(1)管道-过滤器模型有如下的优点: 设计人员将整个系统的输入输出行为理解为单个过滤器行为的叠加与组合。这样可以将问题分解,化繁为简。

(2)任何两个过滤器,只要它们之间传送的数据遵守共同的规约就可以相连接。每个过滤器都有自己独立的输入输出接口,如果过滤器间传输的数据遵守其规约,只要用管道将它们连接就可以正常工作。


(3)整个系统易于维护和升级:旧的过滤器可以被替代,新的过滤器可以添加到已有的系统上。软件的易于维护和升级是衡量软件系统质量的重要指标之一,在管道-过滤器模型中,只 要遵守输入输出数据规约,任何一个过滤器都可以被另一个新的过滤器代替,同时为增强程序功能,可以添加新的过滤器。这样,系统的可维护性和可升级性得到了保证。

(4)支持并发执行:每个过滤器作为一个单独的执行任务, 可以与其它过滤器并发执行。过滤器的执行是独立的,不依赖于其它过滤器的。


20世纪07年代初,UNIX第1版的设计者DougMcIlory等首次提出了管道-过滤器的概念并将其应用于UNIX最初版本当中。在UNIX中,管道是将一个命令的标准输出连接到后一个命令标准输入的命令字符,过滤器则是管道字符所连接的命令。

20世纪70年代中后期到90年代初,管道一过滤器有了一定的发展:在UNIX系统中采用管道一过滤器的情况比较多,UNxI这样支持这种方式的编程:它既提供一种符号,以连接各组成部分(UNIX进程)又提供某种进程运行式机制以实现管道;Brina W.Kernighan和P.JPluager曾探讨管道-过滤器在程序设计中的应用;J.C.Browne,M.Azam,S.Sobek和G.Kahn在并行程序中引入了管道-过滤器;M.R.Barbacci等在分布式系统应用了管道-过滤器。

90年代以后,软件体系结构成为软件工程领域的研究热点,软件体系结构风格逐渐成为人们专注的研究领域。1996年,Frank Buschmann等提出了管道-过滤器体系结构风格的概念。同年,Mary Shwa和David Garlany也提到了相同的概念。至此,管道一过滤器结构风格作为一个明确的概念出现在软件系统的开发中。

纵观管道-过滤器发展过程,从最初的面向数据流的结构化程序设计方法到现行的软件体系结构风格,可以认为经历了3个阶段:(1)萌芽阶段:出现了管道-过滤器的概念,并首次应用于UNIX当中;(2)初级阶段:在不同领域对管道-过滤器的探讨,尝试和运用;(3)高级阶段:管道-过滤器上升为描述软件系统高层抽象结构的体系风格。

1 过滤器

过滤器按照对流经它的数据操作的不同,可分为3类过滤器:输入过滤器,处理过滤器和输出过滤器。下面将对这三类过滤器进行介绍。

(1)输入过滤器

输入过滤器处在问题所在的外部世界与软件系统的边界处,是系统数据流的源点。它负责接收外界信息并转化为系统所需的数据流。

(2)处理过滤器

处理过滤器是系统内变换数据流的部件,它有一个入口和一个出口,数据经入口流入,经过处理过滤器内部处理之后从出口流出。

(3)输出过滤器

从建立完备的,首尾一致的可重用的软件部件组的角度出发,正如输入过滤器是系统数据流的起点,那么输出过滤器是数据流的终点。

过滤器的实现还须满足以下三条基本原理:

随后的处理单元从过滤器中拉出输出数据;

前面的处理单元把新的输入数据压入过滤器;

过滤器以循环工作的方式,从流水线中拉出其输入数据并且将其输出数据压入流水线。过滤器按照以上三种情况可分为两类:主动过滤器和被动过滤器。满足前两种情况的过滤器称为被动过滤器,满足最后一种情况的过滤器称为主动过滤器。

2 管道

管道作为过滤器之间数据流动的通道的软件部件,它的主要功能是连接各个过滤器,充当过滤器之间数据流的通道。管道具有数据缓冲以及提高过滤器之间的并行性操作的作用。管道由数据缓冲区,向数据缓冲区读和写数据,判断管道为空或已满等操作定义组成.

Web Service Enhancements 1.0 for Microsoft.NET(WSE)是一个类库,用于实现高级Web服务协议。WSE的体系结构模型基于处理入站和出站SOAP消息的过滤器。过滤器可以与ASP.NET Web服务基础结构集成在一起,也可以单独使用。

WSE的功能包括向出站SOAI,消息写入标头,从入站SOAP消息读取标头;转换SOAP消息正文。例如,按照WS-Security规范中定义的那样加密出站消息正文和解密入站消息正文。在WSE中,这种功能通过过滤器来实现。输出过滤器向消息写入标头,输入过滤器从消息读取标头并检查标头的有效性。此外输出和输入过滤器都可以转换消息的内容。

Web Service Enhancements (WSE)功能(主要)是通过使用处理入站和出站消息的过滤器来实现的。您可以单独使用过滤器或者在管道中使用过滤器,也可以控制进程中管道的默认配置。还可以创建自定义过滤器,添加您需要的功能。

在管道和过滤器软件体系结构中,每个模块都有一组输入和一组输出。每个模块从它的输入端接收输入数据流,在其内部经过处理后,按照标准的顺序,将结果数据流送到输出端,以达到传递一组完整的计算结果实例的目的。通常情况下,可以通过对输入数据流进行局部变换,并采用渐进式计算方法,在未处理完所有输入数据以前,就可以产生部分计算结果,并将其送到输出端口(类似于流水线结构)。因此,称这种模块为“过滤器”。在这种结构中,各模块之间的连接器充当了数据流的导管,将一个过滤器的输出传到下一个过滤器的输入端。所以,这种连接器称为“管道”。

一个典型的管道/过滤器体系结构的例子是以Unix shell编写的程序。Unix既提供一种符号,以连接各组成部分(Unix的进程),又提供某种进程运行时机制以实现管道。另一个著名的例子是传统的编译器。传统的编译器一直被认为是一种管道系统,在该系统中,一个阶段(包括词法分析、语法分析、语义分析和代码生成)的输出是另一个阶段的输入。

管道/过滤器体系结构具有许多很好的特点:

(1)使得软构件具有良好的隐蔽性和高内聚、低祸合的特点;

(2)允许设计者将整个系统的输入/输出行为看成是多个过滤器的行为的简单合成;

(3)支持软件重用。重要提供适合在两个过滤器之间传送的数据,任何两个过滤器都可被连接起来;

(4)系统维护和增强系统性能简单。新的过滤器可以添加到现有系统中来;旧的可以被改进的过滤器替换掉;

(5)允许对一些如吞吐量、死锁等属性的分析;

(6)支持并行执行。每个过滤器是作为一个单独的任务完成,因此可与其它任务并行执行;

但是,这样的系统也存在着若干不利因素:

(1)通常导致进程成为批处理的结构。这是因为虽然过滤器可增量式地处理数据,但它们是独立的,所以设计者必须将每个过滤器看成一个完整的从输入到输出的转换。

(2)不适合处理交互的应用。当需要增量地显示改变时,这个问题尤为严重。

(3)因为在数据传输上没有通用的标准,每个过滤器都增加了解析和合成数据的工作,这样就导致了系统性能下降,并增加了编写过滤器的复杂性。综合分析现有管道一过滤器体系结构的研究成果,可以发现管道一过滤器体系结构没有给出管道和过滤器如何组装以实现系统的方法,也没有给出过滤器通过管道进行数据传输的方式,而且对过滤器和管道各自内部结构没有清晰的描述,因此可以认为管道一过滤器体系结构没有深入对管道一过滤器本质进行揭示。

许多学者提出了自己的概念与定义,以下将介绍3个具有代表性的定义:

定义1.Bucshmann & Meunier 定义:过滤器和管道体系结构风格为处理数据流的系统提供了一种结构。每个处理步骤封装在一个过滤器组件中。数据通过相邻过滤器之间的管道传输。重组过滤器可以建立相关系统族。

定义2.Shaw & Garlan定义: 管道和过滤器体系结构风格中的每个过滤器有一组输入端和输出端。一个过滤器从输入端读取数据流,通过本地转换和渐增计算,向输出端输出数据流。管道充当数据流的通道,将一个过滤器的输出端连接到另一个过滤器的输入端。

定义3. 信息管理系列委员会定义:在管道和过滤器软件体系结构中,每个模块都有一组输入和一组输出。每个模块从它的输入端接收输入数据流,在其内部经过处理后,按照标准的顺序,将结果数据流送到输出端,以达到传递一组完整的计算结果实例的目的。通常情况下,可以通过对输入数据流进行局部变换,并采用渐增式计算方法,在未处理完所有输入数据以前,就可以产生部分计算结果,并将其送到输出端口(类似于流水线结构)。因此,称这种模块为“过滤器“。在这种结构中,各模块之间的连接器充当了数据流的导管,将一个过滤器的输出传到下一个过滤器的输入端。所以,这种连接器称为“管道”。

比较上述各种管道和过滤器体系结构风格的定义可以发现:定义1和定义3都强调了管道和过滤器体系结构风格是由管道和过滤器构成,即从构造的角度来审视该模式。而定义3侧重于从管道和过滤器的功能角度来考虑管道和过滤器体系结构风格。尽管各种定义都从不同的角度关注管道和过滤器体系结构风格,但都涵盖了如下一些实体:管道,过滤器,管道和过滤器的功能以及管道和过滤器构成的拓扑结构。这些形式各异的定义给管道一过滤器的设计者造成了极大的混乱,给理解和使用管道一过滤器带来了很大的困难。

面向对象的体系结构就是应用面向对象的方法建立系统的体系结构。其主要思想是:对问题域中客观存在的各项事物 建立相应的对象,对象的属性与方法分别描述事物的静态特征与动态行为,对象间的交互通过对其方法的调用进行。面向对象方法的优点是它封装了对象的属性和行为,实现了“信息隐蔽”。同时,对象内部行为的修改不影响外部对它的调用。

面向对象的体系结构的一个明显的缺点是:当一个对象通过过程调用与其它对象交互时,它必须知道其它对象的标识。而当一个对象的标识改变时,需要对所有调用这一方法的对象进行修改。而在管道(过滤器这种体系结构中,过滤器与其它过滤器相连接时不必知道系统中的其它过滤器。而且当某个过滤器发生改变时,不需要对其他过滤器进行改动。

在实际应用中,可以将这两种体系结构结合起来。例如,先按照管道(过滤器的思想建立系统的体系结构,然后应用面向对象的方法设计和实现过滤器及管道。

管道过滤器比较类型常用的主要有直通管道过滤器，T型管道过滤器，Y型管道过滤器，双联切换过滤器，以及篮式过滤器。

管道过滤器直通

设计结构简单、占地面积小；不锈钢过滤器过渡精度比传统的小；过滤介质强度大，不易碎，成本低；寿命长，无需更换；全自动高压反冲洗，效率高；清洗消耗水量低，节约能源；占地面积小；自动化程度高，可实现远程控制；直通管道过滤器只能按铭牌上面所标示的额定电压/频率使用；每隔一段时间就应对过滤器进行保养。清洗及保养之前，请务必将自清洗过滤器电源断开；请确保电线插头不要在清洗是弄湿否则在重新接通电源前必须将插头擦干；不能用湿手拔掉电源线插头；直通管道过滤器只限于室内水族箱中使用；如果过滤器损坏，特别是电源线损坏时不能使用；请确保自清洗过滤器在正确的水位中工作，过滤器不能在无水情况下使用；勿私自拆解或维修，以避免造成危险或对机体造成损坏，维修应由专业人士来进行。

管道过滤器篮式

过滤器是除去液体中少量固体颗粒的小型设备，可保护设备的正常工作，当流体进入置有一定规格滤网的滤筒后，其杂质被阻挡，而清洁的滤液则由过滤器出口排出，当需要清洗时，只要将可拆卸的滤筒取出，处理后重新装入即可，因此，使用维护极为方便。

该过滤器是工业生产中不可缺少的管道附件，安装在管道上能滤除流体中的固体杂质，保证管线设备系统正常的运行，可以使流体更加纯净，获得理想的工业产品。使用一段时间后打开上盖，取出像提篮子式的过滤网，一经洗刷即可恢复如新，因此，在石油，化工，制药，食品等行业得到了广泛的应用，深受用户的青睐。

管道过滤器T型

该过滤采用优质不锈钢制造，内筒为不锈钢薄板冲孔成形滤筒，紧配丝网结构，活节连接，拆卸清洗方便，适用于啤酒、CIP清洗液的过滤，可根据用户实际使用情况，选用20-100目不锈钢丝网配套。

管道过滤器是管道输送液体过程中清除固体杂质的设备。液体流经过滤器时，其中的杂质被滤出，可保护机泵、压缩机、仪表和其它设备正常工作。当需要清洗时，只要将可拆卸的滤筒取出，去除滤出的杂质后，重新装入即可，使用维护极为方便。

该设备具有占地少、水头损失小、不加药剂、操作简单、使用寿命长、维护修理方便等优点，可广泛运用于各种敞开式、封闭式冷热水系统，是避免系统堵塞和减轻水泵磨损，保证系统正常运行的理想设备。

管道过滤器Y型

Y型过滤器是使用水力控制阀及精密的易堵塞的机械产品所必须具备的过滤设备。是输送介质的管道系列不可缺少的一种装置，通常安装于水力控制阀、减压阀、泄压阀、定水位阀等设备的进口端，用来消除介质中的杂质，防止颗粒性杂质进入通道，造成堵塞，以保护设备管道上的配件免受磨损和堵塞

管道过滤器双联

1：并联过滤器简介：

流入方式：顶入或者侧入底出

过滤面积（平方）：0.5*2

最高流量(m3/h)：80

滤器容积：（litre）：32*2

设计压力(MPa)：10

标准连接（进出口）：2"国际法兰

材质 :SUS304 、SUS316、SUS316L。

2：串联过滤器简介：

流入方式：顶入或者侧入 底出

过滤面积（平方）：0.5

最高流量(m3/h)：40

滤器容积：（litre）：32

设计压力(MPa)：10

标准连接（进出口）：2"国际法兰

材质 :SUS304 、SUS316、SUS316L。

特点介绍

过滤器内部由冲孔板制作的网篮支撑着液体过滤袋，液体由进水口流入，经液体过滤袋过滤后流出，杂质则被拦截在液体过滤袋当中，过滤袋可更换或清洗。是由二个圆柱体组成，内、外表面抛光，顶部装有压力表、排气阀，管道接头采用胀合连接，经1.0MPa水压试验，三通外螺纹旋塞启闭灵活，该设备结构紧凑，操作方便，维修简单。两只过滤器交替使用，可在不停机的情况下更换过滤袋，适于长期连续生产。

管道过滤器主要由接管、筒体、滤篮、法兰、法兰盖及紧固件等组成。安装在管道上能除去流体中的较大固体杂质，使机器设备（包括压缩机、泵等）、仪表能正常工作和运转，达到稳定工艺过程，保障安全生产的作用。

该过滤采用优质不锈钢制造，内筒为不锈钢薄板冲孔成形滤筒，紧配丝网结构，活节连接，拆卸清洗方便，适用于啤酒、CIP清洗液的过滤，可根据用户实际使用情况，选用20-100目不锈钢丝网配套。

管道过滤器是管道输送液体过程中清除固体杂质的设备。液体流经过滤器时，其中的杂质被滤出，可保护机泵、压缩机、仪表和其它设备正常工作。当需要清洗时，只要将可拆卸的滤筒取出，去除滤出的杂质后，重新装入即可，使用维护极为方便。