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基于模式的软件体系结构自动化合成

徐永睿  
【摘要】:在软件体系结构设计中,软件体系结构合成活动连接了软件体系结构设计的问题空间和解空间,是软件体系结构设计中的关键活动。为了在软件体系结构设计中更好的复用已有的成功经验,软件架构师往往利用软件体系结构模式作为可复用的软件体系结构知识进行软件体系结构的合成。使用软件体系结构模式进行软件体系结构合成具有许多优势,例如复杂的大型软件系统的体系结构可以组合已有的软件体系结构模式从而进行增量式的设计。尽管如此,使用软件体系结构模式进行软件体系结构合成仍然是一项具有挑战性的任务,尤其是对于那些缺乏设计经验的架构师。因此,本文提出基于模式的软件体系结构自动化合成方法生成候选的软件体系结构候选解决方案,来辅助架构师的软件体系结构合成活动。基于模式的软件体系结构合成活动包含两个子过程:职责合成和模式合成。本文中职责指的是软件系统需要实现的功能性需求。在面向对象的软件体系结构的职责合成中,职责用方法和属性来表示。职责合成子过程仅关注于职责在软件体系结构中的分配。对于软件体系结构的总体设计,职责到类的分配对软件体系结构的设计质量有较大的影响。与职责合成不同,模式合成子过程独立于具体的业务上下文,仅关注于软件体系结构模式的实现,以降低软件体系结构的复杂性,并在设计软件体系结构时复用已有的成功设计经验。关于软件职责和模式的自动化合成,国内外已开展了大量相关工作。职责自动化合成的现有研究主要包括三个方面:候选方案的表示,优化函数的定义以及优化算法,但很少考虑利用软件设计知识在自动化合成中提高候选方案的设计质量。绝大多数模式合成的现有研究关注于软件体系结构模式的推荐和选择,很少考虑选定的模式中抽象元素与系统实现单元之间的关联。此外,现有的工作通常将职责合成和模式合成单独考虑,而基于模式的软件体系结构合成活动需要综合考虑职责合成和模式合成,因此很难获得理想的设计方案。针对软件体系结构合成活动中职责合成和模式合成现有方法中存在的不足,本文拟解决的关键问题是“针对基于模式的软件体系结构如何高效地自动化合成体系结构候选方案”。围绕这一关键问题,在深入分析现有工作不足的基础上,本文从以下四个方面开展研究工作:(1)针对基于模式的软件体系结构合成活动中的模式合成,提出了一种体系结构模式度量定义的过程方法。根据软件体系结构模式的约束,该模式度量定义过程主要包含3个步骤定义模式度量:模式角色发现、模式内在关系发现以及模式相关领域的度量发现。基于层次分析法的思想,本文进一步提出了模式度量权重自动化设置方法。针对特定的软件体系结构模式,提出的方法得到的模式度量构成了模式自动化合成的基础。(2)针对职责合成中职责分配问题,提出了一种基于学习的方法,用于提升职责合成生成的候选方案的设计质量。在提出的方法中,通过将一种学习机制引入到遗传算法中,从而提取隐藏的设计知识用于自动化提升生成解的设计质量。该设计知识包含了在问题域中哪些职责拥有较高的概率被分配到同一个类中。通过将提出的方法与已有的方法生成的体系结构解决方案进行比较,基于学习的方法能够显著的改进生成的体系结构候选方案的设计质量,并且更容易被架构师所认可。(3)提出了一种包含职责合成和模式合成的协作式协同演化方法用于自动化合成基于模式的软件体系结构。提出的方法由两个协同演化的自动化过程构成:职责合成和模式合成,分别对应于基于模式的软件体系结构合成活动中的两个子过程。通过采用元启发式搜索技术,该协作式协同演化方法试图自动化优化选定体系结构模式相关的模式度量,同时优化候选体系结构方案中软件职责到体系结构元素(比如类)之间的职责分配。(4)在基于模式的软件体系结构合成中,提出了一种用于协作式协同演化的冲突消解方法。在采用协作式协同演化方法自动化合成基于模式的软件体系结构时,基于模式的软件体系结构设计方案由职责合成和模式合成子过程生成的解组合而成。当职责合成和模式合成子过程生成的解存在冲突时,该组合方法存在着明显的局限性。在提出的方法中,使用数据挖掘领域的关联规则算法提取职责合成和模式合成生成的候选方案中同时出现的软件职责。关联规则算法提取到的知识进一步用于消解职责合成和模式合成候选方案间的冲突。提出的方法可以有效的消解基于模式的软件体系结构自动化合成中出现的大多数冲突,并能有效的增强生成的软件体系结构解决方案的多样性。


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