2.1 軟件性能的宏觀多維模型

從宏觀上講，軟件性能指的是軟件在運行時完成某一功能的響應特性，以及在增加軟件功能時保持這些響應特性的能力。

從控制論的角度看，軟件一般包括4個要素：系統邊界、內部結構、外部效應（輸出）和連接輸入。

? 系統邊界：管理系統可以啟用有用的入口（可擴展性）并拒絕有害的入口（安全性）。

? 內部結構：控制和維護系統以適應外部變化（靈活性）和內部變化（可靠性）。

? 外部效應：管理環境的直接變更，以最大化提高外部效果（功能性）降低內部工作量（可用性）。

? 連接輸入：管理對環境的感知，以支持數據交換（聯通性）和限制數據交換（隱私性）。

每個人都有自己的皮膚邊界，內部有大腦、器官和循環系統等，還有骨骼和肌肉等的行動輸出以及感覺輸入。與之類似，計算機有物理外殼、主板結構、屏幕這樣的輸出效應器，以及鍵盤、鼠標這樣的“接收器”；而軟件則有內存邊界、內部程序的結構以及專門的輸入/輸出模塊或子系統。

每個元素在軟件性能中都扮演著各自的角色，它們必須與環境成功地進行交互。如果成功交互，則可以最大化系統的受益機會，并使系統受損風險最小化，將4個一般要素與2個一般環境交互類型（機會行動和風險行動）相結合，就可以得出軟件性能的8個一般性能目標，如圖2-1所示。

軟件性能的宏觀多維模型也可以用圖2-1所示的網絡來表示，其中，一個點到中心的距離表示該維度的性能指標的高低程度。這個網絡中呈現的區域由一個形狀和目標之間的張力組成。形狀描述了系統的性能，它會隨著環境的變化而變化，例如，威脅環境可能需要更多的安全性。連接線表示目標之間的相互作用，也就是張力。可以將連接線想象成具有不同張力的橡皮筋，它們連接著性能的各個維度，因此，增加一個維度的性能指標可能會突然改變另一個維度的性能指標。

2.1.1 系統邊界

一個系統的邊界決定了什么可以進入和離開，可以被設計用來抵御外部威脅（安全性）和接收外部數據的機會（可擴展性）。

可擴展性表示一個系統利用外部元素的能力（例如，軟件可以擁有擴展插件）。程序可以使用第三方插件，這相當于一只開放的人工手使用工具。然而，要實現擴展性，必須有一個已知的鏈接形式，這就如同一輛汽車要通過拖車來延伸自己，它的拖鉤必須與拖車的拖鏈相匹配。開放標準就具有這種優點，它代表了開放源碼的價值。可擴展性是影響軟件性能的關鍵因素。

安全性是軟件性能的關鍵部分，是軟件防止未經授權而進入、濫用或接管的能力。軟件擁有登錄賬號和密碼，就是一種常見的確保安全性的方法。安全硬件是密封且防篡改的，進入-拒絕原則適用于硬件和軟件兩種環境。病毒和黑客的威脅使邊界防火墻和登錄檢查系統顯得至關重要。安全缺陷是系統故障，也是性能故障。

2.1.2 內部結構

軟件的內部結構可以用于管理內部變化（可靠性）或外部變化（靈活性）。

靈活性是指軟件在新環境中工作的能力。就像履帶協助車輛在復雜地形中工作一樣，移動設備可以在復雜的網絡區域接收信號。CSMA/CD協議的性能優于更可靠但不靈活的輪詢協議。靈活的關系型數據庫取代了更有效但不靈活的數據模型。大多數現代軟件都有一個參數設置模塊（如Windows控制面板）來為硬件、軟件或用戶環境提供配置服務。靈活性是軟件性能的另一個關鍵。

高可靠性意味著一個軟件在內部發生變化（如部分故障）的情況下仍然能夠正常運行。可靠的系統幾乎總是可用的，無論多大的壓力或負載，都能夠生存，即便由于受到影響不能提供全量服務，也可以優雅地退化降級，而不是災難性地崩潰。在軟件中，與可靠性相關的指標主要有兩個：平均故障間隔時間，表征的是隨著時間的推移系統無故障運行的概率；快速恢復，常通過代碼修復或狀態回滾實現。可靠性是至關重要的軟件性能。

2.1.3 外部效應

系統效應器可以改變外部環境（外部效應），設計系統效應器的目標是讓效應（功能性）最大，讓產生這種效應的成本（可用性）最小。

功能性是指系統直接作用于其環境以產生預期變化的能力。關注功能性需求可以生成功能性很強的軟件。因為人們都有為獲得新能力而升級軟件的需求，因此功能性在軟件性能中非常重要，甚至是系統存在的根本。

可用性是指軟件以最小化成本提供對應功能的能力。在工作中使用更少的代碼實現相同的功能往往意味著可用性更高，因為常規來說，精簡指令集的可用性都會優于復雜指令集。輕量級軟件在后臺運行會更為良好，本質原因也是這個，因為它使用的CPU或內存資源更少。

2.1.4 連接輸入

連接輸入部分既可以支持信息交換（聯通性），又可以限制信息交換（隱私性）。

聯通性表征系統與其他系統通信的能力。有時我們會將行為與效應器聯系起來，即讓行為發生在以感覺為引導的反饋回路中。有時我們會將信息和受體聯系起來，因為只有經過受體處理的信息才有意義，即使是交流行為，也需要效應器的參與。信息交流的最終結果來自受體以及隨后產生的加工行為。對于現代軟件來說，聯通性幾乎是必需的。

隱私性表征軟件控制自身信息發布的能力。隱私性有時用保密性來代替，保密性是工程師從軟件的角度給出的名稱，而隱私性則是從用戶的角度給出的名稱。在技術環境中，隱私性是軟件性能的關鍵組成部分。

2.1.5 本節小結

軟件性能的多維模型在概念上是模塊化的，彼此并不重疊。理論上，任何維度上的性能都可以與其他維度相結合。在設計實踐中，軟件必須滿足所有需求，其中各維度之間可能沒有必然的關系。

雖然性能可以被認為是絕對的，但軟件性能的多維模型將性能視為相對于環境的性能，因此性能沒有一個“完美”的形式。在圖2-1所示的8個指標中，4個是成功指標——功能性、靈活性、可擴展性和聯通性，4個是避免失敗的指標——安全性、可靠性、隱私性和可用性。

我們要知道，環境可能會發生變化，無論是機會還是風險，都會為環境帶來影響。機會行動可以給對應的軟件帶來好處，風險行動可能損害軟件，所以機會行動和風險行動都可能為環境帶來影響，迅速改變收益和損失關系。

因為環境可以變化，所以環境類型多樣。如果性能有一個形狀和一個區域，那么就可以用不同的形狀去適合不同的環境。軟件性能的多維模型通過為性能的各個維度分配權重，幫助開發人員確定適合環境的性能形狀。

軟件性能的多維模型給了我們宏觀上的理論方向。在系統層面和更小的粒度上，它還可以提供更多實際指導。