【软考架构】案例分析-Web应用设计（应用服务器概念）

2016年11月第4题

阅读以下关于应用服务器的叙述，在答题纸上回答问题1至问题3。

【说明】

某电子产品制造公司，几年前开发建设了企业网站系统，实现了企业宣传、产品介绍、客服以及售后服务等基本功能。该网站技术上采用了Web服务器、动态脚本语言PHP。随着市场销售渠道变化以及企业业务的急剧拓展，该公司急需建立完善的电子商务平台。

公司张工建议对原有网站系统进行扩展，增加新的功能（包括订单系统、支付系统、库存管理等），这样有利于降低成本、快速上线；而王工则认为原有网站系统在技术上存在先天不足，不能满足企业业务的快速发展，尤其是企业业务将服务全球，需要提供24小时不间断服务，系统在大负荷和长时间运行下的稳定性至关重要。建议采用应用服务器的Web开发方法，例如J2EE，为该企业重新开发新的电子商务平台。

问题一

分值（7分）

王工认为原有网站在技术上存在先天不足，不能满足企业业务的快速发展，根据你的理解，请用300字以内的文字说明原系统存在哪几个方面的不足。

解析

原有系统采用的技术路线较为简单，只依赖Web服务器与PHP动态脚本语言，这类方案非常适合中小型网站，能快速开发和上线，但不足之处十分明显。

首先，在架构层面，PHP主要面向过程开发，其扩展性和代码复用性较差，难以适应大型电子商务平台不断增长的功能需求。相比之下，Java的面向对象机制和J2EE的多层体系架构能够提供更强的模块化与灵活性。

其次，在稳定性方面，PHP适合轻量型应用，一旦系统需要 24小时不间断运行，并处理大量并发请求，PHP的运行环境容易成为瓶颈，而J2EE 提供了集群、事务管理等成熟机制，更能保证系统稳定性。

第三，在数据库访问层，PHP缺乏统一的访问标准，修改或扩展数据库支持时需要大量手工代码，而Java 提供JDBC标准接口，支持多种数据库切换与扩展。

问题二

分值（8分）

请简要说明应用服务器的概念，并重点说明应用服务器如何来保障系统在大负荷和长时间运行下的稳定性以及可扩展性。

参考解答

应用服务器（Application Server）是现代企业级系统的核心基础设施，通常作为中间件运行在操作系统与应用程序之间，提供统一的运行环境和多种服务支持。它不仅仅是一个Web服务器，还包括会话管理、事务管理、安全认证、消息中间件、对象持久化等功能。对于电子商务类系统，应用服务器承担了"容器"的角色，可以将不同层次的应用逻辑分别部署和托管，并且屏蔽底层复杂性，开发人员只需关注业务逻辑的实现。

在稳定性和扩展性方面，应用服务器的优势更为突出。第一，应用服务器通常支持 集群与负载均衡，能够将用户请求分散到多台机器处理，从而消除单点瓶颈，并在某一节点故障时自动切换，提高系统可用性。第二，它支持 资源池化管理，如数据库连接池、线程池，通过复用机制减少频繁创建资源带来的性能损耗。第三，应用服务器提供 运行时监控与调优 功能，可以根据实时负载情况动态调整资源分配。第四，某些应用服务器还支持 自动扩展（Auto Scaling），根据系统压力动态增加或减少实例数量，从而保障系统在大规模并发和长时间运行下依旧保持稳定和高效。

因此，应用服务器不仅仅是一个运行环境，更是保障系统在高并发、大流量和长周期运行场景下的关键支撑平台。

应用服务器概念

应用服务器是一个为核心业务应用提供运行环境、生命周期管理和通用服务的软件框架。它位于客户端（如浏览器）和数据库/后端服务之间，负责处理业务逻辑、事务管理、安全控制、连接池管理等，典型代表有Tomcat、WebLogic、Spring Boot内嵌服务器等。

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如何保障系统稳定性和可扩展性

一、稳定性保障机制

1. 连接池与资源管理

   • 维护数据库连接池、线程池，避免频繁创建/销毁资源，减少系统开销，防止资源耗尽。

2. 容错与故障隔离

   • 通过集群部署，实现故障转移。当单个节点宕机时，负载均衡器将流量自动切换到健康节点，保证服务不间断。
   • 采用熔断机制（如Hystrix），当依赖的下游服务故障时，自动切断调用，防止故障蔓延导致系统雪崩。

3. 会话状态外部化

   • 将会话（Session）数据存储到外部缓存（如Redis），而非服务器本地内存。这样，任何一台应用服务器重启或崩溃都不会导致用户登录状态丢失，实现了无状态服务，这是高可用的基石。

4. 健康检查与自我修复

   • 定期进行健康检查，负载均衡器会自动将流量从不健康的实例上移除。容器化环境下（如Kubernetes），还能自动重启失败的实例。

二、可扩展性保障机制

1. 水平扩展

   • 基于无状态设计 ，可以通过简单地增加或减少应用服务器实例来弹性伸缩容量。这是云原生架构的核心能力。

2. 负载均衡

   • 使用负载均衡器（如Nginx, F5）将海量用户请求均匀分发到后端多个应用服务器实例，轻松应对高并发流量。

3. 异步处理与消息队列

   • 将耗时操作（如发送邮件、处理大文件）异步化，通过消息队列（如Kafka, RabbitMQ）进行解耦。应用服务器快速响应用户后，由后台消费者进程慢慢处理，削峰填谷，提升整体吞吐量。

4. 缓存集成

   • 在应用服务器层面集成分布式缓存（如Redis, Memcached），将频繁读取的数据置于内存中，极大减少对数据库的访问，是应对高负荷访问最有效的手段之一。

总结而言，应用服务器通过资源池化、集群化、无状态化、异步化和缓存等核心架构模式，将单个脆弱的节点转变为一个具有弹性、可恢复、并能轻松扩容的健壮系统，从而保障其在巨大负荷和长时间运行下的稳定与可扩展。

问题三

J2EE平台采用了多层分布式应用程序模型，实现不同逻辑功能的应用程序被封装到不同的构件中，处于不同层次的构件可被分别部署到不同的机器中。请填写图4-1中（1）～（5）处的空白，完成J2EE的N层体系结构。

答案解析

J2EE（Java 2 Platform, Enterprise Edition）平台采用多层分布式应用模型，将不同逻辑功能划分为不同层次，并封装到不同构件中，进而支持跨平台、跨网络的部署。典型的 J2EE N层架构包括：客户端层、Web层、业务逻辑层和数据持久层。

具体来说：

（1）Applet：属于客户端层，运行在浏览器环境中，负责与用户交互。

（2）Servlet：位于Web层，处理来自客户端的请求，并与后端业务逻辑层交互。

（3）EJB容器：运行在应用服务器中，用于托管企业级Bean组件，提供事务管理、安全性、分布式服务等功能。

（4）Session Bean：属于业务逻辑层，用于处理用户会话和具体的业务逻辑。

（5）Entity Bean：属于持久层，主要用于表示数据库中的数据实体，实现对象与关系数据库的映射。

这种分层模式的最大好处是 解耦与可扩展性。客户端只负责交互，不涉及业务逻辑；Web层主要处理协议与请求转发；业务逻辑层通过Session Bean实现复杂的业务规则；数据访问则由Entity Bean负责。这样一来，系统不仅便于扩展和维护，而且不同层次的组件可以分布在不同物理服务器上，实现负载分担和容错能力。这也是王工推荐使用 J2EE 应用服务器的重要原因。

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各层级的详细解析

典型的 J2EE N 层架构是一种基于组件的分布式企业应用架构，它将应用逻辑按职责横向分离，形成一系列明确定义的层次。最常见的实现是四层架构

1. 客户端层

• 职责：提供用户界面，与最终用户交互。
• 技术/组件：Web浏览器、移动App、桌面应用（Java Swing/AWT）。
• 说明：该层不包含业务逻辑，仅负责渲染展示和收集用户输入。

2. Web表示层

• 职责：接收客户端请求，控制页面流转，调用业务逻辑，并将结果返回给客户端。
• 技术/组件 ：
  • Web组件：JSP, Servlet, JSF。
  • 控制器：Struts的Action，Spring MVC的Controller。
• 运行环境 ：Web容器，如Tomcat, Jetty。

3. 业务逻辑层

• 职责：实现核心业务规则和逻辑，管理事务、安全、并发和连接池。
• 技术/组件 ：
  • EJB：会话Bean，特别是Stateless和Stateful Session Bean，是实现业务逻辑的核心。
  • Spring Framework：通过Spring容器管理的Bean来替代EJB，提供声明式事务和安全。
• 运行环境 ：EJB容器 （在Jakarta EE服务器中，如WildFly, WebLogic），或Spring IoC容器。

4. 数据持久层

• 职责：封装所有数据访问细节，为业务逻辑层提供面向对象的数据访问接口。
• 技术/组件 ：
  • JDBC：底层的数据库访问标准。
  • ORM框架：JPA, Hibernate, MyBatis。
  • DAO模式：数据访问对象，提供抽象的API。
• 说明：此层将业务对象与数据库存储细节解耦。

5. 数据层

• 职责：持久化存储数据。
• 技术/组件：关系数据库（Oracle, MySQL）、消息队列（JMS）、文件系统、遗留系统等。

架构的优势

1. 分离关注点：每层职责单一，便于理解、开发和维护。
2. 可复用性：业务逻辑层可以被不同的表示层（如Web端、移动端API）复用。
3. 可扩展性：各层可以独立地进行水平扩展。例如，可以通过负载均衡为Web层增加更多服务器。
4. 灵活性和可维护性：修改某一层（如将Hibernate替换为MyBatis）不会严重影响其他层。
5. 松耦合：层与层之间通过接口交互，降低了依赖。

总结

这种经典的N层架构是J2EE庞大、复杂但结构严谨的体现，它为构建大规模、分布式、高要求的企业级应用提供了一套标准化的蓝图。尽管现代微服务架构在某些场景下取代了它，但其分层思想至今仍是软件架构设计的基石。

来源 2017年11月第2题

问题2 分值（6分）

项目组架构师王工提出在图2-1所示架构设计中加入EJB构件，采用企业级JavaEE架构开发资源共享平台。请说明EJB构件中的Bean （构件）分为哪三种类型，每种类型Bean的职责是什么。

答案

EJB（Enterprise JavaBeans）是一种服务器端组件模型，用于开发企业级应用程序。EJB中的Bean分为三种类型：

会话Bean（Session Bean）：职责：负责执行业务逻辑并处理客户端的请求。会话Bean有两种类型：无状态会话Bean（Stateless）和有状态会话Bean（Stateful）。有状态会话Bean会在会话期间维护客户端的状态，而无状态会话Bean不会保持客户端的状态。

实体Bean（Entity Bean）：职责：表示持久化数据对象，通常与数据库中的表格行对应。Entity Bean用于保存应用程序的业务数据，并可以通过JPA（Java Persistence API）进行数据库的交互。

消息驱动Bean（Message-Driven Bean）： 职责：用于异步处理消息。它从消息队列中接收消息并响应处理。通常与消息传递系统（如JMS）配合使用，处理异步消息。

2017年11月第4题

分值（9分）

请用300字以内的文字分别说明数据库程序在线访问方式和ORM方式的优缺点，说明该软件企业采用ORM的原因。

数据库程序在线访问方式 vs ORM方式

在线访问方式（如直接使用JDBC）

优点：

• 性能极高：直接执行原生SQL，无额外转换开销
• 灵活性好：可编写任意复杂SQL，充分利用数据库特性
• 精细控制：完全掌控连接、事务、结果集处理

缺点：

• 开发效率低：需编写大量模板代码（连接管理、异常处理等）
• 维护困难：SQL散落在代码中，修改数据库结构需改动多处
• 对象阻抗不匹配：需手动将ResultSet转换为对象，工作繁琐
• 数据库耦合度高：SQL语法与特定数据库绑定

ORM方式（如Hibernate、MyBatis）

优点：

• 开发效率高：自动处理对象-关系映射，减少重复代码
• 维护性好：数据访问逻辑集中，结构清晰
• 面向对象：以对象思维操作数据，符合编程习惯
• 数据库移植性好：框架自动处理数据库差异
• 内置优化：自动支持连接池、缓存等

缺点：

• 性能损耗：转换过程有额外开销，可能生成非最优SQL
• 学习成本：需掌握框架概念和配置
• 灵活性受限：复杂查询可能难以表达或效率不佳

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软件企业采用ORM的主要原因

1. 提升开发效率，降低成本

   • ORM自动化了大部分数据持久化工作，让开发人员更专注于业务逻辑
   • 减少约60-70%的数据访问层代码量，加快项目进度

2. 增强可维护性和可扩展性

   • 统一的数据访问规范，便于团队协作和代码管理
   • 当需要更换数据库时，只需修改配置而非重写所有SQL

3. 降低技术门槛，提升代码质量

   • 封装了数据库操作的复杂性，普通开发人员也能写出相对安全、高效的代码
   • 自动防止SQL注入等安全问题

4. 适应敏捷开发需求

   • 支持快速迭代，领域模型变化时，持久化层调整相对容易
   • 与现代开发框架（如Spring）完美集成

5. 符合架构发展趋势

   • 支持DDD（领域驱动设计）等现代架构理念
   • 为微服务架构下的数据管理提供良好基础

总结 ：对于大多数企业应用而言，开发效率、可维护性和团队协作的收益远大于ORM带来的微小性能损失。特别是在业务快速变化、团队规模较大的情况下，ORM提供的标准化、自动化和抽象化能力成为企业技术选型的决定性因素。