基于構(gòu)件化設(shè)計的軟件可靠性分析

劉竹旺　周松

[摘 要]基于構(gòu)件的軟件開發(fā)方法是在吸取了已有軟件開發(fā)方法經(jīng)驗基礎(chǔ)上的一種全新的、高效的開發(fā)方法，采用可復(fù)用的軟件構(gòu)件進(jìn)行開發(fā)，能夠有效地提高軟件開發(fā)的質(zhì)量和效率。本文主要分析基于構(gòu)件化設(shè)計的軟件可靠性。

[關(guān)鍵詞]構(gòu)件化 軟件 可靠性

隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，軟件已經(jīng)逐漸應(yīng)用到各種安全關(guān)鍵領(lǐng)域，例如航空航天、核電、國防、工業(yè)控制、交通運(yùn)輸、金融等。這類軟件通常都規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對可靠性和安全性有著極高的要求。長期以來，由于此類系統(tǒng)的軟件失效和安全性問題，造成生命財產(chǎn)損失，甚至給環(huán)境造成嚴(yán)重災(zāi)難的事例層出不窮，這就使得軟件的可靠性分析、評估和保障變得尤其重要。

一、軟件構(gòu)件概念

隨著軟件工程的發(fā)展，軟件復(fù)用技術(shù)逐漸成為研究熱點?；跇?gòu)件的軟件開發(fā)（Component-Based Software Development，CBSD）方法 ，改變了傳統(tǒng)的基于“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法”的開發(fā)模式，提出了基于“構(gòu)件開發(fā)+構(gòu)件組裝”的開發(fā)新思路，使已有成果得以復(fù)用，因而得到了廣大開發(fā)人員的推崇并迅速發(fā)展。軟件構(gòu)件，是指軟件系統(tǒng)中具有相對獨(dú)立功能、可以明確辨識、接口由契約指定、和語境有明顯依賴關(guān)系、可獨(dú)立部署、可組裝的軟件實體。它由接口、實現(xiàn)和部署三大要素構(gòu)成。其中，接口主要解釋構(gòu)件所能完成的功能，實現(xiàn)是讓此構(gòu)件運(yùn)作的代碼，部署是構(gòu)件的存在形式，即為二進(jìn)制代碼或可執(zhí)行文件。

基于構(gòu)件的軟件開發(fā)具有適用范圍廣、重用效率高的特點，其效率的發(fā)揮需要大量標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件群來支持，這就需要標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的構(gòu)件封裝技術(shù)規(guī)格和應(yīng)用于具體領(lǐng)域的大量構(gòu)件。這兩個方面現(xiàn)在是構(gòu)件化發(fā)展的阻礙。構(gòu)件封裝技術(shù)規(guī)格的統(tǒng)一需要資深軟件公司和國際性的軟件機(jī)構(gòu)深化合作、統(tǒng)籌兼顧來制定實用、有效、科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)。領(lǐng)域構(gòu)件群的創(chuàng)建需要學(xué)術(shù)組織和有責(zé)任有遠(yuǎn)見的軟件公司加大投入，深化構(gòu)件化軟件開發(fā)的應(yīng)用，在業(yè)界形成模范作用。而中小型軟件公司應(yīng)該建立自己的構(gòu)件庫，在開發(fā)中盡量應(yīng)用構(gòu)件化軟件開發(fā)方法，總結(jié)經(jīng)驗，為構(gòu)件化時代的到來和繁盛做準(zhǔn)備。有了統(tǒng)一的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)和各個領(lǐng)域豐富的構(gòu)件群，那么構(gòu)件化的開發(fā)將極大提高軟件開發(fā)效率，解決軟件危機(jī)。

二、基于構(gòu)件的軟件開發(fā)過程

基于構(gòu)件的開發(fā)，是指將軟件系統(tǒng)的開發(fā)過程看作是在體系結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)下，用構(gòu)件組裝方式開發(fā)軟件系統(tǒng)的軟件開發(fā)方法。基于構(gòu)件的軟件開發(fā)過程可以概括為以下四個階段：

1.問題域分析與建模（ 問題分析階段）

針對問題描述，通過領(lǐng)域工程的思想，進(jìn)行問題域分析與建模。分析階段的主要任務(wù)是通過對問題域的抽象，區(qū)分出共性問題和變性問題，分析的結(jié)果是將問題域進(jìn)行形式化表示，即建立問題域模型，可采用UML模型來表示。

2.求解域模型設(shè)計（ 構(gòu)件設(shè)計階段）

根據(jù)對問題域的分析與建模，可得出求解域模型，即系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)所需構(gòu)件。對于已存在的、可復(fù)用的構(gòu)件，分析其接口是否需要擴(kuò)展；對于需要新增的構(gòu)件，通過合理的分析及設(shè)計，保證構(gòu)件滿足求解域的要求，并盡可能保構(gòu)件的可復(fù)用性。

3.構(gòu)件開發(fā)及組裝（ 系統(tǒng)開發(fā)階段）

從構(gòu)件庫中選取滿足需要的構(gòu)件，擴(kuò)展其接口使之應(yīng)用于當(dāng)前工程；對新開發(fā)的軟件構(gòu)件，不僅應(yīng)該使其應(yīng)用于當(dāng)前工程，還要將其存儲到構(gòu)件庫中，以便復(fù)用。通過組裝得到完整的系統(tǒng)，經(jīng)測試后可發(fā)布運(yùn)行。

4.應(yīng)用系統(tǒng)演化（ 系統(tǒng)維護(hù)階段）

基于構(gòu)件的應(yīng)用系統(tǒng)的演化實際上是構(gòu)件升級、替換和擴(kuò)充的過程，針對用戶需求或?qū)嶋H運(yùn)行效果進(jìn)行軟件的調(diào)整，以適應(yīng)新的環(huán)境要求。

三、基于構(gòu)件化設(shè)計的軟件可靠性分析

1.可靠性分析基礎(chǔ)

軟件可靠性是指軟件在規(guī)定的時間內(nèi)軟件不失效的概率。構(gòu)件可以自行開發(fā)，可以購買商業(yè)構(gòu)件，也可以從相關(guān)領(lǐng)域構(gòu)件庫中獲取。雖然獲取的構(gòu)件一般都有相應(yīng)的可靠性說明，但同一構(gòu)件在不同的軟件系統(tǒng)中所處狀態(tài)不同，其可靠性也需要進(jìn)行重新分析。在基于敏捷開發(fā)的構(gòu)件化軟件實踐中，每發(fā)布一次軟件版本，都是以構(gòu)件測試為基礎(chǔ)，用戶必須對各構(gòu)件進(jìn)行使用性測試以發(fā)現(xiàn)軟件失效。小規(guī)模、多版本發(fā)布，使用戶可以在早期發(fā)現(xiàn)軟件中與自己所提的需求不一致的地方，用戶可以持續(xù)地參與到測試中來。用戶通過現(xiàn)場使用并快速反饋，為敏捷團(tuán)隊修正開發(fā)方向提供依據(jù)，可以說迭代增量開發(fā)、持續(xù)集成、小版本發(fā)布這些實踐都是自適應(yīng)的。對當(dāng)前版本進(jìn)行現(xiàn)場使用測試，獲得失效數(shù)據(jù)（測試成功與失敗次數(shù)），可獲得該版本可靠性的點估計。

2.可靠性分析

首先，它可以便于設(shè)計開發(fā)者之間相互理解和交流。只要系統(tǒng)是使用某種風(fēng)格或模式的規(guī)范方法來組織，則別的設(shè)計者就很容易理解系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。譬如某人把系統(tǒng)描述為“管道—過濾器”模式，則他不必給出細(xì)節(jié)，人們立刻明白系統(tǒng)是如何組織起來的，并在腦海中清晰地得到此系統(tǒng)的圖像；

第二，使用軟件體系結(jié)構(gòu)促進(jìn)了設(shè)計的復(fù)用。許多經(jīng)過實踐證明的軟件結(jié)構(gòu)可以用來解決許多相似類型的新問題，這對新軟件的開發(fā)帶來了便利和質(zhì)量保證；

第三，使用軟件體系結(jié)構(gòu)也促進(jìn)了顯著的代碼復(fù)用。對于體系結(jié)構(gòu)中的不變部分，不同的系統(tǒng)可以共同應(yīng)用同一段實現(xiàn)代碼，從而提高了該段代碼的應(yīng)用價值；

第四，使用軟件體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)格和模式有利于支持互操作性，例如像CORBA這種面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)和基于事件機(jī)制的工具集成。

總之，使用軟件體系結(jié)構(gòu)的模式有利于軟件開發(fā)者之間的交流和理解，有利于提高軟件設(shè)計實施的效率和質(zhì)量。軟件體系結(jié)構(gòu)的觀念能否成熟到使軟件設(shè)計開發(fā)發(fā)生根本性改變，關(guān)鍵在于各類體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計模式的完善和系統(tǒng)化。軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中很重要的成就之一就是抽象出了許多常見的軟件系統(tǒng)構(gòu)建模式。這些構(gòu)建模式是軟件系統(tǒng)設(shè)計人員多年工作經(jīng)驗的總結(jié)，它們將為軟件設(shè)計的系統(tǒng)分析和設(shè)計工作提供豐富的參考資料。

軟件體系結(jié)構(gòu)的選擇往往成為一個系統(tǒng)設(shè)計成敗的關(guān)鍵。人們在開發(fā)研制軟件的長期實踐中積累總結(jié)了許多成功的經(jīng)驗。不同類型的功能需要不同類型的構(gòu)件實現(xiàn)。

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