郭亞鋒

（江蘇警官學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，江蘇 南京 210012）

引言

軟件體系結(jié)構(gòu)(Software Architecture)是20世紀(jì)90年代軟件工程領(lǐng)域出現(xiàn)的一個重要研究方向，通過對系統(tǒng)最高層次的抽象，闡明系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，協(xié)作構(gòu)件之間的依賴關(guān)系、責(zé)任分配和控制流程,表現(xiàn)為一組抽象類及其實(shí)例之間協(xié)作的方法，為構(gòu)件復(fù)用提供系統(tǒng)環(huán)境約束。目前軟件體系結(jié)構(gòu)研究得到廣泛的關(guān)注與重視,主要是由于軟件體系結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究不僅提供了一種在較高層次觀察、設(shè)計(jì)系統(tǒng)并推理系統(tǒng)行為和性質(zhì)的方式,而且提供了在分布式多層系統(tǒng)開發(fā)中對各組成構(gòu)件開發(fā)、組裝、部署的途徑。軟件體系結(jié)構(gòu)描述語言ADL（Architecture Description Language）以形式化方法為基礎(chǔ)，能為軟件建立精確的體系結(jié)構(gòu)模型，有效的支持對系統(tǒng)的分解學(xué)習(xí)、分析和驗(yàn)證，以便于對軟件系統(tǒng)的重構(gòu)和優(yōu)化。統(tǒng)一建模語言UML（Unified Modeling Language）是利用圖形表示法的軟件系統(tǒng)模型描述語言，可以從不同的角度為系統(tǒng)建模，是可視化建模語言。基于這兩種語言有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，UML和ADL協(xié)同描述軟件體系結(jié)構(gòu)的研究日益成為研究熱點(diǎn)。

一、軟件體系結(jié)構(gòu)建模要素

使用建模是解決大型復(fù)雜軟件設(shè)計(jì)和研究的一個有效的方法。通過對系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)建模可以在較高的抽象層次上描述全局結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)和高層元素交互關(guān)系的部署設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性幫助。體系結(jié)構(gòu)建模主要包含以下4方面：

（1）體系結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型，該模型主要包括體系結(jié)構(gòu)的組件，連接件和其他概念，包括系統(tǒng)的配置、約束、隱含的假設(shè)條件、風(fēng)格和性質(zhì)。

（2）體系結(jié)構(gòu)的行為模型，反映體系結(jié)構(gòu)的動態(tài)屬性，是對結(jié)構(gòu)模型的補(bǔ)充，包括系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的配置、演化、并發(fā)和分布等行為。

（3）體系結(jié)構(gòu)視圖，除了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和行為之外，體系結(jié)構(gòu)還關(guān)注用法、功能、性能、復(fù)用、可理解性等方面。不同的參與者從不同的角度、不同的生命周期所獲得的視圖也不盡相同。

（4）體系結(jié)構(gòu)過程，只有以體系結(jié)構(gòu)為中心才能獲得一個健壯且有彈性的體系結(jié)構(gòu)。

二、UML描述軟件體系結(jié)構(gòu)的視圖模型

1.概述

UML是一種通用的標(biāo)準(zhǔn)建模語言,由著名的面向?qū)ο蠹夹g(shù)專家Jim Rumbaugh、Ivar Jacobson和Grady Booch綜合各自的方法幾經(jīng)修改完成的，已被OMG采納為標(biāo)準(zhǔn)，是面向?qū)ο筌浖_發(fā)方法的一部分。UML不是一種程序設(shè)計(jì)語言或語言實(shí)現(xiàn)系統(tǒng),UML是建立系統(tǒng)模型的描述語言,建立的模型可以用Java、C++或任何一種程序語言來實(shí)現(xiàn)。UML提供了可視化的圖符表示方法及語義化的元模型描述規(guī)范,提供了靜態(tài)和動態(tài)兩種建模機(jī)制,以及概念層、邏輯層和物理層的模型描述體系。UML具有十種模型圖并分為四類，使用UML描述軟件體系結(jié)構(gòu)可以使用5個互連的UML視圖包括用例視圖、設(shè)計(jì)視圖、進(jìn)程視圖、實(shí)現(xiàn)視圖和分布視圖來描述軟件體系結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)。其中：(1)用例視圖由專門描述被最終用戶、分析人員和測試人員看到的系統(tǒng)行為的用例組成，它描述了形成系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的動力；（2）邏輯視圖包含了類、接口和協(xié)作，這些視圖主要支持系統(tǒng)的功能需求,即系統(tǒng)最終提供給用戶的服務(wù)；（3）過程視圖包含了形成系統(tǒng)并發(fā)與同步機(jī)制的線程和進(jìn)程，側(cè)重于描述進(jìn)程的主動類；（4）實(shí)現(xiàn)視圖包含了用于裝配與發(fā)布物理系統(tǒng)的構(gòu)成和文件；部署視圖包含系統(tǒng)硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)，描述物理系統(tǒng)部件的分布和安裝。每一個視圖都是在一個特定的方面對系統(tǒng)組織和結(jié)構(gòu)的投影。

2.用例視圖

對校園網(wǎng)運(yùn)維管理系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，表1列出了校園網(wǎng)運(yùn)維管理系統(tǒng)用例和角色的關(guān)系，以此為基礎(chǔ)可以構(gòu)建頂層用例如圖1所示。

表1 校園網(wǎng)運(yùn)維管理系統(tǒng)角色及用例表

圖1 校園網(wǎng)運(yùn)維管理系統(tǒng)用例視圖

3.邏輯視圖

（1）靜態(tài)視圖

借用UML中類圖對系統(tǒng)中主要的類進(jìn)行建模，在較高的層面上對系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。如圖2所示，主要類有值班登記單、關(guān)鍵設(shè)備監(jiān)測、郵件系統(tǒng)監(jiān)測、網(wǎng)站防篡改、報(bào)警等，其中各類監(jiān)測參數(shù)以來各自的參數(shù)類，如設(shè)備清單等。通過對報(bào)警類進(jìn)行繼承可以擴(kuò)展新的報(bào)警方式，目前主要可以考慮郵件報(bào)警號短信平臺報(bào)警。值班登記單中需要處理的各項(xiàng)任務(wù)通過聚合的方式匯總。圖中菱形方塊線條表示類之間的組成關(guān)聯(lián)，三角型線條表示類之間的泛化關(guān)聯(lián)，虛線表示類之間的依賴關(guān)聯(lián)。

圖2 邏輯視圖（靜態(tài)）

（2）動態(tài)視圖

作為靜態(tài)視圖的補(bǔ)充描述，用序列圖建立主要業(yè)務(wù)對象的行為視圖。如圖3所示，用序列圖描述將參與協(xié)作的類和對象之間進(jìn)行過程建模。校園網(wǎng)運(yùn)維管理系統(tǒng)中值班工作相關(guān)流程如下：首先用戶激活值班登記單對象，然后值班登記單包含了關(guān)鍵設(shè)備監(jiān)測、郵件系統(tǒng)監(jiān)測和網(wǎng)站防篡改三方面工作，通過各系統(tǒng)的監(jiān)測，如果發(fā)現(xiàn)異常情況通過值班登記單提供的警報(bào)類型發(fā)出警報(bào)。

圖3 邏輯視圖（動態(tài)）

三、ACME/ADL描述體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)件交互模

1.ACME/ADL概述

ACME是一種體系結(jié)構(gòu)互換語言,支持體系結(jié)構(gòu)的規(guī)格說明在不同ADL之間的轉(zhuǎn)換?？梢园阉鳛轶w系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具的通用交換格式,也可以作為開發(fā)新的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析工具的基礎(chǔ)。ACME項(xiàng)目開始于1995年,由卡梅隆大學(xué)的David Garlan負(fù)責(zé)，當(dāng)時的目標(biāo)是在不同的體系結(jié)構(gòu)開發(fā)工具之間提供一種能夠相互交互體系結(jié)構(gòu)描述的公共語言。目前的ACME語言和ACME工具開發(fā)庫(Acme Tool Developer’s Library,AcmeLib)為軟件體系結(jié)構(gòu)的描述、表示、生成和分析,提供了一種通用的、可擴(kuò)展的基礎(chǔ)設(shè)施。

2.ACME建模

ACME語言和開發(fā)工具包提供3種基本功能:

①體系結(jié)構(gòu)的相互交互。通過提供一種體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的交換格式，ACME允許各種開發(fā)工具與其它補(bǔ)充工具協(xié)同工作。

②為新的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析工具提供了可擴(kuò)展的基礎(chǔ)。許多體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析工具需要一個用于描述、存儲、操縱體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的表示法。但開發(fā)好的表示法往往需要很高的時間和經(jīng)濟(jì)成本。使用ACME可以有效減少這方面的成本,因?yàn)榭梢杂盟峁┑恼Z言和用于工具開發(fā)的函數(shù)庫作為基礎(chǔ)。使用ACME還使得所開發(fā)的工具能夠有更好的通用性,因?yàn)樗梢耘c其它使用ACME格式的工具交流設(shè)計(jì),協(xié)作開發(fā)。

③體系結(jié)構(gòu)描述。ACME本身是一個很好的開發(fā)語言。盡管不是適合于所有的應(yīng)用系統(tǒng),ACME體系結(jié)構(gòu)描述語言能夠讓開發(fā)者很好地認(rèn)識體系結(jié)構(gòu)建模,提供了一個相對容易的對簡單軟件系統(tǒng)的描述方法。

ACME通過定義七種體系結(jié)構(gòu)實(shí)體建模：構(gòu)件、連接件、系統(tǒng)、端口、角色、表述和表述映射，各部門功能如表2所示，其中最基本的實(shí)體是構(gòu)建、連接件和系統(tǒng)。

表2 ACME/ADL描述體系結(jié)構(gòu)元素表

（1）總體架構(gòu)描述

ACME提供了基本體系結(jié)構(gòu)元素和擴(kuò)展機(jī)制來描述系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)。對于軟件體系結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件和連接件，可以分別使用ACME中的Component和Connector與外部的數(shù)據(jù)交換。對于軟件體系結(jié)構(gòu)中的配置，可用ACME中的System類型描述。本項(xiàng)目中可以使用ACME的擴(kuò)展機(jī)制來實(shí)現(xiàn)，在基于ACME的軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)境ACMEStudio中集成了預(yù)定義的軟件體系風(fēng)格，如Pipes And Filter Fam、Client And Server Fam和Layered Fam等。圖4是用ACME描述的基于Client And erver Fam的體系機(jī)構(gòu)描述。

（2）構(gòu)件動態(tài)交互模型

運(yùn)用ACME/ADL描述構(gòu)件交互狀態(tài)模型，首先在一個相對較粗的粒度上提取系統(tǒng)的主要邏輯構(gòu)件，這個逐步抽象的過程可以參考UML所描述的視圖,然后對主要構(gòu)件的接口和屬性、連接件的角色和屬性以及它們之間的交互關(guān)系進(jìn)行描述。以下為基于客戶服務(wù)器模板的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)ADL。

圖4 校園網(wǎng)運(yùn)維管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

以上代碼中，首先使用服務(wù)器描述模板，實(shí)例化SNMP代理、Web防篡改代理、報(bào)警中心、應(yīng)用程序服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器構(gòu)件，并按照業(yè)務(wù)需求搭建相互之間的連接關(guān)系，然后利用客戶機(jī)模板描述實(shí)例化工作臺構(gòu)件。工作臺構(gòu)件主要是系統(tǒng)人際接口界面，通過該構(gòu)件向應(yīng)用服務(wù)器構(gòu)件發(fā)送各種管理需求指令，應(yīng)用服務(wù)器將具管理功能轉(zhuǎn)發(fā)給各應(yīng)用代理構(gòu)件。

應(yīng)用服務(wù)器和各代理之間連接件通訊協(xié)議主要依賴代理各自的系統(tǒng)特點(diǎn)，如報(bào)警中心可以使用基于Web服務(wù)的方式和應(yīng)用程序服務(wù)器進(jìn)行耦合，而SNMP代理則使用SNMP協(xié)議進(jìn)行通訊。系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)都將使用數(shù)據(jù)庫構(gòu)件管理。

四、結(jié)論

本文通過使用UML和ACME對校園網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理系統(tǒng)的建模分析得出以下結(jié)論：

（1）UML是一種可視化建模語言，由于其可視化的特點(diǎn)，更適合高層次的對系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)行建模。通過使用可視化建模方法能直觀的表示復(fù)雜的系統(tǒng)，但容易屏蔽關(guān)鍵細(xì)節(jié)。從實(shí)際建模效果上，UML適合對靜態(tài)對象以及相互直接的結(jié)構(gòu)關(guān)系的描述，但是對于具有復(fù)雜的動態(tài)和引用關(guān)系描述較困難。UML不能直接支持軟件體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格的描述，需要配合其他的建模方式運(yùn)用。

（2）ACMCE/ADL是形式化的建模描述，形式化語言能夠精確的對模型描述，接近底層的實(shí)現(xiàn)。

（3）UML建模方法以高層次的軟件復(fù)用建立基礎(chǔ)，ACME/ADL更貼近細(xì)節(jié)和層次的實(shí)現(xiàn)，使建模與實(shí)現(xiàn)接近。因此采用UML和ACME/ADL相結(jié)合可以在軟件體系結(jié)構(gòu)描述中互為補(bǔ)充，取長補(bǔ)短。

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