李庭磊

（廣東電網(wǎng)公司惠州供電局，廣東 惠州 516000）

1 概況

軟件體系結(jié)構(gòu)以部件和連接作為基本的建模實(shí)體，對(duì)部件和連接提供了多重接口，可以描述部件間豐富的交互語(yǔ)義，較好地支持軟件系統(tǒng)一級(jí)的重用及軟件的某些特性分析。當(dāng)前軟件體系結(jié)構(gòu)的描述方法主要用ADL等，這些方法不僅難以被開(kāi)發(fā)人員理解，并且目前沒(méi)有應(yīng)用于工業(yè)界。如果將軟件體系結(jié)構(gòu)與面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)方法統(tǒng)一起來(lái)，則一方面可以在軟件開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)階段分析軟件的某些特性，重用軟件的整個(gè)組織結(jié)構(gòu)，另一方面又可以利用面向?qū)ο蠓椒ǖ闹С止ぞ?。統(tǒng)一建模語(yǔ)言（UML）是當(dāng)前主流的面向?qū)ο筌浖_(kāi)發(fā)方法，它引入了形式化定義（對(duì)象約束語(yǔ)言O(shè)CL）有利于描述軟件體系結(jié)構(gòu)，同時(shí)又具有很好的擴(kuò)充機(jī)制、眾多的工具支持、與具體程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)過(guò)程無(wú)關(guān)等特點(diǎn)。本文選擇UML作為描述軟件體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，利用UML的半形式化特性（OCL）和嵌入的擴(kuò)充機(jī)制描述了軟件體系結(jié)構(gòu)核心模型。

2 UML元建模及其可擴(kuò)展機(jī)制

2.1 UML元建模簡(jiǎn)介

通常公認(rèn)的元建模的概念框架基于一個(gè)四層的體系結(jié)構(gòu)：元元模型、元模型、模型、用戶對(duì)象。元元建模層構(gòu)成了元建模體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，主要責(zé)任是定義描述元模型的語(yǔ)言。在元元模型層上的元元對(duì)象的例子有：元類(lèi)、元屬性和元操作。一個(gè)元模型是一個(gè)元元模型的實(shí)例。元模型層的主要責(zé)任是定義描述模型的語(yǔ)言，比定義它的元元模型更加精細(xì)。在元模型層上的元對(duì)象的例子如：類(lèi)、屬性、操作和構(gòu)件。一個(gè)模型是一個(gè)元模型的實(shí)例，主要責(zé)任是定義描述信息論域的語(yǔ)言。用戶對(duì)象是一個(gè)模型的實(shí)例，主要責(zé)任是描述一個(gè)特定的信息論域。

2.2 UML的擴(kuò)展機(jī)制

UML提供的擴(kuò)展機(jī)制允許建模者在不改變基本建模語(yǔ)言的前提下根據(jù)實(shí)際需求做相應(yīng)的擴(kuò)展。UML提供構(gòu)造型、標(biāo)記值和約束三種擴(kuò)展機(jī)制來(lái)增加模型中的新構(gòu)造塊、創(chuàng)建新特性和描述新語(yǔ)義：

(1)構(gòu)造型：構(gòu)造型可以為UML增加新事物，它是在一個(gè)已定義完好的模型元素基礎(chǔ)上構(gòu)造出一種新的模型元素。

(2)標(biāo)記值：標(biāo)記值擴(kuò)展UML構(gòu)造塊的特性或標(biāo)記其他模型元素，為UML事物增加新特性。標(biāo)記值可以用來(lái)存儲(chǔ)元素的任意信息，也可以用來(lái)存儲(chǔ)有關(guān)構(gòu)造型模型元素的信息。

(3)約束：用于加入新的規(guī)則或修改已經(jīng)存在的規(guī)則，即利用一個(gè)表達(dá)式把約束信息應(yīng)用于元素上。約束是用文字表達(dá)式來(lái)表示元素、依賴(lài)關(guān)系、注釋上的語(yǔ)義限制。

3 軟件體系結(jié)構(gòu)的描述方法

在目前通用的軟件開(kāi)發(fā)方法中，其描述通常是用非形式化的圖和文本，難以被開(kāi)發(fā)人員理解，更不能用來(lái)分析其一致性和完整性等特性。針對(duì)這些問(wèn)題，一些工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究者提出了體系結(jié)構(gòu)的形式化描述：體系結(jié)構(gòu)描述語(yǔ)言（ADL），用來(lái)表示和分析體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，同時(shí)提供了顯示、分析、模擬軟件體系結(jié)構(gòu)的相應(yīng)工具，主要的體系結(jié)構(gòu)描述語(yǔ)言有Aesop，Meta-H，C2等，盡管它們都描述軟件體系結(jié)構(gòu)，但這些ADL強(qiáng)調(diào)了體系結(jié)構(gòu)不同的側(cè)面，對(duì)體系結(jié)構(gòu)的研究起到了重要作用，但也有負(fù)面的影響，每一種ADL都以獨(dú)立的形式存在，描述語(yǔ)法不同且互不兼容，同時(shí)又有許多共同的特征，這使設(shè)計(jì)人員很難選擇一種合適的ADL，若設(shè)計(jì)特定領(lǐng)域的軟件體系結(jié)構(gòu)又需要從頭開(kāi)始描述，因此，下面我們將體系結(jié)構(gòu)的共同特征提取出來(lái)作為核心模型，該模型可以作為各種ADL映射到UML的共同基礎(chǔ)，若要映射某一具體的ADL，只需增加其相關(guān)的約束即可。

4 軟件體系結(jié)構(gòu)的核心模型

綜合軟件體系結(jié)構(gòu)概念及風(fēng)格分析，體系結(jié)構(gòu)的核心模型由5種元素組成：構(gòu)件、連接、配置、端口和角色。其中部件、連接和配置是最基本的元素。

（1）構(gòu)件是具有某種功能可重用的軟件模板單元，表示了系統(tǒng)中主要的計(jì)算元素和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。構(gòu)件有兩種：復(fù)合構(gòu)件和原子構(gòu)件。

（2）連接表示了構(gòu)件之間的交互，簡(jiǎn)單的連接如：pipes，procedure call，event broadcast等，更為復(fù)雜的交互如：數(shù)據(jù)庫(kù)和應(yīng)用之間的SQL連接。

（3）配置表示了構(gòu)件和連接的拓?fù)溥壿嫼图s束。

（4）構(gòu)件的接口由一組端口組成，每個(gè)端口表示了構(gòu)件和外部環(huán)境的交互點(diǎn)。通過(guò)不同的端口類(lèi)型，一個(gè)構(gòu)件可以提供多重接口。連接作為建模軟件體系結(jié)構(gòu)的主要實(shí)體，同樣也有接口，連接的接口由一組角色組成，連接的每一個(gè)角色定義了該連接表示的交互的參與者。

5 軟件體系結(jié)構(gòu)核心模型的UML描述

在UML中選擇與軟件體系結(jié)構(gòu)元素語(yǔ)義相近的元類(lèi)，定義它之上的StereoType作為該元類(lèi)的實(shí)例，并用對(duì)象約束語(yǔ)言（OCL）描述軟件體系結(jié)構(gòu)的約束，這樣就可以與UML元模型一致并可重用現(xiàn)有的UML相關(guān)工具。構(gòu)件是一個(gè)封裝的實(shí)體，它的實(shí)現(xiàn)部分不具有對(duì)外的接口。接口由一組Port構(gòu)成。在某些軟件體系結(jié)構(gòu)的研究中，連接只是概念上的抽象，它的具體實(shí)現(xiàn)嵌入在部件之中，一般沒(méi)有相應(yīng)的實(shí)體與之對(duì)應(yīng)，在這種情況下，當(dāng)一個(gè)構(gòu)件與預(yù)定義的連接不匹配時(shí)，只能對(duì)部件進(jìn)行重寫(xiě)，或者對(duì)構(gòu)件進(jìn)行包裝以適應(yīng)新的應(yīng)用背景，這就限制了構(gòu)件的重用。因此，如同構(gòu)件一樣，我們把連接也作為軟件體系結(jié)構(gòu)的重要實(shí)體，將表示Port的StereoType定義在UML的Package之上。使用UML表示軟件體系結(jié)構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)如下：

（1）軟件體系結(jié)構(gòu)僅由其構(gòu)件元素構(gòu)成；

（2）每個(gè)構(gòu)件具有Tagged Value，標(biāo)志它是原子構(gòu)件或是復(fù)合構(gòu)件；

（3）構(gòu)件只能通過(guò)Port與其它連接相關(guān)聯(lián)，而不能與其它構(gòu)件相關(guān)聯(lián)；

（4）每個(gè)構(gòu)件不能沒(méi)有Port；

（5）構(gòu)件在執(zhí)行時(shí)可以有多個(gè)實(shí)例；

（6）每一個(gè)連接至少與兩個(gè)部件相連；

（7）復(fù)合構(gòu)件的子構(gòu)件只能是由"連接"相連的復(fù)合構(gòu)件或原子構(gòu)件；

（8）原子構(gòu)件不能再包含其它構(gòu)件（原子構(gòu)件或子構(gòu)件）；

（9）每個(gè)Port至多只能與一個(gè)連接關(guān)聯(lián)；

（10）軟件體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)件和連接不參加其語(yǔ)義范圍以外的任何關(guān)聯(lián)。

結(jié)論

通過(guò)利用統(tǒng)一建模語(yǔ)言的擴(kuò)展機(jī)制和對(duì)象約束語(yǔ)言，找到了一種用以描述軟件體系結(jié)構(gòu)的一致并可重用的UML相關(guān)工具，使得軟件體系結(jié)構(gòu)與當(dāng)前的面向?qū)ο蠓椒ǖ玫接行У慕Y(jié)合，提高了軟件重用的抽象層次及軟件的開(kāi)發(fā)效率。本文討論的描述方法對(duì)這一方面的研究作了有益的探索，具有一定的理論指導(dǎo)意義。

[1]李代平.軟件工程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008，1.

[2]Mary Shaw，David Garlan.SoftWare Architecture.Pearson Education.2006

[3]UMLDOCUMENTS，Version1.1.URL，http://www.rational.com/uml.1997

[4]Mary Shaw，Garlan D.SoftWare Architecture：Perspectives on an Emerging Discipline.Englewood Cliffs，NJ:Prentice Hall，1996

[5]Garlan D.Higher-Order Connector，URL[DB／OL]．http://www.sei．cmu．edu，1998．

[6]Robbins JE，Medvidovic N.Integrating Architecture Description Language with a Standard Design Method，URL[DB/OL].http://www.ics.uci.edu，1997.

[7]張友生.軟件體系結(jié)構(gòu)[M].清華大學(xué)出版社，2006，11.