管道过滤器模式的软件体系结构及其设计.pdf

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1、!#$#%计算机工程与应用随着软件系统规模和复杂性的增加，系统总体结构设计的重要性已远远超过特定算法和数据结构的选择，良好的体系结构是保证系统成功的关键。基于软件体系结构的过程开发是现代软件开发的基本途径，也是软件工程成熟的标志。软件体系结构的风格或模式包括客户&服务器模式的体系结构，管道&过滤器模式的体系结构，层次式体系结构，面向对象的体系结构等。管道&过滤器模式的体系结构是面向数据流的软件体系结构。它最典型的应用是在编译系统。一个普通的编译系统包括词法分析器，语法分析器，语义分析与中间代码生成器，优化器，目标代码生成器等一系列对源程序进行处理的过程。人们可以将编译系统看作一系列过滤器的连接

2、体，按照管道&过滤器的体系结构进行设计。此外，这种体系结构在其它一些领域也有广泛的应用。因此它成为软件工程和软件开发中的一个突出的研究领域。管道&过滤器模型$模型的结构与特征管道&过滤器模型的基本部件都有一套输入输出接口。每个部件从输入接口中读取数据，经过处理，将结果数据置于输出接口中，这样的部件称为“过滤器”。这种模型的连接者将一个过滤器的输出传送到另一个过滤器的输入，该文把这种连接者称为“管道”。在这种模型中，过滤器必须是独立的实体，每一个过滤器的状态不受其它过滤器的影响。并且，虽然人们对过滤器的输入输出有一定的规约，但过滤器并不需要知道向它提供数据流的过滤器和它要提供数据流的过滤器的内部

3、细节。过滤器的基本结构如图。图管道&过滤器中的基本单元：过滤器管道&过滤器模式的系统构架如图!。图!管道&过滤器模式的系统构架$!模型的优点管道&过滤器模型有如下的优点：（）设计人员将整个系统的输入输出行为理解为单个过滤器行为的叠加与组合。这样可以将问题分解，化繁为简。（!）任何两个过滤器，只要它们之间传送的数据遵守共同的规约就可以相连接。每个过滤器都有自己独立的输入输出接口，如果过滤器间传输的数据遵守其规约，只要用管道将它们连接就可以正常工作。（#）整个系统易于维护和升级：旧的过滤器可以被替代，新的过滤器可以添加到已有的系统上。软件的易于维护和升级是衡量软件系统质量的重要指标之一，在管道&过

4、滤器模型中，只要遵守输入输出数据规约，任何一个过滤器都可以被另一个新管道&过滤器模式的软件体系结构及其设计李小龙毛文林（西安交通大学电信学院计算机应用技术研究所，西安()*）+&,-./：012345-6789!:#$8;3摘要软件体系结构设计给出了大规模软件复用，特别是领域复用的重要设计模式。体系结构描述了软件系统的整体组织结构与风格，对软件的性能和质量有直接的影响。管道&过滤器模式是一种面向数据流的软件体系结构。该文对这种体系结构做了深入的讨论，并结合一个具体应用给出了设计原型。关键词管道&过滤器模型管道过滤器文章编号!&?#!#$%&($)*+,(-.)$/)01($0(2)$.34(5

5、 6$5738 9.+37:.+;$33（.A-8 B.-73786 C8.D;51.3E，.A-8()*）/J.1-53.I/;L.1NI211;1 3J.1-5IJ.3;I325;-8L 6.D;1-K5765-,K57373EK;I7,O.8;L H.3J-1.,K/;-KK/.I-3.78$=$-+)45：?.K;&Q./3;5,7L;/，?.K;，Q./3;5作者简介：李小龙，硕士研究生，西安交通大学电信学院计算机系，研究方向：计算机网络系统集成。毛文林，副教授，研究方向：计算机网络系统集成。)篮式过滤器篮式过滤器是除去液体中少量固体颗粒的小型设备是除去液体中少量固体颗粒的小型设备，

6、可保护设备的可保护设备的正常工作，当流体进入置有一定规格滤网的滤筒后，其杂质被阻挡正常工作，当流体进入置有一定规格滤网的滤筒后，其杂质被阻挡，而而清洁的滤液则由过滤器出口排出清洁的滤液则由过滤器出口排出，当需要清洗时当需要清洗时，只要将可拆卸的滤筒只要将可拆卸的滤筒取出取出，处理后重新装入即可处理后重新装入即可，因此因此，使用维护极为方便使用维护极为方便。1.1.1.1.空气过滤器空气过滤器使受到污染的空气被洁净到生产使受到污染的空气被洁净到生产、生活所需要的状态生活所需要的状态，也就是使空气达也就是使空气达到一定的洁净度。到一定的洁净度。2.2.2.2.液体过滤器液体过滤器 使受到污染的液体

7、被洁净到生产、生使受到污染的液体被洁净到生产、生活所需要的状态，也就是使液体达到一定的洁净度。活所需要的状态，也就是使液体达到一定的洁净度。3.3.3.3.网络过滤器网络过滤器 通通过设置来阻挡垃圾信息，使出现在电脑屏幕上的信息尽量符合要求过设置来阻挡垃圾信息，使出现在电脑屏幕上的信息尽量符合要求。同同吸收的原理将不同颜色的光线分离吸收的原理将不同颜色的光线分离 4.4.4.4.光线过滤器光线过滤器，把一些不需要的光线把一些不需要的光线吸收掉吸收掉。上面说的应该是网式过滤器上面说的应该是网式过滤器，其实过滤器还有很多种其实过滤器还有很多种，譬如叠譬如叠片过滤器片过滤器、砂滤器砂滤器、碳滤器等等

8、碳滤器等等，主要原理都是利用过滤介质的孔径截主要原理都是利用过滤介质的孔径截留比介质孔径更小的物质，当然有的过滤介质还具有吸附等特殊效果留比介质孔径更小的物质，当然有的过滤介质还具有吸附等特殊效果。大多过滤器反洗也没有那么麻烦大多过滤器反洗也没有那么麻烦，只要用清水从过滤出水的一端导入逆只要用清水从过滤出水的一端导入逆向反冲洗过滤器中的介质就可以达到很好反洗效果向反冲洗过滤器中的介质就可以达到很好反洗效果。本类阀门在管道中本类阀门在管道中一般应当水平安装。一般应当水平安装。http:/ 换代产品。若将它串联地安装在泵的换代产品。若将它串联地安装在泵的入口或系统管理线的其他部位，即可延长泵和其他

9、设备的使用寿命入口或系统管理线的其他部位，即可延长泵和其他设备的使用寿命，又又能保证整个系统安全能保证整个系统安全。用于过滤器性能实验台上面用于过滤器性能实验台上面，这种试验台在试验这种试验台在试验前都要对系统严格净化前都要对系统严格净化，因此试验系统和为试验系统服务的污染注入系因此试验系统和为试验系统服务的污染注入系统都需配有过滤器统都需配有过滤器，这中过滤器和被试验的过滤器是两回事儿这中过滤器和被试验的过滤器是两回事儿，它的精它的精度要求度要求，污物容纳量要求要比被试验的过滤器精度高污物容纳量要求要比被试验的过滤器精度高，为区别同一试验为区别同一试验系统中的两类过滤器系统中的两类过滤器，这

10、种过滤器称为试验台过滤器这种过滤器称为试验台过滤器，被试验的过滤器被试验的过滤器称为被试过滤器。称为被试过滤器。http:/ Y Y Y 型过滤器型过滤器（水过滤器水过滤器）属于管道粗过滤器系列属于管道粗过滤器系列，也可用于气体或也可用于气体或其他介质大颗粒物过滤，安装在管道上能除去流体中的较大固体杂质其他介质大颗粒物过滤，安装在管道上能除去流体中的较大固体杂质，使机器设备（包括压缩机、泵等使机器设备（包括压缩机、泵等）、仪表能正常工作和运转，达到稳定、仪表能正常工作和运转，达到稳定工艺过程工艺过程，保障安全生产的作用保障安全生产的作用。该公司所生产的该公司所生产的 Y Y Y Y 型过滤器型

11、过滤器（水过滤水过滤器器）能根据客户具体要求能根据客户具体要求（特殊压力特殊压力、特殊口径特殊口径）定制定制。Y Y Y Y 型过滤器型过滤器（水水过滤器）具有制作简单、安装清洗方便、纳污量大等优点。过滤器）具有制作简单、安装清洗方便、纳污量大等优点。计算机工程与应用!#$#%的过滤器代替，同时为增强程序功能，可以添加新的过滤器。这样，系统的可维护性和可升级性得到了保证。（&）支持并发执行：每个过滤器作为一个单独的执行任务，可以与其它过滤器并发执行。过滤器的执行是独立的，不依赖于其它过滤器的。$#模型的缺点及其改进管道(过滤器模型有如下的缺点：（）交互式处理能力弱：管道(过滤器模型适于数据流的

12、处理和变换，不适合为与用户交互频繁的系统建模。在这种模型中，每个过滤器都有自己的数据，这些数据或者是从磁盘存储器中读取来，或者是由另一个过滤器的输出导入进来，整个系统没有一个共享的数据区。这样，当用户要操作某一项数据时，要涉及到多个过滤器对相应数据的操作，其实现较为复杂。由以上的缺点，可以对每个过滤器增加相应的用户控制接口，使得外部可以对过滤器的执行进行控制。改进的过滤器如图#。图#带有用户控制接口的过滤器（!）数据的打包与解包：有时，系统中的过滤器需要有一个数据转换器来对输入输出数据进行解包打包。这样会降低系统性能，增加实现过滤器的复杂性。$&与面向对象的体系结构的比较面向对象的体系结构就是

13、应用面向对象的方法建立系统的体系结构。其主要思想是：对问题域中客观存在的各项事物建立相应的对象，对象的属性与方法分别描述事物的静态特征与动态行为，对象间的交互通过对其方法的调用进行。面向对象方法的优点是它封装了对象的属性和行为，实现了“信息隐蔽”。同时，对象内部行为的修改不影响外部对它的调用。面向对象的体系结构的一个明显的缺点是：当一个对象通过过程调用与其它对象交互时，它必须知道其它对象的标识。而当一个对象的标识改变时，需要对所有调用这一方法的对象进行修改。而在管道(过滤器这种体系结构中，过滤器与其它过滤器相连接时不必知道系统中的其它过滤器。而且当某个过滤器发生改变时，不需要对其他过滤器进行改

14、动。在实际应用中，可以将这两种体系结构结合起来。例如，先按照管道(过滤器的思想建立系统的体系结构，然后应用面向对象的方法设计和实现过滤器及管道。!管道(过滤器的设计原型!$问题域下面举一个简单的例子说明管道(过滤器的应用与实现。需求描述：假设有一批实时的二维坐标点数据需要变换（即对点的横、纵坐标进行缩放），并在屏幕上进行显示，要求外部要能设置变换规则（如缩放倍数）和显示规则（如显示模式和显示颜色）。!$!体系结构建模这是一个对坐标点的数据流进行顺序处理的过程，可以应用管道(过滤器体系结构建模。将这个系统分为两个过滤器，一个为坐标点数据流变换过滤器，另一个为坐标点数据流实时显示过滤器。其中，坐标

15、点数据流变换过滤器有一个外部控制接口对变换规则如缩放倍数进行设置，坐标点数据流实时显示过滤器有一个外部控制接口对显示规则如显示模式和显示颜色进行设置。整个系统的体系结构如图&。!$#过滤器的设计可以将过滤器用状态转换图表示。过滤器有如下状态：停止状态，工作状态，等待状态，休眠状态。停止状态：表示过滤器处于待启动状态，当外部启动过滤器后，过滤器处于处理状态；处理状态：表示过滤器正在处理输入数据队列中的数据；等待状态：表示过滤器的输入数据队列为空，此时过滤器等待，当有新的数据输入时，过滤器处于处理状态；休眠状态：表示过滤器已经启动，但被挂起。挂起的原因可能是由于外界用户要设置过滤器的控制参数，这样

16、暂时将过滤器挂起但不中止它，当控制参数设置完毕后再将过滤器还原，继续运行。这样，实现了较高的效率。图%为过滤器的状态转换图。#总结图&坐标点变换与显示的体系结构（下转)!页）%!#$#%计算机工程与应用图%过滤器状态转换图软件体系结构是近来流行的软件设计模式，它已经成为复杂系统高层设计所关注的焦点。通常，传统设计者不得不时刻面对着新需求新技术的挑战，而软件体系结构的研究通过为相似的系统建立共通化的体系结构减少开发应用系统的开销。该文主要对管道&过滤器这种面向数据流的体系结构进行了探讨并给出了设计原型。对于与用户交互较少的，面向数据流的应用系统人们可以用这种体系结构建模，提高开发效率，实现软件复

17、用。（收稿日期：!#年月）参考文献$()*+,-).，/)012 3)*4)5$,678.)*9:*;-189;8=9;8109 65)59?9*15 21;1=4159A(B$C*9581;9 D)44，E5;!$麦中凡，戴彩霞$软件体系结构的概念AFB$计算机工程与应用，!；#G（）：H!IH%中止输入数据队列为空（上接%页）（）收集文档（3)8-9*15/6;79*15 E529J）。以上过程是顺序执行的。一般来说，收集文档所占用的时间最长，其次是创建索引，最后是传递索引。L,M在访问文档时，主要采用三种方法：（）直接访问：直接通过NO,来访问文件；（!）档案访问：由P3E对多个文件建立

18、档案，然后再传递这些档案文件；（#）DKKC访问：每次访问时，每个文件都通过DKKC进行传递。在这三种搜集文档的方法中，直接访问最快，其次是档案访问，最后是DKKC访问。为了检查上面哪种方法比较适用，P,M使用P3E，又称为探测器，来探测Q9R,9*09*所处的状态。此外，P3E还通过,9*09*S668和Q9R服务器上的T9*表为每个用户创建自己的档案文件，然后将这些档案文件传送给搜索引擎。#协作式搜索引擎（P,M）的特征（）P,M采用分布式机器人（S6R68）增加并行性，从而可以同时搜集多个文档A%B。（!）P,M主要是由多个彼此间相互协作的本地元搜索引擎构成，本地元搜索引擎是本地搜索引擎

19、与存储服务器进行通信的接口。（#）P,M的更新周期较短，因为每个Q9R站点上的索引代理是通过直接访问Q9R文文件来建立索引的，而不是通过DKKC访问来建立索引的。（U）采用“下个”搜索方法，提高用户获取信息的效率。“下个”搜索方法是指搜索引擎先将搜索到的与查询条件相匹配的个文文件显示给用户，而且每个页面仅显示个，用户在浏览这个文文件的同时，搜索引擎仍在后台不停地搜索。这样就减少了用户查询信息所发费的时间，提高用户获取信息的效率。（%）根据与查询条件相关联的程度对文件划分等级。P,M可以根据与查询谓词相关联的程度把文档划分为不同的等级，这也是一种减少更新周期的方法。这是因为一个搜索引擎即使可以搜

20、索到包含指定关键词的所有文文件，但是如果搜索的页面太多，搜索引擎就不能够从中选择出最重要的页面。所以可以采用计分的方法来划分不同等级的文文件，分数越高，该文档与查询谓词的关联程度就越大。在对文档进行分级的所有方法中，87V127方法是最流行的一种，其中87是文档中某条目所出现的频率，127是某条目的稀疏度。根据公式（）可以计算出127的值：!#W46（$%）（）其中$是所有文档的数量，%是包含某条目文档的数量。在P,M系统中，127值的计算是被分配到搜索过程中与搜索过程并行执行的。U结论该文描述了一种新的分布式搜索引擎，叫作协作式搜索引擎（P,M），介绍了它的框架、搜索和更新过程。P,M通过元

21、搜索引擎将多个本地搜索引擎集成在一起协调工作，多个本地搜索引擎能够协调工作是由于元搜索引擎隐藏、屏蔽了本地搜索引擎的不同。在P,M中，通过直接访问和档案访问，每个本地搜索引擎能够快速更新Q9R站点上的文档，从而P,M克服了目前的分布式搜索引擎（如D)*098，36649）不能协调利用本地搜索引擎、收集文件时间过长以及本地搜索引擎之间响应不一致的问题。因此，P,M能够真正实现收集快速、更新及时、定位准确。（收稿日期：!#年月）参考文献$王继成，杨晓江$基于元资料与X#H$%的分布协作式Q9R信息检索AFB$软件学报，!；!（U）!$P(1;Y6.?)5，C989*Y/)5Z1，/)*95 S D

22、)*2+98)4$K-9 D)*098E576*?)8165/1;609*+)52:;9,+89?$-88=：.$5;)$1;$92,9)*;-15;-.)*8Z$-)*098;-.)*8Z$-)*098$-8?4#$E5*12$-88=：.$15*12$6*U$36649$-88=：.$6649$;6?%$N6R-1,)86，(156*-178*1R-E576*?)8165 S98*190)4APB$E5：K-1*2 E589*5)8165)4Q6*-6=65 N98.6*&Y)92 E576*?)8165,+89?（NYE,&#），!&H!管道-过滤器模式的软件体系结构及其设计管道-过滤器

23、模式的软件体系结构及其设计作者：李小龙，毛文林作者单位：西安交通大学电信学院计算机应用技术研究所,西安,710049刊名：计算机工程与应用英文刊名：COMPUTER ENGINEERING AND APPLICATIONS年，卷(期)：2003，39(35)被引用次数：5次 参考文献(2条)参考文献(2条)1.Mary Shaw.David Garlan Software architecture:perspectives on an emerging discipline2.麦中凡.戴彩霞 软件体系结构的概念期刊论文-计算机工程与应用 2001(11)相似文献(1条)相似文献(1条)1.学位

24、论文 靳泽宇 基于组件的开放式数控系统软件的体系结构研究 2003 该论文讨论的是基于组件技术的开放式数控系统软件的研究.主要工作是基于开放式系统的思想,总结出传统数控的特点,探索基于组件的开放式数控系统软件的结构.开放式控制系统有三个不同的开放程度,环境的开放,接口的开放,组件模块的开放.三者体现了不同的实现技术,该文讨论的是标准组件模块体系结构的开放.在这个层面上,以通用操作系统作为控制系统的应用平台,以组件技术为实现技术进行开发.该文论述了通过使用管道过滤器模型实现了对于不同控制方式采用统一的数据/控制处理方式,和将不同的控制方式都映射为自动加工模式,使用系统配置等多种设计策略实现开放式数控系统的体系结构.并在论文的最后一部分讨论了如何使用State模式实现不同的控制方式和插补的实现.引证文献(5条)引证文献(5条)1.刘小娜.常万军.苗恺 软件体系结构综述期刊论文-河南机电高等专科学校学报 2007(5)2.邹姗 基于SOA的分布式应用集成研究学位论文硕士 20073.陈飞 软件架构模式在信息系统开发中的应用研究学位论文硕士 20054.刘俭云 基于时序逻辑语言XYZ/E的CA认证系统描述与求精学位论文硕士 20055.黄志刚 面向海战场电子信息系统的构件连接技术研究学位论文硕士 2004 本文链接：http:/