體系結(jié)構(gòu)驅(qū)動的軟件建模與分析方法的研究.pdf

1、隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)的軟件在表現(xiàn)形態(tài)上有了新的變化，如今軟件的開發(fā)和運(yùn)行正面臨一個多變、復(fù)雜、難控的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，因而軟件開發(fā)需要在軟件的結(jié)構(gòu)、軟件的動態(tài)適應(yīng)以及軟件的質(zhì)量等方面來對其復(fù)雜性進(jìn)行控制；其次，從軟件質(zhì)量角度來看，人們對軟件質(zhì)量的關(guān)注點(diǎn)開始從“傳統(tǒng)的系統(tǒng)內(nèi)部和外部質(zhì)量”轉(zhuǎn)向“綜合化的以用戶視角出發(fā)的使用質(zhì)量”。因此，需要展開對軟件的分析、設(shè)計(jì)等方法以及軟件質(zhì)量分析與評估等理論的研究，為全生命周期的軟件構(gòu)建與質(zhì)量保障體系提

2、供支持。
　　軟件體系結(jié)構(gòu)作為軟件系統(tǒng)的高層抽象，體現(xiàn)了軟件建模階段在軟件全局架構(gòu)上的復(fù)雜度，人們通過利用有效的分析和設(shè)計(jì)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對其復(fù)雜性的控制，從而提高后期軟件開發(fā)的效率，是軟件設(shè)計(jì)階段的重要環(huán)節(jié)，并成為軟件質(zhì)量分析與評估研究的重要組成部分。軟件體系結(jié)構(gòu)描述語言作為一種主流的軟件體系結(jié)構(gòu)描述技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用與軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和開發(fā)過程。然而，大多數(shù)的軟件體系結(jié)構(gòu)描述語言僅僅只考慮了體系結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特征，無法直接支持軟件體系結(jié)

3、構(gòu)的動態(tài)變化，并且也無法實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)重配置過程中的驗(yàn)證和轉(zhuǎn)換。
　　本論文研究基于軟件體系結(jié)構(gòu)的軟件建模與分析方法。從體系結(jié)構(gòu)角度，高層抽象軟件系統(tǒng)，分別提出了一種圖文法（Breeze Graph Grammars，BGG）和一個體系結(jié)構(gòu)描述語言（Breeze/ADL）來分別實(shí)現(xiàn)對軟件系統(tǒng)建模和規(guī)約，同時從軟件質(zhì)量需求入手，針對正確性和可靠性中的相關(guān)質(zhì)量問題，提出了基于探針的死鎖檢測策略和基于Breeze/ADL的可靠性模型，實(shí)現(xiàn)

4、了體系結(jié)構(gòu)層次上的相關(guān)質(zhì)量分析，為軟件質(zhì)量改進(jìn)提供了參考，本文的主要創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　1.設(shè)計(jì)Breeze圖文法。目前，大多數(shù)的體系結(jié)構(gòu)描述方法僅用來對體系結(jié)構(gòu)的組織結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行抽象，并不能對體系結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行定義。為了滿足系統(tǒng)運(yùn)行對動態(tài)應(yīng)變的需求，本文設(shè)計(jì)了一個Breeze圖文法，將體系結(jié)構(gòu)中的實(shí)體元素（包括構(gòu)件、連接子、接口、連接等）映射成Breeze圖中的節(jié)點(diǎn)和邊，通過定義圖產(chǎn)生式（或稱圖重寫規(guī)則），將體系結(jié)構(gòu)重配置過程中的

5、變化映射成相應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)重配置操作，包括重配置原子操作（如增加、刪除）和重配置組合操作（如順序、選擇、迭代）。用圖文法作為理論基礎(chǔ)，軟件體系結(jié)構(gòu)可以被Breeze圖文精準(zhǔn)的形式化刻畫，并且體系結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化也可以通過Breeze圖文法產(chǎn)生式的執(zhí)行來實(shí)現(xiàn)。通過Breeze圖文法不僅可以對軟件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，還可以捕獲在軟件開發(fā)初期和后期重配置過程中動態(tài)變換。
　　2.設(shè)計(jì)基于XML的體系結(jié)構(gòu)描述語言—Breeze/ADL。與其他圖

6、技術(shù)類似，Breeze圖文法也存在一個問題，就是它不支持通用的文本描述方法，利用Breeze圖文法所刻畫的軟件體系結(jié)構(gòu)模型與其他軟件體系結(jié)構(gòu)描述技術(shù)所描述的體系結(jié)構(gòu)模型之間的互操作性則較低。因而，本文采用XML作為元語言，以Breeze圖文法為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一個基于XML的體系結(jié)構(gòu)描述語言—Breeze/ADL，給出了設(shè)計(jì)原則和建模元素的定義，利用Breeze/ADL實(shí)現(xiàn)對體系結(jié)構(gòu)風(fēng)格規(guī)約、實(shí)體元素規(guī)約、體系結(jié)構(gòu)配置規(guī)約及重配置操作的規(guī)約

7、。采用Breeze/ADL進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)建模，其建模結(jié)果不僅服從標(biāo)準(zhǔn)的XML文檔規(guī)范，可以方便的被通用的XML工具解析和修改，提高了Breeze/ADL的可擴(kuò)展性以及與其它基于XML的體系結(jié)構(gòu)描述語言的互操作性，同時，Breeze/ADL將 Breeze圖文法中的圖產(chǎn)生式映射成對應(yīng)的元素，實(shí)現(xiàn)對體系結(jié)構(gòu)動態(tài)變化的支持。此外，本文針對Breeze/ADL，設(shè)計(jì)了Breeze體系結(jié)構(gòu)建模工具，實(shí)現(xiàn)對體系結(jié)構(gòu)的可視化建模

8、，為Breeze/ADL的廣泛應(yīng)用和推廣提供支持。
　　3.正確性作為體系結(jié)構(gòu)的一個重要質(zhì)量屬性，其涉及的問題包括死鎖、失配、約束等，本文針對軟件體系結(jié)構(gòu)上的死鎖問題，提出了一種基于探針的死鎖分析策略，在軟件體系結(jié)構(gòu)模型上檢測是否存在潛在的死鎖環(huán)。本文在Breeze圖文法的基礎(chǔ)上，結(jié)合通信順序進(jìn)程對體系結(jié)構(gòu)建模元素的定義進(jìn)行擴(kuò)展，包括構(gòu)件、連接子及接口。針對連接子，構(gòu)建形式化的探針模型，通過利用探針，對利用連接子進(jìn)行交互的構(gòu)件行為

9、進(jìn)行抽取，獲取構(gòu)件接口之間的調(diào)用關(guān)系，并進(jìn)行存儲來構(gòu)建接口調(diào)用矩陣，通過對矩陣的行、列掃描，尋找可能存在的潛在構(gòu)件調(diào)用死鎖環(huán)，實(shí)現(xiàn)在體系結(jié)構(gòu)層次上的死鎖分析。
　　4.為了在體系結(jié)構(gòu)層次上進(jìn)行可靠性分析與評估，提出了一種基于Breeze/ADL的體系結(jié)構(gòu)可靠性模型。本文對Breeze/ADL進(jìn)行了擴(kuò)展，通過植入錯誤事件、錯誤狀態(tài)、錯誤發(fā)生率等基本錯誤元素，并映射錯誤傳播過程到Production，來構(gòu)建Breeze/ADL錯誤模型

10、，同時，結(jié)合基本Breeze/ADL體系結(jié)構(gòu)模型，生成Breeze/ADL可靠性模型，實(shí)現(xiàn)在體系結(jié)構(gòu)層次上的可靠性建模。此外，為了對所構(gòu)建的可靠性模型進(jìn)行分析，本文以廣義隨機(jī)Petri網(wǎng)模型為基礎(chǔ)，給出了從Breeze/ADL的可靠性模型到廣義隨機(jī)Petri網(wǎng)模型的映射規(guī)則，包括基本錯誤元素的映射規(guī)則和錯誤傳播映射規(guī)則，并對模型轉(zhuǎn)換的正確性進(jìn)行了證明。同時，在Breeze工具上開發(fā)了模型轉(zhuǎn)換插件，實(shí)現(xiàn) Breeze/ADL可靠性模型到廣