[转]PetShop的系统架构设计(1)
前言:PetShop是一个范例,微软用它来展示.Net企业系统开发的能力。业界有许多.Net与J2EE之争,许多数据是从微软的PetShop和Sun的PetStore而来。这种争论不可避免带有浓厚的商业色彩,对于我们开发人员而言,没有必要过多关注。然而PetShop随着版本的不断更新,至现在基于.Net 2.0的PetShop4.0为止,整个设计逐渐变得成熟而优雅,却又很多可以借鉴之处。PetShop是一个小型的项目,系统架构与代码都比较简单,却也凸现了许多颇有价值的设计与开发理念。本系列试图对PetShop作一个全方位的解剖,依据的代码是PetShop4.0,可以从链接http://msdn.microsoft.com/library/default.asp?url=/library/en-us/dnbda/html/bdasamppet4.asp中获得。
一、PetShop的系统架构设计
在软件体系架构设计中,分层式结构是最常见,也是最重要的一种结构。微软推荐的分层式结构一般分为三层,从下至上分别为:数据访问层、业务逻辑层(又或成为领域层)、表示层,如图所示:
图一:三层的分层式结构
数据访问层:有时候也称为是持久层,其功能主要是负责数据库的访问。简单的说法就是实现对数据表的Select,Insert,Update,Delete的操作。如果要加入ORM的元素,那么就会包括对象和数据表之间的mapping,以及对象实体的持久化。在PetShop的数据访问层中,并没有使用ORM,从而导致了代码量的增加,可以看作是整个设计实现中的一大败笔。
业务逻辑层:是整个系统的核心,它与这个系统的业务(领域)有关。以PetShop为例,业务逻辑层的相关设计,均和网上宠物店特有的逻辑相关,例如查询宠物,下订单,添加宠物到购物车等等。如果涉及到数据库的访问,则调用数据访问层。
表示层:是系统的UI部分,负责使用者与整个系统的交互。在这一层中,理想的状态是不应包括系统的业务逻辑。表示层中的逻辑代码,仅与界面元素有关。在PetShop中,是利用ASP.Net来设计的,因此包含了许多Web控件和相关逻辑。
分层式结构究竟其优势何在?Martin Fowler在《Patterns of Enterprise Application Architecture》一书中给出了答案:
1、开发人员可以只关注整个结构中的其中某一层;
2、可以很容易的用新的实现来替换原有层次的实现;
3、可以降低层与层之间的依赖;
4、有利于标准化;
5、利于各层逻辑的复用。
1、开发人员可以只关注整个结构中的其中某一层;
2、可以很容易的用新的实现来替换原有层次的实现;
3、可以降低层与层之间的依赖;
4、有利于标准化;
5、利于各层逻辑的复用。
概括来说,分层式设计可以达至如下目的:分散关注、松散耦合、逻辑复用、标准定义。
一个好的分层式结构,可以使得开发人员的分工更加明确。一旦定义好各层次之间的接口,负责不同逻辑设计的开发人员就可以分散关注,齐头并进。例如UI人员只需考虑用户界面的体验与操作,领域的设计人员可以仅关注业务逻辑的设计,而数据库设计人员也不必为繁琐的用户交互而头疼了。每个开发人员的任务得到了确认,开发进度就可以迅速的提高。
松散耦合的好处是显而易见的。如果一个系统没有分层,那么各自的逻辑都紧紧纠缠在一起,彼此间相互依赖,谁都是不可替换的。一旦发生改变,则牵一发而动全身,对项目的影响极为严重。降低层与层间的依赖性,既可以良好地保证未来的可扩展,在复用性上也是优势明显。每个功能模块一旦定义好统一的接口,就可以被各个模块所调用,而不用为相同的功能进行重复地开发。
进行好的分层式结构设计,标准也是必不可少的。只有在一定程度的标准化基础上,这个系统才是可扩展的,可替换的。而层与层之间的通信也必然保证了接口的标准化。
“金无足赤,人无完人”,分层式结构也不可避免具有一些缺陷:
1、降低了系统的性能。这是不言而喻的。如果不采用分层式结构,很多业务可以直接造访数据库,以此获取相应的数据,如今却必须通过中间层来完成。
2、有时会导致级联的修改。这种修改尤其体现在自上而下的方向。如果在表示层中需要增加一个功能,为保证其设计符合分层式结构,可能需要在相应的业务逻辑层和数据访问层中都增加相应的代码。
1、降低了系统的性能。这是不言而喻的。如果不采用分层式结构,很多业务可以直接造访数据库,以此获取相应的数据,如今却必须通过中间层来完成。
2、有时会导致级联的修改。这种修改尤其体现在自上而下的方向。如果在表示层中需要增加一个功能,为保证其设计符合分层式结构,可能需要在相应的业务逻辑层和数据访问层中都增加相应的代码。
前面提到,PetShop的表示层是用ASP.Net设计的,也就是说,它应是一个BS系统。在.Net中,标准的BS分层式结构如下图所示:
图二:.Net中标准的BS分层式结构
随着PetShop版本的更新,其分层式结构也在不断的完善,例如PetShop2.0,就没有采用标准的三层式结构,如图三:
图三:PetShop 2.0的体系架构
从图中我们可以看到,并没有明显的数据访问层设计。这样的设计虽然提高了数据访问的性能,但也同时导致了业务逻辑层与数据访问的职责混乱。一旦要求支持的数据库发生变化,或者需要修改数据访问的逻辑,由于没有清晰的分层,会导致项目作大的修改。而随着硬件系统性能的提高,以及充分利用缓存、异步处理等机制,分层式结构所带来的性能影响几乎可以忽略不计。
PetShop3.0纠正了此前层次不明的问题,将数据访问逻辑作为单独的一层独立出来:
图四:PetShop 3.0的体系架构
PetShop4.0基本上延续了3.0的结构,但在性能上作了一定的改进,引入了缓存和异步处理机制,同时又充分利用了ASP.Net 2.0的新功能MemberShip,因此PetShop4.0的系统架构图如下所示:
图五:PetShop 4.0的体系架构
比较3.0和4.0的系统架构图,其核心的内容并没有发生变化。在数据访问层(DAL)中,仍然采用DAL Interface抽象出数据访问逻辑,并以DAL Factory作为数据访问层对象的工厂模块。对于DAL Interface而言,分别有支持MS-SQL的SQL Server DAL和支持Oracle的Oracle DAL具体实现。而Model模块则包含了数据实体对象。其详细的模块结构图如下所示:
图六:数据访问层的模块结构图
可以看到,在数据访问层中,完全采用了“面向接口编程”思想。抽象出来的IDAL模块,脱离了与具体数据库的依赖,从而使得整个数据访问层利于数据库迁移。DALFactory模块专门管理DAL对象的创建,便于业务逻辑层访问。SQLServerDAL和OracleDAL模块均实现IDAL模块的接口,其中包含的逻辑就是对数据库的Select,Insert,Update和Delete操作。因为数据库类型的不同,对数据库的操作也有所不同,代码也会因此有所区别。
此外,抽象出来的IDAL模块,除了解除了向下的依赖之外,对于其上的业务逻辑层,同样仅存在弱依赖关系,如下图所示:
图七:业务逻辑层的模块结构图
图七中BLL是业务逻辑层的核心模块,它包含了整个系统的核心业务。在业务逻辑层中,不能直接访问数据库,而必须通过数据访问层。注意图中对数据访问业务的调用,是通过接口模块IDAL来完成的。既然与具体的数据访问逻辑无关,则层与层之间的关系就是松散耦合的。如果此时需要修改数据访问层的具体实现,只要不涉及到IDAL的接口定义,那么业务逻辑层就不会受到任何影响。毕竟,具体实现的SQLServerDAL和OracalDAL根本就与业务逻辑层没有半点关系。
因为在PetShop 4.0中引入了异步处理机制。插入订单的策略可以分为同步和异步,两者的插入策略明显不同,但对于调用者而言,插入订单的接口是完全一样的,所以PetShop 4.0中设计了IBLLStrategy模块。虽然在IBLLStrategy模块中,仅仅是简单的IOrderStategy,但同时也给出了一个范例和信息,那就是在业务逻辑的处理中,如果存在业务操作的多样化,或者是今后可能的变化,均应利用抽象的原理。或者使用接口,或者使用抽象类,从而脱离对具体业务的依赖。不过在PetShop中,由于业务逻辑相对简单,这种思想体现得不够明显。也正因为此,PetShop将核心的业务逻辑都放到了一个模块BLL中,并没有将具体的实现和抽象严格的按照模块分开。所以表示层和业务逻辑层之间的调用关系,其耦合度相对较高:
图八:表示层的模块结构图
在图五中,各个层次中还引入了辅助的模块,如数据访问层的Messaging模块,是为异步插入订单的功能提供,采用了MSMQ(Microsoft Messaging Queue)技术。而表示层的CacheDependency则提供缓存功能。这些特殊的模块,我会在此后的文章中详细介绍。
二、PetShop数据访问层之数据库访问设计
在系列一中,我从整体上分析了PetShop的架构设计,并提及了分层的概念。从本部分开始,我将依次对各层进行代码级的分析,以求获得更加细致而深入的理解。在PetShop 4.0中,由于引入了ASP.Net 2.0的一些新特色,所以数据层的内容也更加的广泛和复杂,包括:数据库访问、Messaging、MemberShip、Profile四部分。在系列二中,我将介绍有关数据库访问的设计。
在系列一中,我从整体上分析了PetShop的架构设计,并提及了分层的概念。从本部分开始,我将依次对各层进行代码级的分析,以求获得更加细致而深入的理解。在PetShop 4.0中,由于引入了ASP.Net 2.0的一些新特色,所以数据层的内容也更加的广泛和复杂,包括:数据库访问、Messaging、MemberShip、Profile四部分。在系列二中,我将介绍有关数据库访问的设计。
在PetShop中,系统需要处理的数据库对象分为两类:一是数据实体,对应数据库中相应的数据表。它们没有行为,仅用于表现对象的数据。这些实体类都被放到Model程序集中,例如数据表Order对应的实体类OrderInfo,其类图如下:
这些对象并不具有持久化的功能,简单地说,它们是作为数据的载体,便于业务逻辑针对相应数据表进行读/写操作。虽然这些类的属性分别映射了数据表的列,而每一个对象实例也恰恰对应于数据表的每一行,但这些实体类却并不具备对应的数据库访问能力。
由于数据访问层和业务逻辑层都将对这些数据实体进行操作,因此程序集Model会被这两层的模块所引用。
第二类数据库对象则是数据的业务逻辑对象。这里所指的业务逻辑,并非业务逻辑层意义上的领域(domain)业务逻辑(从这个意义上,我更倾向于将业务逻辑层称为“领域逻辑层”),一般意义上说,这些业务逻辑即为基本的数据库操作,包括Select,Insert,Update和Delete。由于这些业务逻辑对象,仅具有行为而与数据无关,因此它们均被抽象为一个单独的接口模块IDAL,例如数据表Order对应的接口IOrder:
将数据实体与相关的数据库操作分离出来,符合面向对象的精神。首先,它体现了“职责分离”的原则。将数据实体与其行为分开,使得两者之间依赖减弱,当数据行为发生改变时,并不影响Model模块中的数据实体对象,避免了因一个类职责过多、过大,从而导致该类的引用者发生“灾难性”的影响。其次,它体现了“抽象”的精神,或者说是“面向接口编程”的最佳体现。抽象的接口模块IDAL,与具体的数据库访问实现完全隔离。这种与实现无关的设计,保证了系统的可扩展性,同时也保证了数据库的可移植性。在PetShop中,可以支持SQL Server和Oracle,那么它们具体的实现就分别放在两个不同的模块SQLServerDAL、OracleDAL中。
以Order为例,在SQLServerDAL、OracleDAL两个模块中,有不同的实现,但它们同时又都实现了IOrder接口,如图:
从数据库的实现来看,PetShop体现出了没有ORM框架的臃肿与丑陋。由于要对数据表进行Insert和Select操作,以SQL Server为例,就使用了SqlCommand,SqlParameter,SqlDataReader等对象,以完成这些操作。尤其复杂的是Parameter的传递,在PetShop中,使用了大量的字符串常量来保存参数的名称。此外,PetShop还专门为SQL Server和Oracle提供了抽象的Helper类,包装了一些常用的操作,如ExecuteNonQuery、ExecuteReader等方法。
在没有ORM的情况下,使用Helper类是一个比较好的策略,利用它来完成数据库基本操作的封装,可以减少很多和数据库操作有关的代码,这体现了对象复用的原则。PetShop将这些Helper类统一放到DBUtility模块中,不同数据库的Helper类暴露的方法基本相同,只除了一些特殊的要求,例如Oracle中处理bool类型的方式就和SQL Server不同,从而专门提供了OraBit和OraBool方法。此外,Helper类中的方法均为static方法,以利于调用。OracleHelper的类图如下:
对于数据访问层来说,最头疼的是SQL语句的处理。在早期的CS结构中,由于未采用三层式架构设计,数据访问层和业务逻辑层是紧密糅合在一起的,因此,SQL语句遍布与系统的每一个角落。这给程序的维护带来极大的困难。此外,由于Oracle使用的是PL-SQL,而SQL Server和Sybase等使用的是T-SQL,两者虽然都遵循了标准SQL的语法,但在很多细节上仍有区别,如果将SQL语句大量的使用到程序中,无疑为可能的数据库移植也带来了困难。
最好的方法是采用存储过程。这种方法使得程序更加整洁,此外,由于存储过程可以以数据库脚本的形式存在,也便于移植和修改。但这种方式仍然有缺陷。一是存储过程的测试相对困难。虽然有相应的调试工具,但比起对代码的调试而言,仍然比较复杂且不方便。二是对系统的更新带来障碍。如果数据库访问是由程序完成,在.Net平台下,我们仅需要在修改程序后,将重新编译的程序集xcopy到部署的服务器上即可。如果使用了存储过程,出于安全的考虑,必须有专门的DBA重新运行存储过程的脚本,部署的方式受到了限制。
我曾经在一个项目中,利用一个专门的表来存放SQL语句。如要使用相关的SQL语句,就利用关键字搜索获得对应语句。这种做法近似于存储过程的调用,但却避免了部署上的问题。然而这种方式却在性能上无法得到保证。它仅适合于SQL语句较少的场景。不过,利用良好的设计,我们可以为各种业务提供不同的表来存放SQL语句。同样的道理,这些SQL语句也可以存放到XML文件中,更有利于系统的扩展或修改。不过前提是,我们需要为它提供专门的SQL语句管理工具。
SQL语句的使用无法避免,如何更好的应用SQL语句也无定论,但有一个原则值得我们遵守,就是“应该尽量让SQL语句尽存在于数据访问层的具体实现中”。
当然,如果应用ORM,那么一切就变得不同了。因为ORM框架已经为数据访问提供了基本的Select,Insert,Update和Delete操作了。例如在NHibernate中,我们可以直接调用ISession对象的Save方法,来Insert(或者说是Create)一个数据实体对象:
public void Insert(OrderInfo order)
{
ISession s = Sessions.GetSession();
ITransaction trans = null;
try
{
trans = s.BeginTransaction();
s.Save( order);
trans.Commit();
}
finally
{
s.Close();
}
}
public void Insert(OrderInfo order)
{
ISession s = Sessions.GetSession();
ITransaction trans = null;
try
{
trans = s.BeginTransaction();
s.Save( order);
trans.Commit();
}
finally
{
s.Close();
}
}
没有SQL语句,也没有那些烦人的Parameters,甚至不需要专门去考虑事务。此外,这样的设计,也是与数据库无关的,NHibernate可以通过Dialect(方言)的机制支持不同的数据库。唯一要做的是,我们需要为OrderInfo定义hbm文件。
当然,ORM框架并非是万能的,面对纷繁复杂的业务逻辑,它并不能完全消灭SQL语句,以及替代复杂的数据库访问逻辑,但它却很好的体现了“80/20(或90/10)法则”(也被称为“帕累托法则”),也就是说:花比较少(10%-20%)的力气就可以解决大部分(80%-90%)的问题,而要解决剩下的少部分问题则需要多得多的努力。至少,那些在数据访问层中占据了绝大部分的CRUD操作,通过利用ORM框架,我们就仅需要付出极少数时间和精力来解决它们了。这无疑缩短了整个项目开发的周期。
还是回到对PetShop的讨论上来。现在我们已经有了数据实体,数据对象的抽象接口和实现,可以说有关数据库访问的主体就已经完成了。留待我们的还有两个问题需要解决:
1、数据对象创建的管理
2、利于数据库的移植
1、数据对象创建的管理
2、利于数据库的移植
在PetShop中,要创建的数据对象包括Order,Product,Category,Inventory,Item。在前面的设计中,这些对象已经被抽象为对应的接口,而其实现则根据数据库的不同而有所不同。也就是说,创建的对象有多种类别,而每种类别又有不同的实现,这是典型的抽象工厂模式的应用场景。而上面所述的两个问题,也都可以通过抽象工厂模式来解决。标准的抽象工厂模式类图如下:
例如,创建SQL Server的Order对象如下:
PetShopFactory factory = new SQLServerFactory();
IOrder = factory.CreateOrder();
PetShopFactory factory = new SQLServerFactory();
IOrder = factory.CreateOrder();
要考虑到数据库的可移植性,则factory必须作为一个全局变量,并在主程序运行时被实例化。但这样的设计虽然已经达到了“封装变化”的目的,但在创建PetShopFactory对象时,仍不可避免的出现了具体的类SQLServerFactory,也即是说,程序在这个层面上产生了与SQLServerFactory的强依赖。一旦整个系统要求支持Oracle,那么还需要修改这行代码为:
PetShopFactory factory = new OracleFactory();
PetShopFactory factory = new OracleFactory();
修改代码的这种行为显然是不可接受的。解决的办法是“依赖注入”。“依赖注入”的功能通常是用专门的IoC容器提供的,在Java平台下,这样的容器包括Spring,PicoContainer等。而在.Net平台下,最常见的则是Spring.Net。不过,在PetShop系统中,并不需要专门的容器来实现“依赖注入”,简单的做法还是利用配置文件和反射功能来实现。也就是说,我们可以在web.config文件中,配置好具体的Factory对象的完整的类名。然而,当我们利用配置文件和反射功能时,具体工厂的创建就显得有些“画蛇添足”了,我们完全可以在配置文件中,直接指向具体的数据库对象实现类,例如PetShop.SQLServerDAL.IOrder。那么,抽象工厂模式中的相关工厂就可以简化为一个工厂类了,所以我将这种模式称之为“具有简单工厂特质的抽象工厂模式”,其类图如下:
DataAccess类完全取代了前面创建的工厂类体系,它是一个sealed类,其中创建各种数据对象的方法,均为静态方法。之所以能用这个类达到抽象工厂的目的,是因为配置文件和反射的运用,如下的代码片断所示:
public sealed class DataAccess
{
// Look up the DAL implementation we should be using
private static readonly string path = ConfigurationManager.AppSettings[”WebDAL”];
private static readonly string orderPath = ConfigurationManager.AppSettings[”OrdersDAL”];
public sealed class DataAccess
{
// Look up the DAL implementation we should be using
private static readonly string path = ConfigurationManager.AppSettings[”WebDAL”];
private static readonly string orderPath = ConfigurationManager.AppSettings[”OrdersDAL”];
public static PetShop.IDAL.IOrder CreateOrder()
{
string className = orderPath + “.Order”;
return (PetShop.IDAL.IOrder)Assembly.Load(orderPath).CreateInstance(className);
}
}
{
string className = orderPath + “.Order”;
return (PetShop.IDAL.IOrder)Assembly.Load(orderPath).CreateInstance(className);
}
}
在PetShop中,这种依赖配置文件和反射创建对象的方式极其常见,包括IBLLStategy、CacheDependencyFactory等等。这些实现逻辑散布于整个PetShop系统中,在我看来,是可以在此基础上进行重构的。也就是说,我们可以为整个系统提供类似于“Service Locator”的实现:
public static class ServiceLocator
{
private static readonly string dalPath = ConfigurationManager.AppSettings[”WebDAL”];
private static readonly string orderPath = ConfigurationManager.AppSettings[”OrdersDAL”];
//……
private static readonly string orderStategyPath = ConfigurationManager.AppSettings[”OrderStrategyAssembly”];
public static class ServiceLocator
{
private static readonly string dalPath = ConfigurationManager.AppSettings[”WebDAL”];
private static readonly string orderPath = ConfigurationManager.AppSettings[”OrdersDAL”];
//……
private static readonly string orderStategyPath = ConfigurationManager.AppSettings[”OrderStrategyAssembly”];
public static object LocateDALObject(string className)
{
string fullPath = dalPath + “.” + className;
return Assembly.Load(dalPath).CreateInstance(fullPath);
}
public static object LocateDALOrderObject(string className)
{
string fullPath = orderPath + “.” + className;
return Assembly.Load(orderPath).CreateInstance(fullPath);
}
public static object LocateOrderStrategyObject(string className)
{
string fullPath = orderStategyPath + “.” + className;
return Assembly.Load(orderStategyPath).CreateInstance(fullPath);
}
//……
}
{
string fullPath = dalPath + “.” + className;
return Assembly.Load(dalPath).CreateInstance(fullPath);
}
public static object LocateDALOrderObject(string className)
{
string fullPath = orderPath + “.” + className;
return Assembly.Load(orderPath).CreateInstance(fullPath);
}
public static object LocateOrderStrategyObject(string className)
{
string fullPath = orderStategyPath + “.” + className;
return Assembly.Load(orderStategyPath).CreateInstance(fullPath);
}
//……
}
那么和所谓“依赖注入”相关的代码都可以利用ServiceLocator来完成。例如类DataAccess就可以简化为:
public sealed class DataAccess
{
public static PetShop.IDAL.IOrder CreateOrder()
{
return (PetShop.IDAL.IOrder)ServiceLocator. LocateDALOrderObject(”Order”);
}
}
public sealed class DataAccess
{
public static PetShop.IDAL.IOrder CreateOrder()
{
return (PetShop.IDAL.IOrder)ServiceLocator. LocateDALOrderObject(”Order”);
}
}
通过ServiceLocator,将所有与配置文件相关的namespace值统一管理起来,这有利于各种动态创建对象的管理和未来的维护