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軟件體系結(jié)構(gòu)研究與發(fā)展

2013.02.19

軟件體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外軟件研究的熱點(diǎn)，人們已經(jīng)把解決復(fù)雜軟件設(shè)計(jì)的難題，以及提高軟件設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量寄托在軟件體系結(jié)構(gòu)研究的突破上。然而，軟件體系結(jié)構(gòu)的技術(shù)研究從理論到實(shí)踐還處在發(fā)展時(shí)期。主要研究包括：

1）軟件體系結(jié)構(gòu)形式化

2）軟件體系結(jié)構(gòu)的描述語言、工具和環(huán)境

3）軟件體系結(jié)構(gòu)經(jīng)典風(fēng)格、應(yīng)用框架和設(shè)計(jì)模式的總結(jié)

1）軟件體系結(jié)構(gòu)形式化

形式化方法的兩方面研究：

①用形式化體系解釋體系結(jié)構(gòu)

抽象定義體系結(jié)構(gòu)的精確語義，證明某種體系結(jié)構(gòu)運(yùn)用的必然性和充分性，進(jìn)而擴(kuò)展證明它的使用性，并且，作為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)合理性的基礎(chǔ)，用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)選取。

軟件體系結(jié)構(gòu)的主要形式化體系：

形式化對(duì)象關(guān)系表達(dá)：類屬理論(Category Theory)

形式化描述語言：Z標(biāo)記語言(ZNotation)

抽象代數(shù)理論：抽象模型

等等

②體系結(jié)構(gòu)描述語言ADL(Architecture DescriptionLanguage)

用形式化的符號(hào)表示體系，進(jìn)行建模和結(jié)構(gòu)分析。形式地描述結(jié)構(gòu)，便于掌握系統(tǒng)全局和特征，便于分析系統(tǒng)的構(gòu)成角色和特性，便于復(fù)用和繼承已有結(jié)構(gòu)，目標(biāo)是體系結(jié)構(gòu)自動(dòng)化。

研究進(jìn)展：

ACME: 描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的交互機(jī)制

Aesop:對(duì)體系結(jié)構(gòu)特定風(fēng)格的規(guī)范性描述

C2: 描述分布式可延展動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

MetaH:用于描述導(dǎo)引和控制體系結(jié)構(gòu)

Rapide:對(duì)體系結(jié)構(gòu)描述中的動(dòng)態(tài)行為建模并模擬運(yùn)行

SADL: 用形式化對(duì)體系結(jié)構(gòu)層次及不同層次的細(xì)節(jié)描述

Unicom:用公共接口協(xié)議連結(jié)構(gòu)件，粘合生成系統(tǒng)的方式

Wright:用于并發(fā)性系統(tǒng)建模，對(duì)死鎖等動(dòng)態(tài)行為分析

2）軟件體系結(jié)構(gòu)的工具和環(huán)境

描述語言和工具環(huán)境的關(guān)系：

描述語言--研究語言的成分和表示能力

工具環(huán)境--研究工程平臺(tái)和系統(tǒng)建設(shè)能力

描述語言的可用性，直接反映在工具所提供的環(huán)境中

軟件體系結(jié)構(gòu)工具環(huán)境應(yīng)該具備的基本功能：

提供動(dòng)態(tài)行為描述，可進(jìn)行運(yùn)行配置

2 軟件體系結(jié)構(gòu)語言ADL

ADL研究現(xiàn)狀：

認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一，ADL商業(yè)產(chǎn)品大都來自企業(yè)和學(xué)術(shù)團(tuán)體，它們的手段和目標(biāo)不盡相同。

ADL研究雖然在業(yè)界有影響，但并沒有達(dá)到一般性的實(shí)際應(yīng)用。

ADL具備的共同點(diǎn)：

提供圖形句法表示手段，給了形式化的句法和語義

提供分布式系統(tǒng)建模描述

除支持?jǐn)?shù)據(jù)流和控制流連接，很少支持其他類型的連接

支持詳細(xì)結(jié)構(gòu)層次的表示，并支持子結(jié)構(gòu)的模板實(shí)例化

除了一般的注釋說明，不支持設(shè)計(jì)的依據(jù)和歷史跟蹤

各種ADL目前存在的問題：

描述結(jié)構(gòu)的實(shí)際處理角度不同。有從硬件結(jié)構(gòu)的角度，也有從軟件優(yōu)先級(jí)角度的。

描述結(jié)構(gòu)的范圍不同。大部分都包含管道過濾器體系結(jié)構(gòu)形式，有的包含了層次式部件結(jié)構(gòu)，有的包含了對(duì)象式結(jié)構(gòu)，還有的包含了動(dòng)態(tài)體系以及類繼承體系。

描述結(jié)構(gòu)支持一致性的完整程度不同。大部分支持內(nèi)部一致性，有的支持部件間的一致性。

描述結(jié)構(gòu)在分析能力的支持方面存在明顯不足。

描述結(jié)構(gòu)在處理相同體系結(jié)構(gòu)的不同實(shí)例能力上，或者說可變性方面，存在明顯不足。

IEEEP1471規(guī)定了應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)的描述標(biāo)準(zhǔn)：(2000.9)

體系結(jié)構(gòu)的存檔要求

能區(qū)別個(gè)體及其關(guān)系

體系結(jié)構(gòu)視點(diǎn)

體系結(jié)構(gòu)視點(diǎn)的選擇

體系結(jié)構(gòu)視點(diǎn)之間的一致性

體系結(jié)構(gòu)原理

ADL應(yīng)該具備的基本特點(diǎn)：

能使用較小的獨(dú)立體系結(jié)構(gòu)元素來建造軟件系統(tǒng)；

關(guān)注的是構(gòu)件和連接件描述，而無需關(guān)注實(shí)現(xiàn)；

構(gòu)件和連接件以及體系結(jié)構(gòu)都是開發(fā)設(shè)計(jì)的重用部件；

描述的每個(gè)元素都有自己局部的結(jié)構(gòu)，支持動(dòng)態(tài)變化組合；

可描述不同體系結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)；

可對(duì)描述的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能及功能的分析。

2.1 ADL核心模型

所有ADL都圍繞著被稱為“軟件體系結(jié)構(gòu)核心模型”而設(shè)計(jì)的。軟件體系結(jié)構(gòu)核心模型由五個(gè)基本元素：構(gòu)件、連接件、配置、端口和角色。

構(gòu)件：是軟件結(jié)構(gòu)的構(gòu)造塊，是計(jì)算與狀態(tài)存在的場(chǎng)所

構(gòu)件的大小：可小到只有一個(gè)過程或大到整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)

構(gòu)件的存儲(chǔ)：有自己的或與其它成分共享的存儲(chǔ)和執(zhí)行空間

構(gòu)件的屬性：如類型、語義、狀態(tài)，等

構(gòu)件接口（端口）：構(gòu)件與外部交互的端口點(diǎn)。

構(gòu)件接口可以有多個(gè)，不同的接口對(duì)應(yīng)不同的操作。

ADL中的構(gòu)件接口說明，提供構(gòu)件消息和操作變量的描述手段，能定義構(gòu)件提供的計(jì)算及約束條件。

構(gòu)件類型：構(gòu)件是按照指定的類型實(shí)例化的，類型可參數(shù)化。ADL應(yīng)具有構(gòu)件類型保證機(jī)制。

構(gòu)件演化：構(gòu)件通過子類型形成特性細(xì)化的特殊構(gòu)件。目前只有少數(shù)幾種ADL部分地支持構(gòu)件演化。

連接件：軟件結(jié)構(gòu)的構(gòu)造塊。建立構(gòu)件交互的規(guī)則。

與構(gòu)件的區(qū)別：不直接對(duì)應(yīng)編譯單元。

連接件包括：

消息路由兼容設(shè)備、共享變量、入口表、緩沖區(qū)、指令連接器、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)嵌在代碼中的遠(yuǎn)程過程調(diào)用序列、初始化參數(shù)、客戶服務(wù)協(xié)議、管道、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、應(yīng)用程序之間的查詢語言，等。

連接件接口（角色）：由一組角色組成，參與者對(duì)應(yīng)交互的角色。例如：二元消息傳遞連接件有兩個(gè)角色，發(fā)送者和接收者。而廣播連接件有多個(gè)角色，一個(gè)發(fā)送者角色，多個(gè)接收者角色。

連接件協(xié)議：提供規(guī)定類型的通信交互的規(guī)范。協(xié)議可以是獨(dú)立的或是內(nèi)嵌在交互機(jī)制中實(shí)現(xiàn)的。

ADL應(yīng)提供協(xié)議的交換語法，能夠規(guī)劃交互協(xié)議，建立內(nèi)部連接件的依賴關(guān)系以及用途邊界。通過強(qiáng)制風(fēng)格和角色限制來保證連接約束。

體系結(jié)構(gòu)配置---是用來描述體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)件與連接件的連接圖。配置信息可以用來確定構(gòu)件的連接、接口的匹配，通信的正確性以及實(shí)現(xiàn)的組合行為語義。

文本和圖形說明---ADL應(yīng)該以簡(jiǎn)單的、可理解的語法來配置結(jié)構(gòu)化信息。除了文本形式外，還提供圖形說明形式，并且它們之間可以互換。多視圖、多場(chǎng)景的體系結(jié)構(gòu)方法成為研究方向。

復(fù)合及合成---復(fù)合是包括將一個(gè)整體作為另一個(gè)的部分構(gòu)成更大的配置。這樣可以適應(yīng)異構(gòu)和不斷變化的結(jié)構(gòu)

目前在軟件體系結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域出現(xiàn)多種體系結(jié)構(gòu)描述語言，既有針對(duì)特定領(lǐng)域的ADL，也有以通用性為目標(biāo)的ADL。不同的ADL描述體系結(jié)構(gòu)的側(cè)重點(diǎn)不盡相同。

UniCon是 Caregie Mellon 大學(xué)的 Mary Shaw 等人研究的成果。它主要的目標(biāo)是支持對(duì)體系結(jié)構(gòu)的描述，針對(duì)構(gòu)件連接器模型，區(qū)分不同需要的構(gòu)件，支持構(gòu)件打包、定位、交互模式描述和編碼。

UniCon語言構(gòu)件描述示例

ComponentReal_Time_System

interface istypeGeneral

implementation is

uses client interface RTclient

PRIORITY(10)

…

end client

uses server interface RTserver

PRIORITY(10)

…

end server

establish RTM-realtime-sched with

client?applicetion1 as load

server?applicetion2 as load

server?services as load

ALGORITHM(rate_monotonic)

…

end RTM-realtime-sched

establish RTM-remote-proc-call with

client?timeget as caller

server?timeget as definer

IDLTYPE(Mach)

end RTM-remote-proc-call

…

end implementation

endReal_Time_System

實(shí)時(shí)系統(tǒng)構(gòu)件說明：

1.實(shí)時(shí)系統(tǒng)接口是通用類型

2.實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，

Client接口：優(yōu)先級(jí)等

Server接口：優(yōu)先級(jí)等

建立實(shí)時(shí)管理的實(shí)時(shí)調(diào)用程序

Client和Server加載應(yīng)用load

和服務(wù)算法

建立實(shí)時(shí)管理的遠(yuǎn)程調(diào)用程序

Client和Server交互方式

C2支持事件風(fēng)格的用戶界面體系結(jié)構(gòu)描述語言。配合有設(shè)計(jì)環(huán)境Argo系統(tǒng)。使用可替換、可重用的GUI構(gòu)件開發(fā)體系結(jié)構(gòu)。重點(diǎn)是構(gòu)件的動(dòng)態(tài)改變，以滿足某些GUI特性。

C2的連接件負(fù)責(zé)構(gòu)件之間的消息傳遞， C2的構(gòu)件只能通過連接件完成消息傳遞。消息要么是請(qǐng)求其它構(gòu)件執(zhí)行某項(xiàng)操作，要么是通知其它構(gòu)件改變狀態(tài)，請(qǐng)求消息只能向上層傳遞，通知消息只能向下層在內(nèi)部構(gòu)件間傳遞。

C2的構(gòu)件維持狀態(tài)、執(zhí)行操作并通過top和bottom端口與其它構(gòu)件交換信息。每個(gè)構(gòu)件最多只能和一個(gè)連接件相連，而連接件可以和任意數(shù)目的構(gòu)件相連。

Component_message_interface::=

top_domain_interface

bottom_domain_interface

top_domain_interface::=

top_domain is

out interface_requests

in interface_notifications

bottom_domain_interface::=

bottom_domain is

out interface_ notifications

in interface_requests

interface_requests::=

{request;} | null

interface_notifications ::=

{notification;} | null

request::=

message_name(request_parameters)

request_parameters::=

[to component_name][parameter_list]

notification::=

message_name[parameter_list]

Wright是一種特定的形式化體系結(jié)構(gòu)描述語言。它的連接器針對(duì)離散的、異步的行為關(guān)系模型構(gòu)件，并可限定配置。

ComponentSplitFilter

port Input [read data until end -of -data is reached ]

port Left [output data repeatly]

Port Right [output data repeatly]

computation [repeatly read from input,then output,

alternating betweenLeft and Righ Ports]

ConfigurationCapitalize

Component SplitFilter

Split.Left as p1.Source

Upper.Input as p1.Sink;

Split.Right as p2. Source;

Merge.Left as p2. Sink;

Upper.Output as p3. Source

Merge.Right as p3. Sink;

3.附件說明了連接件及構(gòu)件的組合約束。

Wright提供設(shè)計(jì)人員，尋找一種特定的體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格或模式來描述自己的設(shè)計(jì)。把設(shè)計(jì)限制在某種風(fēng)格范圍，可以共享合理的屬性集合與詞匯，便于關(guān)鍵部分的分析和驗(yàn)證。

可以聲名一系列構(gòu)件和連接件的類型，引入公共詞匯集，并通過類型實(shí)例化說明來定義具體的使用。（例如：管道過濾器風(fēng)格）

從軟件體系結(jié)構(gòu)研究和應(yīng)用的現(xiàn)狀來看，當(dāng)前對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)的描述，在很大程度上還停留在非形式化的基礎(chǔ)上。軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依賴于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和技巧。人們對(duì)同一種結(jié)構(gòu)的理解和表達(dá)差別很大，所使用的符號(hào)體系也相差很大，并且，對(duì)約定、術(shù)語和概念是分散的、缺乏嚴(yán)格性、一致性和系統(tǒng)性，沒有形成對(duì)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般性指導(dǎo)。這些都表明建立軟件形式化和規(guī)范化結(jié)構(gòu)描述的必要性。

要點(diǎn)：

形式地推論系統(tǒng)特征的方法

遵循給出的數(shù)學(xué)系統(tǒng)得出結(jié)論

數(shù)學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)是公式邏輯，提供正確的思維規(guī)律，或推理規(guī)則，即結(jié)論和前提間的推斷關(guān)系。

目的：

形式方法關(guān)注應(yīng)用模型和計(jì)算機(jī)模型之間的邏輯關(guān)系。軟件工程中的形式方法，即是依靠數(shù)學(xué)模型和計(jì)算，來描述和驗(yàn)證目標(biāo)軟件系統(tǒng)的行為和特性。

嚴(yán)格的形式化描述和驗(yàn)證技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)自然地軟件自動(dòng)生成和自動(dòng)驗(yàn)證的目的。

Z標(biāo)記形式化描述語言

Z標(biāo)記語言是由英國(guó)牛津大學(xué)的Programming Research Group研究的。是一種以一階謂詞邏輯和集合論為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)表示語言。它使用標(biāo)準(zhǔn)的邏輯操作符和集合操作符，以及標(biāo)準(zhǔn)的語義。由于描述的數(shù)學(xué)對(duì)象與程序?qū)ο笥屑捌湎嗨浦帲梢灾苯訉?duì)應(yīng)軟件工程問題，因此，Z語言被較廣泛地運(yùn)用在軟件程序規(guī)格說明和軟件體系結(jié)構(gòu)的形式化描述上。

Z的規(guī)范由文字和數(shù)學(xué)描述兩部分組成

數(shù)學(xué)描述使用類型集合的方式，每個(gè)類型是謂詞真值的集合

Z提供了一些基本的類型，如自然數(shù)N、整數(shù)Z等等

Z也可以自行定義類型，用[]引出，并用英文大寫字母

例如：[CLIENT，ROOM]兩個(gè)類型

Z的圖解架構(gòu)（schema）是一種類型結(jié)構(gòu)的抽象，采用盒式圖解結(jié)構(gòu)。架構(gòu)形式化地描述過程或結(jié)構(gòu)。盒中線以上是狀態(tài)描述變量，以下是變量關(guān)系式

一組構(gòu)造類型的運(yùn)算符：包括PX、X ′ Y、seq X、XY、X+Y、XY、X>Y、 X>+Y、等等

用Z語言描述文件存儲(chǔ)塊結(jié)構(gòu)以及處理文件存儲(chǔ)塊的行為特性。文件由固定長(zhǎng)度的存儲(chǔ)塊BLOCKS構(gòu)成，每個(gè)BLOCKS有起始地址、長(zhǎng)度等信息，并由序號(hào)標(biāo)識(shí)。系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)需求，從BLOCKS序列中取出存儲(chǔ)塊并分配使用。

事件系統(tǒng)中對(duì)EM事件管理器，只聲明是”事件與方法的對(duì)應(yīng)”，沒有規(guī)定同一個(gè)事件是否可與多個(gè)不同方法的關(guān)聯(lián)？或者可以不與任何方法關(guān)聯(lián)？并且，也沒有說明構(gòu)件發(fā)布事件的條件，以及與事件對(duì)應(yīng)方法的約束和限制。因此，對(duì)應(yīng)隱式激發(fā)機(jī)制需要做必要的說明。

MVC（Model-View-Controller）隱式激發(fā)機(jī)制，將視圖和控制作為依賴者向模型注冊(cè)，當(dāng)模型對(duì)象發(fā)布changed事件時(shí)，視圖和控制的update方法則隱式地被激發(fā)。因此，MVC事件系統(tǒng)應(yīng)提供changed事件與update方法的依賴關(guān)聯(lián)定義。

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