Arquitetura e Engenharia de Software são diferentes disciplinas? Uma visão ampliada do papel do arquiteto de software.

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1 Arquitetura e Engenharia de Software são diferentes disciplinas? Uma visão ampliada do papel do arquiteto de software Jair C Leite DIMAp/UFRN jair@dimap.ufrn.br Objetivos Provocar reflexão sobre a perspectiva atual A arquitetura de software é parte do processo de engenharia de software O arquiteto de software tem formação em computação e/ou engenharia As visões arquiteturais ainda são limitadas Falta, no processo de desenvolvimento, a atividade de... conceber, modelar e avaliar... o software como um produto, com forma e função, útil e utilizável. Qual o papel do arquiteto de software nesta perspectiva?

2 Roteiro Parte I Escopo predominante arquitetura de software Parte II O escopo atual é suficiente? O que podemos aprender com outras áreas? Parte III O que é software? Parte IV Contribuições para um escopo ampliado Parte V Propostas, desafios e limitações Parte I - Escopo atual Escopo atual da engenharia e arquitetura de software Conceitos e definições Pequeno histórico Visões arquiteturais

3 Engenharia de software definição A aplicação de ciência e matemática de forma a fazer as propriedades do software úteis para as pessoas Inclui ciência da computação e as ciências que fazem coisas úteis para pessoas Ciências do comportamento, economia e ciências administrativas Barry Boehm - A View of 20th and 21st Century Software Engineering ICSE 2006 Keynote Address Arquitetura e design na ES Tradicionalmente na engenharia de software, usa-se os termos Design arquitetural Design detalhado No modelo cascata eles são fases do processo No modelo RUP eles são disciplinas que ocorrem em várias fases Arquitetura, normalmente, designa o produto Design, normalmente, designa a atividade

4 Modelo Cascata Etapa ou fase de design. O software é dividido em unidades, implementado, testado e integrado. Design arquitetural e detalhado. Ian Sommerville - Software Engineering, 2004 RUP - Processo Unificado da IBM/Rational O RUP propõe um processo centralizado na arquitetura. Análise e design da arquitetura são atividades conjuntas Uso da UML e visões 4+1

5 Rápido histórico da arquitetura de software Visão tradicional Conceitos e elementos de abstração Conceito de Sub-sistema e Módulos Arquitetura nos Métodos Estruturados Arquitetura nos Métodos Orientados-a-Objetos Visão atual Disciplina emergente [Shaw e Garlan] Estilo arquiteturais Padrões de Design e Frameworks Desenvolvimento Baseado em Componentes Visões Arquiteturais Linguagens de Descrição Arquitetural (ADL) Arquitetura de Software nos Métodos Estruturados Objetivos: Visão abstrata em termos de módulos e funções/procedimentos Diminuir complexidade e facilitar manutenção Princípios: Dividir-e-conquistar Escondendo-informação Independência Funcional Alta coesão e baixo acoplamento Técnicas Decomposição Funcional Refinamento sucessivo (passo-a-passo) Representação Diagramas de caixas e linhas Linguagens de descrição de módulos

6 Estilo de arquitetura A arquitetura básica é hierárquica: um programa principal decomposto em várias subrotinas ou funções Sub-rotinas podem ser agrupadas em módulos Sub-rotinas Forma de Interação: Chamada-de-função e passagem de parâmetros Métricas: Fan-in e Fan-out: mede o grau de dependência entre as subrotinas. Coesão e Acoplamento: uma boa arquitetura deve ter alta coesão e baixo acoplamento módulos Fan-in Fan-out Baixa coesão Alto acoplamento Alta coesão Baixo acoplamento Arquitetura de Software nos Métodos Orientados-a-Objetos Objetivos Agrupamento de dados e funções num único componente Visão abstrata em termos de classes/objetos e troca de mensagens Princípios: Independência Conceitual Encapsulamento Técnicas Identificação de objetos Herança Padrões de Projetos (Design Patterns) Agrupamento em sub-sistemas e módulos Representação UML: diagramas de classes, de seqüência, de colaboração e de estados

7 Exemplo Sistema estação meteorológica Sub-sistemas e módulos Fonte: Ian Sommerville, 2000 Arquitetura de Software visão emergente Objetivos Visão abstrata do software através de componentes e conectores e configurações Independência de plataforma e paradigma de programação Paradigma de desenvolvimento baseado em componentes Técnicas Estilos Arquiteturais Padrões de projetos (Design Patterns) Frameworks Visões arquiteturais Tecnologias CORBA,.NET, Java EE Representação Linguagens de Descrição Arquitetural

8 Arquitetura de software - definições Perry and Wolf, 1992:... seleção de elementos arquiteturais, suas interações e restrições, e as interações necessárias para prover um framework para satisfazer requisitos e servir de base para design (detalhado). Garlan, na essência de todas as definições está a definição de que a arquitetura descreve a estrutura de alto-nível do software. Bass, Clements, Kazman, 2005:... é a estrutura ou estruturas do sistema, que engloba os elementos do sistema, as propriedades deste elementos visíveis externamente, e os relacionamentos entre eles. O papel do arquiteto de software atualmente De acordo com o que vimos, o papel do arquiteto tem sido o de organizar a estrutura e o comportamento do software. A arquitetura funciona como ponte entre Requisitos Código Arquiteto de software Abstrações do software Código Requisitos JFrame frame = new JFrame( MyWindow");

9 Visões arquiteturais Separar diferentes aspectos em visões separadas com o objetivo de gerenciar complexidade. Cada visão descreve diferentes abstrações do software. Visões permitem reduzir a quantidade de informação que o arquiteto trata em um dado momento Muitos arquitetos de software tem usado as diferentes visões sem reconhecê-las como visões arquiteturais separadas. Visão de componentes, conectores e configurações Visão da organização do desenvolvimento (código) Visão da execução do software As 4+1 visões P. Krutchen Visão lógica Visão de desenvolvimento Stakeholders Funcionalidade Diagramas: Classes, Seqüência, Colaboração System integrators Desempenho Escalabilidade Visão de Casos de Uso Programadores Gerenciamento de configuração Diagramas: Pacotes, componentes Engenheiros de Sistema Topologia do Sistema Comunicação Diagramas: Atividades, Objetos Seqüência, Colaboração Visão de processos Diagramas: Implantação Visão de implantação

10 Visões arquiteturais (Hofmeister, 2000) Visões de Bass, Clements e Kazman Componentee-conector Decomposição Módulo Classes Clienteservidor Concorrência Processo Dados compartilhados Alocação Implantação Utilização Alocação de processos Implementação Camadas

11 As linguagens e visões Visões arquiteturais oferecem camadas de abstração Linguagens: ADL e estilos para a visão de componentes, conectores e configurações UML e padrões para visões de desenvolvimento, implementação e execução Requisitos Visões da arquitetura Código JFrame frame = new JFrame( MyWindow"); Reflexão????? Estamos fazendo a arquitetura de software correta? Arquiteto de software Estamos fazendo corretamente a arquitetura de software?

12 Parte II O escopo atual é suficiente? O que podemos aprender com outras áreas? Engenharia e arquitetura de construções Design de produtos Arquitetura e Engenharia Qual o papel da arquitetura e da engenharia... Na construção civil edifícios, pontes, estradas, etc.? Na indústria automobilística? Na indústria de eletrônicos televisores, tocadores de DVD, de CD, de MP3? Os papéis podem variar, mas algumas características comuns podem ser identificadas... É preciso que alguém idealize, defina e conceba o produto ou artefato de acordo com os requisitos É preciso que alguém execute e realize o que foi idealizado, definido e concebido.

13 Engenharia Aplicação de fundamentos científicos Processo sistemático de produção Gerenciamento de equipe de especialistas Viabilidade econômica, manutenção de custos e prazos Qualidade do processo e do produto Isso é o que ocorre também na engenharia de software! Arquitetura de construções As características que diferenciam o resultado do trabalho de um arquiteto de construções (...) são: A adequação da construção para ser utilizados por seres humanos (...) e adaptável para atividades particulares A estabilidade e a permanência da construção A comunicação da experiência e das idéias através das formas da construção (Enciclopédia Britânica)

14 Qualidades fundamentais na arquitetura Conceitos de Vitruvious: Firmitas - forte e durável estabilidade estrutural Utilitas - útil utilização apropriada do espaço Venustas - bela aparência e atração Podem ser aplicadas na arquitetura de software? O papel do arquiteto de construções De forma resumida, o trabalho de um arquiteto pode considerado em termos de: Materiais e componentes Espaços Experiências Dessa forma, o arquiteto tem preocupação com: Paredes, pisos, janelas, tetos, escadarias, etc. Ambientes: tamanho, iluminação, ventilação, etc As sensações de estar ou passar pelos diversos ambientes O arquiteto de software têm esse mesmo papel?

15 Design de produtos Aplicação consciente de princípios e técnicas Criação Manter os interesses humanos no centro do processo Conversação com materiais Comunicação Atividade social Tem conseqüências sociais T. Winograd Bringing Design to Software, Addison Wesley, 1996 O arquiteto de software tem essas preocupações? Ele tem formação adequada para o design? Limitações das analogias A natureza do software não é física, é conceitual O software é uma máquina abstrata que processa informações e toma decisões com base em instruções Indústria de software ainda é imatura e não está completamente estabelecida. A forma como um software é entregue (configuração e instalação) é diferente dos outros produtos. O que é software, afinal?

16 Parte III - O que é software? Um conjunto de instruções invisibilidade e abstrações Uma máquina conceitual software na mente Uma forma de comunicação software composto de signos e sistemas de signos Software tem forma e função beleza e experiência Como arquitetar algo com essas características? O Software é invisível? O software é invisível? Não completamente. Parte dele pode ser visto na interface de usuário. Software é apenas um conjunto de instruções? Não apenas isso. Ele é também uma máquina abstrata. O software é conceitual? Sim, ele faz sentido apenas na mente dos desenvolvedores e usuários

17 Software tem... forma e beleza... função e utilidade... Software é conceitual Ao interagir com qualquer sistema, uma pessoa possui um modelo conceitual do sistema: o que ele faz, quais os seus elementos e propriedades, como interagir, etc. O design conceitual diz respeito a elementos abstratos e funções conceitos e não a elementos de interface ou código fonte. Exemplos Visualizar documentos em janelas Armazenar documentos em pastas Mover pastas para a lixeira

18 Software como metáfora A metáfora associa o conhecimento e experiências anteriores dos usuários no mundo real com o software. Exemplo Metáfora desktop no Macintosh Conceitos em um editor de texto Margens da coluna e página Títulos Seção com 1 coluna estilo Seção com 2 colunas Parágrafos Seção com 2 colunas Legenda

19 Editor HTML Cabeçalho Tabela,1 linha, 2 colunas Tabela, 1 linha, 2 colunas Tabela, 3 linhas 2 colunas Parágrafos Imagem Software é comunicação Minha solução deve comunicar ao usuário o que ele pode fazer e como ele pode interagir. Através do processo de interação, eu estou interpretando a mensagem do arquiteto. Design Interação Arquiteto de software Software como mensagem interativa Usuário

20 A Engenharia Semiótica A Engenharia Semiótica é uma teoria de IHC na qual os sistemas computacionais são vistos como artefatos de metacomunicação, através do qual o designer envia uma mensagem para o usuário, cujo conteúdo é a funcionalidade (o que o usuário pode fazer) e a interatividade (como o usuário pode interagir) de Souza, Engenharia Semiótica, MIT Press, 2005 Exemplo da aplicação como mensagem Forneça o primeiro número: > 5.3 Você deveria fornecer apenas números inteiros! > 5 Forneça o segundo número: > 8 O resultado da subtração é -3.

21 Exemplo da aplicação como mensagem Valor de Venda: 5 Salário bruto: 5 Valor de Compra: 8 Descontos: 8 LUCRO: -3 Salário Líquido: -3 Parte IV - Precursores Contribuições para um escopo ampliado Arquitetura e Integridade conceitual (Fred Brooks) Engenharia e Arquitetura como metáforas para o desenvolvimento de software (Bryant e Coplien) Um manifesto para o design de software (M. Kapor) Web Design

22 A visão de Fred Brooks nos anos 70 Fred Brooks: Por arquitetura de um sistema, eu quero dizer a especificação completa e detalhada da interface de usuário. A arquitetura é a arte de determinar as necessidades do usuário e incluir considerações de engenharia para que o produto seja viável A ênfase do engenheiro é no processo de fabricação. O arquiteto é um agente do usuário e deve defender os seus interesses. O arquiteto é responsável pela integridade conceitual: facilidade de uso e unidade do projeto. Fred Brooks, The Mythical Man-Month, 1975 Engenharia e Arquitetura como metáfora de desenvolvimento Antony Bryant argumenta que optou-se por uma metáfora de engenharia para o desenvolvimento de software. Uma metáfora baseada na arquitetura seria mais interessante. Arquitetura é uma atividade sobre o relacionamento entre as partes de um sistema e... entre pessoas. (Coplien) Antony Bryant - It s Engineering Jim but not as we know it Software Engineering - solution to the software crisis, or part of the problem? ICSE, Limerick, Ireland, 2000 Coplien, J. Reevaluating the Architectural Metaphor: Toward Piecemeal Growth, IEEE Software, September/October, 1999.

23 Uma manifesto para o design de software Não é o mesmo que design da interface de usuário Exemplo: invenção da planilha eletrônica O trabalho do designer deve ser realizado em um estúdio O treinamento do designer deve considerar uma formação artística e em outras áreas do design Mitchell Kapor A software design manifesto, in Bringing Design to Software, T. Winograd, Web design No design de sistemas Web, é comum a colaboração de profissionais de Design gráfico Comunicação e Marketing Arquitetura da informação Notações de modelagem em Web design, como a WAE oferecem visões variadas Visão do usuário Visão do desenvolvedor Basdeado em :Jim Conallen - Web Application Extension Formulário 1 Programa1 Home page Programa2 Formulário 2 Dados

24 Parte V - Propostas Caminhos possíveis Limitações Desafios Uma visão ampliada da AS Integração das diferentes visões: Design conceitual Design de Interação Humano-Computador (IHC) e da Interface de Usuário (IU) Design de componentes, conectores e configurações (CCC) Design da organização do código Design dos elementos de execução (EE) A arquitetura deve dar suporte à experiência estética e funcional A arquitetura deve está em conformidade com a qualidade (requisitos não-funcionais).

25 Arquitetura de Software visão ampliada Arquitetando do software Design conceitual Design de CCC, Organização do código, Elementos de execução Design de IHC e IU Escopo ampliado das visões arquiteturais As visões arquiteturais atuais têm foco no estrutura e comportamento dos elementos internos: processos, objetos, componentes, conectores Elas apenas aumentam o nível de abstração do código Elas não consideram a forma do software e a visão do usuário O arquiteto não pode ignorar as visões externas Arquiteto de software Visão de componentes, conectores e configurações Visão da execução do software Visão da organização do desenvolvimento (código) Visão conceitual Visão da interação e da comunicação Usuário

26 Ciclo de negócio da arquitetura Negociação da solução Partes envolvidas Usuários Gerentes Marketing Cliente do software Mantenedor Organização de desenvolvimento Ambiente técnico Experiência do arquiteto Requisitos Modelos da arquitetura Desenvolvimento Novas possibilidades e experências Sistema Baseado em: Bass, Clements, Kazman, Software Architecture in Practice, Addison Wesley, 2005 Conhecimento e linguagem na arquitetura Cada visão arquitetural é elaborada com base em conhecimentos e linguagens de design Visão CCC Estilos Arquiteturais, Linguagens de Descrição Arquitetural (ADL) Visão de Elementos de Execução e de Organização de Código Padrões de Design, UML, frameworks,... Visão de IU e IHC Padrões de IU e de IHC, Storyboarding, Protótipos,... Visão Conceitual Metáforas, História, Experiência,

27 Desafios - integração entre linguagens Integração entre as linguagens visuais e abstratas Integração entre linguagens abstratas e ADLs e UML Construção de ferramentas CAD (Computer-aided design) Assistente Elementos da linguagem - 1 Padrões de interação e componentes de interface fazem parte da linguagem do arquiteto Interação por instrumento (modos do cursor) Navegação por abas A linguagem exerce o papel comunicativo Arquitetura comunica Como proposto pela Engenharia Semiótica Interação por instrumentos Navegação por abas

28 Elementos de linguagem - 2 Planta baixa para o layout Permite a visualização do que precisa ser codificado Pode ser utilizado por qualquer stakeholder. S. Ahmed, G. Ashraf / The Journal of Systems and Software 80 (2007) Novas linguagens A descrição visual da interface e dos padrões pode ser complementada por notações mais abstratas. S. Ahmed, G. Ashraf / The Journal of Systems and Software 80 (2007)

29 Ferramentas CAD para arquitetura - Studios Desafios - formação do arquiteto Não existe receita de bolo para a arquitetura. É criatividade baseada em conhecimento e experiência anteriores Conhecimento histórico de soluções boas e ruins É preciso estar antenado com tecnologias e tendências Arquitetura é uma atividade social É preciso discutir com usuários, clientes, pessoal de marketing Ferramentas comunitárias e colaborativas - por exemplo, Wiki

30 Desafios - padrões e modelos de referência Modelos Modelo Office, Modelo Web Diretrizes para software Macintosh, Windows,... Padrões Padrões de Interface e Interação Modelo de referência Modelos e padrões para as visões tradicionais continuam sendo importantes! Arquitetura de referência Arquitetura de software Padrão arquitetural Limitações Não são soluções completas Proposta de desafios Direcionamentos para pesquisa e inovação Aplicado a sistemas com interação e interfaces de usuário Conceito de visões é flexível Em outras situações, não precisamos de todas as visões arquiteturais.