正交軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和演化方法應(yīng)用研究

摘要：通過對(duì)正交軟件體系結(jié)構(gòu)的概念分析，給出了具體的正交軟件體系結(jié)構(gòu)模型，并詳細(xì)介紹了其演化控制方法，最后以實(shí)例探討了該模型和方法在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：正交軟件體系結(jié)構(gòu)； 模型； 線索； 演化控制

中圖法分類號(hào)：TP311．52文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-3695(2007)01-0078-02

軟件體系結(jié)構(gòu)（Software Architecture）是一種關(guān)注和描述軟件系統(tǒng)整體組織結(jié)構(gòu)和性能的抽象系統(tǒng)機(jī)制，為軟件系統(tǒng)提供了一個(gè)結(jié)構(gòu)、行為和屬性的高級(jí)抽象，由構(gòu)成系統(tǒng)的元素描述、這些元素的相互作用、指導(dǎo)元素集成的模式以及這些模式的約束組成[1]。

軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是軟件生命周期中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的日益復(fù)雜和龐大，使得軟件體系結(jié)構(gòu)的研究成為當(dāng)前的熱點(diǎn)。

對(duì)于軟件項(xiàng)目的開發(fā)來說，一個(gè)清晰的軟件體系結(jié)構(gòu)是首要的。傳統(tǒng)的軟件開發(fā)過程可以劃分為從概念到實(shí)現(xiàn)的若干個(gè)階段，包括問題定義、需求分析、軟件設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)及軟件測(cè)試等。軟件體系結(jié)構(gòu)的建立就位于需求分析之后、軟件設(shè)計(jì)之前。在建立軟件體系結(jié)構(gòu)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師主要從結(jié)構(gòu)的角度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析，選擇恰當(dāng)?shù)臉?gòu)件、構(gòu)件間的相互作用以及它們的約束，最后形成一個(gè)系統(tǒng)框架（Framework）以滿足用戶的需求，為軟件設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1正交軟件體系結(jié)構(gòu)概述

1．1正交軟件體系結(jié)構(gòu)基本概念

正交（Orthogonal）軟件體系結(jié)構(gòu)由組織層和線索的構(gòu)件構(gòu)成。線索是子系統(tǒng)的特例，由完成不同層次功能的構(gòu)件組成，每一條線索完成整個(gè)系統(tǒng)中相對(duì)獨(dú)立的一部分功能。每一條線索的實(shí)現(xiàn)與其他線索的實(shí)現(xiàn)無關(guān)或關(guān)聯(lián)很少，在同一層的構(gòu)件之間不存在相互調(diào)用。如果線索是相互獨(dú)立的，即不同線索構(gòu)件之間沒有相互調(diào)用，那么這個(gè)結(jié)構(gòu)就成為完全正交。每一條線索可按其功能劃分為多個(gè)子線索，從而形成低一級(jí)的子正交結(jié)構(gòu)，成為多級(jí)正交結(jié)構(gòu)[2]。正交結(jié)構(gòu)有一個(gè)公共的頂層，由它來觸發(fā)各條線索運(yùn)行；有一個(gè)公共的底層，包含了各線索要調(diào)用的數(shù)據(jù)。

1．2正交軟件體系結(jié)構(gòu)模型 

對(duì)于復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，其子線索可以劃分為低一級(jí)子線索，形成多級(jí)正交體系結(jié)構(gòu)。圖1為正交軟件體系結(jié)構(gòu)的框架。

圖1是一個(gè)三級(jí)線索、五層結(jié)構(gòu)的正交軟件體系結(jié)構(gòu)框架圖，其中，ABDFH組成一條線索，ACEGH也是一條線索。因?yàn)锽C處于同一層中，所以不允許進(jìn)行相互調(diào)用；DE，F(xiàn)G也處于同一層中，也不允許相互調(diào)用。第一層是頂層，二、三、四層是三級(jí)正交線索，第五層是物理數(shù)據(jù)庫鏈接層。

1．3結(jié)構(gòu)的演化控制方法

在軟件演化過程中，系統(tǒng)需求會(huì)不斷發(fā)生變化。在正交軟件體系結(jié)構(gòu)中，因?yàn)榫€索的正交性，每一個(gè)需求變動(dòng)只影響一條線索，而不涉及其他線索。這樣，就把軟件需求變動(dòng)局部化了，產(chǎn)生的影響也被限制在一定范圍內(nèi)，因此容易實(shí)現(xiàn)[3]。在對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行演化控制時(shí)，新軟件的結(jié)構(gòu)可以通過在原軟件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上新增、修改、刪除線索來產(chǎn)生。這個(gè)過程是以原結(jié)構(gòu)的線索和構(gòu)件為單位自頂向下、由左向右進(jìn)行的，首先將用戶提出的軟件功能要求映射到原結(jié)構(gòu)的一個(gè)副本上，然后：

（1）從整個(gè)正交結(jié)構(gòu)最左邊的一條線索開始，判斷線索是否可重用，如果可重用，則繼續(xù)對(duì)下一條進(jìn)行判斷；如果只能部分重用，則進(jìn)一步判斷重用發(fā)生在哪幾層，并畫出線索結(jié)構(gòu)變動(dòng)情況圖，對(duì)發(fā)生變動(dòng)的構(gòu)件作出標(biāo)記。（2）對(duì)于新增功能，需建立新的線索和構(gòu)件；如果新增功能是多個(gè)原始功能的合并，則對(duì)相應(yīng)線索作合并標(biāo)記。（3）重復(fù)以上步驟，遍歷所有線索，反復(fù)修改，對(duì)所作標(biāo)記進(jìn)行處理，形成新的正交結(jié)構(gòu)，從而完成一次演化過程。對(duì)線索中的構(gòu)件進(jìn)行修改和添加時(shí)也應(yīng)按照自頂向下的原則，先修改高級(jí)構(gòu)件，然后根據(jù)需要修改被其調(diào)用的構(gòu)件[4]。

2應(yīng)用實(shí)例

2．1應(yīng)用背景

我們?yōu)槟称嚿a(chǎn)廠家的服務(wù)站設(shè)計(jì)了一個(gè)汽修服務(wù)站管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)初期為一個(gè)內(nèi)部管理系統(tǒng)，在完成系統(tǒng)的第一個(gè)版本后，應(yīng)廠家的要求，要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上報(bào)單。也就是說，本系統(tǒng)除了要實(shí)現(xiàn)服務(wù)站的內(nèi)部管理，還要在Internet上通過協(xié)同電子商務(wù)平臺(tái)與生產(chǎn)廠服務(wù)部、零配件供應(yīng)商進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這需要集成到由西南交通大學(xué)CAD工程中心主持研發(fā)的國家“863”項(xiàng)目區(qū)域網(wǎng)絡(luò)化制造平臺(tái)上，構(gòu)成一個(gè)完整的汽車產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)。此外，還應(yīng)考慮其他的一些需求變化。

2．2設(shè)計(jì)思想

為應(yīng)付將來用戶需求可能發(fā)生的變化，使軟件結(jié)構(gòu)清晰、易修改、降低維護(hù)成本、提高可用性和重用性，我們?cè)谲浖O(shè)計(jì)初期采用了正交軟件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想。

在本系統(tǒng)中，我們將線索分為兩級(jí)，即主線索和子線索。總體結(jié)構(gòu)包含數(shù)個(gè)主線索，每個(gè)主線索包含多個(gè)子線索，采用非完全正交，允許線索間有適當(dāng)?shù)南嗷フ{(diào)用，因此會(huì)發(fā)生共享構(gòu)件的情況。

2．3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)開發(fā)第一個(gè)版本時(shí)，我們將本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三級(jí)正交結(jié)構(gòu)，第一級(jí)分為六個(gè)主線索或一級(jí)線索，如圖2所示（不包括虛線部分）。

每個(gè)一級(jí)線索又可以劃分為多個(gè)二級(jí)線索，例如，維修登記可以劃分為如圖3所示的線索結(jié)構(gòu)。每個(gè)二級(jí)線索又可以劃分為多個(gè)三級(jí)線索。例如，派工可以劃分為如圖4所示的線索結(jié)構(gòu)。

大部分線索之間是相互獨(dú)立的，即不同線索的構(gòu)件之間不存在相互調(diào)用，但考慮到實(shí)際情況，由于在實(shí)現(xiàn)“維修收銀”的功能時(shí)，要涉及到維修時(shí)的派工、外出服務(wù)、維修用料等其他線索的數(shù)據(jù)，因此我們適當(dāng)放寬了要求，部分地不采用完全正交。由于非完全正交范圍不大，因此對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響可以忽略（在此不討論）。

整個(gè)結(jié)構(gòu)分為三級(jí)正交線索，五個(gè)層次，其中一個(gè)完整的線索結(jié)構(gòu)如圖5所示。

其中，系統(tǒng)—維修登記—派工—增加—數(shù)據(jù)接口構(gòu)成了一條完整的線索。

2．4結(jié)構(gòu)的演化控制

在系統(tǒng)開發(fā)完成第一個(gè)版本后，由于生產(chǎn)廠家業(yè)務(wù)擴(kuò)展，需要增加新的需求，主要有以下兩個(gè)：

(1)網(wǎng)上業(yè)務(wù)處理。

要在制造廠售后服務(wù)部、維修站、配件供應(yīng)商之間進(jìn)行三包鑒定單和強(qiáng)保單數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互，需要增加數(shù)據(jù)交換功能。

(2)有多個(gè)構(gòu)件需要增加打印功能。

按照第1.3節(jié)介紹的演化控制方法，發(fā)現(xiàn)需要建立新的主線索和構(gòu)件如下： 

新增一級(jí)線索“數(shù)據(jù)交換”可以劃分為多個(gè)二級(jí)線索（包括生成三包鑒定單、上傳/下載各單據(jù)、打?。?。

新增二級(jí)線索“上傳/下載各單據(jù)”又可以劃分為多個(gè)三級(jí)線索（包括增加、準(zhǔn)備發(fā)送、上傳、取消上傳、下載、查看、打?。?。

參看圖5左虛線部分為新增一級(jí)線索“數(shù)據(jù)交換”。新增子線索“打印”屬于三級(jí)子線索，被多個(gè)二級(jí)子線索所擁有。

新增線索與原結(jié)構(gòu)重新構(gòu)成新的正交結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)正交結(jié)構(gòu)變動(dòng)情況如圖6所示，其中： ①表示在功能定義層新增加一個(gè)構(gòu)件，其中包含打印功能；②表示新增數(shù)據(jù)交換主線索。新增構(gòu)件用空心菱形表示，要修改構(gòu)件用方框標(biāo)記；其他未作標(biāo)記的部分表示可以重用的構(gòu)件。

由此可以看出，采用正交體系結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)是清晰的，易于理解。對(duì)于本實(shí)例，一級(jí)線索和三級(jí)線索可以完全重用，二級(jí)線索有50％可重用，所以軟件重用度高，修改很容易。

2．5系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在確定了軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案后，按軟件生命周期分別進(jìn)行下一步的總體設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、編碼和單元測(cè)試、綜合測(cè)試等。由于采用了正交軟件體系結(jié)構(gòu)，在通用共享數(shù)據(jù)訪問構(gòu)件、數(shù)據(jù)庫和基類窗體設(shè)計(jì)好之后，將開發(fā)人員分為兩個(gè)小組，每個(gè)小組負(fù)責(zé)三個(gè)線索，由于各線索之間沒有相互調(diào)用，小組之間既不會(huì)相互影響，還可以實(shí)現(xiàn)相似功能的代碼重用，大大提高了編程效率，縮短了開發(fā)周期，節(jié)約了開發(fā)成本。

在系統(tǒng)的演化過程中，新增線索時(shí)不會(huì)對(duì)其他部分產(chǎn)生不良影響，還可以重用其他共享類和構(gòu)件，充分顯示了正交軟件體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

該系統(tǒng)在服務(wù)站內(nèi)部采用C/S模式，在與服務(wù)部、配件供應(yīng)商之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)采用B/S模式，適合中小型汽車生產(chǎn)廠家售后服務(wù)采用第三方軟件的實(shí)際需求。目前該系統(tǒng)已經(jīng)在某汽車生產(chǎn)廠的十多個(gè)售后服務(wù)站應(yīng)用，并且應(yīng)用規(guī)模正不斷擴(kuò)大。

3結(jié)論

本文依據(jù)正交軟件體系結(jié)構(gòu)思想，敘述了正交軟件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和演化控制方法，結(jié)合正交軟件體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例，論證了正交軟件體系結(jié)構(gòu)的實(shí)踐可行性及其優(yōu)越性，是一種實(shí)用的軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)正交軟件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)根據(jù)需求因地制宜，在不能采用完全正交時(shí)，適當(dāng)變通，不過分追求完全正交，只要滿足高內(nèi)聚，低耦合即可。事實(shí)證明，將正交軟件體系結(jié)構(gòu)的線索按層次劃分為多級(jí)，有利于功能劃分和粒度控制，使軟件結(jié)構(gòu)更加清晰，使開發(fā)工作量分配均勻，做到了開發(fā)工作的高效有序、易修改、可維護(hù)性強(qiáng)，能方便地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)調(diào)整；便于移植，重用粒度大，可以實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)級(jí)的重用。

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作者簡(jiǎn)介：

李海洋 （1972），男，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)化制造；李柏林（1962），男，教授，博導(dǎo)，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)化制造；郭榮佐（1973），男，碩士，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、軟件系統(tǒng)理論、計(jì)算機(jī)連鎖。

注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文