劉偉+李雅琎+胡志剛

摘 要：軟件可維護性是面向?qū)ο筌浖到y(tǒng)的重要質(zhì)量屬性之一，合理使用設(shè)計模式可以改善軟件的可維護性。目前關(guān)于設(shè)計模式對軟件可維護性影響的研究主要停留在定性分析階段，缺少定量分析。針對這一問題，選取與軟件可維護性相關(guān)的面向?qū)ο蠖攘恳蜃雍涂删S護性指數(shù)，結(jié)合具體實例，研究了應用設(shè)計模式前后度量因子和可維護性指數(shù)變化情況，定量分析出設(shè)計模式對軟件可維護性的影響。

關(guān)鍵詞：設(shè)計模式；軟件可維護性；面向?qū)ο蠖攘恳蜃樱豢删S護性指數(shù)

DOIDOI：10.11907/rjdk.162142

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2016）012-0095-03

0 引言

設(shè)計模式是從眾多優(yōu)秀軟件系統(tǒng)中總結(jié)出來的專家設(shè)計經(jīng)驗，合理使用設(shè)計模式可以有效改善軟件設(shè)計和程序代碼質(zhì)量[1]。目前關(guān)于設(shè)計模式對軟件質(zhì)量影響的研究更多停留在定性分析階段，設(shè)計模式對軟件質(zhì)量改善的定量研究工作較少。正因如此，設(shè)計模式對軟件質(zhì)量影響的利弊在業(yè)界備受爭議。

軟件可維護性是指軟件維護的難易程度，圖靈獎得主Alan J.Perlis曾說過：在長久運行時間的考驗下，每個程序都變得脆弱不堪。軟件在開發(fā)結(jié)束后會經(jīng)歷一段長久的維護期。因此，可維護性是軟件系統(tǒng)重要的質(zhì)量屬性之一。

本文定量研究了設(shè)計模式對軟件可維護性影響，通過精確的數(shù)值對使用設(shè)計模式前后系統(tǒng)的可維護性進行精確的質(zhì)量分析。與傳統(tǒng)的定性分析相比，定量分析能夠更準確、有效地證實設(shè)計模式的使用效果，更具說服力。

1 可維護性度量因子選取

為了提供一個定量方法來測量面向?qū)ο筇卣鞯能浖|(zhì)量屬性，Bansiya和Davis提出一種具有層次結(jié)構(gòu)的面向?qū)ο笤O(shè)計質(zhì)量評估方法——QMOOD（Quality Model for Object-Oriented Design）[2]，該方法構(gòu)建了一個面向?qū)ο蟮馁|(zhì)量評估模型，提供了設(shè)計質(zhì)量屬性（Design Quality Attributes）、面向?qū)ο笤O(shè)計屬性（OO Design Properties）、面向?qū)ο笤O(shè)計因子（OO Design Metrics）和面向?qū)ο笤O(shè)計組件（OO Design Components）4個層次和它們之間的三級映射。Ampatzoglou等[3]首次將QMOOD運用到設(shè)計模式對軟件質(zhì)量影響的研究中并取得了較好效果。本文采用簡化的QMOOD模型，首先針對軟件可維護性選取合適的度量因子，然后計算應用某個設(shè)計模式前后度量因子值，最后通過度量因子值的變化來定量分析該設(shè)計模式對軟件可維護性影響。

本文選取CK度量集和可維護性指數(shù)作為軟件可維護性度量因子。

1.1 CK度量集

在研究面向?qū)ο笙到y(tǒng)時，經(jīng)典的面向?qū)ο蠖攘考狢K度量集應用非常廣泛。CK度量集由Chidamber和Kemerer[4]于1994年提出，它奠定了面向?qū)ο筌浖攘康幕A(chǔ)。CK度量集中的度量因子與面向?qū)ο筌浖目删S護性密切相關(guān)。

CK度量集包含6個基于面向?qū)ο箢愒O(shè)計的度量因子，從不同角度反映了面向?qū)ο笙到y(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量，這6個因子分別是：加權(quán)方法計數(shù)（Weighted Methods for per Class，WMC）、繼承樹深度（Depth of Inheritance Tree，DIT）、子類個數(shù)（Number Of Children，NOC）、對象類之間的耦合（Coupling Between Object classes，CBO）、對類的響應（Response For a Class，RFC）和方法內(nèi)聚缺乏度（Lack of Cohesion in Methods，LCOM）。

1.2 可維護性指數(shù)

可維護性指數(shù)（Maintainability Index，MI）由Oman等[5]于1992年提出，其計算公式如下：

公式（1）中的參數(shù)說明如表1所示。

MI的典型取值范圍在-100～200，MI值越高說明軟件的可維護性越好。

2 設(shè)計模式對可維護性影響定量分析

2.1 實驗數(shù)據(jù)

根據(jù)設(shè)計模式的使用頻率和重要性[6]，本文選取10種常用的軟件設(shè)計模式，每種設(shè)計模式提供5個程序規(guī)模相差不大的實例。對每個實例，提供兩個版本的程序代碼，使用設(shè)計模式的代碼版本，簡記為DP（Design Pattern），以及不使用設(shè)計模式的代碼版本，簡記為NDP（Non-Design Pattern），這些實例主要來自文獻[6]。通過對這些軟件可維護性相關(guān)度量因子進行計算，研究設(shè)計模式使用前后可維護性度量因子變化，將實驗數(shù)據(jù)與開發(fā)人員經(jīng)驗進行比對，分析實驗結(jié)果。

本研究選取的10種常用設(shè)計模式有：工廠方法模式（Factory Method Pattern，F(xiàn)MP）、抽象工廠模式（Abstract Factory Pattern，AFP）、適配器模式（Adapter Pattern，AP）、代理模式（Proxy Pattern，PP）、外觀模式（Facade Pattern，F(xiàn)P）、橋接模式（Bridge Pattern，BP）、觀察者模式（Observer Pattern，OP）、策略模式（Strategy Pattern，SrP）、狀態(tài)模式（State Pattern，SaP）和模板方法模式（Template Method Pattern，TMP）。

2.2 實驗結(jié)果

以程序?qū)嵗秊閱挝唬嬎闱拔乃龅亩攘恳蜃?，然后?個實例的平均值，得到設(shè)計模式使用前后度量因子的平均值，計算結(jié)果如表2所示。

2.3 實驗結(jié)果分析

（1）加權(quán)方法計數(shù)WMC：WMC越大，說明理解這個類所需時間越多。方法的個數(shù)多可能會導致沿用這些方法的子類行為更加復雜，使其可維護性降低。實驗結(jié)果表明，7個設(shè)計模式會降低WMC值，WMC越小，可維護性越高。

（2）繼承樹深度DIT：DIT值越高的類繼承更多的父類方法，使得它們的行為難以預測且維護相對復雜，可維護性更差。實驗結(jié)果表明，有3個設(shè)計模式會使平均DIT變大，5個設(shè)計模式會使平均DIT變小，2個設(shè)計模式對DIT沒有影響。

（3）子類個數(shù)NOC：由于大部分設(shè)計模式都引入了抽象層，通過子類來擴展系統(tǒng)行為，因此大部分設(shè)計模式的使用都會導致NOC變大。抽象層的引入提高了系統(tǒng)的可擴展性和靈活性，便于系統(tǒng)維護和二次開發(fā)。

（4）對象類之間的耦合CBO：根據(jù)軟件工程高內(nèi)聚、低耦合原則，降低系統(tǒng)耦合度可以提高系統(tǒng)的可維護性。過多的耦合會使整個系統(tǒng)變得難以維護，比如在一個類中進行修改可能會影響到與其產(chǎn)生耦合的其它類。實驗結(jié)果表明，10個設(shè)計模式都可降低CBO，通過降低類與類之間的耦合度來提高系統(tǒng)的可維護性。

（5）類的響應RFC：某一個方法的RFC值很大，說明它調(diào)用了許多其它方法，對可維護性產(chǎn)生負面影響。從實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，除使用外觀模式會使RFC值變大外，其余9種設(shè)計模式都會使系統(tǒng)的平均RFC值變小。

（6）方法內(nèi)聚缺乏度LCOM：如果一個類的LCOM值高，可能意味著它所定義的方法可被分割到多個獨立類中，不與其它方法共享字段，可以獨立運行。類的LCOM值低說明類的設(shè)計質(zhì)量高、封裝性好、可維護性高。由于實驗項目比較簡單，類中的方法個數(shù)不多，因此在計算LCOM值時方法對的個數(shù)相對較小，所以整體來說LCOM值都偏小。實驗結(jié)果表明，大部分設(shè)計模式的使用對系統(tǒng)的平均LCOM值影響不大。

（7）可維護性指數(shù)MI：MI在軟件可維護性度量中廣泛使用，MI值越高說明軟件的可維護性越好。繪制設(shè)計模式使用前后MI的對比情況如圖1所示。從圖1可知，除外觀模式（FP）和觀察者模式（OP）外，其余8種設(shè)計模式均可使維護性指數(shù)變大。由于實驗項目代碼規(guī)模較小，業(yè)務方法較少，導致設(shè)計模式使用效果不顯著。

3 結(jié)語

設(shè)計模式是成熟有效的專家設(shè)計方案，設(shè)計模式是否有助于提高軟件質(zhì)量，業(yè)界一直存在爭議。本文結(jié)合軟件度量因子，利用10種常用的設(shè)計模式對軟件可維護性影響

進行了定量計算，探討了可維護性指數(shù)及面向?qū)ο筌浖攘恐笖?shù)與軟件可維護性的相互關(guān)系。實驗結(jié)果表明，大部分設(shè)計模式的使用有助于提高面向?qū)ο筌浖目删S護性，少數(shù)設(shè)計模式對軟件可維護性影響不顯著，個別設(shè)計模式對軟件可維護性有負面影響。

后續(xù)一方面將收集和整理項目實例進行定量評估，進而獲得更加科學的結(jié)果，另一方面將研究更多的軟件質(zhì)量屬性，包括可復用性、可靠性等，結(jié)合一系列實驗，建立一套較為完整的設(shè)計模式對軟件質(zhì)量影響的評估框架。

參考文獻：

[1] GAMMA E，HELM R，JOHNSON R，et al.Design patterns：elements of reusable object-oriented software [M].Addison-Wesley Professional，Reading，Massachusetts，1995.

[2] BANSIYA J，DAVIS C G.A hierarchical model for object-oriented design quality assessment [J].IEEE Transactions on Software Engineering，2002，28（28）：4-17.

[3] AMPATZOGLOU A，F(xiàn)RANTZESKOU G，STAMELOS I.A methodology to assess the impact of design patterns on software quality [J].Information & Software Technology，2012，54（4）：331-346.

[4] CHIDAMBER S R，KEMERER C F.A metrics suite for object oriented design [J].IEEE Transactions on Software Engineering，1994，20（6）：476-493.

[5] OMAN P，HAGEMEISTER J.Metrics for assessing a software system's maintainability [C].The IEEE Proceedings Conference on Software Maintenance，IEEE Computer Society，1992：337-344.

[6] 劉偉.設(shè)計模式的藝術(shù)軟件開發(fā)人員內(nèi)功修煉之道 [M].北京：清華大學出版社，2013.

（責任編輯：杜能鋼）