ソフトウェア アーキテクチャとは

単純なことですが、ソフトウェアは直感的で使いやすく、技術的な目標やビジネス上の目標を達成できるように設計されている必要があります。しかし、バックエンドを深く掘り下げると、コンポーネントとプロセスが複雑に絡み合って、全てが連携して動作していることがわかります。ソフトウェア設計の難題を克服し、最大のメリットを得るには、事前に計画を立てることが重要です。

ここがソフトウェア アーキテクチャの出番です。ソフトウェア アーキテクチャとは、開発者がソフトウェア ソリューションを計画および構築する際に、包括的な視覚ガイドとして使用する一連の基本構造を指します。これらのフレームワークは、スケーラビリティ、再利用性、セキュリティなどの重要な機能を計画することで、プロジェクトが技術ニーズとビジネス ニーズを満たすことも保証します。これらの計画は、設計フェーズで個々のコンポーネントやコードに分割されます。

それでは、ソフトウェア アーキテクチャの概要、ソフトウェア アーキテクチャ設計、その多くのメリットとアプリケーションについて見ていきましょう。

ソフトウェア アーキテクチャの主要コンポーネント

基本的に、ソフトウェア アーキテクチャは、ソフトウェア コンポーネントと呼ばれる交換可能なビルド ブロックで構成されます。ソフトウェア コンポーネントは、パッケージ、アプリケーション、またはサービスの形で提供され、より大きなシステム フレームワークに接続できるデータを備えています。

これらのコンポーネントは、それぞれのプログラミング インターフェイスを介して相互に接続することもできます。あるインターフェイスから別のインターフェイスにデータを配信することで、コンポーネントは相互に通信し、関係、システム、またはシステムのグループを形成します。

アーキテクチャ スタイルは、これらのシステムがどのようにパターン化され、組織化され、相互に連携して使用されるかを定義するのに役立ち、ソフトウェア開発ライフサイクル (SDLC) 全体を通じて参照できる一貫した設計システムを形成します。これらのスタイルをテンプレート化することで、さまざまなアプリケーションやソリューションに再利用し、再適用できます。

優れたソフトウェア アーキテクチャのメリット

優れたソフトウェア アーキテクチャ設計は、組織に次のようなメリットをもたらします。

• アジャイルで繰返しの更新によって簡単にスケールアップやスケールダウンができます。

• コード品質を維持し、エラーを削減し、バグを見つけます。

• レガシー システムを最新化し、監査と IT コストを削減し、革新的な新しいカスタマー エクスペリエンスを構築します。

• 再利用性と自動化によって開発を合理化し、時間を節約して生産性を高めます。

• コストを削減し、市場投入までの時間を短縮し、顧客満足度を高めます。

• ソフトウェア全体のパフォーマンスを最適化します。

ソフトウェア アーキテクチャの課題

一方、ソフトウェア アーキテクチャの設計が不十分な場合は、次のような可能性があります。

• コンポーネント間のやり取りを効果的に管理することが困難になります。

• ソフトウェアが脆弱になり、セキュリティ リスクにさらされやすくなります。

• 初期投資のコストが高くなります。

• 過度に複雑で、過度に設計されたシステムになります。

• シナリオ、テクノロジー、必須要件の変化に柔軟に対応できません。

• パフォーマンスのボトルネックの原因になります。

• アーキテクト、開発者、ユーザー間でコミュニケーションの問題が発生します。

• アーキテクチャが古くなって保守が困難になり、インテグレーション機能の欠如につながります。

• アーキテクチャを大幅に変更しないと、スケールアップやスケールダウンが困難になります。

• 修正や保守を行うには、ソフトウェア チーム全体の専用スキルが必要になります。

一般的なアーキテクチャ パターン

モノリシック

モノリシック アーキテクチャは、アプリケーションを構成する全てのコンポーネント、サービス、機能を単一のコンテナに収容する従来のアーキテクチャ スタイルの一種であるため、コストが削減され、パフォーマンスが向上し、設計がシンプルになります。このコンテナでは、全てのコンポーネントがマージされます。つまり、同じコード ベースを共有し、単一の大きなファイルで管理、処理、デプロイされます。

モノリシック アプリケーションは、全体を 1 つのユニットとしてデプロイする必要があるため、コード ベースを更新したりコード ベースに機能を追加したりするには、アプリケーション全体を再デプロイする必要があります。これは、スケーラビリティの点で課題となります。そのため、モノリシック アーキテクチャ スタイルは、よりシンプルで汎用的なアプリケーションに最適です。

マイクロサービス

マイクロサービス アーキテクチャはモノリシック構造を採用し、これを小さく緩やかにバンドルされた分散サービスのコンテナ化されたコレクションに分割します。各サービスは自律的で、独自の個別のコード ベースや外部状態を持ち、システムのコンテキスト内で独自の責任を負いますが、他のサービスと通信することもできます。アプリケーションをより小さく分割することで、開発者はコードの更新、テスト、管理をより適切に行うことができます。

マイクロサービスは最新のアプリケーション開発の基礎と考えられており、ストリーミング サービスやライドシェア サービスなど、多くの主要なサービス指向アプリケーションで使用されています。

クライアント - サーバー

クライアント - サーバー パターンでは、ホストとも呼ばれるクライアントが、データ、アプリケーション、特定のサービス、またはその他のリソースのリクエストをリモート コンピューターまたはサーバーに送信します。次に、サーバーはリクエストを受け入れ、処理し、クライアントにリソースを返します。

このタイプのアーキテクチャ スタイルは、メール サービス、ウェブサイト、ファイル共有アプリケーション、またはコールアンドレスポンス モデルのメリットを受ける他のあらゆるタイプのサービスに最適です。

階層化

N 層とも呼ばれる階層化パターンは、アプリケーションを特定の機能を実行する階層に分割します。これらの階層は、その直下にある階層とのみ通信できます。たとえば、一般的なウェブ アプリケーションは、ユーザー インターフェイスまたはプレゼンテーション、ビジネス、アプリケーション、データベースの 4 つの階層で構成されます。この場合、プレゼンテーション層はビジネス層とのみやり取りでき、その逆はできません。

階層化アーキテクチャは、上下の階層に影響を与えずに、個々の階層を更新または修正できるため、開発、テスト、メンテナンスが簡単になります。これは、エンタープライズ アプリケーション、特に主要な e コマース アプリケーションの間で最も広く使用されているパターンです。

イベントドリブン

イベントドリブン アーキテクチャは、イベントの記録、配信、処理を中心にモデル化されます。ユーザーがアプリケーションでアクションやトリガーを実行すると、状態の変化を引き起こすことができます。システムは、分離されたサービスと通信することでほぼリアルタイムで認識します。フレームワークは、イベントをキャプチャするイベント プロデューサーと、イベントをコンシューマーに送信するイベント ルーターで構成されます。

イベントドリブン アーキテクチャは、ユーザーがサインアップ フォームに入力するときや、商品をカートに入れるときなど、ユーザーとのやり取りが頻繁に行われる e コマース ウェブサイトに最適です。

設計原則とベストプラクティス

最も広く使用されているソフトウェア アーキテクチャ パターンをいくつかを理解したところで、これらを効果的に適用するために、以下の設計原則とベスト プラクティスを考えてみましょう。

SOLID 原則

ソフトウェア エンジニアの Robert C. Martin によって提唱された SOLID は、ソフトウェア開発時に従うべき一連の 5 つのオブジェクト指向設計 (OOD) 原則を指す頭字語です。SOLID の原則を採用することで、開発者はプロジェクトがスケーラブルで、反復的で、拡張可能で、バグがないことを確認できます。

SOLID とは、以下の頭文字をとったものです。

• Single-responsibility (単一責任): 単一責任の原則とは、クラス (オブジェクトをグループ化するテンプレート) は、1 つの目的または責任のみを持つべきであり、クラスの全てのプロパティはその目的を果たす必要があるというものです。

• Open-closed (オープン-クローズド): この原則によれば、ソフトウェア オブジェクト、クラス、またはモジュールは拡張に対してはオープンであるべきであり、変更に対してはクローズである必要があります。オブジェクトは、実際にコードに触れることなく拡張できます。

• Liskov substitution (リスコフの置換原則): コンピューター科学者 Barbara Liskov によって開発されたリスコフの置換原則は、インターフェイスは置換可能であるべきであり、サブクラスはそのメイン クラスと置換可能である必要があるというものです。

• Interface segregation (インターフェイス分離): この原則は、コードのエラーや繰り返しを最小限に抑えるために、インターフェイスをより小さく、より自律的な部分に分割する必要があるというものです。

• Dependency inversion (依存関係逆転): 依存関係逆転の原則によると、低レベルのモジュールは、高レベルのモジュールに影響を与えることなく、他の低レベルのモジュールと簡単に交換できます。

関心の分離

関心の分離の原則は、ソフトウェアのさまざまな部分がさまざまな関心に対処すべきであるというものです。たとえば、階層化アーキテクチャを採用したアプリケーションは、4 つの異なる階層 (プレゼンテーション、ビジネス、アプリケーション、データ) で構成され、それぞれの階層がソフトウェアの異なる機能を果たします。

モジュール化とカプセル化

カプセル化は、コンポーネントが独自の動作と状態を管理する必要があるという原則であり、簡単なバンドルと疎結合を重視します。カプセル化によって、ソフトウェアのさまざまな部分が自己完結し、アプリケーションの他の部分から隔離され、各コンポーネントが自律的に動作できるようになります。オブジェクトや関数は、同じインターフェイスを共有している限り、他のモジュールと簡単に置き換えることができるため、カプセル化はアプリケーション設計におけるモジュール化を確立します。

設計パターン

ソフトウェア アーキテクチャ パターンと同様に、設計パターンは、コードのテンプレート化によってソフトウェアをより速く、より効率的に構築できるようにする再利用可能なフレームワークです。ソフトウェア アーキテクチャがソリューションの包括的な構造を計画するのに対して、ソフトウェア設計はアプリケーションをコンポーネント レベルに分割します。人気のある設計パターンには、シングルトン、アダプター、プロキシなどがありますが、数十種類から選択できます。

ソフトウェア アーキテクチャ用のツールとテクノロジー

統一モデリング言語 (UML)

統一モデリング言語 (UML) は、ソフトウェア設計と開発用の標準化された視覚的モデリング言語です。視覚的言語である UML は、コードではなく図を使用して、ソフトウェア システムの構造、その動作、各コンポーネントの相互作用をマッピングします。

アーキテクチャ モデリング ツール

アーキテクチャ モデリング ツールは、アーキテクトがグラフィカルなコード レンダリングまたはモデルを通じてソフトウェア アーキテクチャを視覚化、定義、文書化するのに役立ちます。モデルは、アーキテクトにアプリケーションの機能のモジュールごとの明確な分割を提供します。モデリング ツールを使用すると、ソフトウェア開発ライフサイクル全体を通じてモデルの作成と保守が簡単になります。

バージョン管理とコラボレーション ツール

バージョン管理システムとコラボレーション ツールにより、コードの共有、変更の追跡、競合の管理、チームメイトとの作業が可能になります。その結果、協力的なソフトウェア開発を重視する文化が育まれます。バージョン管理ツールを使用すると、より効率的なワークフロー、より高品質なコード、全体的な生産性の向上が可能になります。

まとめ

目標を明確に定義した強固な基盤は、あらゆる開発プロジェクトの成功にとって極めて重要です。複雑なソフトウェアを使いこなすには、よく整理された青写真をガイドとして持つことが重要です。そのため、ソフトウェア アーキテクチャと設計は、全てのチームと組織にとって常に最優先事項である必要があります。