軟件體系結(jié)構(gòu)中狀態(tài)方面的編織研究.pdf

1、作為控制軟件復(fù)雜性、提高軟件系統(tǒng)質(zhì)量、支持軟件開發(fā)和復(fù)用的重要手段之一，軟件體系結(jié)構(gòu)(software architecture)自提出以來，日益受到軟件研究者和實踐者的廣泛關(guān)注，并發(fā)展成為軟件工程的一個重要研究領(lǐng)域。通過對系統(tǒng)進行的組件式分解，軟件體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對軟件系統(tǒng)構(gòu)建初期面臨功能關(guān)注點的有效分離。然而，軟件體系結(jié)構(gòu)面臨的許多表示非功能需求和質(zhì)量要求的關(guān)注點大都表現(xiàn)出橫切特征，它們的實現(xiàn)橫跨系統(tǒng)的多個組件，從而降低了軟件的可重用

2、性，造成系統(tǒng)在演進和維護上的極大困難。這種關(guān)注點被稱為橫切關(guān)注點(crosscutting concerns)。
　　 為了應(yīng)對橫切關(guān)注點引起的各種問題，面向方面的軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(Aspect-Oriented Software Architecture Design)將方面(aspects)機制引入到軟件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，用方面對橫切關(guān)注點進行封裝表示，通過方面的模塊化處理，促進系統(tǒng)的可追蹤性、可理解性和可維護性。當(dāng)前，面向

3、方面的軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)成為軟件工程領(lǐng)域中的一個研究熱點。
　　 然而，軟件體系結(jié)構(gòu)中的諸如安全、業(yè)務(wù)規(guī)則、可用性、可靠性、可維護性等許多橫切關(guān)注點呈現(xiàn)依賴于系統(tǒng)運行歷史的特性。為了對這種歷史敏感的橫切關(guān)注點進行封裝，方面需要帶有狀態(tài)。帶有狀態(tài)的方面稱為狀態(tài)方面(stateful aspects)，它通過狀態(tài)記錄系統(tǒng)的執(zhí)行歷史，并根據(jù)所處的狀態(tài)來決定是否執(zhí)行相應(yīng)的橫切關(guān)注點行為。
　　 編織(weaving)是實現(xiàn)方面

4、和系統(tǒng)其余模塊組合的方式，一直以來都是面向方面領(lǐng)域一個基本和重要的課題。它不但需要根據(jù)方面所提供的信息，在系統(tǒng)中尋找恰當(dāng)?shù)目椚胛恢?，并確定方面行為與織入點行為之間的操作時序，還需要檢測和處理編織中可能遇到的方面沖突。而狀態(tài)的引入，使得狀態(tài)方面的編織面臨比常規(guī)方面編織更多復(fù)雜的問題。
　　 為了對系統(tǒng)面臨的歷史敏感橫切關(guān)注點進行模塊化封裝，需要將狀態(tài)方面引入到軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中。而當(dāng)前的面向方面軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法并沒有提供支持該

5、概念的表示機制，也沒有提供有效的編織狀態(tài)方面的方法。
　　 基于上述背景，本文在吸取當(dāng)前面向方面的軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和狀態(tài)方面編程等相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，對軟件體系結(jié)構(gòu)中狀態(tài)方面的編織問題展開深入研究，形成了一套完整的形式化的編織方法，并開發(fā)了原型工具和通過實例對該方法進行了應(yīng)用和驗證。
　　 本文的主要研究內(nèi)容包括：
　　 1.軟件體系結(jié)構(gòu)狀態(tài)方面的形式化建模研究。為了在軟件體系結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)對狀態(tài)方面的表示，對基本

6、系統(tǒng)的語義、支持狀態(tài)的切點模型、通知模型以及狀態(tài)方面的定義等展開研究。基本系統(tǒng)的語義描述系統(tǒng)執(zhí)行的完整行為，切點模型描述狀態(tài)方面對基本系統(tǒng)執(zhí)行歷史的關(guān)注，描述狀態(tài)方面在何處編織(where)，而通知模型描述狀態(tài)方面所封裝的橫切關(guān)注點的行為(what)以及這些行為在何時(when)觸發(fā)。
　　 2.狀態(tài)方面編織的語義和策略研究。由于現(xiàn)有研究缺乏形式化的編織語義，也缺乏支持狀態(tài)方面編織的方法，因此對軟件體系結(jié)構(gòu)狀態(tài)方面的編織語義和策

7、略展開研究。在語義方面，對方面編織運算的結(jié)構(gòu)化操作語義SOS(structural operational semantics)和編織中語法層的方面交互問題進行了研究，并考查了編織運算的特性。在策略方面，對關(guān)聯(lián)的確定方法、切點的判斷算法和具體的編織算法進行了研究，并開發(fā)了原型工具和實例對其進行了實現(xiàn)和應(yīng)用。
　　 3.狀態(tài)方面編織的校驗和分析研究。方面交互是方面編織中的一個重要問題，其檢測和處理對于增強系統(tǒng)的安全性和可靠性有非常

8、重要的意義。首先研究了系統(tǒng)屬性層次上的語義方面交互的定義及其校驗方法，然后研究了編織影響的分析和推理方法，并在原型工具上進行了實現(xiàn)和驗證。
　　 本文工作的主要貢獻體現(xiàn)在：
　　 1.將LTS引入系統(tǒng)執(zhí)行語義的表示，并在對LTS適當(dāng)擴展的基礎(chǔ)上，建立了描述狀態(tài)方面的切點模型和通知模型，從而解決了狀態(tài)方面在軟件體系結(jié)構(gòu)中的表示問題，為軟件體系結(jié)構(gòu)狀態(tài)方面的編織提供了依據(jù)。
　　 2.在對LTS的并發(fā)組合(‖)進行擴

9、展的基礎(chǔ)上，提出了組合運算(“∝”)，并以此為基礎(chǔ)建立了狀態(tài)方面的關(guān)聯(lián)點確定方法。與同類方法相比，該方法不需要引入額外的同步動作，從而避免了由此引起的組合狀態(tài)數(shù)過多的問題。
　　 3.將狀態(tài)方面的編織定義為在基本系統(tǒng)、切點和通知之間的組合運算(“()”)，并建立了該運算的操作語義以及支持該語義的具體編織策略。這是一個形式化的語義，基于它可以開展對為編織前后系統(tǒng)行為的理解、分析和推理。
　　 4.針對傳統(tǒng)方法無法分析狀態(tài)方