2021年《系统架构设计师》下午押题密卷

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1 问答题 1分

阅读以下关于系统建模的叙述，回答问题。【说明】 某软件公司承接了一个软件开发的项目，为共享单车租赁公司开发一套单车租赁服务系统，公司项目组对此项目进行了初步分析，具体描述如下：1）非注册用户可通过该系统进行注册，成为平台的合法用户， 其中包括提供身份、手机号等信息，在线支付押金；2）非注册用户如果是支付宝会员的，可以通过支付宝的第三方服务直接关联注册成会员，且芝麻信用积分在500分以上的可不用支付押金，少于500分的需要支付押金；3）将采购的共享单车注册到租赁服务系统后方可投入使用。即将单车的标识信息录入到系统；4）注册用户通过手机或支付宝第三方服务登录到租赁服务系统中，通过扫描二维码或输入车辆编号以进行系统确认，系统后台确认车辆状态后下达解锁指令；5）用户在用完车辆后关闭车锁，车辆自身将闭锁状态上报到租赁服务系统中，完成车辆状态的更新和用户租赁费用结算；6) 系统不定时推出积分奖励方案，每200积分可提升会员等级，不同等级的会员在费用结算时会有不同的折扣；7）系统开辟积分商城，会员可以使用积分去兑换或购买合作伙伴的产品及服务。8）每个合作伙伴的类提供了不同的调用方法，系统设计中需要考虑如果公司更换了合作伙伴，应该尽可能少地在系统中修改或创建新类。项目组薛工、邹工等分析之后达成一致：（1）采用面向对象分析与设计方法开发系统;（2）决定采用设计模式来满足上述设计要求，并确定从当前已经熟练掌握的设计模式中进行选择，这些设计模式包括：适配器模式(Adapter)、构造器模式(Builder)、命令模式(Command)、外观模式(Facade)、中介模式(Mediator)、原型模式(Prototype)、代理模式(Proxy)、状态模式(State)和策略模式(Strategy)等。【问题1】 （12 分）请分析下面 A~R 所列出的共享单车租赁服务系统中的概念类及其方法，在图 1-1 所示用例图 （1） ~ （12）处补充所缺失信息。A.用户，B.共享单车，C.用户管理，D.注册，E.注销，F.用户查询，G 单车管理，H.租赁，I.归还，J.单车查询，K.费用管理，L.保证金管理，M.租赁费管理，N.数据存储管理， O.用户数据存储管理，P.单车数据存储管理，Q.费用结算，R.身份认证

问题2】（5分）设计模式按照其应用模式可以分为三类：创建型、结构型和行为型，请用200字以内文字说明三者的作用。【问题3】（8分）针对题目中所提出的设计要求（7)~（8)，项目组应该分别选择何种设计模式?请分别用200字以内文字说明具体的解决方案。

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正确答案：

本题解析：

【问题一】(12分）：（1）D.注册（2）F.用户查询（3）C.用户管理（4）R.身份认证（5）A.用户（6）N.数据存储管理（7）P.单车数据存储管理（8）I.归还（9）B.共享单车（10）K.费用管理（11）L.保证金管理（12）Q.费用结算【问题二】(5分）：创建型模式主要用于创建对象，为设计类实例化新对象提供指南。结构型模式主要用于处理类或对象的组合，对类如何设计以形成更大的结构提供指南。行为型模式主要用于描述类或对象的交互以及职责的分配，对类之间交互以及分配责任的方式提供指南。【问题三】(8分）：(1)策略模式解决方案：在具有公共接口的独立类中定义每个计算。可以利用该模式创建各种促销类，它们从同一个超类继承。每个类都有相同名称的标准接口方法，用于根据会员等级计算将要折扣的金额总数。(2)适配器模式解决方案：增加一个类作为适配器，转换类的接口到客户端类期望的另一个接口。实现一个适配器类，这个类为系统的其他部分提供了一个不变的方法供调用，为了集成不同商品供应商提供的优惠计算类，编写一个适配器类的子类，包含调用购买类所需的代码。该子类将系统的调用映射到某个供应商的优惠计算类。如果要更换供应商，那么只需要写一个新的适配器子类，其他保持不变。

2 问答题 1分

阅读以下关于软件系统数据架构建模的说明，在答题纸上回答问题1至问题3。

【说明】

RMO是一家运动服装制造销售公司，计划在五年时间内将销售区域从华南地区扩展至全国范围。为了扩大信息技术对于未来业务发展的价值，公司邀请咨询顾问帮助他们制订战略信息系统规划。经过评审，咨询顾问给出的战略规划要点之一是建立客户关系支持系统CRSS。RMO公司决定由其技术部成立专门的项目组负责CRSS的开发和维护工作。

项目组在仔细调研和分析了系统需求的基础上，确定了基于互联网的CRSS系统架构。但在确定系统数据架构时，张工认为应该采用集中式的数据架构，给出的理由是结构简单、易维护且开发及运行成本低；而刘工建议采用分布式的数据架构，并提出在开发中通过"局部数据库+缓存"的读写分离结构实现，具有较好的运行性能和可扩展性。

项目组经过集体讨论，考虑到公司的未来发展规划，最终采用了刘工的建议。

【问题1】（8分）

请用300字以内的文字，说明张工和刘工提出的数据架构的基本思想。

【问题2】（13分）

在刘工建议的基础上，为了避免CRSS系统的单点故障，请用200字以内文字简要说明如何建立CRSS的数据库系统；对于数据的读取、添加、更改和删除操作分别如何实现。

【问题3】（4分）

RMO公司销售区域将在未来五年大面积扩展，其潜在客户数量也会因此大幅度增加，所以良好的可扩展性是CRSS系统所必需的质量属性。请分别说明在集中式和分布式数据架构下，可以采用哪些方法提升系统的可扩展性。

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正确答案：

本题解析：

【问题1】

（1）张工提出的集中式数据架构是由一个处理器、与它相关联的数据存储设备以及其他外围设备组成，它被物理地定义到单个位置。系统提供数据处理能力，用户可以在同样的站点上操作，也可以在地理位置隔开的其他站点上通过远程终端来操作。系统及其数据管理被某个或中心站点集中控制。

（2）刘工提出的分布式数据架构使用多个计算机系统上的多个局部数据库系统构成，数据可以在多个不同的局部数据库中进行传送，由不同的数据库管理系统软件进行管理，运行在多种不同的计算机上，支持多种不同的操作系统。这些机器位于（或分布在）不同的地理位置并通过多种通信网络连接在一起。企业数据可以分布在不同的计算机上，一个应用程序可以操作位于不同地理位置的机器上的数据。

【问题2】

读写分离架构利用了数据库的复制技术，将数据的读和写分布在不同的处理节点上，从而达到提高可用性和扩展性的目的。

CRSS的分布式数据库系统需要由多个局部数据库系统、多个热备份数据库系统和多个数据缓存组成。局部数据库负责数据的写入，多个热备份数据库系统用以解决单点故障的问题，数据缓存负责为应用提供所读取的数据。

（1）读取数据：应用访问缓存，如果命中则返回，否则从局部数据库系统中读取数据并将数据加载到缓存后返回。

（2）添加数据：采用延迟加载策略，应用将数据直接写入局部数据库。

（3）更改数据：应用更改局部数据库中的数据，将缓存中的数据标记为失效。

（4）删除数据：应用删除局部数据库中的数据，将缓存中的数据标记为失效。

【问题3】

张工提出的集中式数据架构通过向上扩展（Scale Up）提升系统的可扩展性。具体的实现方式包括硬件扩容（增加CPU数量、内存容量、磁盘数量）和硬件升级（更换为高端主机或高速磁盘等）。

刘工提出的分布式数据架构通过向外扩展（Scale Out）提升系统的可扩展性。具体的实现方式包括数据复制、数据垂直切分（或/和）水平切分、缓存和全文搜索。

【解析】

本题考查考生对于软件系统数据架构建模的掌握情况。

数据架构定义了信息系统中文件和数据库的分布结构。数据架构建模是以数据为中心，建模业务数据类型和结构，以及设计满足应用需求的数据库系统。传统以主机为中心的信息系统开发中，利用单个的数据库系统实现数据的集中式存储，物理上所有的数据位于同一个位置，构成的是一种集中式的数据架构；现代基于网络的分布式系统开发中，很少有组织会将其全部的数据存储在单个的数据库中，通常需要多个数据库系统组成，数据在这些数据库系统之间可以传送，由多个不同的数据库管理系统控制，构成的是一种分布式的数据架构。

【问题1】

集中式数据架构中，一个或多个局域网中的客户共享一个单独计算机系统中的单个数据库。系统提供数据处理能力，用户可以在同样的站点上操作，也可以在地理位置隔开的其他站点上通过远程终端来操作。系统及其数据管理被某个或中心站点集中控制。单个数据库服务器结构的主要优点就是简单、易维护开发及运行成本低；但由于所有的客户直接请求服务器，容易发生性能瓶颈，如果服务失败，单个服务器不能提供备份和恢复，所有依赖的应用程序都将不能工作。

分布式数据架构中，使用多个计算机系统以及用户能够访问远程系统的数据，数据可以在多个不同的数据库中进行传送，由不同的数据库管理系统软件进行管理，运行在多种不同的计算机上，支持多种不同的操作系统。这些机器位于（或分布在）不同的地理位置并通过多种通信网络连接在一起。企业数据可以分布在不同的计算机上，一个应用程序可以操作位于不同地理位置的机器上的数据。多个数据库服务器结构的主要优点就是系统的容错能力和对广域网容量的需求有所降低，可以采用多种策略提升整个系统的服务质量；由于多个数据库系统分布在不同的网络节点上，位于不同位置的数据之间需要同步和协作，系统结构复杂、运行成本高并且维护困难。

在实际应用系统的数据架构建模中，应根据不同的应用需求选择集中式或分布式的数据架构。本题中由于RMO要扩展其销售区域，其潜在客户数量也会因此大幅度增加，所以良好的可扩展性是CRSS系统所必需的质量属性；并且由于其销售区域扩大后，系统中的数据会存储于不同的地理位置，所以采用分布式数据架构最为合理。

【问题2】

读写分离架构应用非常广泛，很多网站采用数据库+缓存的方式来实现。通过缓存层来承载大量的读访问，如广泛采用的Mencached，其自身往往不具备持久层存储的功能，通常和数据库一起组成分布式的数据架构，由数据库负责数据持久化存储和写入功能，缓存负责承载大量的并发访问，从而提高了系统的数据处理效率。要避免数据访问的单点故障，通常采用主数据库热备份的方式来实现。所以，要实现题目要求的分布式数据架构，需要多个局部数据库系统、多个热备份数据库系统和多个数据缓存组成。

读写分离结构中，应用读取数据时访问缓存，如果没有命中所需数据，则从主数据库中读取数据并写入缓存；对于新增、修改和删除操作，需要采用延迟加载的策略，新增时只修改主数据库，修改和删除时除了修改主数据库中的内容，还需要将缓存中的数据标记为失效。

【问题3】

传统的集中式数据架构中由于只有单个的数据库系统，所以要满足可扩展性的要求，更多的只能通过硬件的方式来实现。具体的实现方式包括硬件扩容（增加CPU/内存容量/磁盘数量）和硬件升级（更换高端主机或高速磁盘等）。

基于网络的分布式数据架构中由多个数据库系统共同组成，可以通过更改和优化数据分布来满足系统可扩展性的要求。具体的实现方式包括数据复制、数据垂直切分（或/和）水平切分、缓存和全文搜索。

3 问答题 1分

阅读以下软件系统架构选择的问题，在答题纸上回答问题1至问题3。

某公司欲开发一个车辆定速巡航控制系统，以确保车辆在不断变化的地形中以固定的速度行驶。图4-1给出了该系统的简化示意图。表4-1描述了各种系统输入的含义。

公司的领域专家对需求进行深入分析后，将系统需求认定为：任何时刻，只要定速巡航控制系统处于工作状态，就要有确定的期望速度，并通过调整引擎油门的设定值来维持期望速度。

在对车辆定速巡航控制系统的架构进行设计时，公司的架构师王工提出采用面向对象的架构风格，而李工则主张采用控制环路的架构风格。在架构评估会议上，专家对这两种方案进行综合评价，最终采用了面向对象和控制环路相结合的混合架构风格。

【问题1】（5分）

在实际的软件项目开发中，采用成熟的架构风格是项目成功的保证。请用200字以内的文字说明：什么是软件架构风格；面向对象和控制环路两种架构风格各自的特点。

【问题2】（12分）

用户需求没有明确给出该系统如何根据输入集合计算输出。请用300字以内的文字针对该系统的增减速功能，分别给出两种架构风格中的主要构件，并详细描述计算过程。

【问题3】（8分）

实际的软件系统架构通常是多种架构风格的混合，不同的架构风格都有其适合的应用场景。以该系统为例，针对面向对象架构风格和控制环路架构风格，各给出两个适合的应用场景，并简要说明理由。

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正确答案：

本题解析：

【问题1】

软件架构风格是描述某一类特定应用领域中软件系统组织方式和惯用方式。

面向对象架构风格的特征是将数据表示和基本操作封装在对象中。这种模式的构件是对象，对象维护自身表示的完整性，对象之间通过消息机制进行通信，对象交互时需要知道彼此的标识，通过对象之间的协作完成计算过程。

控制环路架构风格是将过程输出的指定属性维护在一个特定的参考值（设定点）。控制环路风格包括过程变量、被控变量、输入变量、操纵变量和设定点等构件，通过收集实际和理想的过程状态信息，并能调整过程变量使得实际状态趋于理想状态。

【问题2】

对于系统的增减速功能，采用面向对象风格的巡航控制系统首先会定义司机、油门、时钟、速度计和车轮等构件。

整个计算的主要过程是：

（1）司机进行增／减速操作设置期望速度，该期望速度以消息的形式传递给速度计；

（2）速度计通过向车轮和时钟发送消息获取车轮转速和时钟值，得到当前速度；

（3）速度计计算当前速度和期望速度的速度差值；

（4）该差值以消息的形式发送给油门，油门通过速度差值调节自身状态；

（5）整个过程在时钟的控制下定期向速度计发送消息，重复执行（2）～（4）。

控制环路的架构风格以控制器为核心，期望速度、车轮脉冲、时钟和油门等作为构件。

具体的计算过程是：

（1）司机进行增／减速操作设置期望速度值；

（2）将设定值置为期望速度值；

（3）控制器采集车轮脉冲和时钟值，计算出当前速度；

（4）比较期望速度和当前速度，计算速度差值，控制油门动作；

（5）反复执行（3）和（4）。

【问题3】

适合面向对象架构风格的应用场景：

（1）用户刹车，立即退出巡航控制系统。理由：这是一个典型的事件驱动的场景，适合于面向对象风格。

（2）系统对突发事件的处理，如某些部件失灵等。理由：当发生突发事件时，系统会同时产生数据和事件，这种清况用对象建模较为恰当。

适合面向控制环路架构风格的应用场景：

（1）在达到期望速度后，系统维持恒定速度行驶。理由：这是一个典型的闭环控制的情景，系统需要在外界情况不断发生变化的情况下进行调整，使得系统状态尽可能接近期望状态。

（2）用户改变期望速度后，系统不断进行调整，直至到达恒定速度。理由：这是一个闭环控制情景，当用户设定期望速度值后，系统需要在不断获取当前速度和外界条件的情况下对系统状态持续调整，使得系统状态尽可能接近这个新的期望状态。

4 问答题 1分

阅读以下关于某嵌入式实时系统的软件需求的叙述，回答问题1至问题3。某公司承担了一项嵌入式实时控制系统的软件开发任务，其内容是按系统要求的固定的时间序列采集、处理、输出数据，以实现对多个设备的综合控制。系统由硬件和软件组成，硬件由处理机（采用PowerPC603e，主频133MHz）、存储器、定时器、中断控制器、双口存储器（空间大小1024KB）、4路422半双工串口接口（其中两路的频率115200Hz，另两路频率38400Hz）、两路A/D、D/A数模转换器和10路离散量接口组成。系统的软件需求如下（注：B：字节；s：秒；ms：毫秒）：（1）系统要求以5ms为周期从双口存储器中采集1024KB的输入数据，处理任务的时间约为1ms；（称为5ms任务）（2）系统要求以20ms为周期从两路422接口（115200Hz）中采集一定格式的大小为64B的数据，在完成处理（处理时间约为4ms）任务后，分别输出大小为16B的控制命令；（称为20ms任务）（3）系统要求以60ms为周期从两路422接口（38400Hz）中采集一定数据格式的大小为6B数据，从两路A/D接口采集28位数据，在完成处理（处理时间约为2ms）任务后，分别输出大小为2B的控制命令和一个28位D/A数据，输出8路离散量控制数据；（称为60ms任务）4）作为系统的安全监控保障，系统要求在每1s内对系统软硬件状态进行测试并完成系统工作的状态记录工作。该任务共需处理时间是5ms。（称为1s任务）本公司课题组根据用户的硬件环境及软件的需求，就软件的实施方案展开了激烈的讨论，讨论的首要问题就是本系统中软件的运行平台是采用嵌入式实时操作系统还是在裸机上直接开发的方式，李工程师（简称李工）提出了为了保证系统的实时性，应该采用裸机上直接开发的方式，关键部分采用汇编语言编写，而王工程师（简称王工）提出，由于系统将由多种周期的处理任务组成，为了保证系统的可靠性，应该采用商用嵌入式实时操作系统作为本项目的开发基础，经过充分论证，最后李工接受了王工的建议，并申报课题组组长，课题组长同意采用了操作系统的方案，并指出必须尽快对需求的时间性能做出评估。［问题1］（10分）请用450字以内文字简要说明王工提出的采用嵌入式实时操作系统的理由或优点，并说明选择操作系统产品时需要重点考虑其哪些功能与性能？［问题2］（10分）李工和王工通过认真地对需求进行了分析，给出了时间性能评估报告，判定在上述硬件平台上可以满足系统要求。请用300字以内文字简要说明嵌入式实时操作系统中时间性能评估中主要考虑哪几项因素；针对本课题的具体数据，叙述系统的工作时序关系。［问题3］（5分）根据系统需求，请设计出系统的处理流程（按时序），说明所有任务的优先级分配策略，422接口、双口存储器、离散量接口和A/D（D/A）的数据输入／输出方法（中断或查询驱动）及理由。请用350字以内文字简要说明。

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正确答案：

本题解析：

【问题1】采用嵌入式实时操作系统的主要理由及优点:操作系统提供的任务调度功能,可以有效地管理本系统多周期任务的调度,并且操作系统提供的事件、信号和间的通信机制,可以有效地解决本系统中资源共享中的互斥问题。采用商品化的软件,可提高所开发软件的可靠性,还可简化软件开发成本,提高开发效率。选择嵌入式实时操作系统,主要考虑操作系统以下功能和性能:（1）任务的上下文切换时间越短越好、中断响应时间越快越好、内核代码占用空间比较小。（2)操作系统提供的服务接口应较丰富,有利于灵活使用（接口的开放性）。(3）操作系统对可靠性有较强的保障支持能力。（4）使用简单,支撑环境配套好,可配置、可剪裁能力强。【问题2】嵌入式实时系统中时间性能评估主要考虑以下几个因素:(1)系统（操作系统）时间开销,一般不大于整个控制系统运行时间总开销的20%。(2)保证所有任务在规定的时间期限内完成（或进行可调度性评估）。(3)任务的上下文切换时间和中断响应时间。针对本题的具体数据,系统的工作时序关系应该是:系统的最小时间节拍定义为5ms,系统最大工作周期为1s,在每个5ms起点,5ms任务首先运行,占1ms时间,完成后转入处理被终止的任务;如果这个时刻时间到达20ms的起点,则启动20ms任务运行,以此类推,确保在1s周期内所有任务按规定的时间序列执行。【问题3]优先级策略:小周期优先策略。数据输入输出处理方式:422接口适合采用中断方式,主要因为处理机速度远远比数据传输速度快,在采集时不易消耗太多的时间,而查询方式由于存在等待数据时间,消耗处理机时间较大。双口存储器和离散量接口由于是直接访问存储器,采用查询较合适。AD、D/A存在数据的转换时间,应在等待时交出处理机时间（定时查询）。

5 问答题 1分

阅读以下关于软件架构设计的叙述，在答题纸上回答问题1至问题3

某公司要在现场开发一个网站应用系统，该系统的特点是：规模不大；工期短；用户需求不明确；没有大的技术风险；系统中的一些模块可以外包给其他的公司开发。在选择开发过程时，项目组内产生了分歧。

王工提出采用XP（eXtreme Programming，极限编程），理由是XP方法简洁，能减轻开发人员的负担、快速适应市场、缩短投资回收期。

李工认为采用XP在项目开发中存在一些问题，建议考虑原型开发方法。

双方就上述的问题展开了激烈的争论。项目组最后决定采用XP，但同时针对李工提出的XP中存在的问题采取了相应的措施。

【问题1】（8分）

小规模发布（small release）是XP的基本元素之一。请用200字以内文字分别阐明：

（1）原型系统和XP小规模发布的系统的主要差别？

（2）为什么该项目组没有采用原型开发方法？

【问题2】（8分）

请用200字以内文字，简要说明采用XP方法可能会存在哪些问题。

【问题3】（9分）

在项目组的后续讨论中，李工提出，如果项目规模扩大，XP将不再适用。王工对此表示赞同，但同时提出可以将XP方法和传统软件开发过程相结合。请用200字以内的文字简要地说明如何将XP方法和传统软件开发过程相结合。

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正确答案：

本题解析：

【问题1】

（1）原型系统和XP小型发布的系统的主要差别是功能。采用原型系统主要是让用户确认需求，或者用来测试关键的技术，但是它展示的功能并不是实际系统的功能，不能用来评价实际的系统；XP小型发布的系统考试时不包括足够的功能，但是每个功能和可发布的产品的定义是一样的。在完整性上，它配备了一系列实用的功能集；在质量上，它可以健壮地运行。

（2）在该项目中，不需要开发原型系统。

由于项目没有大的技术风险，所以不需要用原型系统来测试关键技术。

网站系统的开发和原型系统的开发在工作量上是相当的，在时间要求短的情况下，直接开发系统可以节省时间。

对于用户需求经常发生变化的情况，可以采用XP开发方法的代码重构、持续集成和小型发布等技术。

【问题2】

（1）开发团队、管理层，以及客户的不理解，阻碍XP方法论实施。

（2）导致开发团队忽视文档，以XP为借口拒绝编写甚至是必须的文档。

（3）XP是针对单一团队设计的，外包方的参与将会为有效的组织带来很大的困难。

（4）缺乏客户的参与，导致用户故事编写、优先级确认等工作遇到困难。

（5）项目规模扩大后，XP方法论将不适应。

（6）对客户、开发人员和管理者的素质要求较高。

【问题3】

（1）可以将XP和传统软件开发过程中的增量式开发过程相结合。

（2）将大规模项目划分为若干个具有共同目标的小规模项目，用XP方法论组织小项目开发，用传统软件过程方法论监控全局。

（3）在此基础上，建立面向目标的项目管理。