架构设计模式之管道——过滤器模式

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。

在管道，过滤器架构模式中，每个构件都有一组输入，输出，构件读取输入的数据流，经过内部处理后，产生输出数据流，该过程主要完成输入流的变换及增量计算。通常，将这里的构件称为过滤器，其中的连接器就像是数据流传输的管道，将一个过滤器的输出传送到另一过滤器的输入。管道，过滤器输出的正确性并不依赖于过滤器进行增量计算过程的顺序。

管道-过滤器的组成

1 过滤器

过滤器按照对流经它的数据操作的不同,可分为3类过滤器:输入过滤器,处理过滤器和输出过滤器。下面将对这三类过滤器进行介绍。

(1)输入过滤器

输入过滤器处在问题所在的外部世界与软件系统的边界处,是系统数据流的源点。它负责接收外界信息并转化为系统所需的数据流。

(2)处理过滤器

处理过滤器是系统内变换数据流的部件,它有一个入口和一个出口,数据经入口流入,经过处理过滤器内部处理之后从出口流出。

(3)输出过滤器

从建立完备的,首尾一致的可重用的软件部件组的角度出发,正如输入过滤器是系统数据流的起点,那么输出过滤器是数据流的终点。

过滤器的实现还须满足以下三条基本原理:

随后的处理单元从过滤器中拉出输出数据;

前面的处理单元把新的输入数据压入过滤器;

过滤器以循环工作的方式,从流水线中拉出其输入数据并且将其输出数据压入流水线。过滤器按照以上三种情况可分为两类:主动过滤器和被动过滤器。满足前两种情况的过滤器称为被动过滤器,满足最后一种情况的过滤器称为主动过滤器。

2 管道

管道作为过滤器之间数据流动的通道的软件部件,它的主要功能是连接各个过滤器,充当过滤器之间数据流的通道。管道具有数据缓冲以及提高过滤器之间的并行性操作的作用。管道由数据缓冲区,向数据缓冲区读和写数据,判断管道为空或已满等操作定义组成

 

管道／过滤器模式的优点如下。

(l)体现了各功能模块的“黑盘”特性及高内聚、低耦合的特点。

(2)可以将整个系统的输入，输出行为看成是多个过滤器行为的简单合成。

(3)支持软件功能模块的重用。

(4)便于系统维护：新的过滤器可以添加到现有系统中来，旧的可以由改进的过滤器替换。

(5)支持某些特定的分析，如吞吐量计算、死锁检测等。

(6)支持并行操作，每个过滤器可以作为一个单独的任务完成。

管道，过漶器模式的缺点如下。

(1)通常导致系统处理过程的成批操作。

(2)需要设计者协调两个相对独立但又存在关系的数据流。

(3)可能需要每个过滤器自己完成数据解析和合成工作（如加密和解密），从而导致系统性能下降，并增加了过滤器具体实现的复杂性。