管道-過濾器模式各種定義

許多學(xué)者提出了自己的概念與定義,以下將介紹3個(gè)具有代表性的定義:

定義1.Bucshmann & Meunier 定義:過濾器和管道體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格為處理數(shù)據(jù)流的系統(tǒng)提供了一種結(jié)構(gòu)。每個(gè)處理步驟封裝在一個(gè)過濾器組件中。數(shù)據(jù)通過相鄰過濾器之間的管道傳輸。重組過濾器可以建立相關(guān)系統(tǒng)族。

定義2.Shaw & Garlan定義: 管道和過濾器體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格中的每個(gè)過濾器有一組輸入端和輸出端。一個(gè)過濾器從輸入端讀取數(shù)據(jù)流,通過本地轉(zhuǎn)換和漸增計(jì)算,向輸出端輸出數(shù)據(jù)流。管道充當(dāng)數(shù)據(jù)流的通道,將一個(gè)過濾器的輸出端連接到另一個(gè)過濾器的輸入端。

定義3. 信息管理系列委員會(huì)定義:在管道和過濾器軟件體系結(jié)構(gòu)中,每個(gè)模塊都有一組輸入和一組輸出。每個(gè)模塊從它的輸入端接收輸入數(shù)據(jù)流,在其內(nèi)部經(jīng)過處理后,按照標(biāo)準(zhǔn)的順序,將結(jié)果數(shù)據(jù)流送到輸出端,以達(dá)到傳遞一組完整的計(jì)算結(jié)果實(shí)例的目的。通常情況下,可以通過對(duì)輸入數(shù)據(jù)流進(jìn)行局部變換,并采用漸增式計(jì)算方法,在未處理完所有輸入數(shù)據(jù)以前,就可以產(chǎn)生部分計(jì)算結(jié)果,并將其送到輸出端口(類似于流水線結(jié)構(gòu))。因此,稱這種模塊為“過濾器“。在這種結(jié)構(gòu)中,各模塊之間的連接器充當(dāng)了數(shù)據(jù)流的導(dǎo)管,將一個(gè)過濾器的輸出傳到下一個(gè)過濾器的輸入端。所以,這種連接器稱為“管道”。

比較上述各種管道和過濾器體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格的定義可以發(fā)現(xiàn):定義1和定義3都強(qiáng)調(diào)了管道和過濾器體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格是由管道和過濾器構(gòu)成,即從構(gòu)造的角度來審視該模式。而定義3側(cè)重于從管道和過濾器的功能角度來考慮管道和過濾器體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格。盡管各種定義都從不同的角度關(guān)注管道和過濾器體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格,但都涵蓋了如下一些實(shí)體:管道,過濾器,管道和過濾器的功能以及管道和過濾器構(gòu)成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些形式各異的定義給管道一過濾器的設(shè)計(jì)者造成了極大的混亂,給理解和使用管道一過濾器帶來了很大的困難。

20世紀(jì)07年代初,UNIX第1版的設(shè)計(jì)者DougMcIlory等首次提出了管道-過濾器的概念并將其應(yīng)用于UNIX最初版本當(dāng)中。在UNIX中,管道是將一個(gè)命令的標(biāo)準(zhǔn)輸出連接到后一個(gè)命令標(biāo)準(zhǔn)輸入的命令字符,過濾器則是管道字符所連接的命令。

20世紀(jì)70年代中后期到90年代初,管道一過濾器有了一定的發(fā)展:在UNIX系統(tǒng)中采用管道一過濾器的情況比較多,UNxI這樣支持這種方式的編程:它既提供一種符號(hào),以連接各組成部分(UNIX進(jìn)程)又提供某種進(jìn)程運(yùn)行式機(jī)制以實(shí)現(xiàn)管道;Brina W.Kernighan和P.JPluager曾探討管道-過濾器在程序設(shè)計(jì)中的應(yīng)用;J.C.Browne,M.Azam,S.Sobek和G.Kahn在并行程序中引入了管道-過濾器;M.R.Barbacci等在分布式系統(tǒng)應(yīng)用了管道-過濾器。

90年代以后,軟件體系結(jié)構(gòu)成為軟件工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格逐漸成為人們專注的研究領(lǐng)域。1996年,Frank Buschmann等提出了管道-過濾器體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格的概念。同年,Mary Shwa和David Garlany也提到了相同的概念。至此,管道一過濾器結(jié)構(gòu)風(fēng)格作為一個(gè)明確的概念出現(xiàn)在軟件系統(tǒng)的開發(fā)中。

縱觀管道-過濾器發(fā)展過程,從最初的面向數(shù)據(jù)流的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法到現(xiàn)行的軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格,可以認(rèn)為經(jīng)歷了3個(gè)階段:(1)萌芽階段:出現(xiàn)了管道-過濾器的概念,并首次應(yīng)用于UNIX當(dāng)中;(2)初級(jí)階段:在不同領(lǐng)域?qū)艿?過濾器的探討,嘗試和運(yùn)用;(3)高級(jí)階段:管道-過濾器上升為描述軟件系統(tǒng)高層抽象結(jié)構(gòu)的體系風(fēng)格。

1 過濾器

過濾器按照對(duì)流經(jīng)它的數(shù)據(jù)操作的不同,可分為3類過濾器:輸入過濾器,處理過濾器和輸出過濾器。下面將對(duì)這三類過濾器進(jìn)行介紹。

(1)輸入過濾器

輸入過濾器處在問題所在的外部世界與軟件系統(tǒng)的邊界處,是系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的源點(diǎn)。它負(fù)責(zé)接收外界信息并轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)流。

(2)處理過濾器

處理過濾器是系統(tǒng)內(nèi)變換數(shù)據(jù)流的部件,它有一個(gè)入口和一個(gè)出口,數(shù)據(jù)經(jīng)入口流入,經(jīng)過處理過濾器內(nèi)部處理之后從出口流出。

(3)輸出過濾器

從建立完備的,首尾一致的可重用的軟件部件組的角度出發(fā),正如輸入過濾器是系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的起點(diǎn),那么輸出過濾器是數(shù)據(jù)流的終點(diǎn)。

過濾器的實(shí)現(xiàn)還須滿足以下三條基本原理:

隨后的處理單元從過濾器中拉出輸出數(shù)據(jù);

前面的處理單元把新的輸入數(shù)據(jù)壓入過濾器;

過濾器以循環(huán)工作的方式,從流水線中拉出其輸入數(shù)據(jù)并且將其輸出數(shù)據(jù)壓入流水線。過濾器按照以上三種情況可分為兩類:主動(dòng)過濾器和被動(dòng)過濾器。滿足前兩種情況的過濾器稱為被動(dòng)過濾器,滿足最后一種情況的過濾器稱為主動(dòng)過濾器。

2 管道

管道作為過濾器之間數(shù)據(jù)流動(dòng)的通道的軟件部件,它的主要功能是連接各個(gè)過濾器,充當(dāng)過濾器之間數(shù)據(jù)流的通道。管道具有數(shù)據(jù)緩沖以及提高過濾器之間的并行性操作的作用。管道由數(shù)據(jù)緩沖區(qū),向數(shù)據(jù)緩沖區(qū)讀和寫數(shù)據(jù),判斷管道為空或已滿等操作定義組成.

(1)管道-過濾器模型有如下的優(yōu)點(diǎn): 設(shè)計(jì)人員將整個(gè)系統(tǒng)的輸入輸出行為理解為單個(gè)過濾器行為的疊加與組合。這樣可以將問題分解,化繁為簡。

(2)任何兩個(gè)過濾器,只要它們之間傳送的數(shù)據(jù)遵守共同的規(guī)約就可以相連接。每個(gè)過濾器都有自己獨(dú)立的輸入輸出接口,如果過濾器間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)遵守其規(guī)約,只要用管道將它們連接就可以正常工作。?

(3)整個(gè)系統(tǒng)易于維護(hù)和升級(jí):舊的過濾器可以被替代,新的過濾器可以添加到已有的系統(tǒng)上。軟件的易于維護(hù)和升級(jí)是衡量軟件系統(tǒng)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,在管道-過濾器模型中,只 要遵守輸入輸出數(shù)據(jù)規(guī)約,任何一個(gè)過濾器都可以被另一個(gè)新的過濾器代替,同時(shí)為增強(qiáng)程序功能,可以添加新的過濾器。這樣,系統(tǒng)的可維護(hù)性和可升級(jí)性得到了保證。

(4)支持并發(fā)執(zhí)行:每個(gè)過濾器作為一個(gè)單獨(dú)的執(zhí)行任務(wù), 可以與其它過濾器并發(fā)執(zhí)行。過濾器的執(zhí)行是獨(dú)立的,不依賴于其它過濾器的。?

面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)就是應(yīng)用面向?qū)ο蟮姆椒ń⑾到y(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。其主要思想是:對(duì)問題域中客觀存在的各項(xiàng)事物 建立相應(yīng)的對(duì)象,對(duì)象的屬性與方法分別描述事物的靜態(tài)特征與動(dòng)態(tài)行為,對(duì)象間的交互通過對(duì)其方法的調(diào)用進(jìn)行。面向?qū)ο蠓椒ǖ膬?yōu)點(diǎn)是它封裝了對(duì)象的屬性和行為,實(shí)現(xiàn)了“信息隱蔽”。同時(shí),對(duì)象內(nèi)部行為的修改不影響外部對(duì)它的調(diào)用。

面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)的一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是:當(dāng)一個(gè)對(duì)象通過過程調(diào)用與其它對(duì)象交互時(shí),它必須知道其它對(duì)象的標(biāo)識(shí)。而當(dāng)一個(gè)對(duì)象的標(biāo)識(shí)改變時(shí),需要對(duì)所有調(diào)用這一方法的對(duì)象進(jìn)行修改。而在管道(過濾器這種體系結(jié)構(gòu)中,過濾器與其它過濾器相連接時(shí)不必知道系統(tǒng)中的其它過濾器。而且當(dāng)某個(gè)過濾器發(fā)生改變時(shí),不需要對(duì)其他過濾器進(jìn)行改動(dòng)。

在實(shí)際應(yīng)用中,可以將這兩種體系結(jié)構(gòu)結(jié)合起來。例如,先按照管道(過濾器的思想建立系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),然后應(yīng)用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過濾器及管道。

在管道和過濾器軟件體系結(jié)構(gòu)中,每個(gè)模塊都有一組輸入和一組輸出。每個(gè)模塊從它的輸入端接收輸入數(shù)據(jù)流,在其內(nèi)部經(jīng)過處理后,按照標(biāo)準(zhǔn)的順序,將結(jié)果數(shù)據(jù)流送到輸出端,以達(dá)到傳遞一組完整的計(jì)算結(jié)果實(shí)例的目的。通常情況下,可以通過對(duì)輸入數(shù)據(jù)流進(jìn)行局部變換,并采用漸進(jìn)式計(jì)算方法,在未處理完所有輸入數(shù)據(jù)以前,就可以產(chǎn)生部分計(jì)算結(jié)果,并將其送到輸出端口(類似于流水線結(jié)構(gòu))。因此,稱這種模塊為“過濾器”。在這種結(jié)構(gòu)中,各模塊之間的連接器充當(dāng)了數(shù)據(jù)流的導(dǎo)管,將一個(gè)過濾器的輸出傳到下一個(gè)過濾器的輸入端。所以,這種連接器稱為“管道”。

一個(gè)典型的管道/過濾器體系結(jié)構(gòu)的例子是以Unix shell編寫的程序。Unix既提供一種符號(hào),以連接各組成部分(Unix的進(jìn)程),又提供某種進(jìn)程運(yùn)行時(shí)機(jī)制以實(shí)現(xiàn)管道。另一個(gè)著名的例子是傳統(tǒng)的編譯器。傳統(tǒng)的編譯器一直被認(rèn)為是一種管道系統(tǒng),在該系統(tǒng)中,一個(gè)階段(包括詞法分析、語法分析、語義分析和代碼生成)的輸出是另一個(gè)階段的輸入。

管道/過濾器體系結(jié)構(gòu)具有許多很好的特點(diǎn):

(1)使得軟構(gòu)件具有良好的隱蔽性和高內(nèi)聚、低禍合的特點(diǎn);

(2)允許設(shè)計(jì)者將整個(gè)系統(tǒng)的輸入/輸出行為看成是多個(gè)過濾器的行為的簡單合成;

(3)支持軟件重用。重要提供適合在兩個(gè)過濾器之間傳送的數(shù)據(jù),任何兩個(gè)過濾器都可被連接起來;

(4)系統(tǒng)維護(hù)和增強(qiáng)系統(tǒng)性能簡單。新的過濾器可以添加到現(xiàn)有系統(tǒng)中來;舊的可以被改進(jìn)的過濾器替換掉;

(5)允許對(duì)一些如吞吐量、死鎖等屬性的分析;

(6)支持并行執(zhí)行。每個(gè)過濾器是作為一個(gè)單獨(dú)的任務(wù)完成,因此可與其它任務(wù)并行執(zhí)行;

但是,這樣的系統(tǒng)也存在著若干不利因素:

(1)通常導(dǎo)致進(jìn)程成為批處理的結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)殡m然過濾器可增量式地處理數(shù)據(jù),但它們是獨(dú)立的,所以設(shè)計(jì)者必須將每個(gè)過濾器看成一個(gè)完整的從輸入到輸出的轉(zhuǎn)換。

(2)不適合處理交互的應(yīng)用。當(dāng)需要增量地顯示改變時(shí),這個(gè)問題尤為嚴(yán)重。

(3)因?yàn)樵跀?shù)據(jù)傳輸上沒有通用的標(biāo)準(zhǔn),每個(gè)過濾器都增加了解析和合成數(shù)據(jù)的工作,這樣就導(dǎo)致了系統(tǒng)性能下降,并增加了編寫過濾器的復(fù)雜性。綜合分析現(xiàn)有管道一過濾器體系結(jié)構(gòu)的研究成果,可以發(fā)現(xiàn)管道一過濾器體系結(jié)構(gòu)沒有給出管道和過濾器如何組裝以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的方法,也沒有給出過濾器通過管道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?而且對(duì)過濾器和管道各自內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有清晰的描述,因此可以認(rèn)為管道一過濾器體系結(jié)構(gòu)沒有深入對(duì)管道一過濾器本質(zhì)進(jìn)行揭示。

Web Service Enhancements 1.0 for Microsoft.NET(WSE)是一個(gè)類庫,用于實(shí)現(xiàn)高級(jí)Web服務(wù)協(xié)議。WSE的體系結(jié)構(gòu)模型基于處理入站和出站SOAP消息的過濾器。過濾器可以與ASP.NET Web服務(wù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)集成在一起,也可以單獨(dú)使用。

WSE的功能包括向出站SOAI,消息寫入標(biāo)頭,從入站SOAP消息讀取標(biāo)頭;轉(zhuǎn)換SOAP消息正文。例如,按照WS-Security規(guī)范中定義的那樣加密出站消息正文和解密入站消息正文。在WSE中,這種功能通過過濾器來實(shí)現(xiàn)。輸出過濾器向消息寫入標(biāo)頭,輸入過濾器從消息讀取標(biāo)頭并檢查標(biāo)頭的有效性。此外輸出和輸入過濾器都可以轉(zhuǎn)換消息的內(nèi)容。

Web Service Enhancements (WSE)功能(主要)是通過使用處理入站和出站消息的過濾器來實(shí)現(xiàn)的。您可以單獨(dú)使用過濾器或者在管道中使用過濾器,也可以控制進(jìn)程中管道的默認(rèn)配置。還可以創(chuàng)建自定義過濾器,添加您需要的功能。

管道過濾器比較類型常用的主要有直通管道過濾器，T型管道過濾器，Y型管道過濾器，雙聯(lián)切換過濾器，以及籃式過濾器。

管道過濾器直通

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、占地面積??；不銹鋼過濾器過渡精度比傳統(tǒng)的??；過濾介質(zhì)強(qiáng)度大，不易碎，成本低；壽命長，無需更換；全自動(dòng)高壓反沖洗，效率高；清洗消耗水量低，節(jié)約能源；占地面積??；自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；直通管道過濾器只能按銘牌上面所標(biāo)示的額定電壓/頻率使用；每隔一段時(shí)間就應(yīng)對(duì)過濾器進(jìn)行保養(yǎng)。清洗及保養(yǎng)之前，請(qǐng)務(wù)必將自清洗過濾器電源斷開；請(qǐng)確保電線插頭不要在清洗是弄濕否則在重新接通電源前必須將插頭擦干；不能用濕手拔掉電源線插頭；直通管道過濾器只限于室內(nèi)水族箱中使用；如果過濾器損壞，特別是電源線損壞時(shí)不能使用；請(qǐng)確保自清洗過濾器在正確的水位中工作，過濾器不能在無水情況下使用；勿私自拆解或維修，以避免造成危險(xiǎn)或?qū)C(jī)體造成損壞，維修應(yīng)由專業(yè)人士來進(jìn)行。

管道過濾器籃式

過濾器是除去液體中少量固體顆粒的小型設(shè)備，可保護(hù)設(shè)備的正常工作，當(dāng)流體進(jìn)入置有一定規(guī)格濾網(wǎng)的濾筒后，其雜質(zhì)被阻擋，而清潔的濾液則由過濾器出口排出，當(dāng)需要清洗時(shí)，只要將可拆卸的濾筒取出，處理后重新裝入即可，因此，使用維護(hù)極為方便。

該過濾器是工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的管道附件，安裝在管道上能濾除流體中的固體雜質(zhì)，保證管線設(shè)備系統(tǒng)正常的運(yùn)行，可以使流體更加純凈，獲得理想的工業(yè)產(chǎn)品。使用一段時(shí)間后打開上蓋，取出像提籃子式的過濾網(wǎng)，一經(jīng)洗刷即可恢復(fù)如新，因此，在石油，化工，制藥，食品等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，深受用戶的青睞。

管道過濾器T型

該過濾采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼制造，內(nèi)筒為不銹鋼薄板沖孔成形濾筒，緊配絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，活節(jié)連接，拆卸清洗方便，適用于啤酒、CIP清洗液的過濾，可根據(jù)用戶實(shí)際使用情況，選用20-100目不銹鋼絲網(wǎng)配套。

管道過濾器是管道輸送液體過程中清除固體雜質(zhì)的設(shè)備。液體流經(jīng)過濾器時(shí)，其中的雜質(zhì)被濾出，可保護(hù)機(jī)泵、壓縮機(jī)、儀表和其它設(shè)備正常工作。當(dāng)需要清洗時(shí)，只要將可拆卸的濾筒取出，去除濾出的雜質(zhì)后，重新裝入即可，使用維護(hù)極為方便。

該設(shè)備具有占地少、水頭損失小、不加藥劑、操作簡單、使用壽命長、維護(hù)修理方便等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛運(yùn)用于各種敞開式、封閉式冷熱水系統(tǒng)，是避免系統(tǒng)堵塞和減輕水泵磨損，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的理想設(shè)備。

管道過濾器Y型

Y型過濾器是使用水力控制閥及精密的易堵塞的機(jī)械產(chǎn)品所必須具備的過濾設(shè)備。是輸送介質(zhì)的管道系列不可缺少的一種裝置，通常安裝于水力控制閥、減壓閥、泄壓閥、定水位閥等設(shè)備的進(jìn)口端，用來消除介質(zhì)中的雜質(zhì)，防止顆粒性雜質(zhì)進(jìn)入通道，造成堵塞，以保護(hù)設(shè)備管道上的配件免受磨損和堵塞

管道過濾器雙聯(lián)

1：并聯(lián)過濾器簡介：

流入方式：頂入或者側(cè)入底出

過濾面積（平方）：0.5*2

最高流量(m3/h)：80

濾器容積：（litre）：32*2

設(shè)計(jì)壓力(MPa)：10

標(biāo)準(zhǔn)連接（進(jìn)出口）：2"國際法蘭

材質(zhì) :SUS304 、SUS316、SUS316L。

2：串聯(lián)過濾器簡介：

流入方式：頂入或者側(cè)入 底出

過濾面積（平方）：0.5

最高流量(m3/h)：40

濾器容積：（litre）：32

設(shè)計(jì)壓力(MPa)：10

標(biāo)準(zhǔn)連接（進(jìn)出口）：2"國際法蘭

材質(zhì) :SUS304 、SUS316、SUS316L。

特點(diǎn)介紹

過濾器內(nèi)部由沖孔板制作的網(wǎng)籃支撐著液體過濾袋，液體由進(jìn)水口流入，經(jīng)液體過濾袋過濾后流出，雜質(zhì)則被攔截在液體過濾袋當(dāng)中，過濾袋可更換或清洗。是由二個(gè)圓柱體組成，內(nèi)、外表面拋光，頂部裝有壓力表、排氣閥，管道接頭采用脹合連接，經(jīng)1.0MPa水壓試驗(yàn)，三通外螺紋旋塞啟閉靈活，該設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，維修簡單。兩只過濾器交替使用，可在不停機(jī)的情況下更換過濾袋，適于長期連續(xù)生產(chǎn)。

管道過濾器主要由接管、筒體、濾籃、法蘭、法蘭蓋及緊固件等組成。安裝在管道上能除去流體中的較大固體雜質(zhì)，使機(jī)器設(shè)備（包括壓縮機(jī)、泵等）、儀表能正常工作和運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到穩(wěn)定工藝過程，保障安全生產(chǎn)的作用。

該過濾采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼制造，內(nèi)筒為不銹鋼薄板沖孔成形濾筒，緊配絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，活節(jié)連接，拆卸清洗方便，適用于啤酒、CIP清洗液的過濾，可根據(jù)用戶實(shí)際使用情況，選用20-100目不銹鋼絲網(wǎng)配套。

管道過濾器是管道輸送液體過程中清除固體雜質(zhì)的設(shè)備。液體流經(jīng)過濾器時(shí)，其中的雜質(zhì)被濾出，可保護(hù)機(jī)泵、壓縮機(jī)、儀表和其它設(shè)備正常工作。當(dāng)需要清洗時(shí)，只要將可拆卸的濾筒取出，去除濾出的雜質(zhì)后，重新裝入即可，使用維護(hù)極為方便。