Softwarearchitektur

High-Level-Architekturentwürfe (HLAs) legen fest, wie ein System entwickelt werden soll. Sie zeigen, wie einzelne Komponenten miteinander und mit der Systemoberfläche interagieren. Im Folgenden erläutern unsere Architekt:innen die High-Level-Architekturen, die sie in ihren Projekten eingesetzt haben:

Monolithische Architektur

Diese Architektur der Software folgt einem einheitlichen Ansatz für Aufbau und Entwicklung eines Systems. Wenn Unternehmen ihre Architektur planen, landet häufig alles in einer gemeinsamen Codebasis – darunter Geschäftslogik, Datenzugriffsschichten (für die Prozesse zwischen Komponenten und Datenspeichern) und die Benutzeroberfläche.

Das bringt Vorteile mit sich, wie tiefe Integration, übersichtliche Struktur, einfache Veränderung und schneller Einstieg. Zudem ist dieser Ansatz kostengünstig, leistungsstark (durch einen direkten Zugriff auf den Kernel) und bietet hohe Sicherheit.

Hauptmerkmale einer monolithischen Architektur:

• Eine Codebasis: Entwicklung, Wartung und Bereitstellung erfolgen über eine einheitliche Codebasis.
• Zentrale Datenbank: Alle Daten liegen in einer zentralen Datenbank.
  Eng miteinander verbunden: Oberfläche, Datenbank und Prozesse sind reibungslos aufeinander abgestimmt.
• Gemeinsamer Speicher: In vielen Fällen wird bei monolithischen Anwendungen ein gemeinsamer Speicher für hohe Leistung genutzt.
• Mehrschichtige Struktur: Typischer Aufbau mit Datenzugriffsschicht, Geschäftslogik und Präsentationsschicht, wobei jede Schicht klar definierte Aufgaben übernimmt.
• Eingeschränkte Skalierbarkeit: Da alles eng gekoppelt ist, ist Skalierung aufwendig.

Eine monolithische Software Architektur passt besonders gut für sehr leistungskritische Anwendungen. Sie ist auch sinnvoll in Situationen wie:

• Entwicklung eines Proof of Concept
• Kleine Teams in einer frühen Projektphase
• Anwendungen mit geringer Komplexität und ohne hohen Skalierungsbedarf

Microservices-Architektur

Bei Microservices-Architekturen wird ein System in kleine, unabhängige Einheiten aufgeteilt. Jede dieser Einheiten kann eigenständig funktionieren, ohne auf andere angewiesen zu sein.

Die einzelnen Services können miteinander kommunizieren, um eine vollständige Anwendung zu bilden. Dieser Ansatz folgt einer entgegengesetzten Philosophie zur monolithischen Architektur. So kann eine Anfrage eines Nutzers verschiedene interne Microservices aktivieren, die gemeinsam die Antwort liefern.

Vorteile der Microservices Software Architektur:

• Hohe Ausfallsicherheit: Fällt ein Service aus, funktionieren andere unabhängige Teile weiterhin.
• Mehr Produktivität: Teams verstehen die Struktur schneller, was die Entwicklung beschleunigt.
• Gute Skalierbarkeit: Kleine und klar abgegrenzte Services lassen sich einfacher skalieren.
• Größere Flexibilität: Entwicklungsteams können Tools, Frameworks (z. B. Spring Boot) oder Programmiersprachen wählen, die am besten zum jeweiligen Service passen.

Hauptmerkmale der Microservices-Architektur:

• Unabhängige Services: Bei modularen Architektur lassen sich Microservices eigenständig bereitstellen und verwalten.
• Intensive Verwendung von APIs: Kommunikation erfolgt meist über REST-APIs (synchron oder asynchron), was die Integration neuer Services erleichtert.
• Sicherheitsorientierter Aufbau: Microservices werden mit Rücksicht auf Sicherheitsanforderungen gestaltet. Gleichzeitig müssen Teams genau darauf achten, wie mehrere Services gemeinsam mit sensiblen Daten umgehen.

Eine Microservices-Architektur ist praktisch für Unternehmen, die Anwendungen mit hohem Skalierungsbedarf entwickeln möchten. Sie ist zudem ideal für Lösungen, die auf vielen Geräten und Plattformen verfügbar sein müssen. Ein Beispiel ist Netflix, das 2009 von einer monolithischen Struktur auf Microservices umgestellt hat, um eine Vielzahl von Geräten wie Fernseher, Smartphones, Tablets und weitere Displays zuverlässig abzudecken.

SOA steht für Service-orientierte Architektur

Bei der serviceorientierten IT Architektur werden dienstbasierte Komponenten verwendet, um Geschäfts­anwendungen zu entwickeln. Jede dieser Komponenten hat eine konkrete geschäftliche Funktion und kann mit anderen, vergleichbaren Komponenten über Sprach- und Plattformgrenzen hinweg interagieren.

Diese Services sind vielseitig einsetzbar und eignen sich gut für komplexe Anforderungen. So kann beispielsweise derselbe Authentifizierungsservice verschiedene Anwendungen eines Unternehmens unterstützen, ohne dass der Code für jede Anwendung neu erstellt werden muss.

Die serviceorientierte Architektur bietet zahlreiche Vorteile:

• Anpassungsfähigkeit: Sie erleichtert die Einführung neuer Technologien und ermöglicht eine effiziente, kostengünstige Modernisierung.
• Schnellere Markteinführung: Unternehmen profitieren von wiederverwendbaren Services und müssen Funktionen nicht jedes Mal neu entwickeln.
  Einfache Wartung: Da jeder Service einen überschaubaren Umfang hat, lässt er sich leicht anpassen, ohne andere Services zu beeinträchtigen.
  Leichte Erweiterbarkeit: SOA-Lösungen nutzen modulare Services wie SynQ oder Warehouse-Funktionen (z. B. Kommissionierung, Einlagerung, Bestandsverwaltung). Diese verbreiteten Bausteine vereinfachen die Integration neuer Services.

Hauptmerkmale der SOA:

• Lose Kopplung: Services weisen nur geringe Abhängigkeiten zu externen Ressourcen oder anderen Services auf.
  Abstraktion: Services lassen sich verwenden, ohne dass die zugrunde liegende Logik oder Implementierung offengelegt werden muss.
• Interoperabilität: Services funktionieren unabhängig von der zugrunde liegenden Plattform- oder Programmiersprache des Clients.
• Feine Granularität: Jeder Service erfüllt eine klar definierte Geschäftsaufgabe.
  Einfache Wartbarkeit: Services sind zustandslos und speichern keine früheren Sitzungen oder Transaktionen, wodurch Änderungen unkritisch bleiben.

SOA eignet sich für komplexe Systeme mit vielen Services. Sie bietet hohe Sicherheit und sorgt für einheitliche Standards. Militär und Luftstreitkräfte verwenden SOA-Techniken für Systeme zur Lageerkennung.

Cloudbasierte Architektur

Cloudbasierte Architektur kommt vor allem in Cloud-Computing-Umgebungen zum Einsatz. Sie verbindet virtuelle Ressourcen, Speicherlösungen, physische Services, Datenbanken, Software und Netzwerkelemente. Sie vereint Grundideen der EDA (Event-Driven Architecture) und der SOA.

Unternehmen können cloudbasierte Architekturen flexibel anpassen, je nachdem, wie Anwendungen bereitgestellt und betrieben werden sollen. Typische Bestandteile einer Cloudarchitektur sind:

• Frontend-Plattform
• Backend-Plattform
• Netzwerk (Intercloud, Intranet oder Internet)
• Cloudbasiertes Bereitstellungsmodell

Vorteile der cloudbasierten Architektur:

• Schnellere Markteinführung: Plattformen wie Amazon AWS, Microsoft Azure oder Google Cloud stehen sofort bereit, sodass Entwickler direkt starten können.
• Kosteneffizienz: Dynamische Preisgestaltung und Pay-as-you-use-Modelle machen die Nutzung kosteneffizient.
  Skalierbarkeit: Ressourcen lassen sich je nach Bedarf hinzufügen oder entfernen; viele Anbieter ermöglichen automatische Skalierung bei Lastspitzen.
• Sicherheit: Cloudanbieter schützen Anwendungen und Services aktiv, z. B. vor Malware oder DDoS-Angriffen.

Serverlose Architektur

Eine serverlose Architektur ermöglicht es Entwickler:innen, Anwendungen zu erstellen und zu betreiben, ohne sich um interne Infrastruktur kümmern zu müssen. Skalierung, Provisionierung und Verwaltung übernimmt der Cloudanbieter. Die Umgebung skaliert automatisch und bietet ein hohes Sicherheitsniveau.

Vorteile der serverlosen Architektur:

• Automatische Skalierung: Die Plattform passt sich selbstständig dem eingehenden Datenverkehr an.
• Mehr Automatisierung: Routineaufgaben werden reduziert, da zahlreiche Prozesse selbständig ablaufen.
• Höhere Produktivität: Entwickler:innen können sich auf die Geschäftslogik konzentrieren, statt Zeit für Serververwaltung zu investieren.

Tatsächlich wird der Anwendungscode als Funktion in Containern (z. B. Kubernetes) ausgeführt. Bei einer Anfrage wird die Funktion gestartet, und der Cloudanbieter stellt automatisch eine passende Instanz bereit. Funktionen können auch durch Datenbankänderungen, HTTP-Requests, Klicks und andere Ereignisse ausgelöst werden.

Serverlose Architektur eignet sich für zahlreiche Einsatzszenarien, darunter der Aufbau von RESTful APIs, die asynchrone Verarbeitung, triggerbasierte Abläufe sowie Continuous Integration (CI) und Continuous Delivery (CD). Sie ist zudem hilfreich für Stream-Processing, ETL-Pipelines, Cronjobs und Microservices.

Multi-Tier-Architektur (auch Multi-Layer)

Eine Multi-Tier-Architektur hat mehrere Schichten, um unterschiedliche Funktionen abzubilden, etwa Präsentation, Geschäftslogik, Datenverwaltung und Anwendungsprozesse. Je nach den Anforderungen kann sie als 1-Tier-, 2-Tier-, 3-Tier- oder auch als n-Tier-Architektur umgesetzt werden.

Vorteile der Multi-Tier-Architektur:

• Schnelle Antwortzeiten bei Abfragen
• Gute Skalierbarkeit
• Höhere Datenqualität
• Wiederverwendbarkeit
  Klare Modularität

Hauptmerkmale der Multi-Tier-Architektur:

• Getrennte Schichten: Jede Schicht hat klar definierte Aufgaben,  z. B. Datenbankschicht für Datenvorgänge, Präsentationsschicht für die Interaktion mit dem Endnutzer und Business-Schicht für die Geschäftslogik.
• Flexibilität: Durch die Trennung der Schichten entsteht Flexibilität bei Effizienz und Skalierung.
• Skalierbarkeit: Das System kann steigende Nutzerzahlen problemlos verarbeiten.

Die Multi-Tier-Architektur eignet sich besonders für E-Commerce-Systeme, soziale Plattformen und Informationssysteme im Gesundheitswesen.

Nicht alle oben genannten Architektur Entwurfsmuster lösen sämtliche Herausforderungen im Softwaredesign. Hier kommen Low-Level- und Middle-Level-Ansätze ins Spiel. In diesem Abschnitt geben unsere Softwarearchitekt:innen einen genaueren Einblick in Erzeugungsmuster, Strukturmuster und Verhaltensmuster.

Erzeugungsmuster

Erzeugungsmuster helfen dabei, Komplexität bei der Objekterstellung zu reduzieren und typische Probleme im Umgang mit Erzeugungsmechanismen zu lösen. Die wichtigsten Erzeugungsmuster sind:

• Abstract Factory: Ermöglicht die Erstellung zusammengehöriger Objektfamilien, ohne deren konkrete Klassen instanziieren zu müssen.
• Builder: Ermöglicht die Erstellung komplexer Objekte in mehreren Schritten. Dies ist hilfreich, wenn ein Objekt nicht in einem einzigen Schritt erzeugt werden kann, z. B. bei komplexer Deserialisierung. Vorteile: besser kontrollierter Erstellungsprozess, flexible interne Darstellung, klare Trennung zwischen Konstruktion und Repräsentation.
• Factory Method: Eine abstrakte Klasse oder ein Interface, in dem die Unterklassen bestimmen, welche konkrete Klasse instanziiert wird. Sorgt für lose Kopplung und entfernt die Notwendigkeit anwendungsspezifischer Klassen.
• Prototype: Ermöglicht das Kopieren bestehender Objekte mit Anpassungsmöglichkeiten. Dadurch entfällt die wiederholte Neuerstellung. Vorteile: geringe Kosten bei der Objekterstellung, reduzierte Komplexität, dynamisches Hinzufügen und Entfernen von Objekten zur Laufzeit.
• Singleton: Definiert eine Klasse, von der es nur eine Instanz geben darf. Diese Instanz kann global angesprochen und entweder früh (beim Laden) oder verzögert erstellt werden. Vorteile: optimierter Speicherbedarf, typische Einsatzfälle: Multithreading, Caching u. a.

Strukturmuster

Strukturmuster ermöglichen es Entwickler:innen, größere Strukturen aus Klassen und Objekten zusammenzustellen. Dabei wird die Vererbung gezielt genutzt, ohne Flexibilität oder Effizienz zu verlieren. Zu den wichtigsten Strukturmustern gehören:

• Adapter: (Wrapper) Verbindet Objekte mit inkompatiblen Schnittstellen. Sein Vorteil ist die Wiederverwendbarkeit. Ein Beispiel: Eine Börsen-App kann einen Adapter nutzen, um Daten aus verschiedenen Quellen zu sammeln und grafisch darzustellen.
• Bridge: Trennt Abstraktion und Implementierung voneinander. Vorteile: Es ermöglicht flexible Erweiterungen und sorgt dafür, dass technische Details für den Client unsichtbar bleiben.
• Composite: Ermöglicht das Zusammenstellen von Objekten in Baumstrukturen, ohne ihre Eigenständigkeit zu verlieren. Es eignet sich nur, wenn eine Baumdarstellung sinnvoll ist. Vorteile: klare Hierarchien, leichte Erweiterbarkeit, strukturelle Flexibilität.
• Decorator: Ergänzt bestehende Objekte dynamisch um zusätzliche Funktionen, flexibler als statische Vererbung.
• Facade: Bietet eine vereinfachte, einheitliche Schnittstelle zu komplexen Subsystemen. Erleichtert die Verwendung und sorgt für lose Kopplung.
• Flyweight: Ermöglicht das Speichern großer Mengen ähnlicher Objekte durch geteilte Zustände. Optimiert den Speicherverbrauch.
• Proxy: Ein Stellvertreterobjekt kontrolliert den Zugriff auf ein anderes Objekt. Vorteile: versteckte Implementierung, Lazy Loading, Zugriffskontrolle.

Verhaltensmuster

Diese Muster regeln die Verantwortlichkeiten von Objekten und deren Zusammenarbeit.

• Chain of Responsibility: Eine Anfrage wird über eine Kette von Handlern weitergereicht, bis sie verarbeitet wird.
  
• Command: Transformiert eine Anfrage in ein eigenständiges Objekt, das alle notwendigen Informationen enthält.
  
• Interpreter: Definiert Grammatikregeln und interpretiert Sätze einer bestimmten Sprache.
  
• Iterator: Durchläuft Elemente einer Sammlung, ohne die interne Struktur offenzulegen.
  
• Mediator: Reduziert Abhängigkeiten zwischen Objekten durch einen vermittelnden Mechanismus.
  
• Memento: Stellt frühere Objektzustände wieder her, ohne deren Implementierung preiszugeben.
  
• Observer: Benachrichtigt registrierte Objekte, sobald sich der Zustand des beobachteten Objekts ändert.
  
• State: Ein Objekt ändert sein Verhalten abhängig von seinem internen Zustand.
  
• Strategy: Kapselt Algorithmen in separaten Klassen, sodass sie austauschbar bleiben.
  
• Template Method: Unterklassen überschreiben einzelne Schritte eines Algorithmus, ohne dessen Grundstruktur zu verändern.
  
• Visitor: Trennt Algorithmen von den Objekten, auf denen sie operieren.

Nebenläufigkeitsmuster

Diese Muster helfen dabei, Multithreading-Programme zu strukturieren und parallele Abläufe sicher zu handhaben.

• Active Object: Trennt Methodenaufruf und Ausführung; nutzt asynchrone Aufrufe und einen Scheduler.
  
• Balking: Führt Aktionen nur aus, wenn ein Objekt in einem bestimmten Zustand ist.
  
• Binding Properties: Synchronisiert Eigenschaften verschiedener Objekte mit mehreren Beobachtern.
  
• Double-Checked Locking: Reduziert Lock-Overhead durch die Prüfung vor dem Sperren.
  
• Event-Based Asynchronous: Der Aufrufer wartet bis der Vorgang abgeschlossen ist und erhält eine Benachrichtigung.
  
• Guarded Suspension: Geeignet für Fälle, in denen eine Vorbedingung erfüllt sein muss, bevor ausgeführt wird.
  
• Join: Nutzt Message Passing für parallele, verteilte oder nebenläufige Programme.
  
• Lock: Schützt Zustände vor parallelem Zugriff oder Manipulation.
  
• Monitor: Synchronisationsmechanismus, der parallelen Zugriff auf gemeinsame Zustände verhindert.
  
• Proactor: Stellt sicher, dass langlaufende Operationen asynchron abgewickelt werden.
  
• Reactor: Verarbeitet mehrere Anforderungen parallel über ein Event-Handling-Modell.
  
• Read-Write Lock: Ermöglicht paralleles Lesen und exklusives Schreiben.
  
• Scheduler: Weist Ressourcen für Aufgaben, Prozesse oder Datenflüsse zu.
  
• Scheduled Task Pattern: Für Echtzeitsysteme mit fest definierten Ausführungszeiten.
  
• Semaphore: Synchronisationsvariable, die den gleichzeitigen Zugriff mehrerer Threads koordiniert.
  
• Thread Pool: Ermöglicht parallele Ausführung durch wiederverwendbare Threads.
  
• Thread-Local Storage: Speichert globale oder statische Daten threadlokal.

Weitere Architektur­muster

Diese Muster gehen auf verschiedene Herausforderungen der Software-Systemarchitektur ein, z. B. Leistungsgrenzen oder die Struktur verteilter Systeme. Sie lassen sich grob in verteilte und monolithische Muster einordnen.

• Front Controller: Zentraler Einstiegspunkt für alle Anfragen einer Webanwendung; fördert Wiederverwendung und Flexibilität.
  
• Interceptor: Ermöglicht das Eingreifen in den üblichen Verarbeitungsablauf eines Frameworks oder Systems.
  
• MVC/MVP/MVVM: Trennen die Darstellung, Logik und das Datenmodell. Ein Beispiel: In MVC verwaltet das Model die Daten, die View bildet die Oberfläche, der Controller verbindet beides.
  
• ADR: ADR (Action-Domain-Responder) erweitert das MVC-Modell, indem der HTTP-Request-Response-Ablauf verbessert wird und damit näher am MVC-Prinzip orientiert ist.
  
• ECS: ECS (Entity-Component-System) wird in der Videospielentwicklung verwendet und legt den Fokus auf die Objekte innerhalb der Spielwelt.
  
• N-Tier: N-Tier: Eine Client-Server-Architektur mit separaten Ebenen für Datenmanagement, Darstellung und Verarbeitung. Typische Beispiele sind dreischichtige Architekturen wie MVC und ADR.
  
• Specification: Dieses Muster ermöglicht es Entwicklern, Geschäftsregeln mithilfe boolescher Logik zu einer Kette von Regeln zu kombinieren; ideal für Domain-Driven Design.
  
• Publish-Subscribe: Die Publisher kategorisieren die Nachrichten in Klassen und senden sie danach an die Subscriber.
  
• Naked Objects: Ein Architekturmuster mit drei Grundprinzipien: Geschäftslogik wird in Domain-Objekten gekapselt, die Benutzeroberfläche bildet diese Domain-Objekte direkt ab und wird aufgrund ihrer Definitionen erstellt.
  
• Service Locator: Schicht zur Kapselung von Mechanismen zur Servicebeschaffung.
  
• Active Record: Das Active-Record-Muster verwendet Objektdaten im Speicher und stellt über die Objektoberfläche Funktionen wie Update, Insert und Delete bereit. Dadurch wird der Datenzugriff vereinfacht.
  
• Identity Map: Verbessert die Datenbank-Leistung durch mehr In-Memory- und kontextspezifisches Caching und verhindert doppelte Datenabfragen.
  
• Data Access Object (DAO): Das DAO-Muster ermöglicht Architekten, eine abstrakte Schnittstelle zu einem Persistenzmechanismus oder einer Datenbank zu erstellen.
• Data Transfer Object (DTO): Das DTO-Muster sorgt für die Übertragung der Daten zwischen Prozessen über Objekte.
• Inversion of Control (IoC): Das IoC-Muster erlaubt es, den Kontrollfluss eines Computerprogramms von einer externen Quelle aus zu steuern.
• Model 2: Trennt die Logik von der Darstellung in Java-basierten Webanwendungen und ist perfekt für die Architektur von Unternehmenssoftware.
• Broker: Das Broker-Muster unterstützt die Strukturierung verteilter Softwarearchitekturen durch entkoppelte Komponenten.