软件体系结构交互动作精化研究_任洪敏

构形式化精化过程。文献[16]基于演算讨论了构件 和连接化行为的求精，指出构件的行为求精应符合 进程观察弱模拟关系、连接件的行为求精应符合进 程分支弱模拟关系。文献[17]基于UML描述软件体 系结构，讨论了体系结构的构件分解、行为精化和 数据精化问题。 现有体系结构的精化研究工作主要基于各种不 同形式化方法，针对体系结构风格、构件、连接件 等大粒度元素展开其结构求精、行为求精等方面的 研究工作，但鲜有针对构件间、构件与连接件间交 互动作这一细粒度元素展开精化研究。 本文在ADL 体系结构精化的研究基础上，展开交互动作精化研 究的概念、规则与算法研究。
第 42 卷 第 1 期 2013年1月
电 子 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Electronic Science and Technology of China
Vol.42 No.1 Jan. 2013
软件体系结构交互动作精化研究
任洪敏，刘 晋
(上海海事大学计算机系 上海 浦东新区 200135)
_internalCompute.Cp_request. Cp_putation 0
客户构件Client具有一个端口Cp。端口Cp执行 两个交互动作：启动行为 request 和观察行为 reply 。 它的交互行为协议如下：先发出服务请求 request ， 收到回答 reply 后，内部、非确定地选择继续执行进 程Cp或决定结束服务请求而执行进程0。Client的计 算 行 为 是 进 程 Computation ， 首 先 进 行 内 部 计 算 _internalCompute ， 然后通过端口 Cp 发出服务请求
【摘要】分析了当前体系结构精化的研究工作，基于体系结构形式化描述语言ADL，提出了体系结构交互动作精化的概 念，定义了交互动作精化的规约方法，给出了交互动作精化遵循的法则，有效地解决体系结构精化过程中构件与其交互动作 的抽象层次不匹配的问题。开发了体系结构交互动作精化的推导算法，确保精化过程中高层体系结构的行为特性得到保持， 并自动生成低层体系结构。实例研究表明了该方法的可行性。 关 键 词 演算; 体系结构精化; 交互动作; 软件体系结构 中图分类号 TP311 文献标志码 A doi:10.3969/j.issn.1001-0548.2013.01.028
Abstract Refinement of software architecture deals with mapping and transformation between architectural models at different abstraction levels. This paper reviews current researches on software architecture refinement, analyzes their inadequacies, and then proposes a new concept of interactive action refinement of software architecture based on ADL architecture description language, defines the formal specification method and principles of interactive action refinement, develops a refinement reasoning algorithm, which can preserve the higher-level architectural behavior properties across refinement hierarchies and generates lower-level architectures automatically. Interactive action refinement can effectively eliminate the mismatches of abstraction levels between components and their interactive actions that occur in the architectural refinement process. A case study shows the validity of the proposed method. Key words calculus; architecture refinement; interactive action; software architecture 软件体系结构(software architecture)是软件系统 的高层抽象结构，是控制软件复杂性、提高软件质 量、支持软件复用的关键因素。大型复杂软件系统 体系结构的开发是个复杂和艰巨的任务，但通过逐 步和层次化的开发方法，能够让问题变得简单并易 于控制[1]。因此，体系结构设计师经常运用层次化 方法，在不同的抽象层次对复杂系统的体系结构进 行建模。 高层抽象的体系结构能简化系统整体分析、 帮助开发人员理解系统和相互之间的沟通和交流， 而低层具体的体系结构因为提供更多信息，能进行 更严格的检测、分析或仿真执行。因此，软件体系 结构精化(architecture refinement)成为体系结构的重 要研究课题[2-3]。 软件体系结构精化是指上层抽象体系结构与下 层具体体系结构之间建立一种形式上的抽象映射， 用于将软件系统的上层“抽象结构”变换为更具体、 更接近于实现的下层“精化结构” 。软件体系结构精 化的难点在于如何提供相应的机制和规则，以保证 不同抽象体系结构层之间的语义一致性。当前软件 体系结构研究侧重于软件体系结构的形式化理论、 建模方法与实现支持的研究， 注重体系结构的设计、 分析和实践运用，对软件体系结构的求精和实现的 支持能力明显不足[4]。 演算是90年代计算机并行理论领域最重要的并 发计算模型，能够描述结构不断变化的并发系统[5]。 基于演算， 本文提出了软件体系结构形式化描述语 [6] 言ADL ，展开了软件构件、连接件、端口等软件 体系结构基本元素及其行为协议(behavior protocol) 的精化研究工作[7-8]，行为协议是构件、连接件交互 动作(interactive action)的正确使用时序和其间存在
收稿日期：2011 07 22 ; 修回日期：2012 03 06 基金项目：上海市自然科学基金(10ZR1413700)；上海市教委科研创新项目(12ZZ157) 作者简介：任洪敏(1969 )，男，博士，副教授，主要从事软件体系结构、基于构件的软件工程、形式化方法等方面的研究.
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相关研究
软件体系结构精化研究工作最早出现于20世纪 90年代，是程序求精思想在软件体系结构领域的应 用和发展。目前的体系结构研究工作和体系结构描 2 ADL、交互动作与交互协议 述语言对体系结构精化支持甚少[4]，文献[9]等都不 支持体系结构的精化。 ADL基于多元演算[5] (polyadic -calculus)描 述软件体系结构，遵循文献[9]描述软件体系结构的 文献 [10] 基于高阶类型化 π 演算定义了一个体 系结构精化语言(architecture refinement language， 框架，独立描述构件、连接件、端口、角色和系统 配置。交互动作(interactive action)是构件、连接件发 ARL)，并开发了支持工具，通过描述体系结构的 精化活动，运用重写逻辑方法，支持体系结构的逐 生交互时所执行的行为动作，行为协议 (behavior 步精化。 文献[11]运用体系结构风格定义平台相关的 protocol) 是构件、连接件执行交互动作的时序。 技术模型，基于图变换技术在面向业务的体系结构 ADL运用演算的名字建模端口、 角色的交互动作， 运用进程描述端口、 角色的交互协议。ADL关注行 (business-oriented architectures)与面向服务的体系结 构(service-oriented architecture)之间建立精化关系， 为的控制属性，运用输出名字对构件、连接件主动 执行、具有控制权力的启动行为建模，用输入名字 以支持系统的动态重配置。文献[12]运用非传递无干 对构件和连接件被动执行、不具控制权力的观察行 扰理论， 描述构件与构件之间的信息流，研究了体系 为建模。ADL给演算语法元素赋予了体系结构级 结构不同精化层级间信息流完整性的保持策略。 的语义[6]。 国内众多学者展开了基于构件的软件体系结构 精化研究工作，文献[13]应用I/O行为状态机给出了 ADL的具体语法和建模方法参见文献[6]，下 一个分布式软件构件精化的方法与步骤。文献[14] 面通过对客户 服务器体系结构风格中客户构件的 描述， 简要说明ADL描述体系结构元素的方法。 等基于时序逻辑语言XYZ/E的软件构件精化方法和 其 实例。 文献[15]定义了一种基于上下文相关文法的形 中 为ADL引入的简便标记，表示非确定选择， 式化的求精文法，并据此给出了基于构件的体系结 其语义为 P Q .P .Q ，则有： Component Client Port Cp= request.reply.Cp 0 Computation =
ADL支持构件、连接件和端口的精化工作， 支持构件、 连接件和端口在各抽象层次的分解与复 [7-8] 合 。基于ADL的现有精化机制，在构件、连接
第1期任洪敏，等: Nhomakorabea软件体系结构交互动作精化研究
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件和端口精化所形成的各抽象层次结构中，底层实 现构件的交互动作经过端口复合与绑定，逐级成为 高层复合构件的交互动作，逐级皆保持相同。即在 一个N层的精化层次结构中， 最顶层复合构件的交互 动作与第N层实现构件的交互动作完全相同， 因而都 具有相同的抽象层级和功能粒度。而在体系结构的 精化层次中，顶层复合构件与第N 层的一个实现构 件，其在抽象级别和功能粒度上相差很大，于是造 成了构件的抽象层次与其交互动作的抽象层次不匹 配的问题，从而不能有效地支持体系结构的精化。 实际上高层抽象构件的一个交互动作，通常对应到 低层抽象构件的数个交互动作。 如战场模拟仿真程序当中，Soldier构件具有端 口Fight，不停地执行战斗功能。该端口的基本行为 动 作 包 括 ： 查 找 敌 人 SearchEnemy 、 攻 击 敌 人 AttachEnemy、汇报战果ReportVictory。Fight端口行 为的ADL描述如下： Component SoldierPort Fight= SearchEnemy.AttachEnemy.ReportVictory.Fight Soldier 构 件 进 行 精 化 时 ， 其 交 互 动 作 SearchEnemy可能包括走上高地ClimbMountain、取 出望远镜TakeGlass、进行瞭望LookOut等3个具体的 动作。 据此，借鉴深化构件精化、连接件精化、端口 精化的概念[7-8]，本文提出交互动作精化的概念，即 一个高层抽象构件由多个低层构件组装而成，一个 高层抽象构件的交互动作同样由低层构件的多个交