Arquitetura de Software: Conceitos, Princípios e Estilos Essenciais

Princípios Fundamentais da Arquitetura de Software

• Abstração
• Encapsulamento
• Separação de Responsabilidades
• Acoplamento e Coesão
• Não Duplicação
• Parametrização e Configurabilidade
• Clareza e Simplicidade
• Separação de Interface e Implementação

Benefícios da Arquitetura de Software

A arquitetura de software permite-nos raciocinar e planejar para:

• Confiabilidade do Sistema
• Evolução
• Reuso
• Eficiência
• Melhor Manutenção
• Etc.

Vantagem de Estudar Arquitetura de Software

Entender os detalhes da arquitetura selecionada, favorecendo as melhores alternativas de design.

Problemas Causados pela Falta de Arquitetura

• Baixo desempenho
• Altos custos de manutenção
• Dificuldade de evolução
• Reuso limitado
• Projetos ineficientes

O que é Arquitetura de Software?

• Visão estrutural de alto nível
• Define o estilo ou combinação de estilos para uma solução
• Centra-se em requisitos não-funcionais
  • Os requisitos funcionais são satisfeitos através da modelagem e design de aplicações
• Essencial para o sucesso ou fracasso de um projeto

A arquitetura de um sistema de software é a estrutura ou estruturas do sistema, incluindo:

• Elementos de software
• Propriedades visíveis externamente desses elementos
• As relações entre eles

Tipos de Estruturas Arquitetônicas

Existem dois tipos de estruturas que são de interesse para um arquiteto:

• Estruturas Estáticas (organização em tempo de design)
• Estruturas Dinâmicas (organização em tempo de execução)

Elementos Estáticos

Tratam da concepção do sistema, quais os elementos que o compõem e como eles se relacionam.

Estes elementos de design interno incluem:

Software:

• Módulos
• Classes
• Pacotes
• Stored Procedures (Procedimentos Armazenados)

Dados (Elementos Internos):

• Classes
• Entidades / Tabelas Relacionais
• Arquivos de Dados
• Documentos XML / HTML
• Etc.

Hardware (Componentes Internos):

• CPU
• Componentes de hardware do computador (monitor, teclado, etc.)
• Componentes de Rede

O arranjo destes elementos estáticos (software e dados) define (dependendo do contexto) parcerias, relacionamentos ou conexões entre os elementos.

Estruturas Dinâmicas do Sistema

Mostram como o sistema funciona em tempo de execução.

Propriedades Visíveis Externamente

As propriedades externas se manifestam de duas formas diferentes:

• Comportamento Visível para o Exterior
• Atributos de Qualidade

Comportamento Visível para o Exterior

Essas propriedades estão relacionadas à função desempenhada pelo sistema do ponto de vista de um observador externo.

Mais especificamente, estão relacionadas com as interações funcionais entre o sistema e o seu ambiente.

Atributos de Qualidade

As propriedades externas estão relacionadas com os requisitos não-funcionais do sistema, tais como desempenho, segurança e manutenibilidade, entre outros.

Candidato Arquitetônico

A sugestão de arquitetura para uma determinada organização é uma estrutura dinâmica e estática que tem o potencial de apresentar o comportamento e os atributos de qualidade exigidos.

A relação entre as propriedades externamente visíveis de um sistema e sua composição interna pode ser capturada da seguinte forma:

• O comportamento visível externamente (o que o sistema faz) é determinado pelo comportamento combinado dos elementos internos.
• As propriedades de qualidade de um sistema, como desempenho, escalabilidade e confiabilidade, surgem a partir das propriedades de qualidade dos elementos internos.

Elemento Componente (Arquitetura)

Um elemento componente ou arquitetônico é um bloco fundamental a partir do qual um sistema pode ser construído.

Componentes devem ter os seguintes atributos claramente definidos:

• Um conjunto de responsabilidades.
• Um limite ou escopo.
• Um conjunto de interfaces, que definem os serviços que o componente oferece a outros componentes.

Stakeholders (Partes Interessadas)

Um stakeholder da arquitetura é uma pessoa, grupo ou entidade com interesse no desenvolvimento de um sistema.

Estilos Arquitetônicos

O estilo arquitetônico é um mecanismo descritivo para diferenciar uma arquitetura da outra.

Geralmente, não é necessário inventar uma nova arquitetura de software para cada sistema de informação. É comum adotar uma arquitetura conhecida, avaliando suas vantagens e desvantagens para cada caso particular. A seguir, alguns estilos universais:

Cliente-Servidor

O software distribui sua carga computacional em duas partes distintas. Basicamente, consiste em um cliente fazendo requisições para outro programa (servidor) que responde.

Componentes do Estilo Cliente-Servidor:

• Lógica de Apresentação: A parte da aplicação que interage com um dispositivo do usuário final (terminal, leitor de código de barras, laptop, etc.).
• Lógica de Negócio: A parte de um aplicativo que utiliza informações do usuário e do banco de dados para operações sob as restrições das regras de negócio.
• Lógica de Banco de Dados: A parte de um aplicativo que manipula os dados dentro do aplicativo.
• Processamento de Banco de Dados: O processamento real de dados do banco de dados pelo SGBD.

Benefícios do Cliente-Servidor

• Centralização do controle
• Escalabilidade
• Fácil manutenção

Desvantagens do Cliente-Servidor

• Congestionamento do tráfego
• Maior custo

Arquitetura em Camadas (Layered Architecture)

Especialização da arquitetura Cliente-Servidor, onde a carga é dividida em três ou mais partes (camadas), com uma clara divisão de funções: uma para a camada de apresentação (interface do usuário), uma para o cálculo (onde ocorre a modelagem de negócios) e uma para o armazenamento (persistência). Uma camada só se relaciona com a camada adjacente.

Estrutura de Camadas

• Camada de Apresentação: É o que é visto pelo usuário (GUI).
• Camada de Negócio: É onde os programas são executados, recebendo solicitações do usuário e enviando as respostas após o processamento.
• Camada de Dados: É onde os dados residem e é responsável pelo acesso a eles.

Os termos "camadas" e "níveis" não são idênticos ou similares.

A "camada" refere-se à maneira como uma solução é segmentada do ponto de vista lógico:

• Apresentação
• Lógica de Negócio
• Dados

Em contrapartida, o termo "nível" corresponde à maneira como as camadas lógicas são distribuídas de forma física.

Tubos e Filtros (Pipes and Filters)

• Cada componente tem um conjunto de entradas e um conjunto de saídas.
• A saída pode começar antes de terminar a leitura da entrada.
• Os componentes transformam os dados (Filtros).
• Os conectores transmitem dados de um lugar para outro (Tubos).

Enfatiza a transformação incremental de dados através de vários componentes.

Vantagens do Estilo Tubos e Filtros

• Fácil de entender e composição simples dos filtros.
• Suporte à reutilização. Os filtros podem ser utilizados em outros sistemas.
• Fácil de manter e melhorar. Os filtros podem ser substituídos ou novos filtros podem ser adicionados.
• Apoio à execução simultânea.

Estilo Arquitetônico: Blackboard (Quadro Negro)

Consiste em um repositório central de dados e um conjunto de componentes ativos ao redor do repositório de dados.

• O comportamento básico de qualquer componente é examinar o quadro, fazer seu processamento e escrever suas conclusões no mesmo quadro.
• Assim, um outro componente pode trabalhar com os resultados gerados pelo anterior.
• A computação termina quando uma condição desejada é alcançada entre os resultados afixados no quadro.

O componente de controle pode ativar os componentes de processamento de acordo com um cronograma pré-definido ou inspecionar o quadro e determinar qual elemento de transformação é mais adequado para o próximo turno.

O efeito de usar o estilo Blackboard nos atributos de qualidade:

Atributos de Qualidade do Blackboard

Desempenho: É um dos pontos fortes deste estilo, por duas razões.

Manutenibilidade: Este é um forte aspecto do estilo Blackboard, porque os componentes de processamento são independentes uns dos outros e podem ser adicionados ou removidos sem alterar outros componentes.

Confiabilidade: Duas coisas a considerar.

Estilo Arquitetônico: Sistemas Orientados a Objetos (OO)

• O estilo OO organiza o sistema em termos de comunicação entre objetos.
• Objetos são entidades que contêm estado e operações para acessar e alterar seu estado.

Um objeto normalmente precisa enviar mensagens a outros objetos, de modo que cada objeto deve manter referências aos objetos aos quais se refere.