構(gòu)件化軟件工程的一些基本概念 所謂構(gòu)件化, 是指軟件體系結(jié)構(gòu)可重組以及軟件成份可重用的系統(tǒng)開發(fā)方法,。構(gòu)件是可用來構(gòu)成軟件系統(tǒng)的即插即用的軟件成分, 是可以獨(dú)立地制造、分發(fā),、銷售,、裝配的二進(jìn)制軟件單元。它由以下三大要素構(gòu)成:一,、接口：接口告訴構(gòu)件的用戶該構(gòu)件能完成什么功能,。二、實(shí)現(xiàn)：實(shí)現(xiàn)就是讓該構(gòu)件得以運(yùn)作的代碼,。一個(gè)構(gòu)件可以有多個(gè)實(shí)現(xiàn), 如一個(gè)構(gòu)件可以同時(shí)有處理XML文件的實(shí)現(xiàn)和處理關(guān)系型數(shù)據(jù)庫文件的實(shí)現(xiàn),。三、部署：部署是構(gòu)件的存在形式, 一般即為二進(jìn)制代碼或可執(zhí)行文件,。這種方法的基本內(nèi)涵是: 應(yīng)用需求領(lǐng)域化, 軟件結(jié)構(gòu)框架化, 軟件元素構(gòu)件化, 應(yīng)用原型實(shí)例化,。 構(gòu)件模型是對(duì)構(gòu)件本質(zhì)特征的抽象描述。構(gòu)件模型規(guī)定了構(gòu)件接口的結(jié)構(gòu)以及構(gòu)件與軟件構(gòu)架,、構(gòu)件與構(gòu)件之間的交互機(jī)制,。構(gòu)件模型通常還提供創(chuàng)建和實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的指導(dǎo)原則。一個(gè)被所有構(gòu)件生產(chǎn)者和構(gòu)件復(fù)用者所接受的構(gòu)件模型實(shí)際上起到了構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化的作用,。 所謂的軟件構(gòu)件化, 就是要讓軟件開發(fā)像機(jī)械制造工業(yè)一樣, 可以用各種標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)的零件來進(jìn)行組裝, 或者像建筑業(yè)一樣, 用各種建筑材料搭建成各式各樣的建筑,。軟件的構(gòu)件化和集成技術(shù)的目標(biāo)是: 軟件可以由不同廠商提供的, 用不同語言開發(fā)的, 在不同硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的軟件構(gòu)件, 方便地、動(dòng)態(tài)地集成,。這些構(gòu)件要求能互操作, 它們可以放在本地的計(jì)算機(jī)上, 也可以分布式地放置在網(wǎng)上異構(gòu)環(huán)境下的不同結(jié)點(diǎn)上,。 基于構(gòu)件的軟件工程開發(fā)的基本思想 構(gòu)件技術(shù)是應(yīng)用級(jí)別的集成技術(shù)。其基本思想是將應(yīng)用軟件分解成為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的單元, 將軟件開發(fā)地過程轉(zhuǎn)變成為類似于搭積木的搭建過程, 通過組裝不同的軟件構(gòu)件單元來實(shí)現(xiàn)軟件的集成, 按照構(gòu)件技術(shù)的觀點(diǎn), 應(yīng)用軟件的開發(fā)就成為各種不同構(gòu)件的集成過程.
構(gòu)件化軟件系統(tǒng)的開發(fā)方法 基于構(gòu)件的軟件系統(tǒng)的開發(fā)以構(gòu)件為核心, 而且在需求分析階段就可著手進(jìn)行構(gòu)件收集工作, 增加了開發(fā)的并行程度, 這從另一個(gè)方面提高了開發(fā)效率,。它的開發(fā)大體可以包括兩部分: 一是構(gòu)件的開發(fā), 二是應(yīng)用程序的開發(fā),。而基于構(gòu)件的軟件系統(tǒng)的開發(fā)方法是面向重用的,面向接口和面向連接的,。如下圖所示： 構(gòu)件化軟件開發(fā)的過程模型 基于構(gòu)建的軟件開發(fā)過程與傳統(tǒng)的軟件開發(fā)有著很大的不同。其中最顯著的一點(diǎn)就是它的開發(fā)過程不再是算法+數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，而是構(gòu)件的開發(fā)+基于體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)件的組裝,。 構(gòu)件化建模過程一般針對(duì)領(lǐng)域應(yīng)用系統(tǒng), 構(gòu)件抽象則針對(duì)解域, 構(gòu)件化模型即構(gòu)架的生成過程是動(dòng)態(tài)的, 軟件重用粒度是組合級(jí)的. 領(lǐng)域應(yīng)用是多個(gè)單一應(yīng)用通用化和重用化的應(yīng)用集群, 解域是問題域的過程與層次深化, 構(gòu)件則是對(duì)象的軟件實(shí)現(xiàn)與集成。 構(gòu)件化方法可以概括為四個(gè)階段,、三個(gè)層次和兩個(gè)過程,。如圖一所示 四個(gè)階段是指：分析、設(shè)計(jì),、實(shí)現(xiàn),、評(píng)價(jià)。是過程并行與增量迭代等多種方法相結(jié)合的工作流模型,。構(gòu)件化方法是遵循軟件生命周期規(guī)律的,，在構(gòu)件化方法中, 可以引入并行工程思想和能力成熟度模型(CMM ) 來進(jìn)行局部過程改造, 以提高系統(tǒng)開發(fā)效率和持續(xù)優(yōu)化效果; 可以引入領(lǐng)域工程思想和面向?qū)ο蠓椒▉砀纳平C(jī)制, 以提高系統(tǒng)實(shí)施過程的可操作性。這就是面向構(gòu)件方法論的主要過程特征,。 第一階段：分析,。基于構(gòu)件的軟件開發(fā)過程的需求分析與傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方法大體相同都是對(duì)對(duì)象領(lǐng)域內(nèi)的共性特征,、共性需求,、共性結(jié)構(gòu)以及可變特征、特有需求進(jìn)行歸納和一致性描述, 本階段的工作不必也未必能面面俱到, 可以隨著以后行為分析的進(jìn)行而不斷地調(diào)整,、具體、優(yōu)化,。 第二階段：設(shè)計(jì),。這一階段的主要任務(wù)包括根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)的需要修改構(gòu)件, 根據(jù)開發(fā)平臺(tái)的需要對(duì)構(gòu)件進(jìn)行必要的改變以及對(duì)構(gòu)件進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳?jí)以便取得更好的應(yīng)用效果等等。這一階段工作的核心就是對(duì)構(gòu)件進(jìn)行修改以求它能同其它構(gòu)件兼容以及在特定的系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用,。這一階段開始時(shí)需要系統(tǒng)的需求, 構(gòu)件的需求以及構(gòu)件開發(fā)相關(guān)的文件,。結(jié)束后能夠得到復(fù)合系統(tǒng)要求的構(gòu)件和與系統(tǒng)集成和系統(tǒng)維護(hù)相關(guān)的文件。 為了保證基于構(gòu)件的軟件系統(tǒng)能夠正常有效的進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn),。系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)是十分重要的,。架構(gòu)的設(shè)計(jì)是評(píng)估。選擇和構(gòu)建基于構(gòu)件的軟件系統(tǒng)架構(gòu)的過程,。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是綜合用戶的需求,確定系統(tǒng)的規(guī)范, 選擇合適的架構(gòu)和確定系統(tǒng)的實(shí)施細(xì)節(jié),。例如實(shí)施平臺(tái), 程序語言等等。通過研究和企業(yè)的具體實(shí)踐來看基于構(gòu)件的軟件系統(tǒng)的架構(gòu)應(yīng)當(dāng)是分層模塊結(jié)構(gòu),。軟件的架構(gòu)包括兩大部分,。一是應(yīng)用層。它是支持一個(gè)企業(yè)正常運(yùn)營的應(yīng)用系統(tǒng),。二是構(gòu)件層, 包括軟件中的各個(gè)構(gòu)件,。 也分為三個(gè)層次,。第一層包括僅僅應(yīng)用在特殊的企業(yè)或者應(yīng)用領(lǐng)域的構(gòu)件。第二層指橫跨企業(yè)內(nèi)部的中層構(gòu)件, 包括普通的軟件和與其它應(yīng)用實(shí)體的連接部分,。第三層是指連接操作系統(tǒng)和其它相關(guān)硬件的基礎(chǔ)性構(gòu)件,。 第三階段：實(shí)現(xiàn)。在所有的構(gòu)件都就緒后, 最后就是把這些構(gòu)件按系統(tǒng)構(gòu)架組裝應(yīng)用系統(tǒng),。組裝過程完成構(gòu)件的連接和約束工作,。一般只需要編寫些基本代碼。諸如構(gòu)件間的互相調(diào)用等即可,。其過程大體包括四個(gè)部分集成, 測(cè)試, 改變構(gòu)件和重新集成,。 第四階段：評(píng)價(jià),。軟件的可復(fù)用性是人們?cè)u(píng)價(jià)一個(gè)軟件的重要指標(biāo),。確定一個(gè)系統(tǒng)能否滿足特定的需求以及發(fā)現(xiàn)并改正系統(tǒng)實(shí)施過程中漏洞需要對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。而系統(tǒng)測(cè)試的目標(biāo)是根據(jù)系統(tǒng)需求選擇的構(gòu)件集成的最終系統(tǒng),。系統(tǒng)測(cè)試應(yīng)當(dāng)包括功能測(cè)試和穩(wěn)定性測(cè)試,。在這一階段中需要選擇合適的測(cè)試方法,，包括單元測(cè)試(測(cè)試單個(gè)構(gòu)件)，集成測(cè)試(測(cè)試由構(gòu)件構(gòu)成的子系統(tǒng)),，系統(tǒng)測(cè)試(測(cè)試由子系統(tǒng)構(gòu)成的整個(gè)系統(tǒng))等,。需要的材料包括構(gòu)件設(shè)計(jì)，開發(fā),，修改階段以及系統(tǒng)集成階段的文件,。通過系統(tǒng)測(cè)試可以得到系統(tǒng)維護(hù)階段需要的資料。 構(gòu)件化軟件開發(fā)過程按三個(gè)層次展開：概念層, 邏輯層, 物理層,。這與UML 描述,、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)模式和元建模技術(shù)等多種方法是一致的, 差別只在術(shù)語不同。 例如, 在基于UML 形式描述的面向?qū)ο蠼Ｖ?/span>, 上述三個(gè)層次稱概念層,、說明層和實(shí)現(xiàn)層; 而在元建模中, 則稱元知識(shí)層,、結(jié)構(gòu)知識(shí)層和算法知識(shí)層。 其過程是：首先從特定應(yīng)用需求出發(fā), 通過領(lǐng)域需求分析進(jìn)行共性需求識(shí)別,、領(lǐng)域?qū)ο蟪橄蠛皖I(lǐng)域知識(shí)獲取, 以建立概念級(jí)的領(lǐng)域模型. 進(jìn)而通過領(lǐng)域設(shè)計(jì)為領(lǐng)域需求尋求軟件解決方案, 進(jìn)入到第二層邏輯層,，還包括構(gòu)架級(jí)和構(gòu)件級(jí)的設(shè)計(jì)模型; 這種模型體現(xiàn)了初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)成果, 體現(xiàn)了框架結(jié)構(gòu)和部件結(jié)構(gòu)的組成原理可行性, 因而是一種邏輯模型。由問題域的領(lǐng)域模型轉(zhuǎn)化為解域的構(gòu)架模型和構(gòu)件模型, 是一個(gè)知識(shí)提取(正向) 和分析精化(逆向) 的迭代式增量開發(fā)過程. 第三, 根據(jù)領(lǐng)域應(yīng)用開發(fā)或直接重用需要, 進(jìn)行領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn); 包括領(lǐng)域構(gòu)件的識(shí)別,、設(shè)計(jì),、編碼和測(cè)試等局部過程集成, 系統(tǒng)構(gòu)件的分類、檢索,、引用和構(gòu)件庫維護(hù), 領(lǐng)域構(gòu)件與系統(tǒng)構(gòu)件的演化,、例化、組合和應(yīng)用原型的動(dòng)態(tài)生成等領(lǐng)域框架整體集成, 從而建立符合領(lǐng)域應(yīng)用的各種物理模型,。第四, 通過運(yùn)行模擬(正向)和設(shè)計(jì)優(yōu)化(逆向)等措施, 對(duì)領(lǐng)域化軟件原型進(jìn)行可用性評(píng)價(jià)和可重構(gòu)驗(yàn)證, 并對(duì)符合確認(rèn)測(cè)試條件的應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行全局封裝和使用規(guī)范生成; 最終獲得一個(gè)真正構(gòu)件化的目標(biāo)系統(tǒng), 這是一個(gè)經(jīng)過版本逐次尋優(yōu)的實(shí)用軟件系統(tǒng).整個(gè)過程模型充分體現(xiàn)重構(gòu)工程思想, 并把面向構(gòu)件的軟件開發(fā)分離為正向工程和逆向工程兩大過程. 正向工程側(cè)重體現(xiàn)自頂向下與過程并行特征, 解決軟件構(gòu)架和構(gòu)件的可用性問題; 逆向工程側(cè)重體現(xiàn)自底向上與增量迭代特征, 解決構(gòu)架及構(gòu)件的可重構(gòu)性問題. 過程重構(gòu)的基本內(nèi)涵是, 概念重定義, 結(jié)構(gòu)重說明, 算法重用, 系統(tǒng)重生成,。 面向構(gòu)件的建模支持機(jī)制 常用的構(gòu)件化建模方法如, 面向?qū)ο蠓椒?/span>UML 描述,框架,、實(shí)例及其規(guī)則描述, 巴科斯范式、謂詞邏輯和體系結(jié)構(gòu)描述語言(ADL )等形式化描述, Petri 網(wǎng)和導(dǎo)航圖等可視化描述. 支持上述建模方法的典型機(jī)制如, 抽象類型, 元模式, 模板, 分布對(duì)象, 協(xié)作代理, 參數(shù)化框架, 導(dǎo)航圖標(biāo), 軟件總線, 以及設(shè)計(jì)詞匯表. UML 描述提供了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種建模機(jī)制. 在靜態(tài)建模過程中, 可通過用例圖來描述反映功能需求的領(lǐng)域模型, 通過類圖,、對(duì)象圖和包圖來描述面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)模型, 通過構(gòu)件圖和配置圖來描述軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)模型. 在動(dòng)態(tài)建模過程中, 可通過交互圖,、狀態(tài)圖和活動(dòng)圖來描述軟件系統(tǒng)的行為模型;包括對(duì)象間的交互與協(xié)作, 對(duì)象的生命周期及狀態(tài)轉(zhuǎn)換, 事務(wù)處理及過程同步控制等.框架—規(guī)則—實(shí)例(稱 FRI)描述是智能建模方法的推廣應(yīng)用. 框架(Framework)是描述結(jié)構(gòu)性問題的基本骨架, 是一組實(shí)體、關(guān)聯(lián)和約束的集合. 規(guī)則(Rule)可用于定義實(shí)體與實(shí)例之間的結(jié)構(gòu)組裝或集成方法, 是結(jié)構(gòu)中各類元素交互與連接映射的集合. 實(shí)例(Instance)是描述問題解決方案的例化模板, 是一組特定的結(jié)構(gòu)類型和元素類型即表示值的集合. FRI描述特別適用于軟件構(gòu)架設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)生成. 其它建模機(jī)制的作用如, 巴科斯范式可用于概念模型的規(guī)范化描述, 謂詞邏輯可用于說明構(gòu)架和構(gòu)件的約束條件,ADL 語言可定義軟件體系結(jié)構(gòu)的風(fēng)格, Petri 網(wǎng)可描述工作流和事務(wù)處理的動(dòng)態(tài)特性, 導(dǎo)航圖可用于構(gòu)件庫的組織與管理. 設(shè)計(jì)詞匯表可用于定義構(gòu)件和連接件的類型; 使得領(lǐng)域概念元素化, 功能分解原子化, 構(gòu)件聚合結(jié)構(gòu)化. 構(gòu)件化軟件工程方法中工程化方法與形式化方法 近幾年來,，隨著軟件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不斷復(fù)雜化以及基于因特網(wǎng)的web應(yīng)用不斷增多,，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對(duì)軟件質(zhì)量的認(rèn)識(shí)發(fā)生了改變，除了要考慮軟件產(chǎn)品功能和性能外,，還要考慮產(chǎn)品的可靠和安全,。因此，如何減少軟件開發(fā)過程中的缺陷,，成為軟件工程和信息安全共同的研究課題,。根據(jù)“缺陷放大模型-以及業(yè)界大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明；修正軟件缺陷的成本隨著發(fā)現(xiàn)該缺陷的時(shí)間推遲而增長,，50%-75%的缺陷是設(shè)計(jì)階段注入的,。因此，在軟件開發(fā)的整個(gè)生命周期中考慮軟件的安全性,，特別是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段,，分析軟件架構(gòu)的安全性"改進(jìn)產(chǎn)品架構(gòu)安全設(shè)計(jì)，為保障軟件產(chǎn)品安全性起到了決定性的作用,。同時(shí),，由于大型復(fù)雜軟件產(chǎn)品 軟件架構(gòu)的安全性分析過程一般包含三個(gè)步驟：第一步是架構(gòu)師根據(jù)軟件需求進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì),。第二步是安全分析師在架構(gòu)師的幫助下對(duì)架構(gòu)進(jìn)行建模或描述,，同時(shí)還要對(duì)軟件的安全需求或安全模型（機(jī)制）進(jìn)行建?；蛎枋?/span>；最后是安全分析師檢查架構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿足安全需求或安全模型（機(jī)制）,，如果不滿足,，安全分析師要根據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)架構(gòu)師對(duì)軟件架構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并再次執(zhí)行上述檢查直到獲得安全的架構(gòu)設(shè)計(jì)為止,。 根據(jù)軟件架構(gòu)安全性分析過程中不同的研究思路和方法,，我們將現(xiàn)有的方法分為兩大類：一類是形式化的理論方法；一類是工程化的應(yīng)用方法,。 所謂形式化,，從廣義上講,，形式化方法是指離散數(shù)學(xué)的方法用于解決軟件工程領(lǐng)域問題，主要包括精確的數(shù)學(xué)模型以及對(duì)模型的分析活動(dòng),。狹義上講,，形式化方法是運(yùn)用形式化語言，進(jìn)行形式化的規(guī)格描述,、模型推理和驗(yàn)證的方法,。就形式化建模而言，形式化表示必須包含一組定義其語法語義的形式化規(guī)則,。這些規(guī)則可用于分析給定的表達(dá)式是否符合語法規(guī)定,，或證明該表達(dá)式具有某種性質(zhì)。根據(jù)形式化的程度,，可以把軟件工程方法劃分成非形式化,、半形式化和形式化三類。使用自然語言描述需求規(guī)格說明,，是典型的非形式化方法,。使用數(shù)據(jù)流圖或?qū)嶓w—關(guān)系圖等圖形符號(hào)建立模型，是典型的半形式化方法,。 基于數(shù)學(xué)的形式化規(guī)格說明技術(shù),，目前還沒有在軟件產(chǎn)業(yè)界廣泛應(yīng)用,，它確實(shí)有實(shí)質(zhì)性的優(yōu)點(diǎn)：形式化的規(guī)格說明可以用數(shù)學(xué)方法研究、驗(yàn)證(例如,，一個(gè)正確的程序可以被證明滿足其規(guī)格說明,，兩個(gè)規(guī)格說明可以被證明是等價(jià)的，規(guī)格說明中存在的某些形式的不完整性和不一致性可以被自動(dòng)地檢測(cè)出來),。此外,，形式化的規(guī)格說明消除了二義性，而且它鼓勵(lì)軟件開發(fā)者在軟件工程過程的早期階段使用更嚴(yán)格的方法,，從而可以減少差錯(cuò),。當(dāng)然，形式化方法也有缺點(diǎn)：大多數(shù)形式化的規(guī)格說明主要關(guān)注于系統(tǒng)的功能和數(shù)據(jù),，而問題的時(shí)序,、控制和行為等方面的需求卻更難于表示。 軟件開發(fā)的工程化是指將軟件的開發(fā)企圖變成工業(yè)化流水線一樣的加工,，從而保證開發(fā)的進(jìn)度與質(zhì)量,。也就是說開發(fā)過程不再依賴于個(gè)人的技藝,，而是依賴于整個(gè)工程的合理組織和工藝的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化及過程的可視性,。利用軟件工程化方法開發(fā)軟件系統(tǒng),，可以獲得事半功倍的效果，并且可使軟件在整個(gè)生命周期中實(shí)現(xiàn)良性循環(huán),。但軟件工程化工作的周期通常比較長,，行業(yè)還沒有強(qiáng)制性驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，軟件開發(fā)組織往往只著眼短期利益,，不能夠持續(xù)不斷投入資源,。軟件組織經(jīng)常會(huì)感到軟件工程化工作的繁重復(fù)雜，沒有現(xiàn)成的模式,，不知如何有效的開展工程化工作,。 這兩類方法在安全性的描述、分析方法,、分析過程,、分析結(jié)果等方面存在不同的特征，其對(duì)比如下表所示,。 表1 理論和應(yīng)用方法的比較
結(jié)束語 本文通過引入構(gòu)件技術(shù)軟件工程方法的概念,、基本思想,、模型、支持的機(jī)制以及工程化方法和形式化方法,?；跇?gòu)件的軟件開發(fā)已經(jīng)不是什么新名詞，但是目前世界上還沒有開發(fā)商用構(gòu)件的公司出現(xiàn),，還沒有形成規(guī)?；瘜I(yè)化、商品化的構(gòu)件生產(chǎn),，可供使用的商品化業(yè)務(wù)構(gòu)件還很少，同時(shí)基于構(gòu)件的開發(fā)方法還有許多有待于進(jìn)一步解決的問題,，如系統(tǒng)構(gòu)件,、組織構(gòu)件及構(gòu)件庫的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化問題，與人工智能,、軟件自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)一步的結(jié)合問題等等,。但是我們可以相信, 隨著技術(shù)的不斷發(fā)展, 采用構(gòu)件化和軟件復(fù)用的方法進(jìn)行軟件開發(fā)必將受到人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾暋?/span> |
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