基于構(gòu)件的軟件工程概念模型研究

摘 要:本文基于筆者多年從事計(jì)算機(jī)軟件的相關(guān)研究，以基于構(gòu)件的軟件工程概念模型為研究對(duì)象，探討了面向?qū)ο筌浖こ膛c傳統(tǒng)軟件工程之間的差別，給出了基于構(gòu)件的軟件工程概念模型，全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞:構(gòu)件軟件工程面向?qū)ο?/p>

中圖分類號(hào):TP3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)07(a)-0111-02

軟件是信息產(chǎn)業(yè)的靈魂，軟件工程是軟件產(chǎn)業(yè)的靈魂。1968年由NATO(北大西洋公約組織)在德國(guó)格密斯(Garmish)舉行的學(xué)術(shù)會(huì)議上正式提出“軟件工程(software engineering)”這一概念以來(lái)，軟件工程發(fā)展極快，取得了豐碩的成果。軟件工程分為傳統(tǒng)軟件工程、面向?qū)ο筌浖こ?、軟件過(guò)程工程和構(gòu)件軟件工程四種。軟件工程沒(méi)有一個(gè)權(quán)威的定義，比較認(rèn)可的定義為:軟件工程是一門交叉學(xué)科，它是解決軟件問(wèn)題的工程，是對(duì)軟件開發(fā)、運(yùn)作、維護(hù)的系統(tǒng)化的、有規(guī)律的、可定量的研究方法。軟件工程有明確的目標(biāo)。那就是研制開發(fā)與生產(chǎn)出具有良好的軟件質(zhì)量和費(fèi)用合算的產(chǎn)品。軟件質(zhì)量可用六個(gè)特性來(lái)評(píng)價(jià):功能性、可靠性、易使用性、高效率性、可維護(hù)性、易移植性。

軟件工程不同于一般工程，具體表現(xiàn)在:

(1)軟件是邏輯產(chǎn)品而不是實(shí)物產(chǎn)品，所以費(fèi)用集中在研制開發(fā)上而不在生產(chǎn)上。軟件不會(huì)用壞、磨損、老化，但有一個(gè)過(guò)時(shí)的問(wèn)題。(2)由于軟件是邏輯產(chǎn)品，使得它的功能只能依賴于硬件和軟件的運(yùn)行環(huán)境以及人們對(duì)它的操作，才能得以體現(xiàn)。(3)軟件產(chǎn)品的功能比一般產(chǎn)品的功能復(fù)雜得多。(4)軟件設(shè)計(jì)比一般產(chǎn)品復(fù)雜得多。具體表現(xiàn)在:功能的多樣性，實(shí)現(xiàn)的多樣性。推動(dòng)軟件工程發(fā)展的原動(dòng)力是提高軟件質(zhì)量和軟件開發(fā)的生產(chǎn)效率。

1 傳統(tǒng)軟件工程

傳統(tǒng)軟件工程采用面向過(guò)程，即結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，既有很多成功的例子，例如DOS操作系統(tǒng)，也有很多失敗的例子，例如美國(guó)阿波羅登月飛行計(jì)劃的軟件錯(cuò)誤。因?yàn)閭鹘y(tǒng)軟件工程不能駕馭復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)，曾經(jīng)一度產(chǎn)生了軟件危機(jī)。面對(duì)越來(lái)越復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，傳統(tǒng)軟件工程已經(jīng)不能勝任，在實(shí)踐中，人們呼喚能適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)的軟件工程方法學(xué)和軟件開發(fā)技術(shù)的誕生，面向?qū)ο筌浖こ虘?yīng)運(yùn)而生。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，Internet飛速發(fā)展，人們碰到了另一個(gè)難題，快節(jié)奏地開發(fā)基于Web的大型應(yīng)用程序，面向?qū)ο筌浖こ碳捌浼夹g(shù)已經(jīng)不能勝任，人們嘗試?yán)没跇?gòu)件的技術(shù)來(lái)解決，于是誕生了CORBA，COM及COM+，J2EE及EJB等基于構(gòu)件的技術(shù)和軟件開發(fā)方法。然而，今天的構(gòu)件技術(shù)離人們追求的目標(biāo)—— 軟件工廠還相差甚遠(yuǎn)。

面向過(guò)程的優(yōu)點(diǎn):面向過(guò)程的思維方法是符合人類認(rèn)識(shí)規(guī)律的，因?yàn)槿藗兘鉀Q問(wèn)題，總是一步一步進(jìn)行的，其中，有順序，條件和循環(huán)，利用這三大結(jié)構(gòu)，可以解決世界上的任何問(wèn)題。這些方法是優(yōu)秀的，被面向?qū)ο蠛兔嫦驑?gòu)件所吸收，成為類或構(gòu)件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的有力工具。面向過(guò)程的缺點(diǎn):著眼于細(xì)節(jié)，不能很好地從宏觀上把握系統(tǒng)。

傳統(tǒng)軟件工程提出的軟件生存周期概念，影響深遠(yuǎn)。詳細(xì)的軟件生存周期分為軟件系統(tǒng)的可行性研究、需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、組裝測(cè)試、確認(rèn)測(cè)試、使用、維護(hù)、退役十個(gè)階段。粗略的軟件生存周期分為系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試、使用、維護(hù)六個(gè)階段。軟件生存周期是一個(gè)自然的過(guò)程，所有軟件開發(fā)都或多或少地要遵循這一過(guò)程。

2 面向?qū)ο筌浖こ?/p>

面向?qū)ο筌浖こ淌沁\(yùn)用面向?qū)ο蠓椒?，符合人類認(rèn)識(shí)規(guī)律的一種軟件工程。20世紀(jì)60年代后期出現(xiàn)了面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，70年代初Xerox公司推出了Smailtalk語(yǔ)言。奠定了面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，1980年出現(xiàn)的Smatltalk-80標(biāo)志著面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)進(jìn)入了實(shí)用階段。自80年代中期起，人們注重于面向?qū)ο蠓治龊驮O(shè)計(jì)的研究，逐步形成了面向?qū)ο筌浖こ谭椒▽W(xué)。典型的方法有ECoad和E．YourDon的面向?qū)ο蠓治龊驮O(shè)計(jì)，GBooch的面向?qū)ο箝_發(fā)方法，J．Rumbaugh等人提出的對(duì)象建模技術(shù)(OMT)，Jacobson的面向?qū)ο筌浖こ痰取?0年代中期，由GBooth，J．Rumbaugh，Jacobson等人發(fā)起，在Booch方法、OMT方法、OOSE方法的基礎(chǔ)上推出了統(tǒng)一的建模語(yǔ)言(UML)，1997年被國(guó)際對(duì)象組織(OMG)確定為標(biāo)準(zhǔn)的建模語(yǔ)言。

面向?qū)ο蠓椒ǖ某霈F(xiàn)受到了計(jì)算機(jī)軟件界的親睞，并成為90年代的主流開發(fā)方法。面向?qū)ο蠓椒ǖ膬?yōu)點(diǎn)。

(1)從認(rèn)知學(xué)的角度來(lái)看，面向?qū)ο蠓椒ǚ先藗儗?duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)規(guī)律很長(zhǎng)一段時(shí)間里，我們分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)一個(gè)軟件系統(tǒng)的過(guò)程與我們認(rèn)識(shí)一個(gè)系統(tǒng)的過(guò)程存在著差異。例如結(jié)構(gòu)化方法分析的結(jié)果是數(shù)據(jù)流圖，設(shè)計(jì)的結(jié)果是模塊結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)的結(jié)果是由程序模塊組成的源程序。這些圖中的成分或程序模塊不能直接映射到客觀世界中系統(tǒng)的實(shí)體上，也就是說(shuō)，解空間的結(jié)構(gòu)與問(wèn)題空間的結(jié)構(gòu)是不一致的。當(dāng)用戶需求有一些小的改變時(shí)，這種不一致性將導(dǎo)致分析、設(shè)計(jì)的較大變化。而面向?qū)ο蠓椒▌t以客觀世界中系統(tǒng)的實(shí)體為基礎(chǔ)，將客觀實(shí)體的屬性及其操作封裝成對(duì)象。在分析階段，識(shí)別系統(tǒng)中的對(duì)象以及它們之間的關(guān)系;在設(shè)計(jì)階段，仍延用分析的結(jié)果，并根據(jù)實(shí)現(xiàn)的需要增加、刪除或合并某些對(duì)象，或在某些對(duì)象中添加相關(guān)的屬性和操作，同時(shí)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這些操作的方法;在實(shí)現(xiàn)階段，則用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)描述這些對(duì)象以及它們之間的聯(lián)系。因此，面向?qū)ο蠓椒ǖ姆治?、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)的結(jié)果能直接映射到客觀世界中系統(tǒng)的實(shí)體上，也就是說(shuō)，解空問(wèn)的結(jié)構(gòu)與問(wèn)題空間的結(jié)構(gòu)是一致的。分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)的過(guò)程與認(rèn)識(shí)這個(gè)問(wèn)題的過(guò)程是一致的。由于面向?qū)ο蟮姆治龊驮O(shè)計(jì)采用同樣的圖形表示形式，分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)都以對(duì)象為基礎(chǔ)，因此面向?qū)ο箝_發(fā)的各階段之間具有很好的無(wú)縫連接。當(dāng)用戶的需求有所改變時(shí)，由于客觀世界中的實(shí)體相對(duì)穩(wěn)定，實(shí)體之間的聯(lián)系也是基本不變，因此面向?qū)ο蟮目傮w結(jié)構(gòu)也相對(duì)比較穩(wěn)定，所引起的變化大多集中在對(duì)象的屬性與操作及對(duì)象之間的消息通信上?？傊?，面向?qū)ο蠓椒ǚ先藗儗?duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)規(guī)律，所開發(fā)的系統(tǒng)相對(duì)比較穩(wěn)定。

(2)開發(fā)的軟件系統(tǒng)易于維護(hù)，其體系結(jié)構(gòu)易于理解、擴(kuò)充和修改面向?qū)ο蠓椒ㄩ_發(fā)的軟件系統(tǒng)由對(duì)象類組成，對(duì)象的封裝性很好地體現(xiàn)了抽象和信息隱蔽的特征。對(duì)象以屬性及操作作為接口，使用者只可通過(guò)接口訪問(wèn)對(duì)象，對(duì)象的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)對(duì)外是不可見(jiàn)的。這些特征使得軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)是模塊化的，這種體系結(jié)構(gòu)易于理解、擴(kuò)充和修改。當(dāng)對(duì)象的接口確定以后，實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的修改不會(huì)影響其他對(duì)象，易于維護(hù)。同時(shí)也便于分配給不同的開發(fā)人員去實(shí)現(xiàn)，依據(jù)規(guī)定的接口能方便地組裝成系統(tǒng)。

(3)面向?qū)ο蠓椒ㄖ械睦^承機(jī)制有力支持軟件的復(fù)用在同一應(yīng)用領(lǐng)域的不同應(yīng)用系統(tǒng)中，往往會(huì)涉及到許多相同或相似的實(shí)體，這些實(shí)體在不同的應(yīng)用系統(tǒng)中存在許多相同的屬性和操作。在開發(fā)一個(gè)新的軟件系統(tǒng)時(shí)，可以復(fù)用已有系統(tǒng)中的某些類，通過(guò)繼承和補(bǔ)充形成新系統(tǒng)的類。在同一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中，某些類之問(wèn)也存在一些公共的屬性和操作，也可以通過(guò)繼承來(lái)復(fù)用公共的屬性和操作。

3 構(gòu)件軟件工程的概念模型

構(gòu)件和基于構(gòu)件的方法是電子商務(wù)革命的驅(qū)動(dòng)力，它們是Internet時(shí)代開發(fā)企業(yè)級(jí)解決方案的方法。在任何行業(yè)中，復(fù)雜情況通常是通過(guò)很多關(guān)鍵概念來(lái)解決的。這些概念是通過(guò)抽象、分解、選代、細(xì)化等方法來(lái)表達(dá)的。其中的關(guān)鍵是分解技術(shù)—— 把一個(gè)較大的問(wèn)題分解成較小的、可管理的單元，這樣每一個(gè)單元都是可以單獨(dú)處理的，這個(gè)技術(shù)是軟件工程的許多方法的核心。這些方法可以稱為結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，模塊化編程，面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)，基于構(gòu)件的程序設(shè)計(jì)，它們產(chǎn)生的單元稱為模塊、包、對(duì)象或構(gòu)件。

基于構(gòu)件軟件開發(fā)是歷史發(fā)展的必然，基于構(gòu)件的軟件開發(fā)(Component Based Software Development)，簡(jiǎn)稱CBD?；跇?gòu)件的軟件工程(Component Based Software Engineering)，簡(jiǎn)稱CBSE。CBD追求的目標(biāo)是軟件的“即插即用”。回顧經(jīng)典的工業(yè)化革命，不難得出一些有益的啟示:功能再?gòu)?fù)雜的產(chǎn)品都是由大量標(biāo)準(zhǔn)的零件(領(lǐng)域構(gòu)件)組成，零件在生產(chǎn)線上裝配成一個(gè)產(chǎn)品，所有零件在產(chǎn)品中共同發(fā)揮作用。分工越細(xì)致，專業(yè)生產(chǎn)的程度越高，總體生產(chǎn)效率就越高。把這些啟示運(yùn)用于軟件開發(fā)，那就是:標(biāo)準(zhǔn)的零件就是軟件生產(chǎn)的構(gòu)件，構(gòu)件在軟件生產(chǎn)線上通過(guò)集成得到新開發(fā)的軟件。

3.1 為什么要使用基于構(gòu)件的軟件開發(fā)

使用基于構(gòu)件的軟件開發(fā)方法，有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)遏制復(fù)雜性;(2)縮短發(fā)布時(shí)問(wèn);(3)提高一致性;(4)復(fù)用本領(lǐng)域的最佳方法;(5)提高生產(chǎn)率;(6)提高軟件質(zhì)量;(7)增加項(xiàng)目進(jìn)度的可視性;(8)支持并行的和分布式的開發(fā);(9)減少維護(hù)費(fèi)用。

3.2 構(gòu)件的分類

構(gòu)件有兩個(gè)層次，粗粒度構(gòu)件和細(xì)粒度構(gòu)件。粗粒度構(gòu)件指的是基于操作系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)件，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)即插即用的目標(biāo)。例如，基于Windows平臺(tái)開發(fā)的各種應(yīng)用軟件，Microsoft Office，Windows Media Player， Realone Player，F(xiàn)lashGet，金山詞霸，瑞星殺毒軟件等等，這些應(yīng)用程序可以直接安裝使用，當(dāng)不再需要這些應(yīng)用程序的時(shí)候，可以通過(guò)自帶的卸載程序或通過(guò)控制面板將其卸載。很明顯，這正是我們所討論的軟件的“即插即用”，只不過(guò)這些構(gòu)件跨平臺(tái)能力太差，不能直接從Windows平臺(tái)移植到Unix平臺(tái)、Solaris平臺(tái)或其它平臺(tái);復(fù)用程度也太差，不是我們心目中最求的目標(biāo)。

細(xì)粒度構(gòu)件指的是可以用來(lái)組裝應(yīng)用程序的構(gòu)件，包括通用構(gòu)件和專用構(gòu)件，基于構(gòu)件的軟件開發(fā)討論的就是這種構(gòu)件。另一種分類是根據(jù)軟件復(fù)用來(lái)進(jìn)行分類的，分為廣義構(gòu)件和狹義構(gòu)件。廣義構(gòu)件是指用于復(fù)用的軟件實(shí)體，包括分析文檔、詳細(xì)設(shè)計(jì)、代碼實(shí)現(xiàn)等。狹義構(gòu)件特指二進(jìn)制代碼構(gòu)件，可以用于組裝應(yīng)用程序。

3.3 CBD模型描述

基于構(gòu)件的軟件開發(fā)，簡(jiǎn)稱CBD，足面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的繼承和發(fā)展。一個(gè)構(gòu)件由一個(gè)或多個(gè)對(duì)象經(jīng)過(guò)包裝構(gòu)成，通過(guò)接口獨(dú)立地對(duì)外提供服務(wù)。接口和硬件接口相似，有輸入接口、輸出接口和輸入輸出接口。我們看現(xiàn)實(shí)生活的一個(gè)例子，可以引發(fā)我們的很多思考。人是一個(gè)對(duì)象，也是經(jīng)過(guò)規(guī)范包裝的一個(gè)構(gòu)件，其接口是眼、耳、鼻、舌、口、身，其中眼、耳、鼻、舌是輸入接口，口是輸出接口，身是輸入輸出接口。人通過(guò)輸入接口接收信息和對(duì)外界的感知，通過(guò)神經(jīng)傳遞消息，集中在大腦進(jìn)行加工處理，反饋信息通過(guò)神經(jīng)傳遞到輸出接口，從而完成人對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)識(shí)和感知，完成人與人之問(wèn)的溝通與協(xié)調(diào)，這樣就構(gòu)成了整個(gè)人類社會(huì)。

CBD也是相似的，每個(gè)構(gòu)件都是由一個(gè)或多個(gè)對(duì)象經(jīng)過(guò)規(guī)范包裝構(gòu)成的，形成標(biāo)準(zhǔn)的部件，然后在構(gòu)件集成開發(fā)環(huán)境下，組裝成應(yīng)用程序。下面我們?cè)敿?xì)看一下CBD生存周期的概念。

基于構(gòu)件的軟件開發(fā)生存周期為系統(tǒng)分析，藍(lán)圖設(shè)計(jì)，構(gòu)件的準(zhǔn)備與生產(chǎn)，構(gòu)件的集成與測(cè)試，使用，維護(hù)六個(gè)階段。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析和藍(lán)圖設(shè)計(jì)之后，就必須進(jìn)行構(gòu)件的準(zhǔn)備和生產(chǎn)，這時(shí)候，可以復(fù)用通用構(gòu)件，對(duì)于特定領(lǐng)域的特殊構(gòu)件，必須自己進(jìn)行生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域內(nèi)的特殊業(yè)務(wù)邏輯。系統(tǒng)分析的時(shí)候，采用自上而下的分析方法，識(shí)別出系統(tǒng)的所有需求，把整個(gè)系統(tǒng)分解為多個(gè)一級(jí)子模塊，如果需要，再進(jìn)行更細(xì)的詳分，標(biāo)識(shí)為二級(jí)子模塊，三級(jí)子模塊等等。一般來(lái)說(shuō)，模塊的劃分不宜太深，二級(jí)就可以了，否則理解起來(lái)就很困難。當(dāng)把子模塊詳細(xì)分解為構(gòu)件之后，在構(gòu)件集成開發(fā)環(huán)境下，首先進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，然后標(biāo)識(shí)接El，進(jìn)行規(guī)范包裝，使構(gòu)件像工業(yè)上的標(biāo)準(zhǔn)零件一樣。在集成開發(fā)環(huán)境下，采用和c棚似的兩層界面，一層是設(shè)計(jì)界面，一層是代碼界面，構(gòu)件集成開發(fā)環(huán)境的成功之處在于，雙擊任何一個(gè)構(gòu)件，能夠?qū)?gòu)件和構(gòu)件代碼一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，從而大大方便編程和調(diào)試程序。當(dāng)把各個(gè)小構(gòu)件準(zhǔn)備好了之后，把它們集成編譯為更大的構(gòu)件，直至集成為一級(jí)構(gòu)件，最后把一級(jí)構(gòu)件組裝為應(yīng)用程序。

為了更加直觀，可以把包裝好的構(gòu)件用圖形界面表示出來(lái)。有的構(gòu)件是獨(dú)立構(gòu)件，有的構(gòu)件由很多小構(gòu)件組裝而成。圖1～3用直觀的方式描述了這種思想。

3.4 單個(gè)構(gòu)件生產(chǎn)圖

如圖1。

3.5 基于構(gòu)件軟件開發(fā)體系結(jié)構(gòu)

如圖2。

3.6 構(gòu)件軟件開發(fā)層次結(jié)構(gòu)

如圖3。

參考文獻(xiàn)

[1]朱三元，錢樂(lè)秋，宿為民．軟件工程技術(shù)概論[M]．北京:科學(xué)出版社，2007．

[2]R．Otte，P．Patrick，M．Roy[著]，李師賢，等[譯]．CORBA教程[M]．北京:清華大學(xué)出版社，2009.

[3]朱其亮，鄭斌．CORBA原理及應(yīng)用[M]．北京:北京郵電大學(xué)出版社，2010．

[4]OMG[著]．CORBA服務(wù)[M]．北京:電子工業(yè)出版社，2009．