體系結構驅動的軟件建模與分析方法的研究.pdf

1、隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，基于網(wǎng)絡的軟件在表現(xiàn)形態(tài)上有了新的變化，如今軟件的開發(fā)和運行正面臨一個多變、復雜、難控的網(wǎng)絡環(huán)境，因而軟件開發(fā)需要在軟件的結構、軟件的動態(tài)適應以及軟件的質量等方面來對其復雜性進行控制；其次，從軟件質量角度來看，人們對軟件質量的關注點開始從“傳統(tǒng)的系統(tǒng)內(nèi)部和外部質量”轉向“綜合化的以用戶視角出發(fā)的使用質量”。因此，需要展開對軟件的分析、設計等方法以及軟件質量分析與評估等理論的研究，為全生命周期的軟件構建與質量保障體系提

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

3、構的動態(tài)變化，并且也無法實現(xiàn)體系結構重配置過程中的驗證和轉換。
　　本論文研究基于軟件體系結構的軟件建模與分析方法。從體系結構角度，高層抽象軟件系統(tǒng)，分別提出了一種圖文法（Breeze Graph Grammars，BGG）和一個體系結構描述語言（Breeze/ADL）來分別實現(xiàn)對軟件系統(tǒng)建模和規(guī)約，同時從軟件質量需求入手，針對正確性和可靠性中的相關質量問題，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，實現(xiàn)

4、了體系結構層次上的相關質量分析，為軟件質量改進提供了參考，本文的主要創(chuàng)新點如下：
　　1.設計Breeze圖文法。目前，大多數(shù)的體系結構描述方法僅用來對體系結構的組織結構特征進行抽象，并不能對體系結構的變化進行定義。為了滿足系統(tǒng)運行對動態(tài)應變的需求，本文設計了一個Breeze圖文法，將體系結構中的實體元素（包括構件、連接子、接口、連接等）映射成Breeze圖中的節(jié)點和邊，通過定義圖產(chǎn)生式（或稱圖重寫規(guī)則），將體系結構重配置過程中的

5、變化映射成相應的體系結構重配置操作，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，軟件體系結構可以被Breeze圖文精準的形式化刻畫，并且體系結構的動態(tài)變化也可以通過Breeze圖文法產(chǎn)生式的執(zhí)行來實現(xiàn)。通過Breeze圖文法不僅可以對軟件體系結構進行建模，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.設計基于XML的體系結構描述語言—Breeze/ADL。與其他圖

6、技術類似，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構模型與其他軟件體系結構描述技術所描述的體系結構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，設計了一個基于XML的體系結構描述語言—Breeze/ADL，給出了設計原則和建模元素的定義，利用Breeze/ADL實現(xiàn)對體系結構風格規(guī)約、實體元素規(guī)約、體系結構配置規(guī)約及重配置操作的規(guī)約

7、。采用Breeze/ADL進行體系結構建模，其建模結果不僅服從標準的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的可擴展性以及與其它基于XML的體系結構描述語言的互操作性，同時，Breeze/ADL將 Breeze圖文法中的圖產(chǎn)生式映射成對應的元素，實現(xiàn)對體系結構動態(tài)變化的支持。此外，本文針對Breeze/ADL，設計了Breeze體系結構建模工具，實現(xiàn)對體系結構的可視化建模

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

9、進行抽取，獲取構件接口之間的調用關系，并進行存儲來構建接口調用矩陣，通過對矩陣的行、列掃描，尋找可能存在的潛在構件調用死鎖環(huán)，實現(xiàn)在體系結構層次上的死鎖分析。
　　4.為了在體系結構層次上進行可靠性分析與評估，提出了一種基于Breeze/ADL的體系結構可靠性模型。本文對Breeze/ADL進行了擴展，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，來構建Breeze/ADL錯誤模型

10、，同時，結合基本Breeze/ADL體系結構模型，生成Breeze/ADL可靠性模型，實現(xiàn)在體系結構層次上的可靠性建模。此外，為了對所構建的可靠性模型進行分析，本文以廣義隨機Petri網(wǎng)模型為基礎，給出了從Breeze/ADL的可靠性模型到廣義隨機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，并對模型轉換的正確性進行了證明。同時，在Breeze工具上開發(fā)了模型轉換插件，實現(xiàn) Breeze/ADL可靠性模型到廣