Javaにおける階層アーキテクチャパターン：スケーラブルで保守可能なアプリケーションの構築

別名

• N層アーキテクチャ

階層アーキテクチャデザインパターンの目的

階層アーキテクチャデザインパターンは、アプリケーションを異なる抽象化レベルのサブタスクのグループに整理することで、各層の独立した開発と保守を容易にします。

現実世界の例を用いた階層アーキテクチャパターンの詳細な説明

現実世界の例

ソフトウェア開発における階層アーキテクチャデザインパターンの使用を、現代の高層ビルの建設に例えてみましょう。このパターンにより、データ層、サービス層、プレゼンテーション層などの各ソフトウェア層は、独立性を維持しながらシームレスなインタラクションをサポートし、保守性とスケーラビリティを向上させることができます。建物が基礎、構造階、居住階、屋上など、それぞれ特定の機能を持ち、異なる材料と技術を使用して構築された層に分割されているように、ソフトウェアアプリケーションも同様に構造化できます。

このアナロジーでは、基礎はデータベース操作を管理するデータ層を表し、構造階はビジネスロジックとルールを含むサービス層に相当し、居住階はユーザーインターフェースとインタラクションを扱うプレゼンテーション層と並行しています。最後に、屋上は外部システムがアプリケーションと通信できるようにするAPI層と見なすことができます。

建物内の各階が上下の層を支えるように構築されているように、各ソフトウェア層は、ある程度の独立性を維持しながら、隣接する層とのシームレスなインタラクションをサポートします。この構造により、内部の改修（プレゼンテーション層）など、基礎となる構造（ビジネスロジックとデータ層）に影響を与えることなく、容易な保守と更新が可能になります。

簡単に言うと

階層アーキテクチャパターンは、ソフトウェアを階層的なタスクグループに整理し、それぞれが個別の層にカプセル化され、相互に作用することで、保守性、スケーラビリティ、懸念事項の明確な分離を容易にします。

Wikipediaによると

ソフトウェアエンジニアリングにおいて、マルチティアアーキテクチャ（多くの場合、n層アーキテクチャと呼ばれる）またはマルチレイヤーアーキテクチャは、プレゼンテーション、アプリケーション処理、データ管理機能が物理的に分離されたクライアントサーバーアーキテクチャです。

Javaにおける階層アーキテクチャのプログラミング例

データ層には、ケーキの構成要素を保存します。Cakeは層とトッピングで構成されます。

@Entity
public class Cake {
  @Id
  @GeneratedValue
  private Long id;
  @OneToOne(cascade = CascadeType.REMOVE)
  private CakeTopping topping;
  @OneToMany(cascade = CascadeType.REMOVE, fetch = FetchType.EAGER)
  private Set<CakeLayer> layers;
}

サービス層は、ケーキのさまざまな側面に容易にアクセスするためのCakeBakingServiceを提供します。

public interface CakeBakingService {
  void bakeNewCake(CakeInfo cakeInfo) throws CakeBakingException;
  List<CakeInfo> getAllCakes();
  void saveNewTopping(CakeToppingInfo toppingInfo);
  List<CakeToppingInfo> getAvailableToppings();
  void saveNewLayer(CakeLayerInfo layerInfo);
  List<CakeLayerInfo> getAvailableLayers();
}

最上位には、ケーキをレンダリングする役割を担うViewがあります。

public interface View {
  void render();
}
@Slf4j
public class CakeViewImpl implements View {
  private final CakeBakingService cakeBakingService;
  public CakeViewImpl(CakeBakingService cakeBakingService) {
    this.cakeBakingService = cakeBakingService;
  }
  public void render() {
    cakeBakingService.getAllCakes().forEach(cake -> LOGGER.info(cake.toString()));
  }
}

階層アーキテクチャパターンのクラス図

階層アーキテクチャ

Javaで階層アーキテクチャパターンを使用する場面

このパターンは、各グループが特定の役割または責任を持つグループに分割できるアプリケーションの構造に適しています。エンタープライズアプリケーションで一般的であり、依存関係を簡素化し、保守性を高め、スケーリングとテクノロジスタックの分離をサポートします。

階層アーキテクチャを使用する場面

• ソフトウェアの責任をプログラムの異なる部分に明確に分割したい場合。
• 変更がアプリケーション全体に伝播するのを防ぎたい場合。
• アプリケーションの保守性とテスト性を向上させたい場合。

Javaにおける階層アーキテクチャパターンの現実世界のアプリケーション

• プレゼンテーション、ビジネスロジック、データアクセス層が明確に分離されたWebアプリケーション。
• コア機能がインターフェースアプリケーションとデータベースから分離されているエンタープライズシステム。

階層アーキテクチャパターンのメリットとトレードオフ

メリット

• 懸念事項の分離による管理性の向上
• 他の層に影響を与えることなく、ある層を更新または変更しやすい
• 機能の再利用を促進する。

トレードオフ

• 層間のインタラクションによる潜在的なパフォーマンスオーバーヘッド
• 層管理の複雑さ
• 効果的な層の分散設計における課題。

関連するJavaデザインパターン

• Model-View-Controller：アプリケーションを入力、処理、出力に分割することで、懸念事項の分離を共有します。階層アーキテクチャは、多くの場合、そのプレゼンテーション層内にMVCを実装します。
• サービス指向アーキテクチャ（SOA）：両方のパターンはモジュール化を重視していますが、SOAは、異なるシステム間で再利用できる分散サービスにより重点を置いています。

参考文献とクレジット

• クリーンアーキテクチャ：ソフトウェア構造と設計の職人技ガイド
• Javaデザインパターンエッセンシャル
• パターン指向ソフトウェアアーキテクチャ第1巻：パターンのシステム