为“架构”再建个模：如何用代码描述软件架构？

在 archguard 平台中，为了实现对架构的治理，我们需要通过代码和模型来描述所需处理的内容和数据。因此，archguard 引入了代码模型、依赖模型、变更模型等，而架构模型和架构治理模型则是两个核心的部分。其它如构建模型等，将会在后续逐步引入到系统中。

PS：本文中的架构展开是基于自动化分析需求的，模型也是基于这个动机出发的。

架构是什么？对单个语言的代码建模并不困难，因为每个语言有其特定的概念，如包、类、字段、函数等。在明确这些概念的基础上，结合业务需求，就能构建出基本的模型。采用领域驱动设计（DDD）等建模方式时，通过达成共识、提炼知识、形成概念，就能构建出模型的雏形。

起点：架构是重要的元素，然而，对于架构，业内没有统一的定义。例如，Martin Fowler 喜欢引用 GoF（设计模式的作者）之一 Ralph Johnson 对于架构的描述：

同样的，Grady Booch（UML 的发明者之一）也以类似的方式来概括架构：

这些描述让我们感觉说了等于没说，我们需要定义什么是重要的东西。而重要的东西，在不同人、不同场景下是存在差异的。哪怕是同一种类型的软件，在不同公司、不同利益相关者的背景下，重要的东西也各不相同。

原则：那么到底哪些是重要的？于是，我尝试引用最新的架构相关书籍，如在编写本文时参考的《软件架构：架构模式、特征及实践指南》，其中 Neal Ford 对架构的定义：

从模型构筑的角度来看，这本书中的定义也提供了一种灵活性。在架构特征的定义中，关注的是各种能力（ability），如互操作性、可适用性、可测试性等。

在 ArchGuard 这个业务场景下，我们难以自动化地识别出各类特征。因为从实践的层面上来说，这些能力并不一定已经实现，它们是目标架构，可能只存在于架构蓝图中。在这个层面上，这里定义的架构更偏向于设计层面的定义。

从另一方面来说，架构决策是我们在架构治理过程中关注的核心。我们可以在后续针对这些原则的规则，构建一个描述架构特征的 DSL。

重要的元素：组件、边界与通信接着，让我们回到 Bob 大叔（Robert C. Martin）的《架构整洁之道》中的定义：

从 Clean Architecture 模式来说，Bob 大叔一直强调的是：顶层抽象策略与底层实现要实现解耦。如如何划定合理的边界？如何组合相关的策略与层次？从这个模式上，我们得到了一个越来越清晰的定义。

然而，我们还面临一个更难的问题：如何定义一个组件是什么？还有关系是什么？在书的序言中，Kevlin Henney（《面向模式的软件架构》卷4、卷5的作者之一）给了一个更精确的描述词：组织结构（structure），从宏观到微观的构筑过程，其中包含了组件、类、函数、模块、层级、服务等。

对于大型软件来说，其组织结构方式异常复杂，类似于一个国家的层级关系，有一级部门、二级部门等。部门之间又有复杂的关系，正是层级关系 + 层级的构件构建成了这个复杂的系统。（PS：为了让系统能良好运行，即其中的组件（螺丝钉）按规则执行，则需要一个督察组织。）

层次结构：组件和关系软件架构已经有几十年的历史，我们已经用“模式”这一词对过去的架构进行了一系列的总结。二十年前，人们初步总结了《面向模式的软件架构》（POSA）。在这里，引述 POSA 1 的第 6 章，有一个完整的层级关系介绍：

在今天来看，从模式上来说，软件架构本身并没有发生太大的变化。只是定义发生了变化，如组件和接口。在微服务架构风格流行的今天，一个微服务也可以视为一个组件，它包含了一系列的接口，对外提供了复用的能力。而用来描述它们的关系的元素，则不再是过去的函数调用，变为了远程调用、事件触发。

现在，我们有了一个详尽的定义，在建模上，可能还欠缺一些元素，如如何分析出组件间的关系。

第 3 种架构视图：展示工程关注点在 ArchGuard 中，我们使用了 C4 架构可视化模型作为一种参考视图。这种实现的方式主要是从分析和可视化的层面来考虑的。除了 C4 之外，另外一种主流的方式是 4 + 1 视图。顺带一提，在 4 + 1 的论文《Architectural Blueprints—The “4+1” View Model of Software Architecture》中，也有一个描述架构的表示公式：Software architecture = {Elements, Forms, Rationale/Constraints}。

从通识的角度来看，采用 4 + 1 视图是一个比较理想的方式。只是，由于存在大量的 PaaS、IaaS 等 xx 即服务设计的不合理性，使得这些记录基础设计相关信息的代码，并没有与代码库一起存放，使得在辩识上存在一定的难度。

因此，从实现的层面来说，在这里，我们要引用的是《面向模式的软件架构》中提到的《Software Architecture in Industrial Applications》（也可以参考《实用软件体系结构》一书）架构视图：

概念视图：描述了整个系统需求向整个体系结构的转化。模块视图：描述了如何将系统划分成模块并将模块组织成层。执行视图：描述了系统的动态元素以及它们之间的交互。代码视图：描述了源代码的组织结构。在这个视图的定义里，它更能清晰地划分开几个不同层面的考虑因素。采用作者们在最早的论文里提到的示例：

从表格的右边里，我们就可以直接对应到系统所需要的每个层面的设计因素，如编程语言等元素放在代码架构上。换句话说，在微服务、单体架构下，都能找到自己合适的位置。

概念的最后：描述模型的类型系统最后，为了保证本文在概念上的完整性，我们还需要一种方式来描述这个系统中的模型和一系列的概念，从形式上来说，它是一个类型系统。如我们在 UML 中所表示的（PlantUML 表示方式）：

class Architecture {
    Component[] components
    System[] subSystems
    Relation[] relations
    ArchStyle archStyle
    Rule[] archRules
    ...
}

一个用来描述类型的系统，就是一个类型系统，和编程语言里的类型是等同的。它可以用来解释一系列的概念，以及概念之间如何连接。

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代码小浣熊是基于商汤大语言模型的软件智能研发助手，覆盖软件需求分析、架构设计、代码编写、软件测试等环节

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顺带一提，如果我们把编程语言看作是一个系统，那么我们就会发现其在设计上的有趣之处。类型系统与结构体（或者类）可以用于构建系统中的概念，一个个的表达式则是用于构建概念之间的关系。

建模对于概念来说，哪怕是有了如此多丰富的展开，要做一个小结也并非一件容易的事情。更何况于模型而言，它是数值上的标准化，一种接近于通用的模型形态。

设计：第一个版本的架构模型所以，我的第一个尝试是从《面向模式的软件架构》的定义下手：

class SystemArchitecture(val archStyle: ArchitectureStyle, val subSystem: List<subsystem>, var components: List<archcomponent>, val connections: List<archconnection>)

示例：对于一个系统来说，它存在一个主的架构模式，如微服务架构。而在每个微服务相当于是一个子系统或者说组件。当然了，一个子系统可以包含多个微服务。而对于个组件来说，它包含了输入和输出，以及一系列的计算逻辑。所以，它的一个模型可能是这样的：

class ArchComponent(val name: String, val type: ArchComponentType, val inbounds: List<string>, val outbound: List<string>, val components: List<archcomponent>)

而麻烦的一点在于，组件是动态的，组件之间是存在关系的，组件内部也存在关系。所以，我们还需要考虑如何表示组件间的关系？

class Connection(val connectors: String, val source: String, val target: String, var connectionType: ConnectionType, val connectorStyles: ConnectorStyle)

所以，如果以宽泛的定义来看，组件其实是树形结构的。同样的，对于架构来说，这种 Connection 也是存在的。根据上面的一系列形态展开，我们就能得到一个初始版本的架构模型。

更多模型相关内容，详见 ArchGuard Scanner 中的初始版本 Architecture.kt。

实现思路：生成架构模型ArchGuard 中的模型是通过代码来生成的。在这种业务场景下，在构建模型的时候，需要平衡设计与实现。由此，基于代码分析的视图方式更适用我们。从代码和依赖中，我们可以：

基于目录结构分析出分层关系，进而得到代码的结构视图。分析依赖管理工具，进而得到一个模块的视图。分析依赖的软件，如 Spring、Dubbo 等，进而得到一个执行的视图。分析软件中的模型，进而得到概念视图。结合之下，我们就能构建出一个更完整的架构模型。

实现：放弃第一个版本的模型设计挺美好的，但是当我开始写第一行代码的时候，发现不对劲了：我们有了一个分析的模型，但是输入呢？

仅从项目的分析来说，我们拿到的只是一个代码仓库的代码。一个代码仓库可能是一个模块，一个系统，又或者是一个服务。所以，我们的输入是什么？基于已有的分析情况，如项目依赖（依赖管理工具）、源码结构、语言等？我们缺少构建一个项目所需要的上下文。

我们从源码所能分析到的内容如下所示：

data class PotentialExecArch(var protocols: List<string> = listOf(), var appTypes: List<string> = listOf(), var connectorTypes: List<connectortype> = listOf(), var coreStacks: List<string> = listOf(), var concepts: List<codedatastruct> = listOf())

对应的一些分析细节：

协议信息。解析源码和 Gradle、Maven、NPM 中的依赖信息，如含 Dubbo 就视为带 RPC；如带 java.io.File 就认为带 FileIO应用类型。解析依赖信息，如包含 clikt 就视为 Kotlin 的 CLI 应用。连接类型。同上核心技术栈。根据依赖类型分析。概念模型。需要先分析潜在的分层架构模型，根据分层架构模型，就能得到概念集。当然了，这部分代码还没写完，如果有兴趣，也欢迎来加入我们。

多种架构模型于是，在 ArchGuard 的背景下，“架构”的架构模型有多种形态的:

扫描形态下的架构模型（对应到 ArchGuard Scanner）。即，从各个项目的源码中得到的架构模型，从源码、依赖、数据库等中计算出来。分析形态下的架构模型（对应到 ArchGuard Backend）。基于分析形态下的架构模型，构建出包含架构相关知识的架构模型。展示形态下的架构模型（对应到 ArchGuard Frontend）。结合可视化的知识，展示出对应的架构模型。每一个模型都是在上一步的基础上添加了领域知识，那么什么是领域知识呢？如何做好架构？

小结：挑战模型，一个开始，它需要不断地演进才能适用需要。而有了一个凑合能用的模型，只是这一系列工作的开始，我们还会遇到一系列的挑战。

描绘目标架构系统中的架构反应的只是现状，如何去描述未来的架构，并将两者进行匹配，又是一个非常有意思的话题。

衡量变化性我们还将面临的另外一个问题是，软件架构并非是不变的。

软件只要一直在开发，就会以细微地方式变化着。从宏观的层面来说，尽可能架构师都在努力地不去大范围地变动结构。而我们需要面对于这些挑战，诸如于基础设施变化，而这种变化带来的是临时性的中间状态。

如何去表示这种临时性的中间状态，就变得更加有意思。

在这里只开始了迈出了第一步，如果大家有兴趣，欢迎来 ArchGuard 为技术建模。

参考资料《整洁架构之道》《架构之美》《软件架构：架构模式、特征及实践指南》《面向模式的软件架构 卷 1：模式系统》《实用软件体系结构》《Software Architecture in Industrial Applications》《Architectural Blueprints—The “4+1” View Model of Software Architecture》

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