Projeto de Arquitetura

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Faculdade 7 de Setembro – Sistemas de Informação 
Engenharia de Software – Prof. Ciro Coelho
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Engenharia de Software
Projeto de Arquitetura
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A arquitetura
“Desde que o primeiro programa foi dividido em módulos, os sistemas passaram a ter arquiteturas.”
Mary Shaw e David Garlan
Software Architecture: Perspectives on an Emerging Discipline
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Aspectos de uma arquitetura
Nos requisitos, a arquitetura aparece assim:
“Nossa aplicação deve operar via Web nas plataformas Unix, Macintosh, OS/2 e Windows.”
“O produto deve ser compatível com CORBA.”
“O sistema deve garantir excelente tempo de resposta em todas as configurações cliente-servidor.”
“Camelot é baseado no modelo cliente-servidor e usa chamada remota a procedimentos.”
“Abstrações em camadas e a decomposição do sistema oferecem uniformidade aos clientes do sistema.”
“Escolhemos uma abordagem distribuída, orientada a objetos.”
“Um compilador paralelo faz um pipeline da execução das fases de compilação.”
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Aspectos de uma arquitetura
Às vezes, a arquitetura aparece em um diagrama de caixas e linhas
Sistema de Simulação Acústica
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Aspectos de uma arquitetura
O que podemos extrair?
O sistema consiste de quatro componentes
Três dos componentes têm mais em comum que o Processo de Controle (por que?)
Os componentes relacionam-se de alguma forma
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Aspectos de uma arquitetura
Qual a natureza dos componentes?
Por que existe a separação?
São executados em momentos diferentes?
Os componentes são módulos a serem desenvolvidos de forma quase independentes?
Os componentes são hardware, objetos, módulos, processos ou programas distribuídos?
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Aspectos de uma arquitetura
O significam as conexões?
Controle?
Envio de dados?
Uso (Processo de Controle usa Modelo de Ruído)?
Sincronização?
Ou uma combinação das anteriores?
E quais são os mecanismos de tal comunicação?
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Aspectos de uma arquitetura
O significa a hierarquia?
Por que Processo de Controle está em um nível acima?
O Processo de Controle chama os demais? E estes podem chamar o Processo de Controle?
Como a arquitetura opera em tempo de execução?
Qual o fluxo dos dados e do controle através do sistema?
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Aspectos de uma arquitetura
Diagramas como este não são suficientes para descrever a arquitetura do sistema
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O que é arquitetura?
“A arquitetura é composta de estruturas do sistema que incluem
 Componentes de software
 Suas propriedades visíveis externamente
 O relacionamento entre os componentes.”
Len Bass, Paul Clements e Rick Kazman
Software Architecture in Practice
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O que é arquitetura?
“A arquitetura define o sistema em termos de componentes computacionais e interações entre tais componentes.”
Mary Shaw e David Garlan
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O que é arquitetura?
“A arquitetura está relacionada com
Organização do sistema em termos de componentes
Estruturas globais de controle
Protocolos de comunicação
Sincronização e acesso a dados
Alocação de funcionalidades aos elementos de projeto
Composição dos elementos de projeto
Distribuição física
Escalabilidade e desempenho
Evolução do sistema
Seleção entre alternativas sobre decisões de projeto.”
Mary Shaw e David Garlan
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O que é arquitetura?
“Uma arquitetura é composta de 
 Uma coleção de componentes, conexões e restrições.
 Uma coleção de declarações de stakeholders sobre suas necessidades
 As razões que justifiquem que os componentes, suas conexões e restrições satisfazem as necessidades dos stakeholders.”
Barry Boehm
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O que é arquitetura?
“A arquitetura forma a espinha dorsal para se construir sistemas de software com sucesso.”
Software Engineering Institute (SEI)
Carnegie Mellon
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Como descrever uma arquitetura?
Nas definições apresentadas, temos em comum
Componentes
Relacionamentos entre os componentes
Propriedades destes componentes e relacionamentos
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Como descrever uma arquitetura?
Além disso, tais elementos tratam de vários aspectos
“Espinha dorsal do sistema”
“Organização do sistema em termos de componentes”
“Estruturas globais de controle”
“Protocolos de comunicação”
“Interações entre componentes”
“Distribuição física”
“Escalabilidade e desempenho”
“Evolução do sistema”
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Como descrever uma arquitetura?
Porém, tais componentes e relacionamentos podem representar diferentes conceitos
Através de diferentes visões
Como descrever aspectos tão diferentes?
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Diferentes visões de uma arquitetura
Os stakeholders envolvidos na construção de um edifício têm diferentes visões
Cada visão é descrita de forma diferente (plantas, maquetes, esboços, etc)
Todas se referem ao mesmo edifício
E nenhuma é completa
Que visão interessa a cada um destes stakeholders?
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Diferentes visões de uma arquitetura
A arquitetura de software também deve ser descrita por diferentes visões
Módulos
Lógica
Processos
Físico
Utilização
Chamada
Fluxo de dados
Fluxo de controle
Classes
Casos de uso
Segurança
Implementação
Camadas, etc
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Diferentes visões de uma arquitetura
Módulos
Os componentes são módulos do sistema
Os relacionamentos são do tipo “é-submódulo-de”
Esta visão geralmente define produtos e auxilia na estruturação do planejamento do projeto (por módulos) e em alocação de recursos
Que módulos desenvolver primeiro?
Que equipes serão alocadas por módulo?
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Diferentes visões de uma arquitetura
Lógico
Os componentes são abstrações dos requisitos funcionais do sistema (tipicamente, funções)
Os relacionamentos são do tipo “compartilha-dados-com”
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Diferentes visões de uma arquitetura
Processos
Os componentes são processos ou threads
Os relacionamentos são do tipo
“sincroniza-com”
“não-executa-sem”
“não-executa-com”
“preempts”
etc
É uma visão ortogonal às visões de módulos e lógico
É útil em análises de escalonamento e desempenho
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Diferentes visões de uma arquitetura
Físico
Os componentes são dispositivos de hardware
Os relacionamentos são do tipo “comunica-se com”
Permite analisar desempenho, disponibilidade e segurança
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Diferentes visões de uma arquitetura
Utilização
Os componentes são procedimentos ou módulos
Os relacionamentos são do tipo
“usa”
“assume-a-presença-de”
Auxilia no projeto de sub-sistemas ou sistemas que podem ser facilmente estendidos
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Diferentes visões de uma arquitetura
Chamadas
Os componentes são procedimentos
Os relacionamentos são do tipo “invoca”
Permite rastrear o fluxo de execução do sistema e eventual detecção e eliminação de gargalos
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Diferentes visões de uma arquitetura
Fluxo de dados
Os componentes são programas ou módulos
Os relacionamentos são do tipo “pode-enviar-dados-a”
Os links podem ser rotulados com o nome dos dados transmitidos
É útil para rastreamento de requisitos
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Diferentes visões de uma arquitetura
Fluxo de controle
Os componentes são programas, módulos ou estados do sistema
Os relacionamentos são do tipo “ativa”
Auxilia na verificação do comportamento temporal
Esta visão é a mesma que a visão de chamadas, caso o único mecanismo de transferência de controle disponível seja a chamada a função ou procedimentos.
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Diferentes visões de uma arquitetura
Classes
Componentes são objetos ou classes
Relacionamentos são do tipo
“herda-de”
“é-uma-instância-de”
Eventualmente, uma notação mais complexa como UML é mais eficiente que um modelo (ou visão) simplificada como esta
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Diferentes visões de uma arquitetura
Cada projeto vai possuir uma visão dominante
Por exemplo, freqüentemente a visão de módulos é dominante
As demais visões são moldadas ou adaptadas para se enquadrarem na visão dominante
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Propriedades
Arquiteturas definem componentes
Porém, omitem seus detalhes privados (informações não arquiteturais)	
Explicita informações de como um componente
Usa
É usado por
Se relaciona com
Interage com outro componente
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Propriedades
Comportam várias visões
Porém, nenhuma visão isoladamente pode ser considerada “A Arquitetura”
Módulos
Implementação
Processos
Segurança
Físico
Chamada
Casos de Uso
Camadas
Fluxos
Classes
Lógica
Utilização
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Propriedades
Relembrando: o papel dos componentes, relacionamentos e até mesmo o contexto da arquitetura mudam em cada visão
Exemplo
Componentes podem ser
Módulos
Processos
etc
Relacionamentos
É-submódulo
Sincroniza-com
etc
Contexto
Em tempo de desenvolvimento
Em tempo de execução
etc
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Propriedades
Todo sistema tem arquitetura
Não significa que esteja bem documentada
Não significa que seja conhecida por todos
Portanto, a arquitetura existe independente de sua documentação
O comportamento dos componentes é parte da arquitetura
Tal comportamento é o que permite que outros componentes saibam como interagir
Também não significa que o comportamento preciso de todas as interfaces devem ser especificadas
Apenas aspectos de como usar o componente
Questões que tenham impacto na viabilidade do sistema como um todo (por exemplo, performance)
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A importância da arquitetura
“Se o projeto ainda não definiu a arquitetura do sistema, incluindo sua justificativa, ele não deve prosseguir com o desenvolvimento em larga escala.”
Barry Boehm
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A importância da arquitetura
A arquitetura abstrai informações detalhadas do sistema, mas consegue prover informação suficiente para
Análise do sistema como um todo
Tomada de decisões (técnicas ou gerenciais)
Redução de riscos
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A importância da arquitetura
Uma bom projeto de arquitetura é um fator determinante para o sucesso do projeto
A arquitetura ajuda
Comunicação com os stakeholders
A arquitetura representa uma abstração de alto nível do sistema comum a todos os stakeholders
Cria um entendimento mútuo e consensual entre os stakeholders
Decisões iniciais de projeto
As decisões iniciais de projeto são críticas (infra-estrutura, espinha dorsal do sistema) e com impacto em todo o ciclo de vida
Reusabilidade de abstrações
A arquitetura é um artefato relativamente pequeno, fácil de entender e que pode ser reusado em outros projetos
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A importância da arquitetura
A boa arquitetura
Bem documentada e que utiliza uma notação que todos os stakeholders entendem
Módulos são bem definidos e utilizam os princípios de
Separation of concerns (separação de interesses)
Encapsulamento
Módulos produtores de dados devem ser diferentes de módulos consumidores de dados
A arquitetura deve ser a mais independente possível de um produto ou tecnologia específica
Caso tal dependência exista, a arquitetura deve permitir uma mudança fácil e de baixo custo
A arquitetura deve permitir estender o sistema sem que a complexidade aumente
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O Processo de Projeto de Arquitetura
Estruturação do sistema 
O sistema é decomposto em vários subsistemas principais e as comunicações entre eles são identificadas
Modelagem de controle
Um modelo do relacionamento de controle entre as diferentes partes do sistema é estabelecido
Decomposição modular
Os subsistemas identificados são decompostos em módulos
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Subsistemas e Módulos
Não há uma distinção clara. Em linhas gerais...
Um subsistema é um sistema também cuja operação é independente dos serviços providos por outros subsistemas.
Um módulo é um componente do sistema que provê serviços a outros componentes mas que normalmente não seria considerado um sistema separado
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Modelos de Arquitetura
Estrutura, controle e decomposição modular podem ser baseados num modelo ou estilo de arquitetura particular.
Contudo, a maioria dos sistemas são heterogêneos
O modelo de arquitetura usado afeta 
Desempenho
Robustez 
Manutenibilidade 
Alguns domínios de aplicação possuem modelos específicos
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Estruturação dos Sistemas
O projeto de arquitetura pode ser expresso através de diagramas de bloco apresentando uma visão geral da estrutura do sistema
Modelos mais específicos mostram
 Compartilhamento de dados
Distribuição
 Interface entre os sistemas
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Sistema de Controle de um
 Robô para Empacotamento
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O Modelo de Repositório
Subsistemas compartilham dados de duas formas: 
O dado compartilhado é colocado num banco de dados ou repositório, podendo ser acessado por todos os subsistemas
Cada subsistema mantém seu próprio banco de dados e passa dados para os outros subsistemas
Quando a quantidade de dados compartilhados é grande, o modelo de repositório é mais apropriado.
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Arquitetura de um Conjunto de Ferramentas CASE
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Vantagens do Modelo de Repositório
Forma eficiente de compartilhar grande quantidades de dados 
Subsistemas que produzem dados não precisam se preocupar com como os dados são usados
Gerenciamento (backup, segurança, etc.) centralizado 
O modelo de compartilhamento é tornado público através do esquema do repositório
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Desvantagens do Modelo de Repositório
Subsistemas devem concordar no modelo de dados do repositório. Inevitavelmente um compromisso.
A evolução dos dados é difícil e cara
Não há espaço para políticas específicas de gerenciamento 
Dificuldade de distribuição efetiva de dados em máquinas distintas
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Modelo Cliente-servidor
Modelo de sistema distribuídos que mostra como dados e processamento é distribuído entre processadores
Componentes:
Conjunto de servidores separados que provêm serviços específicos
Conjunto de clientes que usam estes serviços
Rede que permite que clientes acessem os servidores
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Biblioteca de Filmes e Retratos
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Vantagens do Modelo Cliente-servidor
Fácil distribuição de dados
Faz uso efetivos de sistemas em rede 
Adicionar novos servidores ou atualizar os atuais é fácil
Modelos de dados otimizados para cada servidor podem ser utilizados
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Desvantagens do Modelo Cliente-servidor
Troca de dados pode ser ineficiente
Gerenciamento redundante em cada servidor
Utilização de novos servidores pode requerer mudanças no clientes
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Modelo de Máquina Abstrata (Camada)
Modela a interface dos subsistemas 
Organiza o sistema numa série de camadas 
Cada camada provê um conjunto de serviços
Os serviços de uma camada são implementados usando os serviços da camada logo abaixo
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Sistema de Gerenciamento de Versão
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Modelo de Máquina Abstrata (Camadas)
Vantagens
Portável
Quando uma camada muda, somente a camada adjacente é afetada
Conveniente para desenvolvimento incremental
Desvantagens
É difícil estruturar sistemas nesta forma
Desempenho
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Modelos de Controle
Lidam com fluxo de controle entre subsistemas
Complementam o modelo estrutural
Abordagens
Controle centralizado
Um subsistema tem responsabilidade geral 
Controle baseado em eventos 
Cada subsistema pode responder a eventos gerados por outros subsistemas ou pelo ambiente
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Tipos de Controle Centralizado
Modelo de retorno de chamada 
Aplicável a sistemas seqüenciais
Modelo de subrotina top-down 
Modelo de gerente
Aplicável a sistemas concorrentes
Um componente do sistema controla a parada, início e coordenação de outros processo do sistema.
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Modelo de Retorno de Chamada (Centralizado)
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Sistema de Controle de Tempo Real 
(Modelo de Gerente - Centralizado)
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Tipos de Controle Baseado em Eventos
Modelo broadcast 
Um evento é enviado, em princípio, para todos os subsistemas. 
Qualquer dos subsistemas que trate o evento poderá fazê-lo. 
Modelo baseado em interrupções 
Usado em sistemas de tempo real 
 Interrupções são detectadas por um gerenciador de interrupções e repassadas para outro componente para processamento 
Faculdade 7 de Setembro – Sistemas de Informação 
Engenharia de Software – Prof. Ciro Coelho
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Engenharia
de Software – Prof. Ciro Coelho
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Modelo Broadcast (Baseado em Eventos)
Efetivo na integração de subsistemas em diferentes computadores de uma rede
Subsistemas registram interesse em eventos específicos
 A política de controle não está embutida no controlador de mensagens e eventos. 
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Modelo Broadcast (Baseado em Eventos)
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Modelo Broadcast (Baseado em Eventos)
Vantagens 
Evolução simples
Facilidade de distribuição
Desvantagens
Subsistemas não sabem se e quando um evento será tratado
Possibilidade de conflito
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Modelo Baseado em Interrupções (Baseado em Eventos)
Usado em sistemas de tempo real onde a resposta rápida a um evento é essencial
Existem tipos conhecidos de interrupção com um tratador (“handler”) definido para cada tipo 
Cada tipo está associado com uma localidade de memória e um dispositivo de hardware causa a transferência para seu tratador
Permite resposta rápida, porém complexo para programar, difícil de validar e de difícil evolução
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Modelo Baseado em Interrupções (Baseado em Eventos)
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O projeto e especificação das estruturas globais de um sistema tornaram-se mais importantes que a escolha dos algoritmos ou estruturas de dados. A arquitetura é usualmente descrita informalmente através de texto e diagramas simples (desenhos de caixas e linhas) e como projeto de alto nível do sistema.
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O diagrama mostra um hipotético sistema de simulação acústica. Este diagrama trata de questões arquiteturais, porém de maneira informal, sem detalhes sobre o significado dos elementos ou justificativas sobre esta hierarquia.
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Não existe uma definição padrão de arquitetura. Porém, através da análise de várias definições podemos chegar a um entendimento de seu conceito.
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