Многоуровневая архитектура программного обеспечения является распространенным подходом к проектированию в области разработки программного обеспечения.
Это включает в себя разделение всеобъемлющей системы на несколько уровней, каждый из которых несет определенные обязанности.
Благодаря сотрудничеству между этими уровнями предоставляется полный набор функций.
На начальных этапах моей карьеры преобладающим подходом к проектированию систем была архитектура «MVC» (модель-представление-контроллер).
Эта архитектура влечет за собой разделение всей системы на три отдельных уровня: Модель, Представление и Контроллер.
Отделяя пользовательский интерфейс от бизнес-логики и соединяя их через контроллер, архитектура MVC эффективно обеспечивает разделение задач.
Он обеспечивает стандартизированную многоуровневую архитектуру программного обеспечения, которая упрощает разделение представления и функциональности.
Альтернативный и часто используемый подход к архитектуре всей системы состоит в том, чтобы разделить ее на три ключевых уровня: Presentation, Logic и Data доступ.
Presentation: Ближайший к пользователю слой отображает результаты данных и принимает инструкции пользователя.Logic: Реализуйте конкретную бизнес-логику.Data: Реализовать хранение данных.
Кроме того, если внимательно присмотреться, можно найти множество примеров наслоения в различных областях.
Возьмем, к примеру, сетевую модель OSI, которая делит всю сеть на семь отдельных уровней. Снизу вверх эти уровни включают физический уровень, уровень канала передачи данных, сетевой уровень, транспортный уровень, сеансовый уровень, уровень представления и прикладной уровень.
Точно так же в области сетей часто вступает в игру протокол TCP/IP. Он упрощает сеть до четырех уровней, а именно канального уровня, сетевого уровня, транспортного уровня и прикладного уровня.
Каждый слой выполняет свою определенную роль и гармонично взаимодействует с другими. Например, сетевой уровень обеспечивает сквозную адресацию и установление соединения, а транспортный уровень обеспечивает бесперебойную передачу данных по сети. Существует также взаимодействие данных между соседними слоями, что способствует связному потоку информации.
Такое многоуровневое разделение позволяет разделить задачи и позволяет различным уровням сосредоточиться на отдельных аспектах функциональности системы.
Файловая система Linux имеет иерархическую структуру, примером которой является четкая иерархия файловой системы, изображенная на диаграмме ниже.
На вершине файловой системы находится виртуальная файловая система (VFS), которая служит для абстрагирования различий между различными файловыми системами и предлагает унифицированный интерфейс системных вызовов. Ниже виртуальной файловой системы мы находим нижние уровни, охватывающие файловые системы, такие как Ext3, Ext4 и другие.
Под этим уровнем находится уровень абстракции, который скрывает базовые тонкости различных аппаратных устройств, широко известный как общий уровень блочных устройств.
В конечном итоге мы сталкиваемся с различными типами дисков, кульминацией которых является базовый уровень иерархии файловой системы.
Преимущества многоуровневой архитектуры.
Многоуровневый дизайн может упростить разработку системы, позволяя различным людям сосредоточиться на определенных уровнях работы. Представьте себе трудности разработки веб-приложения без слоев.
Чтобы обеспечить правильную передачу пакетов, необходимо обладать всесторонними знаниями о сети, понимать тонкости различных интерфейсов сетевых устройств. Кроме того, потребуется решить такие проблемы, как перегрузка сети, тайм-ауты данных, повторная передача и обеспечение безопасной передачи данных для предотвращения прослушивания и несанкционированного доступа.
Однако при многоуровневой структуре внимание можно направить на разработку программы прикладного уровня, оставив оставшиеся задачи нижележащим уровням.
Более того, многослойность способствует повторному использованию. Если определенный слой демонстрирует универсальность при проектировании системы А, его можно выделить независимо и использовать при проектировании системы Б, что сокращает цикл исследований и разработок и повышает эффективность.
Наконец, многоуровневая архитектура способствует масштабируемости. Без многослойности масштабирование всей системы становится необходимым по мере увеличения трафика. И наоборот, придерживаясь многоуровневой архитектуры, определенные компоненты могут быть расширены в ответ на определенные проблемы.
Например, если бизнес-логика включает сложные вычисления, которые нагружают производительность ЦП, уровень логики можно извлечь и развернуть независимо, что позволяет целенаправленно расширять возможности только внутри уровня логики. Такой подход оказывается более рентабельным, чем масштабирование всей системы.
Как это сделать?
При рассмотрении многоуровневого дизайна крайне важно установить четкие границы для каждого слоя. Хотя это может показаться простым в трехуровневой архитектуре, сложности возникают по мере усложнения бизнес-логики. Позвольте мне проиллюстрировать это примером.
В системе с пользовательским компонентом основной интерфейс включает получение информации о пользователе путем вызова метода GetUserInfo на логическом уровне. Этот метод взаимодействует с пользовательской базой данных для извлечения данных, как показано в левой части диаграммы.
Однако при изменении требований, таких как отображение информации о пользователе в приложении и автоматическое создание учетной записи, если пользователь не существует, границы становятся менее четкими.
Как это можно улучшить?
Для решения проблемы нечетких границ в многоуровневом дизайне существует несколько подходов, которые могут улучшить ситуацию.
1. Уточните обязанности слоев: сделайте шаг назад и переоцените обязанности каждого уровня. Четко определите цель и объем каждого уровня, убедившись, что они имеют четко определенные роли и функции. Это помогает установить более четкие границы и уменьшает двусмысленность.
2. Инкапсулируйте сложные функции: если определенные функции или функции стирают границы между слоями, рассмотрите возможность их инкапсуляции в свои собственные модули или компоненты. Это может помочь отделить и изолировать сложную логику, упрощая управление и обслуживание.
3. Применение шаблонов проектирования. Используйте шаблоны проектирования, такие как внедрение зависимостей, фасад или адаптер, для улучшения модульности и разделения уровней. Эти шаблоны способствуют слабой связи и помогают более эффективно управлять взаимодействием между слоями.
4. Коммуникация и сотрудничество. Поощряйте эффективную коммуникацию и сотрудничество между членами команды, ответственными за разные уровни. Поощряйте обсуждения и обмен знаниями, чтобы обеспечить общее понимание архитектуры системы и облегчить определение четких границ.
5. Непрерывное уточнение. Многоуровневое проектирование — это повторяющийся процесс. Регулярно оценивайте и уточняйте границы слоев по мере развития системы и изменения требований. Примите обратную связь и соответствующим образом адаптируйте дизайн, чтобы поддерживать четкое и эффективное многоуровневое разделение.
Применяя эти стратегии, вы можете улучшить четкость границ слоев, уменьшить неоднозначность и повысить общую эффективность многоуровневого дизайна в вашей системе.
- Уровень просмотра: этот уровень обрабатывает рендеринг и выполнение шаблонов для каждого интерфейса, например, рендеринг Velocity, рендеринг JS, рендеринг JSP и мобильная презентация.
- Уровень открытого интерфейса: этот уровень инкапсулирует методы сервисного уровня в открытые интерфейсы, обеспечивая контроль безопасности шлюза и управление трафиком.
- Веб-уровень: этот уровень в основном обрабатывает контроль доступа, проверку основных параметров и простую бизнес-обработку, которую нельзя использовать повторно.
- Сервисный уровень: этот уровень содержит основную бизнес-логику системы.
- Уровень менеджера: этот уровень служит двум основным целям. Во-первых, он может обрабатывать общие возможности, которые изначально были частью сервисного уровня, такие как взаимодействие с кэшем и политиками хранения, а также доступ к промежуточному программному обеспечению. Во-вторых, он может инкапсулировать вызовы сторонних интерфейсов, таких как платежные сервисы или сервисы аудита.
- Уровень DAO: этот уровень обрабатывает доступ к данным и взаимодействует с базами данных, такими как MySQL, Oracle или HBase.
- Внешние интерфейсы или сторонние платформы: сюда входят открытые интерфейсы RPC от других отделов, базовые платформы и HTTP-интерфейсы от других компаний.
В этой многоуровневой архитектуре уровень менеджера вводится для предоставления атомарных сервисных интерфейсов, а сервисный уровень отвечает за организацию этих атомарных интерфейсов в соответствии с бизнес-логикой.
В предыдущем примере уровень Manager предоставляет интерфейсы для создания пользователей и получения информации о пользователях, а уровень Service собирает эти интерфейсы. Этот подход объединяет разрозненную бизнес-логику с уровня представления на уровень службы, что приводит к четким границам для каждого уровня.
Более того, в многоуровневой архитектуре крайне важно обеспечить зависимость уровней только от соседних уровней, а поток данных ограничен перемещением между этими соседними уровнями.
Взяв в качестве примера трехуровневую архитектуру, как только данные поступают с уровня представления, они передаются на уровень логики для обработки бизнес-логики, а затем на уровень доступа к данным для взаимодействия с базой данных. Вы можете задаться вопросом: «Если бизнес-логика проста, можем ли мы напрямую обращаться к уровню доступа к данным из уровня представления или даже напрямую управлять базой данных?»
Однако разрешение непосредственного управления базой данных на уровне представления или бизнес-уровне приведет к проблемам. Например, если изменится адрес базы данных, потребуются модификации на нескольких уровнях, что сведет на нет цель разделения на уровни и создаст проблемы с обслуживанием и рефакторингом в будущем.
Недостатки многоуровневой архитектуры.
Хотя многоуровневая архитектура имеет множество преимуществ, она также имеет некоторые недостатки, которые необходимо учитывать:
1. Повышенная сложность. По мере роста размера и сложности системы количество слоев и зависимостей между ними может увеличиваться. Это может затруднить понимание, поддержку и модификацию архитектуры.
2. Накладные расходы на производительность. Каждый уровень добавляет дополнительный уровень абстракции и обработки, что может привести к накладным расходам на производительность. Это особенно верно, когда данные должны пройти через несколько уровней для обработки.
3. Тесная связь между слоями. В некоторых случаях слои могут стать сильно связанными, когда изменения в одном слое могут иметь волновой эффект на других слоях. Это может препятствовать гибкости и модифицируемости системы.
4. Отсутствие гибкости при изменении требований: многоуровневость предполагает наличие четких границ между уровнями и предполагает, что требования не будут меняться таким образом, чтобы нарушить эти границы. Однако при изменении требований может стать затруднительным модифицировать систему, не затрагивая несколько уровней.
5. Сложность тестирования. Многоуровневые архитектуры могут создать проблемы при тестировании, поскольку зависимости между уровнями могут потребовать сложных механизмов имитации или заглушки для изоляции и тестирования отдельных уровней.
6. Ограниченная масштабируемость. Многоуровневые архитектуры могут столкнуться с ограничениями, когда речь идет о независимом масштабировании определенных уровней. Масштабирование одного уровня может потребовать масштабирования всей системы, что может быть неэффективным с точки зрения использования ресурсов.
7. Чрезмерный акцент на границах слоев. Чрезмерное внимание к границам слоев иногда может привести к чрезмерно жесткой конструкции, где инновационные решения, охватывающие несколько слоев, нелегко приспособить.
Важно взвесить эти факторы и учитывать конкретные потребности и ограничения системы при принятии решения о пригодности многоуровневой архитектуры.
Если вам нравятся такие истории и вы хотите поддержать меня, пожалуйста, хлопните мне в ладоши.
Ваша поддержка очень важна для меня, спасибо.
