軟件體系架構(gòu)案例教學(xué):連珠軟件開發(fā)

　　摘要：軟件體系架構(gòu)(SA)是軟件工程專業(yè)主修課程。本文通過五子棋軟件開發(fā)案例，介紹我們給軟件工程專業(yè)學(xué)生教授SA課程方面的經(jīng)驗(yàn)。通過需求分析加深對軟件系統(tǒng)的理解，在此基礎(chǔ)上確定軟件質(zhì)量屬性的優(yōu)先級和所采用的、用來實(shí)現(xiàn)這些質(zhì)量屬性的戰(zhàn)術(shù)。設(shè)計(jì)合適的五子棋軟件架構(gòu)以滿足質(zhì)量屬性要求，并對架構(gòu)進(jìn)行評估。
　　關(guān)鍵詞：軟件體系架構(gòu)；案例教學(xué)；本科課程；統(tǒng)一建模語言；軟件工程
　　
　　軟件體系架構(gòu) SA(Software Architecture)是軟件工程專業(yè)本科生的一門主修課程，通常在大學(xué)三年級開設(shè)。該門課程實(shí)踐性強(qiáng)、涉及內(nèi)容豐富，如何讓學(xué)生在短短一學(xué)期內(nèi)、在缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的情況下，理解掌握架構(gòu)設(shè)計(jì)方法，就成為一個(gè)亟待解決的問題。根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)，我們選擇五子棋人機(jī)交互軟件FIR(Five-in-a-Row)作為案例進(jìn)行教學(xué)。五子棋趣味性強(qiáng)、規(guī)則簡單、老少皆宜，同時(shí)，極具挑戰(zhàn)性。設(shè)計(jì)這樣一個(gè)軟件會用到學(xué)生學(xué)過的很多課程知識，包括數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法設(shè)計(jì)與分析、高級程序設(shè)計(jì)語言，等等；初級版本的FIR程序代碼量約4 000至5 000行，這樣規(guī)模的軟件，如果不進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)就直接來寫，是很困難的。因此，我們認(rèn)為這是一個(gè)極佳的教學(xué)案例。
　　在案例教學(xué)中，我們采用質(zhì)量屬性驅(qū)動(dòng)ADD
　　(Attribute Driven Design)方法[1] 165-185來設(shè)計(jì)架構(gòu)，用UML(Unified Modeling Language)語言描述架構(gòu)[2]，遵循統(tǒng)一過程RUP(Rational Unified Process)方法開發(fā)軟件。以下第1節(jié)對功能需求進(jìn)行描述和分析；第2節(jié)深入理解系統(tǒng)功能和運(yùn)行時(shí)狀態(tài)；第3節(jié)分析質(zhì)量屬性和戰(zhàn)術(shù)；第4節(jié)設(shè)計(jì)架構(gòu)；第5節(jié)評估架構(gòu)；第6節(jié)介紹代碼開發(fā)及“架構(gòu)-代碼”一致性檢查；第7節(jié)總結(jié)全文。
　　1需求描述和分析
　　需求分析一般在立項(xiàng)階段進(jìn)行(RUP中，需求分析在每一次迭代中都可能進(jìn)行)，它的作用是使學(xué)生在編碼前初步了解系統(tǒng)功能以及功能模塊之間的關(guān)系，為確定質(zhì)量屬性和決策架構(gòu)做準(zhǔn)備。這個(gè)FIR軟件，主要以算法研究和教學(xué)為目的，初期版本計(jì)劃用時(shí)1月左右開發(fā)完成。
　　圖1是學(xué)生根據(jù)需求描述設(shè)計(jì)的FIR軟件的頂層用例和內(nèi)部用例，只要稍有下棋經(jīng)驗(yàn)及機(jī)器博弈方面的知識就能夠完成。這時(shí)的用例圖不需要十分精確，因?yàn)殡S著后面內(nèi)容的進(jìn)行，用例圖會不斷進(jìn)行調(diào)整。
　　2對系統(tǒng)功能及狀態(tài)的深入理解
　　需求用例圖讓學(xué)生對系統(tǒng)各功能場景有了初步解，然而模塊之間具體如何交互，到目前為止仍不明朗——必須在架構(gòu)決策之前搞清楚其主要部分，這樣得到的架構(gòu)才可能合理。為此，我們選擇了典型的雙人對戰(zhàn)場景，讓學(xué)生弄清楚各模塊之間的交互關(guān)系，然后利用UML順序圖和協(xié)作圖描述場景。參考圖2和圖3。
　　這種(對系統(tǒng)功能的)理解還可以通過完成其他場景的順序圖和協(xié)作圖來持續(xù)強(qiáng)化加深。但場景隨條件不同有很多，不可能都這樣來做——這個(gè)問題可由有限狀態(tài)機(jī)圖來解決。圖4是我們指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)的FIR系統(tǒng)有限狀態(tài)機(jī)，其中包括一個(gè)頂層有限狀態(tài)機(jī)和3個(gè)內(nèi)部狀態(tài)機(jī)。通過此環(huán)節(jié)，學(xué)生弄清楚了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所處狀態(tài)及變遷條件，結(jié)合前面的順序圖和協(xié)作圖，進(jìn)一步明確了系統(tǒng)模塊功能的劃分和交互。
　　3質(zhì)量屬性及戰(zhàn)術(shù)
　　深入了解系統(tǒng)功能及運(yùn)行時(shí)狀態(tài)后，下面著手分析系統(tǒng)的質(zhì)量屬性及相應(yīng)戰(zhàn)術(shù)。
　　3.1質(zhì)量屬性優(yōu)先級
　　本軟件質(zhì)量屬性場景主要有兩個(gè)：算法研究平臺、教學(xué)案例。表1是學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)功能和質(zhì)量屬性場景列出的質(zhì)量屬性優(yōu)先級，分高(High)、中(Middle)、
　　低(Low)三個(gè)等級。由于算法研究主要追求更有效的搜索算法，因此把性能列為高等級質(zhì)量屬性。其余質(zhì)量屬性處于相對次要的地位。
　　3.2實(shí)現(xiàn)質(zhì)量屬性所采用的戰(zhàn)術(shù)
　　這一小節(jié)涉及內(nèi)容較為抽象，因此在確定戰(zhàn)術(shù)時(shí)，教師與學(xué)生一起進(jìn)行討論。
　　針對性能屬性需求，最終決定從3方面戰(zhàn)術(shù)著手：控制資源需求、對資源進(jìn)行管理和對資源競爭進(jìn)行仲裁[1] 120-135。分別采用提高計(jì)算效率、引入并發(fā)、合理調(diào)度的戰(zhàn)術(shù)。其中，提高計(jì)算效率的主要措施是通過發(fā)現(xiàn)更多的知識來建立更有效的估值函數(shù)，然后利用剪枝技術(shù)提高算法搜索效率；另外還采用數(shù)據(jù)庫(End Game Database)技術(shù)進(jìn)一步提高搜索效率。引入并發(fā)涉及兩方面：一是分離人機(jī)交互部分和搜索部分，二是通過增加計(jì)算資源(并發(fā)線程)來提高搜索效率。
　　針對可修改質(zhì)量屬性，主要采用局部化變更戰(zhàn)術(shù)和防止連鎖反應(yīng)戰(zhàn)術(shù)。局部化變更戰(zhàn)術(shù)包括抽象通用服務(wù)、保持語義一致性、預(yù)期可能變更等；防止連鎖反應(yīng)戰(zhàn)術(shù)包括信息隱藏和維持現(xiàn)有接口。
　　針對易用性質(zhì)量屬性，采用n6+HyHU4ANRe3SF49a1Bhg==了支持用戶主動(dòng)(實(shí)現(xiàn)回退、重新開始等功能)、維持用戶模型(對某些任務(wù)做預(yù)先計(jì)算、給出提示信息和增加幫助功能等)戰(zhàn)術(shù)。
　　4架構(gòu)分析和表述
　　前面完成了需求分析、功能狀態(tài)分析、質(zhì)量屬性及戰(zhàn)術(shù)分析。接下來的任務(wù)就是根據(jù)戰(zhàn)術(shù)來創(chuàng)建或選用合適的軟件構(gòu)架。
　　架構(gòu)風(fēng)格可以看做是一整套預(yù)制好的決策。我們已清楚地了解到FIR是一個(gè)典型的人機(jī)交互軟件系統(tǒng)，這方面有許多成熟架構(gòu)風(fēng)格可以選用：PAC(表示-抽象-控制模型)、MVC(模型-視圖-控制器)、seeheim(塞海姆)等。最終通過集體討論選擇了MVC作為FIR的架構(gòu)。該架構(gòu)風(fēng)格把交互過程分為3部分：輸入、處理、輸出，分別由控制器、模型、視圖來負(fù)責(zé)，避免了系統(tǒng)核心函數(shù)和用戶界面函數(shù)緊密交織帶來的可修改性和擴(kuò)展性問題，可以很方便地添加新的搜索模塊、增加新的界面功能，非常適合FIR系統(tǒng)。架構(gòu)的UML描述見圖5。
　　根據(jù)ADD架構(gòu)設(shè)計(jì)方法，在確定了頂層(即系統(tǒng)本身)及最初幾層架構(gòu)后，接下來就是分解求精架構(gòu)的各個(gè)模塊，針對這些模塊，再選擇架構(gòu)驅(qū)動(dòng)因素、戰(zhàn)術(shù)和模式，繼續(xù)分解求精直至系統(tǒng)分解為某適當(dāng)?shù)牧６葹橹埂＿@部分內(nèi)容受空間限制略去。
　　5評估架構(gòu)
　　完成架構(gòu)設(shè)計(jì)后，我們并沒有立即開始詳細(xì)設(shè)計(jì)及編碼工作，而是與學(xué)生一起針對所選架構(gòu)進(jìn)行評估。評估能發(fā)現(xiàn)一些潛在風(fēng)險(xiǎn)，對大型軟件系統(tǒng)尤其重要。
　　表2根據(jù)架構(gòu)評估權(quán)衡分析方法(ATAM) [1] 276-303，列出了FIR軟件架構(gòu)的質(zhì)量效用樹。限于空間，表中僅展示了性能、可修改性部分的質(zhì)量效用樹。
　　針對質(zhì)量效用樹的高優(yōu)先級場景如VCF_搜索，我們討論了所采用的架構(gòu)決策點(diǎn)和權(quán)衡點(diǎn)，包括提高計(jì)算效率(使用了一種Cache技術(shù))、引入并發(fā)(見圖6)等等。
　　6代碼開發(fā)和架構(gòu)—代碼一致性檢測
　　6.1代碼開發(fā)
　　當(dāng)架構(gòu)層次分解穩(wěn)定后，就可以將各個(gè)模塊分配給開發(fā)小組在確定了接口規(guī)范及通訊消息協(xié)議后，我們將學(xué)生分組，分別負(fù)責(zé)不同模塊的代碼開發(fā)工作：數(shù)據(jù)庫小組、人機(jī)交互界面小組、搜索函數(shù)模塊小組(數(shù)個(gè))、集成和測試小組等等。定期開會交流進(jìn)展情況，由教師負(fù)責(zé)全局統(tǒng)籌管理。其中某些實(shí)現(xiàn)困難的模塊，由教師事先完成。圖7是FIR軟件進(jìn)行VCF(Victory by Continue Fours)計(jì)算的一個(gè)實(shí)戰(zhàn)場景。
　　6.2架構(gòu)-代碼的一致性檢測
　　軟件系統(tǒng)最終性能不僅受SA影響，還受限于編碼質(zhì)量，因此，對SA與系統(tǒng)實(shí)際功能是否一致需進(jìn)行檢查。迄今，未見參考文獻(xiàn)介紹如何在代碼中跟蹤具體戰(zhàn)術(shù)或架構(gòu)風(fēng)格。為此，架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，我們根據(jù)實(shí)際需要制定了一些功能場景的效能目標(biāo)，然后在代碼完成后檢測這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)情況。這部分工作已經(jīng)記錄于表2中。以性能質(zhì)量屬性為例，在架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要求完成一次除VCF、VCT等高級搜索外的人機(jī)交互操作不超過10ms響應(yīng)時(shí)間，參考表2的“性能”行，其中，第4層場景求精列的括號中數(shù)字顯示了實(shí)測運(yùn)行時(shí)間，滿足設(shè)計(jì)架構(gòu)時(shí)設(shè)定的目標(biāo)(見第3層場景概念列和第4層場景求精列的括號外部分)。
　　
　　7結(jié)語
　　好的案例勝過千言萬語，通過親身參與全過程的軟件開發(fā)，學(xué)生理解了軟件架構(gòu)對于軟件開發(fā)的重要性，掌握了一種架構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并深刻體會到從架構(gòu)到編碼再到最終軟件所付出巨大努力。
　　在這個(gè)案例中，學(xué)生會碰到各式各樣的問題。教師應(yīng)當(dāng)以發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)性為主，以自己出手代辦為輔，充分利用學(xué)生渴求知識、思維活躍的特點(diǎn)以及對棋的興趣，引導(dǎo)他們獨(dú)立解決問題。隨著問題的解決，學(xué)生不但融會貫通了本課程及以前課程所學(xué)知識，還獲得了很大的成就感和自信心，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣。
　　今后，我們計(jì)劃讓學(xué)生利用課余時(shí)間，并根據(jù)自身興趣參與國內(nèi)外舉辦的機(jī)器博弈競賽或工業(yè)級項(xiàng)目產(chǎn)品開發(fā)，以此作為課堂教學(xué)的有益補(bǔ)充。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1] L.B