sistema distribuidos y
abiertos (ISO/ITU-T, 1995). Hace transparente la
heterogeneidad de plataformas, s.o., lenguajes, ...Se
basa en el estilo de componentes independientes.
• CCM, COM, JavaBeans - Sistemas basados en el

intercambio de eventos.

Marcos de trabajo/Frameworks

• Definen una arquitectura adaptada a las particularidades
de un determinado dominio de aplicación, definiendo de
forma abstracta una serie de componentes y sus
interfaces y estableciendo las reglas y mecanismos de
interacción entre ellos.

• Suele incluirse la implementación de algunos de los

componentes e incluso varias implementaciones
alternativas.

• El usuario

– Selecciona, instancia, extiende y reutiliza los componentes del

marco.

– Completa la arquitectura con nuevos componentes específicos

dentro de las relaciones estructurales del marco.

7

Marcos de trabajo

• Básicamente se presentan como un diseño reutilizable

de todo o parte de un sistema, representado por un
conjunto de componentes abstractos y la forma en
que los componentes interactuan.

• Una alternativa es verlos como un esqueleto de una
aplicación que debe ser adaptado por el programador
según sus necesidades concretas.

• Un marco de trabajo define el patrón arquitectónico

que relaciona los componentes de un sistema.

Marcos de trabajo

• Presentan dos niveles:

– Especificación de la arquitectura marco.
– Implementación del marco de trabajo (normalmente un

lenguaje orientado a objetos).

• Al desarrollo de aplicaciones a partir de un marco de

trabajo se le denomina extensión del marco:
– Puntos de entrada (hot spots): Componentes o

procedimientos cuya implementación final depende de la
aplicación concreta.

– Definidos por el diseñador del marco para que sean la

forma natural de la extensión del mismo.

Marcos de trabajo
• Dependiendo de la extensión tenemos:

Marcos de trabajo de caja blanca

Que se extienden mediante herencia, concretamente

mediante la implementación de las clases y métodos
abstractos definidos como puntos de entrada. Se tiene
acceso al código del marco y se permite reutilizar la
funcionalidad de sus clases mediante herencia y
redefinición de métodos.

Marcos de trabajo de caja de cristal

Admiten la inspección de su estructura e implementación,

pero no su modificación ni extensión, excepto en los
puntos de entrada.

8

Marcos de trabajo

Marcos de trabajo de caja gris

Los puntos de entrada no son simplemente métodos

abstractos, de los que se declara meramente su
signatura, sino que se definen por medio de un lenguaje
de especficación de alto nivel los requisitos que deben
cumplirse a la hora de implementarse.

Marcos de trabajo de caja negra
Marcos de trabajo de caja negra

Su instanciación se realiza por medio de composición y

delegación