基于搜索的軟件設(shè)計(jì)方法實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

曾國(guó)蓀, 丁春玲(同濟(jì)大學(xué) .電子與信息工程學(xué)院；.化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院，上海，200092)

0 引 言

“軟件工程”是計(jì)算機(jī)專業(yè)的骨干課程，是應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)及管理科學(xué)等進(jìn)行軟件開發(fā)的工程科學(xué)，強(qiáng)調(diào)思想性、方法論、標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)踐觀為一體。軟件工程課程旨在使學(xué)生掌握軟件項(xiàng)目開發(fā)和維護(hù)的一般過(guò)程，掌握軟件開發(fā)的傳統(tǒng)方法和最新技術(shù)，為今后就業(yè)打下良好基礎(chǔ)，培養(yǎng)高素質(zhì)人才[1-4]。軟件工程是計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門必修課程，早在1991年，IEEE-CS/ACM聯(lián)合工作組就將“軟件工程”列為計(jì)算機(jī)學(xué)科的9個(gè)知識(shí)領(lǐng)域之一。軟件工程是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的綜合性課程，其他計(jì)算機(jī)課程，如程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、數(shù)據(jù)庫(kù)、操作系統(tǒng)等都是軟件工程的先導(dǎo)課程。在軟件開發(fā)的各個(gè)階段都會(huì)用到有關(guān)的知識(shí)，可以說(shuō)軟件工程課程與先導(dǎo)課程是相互作用和影響的，并對(duì)這些課程起到重要的支撐和引領(lǐng)作用[5-7]。

程序設(shè)計(jì)方法是軟件工程課程主講的內(nèi)容。軟件工程課程主要內(nèi)容包括軟件工程概述、軟件過(guò)程模型、軟件設(shè)計(jì)方法、軟件項(xiàng)目管理等[8-10]，其中軟件設(shè)計(jì)方法又包含問(wèn)題定義、可行性分析、需求分析、總體和詳細(xì)設(shè)計(jì)、編碼測(cè)試、軟件維護(hù)等知識(shí)，可見程序設(shè)計(jì)方法是課程的重點(diǎn)。計(jì)算機(jī)發(fā)展至今，先后出現(xiàn)了面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)、面向過(guò)程的程序設(shè)計(jì)、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)、面向構(gòu)件的程序設(shè)計(jì)、面向方面的程序設(shè)計(jì)等方法[11]。上述程序設(shè)計(jì)方法各有特色，理念不同、關(guān)注點(diǎn)不一樣、也都存在缺陷。隨著信息新技術(shù)的出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)搜索成為一種習(xí)慣，有必要講解基于搜索的程序設(shè)計(jì)方法。

程序編碼效率是軟件項(xiàng)目開發(fā)的生命。軟件項(xiàng)目通常規(guī)模大，程序復(fù)雜性高，如何在預(yù)定時(shí)間和預(yù)算內(nèi)完成開發(fā)，是項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵。但是，軟件開發(fā)效率很低，既跟不上硬件的發(fā)展速度，也落后用戶的期待。為了解決上述問(wèn)題，可從程序編碼效率上尋求突破。據(jù)統(tǒng)計(jì)，程序編碼在整個(gè)軟件生命周期中，占據(jù)了高達(dá)37%的時(shí)間成本和40%的人力成本，因而編碼效率直接影響著軟件的生產(chǎn)率，提高程序編碼效率可以大幅度縮短軟件項(xiàng)目的開發(fā)時(shí)間。

開源代碼復(fù)用是提高軟件開發(fā)效率的重要手段。軟件復(fù)用包括知識(shí)方法復(fù)用、代碼復(fù)用、標(biāo)準(zhǔn)和文檔資料復(fù)用等。其中開源代碼復(fù)用是最有效的形式，開源代碼可以來(lái)自代碼托管平臺(tái)和開源社區(qū)等場(chǎng)所。進(jìn)行代碼復(fù)用的好處很多，在應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)中可以充分利用已有的開發(fā)成果，消除包括分析、設(shè)計(jì)、編碼、測(cè)試等在內(nèi)的許多重復(fù)勞動(dòng)。程序員使用一個(gè)可復(fù)用庫(kù)，其中的源代碼和功能都是他們所需要和熟知的。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度講，有利于明確人員分工和個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)積累。代碼復(fù)用技術(shù)還有利于減少培訓(xùn)開銷，即雇員在熟悉任務(wù)時(shí)所需的非正式的開銷。軟件復(fù)用技術(shù)的另一個(gè)好處在于對(duì)快速原型的支持，即可以快速構(gòu)造軟件系統(tǒng)可操作的模型，大大提高項(xiàng)目的開發(fā)效率[12-13]。

復(fù)用代碼依賴精準(zhǔn)搜索引擎查找。據(jù)統(tǒng)計(jì)，SearchCode開源庫(kù)擁有超過(guò)500萬(wàn)個(gè)開源項(xiàng)目、180億行開源代碼。為了發(fā)現(xiàn)需要的源代碼，程序員平均需花費(fèi)19%的編程時(shí)間搜索代碼。目前搜索途徑大都采用“基于關(guān)鍵詞的搜索”，雖然能夠搜索所需要的源代碼，但是返回結(jié)果太多，很難獲取真正想要的源代碼。因此，本項(xiàng)目進(jìn)一步探索精準(zhǔn)搜索開源代碼的新方法。事實(shí)上，程序代碼之所以能夠被計(jì)算機(jī)編譯，必須滿足一些規(guī)則和要求。例如，代碼的語(yǔ)法和語(yǔ)義信息就是可以被利用開展搜索的信息，通過(guò)這兩方面的信息，可以唯一確定所需的源代碼，從而可以設(shè)計(jì)基于語(yǔ)法和語(yǔ)義結(jié)合的精準(zhǔn)搜索引擎。

基于智能搜索的程序設(shè)計(jì)方法呼之欲出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，新軟件項(xiàng)目中，約80%的源代碼都可在以前的軟件項(xiàng)目中找到，并進(jìn)行復(fù)用。因此，應(yīng)該站在巨人的肩膀上，在程序設(shè)計(jì)時(shí)盡量利用已有的源代碼。目前傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)方法，能夠利用同一項(xiàng)目中已經(jīng)存在的函數(shù)、類、構(gòu)件、庫(kù)文件等，進(jìn)行內(nèi)部調(diào)用，但是如果超出了項(xiàng)目的范圍，代碼則不能復(fù)用。此時(shí)就需要智能搜索，除了提供快速檢索、相關(guān)度排序等功能，還能提供用戶輸入內(nèi)容的語(yǔ)義理解、智能信息過(guò)濾和主動(dòng)推薦源代碼等功能[14]。

在智能搜索的基礎(chǔ)上，呼吁一種新的程序設(shè)計(jì)方法，即一種“基于搜索的程序設(shè)計(jì)方法”，從程序設(shè)計(jì)哲學(xué)思想、邏輯理念、方法技術(shù)、過(guò)程實(shí)現(xiàn)等方法改善傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方法，其根本目的是提高軟件開發(fā)效率。

1 各種程序設(shè)計(jì)方法演進(jìn)和比較

縱觀軟件技術(shù)發(fā)展歷史，程序設(shè)計(jì)方法從面向機(jī)器、面向過(guò)程、面向?qū)ο?，發(fā)展到面向組件、面向agent，面向服務(wù)等多種方法。針對(duì)程序設(shè)計(jì)方法的哲學(xué)思想、關(guān)注點(diǎn)、驅(qū)動(dòng)力、邏輯、特色、不足等，可用圖1所示進(jìn)行比較。

2 基于開源搜索編程的新方法

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展和源碼開放運(yùn)動(dòng)的興起，網(wǎng)絡(luò)上越來(lái)越多的優(yōu)秀的開源代碼可以被人們下載學(xué)習(xí)和使用。以目前最大的開源社區(qū)sourceforge.net為例，該社區(qū)共享了179 518個(gè)開源工程擁有200萬(wàn)的注冊(cè)用戶，以及數(shù)量更為龐大的匿名用戶群[5]，其中不乏優(yōu)秀代碼片段。假如能夠開發(fā)一套先進(jìn)的開源代碼搜索系統(tǒng)，能夠根據(jù)開發(fā)者的搜索需求，精確返回可信的代碼以供選擇，制作成模板或者庫(kù)函文件，通過(guò)繼承(extends)和實(shí)現(xiàn)(implements)等手段實(shí)現(xiàn)重用。那么在大規(guī)模的程序開發(fā)中，將大大降低人員的學(xué)習(xí)成本和勞動(dòng)成本，編程的效率必將大幅提高。

目前，基于“搜索”的編程方法，最初級(jí)的階段是利用通用搜索引擎來(lái)實(shí)現(xiàn)。程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)模塊的某個(gè)功能時(shí)，程序員往往希望盡量利用現(xiàn)存的方案，因此需要通過(guò)一些搜索渠道查找相關(guān)信息，例如百度等通用搜索引擎。由于返回的結(jié)果通常是一段或多段源代碼，因此這種也被稱為“源代碼級(jí)”的搜索。這種傳統(tǒng)的搜索方法明顯存在兩個(gè)嚴(yán)重的不足：①存在大量無(wú)關(guān)信息的干擾。當(dāng)搜索引擎返回程序設(shè)計(jì)方面的結(jié)果的同時(shí)，難以避免地也會(huì)夾雜著一些無(wú)關(guān)信息，要想得到準(zhǔn)確和期望的結(jié)果，必須掌握一定的搜索技巧，這無(wú)疑給原本單純的操作增加了障礙。②可信度無(wú)法判斷。通用搜索引擎的輸出結(jié)果排序完全取決于通用的排序算法，程序員通常不能在第一時(shí)間確定與搜索請(qǐng)求最相符的代碼，且代碼的質(zhì)量無(wú)從判斷，利用這種開放代碼編寫的軟件存在缺陷的可能性非常高。為此，軟件開發(fā)者需要建立一套更為合理的“基于搜索的編程方法”，提供更專業(yè)、高效、多樣的搜索功能。根據(jù)不同的代碼重用需求，提供不同粒度的搜索支持。其中最大粒度的是軟件開發(fā)的整個(gè)架構(gòu)，盡管軟件的功能不盡相同，但是其運(yùn)行都可以依托于近乎相似的架構(gòu)，例如“LAMP”的網(wǎng)站架構(gòu)、TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型等都可以作為程序開發(fā)的參考。中等粒度的是功能模塊的搜索，此時(shí)的搜索對(duì)象大多為構(gòu)件，這是一種可單獨(dú)生產(chǎn)、獲取、部署的二進(jìn)制單元，依靠.NET、EJB等框架，它們之間可以互相作用構(gòu)成一個(gè)軟件功能系統(tǒng)。最小粒度也是目前最為常用的是源代碼的搜索。

圖1 程序設(shè)計(jì)方法演進(jìn)圖

為了迎合程序員的編程習(xí)慣，接近企業(yè)軟件開發(fā)實(shí)際情況，構(gòu)建一種支持“即時(shí)編程錄入，即時(shí)代碼搜索”的程序設(shè)計(jì)支撐系統(tǒng)。當(dāng)程序員編程輸入代碼時(shí)，根據(jù)輸入預(yù)測(cè)所需代碼，將結(jié)果返回到編程界面，程序員可以即時(shí)選擇使用，并且在編程結(jié)束后，對(duì)這次匹配進(jìn)行是否正確的反饋，方便提高今后的匹配準(zhǔn)確率。通過(guò)這種方法達(dá)到共享開源代碼的目的，整個(gè)過(guò)程無(wú)需主動(dòng)搜索，是一種友好快速高效的編程環(huán)境，是一種新的編程方法的實(shí)踐和體驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)過(guò)程

為了讓軟件工程課程的教學(xué)內(nèi)容追趕最新的軟件技術(shù)，讓專業(yè)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室中體驗(yàn)最新的軟件設(shè)計(jì)方法，我們開展了基于搜索編程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)，同時(shí)得到學(xué)校實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處的大力支持。主要工作內(nèi)容如下：

(1) 海量開源代碼庫(kù)的構(gòu)建?；谒阉骶幊淌紫刃枰创a庫(kù)，否則是無(wú)米之炊。代碼庫(kù)的構(gòu)建主要有3個(gè)任務(wù)：①源代碼爬取操作：確定爬取場(chǎng)所為開源代碼搜索引擎，例如searchcode，爬取對(duì)象為C語(yǔ)言源代碼。為了提高效率，采用多臺(tái)電腦分布式協(xié)作，多線程并行抓取。②源代碼數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作：采用分布式文件系統(tǒng)HDFS方式，存儲(chǔ)對(duì)象是以函數(shù)為粒度的源代碼文件，每個(gè)文件只保存一個(gè)函數(shù)體。③源代碼庫(kù)索引建立操作：利用Lucerne建立倒排索引，源代碼屬性值除了代碼中的關(guān)鍵字外，還包括為了精準(zhǔn)搜索的語(yǔ)法和語(yǔ)義信息，將一個(gè)Document與一個(gè)物理源代碼文件相對(duì)應(yīng)。通過(guò)構(gòu)建本地源代碼庫(kù)，為基于搜索的程序設(shè)計(jì)方法提供了搜索數(shù)據(jù)源的支持。

(2) 精準(zhǔn)代碼搜索引擎設(shè)計(jì)和開發(fā)。源代碼的搜索主要有兩個(gè)目標(biāo)，找全，找準(zhǔn)。傳統(tǒng)的基于關(guān)鍵詞搜索能夠滿足一定的要求，但難達(dá)到精準(zhǔn)匹配的效果。因此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)“基于語(yǔ)法和語(yǔ)義的新型源代碼搜索引擎”，旨在找全找準(zhǔn)兩個(gè)目標(biāo)上有所提高。在語(yǔ)法方面，利用“程序流程圖”進(jìn)行搜索，流程圖主要通過(guò)三種基本結(jié)構(gòu)(順序、分支、循環(huán))反映程序的執(zhí)行順序和過(guò)程。用戶在搜索時(shí)，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)程序中包括多少循環(huán)，多少分支，提高搜索的精度。在語(yǔ)義方面，利用“輸入/輸出”進(jìn)行搜索，用戶提交對(duì)輸入/輸出變量的數(shù)目和類型描述，得到所有符合要求的結(jié)果。因此，充分利用語(yǔ)法和語(yǔ)義結(jié)合進(jìn)行搜索和匹配，可以提高搜索的精準(zhǔn)度。

(3) 校園網(wǎng)站實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建。本實(shí)驗(yàn)環(huán)境的特色和用意是實(shí)踐和鍛煉一種新的程序設(shè)計(jì)方法，新的知識(shí)點(diǎn)用傳統(tǒng)的軟件工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境無(wú)法支持，不能滿足這個(gè)目的要求，也無(wú)法從現(xiàn)有公司或企業(yè)買來(lái)產(chǎn)品來(lái)幫助本實(shí)驗(yàn)的開展。因此，只能通過(guò)自主開發(fā)和構(gòu)建新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。同時(shí)，考慮到軟件工程課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少，不能增加課堂授課時(shí)間，計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)比較自由自助自主，不需要提供固定的時(shí)間和固定的場(chǎng)所，激發(fā)學(xué)生對(duì)新技術(shù)的興趣以及創(chuàng)新意識(shí)等，利用校園Internet網(wǎng)，進(jìn)行開放性實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。組織研究生采用Java技術(shù)設(shè)計(jì)網(wǎng)站，根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，例如http://10.60.138.179:8080/SearchEngine/，該網(wǎng)站在我校校園內(nèi)均可訪問(wèn)，學(xué)生可以隨時(shí)隨地隨意進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(4) 代碼復(fù)用搜索實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容建設(shè)遵循與理論緊密結(jié)合的原則，做到有針對(duì)性、層次性、可操作性、趣味性和適當(dāng)難度性。保證學(xué)生都能完成實(shí)驗(yàn)而促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)信心的建立；精心設(shè)計(jì)每部分的上網(wǎng)實(shí)驗(yàn)題目，適當(dāng)限定查找設(shè)計(jì)范圍，為學(xué)生指明一條捷徑，避免學(xué)生無(wú)所適從，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)熱情；體現(xiàn)寓教于樂(lè)，興趣驅(qū)動(dòng)，使每個(gè)學(xué)生都有滿足感，充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，施展學(xué)生的才華，逐漸對(duì)課程產(chǎn)生興趣，大大提高學(xué)生的設(shè)計(jì)欲望和創(chuàng)新動(dòng)力。另外，適當(dāng)?shù)馗郊与y度，激發(fā)優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)一步鉆研的斗志。為此，選擇幾個(gè)代碼復(fù)用搜索的題目：①快速排序源代碼搜索，②求解線性方程組源代碼搜索，③求圖中兩點(diǎn)間最短路徑源代碼搜索，④根據(jù)興趣學(xué)生自選源代碼搜索。

(5) 實(shí)驗(yàn)操作手冊(cè)編寫。由于是一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)教育實(shí)驗(yàn)環(huán)境，操作手冊(cè)的編制是為了讓學(xué)生了解和熟悉本次實(shí)驗(yàn)的方法、目的、內(nèi)容、過(guò)程等，具體的操作細(xì)節(jié)包括：注冊(cè)登錄、源代碼搜索、代碼分類瀏覽、代碼抓取、用戶滿意度評(píng)價(jià)、后臺(tái)管理等。為了使系統(tǒng)功能劃分明確，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)健，將用戶分為學(xué)生、老師、管理員等，各自具有相應(yīng)操作分類和權(quán)限。

(6) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)評(píng)價(jià)機(jī)制。“學(xué)習(xí)-實(shí)踐-反饋”是學(xué)生掌握知識(shí)、提高能力的一般過(guò)程，故應(yīng)十分重視實(shí)驗(yàn)效果反饋評(píng)價(jià)。為了避免傳統(tǒng)考評(píng)機(jī)制的缺陷，杜絕實(shí)驗(yàn)中的克隆現(xiàn)象，做到公正、公平、合理、科學(xué)，本實(shí)驗(yàn)環(huán)境特別設(shè)置兩個(gè)手段進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)考評(píng)，①開辟一個(gè)用戶滿意度窗口，學(xué)生用戶隨時(shí)可以錄入實(shí)驗(yàn)感受、問(wèn)題、意見等，老師用戶隨時(shí)可以進(jìn)行相應(yīng)點(diǎn)評(píng)交流。②根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，針對(duì)要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，即復(fù)用搜索源代碼的精準(zhǔn)度給予學(xué)生掌握知識(shí)、實(shí)驗(yàn)效果好壞的評(píng)價(jià)，精準(zhǔn)越高，成績(jī)?cè)礁?。上述評(píng)價(jià)過(guò)程完全是網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)進(jìn)行的，不摻雜指導(dǎo)老師的任何主觀意見。

4 結(jié) 語(yǔ)

在人工智能時(shí)代，利用前人的智慧開發(fā)軟件，復(fù)用源代碼，是一種高效的編程方法。為了將最新的程序設(shè)計(jì)方法引入到軟件工程課程教學(xué)中，構(gòu)建了基于搜

索編程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，提供給學(xué)生自由、自助、自主開展教學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生感受新鮮，教學(xué)效果良好,為大學(xué)專業(yè)教學(xué)進(jìn)行了一次大膽改革和有益嘗試。

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