3層アーキテクチャとは？メリットとSpring Framework での実装例

2023/08/21

このレクチャーでは、規模の大きい Web アプリケーション開発で役に立つ3層アーキテクチャについて紹介します。規模が大きい開発ではソースコードの量が膨大になります。そのため、コードを整理するための戦略が必要です。 3層アーキテクチャはソースコードを3つの役割で分類し整理する方法です。

このレクチャーでは、3層アーキテクチャについて理解を深め、Spring Framework での実装例を見ていきます。

3層アーキテクチャとは？

まずは、Spring Framework に依らない一般的な3層アーキテクチャを理解しましょう。 3層アーキテクチャの「3層」とは

プレゼンテーション層
ビジネスロジック層
データアクセス層

の3つのことです。3層アーキテクチャでは、システム全体をこれらの3つの層に分けて設計・実装する方法です。それでは、それぞれの層の役割についてさらに深く理解しましょう。

プレゼンテーション層

UI（ユーザーインターフェース）層と呼ばれることもあります。この層はユーザーと直接対話する部分です。ウェブページやユーザーインターフェースの要素を含んでいます。

ビジネスロジック層

ドメイン層またはサービス層とも呼ばれます。この層はアプリケーションの主要な処理やビジネスルールを担当します。プレゼンテーション層からのリクエストを受け取り、適切な処理を行ったあと、結果をプレゼンテーション層に返します。

Web アプリケーションのそもそもの存在意義は、「現実世界で役に立つか」「競合他社と差別化できるか」などビジネス的な観点で説明されます。その点から考えて、ビジネスロジック層はWebアプリケーションの競争力の源泉となり、最も重要な部分となります。

データアクセス層

永続化層とも呼ばれます。この層はデータベースや外部サービスとのやりとりを担当します。データの永続化（保存）や取得、更新、削除などの操作がこの層で行われます。 SQLなどのデータベースへの操作を抽象化することで、ビジネスロジック層がデータベースの詳細を知る必要がなくなり、システムの拡張性や交換性が向上します。

3層アーキテクチャのメリット

3層アーキテクチャには、以下のようなメリットがあります：

結合度の低減：各層は独立して動作するため、変更の影響が他の層に及ばない
凝集度の向上：関連する機能やロジックが同じ層にまとめられるため、可読性や保守性が向上する

これにより、大規模開発やチーム開発の際の効率が大幅に向上します。

ソフトウェア設計における凝集度と結合度は、モジュールやコンポーネントがどれだけ効果的に組織されているかを評価するための重要な概念です。これらの概念を理解し、適切にバランスを取ることで、メンテナンス性や拡張性の高いソフトウェアを設計できます。理想的なソフトウェア設計は、高い凝集度と低い結合度を目指すものです。これにより、メンテナンスや拡張が容易になります。

** 凝集度 (Cohesion) **

モジュールやクラス内の機能がどれだけ密接に関連しているかを示します。高い凝集度は、モジュールが1つの明確な責任を持つことを意味します。

** 結合度 (Coupling) **

2つのモジュールやクラス間の依存度を示します。低い結合度は、モジュール間の独立性が高いことを意味します。

Spring Framework での 3層アーキテクチャコード例

Spring Frameworkでの3層アーキテクチャ実装の典型的なコードを示します。

プレゼンテーション層

Spring MVC を使用すると、コントローラを介してユーザーのリクエストを受け取り、適切なビューを返すことができます。 @Controller アノテーションを持つクラスは、ユーザーのリクエストを処理するためのエンドポイントとして機能します。ビュー技術としては、JSP, Thymeleaf, FreeMarker などが利用できます。

以下の TaskController では、POST /tasks の HTTP リクエストを処理する create メソッドが定義されています。 createTask メソッド内で、ビジネスロジック層の TaskService#create を呼び出しています。

@Controller
public class TaskController {

    private final TaskService taskService;
    
    @PostMapping("/tasks")
    public String create(TaskForm form) {
        TaskEntity newEntity = form.toEntity();
        taskService.create(newEntity);
        
        return "redirect:/tasks";
    }
}

ビジネスロジック層

Spring には、トランザクション管理や依存性の注入（DI）などの機能が豊富に提供されているため、ビジネスロジックの実装が容易になります。通常、サービスクラスは、@Service アノテーションをつけます。また、トランザクションを制御するための @Transactional アノテーションを使用することが多いです。この層では、データアクセス層で取得したデータの変換やビジネスルールの適用などの処理を行います。

以下の例では、ビジネスロジック層のメソッドである TaskService クラスの create メソッドが定義されています。このメソッドはプレゼンテーション層の TaskController#create メソッドから呼び出され、処理の中でデータアクセス層の TaskRespository#insert を呼び出します。 create メソッドがトランザクション境界になるように @Transactional アノテーションが付与されています。

@Service
public class TaskService {

    private TaskRepository taskRepository;

    @Transactional
    public void create(TaskEntity newEntity) {
        taskRepository.insert(newEntity);
    }
}

データアクセス層 (MyBatisの場合)

Spring Data JPA, Spring JDBC などのモジュールを使用して、データベースとのやりとりを抽象化・効率化できます。この層のクラスは、通常 @Repository アノテーションを持ちます。 MyBatis を利用する場合は @Mapper アノテーションを付けます。

以下の TaskRepository クラスには、タスクのレコードをデータベースに登録する insert メソッドが定義されています。このメソッドはビジネスロジック層の TaskService#create メソッドから呼び出されます。

@Mapper
public interface TaskRepository {

    @Insert("""
            INSERT INTO tasks (
                summary
              , description 
              , status
            ) VALUES (
                #{task.summary}
              , #{task.description}
              , #{task.status}
            )
            """)
    void insert(@Param("task") TaskEntity newEntity);
}

まとめ：大規模な Web アプリケーション開発にはコードを整理する戦略が必須

3層アーキテクチャは、ソフトウェア設計の基本的なパターンの一つです。規模が大きいソフトウェア開発では、このような設計パターンを適用しソースコードの管理をすることが必要です。 3層アーキテクチャの考えを Spring Framework での開発と組み合わせることで、効率的なアプリケーションの開発が可能です。