基于XML和工作流的構(gòu)件化軟件框架研究

房 莉，陳湘平，程 敏，涂文婕

（空軍雷達(dá)學(xué)院 預(yù)警監(jiān)視情報(bào)系，湖北 武漢 430019)

現(xiàn)有的軟件系統(tǒng)多采用傳統(tǒng)開發(fā)方法且只針對(duì)某個(gè)具體應(yīng)用開發(fā)，軟件與設(shè)備及軟件內(nèi)部各模塊間耦合緊密，軟件可復(fù)用性低、可擴(kuò)展性差。

基于構(gòu)件的軟件開發(fā)方法[1]，其思想是使軟件能夠像硬件那樣，通過各部分的動(dòng)態(tài)組裝完成整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的功能。基于構(gòu)件的軟件工程CBSE(Component Based Software Engineering)逐漸成為軟件開發(fā)的主流模式[2]，已成為近幾年學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。

1 構(gòu)件模型

相對(duì)于傳統(tǒng)對(duì)象而言，構(gòu)件將抽象程度提到一個(gè)更高的層次，整個(gè)構(gòu)件隱藏了具體的實(shí)現(xiàn)，只用接口提供服務(wù)。這樣，構(gòu)件可以將底層的多個(gè)邏輯組合成高層次上的粒度更大的新構(gòu)件，甚至直接封裝到一個(gè)系統(tǒng)中，使模塊的重用從代碼級(jí)、對(duì)象級(jí)、架構(gòu)級(jí)到系統(tǒng)級(jí)都可能實(shí)現(xiàn)[3-5]。

1.1 構(gòu)件模型

為了在后期使用構(gòu)件時(shí)能夠快速檢索到需要的構(gòu)件，必須對(duì)構(gòu)件進(jìn)行分類。構(gòu)件可以使用多種分類方法。本系統(tǒng)先將構(gòu)件分為原子構(gòu)件Ca和復(fù)合構(gòu)件Cc兩大類，原子構(gòu)件是不能再分的構(gòu)件，復(fù)合構(gòu)件是由原子構(gòu)件或復(fù)合構(gòu)件組成的構(gòu)件。

原子構(gòu)件可表示為Ca=(IDa，Na，Ta，Ia，Oa，Ma，Da)，其中，IDa為原子構(gòu)件唯一標(biāo)識(shí)；Na為原子構(gòu)件名稱；Ta為原子構(gòu)件類型集合（包括子類型集合），父類型和子類型用樹形結(jié)構(gòu)表示；Ia為原子構(gòu)件輸入接口集合（包括各接口的名稱、參數(shù)、參數(shù)類型）；Oa為原子構(gòu)件輸出接口集合（包括各接口的名稱、參數(shù)、參數(shù)類型）；Ma為原子構(gòu)件消息集合；Da為原子構(gòu)件描述信息(包括構(gòu)件存儲(chǔ)路徑、索引關(guān)鍵字、功能描述、編寫語言、作者、制作日期、版本）。

復(fù)合構(gòu)件可表示為 Cc=(IDc，Nc，Tc，Ic，Oc，Mc，Dc，IDas，Ras)，其中，IDc為復(fù)合構(gòu)件唯一標(biāo)識(shí)；Nc為復(fù)合構(gòu)件名稱；Tc為復(fù)合構(gòu)件類型集合(包括子類型集合)，父類型和子類用樹形結(jié)構(gòu)表示；Ic為復(fù)合構(gòu)件輸入接口指針集合，該指針指向組成復(fù)合構(gòu)件的原子構(gòu)件對(duì)應(yīng)輸入接口；Oc為復(fù)合構(gòu)件輸出接口指針集合，該指針指向組成復(fù)合構(gòu)件的原子構(gòu)件對(duì)應(yīng)輸出接口；Mc為復(fù)合構(gòu)件消息集合；Dc為復(fù)合構(gòu)件描述信息 （包括構(gòu)件存儲(chǔ)路徑、索引關(guān)鍵字、功能描述、編寫語言、作者、制作日期、版本）；IDas為組成復(fù)合構(gòu)件的原子構(gòu)件 IDa集合；Ras為組成復(fù)合構(gòu)件的原子構(gòu)件的連接關(guān)系。

原子構(gòu)件和復(fù)合構(gòu)件又可以根據(jù)功能劃分為界面構(gòu)件、通信構(gòu)件、數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)件、業(yè)務(wù)構(gòu)件等。其中，每一類構(gòu)件又可細(xì)分為很多子類。構(gòu)件粒度越小，復(fù)用度越高，構(gòu)件耦合度越低，但構(gòu)件庫(kù)中構(gòu)件的數(shù)量也會(huì)隨著粒度的變小而劇增，這會(huì)給構(gòu)件的檢索帶來不便。因此，應(yīng)根據(jù)具體需求，把握好構(gòu)件的粒度?？蓞⒖际?1)[6]：

其中，C為某構(gòu)件，G為該構(gòu)件的粒度，μ為構(gòu)件C所聚集的某一用例，B(μ)為該用例的活動(dòng)圖中的分支數(shù)，A(μ)為該用例活動(dòng)圖中的活動(dòng)數(shù)，α為分支數(shù)所占的權(quán)重比例，β為活動(dòng)數(shù)所占的權(quán)重比例。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可以認(rèn)為，對(duì)于一般的業(yè)務(wù)用例，合理的α值為0.6，β值為0.4。但是，對(duì)于某些分支條件很多(大于7)的業(yè)務(wù)用例，α值提高為0.7，β值降低為0.3，以更好地反映實(shí)際特征。

1.2 基于構(gòu)件的軟件開發(fā)過程

面向構(gòu)件的軟件開發(fā)過程如圖1所示。具體描述如下：

(1)總體設(shè)計(jì)者對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行需求分析后得到功能需求和框架需求。

(2)構(gòu)件分析者根據(jù)功能需求進(jìn)行構(gòu)件需求分析后得到構(gòu)件需求；同時(shí)框架實(shí)現(xiàn)者根據(jù)框架需求對(duì)系統(tǒng)框架進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

(3)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)者根據(jù)構(gòu)件需求對(duì)構(gòu)件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試和修改后得到合格的構(gòu)件。

(4)構(gòu)件庫(kù)管理者可以將新制作的構(gòu)件注冊(cè)入庫(kù)，為了能快速檢索到構(gòu)件，構(gòu)件入庫(kù)時(shí)必須對(duì)其信息進(jìn)行精確全面的描述。本文使用XML描述構(gòu)件信息，并使用XML Schema對(duì)構(gòu)件描述文檔進(jìn)行合法性檢驗(yàn)，只有描述合法的構(gòu)件才可以入庫(kù)，從而確保構(gòu)件描述信息的一致性和完整性。構(gòu)件庫(kù)管理者可以對(duì)構(gòu)件庫(kù)中的構(gòu)件進(jìn)行刪除、注銷、檢索等操作。

(5)構(gòu)件組裝者根據(jù)具體需要從構(gòu)件庫(kù)中檢索需要的構(gòu)件，并在系統(tǒng)框架下進(jìn)行組裝后形成應(yīng)用系統(tǒng)，構(gòu)件組裝者還負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的測(cè)試與維護(hù)。

(6)應(yīng)用系統(tǒng)交付用戶使用并提出修改意見與建議，構(gòu)件組裝者再根據(jù)用戶需求進(jìn)行修改。

2 基于構(gòu)件的軟件框架

面向構(gòu)件的軟件開發(fā)過程中，構(gòu)件組裝和運(yùn)行需要特殊的環(huán)境，這種特殊的運(yùn)行環(huán)境稱為框架。一個(gè)框架由一些規(guī)則、建議和習(xí)慣組成，它們從構(gòu)件的角度定義了一個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并定義了系統(tǒng)的各組成部分之間是如何通信和實(shí)現(xiàn)互操作的。因此，設(shè)計(jì)框架時(shí)，必須自己定義構(gòu)件及框架的規(guī)范，使用者只有遵循這些規(guī)范，才能將構(gòu)件集成到框架中。本系統(tǒng)框架包括構(gòu)件組裝框架和構(gòu)件運(yùn)行框架兩部分，這兩個(gè)框架由系統(tǒng)框架管理器管理，以確保系統(tǒng)在某一時(shí)刻，只能處于其中一個(gè)框架下。系統(tǒng)處于構(gòu)件組裝框架時(shí)，可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件組裝、功能模塊組裝、應(yīng)用系統(tǒng)集成、應(yīng)用系統(tǒng)修改、應(yīng)用系統(tǒng)功能擴(kuò)展等功能。系統(tǒng)處于運(yùn)行框架時(shí)，能夠完成相應(yīng)的業(yè)務(wù)處理功能，但不能對(duì)其進(jìn)行配置。基于構(gòu)件的軟件框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 構(gòu)件組裝框架

傳統(tǒng)的構(gòu)件組裝大多使用代碼方式調(diào)用構(gòu)件接口，此方式比較復(fù)雜。本框架提供一種圖形化的構(gòu)件組裝界面，開發(fā)者可以輕松高效地集成新的應(yīng)用系統(tǒng)或?qū)σ延邢到y(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。

圖2 基于構(gòu)件的軟件框架

如圖2所示，構(gòu)件組裝框架主要包括構(gòu)件制作工具、構(gòu)件測(cè)試工具、構(gòu)件庫(kù)管理工具、構(gòu)件組裝工具、模塊管理工具、模塊組裝工具。其中，制作工具、構(gòu)件測(cè)試工具只提供簡(jiǎn)單的構(gòu)件制作和測(cè)試功能，構(gòu)件實(shí)現(xiàn)者可以選擇市場(chǎng)上其他工具進(jìn)行構(gòu)件制作及測(cè)試；構(gòu)件庫(kù)管理工具具有構(gòu)件注冊(cè)、注銷、刪除、檢索等功能，模塊管理工具具有模塊注冊(cè)、修改、刪除、檢索等功能，這兩個(gè)工具實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)簡(jiǎn)單；構(gòu)件組裝和模塊組裝時(shí)生成對(duì)應(yīng)的XML配置文檔，通過這些XML配置文檔將構(gòu)件粘合成應(yīng)用系統(tǒng)。本文使用的XML配置文檔主要包括：(1)構(gòu)件描述文檔：對(duì)構(gòu)件信息進(jìn)行描述，以便使用構(gòu)件時(shí)能方便獲取構(gòu)件信息；(2)構(gòu)件適配文檔：對(duì)構(gòu)件接口連接關(guān)系進(jìn)行描述；(3)模塊適配文檔：對(duì)模塊之間以及構(gòu)件和模塊之間連接關(guān)系的描述；(4)菜單適配文檔：將菜單與對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)模塊綁定，以便用戶點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的菜單時(shí)，觸發(fā)該功能模塊運(yùn)行。組裝時(shí)，通過這些XML配置文檔，將構(gòu)件組裝成子模塊、功能模塊直至整個(gè)綜合測(cè)試系統(tǒng)，需要時(shí)查找模型中相應(yīng)的標(biāo)簽位置并靈活插入，這樣在對(duì)系統(tǒng)修改時(shí)，只需要修改相應(yīng)的構(gòu)件，其他部分不受影響。此方法支持系統(tǒng)的快速開發(fā)和修改，具有較高的靈活性和較好的可擴(kuò)展性，達(dá)到了令人滿意的伸縮性。

在組裝時(shí)，構(gòu)件組裝者根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的需求檢索相關(guān)構(gòu)件，如果構(gòu)件庫(kù)中無此構(gòu)件，則必須制作相關(guān)構(gòu)件并放入構(gòu)件庫(kù)中，再將檢索到的構(gòu)件通過構(gòu)件組裝工具進(jìn)行組裝。為了不使應(yīng)用系統(tǒng)在組裝過程中太復(fù)雜，先將構(gòu)件組裝成業(yè)務(wù)構(gòu)件，再將業(yè)務(wù)構(gòu)件組裝成功能模塊，最后將功能模塊組裝成應(yīng)用系統(tǒng)。

2.1.1 構(gòu)件組裝

構(gòu)件組裝工具的核心是解決構(gòu)件適配問題。大多數(shù)情況下，使用不同語言制作的構(gòu)件都需要做某種方式的修改以便與其他構(gòu)件相匹配，這個(gè)過程稱為構(gòu)件適配，適配方法有白盒法、黑盒法和灰盒法。文獻(xiàn)[7]對(duì)三種方法的技術(shù)、特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)的難易程度進(jìn)行了分析，結(jié)論是采用灰盒法既可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件組裝的靈活性，又不至于使適配技術(shù)過于復(fù)雜。本文在對(duì)各種灰盒法的適配技術(shù)進(jìn)行比較后，采用基于連接器的適配技術(shù)。此方法將構(gòu)件功能的實(shí)現(xiàn)與其交互作用的實(shí)現(xiàn)相分離，從而增加構(gòu)件組裝的可配置性，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，它是實(shí)現(xiàn)構(gòu)件動(dòng)態(tài)組裝的有效途徑之一。

構(gòu)件連接器可以表示為 CL=(IDcl，Ncl，Rcls)，其中，IDcl為連接器唯一標(biāo)識(shí)；Ncl為連接器名稱；Rcls為連接關(guān)系集合，包含有多個(gè)接口連接關(guān)系，每個(gè)連接關(guān)系Rcl可表示為 Rcl=(IDsc，IDdc，DTc，Dc，MSc)， 其 中，IDsc 表示源構(gòu)件唯一標(biāo)識(shí)，IDdc表示目標(biāo)構(gòu)件唯一標(biāo)識(shí)，DTc表示數(shù)據(jù)類型，Dc為數(shù)據(jù)的值，MSc表示消息。

2.1.2 模塊組裝

通過模塊組裝工具可以將業(yè)務(wù)模塊組裝成功能模塊。本文使用類似連接器的方法設(shè)計(jì)模塊連接器。

模塊連接器可以表示為：ML=(IDml，Nml，Rmls)， 其中，IDml為模塊連接器唯一標(biāo)識(shí)；Nml為模塊連接器名稱；Rmls為連接關(guān)系集合，包含有多個(gè)模塊接口連接關(guān)系，每個(gè)連接關(guān)系 Rml可表示為 Rml=(IDsm，IDdm，DTm，Dm，MSm),其中，IDsm表示源模塊唯一標(biāo)識(shí)，IDdm表示目標(biāo)模塊唯一標(biāo)識(shí)，DTm表示數(shù)據(jù)類型，Dm為數(shù)據(jù)的值，MSm表示消息。

模塊連接器信息用XML適配文檔進(jìn)行描述，其XML schema源碼如下：

2.1.3 菜單配置

菜單描述工具的主要功能是將菜單與對(duì)應(yīng)功能的模塊進(jìn)行綁定，生成菜單適配文檔。本系統(tǒng)菜單嵌套最多為三級(jí)，菜單適配文檔可表示為 FL=(IDm，IDf1，IDf2，IDf3)，其中 IDm表示功能模塊 ID，IDfi為第 i級(jí)菜單 ID，i=1，2，3。 其源碼可參考前文給出的模塊適配文檔XML schema源碼。

2.2 構(gòu)件運(yùn)行框架

構(gòu)件運(yùn)行框架主要包括：構(gòu)件調(diào)度器、構(gòu)件實(shí)例化工具以及各種XML配置文檔解析器。其中，配置文檔解析器的功能是解析對(duì)應(yīng)的XML配置文檔，其實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，在此不作介紹。下面重點(diǎn)介紹構(gòu)件調(diào)度器和構(gòu)件實(shí)例化工具。

2.2.1 基于工作流控制的構(gòu)件調(diào)度模型

構(gòu)件調(diào)度是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，調(diào)度之前難以知道構(gòu)件運(yùn)行所需要的全部信息，因此很難一次性建立構(gòu)件調(diào)度模型。即使建立了模型，隨著構(gòu)件調(diào)度的執(zhí)行，各種因素發(fā)生變化，也會(huì)使模型不能反應(yīng)信息的動(dòng)態(tài)變化而導(dǎo)致構(gòu)件調(diào)度失敗。

工作流技術(shù)[7，8]最初被廣泛應(yīng)用于解決企業(yè)的項(xiàng)目調(diào)度問題，現(xiàn)已逐漸擴(kuò)展到許多領(lǐng)域。工作流技術(shù)可以全面描述過程的信息，在運(yùn)行時(shí)能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)視業(yè)務(wù)過程的執(zhí)行情況，因此可得到過程執(zhí)行的實(shí)時(shí)信息，如：過程執(zhí)行、資源利用、時(shí)間計(jì)劃情況等，并能根據(jù)這些信息生成新的調(diào)度方案。因此，工作流技術(shù)可以應(yīng)用于解決構(gòu)件調(diào)度問題。

本文提出一種基于工作流技術(shù)的構(gòu)件調(diào)度模型，模塊包括：過程控制模型、公共資源服務(wù)模型、消息處理模型、工作流數(shù)據(jù)模型。各模型之間的調(diào)用關(guān)系如圖3所示。

過程控制模型是構(gòu)件調(diào)度模型的核心和骨架，定義應(yīng)用系統(tǒng)所有構(gòu)件的處理流程，描述構(gòu)件調(diào)度問題的約束，包括模塊之間以及組成模塊的構(gòu)件之間的邏輯關(guān)系、詳細(xì)描述(執(zhí)行所需的信息、資源)等。這些信息可以在構(gòu)件調(diào)度過程中通過各種XML配置文檔解析器解析對(duì)應(yīng)的XML配置文檔獲取。利用這些信息可以預(yù)測(cè)并找出工作流所管理的全部過程實(shí)例之間存在的資源沖突情況。通過把產(chǎn)生資源沖突的過程實(shí)例按照一定的規(guī)則抽取出來就可以得到項(xiàng)目調(diào)度的動(dòng)態(tài)模型。由于過程實(shí)例的執(zhí)行情況不斷變化，如某些過程實(shí)例執(zhí)行結(jié)束、某些實(shí)例被終止、某些活動(dòng)被掛起、某些異常出現(xiàn)等，因此按照一定的周期動(dòng)態(tài)地從這些過程實(shí)例中所得到的過程模型也會(huì)隨之不斷更新，得到“最新”的調(diào)度模型，這解決了調(diào)度模型不能反映信息動(dòng)態(tài)變化的問題。

圖3 構(gòu)件調(diào)度模型結(jié)構(gòu)

公共資源服務(wù)模型定義構(gòu)件調(diào)度過程中需要的公共服務(wù)資源，如數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)、打印服務(wù)等。

消息處理模型定義構(gòu)件調(diào)度過程中的事件屬性，它是一個(gè)構(gòu)件向另一個(gè)構(gòu)件發(fā)出的某種通知。

工作流數(shù)據(jù)模型定義了與構(gòu)件調(diào)度模型執(zhí)行密切相關(guān)的數(shù)據(jù)。從某種意義上講，它確定構(gòu)件執(zhí)行過程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件。

2.2.2 構(gòu)件實(shí)例化

構(gòu)件是動(dòng)態(tài)調(diào)用的，即應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行前構(gòu)件都沒有實(shí)例化，只有在執(zhí)行過程中調(diào)用時(shí)才實(shí)例化。可以借助反射機(jī)制實(shí)現(xiàn)構(gòu)件動(dòng)態(tài)實(shí)例化。本文的構(gòu)件實(shí)例化工具是在.NET平臺(tái)下用C#語言實(shí)現(xiàn)，其關(guān)鍵代碼如下：

3 應(yīng)用實(shí)例

本文設(shè)計(jì)的基于工作流控制的構(gòu)件化軟件框架已經(jīng)在某型設(shè)備接口測(cè)試系統(tǒng)中得到應(yīng)用。某型設(shè)備有多種待測(cè)接口，下面以其A/D接口測(cè)試為例說明本系統(tǒng)的有效性。

圖4為對(duì)某型設(shè)備A/D、D/A接口構(gòu)件劃分結(jié)果圖。構(gòu)件通過構(gòu)件連接器組裝成業(yè)務(wù)模塊，業(yè)務(wù)模塊通過模塊連接器組裝成功能模塊。組裝后的某型設(shè)備接口測(cè)試系統(tǒng)對(duì)A/D接口測(cè)試結(jié)果如圖5所示。測(cè)試中，A/D接口的通道13測(cè)試誤差大于設(shè)定誤差的最大值，未通過測(cè)試；其他接口各通道的測(cè)試誤差均小于其最大誤差要求，通過測(cè)試。

實(shí)踐應(yīng)用證明，該軟件框架可以實(shí)現(xiàn)基于構(gòu)件的應(yīng)用系統(tǒng)的插座式組裝，使其能從原子構(gòu)件集成子模塊、功能模塊直至整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。此方法支持系統(tǒng)的快速開發(fā)和修改，具有較高的靈活性和較好的可擴(kuò)展性，達(dá)到了令人滿意的伸縮性。

圖4 構(gòu)件劃分

圖5 某型測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

針對(duì)目前大多數(shù)軟件模塊間耦合緊密、軟件可復(fù)用性低、可擴(kuò)展性差等問題。將XML、工作流和構(gòu)件技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了圖形化方式構(gòu)件組裝框架和構(gòu)件運(yùn)行框架。用戶可以在構(gòu)件組裝框架下集成應(yīng)用系統(tǒng)，在構(gòu)件運(yùn)行框架下運(yùn)行組裝的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的業(yè)務(wù)功能。實(shí)踐證明，該軟件框架可以實(shí)現(xiàn)基于構(gòu)件的應(yīng)用系統(tǒng)的插座式組裝，使其能從原子構(gòu)件集成子模塊、功能模塊直至整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。此方法支持系統(tǒng)的快速開發(fā)和修改，具有較高的靈活性和較好的可擴(kuò)展性，避免了軟件的重復(fù)開發(fā)，節(jié)省了大量費(fèi)用，達(dá)到了令人滿意的伸縮性效果。

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