基于軟件庫的軟件生產(chǎn)線模型研究

金星波

(中國人民解放軍92493部隊(duì)，遼寧葫蘆島125000)

0 引 言

關(guān)于軟件生產(chǎn)線(SPL:Software-Product Line)的研究最早可追溯至上個(gè)世紀(jì)70年代初，David［1］對(duì)程序家族進(jìn)行了研究，但軟件生產(chǎn)線的實(shí)際應(yīng)用始于上個(gè)世紀(jì)80年代中期，并在一些項(xiàng)目上取得了成功。其中瑞士CelsiusTech公司從軍方獲取艦艇防御系統(tǒng)的研制項(xiàng)目，利用產(chǎn)品線技術(shù)，同時(shí)進(jìn)行了兩個(gè)艦艇的防御系統(tǒng)開發(fā)，使系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間大大縮短，(從9年降低至3年);并大大降低軟件開發(fā)費(fèi)用，系統(tǒng)軟硬件費(fèi)用比由65∶35下降到20∶80［2］。

從20世紀(jì)90年代，學(xué)者開始對(duì)軟件生產(chǎn)線的理論系統(tǒng)進(jìn)行研究，當(dāng)時(shí)主要的研究對(duì)象都是一些實(shí)例，從實(shí)例分析中建立生產(chǎn)線的理論模型。從此對(duì)軟件生產(chǎn)線的理論研究以及實(shí)際系統(tǒng)的研制一直都是軟件工程中的焦點(diǎn)，其發(fā)展非常迅猛，最具代表性的的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)軟件工程學(xué)院(SEI)的研究，如諾基亞的生產(chǎn)即采用了SEI的技術(shù)。直到目前，仍有很多學(xué)者對(duì)軟件生產(chǎn)線進(jìn)行研究，如Thum等［3］對(duì)特征模型進(jìn)行了探討，Vierhauser等［4］對(duì)軟件生產(chǎn)線模型以及支持工具進(jìn)行了研究。

國內(nèi)也有許多學(xué)者對(duì)生產(chǎn)線技術(shù)進(jìn)行了研究，并對(duì)軟件生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)以及建模方法進(jìn)行了深入的探討［5-7］。雖然生產(chǎn)技術(shù)已日趨成熟，但仍有缺陷。筆者針對(duì)該缺陷，提出過程模型和遷移模型。并根據(jù)該模型建立模擬系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，該模型可以解決軟件生產(chǎn)線初期投入大且遷移困難的問題。

1 軟件生產(chǎn)線理論簡述

1.1 軟件生產(chǎn)線的定義

許多學(xué)者從不同角度出發(fā)，對(duì)軟件生產(chǎn)線給出了多種定義。如Weiss等［8］提出將利用產(chǎn)品之間的共同部分，并提前對(duì)產(chǎn)品的可變性進(jìn)行充分考慮的產(chǎn)品家族定義為生產(chǎn)線;Margaret［9］提出生產(chǎn)線是由多個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成的軟件家族，這些系統(tǒng)在功能方面及組成的元素方面具有共性(communalities)，并具有個(gè)性(variabilities)，系統(tǒng)間有一定的相似性。這些定義都從一定角度描述了生產(chǎn)線的特征，也都非常經(jīng)典，但筆者更傾向于卡內(nèi)基梅隆大學(xué)軟件工程學(xué)院的定義，它更全面、準(zhǔn)確的描述了軟件生產(chǎn)線的主要基本特性。

軟件生產(chǎn)線是多個(gè)軟件密集系統(tǒng)組成的集合，這些系統(tǒng)共享一個(gè)公共的、可管理的特征集，該特征集能滿足選定的市場或任務(wù)領(lǐng)域的特定需求，這些系統(tǒng)遵循一個(gè)預(yù)描述的方式，在公共的核心資源(core assets)基礎(chǔ)上開發(fā)的。

1.2 STARS雙生命周期經(jīng)典模型

STARS最早提出了生產(chǎn)線的理論模型［10］，該模型將生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程分成兩個(gè)相互交叉的生命周期，分別命名為領(lǐng)域工程部分以及應(yīng)用工程部分。領(lǐng)域工程部分分為領(lǐng)域分析、領(lǐng)域設(shè)計(jì)和領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)3個(gè)階段;相似的，應(yīng)用工程部分也分為需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3個(gè)階段。圖1給出了該模型。

圖1 STARS軟件生產(chǎn)線雙周期生命模型Fig.1 STARS model of double life cycle of SPL

SRARS模型定義了經(jīng)典的軟件生產(chǎn)線的開發(fā)過程與進(jìn)化方式，當(dāng)前有許多生產(chǎn)線的開發(fā)模型都是基于此設(shè)計(jì)的。

2 軟件生產(chǎn)線缺陷分析及應(yīng)對(duì)策略

2.1 目前軟件生產(chǎn)線存在的缺陷

經(jīng)過多年的發(fā)展，軟件生產(chǎn)線技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，但始終有部分缺陷未能克服。

1)大部分生產(chǎn)線技術(shù)都是依托SRARS模型或其發(fā)展進(jìn)化生成的模型，如此軟件生產(chǎn)線的開發(fā)多數(shù)都分為兩個(gè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)(卡梅隆模型則分為3個(gè)團(tuán)隊(duì)，多了一個(gè)管理團(tuán)隊(duì)):核心資源(Core Assets)團(tuán)隊(duì)、應(yīng)用工程(Application Engineering)團(tuán)隊(duì)。應(yīng)用工程團(tuán)隊(duì)的開發(fā)人員要利用核心資源，針對(duì)特定的產(chǎn)品，分析其結(jié)構(gòu)，并手工去除在核心資源的代碼中粘貼特定產(chǎn)品的代碼，或反之;由于人與人之間是有差別的，這就難以保證代碼的統(tǒng)一，并且安全性上也無法保證。另外，一個(gè)軟件生產(chǎn)線的產(chǎn)品有可能多，產(chǎn)品越多，應(yīng)用工程的團(tuán)隊(duì)也會(huì)越大，帶來的問題也會(huì)越來越多。

2)一個(gè)生產(chǎn)線上的產(chǎn)品在對(duì)核心資源進(jìn)行復(fù)用時(shí)，往往有自己的上下文。有時(shí)，這些在應(yīng)用工程中的成果應(yīng)該充實(shí)到核心資源中，但因其獨(dú)特的環(huán)境因素，往往很難實(shí)現(xiàn)。這就導(dǎo)致在生產(chǎn)線對(duì)多個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，只能為每個(gè)單獨(dú)的產(chǎn)品編寫它單獨(dú)的代碼，降低了生產(chǎn)線的實(shí)用價(jià)值。

3)在一個(gè)軟件生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程中往往有兩個(gè)單獨(dú)的團(tuán)隊(duì)，這會(huì)導(dǎo)致若產(chǎn)品出現(xiàn)了偏差，很難辨別是哪個(gè)團(tuán)隊(duì)出現(xiàn)了問題。為了改善此問題，SEI的生產(chǎn)線生命模型增加了一個(gè)管理團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)工作，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中還是很容易出現(xiàn)團(tuán)隊(duì)間的矛盾，互相推卸責(zé)任，導(dǎo)致開發(fā)效率的降低。

4)開發(fā)產(chǎn)品時(shí)使用生產(chǎn)線技術(shù)，不論是資金、人員以及時(shí)間，初期都需要較大的投入，而且在采用生產(chǎn)線技術(shù)時(shí)，往往第1個(gè)產(chǎn)品的出現(xiàn)時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于采用非產(chǎn)品線技術(shù)開發(fā)所得，即這些投入可能短時(shí)間得不到任何回報(bào)。因此除了技術(shù)上的原因，這也是中小型公司較少采用生產(chǎn)線技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)的重要原因之一。

5)隨著一個(gè)生產(chǎn)線技術(shù)在實(shí)踐中的不斷應(yīng)用，其核心資源也在一步步的擴(kuò)張，其復(fù)雜程度也是越來越高，不論生產(chǎn)線的維護(hù)還是它的擴(kuò)展都需要越來越多的費(fèi)用，以至最后難以維持。這也導(dǎo)致一個(gè)生產(chǎn)線利用另一個(gè)生產(chǎn)線的資源難以實(shí)現(xiàn)，想把一個(gè)生產(chǎn)線的核心資源遷移至另一個(gè)生產(chǎn)線其難度則更大。

2.2 生產(chǎn)線缺陷分析以及相應(yīng)的對(duì)案研究

以上討論了軟件生產(chǎn)線的相關(guān)缺陷，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行分析。

1)對(duì)于實(shí)際應(yīng)用于工業(yè)上的生產(chǎn)線，如汽車生產(chǎn)線，其開發(fā)上沒有兩個(gè)獨(dú)立的團(tuán)隊(duì)，生產(chǎn)一輛汽車并不需要工人去做生產(chǎn)線的再次開發(fā)工作。這也給予軟件生產(chǎn)線一個(gè)提示，若一個(gè)軟件生產(chǎn)線沒有應(yīng)用工程開發(fā)團(tuán)隊(duì)，而只有一個(gè)唯一的開發(fā)團(tuán)隊(duì)(核心資源團(tuán)隊(duì))，缺陷1)～3)都已不存在。所以筆者認(rèn)為，應(yīng)用工程團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)給予取消，即核心資源應(yīng)該可以直接對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)。

2)對(duì)于缺陷4)，即初期投資龐大是生產(chǎn)線實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重大限制，尤其對(duì)中小型的軟件公司。其產(chǎn)生的原因主要有兩點(diǎn):①生產(chǎn)線的開發(fā)不同于一個(gè)單獨(dú)產(chǎn)品的開發(fā)，要經(jīng)過多個(gè)領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)整個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行分析建立產(chǎn)品集的領(lǐng)域模型，而且還要考慮產(chǎn)品未來各種可能的發(fā)展方向;②核心資源的目的之一即是要為復(fù)用服務(wù)，其編寫時(shí)自然多了很多的限制條件，這也增加了代碼編寫的復(fù)雜程度。針對(duì)這兩個(gè)原因，如果:①領(lǐng)域模型的變化并不會(huì)導(dǎo)致軟件有較大的變化;②代碼在縮寫時(shí)能遵守一定的即定規(guī)則，就可滿足被復(fù)用的條件。那么這兩個(gè)問題將會(huì)得到很大程度的弱化。

3)針對(duì)缺陷5)，數(shù)據(jù)庫技術(shù)是此缺陷的天然解決方案，把軟件依不同級(jí)別的復(fù)用粒度分別放在數(shù)據(jù)庫中，而關(guān)系數(shù)據(jù)庫其強(qiáng)大的組織以及檢索功能，恰恰可為生產(chǎn)線的維護(hù)以及遷移提供強(qiáng)大的支持。

3 軟件生產(chǎn)線過程、遷移模型以及一個(gè)實(shí)例

基于以上分析，筆者提出了兩個(gè)模型:軟件生產(chǎn)線過程模型和軟件生產(chǎn)線無縫遷移模型。二者間關(guān)系密切，此軟件生產(chǎn)線過程模型在很大程度上考慮到遷移問題，是為了盡可能簡單地復(fù)用以往的資源，如代碼、模塊等;而遷移后生產(chǎn)線的資源也可以很容易歸并至軟件庫中，與之前的資源一起可以為下一個(gè)遷移所利用。

3.1 軟件生產(chǎn)線過程模型

軟件生產(chǎn)線的過程模型如圖2所示。

圖2 軟件生產(chǎn)線過程模型Fig.2 A process model of SPL

1)軟件庫分為4層。

基礎(chǔ)庫層:位于軟件庫的最底層，由開發(fā)語言本身提供的類庫與COST構(gòu)件庫組成。

自定義類庫層:建立在基礎(chǔ)庫上，存儲(chǔ)依據(jù)實(shí)際需要建立的類。

模塊庫層:存儲(chǔ)相互獨(dú)立、可組裝的模塊。

模板庫層:存儲(chǔ)模板，提供的是類似于配置器的程序，通過模板即可生產(chǎn)出所需產(chǎn)品。

2)生產(chǎn)線建立流程。

①進(jìn)行領(lǐng)域分析，建立領(lǐng)域模型。領(lǐng)域模型的建立應(yīng)盡可能全面覆蓋領(lǐng)域范疇，采用大規(guī)模軟件定制的策略，充分考慮生產(chǎn)線的可擴(kuò)展性與可裁剪性。但可以只開發(fā)與當(dāng)前產(chǎn)品相關(guān)的模塊及代碼。

②將領(lǐng)域模型轉(zhuǎn)化為AO樹特征模型。

③依據(jù)AO樹特征模型劃分功能模塊。本步驟與②是為了方便將領(lǐng)域模型轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)的方法并不限于AO樹。

④依據(jù)需求建立需要的自定義類。在此如何去建立需要的類也可以根據(jù)自身狀況靈活掌握，可以采用面向?qū)ο蟮姆椒?，也可以采用面向方面的方法，但必須將此類繼承自何類或引用或使用的方法必須標(biāo)注在數(shù)據(jù)表中。

⑤建立模塊。與④相同，也須將本模塊包含的類標(biāo)注在數(shù)據(jù)表中。

⑥組織模板，軟件生產(chǎn)線建成。

3.2 軟件生產(chǎn)線無縫遷移模型

依據(jù)上述軟件生產(chǎn)線過程模型建立生產(chǎn)線，則生產(chǎn)線的維護(hù)及遷移問題就轉(zhuǎn)化為軟件庫中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移問題。模型如圖3所示。

圖3 軟件生產(chǎn)線無縫遷移模型Fig.3 A seamless migration model of SPL

從原軟件庫向新軟件庫轉(zhuǎn)移時(shí)，仍應(yīng)遵循自項(xiàng)而下的模式，首先對(duì)新的領(lǐng)域進(jìn)行分析，建立領(lǐng)域模型，建立AO特征模型。然后依據(jù)AO模型先從原軟件庫中提取可用的模塊，提取可用的自定義類，在提取模塊時(shí)須能同進(jìn)提取此模塊所涉及至的自定義類及COTS構(gòu)件，提取自定義類時(shí)亦如此。此后新生產(chǎn)線的建立依前述生產(chǎn)線過程模型建立即可。

3.3 實(shí)例

依托軟件生產(chǎn)線過程模型，筆者建立了一個(gè)車載多媒體模擬系統(tǒng)。系統(tǒng)包括領(lǐng)域分析過程、形式化過程、AO模型建立過程等，并在SQL Server之上建立了系統(tǒng)的支持工具，詳細(xì)情況見文獻(xiàn)［10］。系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的選擇自動(dòng)生成所需要的產(chǎn)品。生產(chǎn)線的建立并不比生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品復(fù)雜多少，而且因?yàn)殛P(guān)系數(shù)據(jù)庫的作用可以相對(duì)容易剝離出較大粒度的復(fù)用，利于生產(chǎn)線的遷移。

4 結(jié) 語

在研究了軟件產(chǎn)品線的概念、相關(guān)方法的基礎(chǔ)上，深入分析了當(dāng)前軟件產(chǎn)品線方法的一些不足之處，并提出了相應(yīng)的對(duì)策。在此基礎(chǔ)上，筆者提出軟件生產(chǎn)線過程模型及無縫遷移模型。這兩個(gè)模型可以有效降低生產(chǎn)線的初期投入，并對(duì)日后的遷移建立了基礎(chǔ)，具有一定的實(shí)用價(jià)值以及推廣價(jià)值。

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