Introducción a la Arquitectura de Software Billy Reynoso UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES Billyr@microsoft.com.ar

Objetivos Suministrar una visión estructurada de la Arquitectura de Software contemporánea No es pedagogía Arquitectura 101, sino más bien un survey de lo que significa AS, una evaluación de lo que ha llegado a ser y una puntualización sobre lo que no es Despejar malos entendidos sobre arquitectura como diseño de aplicaciones Vincular perspectivas de la academia y la industria Privilegiar elaboraciones de la corriente teórica de CMU/SEI Describir desarrollos de estado de arte, problemas pendientes y tendencias Proporcionar referencias a recursos, documentación y herramientas http://www.microsoft.com/spanish/msdn/arquitectura

Temario Objetivos Contexto Errores de concepto habituales Antecedentes históricos Definición – Repositorio de definiciones Corrientes principales Conceptos fundamentales (CMU/SEI) Estilos arquitectónicos Estilos y patrones Lenguajes de Descripción Arquitectónica (ADLs) Atributos de calidad, escenarios y tácticas Métodos basados en arquitectura Situación, conclusiones y referencias

Contexto – 1995-2005 Los 3 grandes temas de ingeniería de software Patrones Design patterns (GoF) - 1995 Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson y John Vlissides Architectural patterns (POSA) - 1996 Frank Buschmann, Regine Meunier, Hans Rohnert, Peter Sommerlad y Michael Stal Organizational patterns (Coplien) Métodos heterodoxos (eXtreme Programming, Scrum, Evo, FDD, DSDM, RUP, AM, Crystal, LD, ASD…) Arquitectura de Software Otros: Refactorización AOP, SOA, Grid Computing, Semantic Web...

Conceptos cuestionables (1/2) Arquitectura como normativa madura Abundancia de herramientas de diseño arquitectónico Semántica y lenguajes arquitectónicos iguales en la academia y la industria UML como lenguaje formal de modelado “arquitectónico” Posición de la AS bien definida en ingeniería & ciclo de vida Ocurre en algún punto entre la elicitación de requerimientos y la especificación de casos de uso, o entre éstos y el diseño Arquitectura vinculada a metodología y proceso RUP La AS está formalmente desarrollada las disciplinas de RUP (cf. Kazman, Kruchten et al 2004)

Conceptos cuestionables (2/2) La AS tiene que ver con modelado OO La AS no admite ni requiere otros paradigmas No hay urgencia en considerar otros paradigmas (Berners-Lee) Las herramientas arquitectónicas generan la estructura de la aplicación e incluso el código (analogía con modelos CASE) El dilema del roundtrip engineering está resuelto Hay que considerar modelo de DSL

Antecedentes históricos (1/5) Edsger Dijkstra, 1968 Ciencias de la computación como rama aplicada de las matemáticas Niveles de abstracción Stacks, abrazos mortales, semáforos, algoritmo de camino más corto NATO, 1968 F. L. Bauer “Ingeniería de software” NATO, 1969 P. I. Sharp, “Arquitectura de software” C.R. Spooner, 1971 “Una arquitectura de software para los 70s” Referencia accidental

Antecedentes históricos (2/5) Niklaus Wirth, 1971 Niveles de abstracción  Stepwise refinement DeRemer & Kron, 1976 Programming in the large Fred Brooks, 1975 – MMM Diseñador del OS/360, Premio Turing 2000 Arquitectura como interfaz usuario El arquitecto es un agente del usuario, igual que quien diseña su casa Importancia de las estructuras de alto nivel y de decisiones tomadas al principio Arquitectura: qué hacer - Implementación: cómo hacerlo

Antecedentes históricos (3/5) David Parnas 1972: Módulos – Ocultamiento de información 1974: Estructuras de software 1976: Familias de programas (Árbol de decisión) - Descomposición - Alternativa a diagramas de flujo, propensión estructural (no funcional) “Una familia de programas es un conjunto de programas (no todos los cuales han sido construidos o lo serán alguna vez) a los cuales es provechoso o útil considerar como grupo. Esto evita el uso de conceptos ambiguos tales como “similitud funcional” que surgen a veces cuando se describen dominios. Por ejemplo, los ambientes de ingeniería de software y los juegos de video no se consideran usualmente en el mismo dominio, aunque podrían considerarse miembros de la misma familia de programas en una discusión sobre herramientas que ayuden a construir interfaces gráficas, que ambos casualmente utilizan”.

Antecedentes históricos (4/5) Línea de Dijkstra-Parnas-Hoare Fundamentación matemática Métodos formales Programa fuerte Línea de Brooks Ambiente humano Visión cualitativa Pensamiento no lineal Programa crítico y heterodoxo

Antecedentes históricos (4/5) Dewayne Perry, Alexander Wolf – 1992 “Foundations for the study of software architecture” “La década de 1990, creemos, será la década de la arquitectura de software. Usamos el término “arquitectura” en contraste con “diseño”, para evocar nociones de codificación, de abstracción, de estándares, de entrenamiento formal (de los arquitectos de software) y de estilo.  Es tiempo de re-examinar el papel de la arquitectura de software en el contexto más amplio del proceso de software y de su administración, así como señalar las nuevas técnicas que han sido adoptadas”. Escuela de Carnegie Mellon (CMU-SEI) Sin conexión explícita con CMMI® Mary Shaw, David Garlan, Paul Clements, Robert Allen, Rick Kazman

Definición http://www.sei.cmu.edu/architecture/definitions.html (1) Proceso dentro del ciclo de vida, (2) Topología, (3) Disciplina. Arquitectura - IEEE 1471-2000: La Arquitectura de Software es la organización fundamental de un sistema encarnada en sus componentes, las relaciones entre ellos y el ambiente y los principios que orientan su diseño y evolución. Adoptada por Microsoft en estrategia arquitectónica / MSF 3 & 4 Ingeniería - IEEE 610.12.1990: [La Ingeniería de Software es] la aplicación de una estrategia sistemática, disciplinada y cuantificable al desarrollo, aplicación y mantenimiento del software; esto es, la aplicación de la ingeniería al software.

Otras definiciones Paul Clements, 1996: “La AS es, a grandes rasgos, una vista del sistema que incluye los componentes principales del mismo, la conducta de esos componentes según se la percibe desde el resto del sistema y las formas en que los componentes interactúan y se coordinan para alcanzar la misión del sistema. La vista arquitectónica es una vista abstracta, aportando el más alto nivel de comprensión y la supresión o diferimiento del detalle inherente a la mayor parte de las abstracciones”. * Vista - * Componente

Desarrollos paralelos Década de 1990: Metáfora de patrones de C. Alexander (1977) La Banda de los Cuatro (GoF), 1995 POSA, 1996 Desarrollo de UML / OOD

Corrientes teóricas en AS Arquitectura como etapa de la ingeniería de software orientada a objetos James Rumbaugh, Grady Booch, Ivar Jacobson (“los 3 amigos”), Craig Larman… Arquitectura estructural – SEI Corriente principal: Garlan, Shaw, Clements Variantes con modelos de datos (Medvidovic) Variantes radicales, formales (Moriconi-SRI) Arquitectura basada en patrones – SEI Arquitectura procesual (Kazman, Bass)

Vistas 1977, análisis estructurado (Douglas Ross) Separación de incumbencias Habitualmente 2 (funcional y de datos – ninguna aparece en AS) La AS clásica no habla de vistas Se basa en vista única e implícita, de carácter estructural Muchos arquitectos evitan hablar de vistas Cuando las vistas proliferan, se requieren lenguajes formales específicos para cada clase de vista Las vistas son una abstracción conveniente, pero su abundancia involucra problemas de sincronización En AS ortodoxa prevalecen 3: CC, concurrencia y despliegue (Bass, Clements, Kazman) Lista corta (3 a 6) – Lista larga (8 o 9…) Viewpoints’96

Conceptos fundamentales Vistas & frameworks

Vistas de UML… No hay componentes, ni conectores, ni constraints, ni configutraciones

Vistas de UML… Vistas y puntos de vista no están homogeneizados en textos y autores Cuando los “3” hablan de AS, las vistas no se refieren a viewpoints o concerns, sino a niveles de abstracción Definición diferente de “arquitectura” Interfaces en vez de conectores Objetos en lugar de componentes (“elementos”) Los conectores no son conectores de primera clase

Estilos Arquitectónicos Rumbaugh-Booch-Jacobson 1991 (1) transformaciones en lote, (2) transformaciones continuas, (3) interfaz interactiva, (4) simulación dinámica de objetos del mundo real, (5) sistemas de tiempo real, (6) administrador de transacciones con almacenamiento y actualización de datos Pero: “estilos arquitectónicos”, “arquitecturas comunes”, “marcos de referencia arquitectónicos prototípicos”, “formas comunes”, “clases de sistemas” Definición no exhaustiva Criterios taxonómicos no homogéneos Taxones de distinto nivel de inclusión Algunos tipos pueden incluir otros (ej. 6 y 3)

Estilos arquitectónicos Perry & Wolf, 1992 Incluyen: Componentes (2003, “elementos”) Conectores Estructuras (topologías, configuraciones) Restricciones (constraints)

Estilos Arquitectónicos Estilos de Flujo de Datos Tubería y filtros Estilos Centrados en Datos Arquitecturas de Pizarra o Repositorio Estilos de Llamada y Retorno Model-View-Controller (MVC) Arquitecturas en Capas Arquitecturas Orientadas a Objetos Arquitecturas Basadas en Componentes Estilos Derivados C2 GenVoca REST Estilos de Código Móvil Arquitectura de Máquinas Virtuales Estilos heterogéneos Sistemas de control de procesos Arquitecturas Basadas en Atributos Estilos Peer-to-Peer Arquitecturas Basadas en Eventos Arquitecturas Orientadas a Servicios (SOA) Arquitecturas Basadas en Recursos

Tres ejemplos significativos Arquitectura basada en eventos Arquitectura de pizarra Arquitecturas orientadas a servicios Presentación separada en esta serie…

Arquitectura basada en eventos Impiden incurrir en el modelo de aplicaciones que preguntan si sucedió algo. Generan la ejecución apenas ocurre el evento o el usuario se conecta Modelo de push. A veces se vincula con patrón Observador (Observer pattern)

Arquitecturas de Pizarra

Arquitectura de Pizarra H. Penny Nii, 1986 (Blackboard systems) Cuándo se utiliza: Problemas no susceptibles de tratarse analíticamente Reconocimiento de patrones, aprendizaje de máquina, data mining Firmas, huellas digitales, reconocimiento de iris, rostro, etc Dos formas: Repositorio Pizarra pura o tablero de control Procesamiento de señales Reconocimiento de habla Redes neuronales, algoritmo genético, simulación de templado Agentes autónomos (débilmente acoplados)

Estilos y patrones POSA 96, Shaw 96 Patrones: Christopher Alexander 1977 Elementos que se repiten Como un elemento en el mundo, cada patrón es una relación entre cierto contexto, cierto sistema de fuerzas que ocurre repetidas veces en ese contexto y cierta configuración espacial que permite que esas fuerzas se resuelvan. Como un elemento de lenguaje, un patrón es una instrucción que muestra la forma en que esta configuración espacial puede usarse, una y otra vez, para resolver ese sistema de fuerzas, donde quiera que el contexto la torne relevante El patrón es, en suma, al mismo tiempo una cosa que pasa en el mundo y la regla que nos dice cómo crear esa cosa y cuándo debemos crearla. Es tanto un proceso como una cosa; tanto una descripción de una cosa que está viva como una descripción del proceso que generará esa cosa.

Comentario Problemas Soluciones Fase de Desarrollo Patrones de Arquitectura Relacionados a la interacción de objetos dentro o entre niveles arquitectónicos Problemas arquitectónicos, adaptabilidad a requerimientos cambiantes, performance, modularidad, acoplamiento Patrones de llamadas entre objetos (similar a los patrones de diseño), decisiones y criterios arquitectónicos, empaquetado de funcionalidad Diseño inicial Patrones de Diseño Conceptos de ciencia de computación en general, independiente de aplicación Claridad de diseño, multiplicación de clases, adaptabilidad a requerimientos cambiantes, etc Comportamiento de factoría, Clase-Responsabilidad-Contrato (CRC) Diseño detallado Patrones de Análisis Usualmente específicos de aplicación o industria Modelado del dominio, completitud, integración y equilibrio de objetivos múltiples, planeamiento para capacidades adicionales comunes Modelos de dominio, conocimiento sobre lo que habrá de incluirse (p. ej. logging & reinicio) Análisis Patrones de Proceso o de Organización Desarrollo o procesos de administración de proyectos, o técnicas, o estructuras de organización Productividad, comunicación efectiva y eficiente Armado de equipo, ciclo de vida del software, asignación de roles, prescripciones de comunicación Planeamiento Idiomas Estándares de codificación y proyecto Operaciones comunes bien conocidas en un nuevo ambiente, o a través de un grupo. Legibilidad, predictibilidad. Sumamente específicos de un lenguaje, plataforma o ambiente Implementación, Mantemimiento, Despliegue

Usos de estilos Mary Shaw, David Garlan, 1996 Inspirado en trabajo de Parnas, 1972 (“On the criteria to be used in decomposing systems into modules”) – Datos compartidos vs ocultamiento de información Sistema de indexación de palabras claves Datos compartidos Tipos abstractos de datos Invocación implícita Tubería y filtros Comparación de versatilidad, dependencia, modularidad, reutilización, refinamiento, ventajas & desventajas Antes de escribir una línea de código Tablas de comparación de atributos Asignación de pesos a prioridades

Estilos - Conclusiones Después de 13 años, son menos conocidos y frecuentados que los patrones Son fundamentales para la toma de decisiones del diseño, ya que se dispone de métodos comparativos que no existen para el caso de los patterns Metodologías SACAM, CBAM Es esencial que se conserve un número pequeño de estilos disponibles

Requerimientos no funcionales Performance Disponibilidad Modificabilidad Seguridad Verificabilidad (Testability) Gestionabilidad (instrumentación, management, estado) Usabilidad

Atributos de Calidad

Escenarios Equivalente no funcional de los casos de uso No contemplados en UML / RUP Cuantificables - No hay diagramas de escenarios Estímulo, ambiente, respuesta Escenario de caso de uso: Un usuario remoto de web requiere un reporte de base de datos en hora pico y lo recibe dentro de los 5 segundos. Escenario de crecimiento: Agregar un nuevo servidor de base de datos para reducir latencia en escenario 1 a 2.5 segundos dentro de una persona-semana. Escenario exploratorio: La mitad de los servidores se bajará durante operación normal sin afectar la disponibilidad del sistema.

Lenguajes de Descripción Arquitectónica (ADLs) Lenguajes para el modelado, la descripción y (eventualmente) la prueba de la arquitectura Representación de componentes, conectores, configuraciones y restricciones Prueba de consistencia arquitectónica Soporte de evolución

Géneros emparentados Lenguajes de especificacíón (LARCH, Z) Lenguajes de prototipado (Modechart, PSDL) Lenguajes de modelado (UML) Lenguajes de programación (CODE, Ada) Herramientas para definición de ciclo de vida (UNAS/SALE)

Acme/Armani

ADLs: Sustento formal Darwin: cálculo Pi (Milner-Parrow-Walker) BizTalk primitivo, Polyphonic C# Wright: Communicating Sequential Processes (CSP), lógica de primer orden LILEANNA: programación parametrizada e hiper-programación Rapide: Posets SAM: Redes de Petri de transición de predicados, lógica temporal de primer orden Jacal: Redes de Petri Casi todos los ADLs tienen BNF Modelo estructural no ligado a OO

Situación actual de los ADLs Ninguno se impuso ni en la academia ni en el mercado Compás de espera: UML 2 Domain Specific Languages XML Web Semántica Visión positiva: necesidad de métodos formales debido a complejidad de factores Visión negativa: ADLs “obsoletos” La producción de ADLs se ha desacelerado

Metodologías arquitectónicas Posicionamiento en ciclo de vida (AS en RUP) Atributos de calidad & escenarios [Primitivas de atributo] Architecture Based Design (ABD) Tácticas Arquitectónicas Comparación de alternativas (SACAM) Diseño basado en atributos (ADD) Ventajas y desventajas (ATAM) Elección de arquitectura Análisis de arquitectura (SAAM) Quality Attribute Workshop (QAW) Revisión activa de diseño parcial (ARID) Análisis de costo/beneficio (CBAM) Reformulación: UML & RUP

Campos de AS Fundamentos formales de la AS Bases matemáticas Caracterizaciones formales de propiedades extra-funcionales tales como mantenibilidad Teorías de la interconexión Técnicas arquitectónicas de análisis Métodos de desarrollo basados en arquitectura Visual Studio 2005 Team System Recuperación y reutilización de arquitectura Codificación y guía arquitectónica Herramientas y ambientes de diseño arquitectónico Estudios de casos

Problemas pendientes en AS Falta de criterio unificado No hay un modelo de proceso de punta a punta Desarrollo en paralelo de conceptos antagónicos o no coordinados Métodos ágiles Metodologías de ciclo de vida Patrones, estilos y tácticas Apropiación nominal de la AS por estrategias que no implementan principios arquitectónicos pero se benefician de su prestigio Poca masa crítica de herramientas y lenguajes de modelado arquitectónico (de alto nivel, con conectores de primera clase)

Beneficios Decisiones tempranas Barry Boehm, 1995 Si un proyecto no ha logrado una arquitectura del sistema, incluyendo su justificación, el proyecto no debe empezar el desarrollo en gran escala. Si se especifica la arquitectura como un elemento a entregar, se la puede usar a lo largo de los procesos de desarrollo y mantenimiento [Boe95]. Análisis de consistencia antes de elaborar el diseño (y escribir el código) Sistematización de la experiencia Homogeneización del lenguaje (IEEE 1471) Herramientas para la evolución Re-utilización

Conclusiones generales Importancia de la Arquitectura de Software Criticidad de las decisiones tempranas de arquitectura Alto nivel de abstracción Vinculada con requerimientos no funcionales Fuerte impulso en la academia y la industria Herramientas arquitectónicas aún en proceso de definición y desarrollo Metodologías arquitectónicas, en proceso de elaboración preliminar Resta elaborar: tácticas arquitectónicas, métodos basados en arquitectura, vínculo entre conceptos de arquitectura, DSLs, factorías, building blocks, …

Referencias Artículos de Arquitectura de Software en http://www.microsoft.com/spanish/msdn/arquitectura Len Bass, Paul Clements, Rick Kazman. 2003. Software Architecture in Practice, 2ª edición Documentación del SEI en Carnegie Mellon http://www.sei.cmu.edu/publications/publications.html Rick Kazman, Philippe Kruchten et al. 2004. “Integrating Software-Architecture-centric methods into the Rational Unified Process”, CMU/SEI-2004-TR-011 Recomendaciones IEEE 1471/2000

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