面向構(gòu)件語義關(guān)系的軟件體系結(jié)構(gòu)演化分析

印桂生，宋敏，2，韋正現(xiàn)，王紅濱，張萬松

(1.哈爾濱工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001;2.北京外國語大學(xué) 信息技術(shù)中心，北京100089;3.船舶系統(tǒng)工程研究所，北京100036)

構(gòu)造性和演化性是軟件的兩個(gè)基本特性［1］.軟件進(jìn)行漸變并達(dá)到所希望的形態(tài)就是軟件演化.軟件演化由一系列復(fù)雜的變化活動(dòng)組成，這些變化活動(dòng)稱為演化操作.引起軟件變化的原因是多方面的，對軟件演化進(jìn)行理解和控制顯得復(fù)雜而困難［2］.而軟件體系結(jié)構(gòu)(software architecture，SA)作為軟件的藍(lán)圖，為人們從宏觀上把握軟件的整體結(jié)構(gòu)，為軟件的整個(gè)生命周期各個(gè)階段提供有效指導(dǎo)［3-4］，因此，軟件演化的研究應(yīng)該從高層的軟件體系結(jié)構(gòu)，以便于對演化進(jìn)程及其影響進(jìn)行有效控制.SA演化研究分為靜態(tài)演化和動(dòng)態(tài)演化兩方面.靜態(tài)演化主要從非運(yùn)行時(shí)SA版本更新、功能增加、刪除和修改等方面入手.動(dòng)態(tài)演化是在軟件運(yùn)行時(shí)刻SA的變換來進(jìn)行深入研究［5-7］.文獻(xiàn)［2］通過語義可達(dá)矩陣給出構(gòu)件對SA貢獻(xiàn)大小來評價(jià)SA演化的波及效應(yīng)，但沒有從語義相關(guān)性以及不同SA演化操作具有不同特性的角度來分析SA演化.文獻(xiàn)［8-9］分別用進(jìn)程代數(shù)和圖論來解釋SA演化，但它們更注重SA的構(gòu)造而非演化.文獻(xiàn)［10-11］對軟件演化過程進(jìn)行了定性分析.本文從SA中構(gòu)件及構(gòu)件之間的語義關(guān)系、語義協(xié)議關(guān)系和SA演化操作特性3個(gè)方面綜合分析SA靜態(tài)演化及其波及效應(yīng).首先給出構(gòu)件內(nèi)部的語義和語義協(xié)議關(guān)系，分析了構(gòu)件之間語義關(guān)系的時(shí)序性可以通過語義協(xié)議關(guān)系來表示;其次給出了SA語義關(guān)系矩陣，將SA中語義關(guān)系組成語義關(guān)系鏈，提出了SA語義關(guān)系鏈矩陣并對它的性質(zhì)進(jìn)行分析;再次根據(jù)SA演化操作特點(diǎn)提出了語義關(guān)系鏈波及效應(yīng)與語義關(guān)系構(gòu)件波及效應(yīng)算法，同時(shí)，針對不同語義協(xié)議關(guān)系項(xiàng)對刪除構(gòu)件的影響程度不同，提出了刪除構(gòu)件的語義關(guān)系構(gòu)件波及效應(yīng)算法;最后給出了SA演化實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析.

1 構(gòu)件及構(gòu)件之間的語義關(guān)系

目前，普遍認(rèn)為構(gòu)件以及構(gòu)件之間的關(guān)系(連接件)共同組成了軟件體系結(jié)構(gòu)［10］.

1.1 構(gòu)件的語義及語義協(xié)議關(guān)系

構(gòu)件C由接口規(guī)約和內(nèi)部規(guī)約兩部分組成.構(gòu)件接口分為兩類，一類是示出接口P，它是構(gòu)件C向外提供功能(服務(wù))接口，另一類是導(dǎo)入接口E，它是構(gòu)件C需要的功能(服務(wù))接口［12］.內(nèi)部規(guī)約是對構(gòu)件內(nèi)部功能和屬性的抽象和描述.從SA來考察構(gòu)件，它表現(xiàn)為導(dǎo)入接口與構(gòu)件內(nèi)部規(guī)約到示出接口的關(guān)系總和.

定義1 構(gòu)件的語義.設(shè)P是構(gòu)件C的示出接口集(記為 C·P)，E是 C的導(dǎo)入接口集(記為C·E)，則構(gòu)件C的語義S是從E到P的二元關(guān)系:S?E×P.

如圖 1(a)中 S={(a，p)，(b，p)，(b，q)，(d，q)，(e，t)}是 P 到 E 的一個(gè)關(guān)系.顯然導(dǎo)入接口a與示出接口p形成的有序偶(a，p)就是接口a和p之間的語義關(guān)系.

構(gòu)件的語義描述了示出接口與導(dǎo)入接口之間存在語義關(guān)聯(lián)，并沒有刻畫接口成員間的語義時(shí)序或邏輯的協(xié)議關(guān)系.如，導(dǎo)入接口a和b必須同時(shí)滿足才能導(dǎo)致示出接口p，導(dǎo)入接口b和d其中一個(gè)滿足就可以導(dǎo)致示出接口q，二者的協(xié)議關(guān)系完全不一樣.示出接口與導(dǎo)入接口之間的語義協(xié)議關(guān)系，可以由不同的協(xié)議關(guān)系項(xiàng)來表示.由構(gòu)件組成的軟件系統(tǒng)，必然存在只有示出接口而沒有導(dǎo)入接口的構(gòu)件，同時(shí)也存在只有導(dǎo)入接口而沒有示出接口的構(gòu)件.

圖1 構(gòu)件的語義及SA語義關(guān)系模型Fig.1 Component semantic and SA semantic model

定義2 語義協(xié)議關(guān)系.構(gòu)件示出接口與導(dǎo)入接口之間的語義協(xié)議關(guān)系由它們的語義協(xié)議關(guān)系項(xiàng)來確定，語義協(xié)議關(guān)系項(xiàng)是下列關(guān)系中的一種:

1)產(chǎn)生關(guān)系:構(gòu)件C的示出接口p不需要任何導(dǎo)入接口就可以提供或引發(fā)，記為0τ→p，稱為τ關(guān)系;

2)結(jié)束關(guān)系:構(gòu)件C的導(dǎo)入接口a都不會(huì)的引發(fā)或提供任何示出接口，記為σa→0，稱為σ關(guān)系;

3)對應(yīng)關(guān)系:構(gòu)件C滿足導(dǎo)入接口a才可以引發(fā)或提供示出接口p，記為aθ0→p，稱為θ關(guān)系;

4)選擇關(guān)系:構(gòu)件C需要滿足導(dǎo)入接口a和b的其中之一或全部，才能引發(fā)或提供示出接口p，記為 a∪b→p，稱為∪關(guān)系;

5)互斥關(guān)系:構(gòu)件C在導(dǎo)入接口a和b之間，接口a被導(dǎo)入則接口b不能被導(dǎo)入，或者接口b被導(dǎo)入則接口a不能被導(dǎo)入，才引發(fā)或提供示出成員p，記為 a⊕b→p，稱為⊕關(guān)系;

6)并發(fā)關(guān)系:構(gòu)件C需要導(dǎo)入接口a和b都得到滿足，才能引發(fā)或提供示出接口p，記為a∩b→p，稱為∩關(guān)系;

7)順序關(guān)系:構(gòu)件C只有導(dǎo)入接口a被導(dǎo)入并處理完成以后，接口b才能被導(dǎo)入并進(jìn)行處理，而引發(fā)或提供示出接口p，記為 a∞b→p，稱為∞關(guān)系.

定義2中0表示空接口.不同語義協(xié)議關(guān)系項(xiàng)具有語義強(qiáng)弱之分，顯然(θ≈ ∞ ≈ ∩)＞(∪ ≈⊕).

在圖1(a)中的構(gòu)件C，e和t之間存在對應(yīng)關(guān)系，a、b與p之間，b、d與q之間可能存在選擇關(guān)系、并發(fā)關(guān)系、互斥關(guān)系或順序關(guān)系.

1.2 構(gòu)件之間的語義關(guān)系

在構(gòu)件組成的軟件系統(tǒng)中，構(gòu)件與構(gòu)件之間通過接口實(shí)現(xiàn)功能(服務(wù))的交互，因此具有功能交互的構(gòu)件之間就發(fā)生語義關(guān)聯(lián).

定義3 構(gòu)件之間的語義關(guān)系.存在構(gòu)件C1和C2，如果滿足①a∈C1·P，②e∈C2·E，③a=e，則稱構(gòu)件C1到C2具有直接語義關(guān)系;存在構(gòu)件C1、C2和 C3，如果滿足①a∈C1·P，②e∈C2·E，③b∈C3·P，f∈C3·E，④a=f，b=e，⑤b 和 f之間存在對應(yīng)關(guān)系、選擇關(guān)系、并發(fā)關(guān)系、互斥關(guān)系或和順序關(guān)系，則稱構(gòu)件C1到C2具有間接語義關(guān)系.構(gòu)件之間的直接語義關(guān)系和間接語義關(guān)系統(tǒng)稱為構(gòu)件之間的語義關(guān)系，記為SR.

由定義3可知，當(dāng)一個(gè)構(gòu)件向外提供功能成為另一個(gè)構(gòu)件請求輸入功能時(shí)，這兩個(gè)構(gòu)件具有直接語義關(guān)聯(lián)，構(gòu)件之間的語義關(guān)系如圖2，圖中構(gòu)件C1和C3具有直接語義關(guān)系，構(gòu)件C1和C2具有間接語義關(guān)系.構(gòu)件之間的語義關(guān)系具有方向性，圖2中有SR1= ＜C1，C3＞ ，SR2= ＜C3，C2＞，SR3= ＜C4，C3＞.為了方便，將SR1記為C1SR→—1C3，稱構(gòu)件C1為SR1的射出構(gòu)件，C3為SR1的射入構(gòu)件，C1和C3為結(jié)點(diǎn)構(gòu)件(簡稱結(jié)點(diǎn))，C1為 C3的前驅(qū)，C3為 C1的后繼，

SR→—1為弧，它是C1的射出弧，也是C3的射入弧.圖 2 中，如果 a3∩b3→p3，則 SR3∩SR1→SR2，因此不同構(gòu)件之間語義關(guān)系的時(shí)序性(邏輯性)就可以采用語義協(xié)議關(guān)系項(xiàng)來表示.

圖2 構(gòu)件之間的語義關(guān)系Fig.2 Semantic relationship among conponents

2 SA的語義矩陣及語義關(guān)系鏈矩陣

SA是組成系統(tǒng)的構(gòu)件以及構(gòu)件與構(gòu)件之間交互作用關(guān)系(連接件)的高層抽象［2，13］.連接件承載構(gòu)件之間的語義關(guān)系，為了方便，文章采用構(gòu)件之間的語義關(guān)系SR表示連接件.由此，SA的語義關(guān)系模型可表示為SA={Cs，SRs}，其中，Cs是構(gòu)件集，SRs是構(gòu)件之間的語義關(guān)系集.圖1(b)描述了5個(gè)構(gòu)件具有7個(gè)直接語義關(guān)系的SA語義關(guān)系模型.

2.1 SA語義關(guān)系矩陣

軟件的功能與屬性表現(xiàn)為構(gòu)件內(nèi)部以及構(gòu)件之間語義關(guān)系的總和，根據(jù)SA中構(gòu)件之間的語義關(guān)系，可以構(gòu)建SA的語義關(guān)系矩陣.

稱MS為SA的語義關(guān)系矩陣.

設(shè)圖 1(b)中有:SR2θ0 →SR4、SR4θ0 →SR7、SR1@SR7→SR5，@∈{∪，∩，⊕，∞ }，則其 SA 的

2.2 SA語義關(guān)系鏈矩陣

定義5 SA語義關(guān)系鏈.SA語義關(guān)系鏈表示為 RL={C，SR}，其中 SR={SRi|SRi∈SRs，1≤i≤n，n≥0}，C={Ci|Ci∈Cs∧Ci∈SR，1≤i≤n，n≥0}，并且滿足:

1)存在唯一的結(jié)點(diǎn)使得它的射出弧和射入弧之間存在τ關(guān)系，即為語義關(guān)系鏈的頭結(jié)點(diǎn);

2)存在唯一的結(jié)點(diǎn)使得它的射出弧和射入弧之間存在σ關(guān)系，即為語義關(guān)系鏈的尾結(jié)點(diǎn);

3)除了頭結(jié)點(diǎn)和尾結(jié)點(diǎn)，其他每個(gè)結(jié)點(diǎn)都有唯一的前驅(qū)和后繼，并且結(jié)點(diǎn)的射出弧和射入弧之間存在除τ和σ以外的語義協(xié)議關(guān)系項(xiàng)中的一種.

根據(jù)定義5，對?Ci∈RL，C不是RL中的構(gòu)件，如果C和Ci沒有語義關(guān)系，則稱構(gòu)件C與關(guān)系鏈RL無關(guān)，記作C//RL.可以將SA中包含的多個(gè)語義關(guān)系鏈組合起來形成矩陣.

定義6 語義關(guān)系鏈構(gòu)件矩陣.構(gòu)造一個(gè)矩陣，將一條語義關(guān)系鏈RL的構(gòu)件Ci按照先后順序組成矩陣同一列，其他語義關(guān)系鏈的構(gòu)件依次構(gòu)成其他列，以構(gòu)件最多的語義關(guān)系鏈為基準(zhǔn)(n)，不足n個(gè)構(gòu)件的語義關(guān)系鏈所形成列的空位置補(bǔ)充空構(gòu)件(NULL)，這樣組成一個(gè)n×m的語義關(guān)系鏈構(gòu)件矩陣MRV.

定義7 語義關(guān)系鏈矩陣.將一條語義關(guān)系鏈RL的構(gòu)件語義關(guān)系SRi按照先后順序組成矩陣同一列，其他語義關(guān)系鏈的語義關(guān)系依次構(gòu)成其他列，以構(gòu)件語義關(guān)系最多的語義關(guān)系鏈為標(biāo)準(zhǔn)(n-1)，不足n-1列的空位置補(bǔ)充0，則構(gòu)成一個(gè)(n-1)×m的語義關(guān)系鏈矩陣MRI，m是SA的關(guān)系鏈的條數(shù).

空構(gòu)件與任意語義關(guān)系鏈無關(guān)NULL∥RLi.如果兩條語義關(guān)系鏈上的構(gòu)件都不產(chǎn)生語義關(guān)系，則這兩條語義關(guān)系鏈無關(guān)，否則相關(guān).

根據(jù)定義6和定義7，圖1(b)所對應(yīng)的語義關(guān)系鏈構(gòu)件矩陣和語義關(guān)系鏈矩陣為:

定義8 語義關(guān)系鏈無關(guān).語義關(guān)系鏈RLi和RLj無關(guān)，如果?SRi和 ?SRi，使(SRi∈ RLi∧SRi?RLj)∧(SRj∈RLj∧SRj?RLi)成立，記作 RLi∥RLj，同時(shí)有 SRi∥RLj，SRj∥RLi.

定義9 語義關(guān)系鏈相關(guān).語義關(guān)系鏈RL1和RL2相關(guān)，如果?SRi，使 SRi∈RL1∧SRi∈RL2成立，把所有這樣的SR集合記作S12=RL1∩RL2.

由定義9，如果2條語義關(guān)系鏈相關(guān)，則這2條語義關(guān)系鏈必然通過同一個(gè)構(gòu)件發(fā)生關(guān)系，則該構(gòu)件的射出弧或射入弧不是唯一，可將構(gòu)件Ci的射出弧集合記為SOi，射入弧集合記為SIi.

定義10 語義關(guān)系鏈相關(guān)度.如果 S12=RL1∧RL2≠?，SRi∈S12，Ci為 SRi的射出構(gòu)件，?SRj∈SIi并且 SRj∈RL1，同時(shí)?SRk∈SIi并且SRk∈RL2，使 SRj@SRk→SRi，當(dāng)@ ∈{∩，∞ ，θ}，則稱RL1和 RL2是強(qiáng)相關(guān);當(dāng)@∈{∪，⊕}，則稱RL1和RL2是弱相關(guān).

定義11 語義關(guān)系鏈矩陣相關(guān)性.對于SA的MRV和 MRI，如果?RLi，?RLj，有 RLi//RLj，則稱MRV和 MRI為無關(guān)矩陣;如果?RLi，?RLj，RLi和 RLj是強(qiáng)相關(guān)，則稱 MRV和 MRI為強(qiáng)相關(guān)矩陣;?RLi，?RLj，使 RLi和 RLj是弱相關(guān)，同時(shí)?RLk，?RLl，使RLk和RLl是強(qiáng)相關(guān)，則稱 MRV和 MRI為弱相關(guān)矩陣.強(qiáng)相關(guān)矩陣和弱相關(guān)矩陣統(tǒng)稱為相關(guān)矩陣.

根據(jù)語義關(guān)系鏈矩陣相關(guān)性定義，有以下定理.

定理1 如果MRV是無關(guān)矩陣，則任意2個(gè)元素Cij和 Ckl(j≠l)無關(guān).

證明:在 MRV中，假設(shè)存在 2個(gè)構(gòu)件 Cij和Ckl(j≠l)具有語義相關(guān)性.根據(jù)定義6和定義7，有Cij∈RLj，Ckl∈RLl，RLj≠RLl;根據(jù)定義 11，如果j≠l，則RLj//RLl，與MRV相關(guān)性定義矛盾，證畢.

定理2 如果MRI是無關(guān)矩陣，則任意2個(gè)RLi和RLj無關(guān).

證明:同定理1，略.

定理3 如果MRV和MRI是相關(guān)矩陣，則存在SRk、Ch、RLi和 RLj，使 SRk∈RLi∧SRk∈RLj∧Ch∈RLi∧Ch∈RLj(j≠i)成立.

where A is constant, h is Planck’s constant, and Eg is the band gap width. n is a parameter that depends on the nature of the transition. For direct permitted transitions n= 1/2,while for indirect allowed transitions n = 2, and for direct forbidden transitions n = 3/2.

證明:在 MRV和 MRI中，1)假設(shè)對于任意 SR，使SR∈RLi∧SR?RLj(j≠i)為真，根據(jù)定義 8，有RLi∥RLj;2)假設(shè)對于任意 C，使 C∈RLi∧C?RLj(j≠i)為真，根據(jù)定義5，有 C∥RLj，再根據(jù)定義6，可知RLi∥RLj;根據(jù)1)、2)以及定義7和定義8，MRV和MRI為無關(guān)矩陣，矛盾，證畢.

定理1和2說明SA的MRV和MRI是無關(guān)矩陣，則不同語義關(guān)系鏈上的構(gòu)件和SR不會(huì)產(chǎn)生關(guān)系.定理3說明SA的MRV和MRI是相關(guān)矩陣，則不同語義關(guān)系鏈上的構(gòu)件和SR可能會(huì)產(chǎn)生關(guān)系.

3 SA演化波及效應(yīng)算法

SA演化操作主要包括SA中構(gòu)件增加、修改、刪除、合并和拆分等.SA演化的波及效應(yīng)δ表現(xiàn)為變化構(gòu)件與其存在直接或間接語義關(guān)聯(lián)構(gòu)件的修改、組合和歸整［2，14］.

定義12 語義關(guān)系鏈波及效應(yīng)δL.當(dāng)SA中構(gòu)件C發(fā)生變化時(shí)，與之產(chǎn)生語義關(guān)系并受到影響語義關(guān)系鏈的數(shù)量.

定義13 語義關(guān)系構(gòu)件波及效應(yīng)δC.當(dāng)SA中構(gòu)件C發(fā)生變化時(shí)，與之產(chǎn)生語義關(guān)系并受到影響構(gòu)件的數(shù)量.

變化的構(gòu)件通過與之產(chǎn)生語義關(guān)系的傳播而引起波及效應(yīng)，這個(gè)波及效應(yīng)可以通過SA中構(gòu)件之間的語義關(guān)系來確定.根據(jù)定理1和2，如果SA的MRV和MRI是無關(guān)矩陣，則對構(gòu)件的演化操作，僅影響到該構(gòu)件所在語義關(guān)系鏈的其他構(gòu)件.如果SA的MRV和MRI是相關(guān)矩陣，則對構(gòu)件的演化操作，不僅影響該構(gòu)件所在的語義關(guān)系鏈的其他構(gòu)件，而且可能影響到與該語義關(guān)系鏈相關(guān)的其他語義關(guān)系鏈上的構(gòu)件，根據(jù)定理3，能夠從SA的MRV和MRI來界定受其影響或波及到的其他構(gòu)件范圍.本節(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算SA中構(gòu)件Ci的語義關(guān)系鏈波及效應(yīng)與語義關(guān)系構(gòu)件波及效應(yīng)算法.

3.1 算法1

算法1:Ci語義關(guān)系鏈波及效應(yīng)與語義關(guān)系構(gòu)件波及效應(yīng)算法描述:

輸入:SA的語義關(guān)系鏈相關(guān)矩陣MRV和SA的構(gòu)件Ci.

輸出:構(gòu)件Ci的語義關(guān)系鏈波及效應(yīng)和語義關(guān)系構(gòu)件波及效應(yīng).

1)初始化Ci語義關(guān)系鏈波及效應(yīng)l=0，構(gòu)件Ci的語義關(guān)系構(gòu)件波及效應(yīng)n=0，參數(shù)i=0，j=0，k=0，ki=0關(guān)系鏈的鏈表 LineRL，LineRL中每個(gè)元素的構(gòu)件鏈表數(shù)組 Line［|LineRL|］，并為 Line［|LineRL|］的每個(gè)元素設(shè)置一個(gè)印記;

2)在MRV中從左至右找到構(gòu)件Ci的第i個(gè)位置，即Ci∈RLi并確定Ci所在位置，如果找到，則置Ci語義關(guān)系鏈效應(yīng)數(shù)l=l+1，i=i+1，進(jìn)入步驟3);如果找不到，進(jìn)入步驟4);

4)從 LineRL中取出第 j個(gè)元素 LineRL［j］，如果，則進(jìn)入步驟 8)，否則進(jìn)入步驟 5);

5)取出Line［|LineRL|］對應(yīng)的第k個(gè)元素獲得對應(yīng)的構(gòu)件Ck所在的LineRL［j］的位置L(Ck)，如果Ck 是 LineRL［j］的尾節(jié)點(diǎn)，則刪除并且將 LineRL［j］從鏈表中刪除，j=j+1，重復(fù)步驟4);如果印記為1并且Ck不是LineRL［j］的尾節(jié)點(diǎn)，則k=k+1，重復(fù)步驟5)，如果印記為0并且Ck不是LineRL［j］尾節(jié)點(diǎn)，則進(jìn)入步驟6);

6)查找對比 Line［|LineRLj|］的各個(gè)元素，如果Line［|LineRLj|］不存在 L(Ck)，則計(jì)算 n=n+［L(Cn)-L(Ck)］，L(Ck)進(jìn)入 Line［LineRLj］并打上印記1;如果存在L(Ck)并且L(Ck)＞，則計(jì)算 n=n+［L(Cn)-L(Ck)］，打上印記1;如果存在L(Ck)并且L(Ck)＜，則計(jì)算L(Ck)］，打 上 印 記 1，表 示的第一個(gè)元素構(gòu)件所在的語義關(guān)系鏈的位置;L(Ck+1)，…，L(Cn)分別和Line［Lin-的各個(gè)元素相比較，如果不存在，則進(jìn)入鏈表并打上印記0，執(zhí)行下一步;如果存在則直接執(zhí)行下一步;

7)在MRV中從左至右找到構(gòu)件Ck的第ki個(gè)位置，即 Cki∈RLki并確定 Cki所在位置，將 RLki和 LineRL中的元素相比較，如果相等，則ki=ki+1，重復(fù)步驟7)直到遍歷MRV后重復(fù)執(zhí)行步驟4);如果不等，則置語義關(guān)系鏈效應(yīng)數(shù)l=l+1，ki=ki+1，計(jì)算n=n+［L(Cn)-L(Ci)］，RLki進(jìn)入鏈表 LineRL，L(Cki)進(jìn)入 Line［LineRLki］并打上印記 1，L(Cki+1)，…，L(Cn)進(jìn)入 Line［LineRLki］并打上印記 0，重復(fù)步驟7)直到遍歷MRV后重復(fù)執(zhí)行步驟4);

8)算法結(jié)束.

算法1可以界定SA中產(chǎn)生語義關(guān)系之間的構(gòu)件波及效應(yīng)，用于分析SA中構(gòu)件增加和構(gòu)件修改引起SA中其他構(gòu)件變化的范圍.

然而，算法1并沒有考慮不同構(gòu)件之間語義關(guān)系的時(shí)序性(邏輯性)，即構(gòu)件Ci的SOi中成員與SIi中成員的語義協(xié)議關(guān)系.不同語義協(xié)議關(guān)系對構(gòu)件刪除產(chǎn)生不同影響，圖2中如果存在SR3∩SR1→SR2，即SR3和SR1強(qiáng)相關(guān)，則刪除構(gòu)件C4，則C3和C2必然受到影響而需要修改;如果存在SR3∪SR1→SR2，即SR3和SR1弱相關(guān)，則刪除構(gòu)件C4，則C3和C2可以不修改.因此為了界定不同的語義關(guān)系鏈相關(guān)度在構(gòu)件刪除中產(chǎn)生的波及效應(yīng)，設(shè)計(jì)了算法2.

3.2 算法2

算法2:考慮不同語義協(xié)議關(guān)系項(xiàng)對刪除構(gòu)件語義關(guān)系構(gòu)件波及效應(yīng)(δDC)算法:

1)根據(jù)算法1找到在MRV中構(gòu)件Ci所在的關(guān)系鏈和相應(yīng)的位置，初始化n=0，l=0，進(jìn)入步驟2);

2)根據(jù)找到的關(guān)系鏈，在MRI中找到對應(yīng)的列，進(jìn)行兩兩對比，判斷某個(gè)RLi中是否存在與其他RLj相同的元素，即 SRk∈RLi∧SRk∈RLj(i≠j)，如果存在則將這些關(guān)系鏈提取出來形成一個(gè)系列(RLh1，RLh2，…，RLhn)，進(jìn)入步驟3);如果不存在，則計(jì)算n=n+［L(Cn)-L(Ci)］，l=l+1，進(jìn)入步驟5);

4)如果 SRk-1和 SRk強(qiáng)相關(guān)，則計(jì)算 n=n+［L(Cn)-L(Ci)］，l=l+1;否則計(jì)算 n=n+［L(Ck)-L(Ci)］，l=l+1，進(jìn)入步驟5);

5)算法結(jié)束.

算法2可以界定不同SR的語義協(xié)議關(guān)系在構(gòu)件刪除中產(chǎn)生的波及效應(yīng).

構(gòu)件拆分和構(gòu)件合并操作導(dǎo)致構(gòu)件之間語義關(guān)系的合并或修改進(jìn)而影響SA的語義關(guān)系，因此需要重新構(gòu)造SA的MS、MRV、MRI進(jìn)行分析.

4 實(shí)驗(yàn)與分析

SA的演化分析用于界定由于演化操作引起的波及效應(yīng)，預(yù)測和分析演化操作可能帶來的SA變化以及引起其他構(gòu)件變化的范圍等［2，19］.以某艦艇信息仿真系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)案例，說明SA演化操作引起SA變化及其波及效應(yīng).該系統(tǒng)從版本1(V1)到版本2(V2)的演化中，增加通信指示信息功能，并將通信指示目標(biāo)與本艦艇的探測目標(biāo)信息實(shí)現(xiàn)融合，取消TMA(目標(biāo)運(yùn)動(dòng)分析)人工修改信息輸入，將武器類型單獨(dú)控制改進(jìn)為武器綜合控制，同時(shí)將武器的回復(fù)信息參與效果評估.

在實(shí)驗(yàn)中，首先建立V1和V2的語義關(guān)系模型、MS、MRV和MRI，根據(jù)算法1和算法2計(jì)算相關(guān)的波及效應(yīng)參數(shù)，然后以文獻(xiàn)［15］的方法分析檢測V1、V2相應(yīng)構(gòu)件的代碼相似度(Sim)，在此基礎(chǔ)上，對2個(gè)版本的代碼進(jìn)行詳細(xì)地分析，最后對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析和總結(jié).由于篇幅，V1和V2的MS、MRV、MRI這里不做介紹.V1和V2的SA語義關(guān)系模型如圖 3(a)和 3(b).V1的語義關(guān)系有:SR12θ0→SR15，(SR1∪SR10∪SR8)∩SR6→SR11，(SR1⊕ SR10⊕SR8)∩SR6→(SR12，SR13，SR14)，(SR4∪SR2)∩SR5→SR7，SR3∩SR5→SR8，SR13θ0→SR16，SR7∪SR9→SR10，SR14θ0→SR17;V2的語義關(guān)系有:SR7θ0→SR10，(SR1⊕ SR10 ⊕ SR8⊕ SR19)∩SR6→SR12，(SR4∪SR2)∩SR5→SR7，SR12θ0 →(SR15，SR16，SR17)，(SR18∪SR3)∩SR5→SR8，SR16θ0→SR20，SR15θ0→SR21，(SR1∪SR10∪SR8∪SR19)∩SR6→SR11，SR17θ0→SR22.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 1 所示.

圖3 V1和V2的SA語義關(guān)系模型Fig.3 SA semantic relationship model of V1and V2

表1 V1/V2波及效應(yīng)參數(shù)和相應(yīng)構(gòu)件的SimTable 1 V1/V2ripple-effect data and corresponeling components of Sim %

很顯然，從V1到V2的SA演化中，V2中刪除了Cont，增加了 Conn，將 CMis、CTor和 CDes 合并為CW，增加了 SR18～ SR22，刪除了 SR9，將 SR12、SR13和SR14合并為SR12.下面對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析:

1)刪除 Cont構(gòu)件，δDC=0，δC=9，V1和 V2的TMA的代碼相似度為100%，說明文章算法2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)［20］的方法檢測相吻合.

2)從SA語義關(guān)系上，增加Conn構(gòu)件是在原來SA上增加兩個(gè)語義關(guān)系(SR18和SR19)，生成新的語義關(guān)系鏈.因此兩個(gè)版本的δL，F(xiàn)use由20變成24，Comp由32 變成 36，Eval、Mis、Tor和 Des由 8 變成9.Fuse和 Comp的代碼相似度檢測結(jié)果分別為89.3%和86.8%.在人工分析代碼中，F(xiàn)use對 SR18進(jìn)行處理而增加代碼，Comp處理SR19而增加代碼，同時(shí)對SR8的處理增加并修改部分代碼.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，文章算法1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、代碼相似度檢測結(jié)果及人工分析結(jié)果相吻合.

3)在 V2中，對構(gòu)件 Mis、Tor和 Des的修改，是增加相應(yīng)輸出接口，構(gòu)件Eval則調(diào)用這些接口.從SA演化上看，是在Mis、Tor和Des所在的語義關(guān)系鏈尾結(jié)點(diǎn)增加了相應(yīng)的構(gòu)件(虛擬構(gòu)件)，而這些虛擬構(gòu)件合并在構(gòu)件Eval中，同時(shí)Eval還需要對SR8、SR20、SR22和SR22進(jìn)行相關(guān)處理而增加和修改代碼.因此，兩個(gè)版本Mis、Tor和Des的代碼相似度非常高，而構(gòu)件Eval的代碼相似度就比較低(78.6%).

4)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，將 CMis、CTor和 CDes合并為CW并沒有改變SA的語義關(guān)系鏈數(shù)目，因而也未從語義關(guān)系上改變SA的MRV和MRI.但因構(gòu)件數(shù)目減少而改變SA的MS，因此構(gòu)件合并有利于SA優(yōu)化.構(gòu)件合并后需要對合并后的代碼進(jìn)行修改，因此構(gòu)件代碼的相似度比較低.

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析來看，從構(gòu)件及構(gòu)件之間的語義關(guān)系的角度，根據(jù)不同SA演化操作特性設(shè)計(jì)的波及效應(yīng)算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、代碼相似度檢測結(jié)果以及人工代碼分析結(jié)果是相吻合的.

5 結(jié)束語

SA的語義關(guān)系總和體現(xiàn)了軟件的功能與屬性，SA演化描述了軟件功能和屬性的變遷，對軟件功能及其變遷的控制一直都是業(yè)界難題.文章將SA演化分析建立在構(gòu)件之間的語義關(guān)系及其語義協(xié)議關(guān)系上，把SA中語義關(guān)系組成語義關(guān)系鏈，通過構(gòu)建SA語義關(guān)系模型、語義關(guān)系矩陣和語義關(guān)系鏈矩陣，從構(gòu)件本身和構(gòu)件之間的語義關(guān)系以及這些語義關(guān)系之間的相關(guān)性兩個(gè)方面，根據(jù)不同SA演化操作特性，計(jì)算分析SA不同演化操作的波及效應(yīng)，進(jìn)而界定它的影響范圍，從而能夠?yàn)镾A演化的控制和預(yù)測提供了可量化的依據(jù).目前，在構(gòu)件組成的系統(tǒng)中，對SA的構(gòu)建及其構(gòu)件的析出主要以人工為主，如何自動(dòng)識(shí)別并構(gòu)建SA，自動(dòng)解析出其中的構(gòu)件，并實(shí)現(xiàn)智能控制SA的演化將是下一步研究重點(diǎn).

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