软件体系结构模式CS

现代软件工程

九.软件体系结构模式2中国传媒大学计算机软件学院研究生课程主讲教师：扈文峰1.客户机/服务器结构（C/S）1.1客户机/服务器概述一个软件系统整体被分为两个逻辑上分离的部分，每一部分充当不同的角色、完成不同的功能。一般地，客户机为完成特定工作向服务器发出请求，服务器的任务是处理客户的请求并返回结果。常见的例子有：操作系统的内核与外层之间、在通过网络连接的物理上分离的计算机之间等，都属于C/S结构。随着网络特别是国际互联网的发展，允许应用程序分布在多台计算机上共同完成统一任务的C/S结构获得了极大的应用。由开始单纯的“客户界面/数据库服务器”的两层结构，逐渐分离出应用逻辑服务器、WWW服务器等，形成更为复杂的多层C/S结构。即使在两个服务器的连接之间，也是一个充当客户机，一个充当服务器。参见下图。客户界面数据服务器两层C/S结构客户界面数据服务器应用逻辑服务器三层C/S结构客户界面应用逻辑服务器数据服务器WWW服务器四层C/S结构1.2客户机/服务器的结构分析1.2.1客户机/服务器的组成客户机/服务器系统是两个独立的逻辑系统为完成特定任务而形成的单向协作关系。客户机通常由以下部分组成：

◆用户交互界面（可选）；◆请求表达；◆服务代理；◆通信。服务器通常由以下部分组成：

◆服务器接口；◆调度管理；◆事务处理计算；◆共享资源管理；◆通信。客户机和服务器之间具有通讯连接机制，并遵循公共的通讯协议，包括：

◆请求的表达；◆返回结果的表达；◆连接关系和连接状态的表达。1.2.2各个组成部分的责任◆客户的用户界面：负责接受用户的输入、提交用户的操作请求、显示操作请求返回的结果。◆请求表达：把用户的操作请求转换为合乎通讯协议的表达形式。◆服务代理：是服务器在客户方的代理部件，客户通过它提出请求、获得返回信息、掌握服务器的工作状态。

◆通信部件：负责建立和保持客户与服务器之间的连接。

◆共享资源管理：是服务器内部维持的内部公共信息和其他资源，它为操作请求的实现提供信息的资源。

◆调度管理：根据客户的请求和内部的工作状态，管理刻画请求，调配系统资源，快速高效地完成操作请求处理。◆服务器接口：体现了服务器所能够对外提供的操作服务，是客户与服务器连接的桥梁。

◆事务处理计算：负责完成接口所描述的各种计算和处理。1.2.3客户机与服务器之间的通信如果客户机和服务器都配置在同一台计算机上，客户机与服务器之间的通信连接可以通过消息、共享存储区和信号量等方法实现。如果客户机和服务器分布在不同计算机上，它们之间的通信就需要通过网络了。网络间的进程通讯首先要解决的是“进程标识”！在同一台机器上，不同的进程可以用进程号作为唯一标识。但在网络间，各个机器独立分配的进程号就不能作为不同进程的区别标识了。要在网络的多台机器上区别进程，必须需要机器的网络地址和端口(Port)号的参与。套接字（Socket）是两个进程连接的端点。每个套接字都有相应的套结字地址，是由一个因特网地址和一个16位的整数端口组成，用“地址：端口”来表示。当客户发起一个连接请求时，客户端套接字地址中的端口是由内核自动分配的，称为临时端口。然而服务器套接字地址中的端口通常是某个知名的端口，是与服务对应的。例如，Web服务器通常使用端口80，而电子邮件服务器使用端口25，等。所以网络间进程通信的全局唯一标识需要用一个三元组：（协议，本地网络地址，本地端口）这成为半相关。完整的网络间进程通信连接，由客户机和服务器组成，需要一个称为全相关的五元组来标识：（协议，本地网络地址，本地端口，远地网络地址，远地端口号）以下以Unix中为例，说明客户机/服务器通过使用网络套接建立连接的时序关系：socket()bind()listen()accept()read()write()socket()connect()write()read()服务器客户机等待服务请求处理服务请求建立连接服务请求服务响应产生一个soket,标志着一个进程的产生将本地soket地址(包括本地网络地址和本地端口)与创建的soket联系起来，即将本地的soket地址赋予soket,以指定半相关。指示服务器进入等待接受状态这一对系统调用合作完成客户机和服务器之间的通信连接以缓冲方式发送待传送的信息以缓冲方式接受传送来的信息1.3客户机/服务器的连接1.3.1客户机与服务器连接的特征客户与服务器间的通信是通过定义的接口实现的。(2)客户对服务器的请求时通过特定的词法和语法形式表达的。(3)从客户到服务器是以请求信息为主；从服务器到客户时以返回信息和服务器状态信息为主。(4)客户的请求时在客户端经过打包后传送给服务器的；

(5)在服务器端，对接受到的信息进行解包分析，取出有效的信息，形成对请求的服务调用。1.3.2连接发生的检测服务器不可能预测客户端何时发生连接请求。显然，服务器通过循环查询的方式检查连接的到来是不恰当的。应该通过类似中断请求的方式激发和控制连接。客户机/服务器的连接是通过“进程等待”和“网络请求中断”来完成的。在服务器端有一个守护进程(Daemon)，也称为服务器进程，它随系统启动而运行。当没有客户请求时，守护进程处于等待状态。每当有一个客户请求到达，服务器进程立即响应并产生资源分配和执行处理，然后回到等待状态，接受下一个请求。1.3.3连接机制客户和服务器之间的连接方式有两种：同步和异步！◆远程过程调用：位于两台计算机上的两个软件部件必须通过良好定义的接口进行通讯，这些接口可以是系统中的过程（函数），因而造成了可以调用其它机器上的函数的假象，这就是由“远程过程调用(RPC)”和其它机制实现的。

◆同步请求：客户通过远程过程调用向服务器接口发出请求后，往往立即进入等待返回结果状态，并且在未得到返回结果之前，客户一直处于等待状态，不执行任何自身的出程序逻辑。◆异步请求：客户的请求一旦发出并得到服务器的确认，客户立即返回去执行自身的其它程序逻辑，待到服务器完成请求的操作后，才把结果通知客户。serverRequest()(3)………(4)………(5)respondClient()(2)客户请求的异步响应serverRequest()(6)………………………………(3)……(4)respondClient()(2)(5)客户请求的同步响应1.达3.陶4连接奸协议客户罢和服袖务器盏之间姿传送惩的只伴是字酿符信斑息。自该信芦息的瓶意义棉需要愧进行度分析宅处理狼，根惧据句汗法形巨式转坑达特午定的琴含义虾。例如慨，远宅程过纪程调尤用请瞒求，息如同申程序娘中函蜘数和脚过程易的声夏明一舱样，菜需要偿提供送调用裳的名夫称、胡执行福方式斤、参胡数的台个数短、顺温序、占类型饼、值魔以及头返回燥的类后型。在更老广泛稀范围泉应用屑的客鸽户机扔和服哗务器秧中，超需要璃采用由更为跪标准剖化的请表达缓。目弦前可绕使用看的至晒少有进三类盆协议钳。一若是在裕数据朱库系渔统中茫得到石广泛潜应用育的SQ明L查询愚语言这；二笔是远鸽程过羊程调岩用规傲范RP诱C/旬LP席C；三剩是根败据应桃用需步要设组计的蛮用户借语言饰。1.还4客户滴机/服务野器的鸭运行显机制1.设4.岗1服务示器的勾任务煌调度服务膊器调刚度是磨解决折多客能户和涉多请抬求同箱时执祥行带勉来的拴诸多恢问题烘的。作为方独立抚工作虾的服瞎务器傍，它廊必须仙做好材准备奖，能庙够同沸时接皂受和更处理乱多个假相同橡或者朴不同绵的请冬求。址如果危服务阴器已楚经无求能力拦处理侍新的梢请求咐，它偷必须劝以一己定的原策略婚建立烛等待半队列俗或者济通知么客户闯不能哄立即攀处理逆请求挂。目前皂基于卫服务懒器的事应用窑程序桥所使砌用的芹操作悟系统挨大多驰数是史多任扭务的栋。这巴样，印服务约器利桂用多享进程耳或者衔多线针程机棉制，梨可以友方便灭地建询立起脊多客塞户多术请求芒情况廊下的隔复杂访调度题问题颂。存在雄两类渗调度寇方式托：有衫等待梁队列步和无咬等待凳队列剂。无狭等待怎队列芳方式钥假设冈服务堤器的材进程梳和线巧程资日源是适无限朴的，柱足够渴为每祝一个少客户呀请求厕建立归其独壶立的殊处理代进程眉或线朽程。侨有等旧待队栽列方皆式假中设服假务器瓣的可诱用进贺程数日或线锄程数撇是有某限的告，当杜同时禁发生欢的客慢户请发求超彩过此劝数目宰时，宋请求榴被放逝入等贫待队盾列，意或由法服务牧器通喘知客建户暂漫时不主能进皮行处踩理。1.距4.规2进程兰方式奶调度在服翠务器席端建订立一斯个岁吴系统膨启动叼而运棋行的吧服务逼器主遭进程份，它定含有息服务编器的汗对外奴接口爽以及黑从事蜘管理召的共商享数挡据和委操作训服务架。当服没有准客户缠请求员时主饺进程娱处于宋等待月状态使。每规当有尖一个妨客户聋请求蜂到达克，主暴进程缘瑞立即拉产生兼一个写字子杏进程耳，然厚后回美到等骄待状退态，眨由子席进程诱响应麦请求尽，处授理完谁请求掠后撤唇销子挪进程睡。有时要将主鱼进程男称为滩主服腐务器(M胖as顿te济r)，它统负责缝接受太请求抹并调判度响勺应任旁务的滥子进滚程；熄子进太程称株之为所从服腥务器(S齿la填ve深)，它响只执丸行特伟定的缓响应邀任务将。进程启具有逝两个匹特征气：代座码执傲行和稿资源球所有茅权。坚是多在任务校系统涝中的蜡控制皆机制妻。但星是进凝程会杏消耗壳大量引的计速算机驰资源摩，过舱度使饺用进巧程会踏造成葱资源些紧张后和效聚率低纲下。1.农4.欺3线程贞调度柳方式在服童务器看端仍水要建垂立一俱个随稼系统卧启动赤而运垦行的世服务肥器进冻程，叹它含魄有服象务器软的对驶外接许口以肤及从房诚事管娇理的窜共享债数据声和操污作服费务。钉当没僵有客乒户请身求时隶主进速程处袍于等却待状撑态。肉每当验有一笔个客纽奉户请河求到吵达，过主进套程立鱼即产圆生一筛个线坡程，娃然后述回到移等待毅状态太，由络线程鹊响应治请求蹈，处睡理完程请求妄后撤节销线略程。线程察可以峡看成程轻量行级的隆进程机，它概是程夜序中早的一邮个函拾数的刑执行馋。所志以线留程比屑进程息所消刻耗的掘资源考要小带得多拣，但牲同样瓦可以炉产生衫并发费性，研处理里多个博请求蚀的发改生。饰所以翁采用最线程华的服采务器羞运行叹效率罩和速愁度要报高于屡进程上。1.显4.条4线程颗池调棕度方察式线程狠的产蚁生和秀撤销阿也占探用时印间和捕空间待。为寄此通丢常采籍用线批程池弯的工维作方争式。这样教，在果支持闷线程宅池的炼服务传器中社，服骆务器疗进程劈燕除了按等待亿请求越并分协配任包务外饶，还连管理垮一个连线程竞数量华有限财的线慰程池支和一罪个请扣求队舅列。店线程续池中拔的线脑程是伴在系跃统启扛动时诱一次士性创病建的央，其狡中每蓄个线图程执僻行什耗么任颂务、屯为哪榆个客返户请糖求服袋务，旱是由形服务宁器进跪程的吩主线鞭程管驻理的念。当客临户请骂求到科来时所，主腔线程棍根据筐线程切资源叹的负斗荷情吗况，茫分配否一个狭空闲计的线乓程，队指派些一个筹执行钩任务茄，使侍其运挽行以动响应哪客户屋请求村。响步应结简束后惕，线趴程变氏为闲衔置状册态，鼻等待至新请龄求的恳到来虎和主梨线程优的任绳务分涌配。蹈这其圣中，愉不发抹生线缘瑞程的创创建老和撤悲销，砖只有摧线程尚状态守的变处化。当同忠时发李生请惭求的理数量硬超过租线程蝇池中久线程渔的数橡量时兔，请决求进繁入等洗待队巴列。2.实时颤控制灰系统2.附1实时笨控制拴系统松概述举例椒：◆魔飞船抓发射策飞行念控制辆系统益；◆拍导弹摸攻击默跟踪裳系统没；◆题病人树监护弱系统煌；◆慌工业研机器怪人。◆蠢等等桨。这类岗系统能的共睬同特步点是挎：不亿断循速环执水行对粉监控给目标奇的检地测、浩计算朗和控菌制。改检测艘器不驶断地轰检测酷环境至信息功的变异化，胶并把抽数据屯传送泻给控疏制器渣。计燥算器虫在考僵虑目士标设阿定和壁外来值干扰考的情悦况下纷，经甩过快奏速地升计算尚得到平控制罢信息昂，并攀把它完交给层执行坡器。柿执行克器按张照控学制信恐息进州行动骂作调县整，磁以实注现系眠统设盖定的羽目标润。参宜见下金图。这个租系统烫的另吧外两择个特惹点是宴：整葱个循炮环周尸期执追行的当实时捆性和乓计算剑的连爽续性乡丰。实鸽时性泛要求裙系统样各个躲环节穷执行迈的速拒度要胡足够酱高。宝连续李性要辩求各懂个部碰分能茎够重渐复、营快速礼地运跟行，凭而始架终维任持系唐统工棕作的勒正确清。根据连目标贞设定副的方浴式的纹不同笋，这属类系塑统又巡寿分为跟踪和稳态锐控制两种着。稳态股控制傅的目磨标是坐确认煎不变如的，游例如缘瑞温度拔控制粘。跟踪香控制蔽的目徐标是桌随着堤环境嗽而不剥断发龄生变穿化的案，例幕如导之弹攻奇击。计算鲁器执行权器被控壳对象设定脊目标检测讲器2.挎2系统敬结构系统碌的一顷般结要构如舱下图借，说纺明如柿下。检测秃器1到n是系木统的躲输入涨信息苦。这续些信唤息被坏采集宰器1到n以特外定的川工作验方式遮传送评到系寸统内您