反應(yīng)堆專業(yè)程序適應(yīng)性維護技術(shù)研究

肖安洪，曾 輝，王 箏，楊大為，彭 輝

(中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610041)

軟件維護是軟件生存周期的重要環(huán)節(jié)，二十世紀六七十年代發(fā)生的“軟件危機”正是由于大量軟件不可維護引起，并由此興起軟件工程的概念[1]。國內(nèi)相關(guān)標準將國際電工委員會定義的5種軟件維護類型經(jīng)過合并整理，定義為:完善性維護、適應(yīng)性維護和改正性維護，其中適應(yīng)性維護是指為適應(yīng)軟件運行環(huán)境變化而作的修改[2]。通常我們稱軟件適應(yīng)性維護過程為程序移植。核反應(yīng)堆設(shè)計中采用了大量早期開發(fā)的專業(yè)程序，這些程序具有典型的“遺留軟件”特征:生命周期長、業(yè)務(wù)功能關(guān)鍵和質(zhì)量差[3]。隨著計算機硬件的快速發(fā)展，反應(yīng)堆專業(yè)程序的運行平臺逐漸停產(chǎn)、淘汰和退役，因此迫切需要將這些專業(yè)程序移植到現(xiàn)有主流計算平臺。此外，這類程序多是通過各種渠道從國外引進，移植工作只能由單位內(nèi)部技術(shù)人員完成，缺乏開發(fā)方的技術(shù)支持以及足夠的程序文檔，技術(shù)難度很大。因此應(yīng)用軟件工程理論對反應(yīng)堆專業(yè)程序適應(yīng)性維護過程進行研究，建立相應(yīng)的工作流程，可以規(guī)范維護過程，提高工作效率，并減少引入缺陷的風險。

1 適應(yīng)性維護過程的建立

軟件工程定義了許多過程模型用于軟件開發(fā)和維護，包括線性模型、原型模型、快速應(yīng)用開發(fā)模型、演化軟件過程模型等[3]。這些模型各有優(yōu)缺點，在此不一一贅述?？傊诶碚撋弦⑼昝赖倪^程模型是不現(xiàn)實的，只能衡量人力、資源、時間等各種成本和風險因素，靈活運用過程模型概念來開展軟件項目。

對于反應(yīng)堆專業(yè)程序適應(yīng)性維護而言，技術(shù)人員在程序現(xiàn)有框架約束下完成修改，使其運行于新平臺，需求明確，過程相對簡單，適宜采用線性模型，并在關(guān)鍵節(jié)點進行迭代。根據(jù)軟件工程化的相關(guān)理論，可以將反應(yīng)堆專業(yè)程序適應(yīng)性維護過程歸納為7個階段，如圖1所示。

圖1 反應(yīng)堆專業(yè)程序適應(yīng)性維護過程

2 各階段活動及要點

2.1 策劃階段

策劃階段的主要工作是識別用戶需求并確定程序移植目標平臺、移植總體技術(shù)路線、測試方案、工作計劃、投入人力資源和所需配套設(shè)備、識別風險因素并進行風險分析。其中關(guān)鍵活動是識別用戶需求并確定移植目標平臺，結(jié)合主流計算機技術(shù)以及當前軟硬件條件，從長遠發(fā)展和當前可行兩個方面綜合論證總體技術(shù)路線。

2.2 準備階段

準備階段應(yīng)完成以下幾個方面準備工作。

2.2.1 系統(tǒng)環(huán)境準備

系統(tǒng)環(huán)境準備包括服務(wù)器硬件、操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)及庫文件等資源的準備，完成目標平臺的搭建。

2.2.2 工具軟件準備

需要準備的工具軟件包括源代碼分析工具、程序調(diào)試工具等。由于適應(yīng)性維護涉及到代碼修改，所以在條件允許的情況下應(yīng)部署配置管理系統(tǒng)對源代碼版本進行控制。

2.2.3 資料準備

反應(yīng)堆專業(yè)程序大多開發(fā)在早期的系統(tǒng)環(huán)境中，和現(xiàn)有系統(tǒng)環(huán)境差異顯著，所以系統(tǒng)資料和程序資料顯得尤為重要，包括操作系統(tǒng)命令腳本、編譯器相關(guān)資料、程序開發(fā)語言資料、程序開發(fā)手冊、編譯手冊等。

2.3 代碼分析階段

代碼分析主要是對程序的規(guī)模、函數(shù)調(diào)用及依賴關(guān)系、程序流程進行分析。代碼分析可以在人工分析基礎(chǔ)上配合使用輔助工具，提高準確性和效率。

2.3.1 代碼總體分析

分析掌握程序代碼所使用的編程語言及版本、代碼的規(guī)模(如代碼行數(shù)、注釋行數(shù)、子程序數(shù)、公用變量數(shù)等)，可借助工具軟件完成，如STI Understand。

2.3.2 靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析

靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析主要對程序調(diào)用或依賴的庫文件、頭文件等進行分析，并在目標平臺進行相應(yīng)配置。通常核反應(yīng)堆專業(yè)程序依賴以下幾種庫文件、頭文件:操作系統(tǒng)級、編譯器級和程序自定義級。

2.3.3 動態(tài)運行分析

動態(tài)運行分析主要掌握程序運行流程及函數(shù)邏輯調(diào)用關(guān)系。程序動態(tài)運行分析有助于對程序移植過程中發(fā)現(xiàn)的錯誤進行定位及排查。程序動態(tài)運行結(jié)構(gòu)分析主要輸出成果為程序流程圖、程序邏輯結(jié)構(gòu)圖等。

2.4 代碼移植階段

代碼移植是適應(yīng)性維護的核心階段，其任務(wù)是將程序源代碼在目標平臺進行相應(yīng)修改;然后編譯、鏈接，得到目標程序;在目標平臺對目標程序進行運行、調(diào)試，并解決在修改、編譯、鏈接、運行、調(diào)試過程出現(xiàn)的錯誤。通常情況下編譯、鏈接合并進行，運行、調(diào)試也合并進行。代碼移植階段可以按照以下步驟進行。

2.4.1 確定編譯、鏈接選項

由于系統(tǒng)環(huán)境及編譯器差異等原因，程序在不同平臺進行編譯、鏈接時采用的選項不同，通過查閱相關(guān)編譯器文檔可以了解選項信息。例如Alpha平臺f77編譯器的編譯選項“－r8－i8”，作用是對浮點數(shù)和整數(shù)按雙精度進行編譯，而在Solaris平臺對應(yīng)選項為“xtypemap=real:64，integer:64”。

2.4.2 建立編譯鏈接錯誤信息表

確定選項后即可著手程序編譯鏈接。這個步驟的主要任務(wù)是記錄編譯過程中產(chǎn)生的錯誤和警告信息，并整理為錯誤信息表，表格包含的主要內(nèi)容包括信息類別、產(chǎn)生信息的位置、信息描述等。

2.4.3 解決代碼編譯鏈接錯誤

根據(jù)錯誤信息表定位到故障代碼，分析并確定錯誤原因，然后對代碼進行修改，直至消除所有錯誤。從筆者程序移植經(jīng)驗來看，編譯鏈接錯誤主要體現(xiàn)在3個方面:編譯鏈接選項、編程語言語法和引用庫文件。編譯鏈接選項錯誤可以通過查閱編譯器資料找到解決方法，編程語言語法錯誤也可以通過查閱程序開發(fā)語言手冊找到答案。

下面以筆者在對早期Fortran程序移植過程中遇到的兩個典型語法問題為例進行說明。

第一個是賦值問題，不同平臺編譯器對DATA賦值語句的解析不同，如對變量進行八進制賦值，Alpha平臺使用“DATA TEMP/OXXXX/”，而 Solaris平臺使用“DATA TEMP/O‘XXXX’/”。

第二個是函數(shù)同名，新版本編程語言中內(nèi)置越來越多的內(nèi)部函數(shù)，而早期程序中某些自定義函數(shù)，其名稱可能已經(jīng)被用作內(nèi)部函數(shù)，這種情況會導致莫名其妙的錯誤。如調(diào)用函數(shù)報參數(shù)不匹配錯誤，而檢查代碼發(fā)現(xiàn)調(diào)用函數(shù)時傳遞的參數(shù)類型和函數(shù)定義時的參數(shù)類型一致，這就有可能是該函數(shù)名已被用作內(nèi)部函數(shù)，并有了不同的定義。這類問題的解決辦法就是將自定義函數(shù)改名。

編譯鏈接過程中最難解決的問題是引用庫文件問題。庫文件是代碼通過編譯鏈接產(chǎn)生的，如果程序代碼引用了沒有源代碼的庫文件，對這個程序進行跨平臺移植就會遇到很大的問題，因為不同平臺的二進制文件結(jié)構(gòu)是不一樣的，庫文件也是二進制文件，因此不能將原運行平臺的庫文件直接拷貝至目標平臺使用，而沒有庫文件源代碼，就不能在目標平臺進行編譯鏈接產(chǎn)生庫文件。目前暫時還沒有很好的辦法能解決這樣的問題，除非重構(gòu)代碼，剝離程序?qū)煳募囊蕾?，但是花費的代價將更大。

在對代碼進行修改過程中應(yīng)重視注釋的作用，注釋可以幫助理解編程思路。對修改的代碼也應(yīng)增加注釋以方便后來者閱讀程序，修改代碼的注釋內(nèi)容包括:修改者、修改時間、修改原因和修改的起止位置等;同時被修改的語句不能簡單刪除，而應(yīng)將其轉(zhuǎn)換為注釋語句予以保存，以便代碼后續(xù)使用者對比閱讀。

2.4.4 調(diào)試、運行目標程序

在經(jīng)過編譯、鏈接得到目標程序后，還需要驗證程序是否能正常運行，因此要對目標程序進行運行調(diào)試。目標程序只有在實際運行的時候才會將編譯鏈接符號、函數(shù)、變量等進行加載，鏈接的動態(tài)庫錯誤也只有在實際運行的時候才能體現(xiàn)。如果遇到運行調(diào)試錯誤，和解決編譯錯誤一樣，需要建立調(diào)試錯誤信息表，確定錯誤原因并提供解決方法，直至所有錯誤完全消除，這也涉及代碼的修改，因此應(yīng)注意添加和保存注釋。

總之，代碼移植階段要完成程序的修改、編譯、鏈接、運行、調(diào)試等任務(wù)，并且還應(yīng)同步編寫移植說明書，記錄代碼移植過程情況，對發(fā)現(xiàn)的具有普遍性的問題進行歸納總結(jié)，以便后續(xù)工作的開展。程序移植和程序開發(fā)有很大不同，更需要良好的編程技巧和豐富的實踐經(jīng)驗，這些都需要在實際工作中進行總結(jié)和積累。

2.5 測試階段

適應(yīng)性維護是對原程序進行移植，對代碼的修改主要是修正語法等方面的錯誤，不會影響程序框架結(jié)構(gòu)，修改代碼規(guī)模較小，因此相對來說測試需求比較簡單，使用基準例題對程序進行回歸測試即可。如果在測試階段發(fā)現(xiàn)問題，則應(yīng)回溯到代碼分析階段，查找分析原因，并通過修改代碼解決問題。

在測試過程中需要準備測試記錄表，記錄測試人員、測試時間、測試例題及測試結(jié)果等信息，為程序驗收提供見證記錄。

2.6 驗收階段

適應(yīng)性維護的軟件產(chǎn)品應(yīng)參照軟件開發(fā)要求進行驗收。驗收由軟件維護人員和軟件使用人員共同參與完成。驗收過程應(yīng)評審程序的功能、相關(guān)文檔是否滿足要求，然后根據(jù)評審結(jié)果確定是否通過驗收，并填寫驗收報告。驗收報告應(yīng)包括以下方面:程序是否在指定的平臺上正常安裝運行、測試例題是否正確運行、交付物是否完整。軟件驗收后，應(yīng)將全部工作產(chǎn)品轉(zhuǎn)入產(chǎn)品庫進行歸檔。

2.7 交付與過渡階段

軟件通過驗收后由軟件維護人員部署在目標平臺，供用戶使用，并發(fā)布到相應(yīng)軟件庫中進行管理。此外還應(yīng)組織用戶進行程序的使用培訓。如條件允許應(yīng)為程序提供適用過渡期，在過渡期內(nèi)新舊平臺上的程序均可正常運行，便于用戶對不同平臺的運行過程及結(jié)果進行比較，及時發(fā)現(xiàn)問題。

3 結(jié)束語

通過對反應(yīng)堆專業(yè)程序的適應(yīng)性維護過程、工作內(nèi)容進行總結(jié)和分析，并應(yīng)用軟件工程理論和方法，建立了較規(guī)范的工作流程和方法。該項研究成果在國防技術(shù)基礎(chǔ)科研基金項目中開展應(yīng)用，完成了10余個反應(yīng)堆專業(yè)程序的移植，實踐證明可有效降低工作難度，提高工作效率，對提升移植軟件的質(zhì)量也起到了很大的積極作用。

[1] 張海藩.軟件工程導論[M].3版.北京:清華大學出版社，1998.

[2] 石柱.軟件工程標準手冊[M].北京:中國標準出版社，2004.

[3] Pressman R S.軟件工程:實踐者的研究方法[M].鄭人杰，馬素霞，白曉穎，等譯.6版.北京:機械工業(yè)出版社，2007.