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體，對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義，較好地支持軟件系統(tǒng)一級的重用及軟件的某些特性分析。當前軟件體系結(jié)構(gòu)的描述方法主要用ADL等，這些方法不僅難以被開發(fā)人員理解，并且目前沒有應(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_發(fā)方法統(tǒng)一起來，則一方面可以在軟件開發(fā)的設(shè)計階段分析軟件的某些特性，重用軟件的整個組織結(jié)構(gòu)，另一方面又可以利用面向?qū)ο蠓椒ǖ闹С止ぞ摺＝y(tǒng)一建模語言（UML）是當前主流的面向?qū)ο筌浖_發(fā)方法，它引入了形式化定義（對象約束語言O(shè)CL）有利于描述軟件體系結(jié)構(gòu)，同時又具有很好的擴充機制、眾多的工具支持、與具體程序設(shè)計語言和開發(fā)過程無關(guān)等特點。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）和嵌入的擴充機制描述了軟件體系結(jié)構(gòu)核心模型。

2 UML元建模及其可擴展機制

2.1 UML元建模簡介

通常公認的元建模的概念框架基于一個四層的體系結(jié)構(gòu)：元元模型、元模型、模型、用戶對象。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)，主要責任是定義描述元模型的語言。在元元模型層上的元元對象的例子有：元類、元屬性和元操作。一個元模型是一個元元模型的實例。元模型層的主要責任是定義描述模型的語言，比定義它的元元模型更加精細。在元模型層上的元對象的例子如：類、屬性、操作和構(gòu)件。一個模型是一個元模型的實例，主要責任是定義描述信息論域的語言。用戶對象是一個模型的實例，主要責任是描述一個特定的信息論域。

2.2 UML的擴展機制

UML提供的擴展機制允許建模者在不改變基本建模語言的前提下根據(jù)實際需求做相應(yīng)的擴展。UML提供構(gòu)造型、標記值和約束三種擴展機制來增加模型中的新構(gòu)造塊、創(chuàng)建新特性和描述新語義：

(1)構(gòu)造型：構(gòu)造型可以為UML增加新事物，它是在一個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)標記值：標記值擴展UML構(gòu)造塊的特性或標記其他模型元素，為UML事物增加新特性。標記值可以用來存儲元素的任意信息，也可以用來存儲有關(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，即利用一個表達式把約束信息應(yīng)用于元素上。約束是用文字表達式來表示元素、依賴關(guān)系、注釋上的語義限制。

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，難以被開發(fā)人員理解，更不能用來分析其一致性和完整性等特性。針對這些問題，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)描述語言（ADL），用來表示和分析體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計，同時提供了顯示、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強調(diào)了體系結(jié)構(gòu)不同的側(cè)面，對體系結(jié)構(gòu)的研究起到了重要作用，但也有負面的影響，每一種ADL都以獨立的形式存在，描述語法不同且互不兼容，同時又有許多共同的特征，這使設(shè)計人員很難選擇一種合適的ADL，若設(shè)計特定領(lǐng)域的軟件體系結(jié)構(gòu)又需要從頭開始描述，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)中主要的計算元素和數(shù)據(jù)存儲。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)庫和應(yīng)用之間的SQL連接。

（3）配置表示了構(gòu)件和連接的拓撲邏輯和約束。

（4）構(gòu)件的接口由一組端口組成，每個端口表示了構(gòu)件和外部環(huán)境的交互點。通過不同的端口類型，一個構(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)元素語義相近的元類，定義它之上的StereoType作為該元類的實例，并用對象約束語言（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)件是一個封裝的實體，它的實現(xiàn)部分不具有對外的接口。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，它的具體實現(xiàn)嵌入在部件之中，一般沒有相應(yīng)的實體與之對應(yīng)，在這種情況下，當一個構(gòu)件與預(yù)定義的連接不匹配時，只能對部件進行重寫，或者對構(gòu)件進行包裝以適應(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）每個構(gòu)件具有Tagged Value，標志它是原子構(gòu)件或是復(fù)合構(gòu)件；

（3）構(gòu)件只能通過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）每個構(gòu)件不能沒有Port；

（5）構(gòu)件在執(zhí)行時可以有多個實例；

（6）每一個連接至少與兩個部件相連；

（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Port至多只能與一個連接關(guān)聯(lián)；

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

結(jié)論

通過利用統(tǒng)一建模語言的擴展機制和對象約束語言，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發(fā)效率。本文討論的描述方法對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。

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