軟件系統(tǒng)的復雜網(wǎng)絡之研究

郭長江

摘 要：互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)帶來了顯著的變化，軟件趨于網(wǎng)絡化，這一趨勢讓軟件以全局性資源的身份，依托網(wǎng)絡面向公眾提供豐富的資源。軟件的計算和應用模式等也均出現(xiàn)了顯著變化。網(wǎng)絡化軟件已變成銜接網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)資源的關(guān)鍵，與此同時，網(wǎng)絡化系統(tǒng)將更加復雜，但復雜性亦為質(zhì)量不能保證的重點。文章將依照理論實踐成果，深入研究復雜網(wǎng)絡。

關(guān)鍵詞：軟件系統(tǒng)；復雜網(wǎng)絡；數(shù)據(jù)資源

軟件技術(shù)的不斷發(fā)展與互聯(lián)網(wǎng)的高度普及，促使軟件系統(tǒng)規(guī)模逐步擴大，復雜度也日益增加，基于此，軟件開發(fā)時常陷入失控狀態(tài)，無法保障產(chǎn)品質(zhì)量。為此，如何辨識、評判與管控軟件復雜性便成為軟件工程的主要挑戰(zhàn)內(nèi)容。軟件產(chǎn)品本是智能化系統(tǒng)，且系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)關(guān)乎著功能、性能等基本指標。為對系統(tǒng)復雜性展開進一步探究，則一定要詳細描述軟件的結(jié)構(gòu)，合理量化，但結(jié)構(gòu)信息度量長期以來都不理想。經(jīng)過長期探索發(fā)現(xiàn)，從復雜網(wǎng)絡層面著手探究軟件，有利于軟件復雜性量化。

1 復雜網(wǎng)絡的內(nèi)涵

從網(wǎng)絡的角度來描述客觀世界最早出現(xiàn)在1736年。其中復雜網(wǎng)絡研究的最大不同便是站在統(tǒng)計角度考量網(wǎng)絡內(nèi)部的大規(guī)模節(jié)點和對應連接性質(zhì)。在復雜網(wǎng)絡中，主要性質(zhì)與參數(shù)是度、度分析以及介數(shù)等。一般將網(wǎng)絡節(jié)點界定成該節(jié)點包含的連接邊的具體數(shù)目，且網(wǎng)絡內(nèi)部節(jié)點分布大多通過函數(shù)來表示，基本定義是某節(jié)點恰巧對應的概率。聚集系數(shù)主要用來描述網(wǎng)絡內(nèi)部節(jié)點的實際聚集情況。節(jié)點聚集系數(shù)主要指代整體鄰居連邊數(shù)目在最大連邊數(shù)目中所占的比例，而網(wǎng)絡聚集系數(shù)是各個節(jié)點聚集系數(shù)均值，兩節(jié)點距離是連接兩者最短路徑所對應邊的數(shù)目，網(wǎng)絡直徑是任意兩點對應的最大距離。介數(shù)包含邊介數(shù)與節(jié)點介數(shù)這兩種，代表節(jié)點或邊的實際影響。

2 軟件系統(tǒng)復雜網(wǎng)絡剖析

基于互聯(lián)網(wǎng)的作用，大規(guī)模和超大規(guī)模軟件現(xiàn)已問世。個人電腦剛剛普及時，軟件主要依托PC平臺；但在互聯(lián)網(wǎng)正式出現(xiàn)后，促使桌面應用開始朝著網(wǎng)絡應用過渡，無論是日常生活，還是工作均發(fā)生了較大的轉(zhuǎn)變，與此同時，軟件形態(tài)也不斷改變。軟件形成于網(wǎng)絡環(huán)境中，由最初的服務系統(tǒng)至服務網(wǎng)絡，且軟件行為也由單一軟件工作轉(zhuǎn)換到群體有機協(xié)作，軟件應用由為我所有至為我所用，不管是個人的日常應用，還是企業(yè)的基本應用，軟件網(wǎng)絡化走向均較為明顯。隨著軟件和網(wǎng)絡的逐步融合，其計算和應用模式等均發(fā)生了顯著變化，基本規(guī)模、用戶的實際數(shù)量和單元交互等均呈現(xiàn)出數(shù)量級增長，和傳統(tǒng)軟件相比，已演變成具有網(wǎng)絡化特性的復雜系統(tǒng)?；诖耍绾螌で蠼y(tǒng)一、可行的方式來理解與調(diào)控系統(tǒng)復雜性亟待攻克。

解決該問題的主要出路是網(wǎng)絡，這是因為軟件的結(jié)構(gòu)可經(jīng)由網(wǎng)絡拓撲來呈現(xiàn)。軟件工程即把系統(tǒng)化與可檢驗的方法融入到軟件開發(fā)以及運行維護中。無論對哪一個硬件工程均較為顯著，但軟件工程并非形成于物理量測度以及物理定律基礎之上，為此，幫助認識軟件與描述軟件屬性的基本量化方法便成為預估、完善軟件工程的重點。

復雜網(wǎng)路研究主要是利用把研究對象轉(zhuǎn)換成節(jié)點和邊共同構(gòu)建形成的網(wǎng)絡形式，隨即探索真實世界網(wǎng)絡的主要特點。軟件系統(tǒng)內(nèi)部的拓撲結(jié)構(gòu)可通過網(wǎng)絡來展現(xiàn)，從不同標度而言，軟件系統(tǒng)主要包含服務、模塊和子系統(tǒng)等不同元素，利用元素交互達成計算功能。站在軟件網(wǎng)絡模型層面來說，節(jié)點主要是各個組成元素，而邊指代組成元素內(nèi)部的利用關(guān)系，例如，數(shù)據(jù)交換和消息傳遞等?，F(xiàn)下，利用復雜網(wǎng)絡理論開展的研究活動主要面向開放源代碼系統(tǒng)。具體是通過逆向工程方法獲取組織結(jié)構(gòu)再分析，明確復雜網(wǎng)絡特征，最終得到整體性質(zhì)。

當下復雜網(wǎng)絡研究和軟件工程學互相整合的探索工作正處于初級階段，利用軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)屬性剖析為著手點，通過對軟件系統(tǒng)內(nèi)部的拓撲結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)形成機理、復雜性評測探究，在此獲得了顯著的成果。

3 依托于復雜網(wǎng)絡形成的軟件復雜性評測

復雜系統(tǒng)理論要求從整體層面把控系統(tǒng)，并非僅僅關(guān)注局部。大多情況下，復雜系統(tǒng)通常在整體上表現(xiàn)出全新特征，該特征僅僅存在于系統(tǒng)層次，并非系統(tǒng)開發(fā)人員特意為之。探究這些特征有利于軟件系統(tǒng)復雜性剖析，另外，復雜網(wǎng)絡相關(guān)理論知識與方法均能較好展現(xiàn)軟件系統(tǒng)的具體行為與基本結(jié)構(gòu)，填補原有度量方法的空白，例如，強調(diào)微觀設計，不具備內(nèi)部屬性與外部整體特征的有效映射等。為此，軟件工程領(lǐng)域現(xiàn)有研究人員開始嘗試將相關(guān)方法整合到軟件度量學層面。

Vasa等依照軟件網(wǎng)絡邊數(shù)與節(jié)點數(shù)對應的關(guān)系探究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實際變化，以此來預估軟件的基本規(guī)模和搭建該系統(tǒng)需付出的代價。在此之后，提出了一套全新的度量指標，以此來檢測和評判開發(fā)活動中軟件結(jié)構(gòu)的實際穩(wěn)定性變化，同時，找到類的規(guī)模與復雜性分布依照時間推移呈現(xiàn)的變化，但那些存在較大入度的類強調(diào)被修改，這有利于系統(tǒng)開發(fā)工作的進行。Liu等將軟件系統(tǒng)比成軟件耦合網(wǎng)絡來進行研究。

近幾年，研究者強調(diào)把復雜網(wǎng)絡方法與具體的程序整合到一起，以此來科學評判系統(tǒng)與編寫的代碼。Melton等剖析了81個開源系統(tǒng)類內(nèi)部的依賴關(guān)系，得出其他類訪問對應的非私有成員內(nèi)部的類極有可能形成依賴環(huán)，以此來增加系統(tǒng)復雜性，降低穩(wěn)定性，促進程序編寫。Zhao等把社會網(wǎng)分析整合到軟件網(wǎng)絡自身結(jié)構(gòu)復雜性剖析問題上，獲得靜態(tài)結(jié)構(gòu)復雜性研究和形成于k-score之上的結(jié)構(gòu)定性這兩種分析方法，上述度量指標有效性經(jīng)由開源軟件系統(tǒng)得到驗證，這有利于系統(tǒng)設計工作的進行，并提供了理論指導。

復雜網(wǎng)絡和軟件工程之間的交叉探索正處于初級階段，雖然取得了顯著的成果，但現(xiàn)下大部分研究主要停滯在發(fā)現(xiàn)與解釋內(nèi)容上，具體是探索軟件網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)整體特性和主要形成機制，這和工程實踐存在差距。度量方面的探索雖然從工程層面著手，然而，其實用性亟待進一步探索。換而言之，即便提出某些度量方法，卻零散，缺少一定的工具支撐，無法進行有效的檢驗與綜合應用，不能合理指導開發(fā)活動，在未來需深入商討與探究，最終將其解決。

4 結(jié)束語

軟件結(jié)構(gòu)與軟件開發(fā)緊密相關(guān)，軟件結(jié)構(gòu)自身的復雜性決定著軟件開發(fā)成本，軟件工程旨在通過軟件結(jié)構(gòu)探究來研制出高質(zhì)量軟件。但因不能直接分析與全面把控軟件外部特性，一般利用結(jié)構(gòu)改進來實現(xiàn)設計優(yōu)良軟件的目的。目前，復雜網(wǎng)絡研究已積累了一定的經(jīng)驗成果，這為大規(guī)模軟件系統(tǒng)探究提供了重要保障，并將不斷成熟和完善。

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