摘要：软件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、质量和软件的重用性都有直接的影响。管道/过滤器模式是一种面向数据流风格的软件体系结构，本文以后方交换型的ATM系统为例说明了基于这种体系结构的软件系统的设计方法，最后还分析了基于管道/过滤器模式软件结构的优缺点，以供软件设计人员借鉴。
论文关键词：ATM系统,软件体系结构,数据流风格,管道/过滤器
常见的主要软件体系结构设计风格有数据流风格、调用/返回风格、独立组件风格、虚拟机风格、仓库风格等五种[2]。其中，“数据流风格”的软件体系结构是一种最常见，结构最为简单的结构。这样的结构体系下，所有的数据按照流的形式在执行过程中前进，不存在结构的反复和重构，就像玩具工厂中的流水线一样，数据就像玩具零部件一样在流水线的各个节点上流动，最终输出所需要的结果（一个完整的玩具）。在流动过程中，数据经过序列间的数据处理组件进行处理，然后将处理结果向后传送，最后进行输出。
管道/过滤器模式是一种常见的数据流风格。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，这种连接者被称为“管道”。
在这种模型中，过滤器必须是独立的实体，其内部状态不受其它过滤器的影响。模型中有三种不同形式的数据流，分别是单向流水，非顺序流水和回流（见图1）。其中：单向流水表示了一种按加工顺序的正向的流水方式，是最常见的，最直观的数据流方式；非顺序流水交换了其中若干过滤器的顺序，这些过滤器间的处理顺序不重要；回流表示了一种回返方式，某些结果数据可能经由一些管道回流，进行再处理，表示数据处理的重复迭代过程。
图1 管道/过滤器的形式
管道/过滤器模式的体系结构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。
下面举一个ATM系统的例子说明管道/过滤器模式的应用与实现。
ATM系统有不同的系统结构，同其他的电子银行系统[3,4,5]一样，根据交换中心在系统中的不同位置，可将ATM系统结构分为以下类型（图2）:
后方交换型——成员行拥有自己的ATM终端，交换中心位于各成员行主机之后；
前方交换型——成员行共享ATM终端，交换中心位于各成员行主机和ATM终端之间；
复合型——既含前方交换型又含后方交换型的系统结构。
ATM系统采用不同类型的系统结构，将导致不同的数据流处理流程。实际上 ATM系统中的数据流处理分为后方交换型与前方交换型这两种方式。在后方交换型的系统中，各成员行拥有自己独立的ATM终端，存在行内交易和跨行交易，不仅需要交换中心来分配交易信息，还需要通过中央银行实行资金清算，数据流处理较为复杂，而前方交换型系统中，因各成员行共享ATM终端，不存在跨行交易的，数据流处理较为简单。
本文主要分析后方交换型的ATM系统，可以应用“数据流风格”的管道/过滤器体系结构建模，将这个系统分为4个过滤器，分别为持卡人信息处理过滤器、代理行账务处理过滤器、发卡行交易授权和账务处理过滤器、交易数据分配过滤器、以及资金清算过滤器，每个过滤器都拥有一个数据处理中心、一个数据输入接口和一个数据输出接口。
图2 (a)后方交换型系统结构 (b)前方交换型系统结构
在管道/过滤器模式下的整个后方交换型ATM系统的体系结构如图3所示。在这种体系结构中，持卡人数据信息主要包括持卡人的卡号、PIN、交易类型和金额。持卡人信息处理过滤器主要负责接收并确认持卡人数据信息，如确认其卡号和密码的真实性、交易金额的正确性等，并形成请求交易信息，经管道流入代理行账务处理过滤器。该过滤器主要负责对这些请求交易信息辨别和分类，如：将请求交易信息中的卡号数据分为两大类，一类为本行卡号、另一类为他行卡号，属于本行卡号的相关持卡人交易信息将被截留在代理行账务处理
图3 后方交换型ATM系统的体系结构
过滤器中实行相应的账务处理，其处理结果经由管道回流至持卡人信息处理过滤器中，由持卡人信息处理过滤器向持卡人输出现金、卡、单据或查询结果；
属于他行卡号的相关持卡人交易信息将经由管道流入交易数据分配过滤器中。该过滤器主要负责将非代理行卡号的交易信息按照各自的归属行（即发卡行）再次分类，分类后的交易信息将经由管道流入各自对应的发卡行交易授权和账务处理过滤器中。该过滤器主要负责审核流入的交易信息的真实性和有效性，如：是否为仿造卡或过期卡等。审核通过之后，过滤器将依据流入的交易信息产生相应的授权对应代理行账务处理的信息，这些授权信息将经由管道回流至交易数据分配过滤器。此过滤器负责将这些授权信息按照对应代理行对号入座，再经由管道让这些授权信息回流至代理行账务处理过滤器中，此时，代理行账务处理过滤器将按照授权进行代理账务处理，处理结果经由管道回流至持卡人信息处理过滤器中，由持卡人信息处理过滤器向持卡人输出现金、卡、单据或查询结果。另外，交易数据分配过滤器在接收到交易授权信息时，还要将这些授权信息同时分配到资金清算过滤器中，由此过滤器完成代理行和发卡行之间的账务清算和各种交易费用的计费处理，并将清算结果和处理结果经管道回流至交易数据分配过滤器中，分别分配给相应的代理行和发卡行，完成资金清算。
很显然，上述根据管道/过滤器模式所设计的面向数据流风格的软件体系结构完全体现了ATM系统内部数据流的流动与被加工的过程，结构清晰，功能划分明确，是非常易于理解和实现的。管道/过滤器模式既有优点，也有缺点。其优点在于：
(1)根据数据流处理过程将系统功能分解为若干过滤器行为的写作，将问题化繁为简。
(2)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。
(3)整个系统易于维护和升级，可以很方便用新过滤器替代某旧过滤器。
(4)可以支持若干互相独立的过滤器并发执行。
这种结构模式也存在某些缺点：
(1)交互式处理能力弱：管道/过滤器模型适于数据流的处理和变换，不适合为与用户交互频繁的系统建模。（ATM系统并不是一个与用户交互频繁的系统）
(2)有的系统中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。
总之，数据流风格软件体系最大的特点在于简单独立的结构，这就造就了其简便易用的优势以及不够丰富灵活的弱点。数据流风格是一种很基础的软件体系结构风格。
参考文献
【1】张友生，《软件体系结构》，北京：清华大学出版社，2005年
【2】Mary Shaw，David Garlan，《Software Architecture》，美国：Prentice Hall，2001年
【3】孟祥瑞，《网上支付与电子银行》，上海：华东理工大学出版社，2009年
【4】张卓其,《电子银行》，北京：高等教育出版社，2008年
【5】帅青红,夏军飞，《网上支付与电子银行》，沈阳：东北财经大学出版社，2007年
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