一種基于目標(biāo)轉(zhuǎn)換的用例建模方法

林郁峰，陳中育，駱正平，吳星同

(浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華 321004)

0 引言

對(duì)于軟件需求，研究人員提出了許多捕獲手段和建模方法，其中用例(Use Case)[1-2]作為重要需求建模工具被廣泛使用。用例驅(qū)動(dòng)的需求建模方法優(yōu)點(diǎn)在于:開(kāi)發(fā)者站在用戶視角觀察將要開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)[3]，抽象出系統(tǒng)中的參與者(Actor)，將一系列場(chǎng)景抽象成用例。在實(shí)際應(yīng)用中，用例建模也暴露出一些缺點(diǎn)，如:用例建模對(duì)參與者及其場(chǎng)景挖掘沒(méi)有一套系統(tǒng)方法;用例之間存在相互交錯(cuò)情況，其粒度難以把握。文獻(xiàn)[4]提出將“纏繞”需求模塊化，有效改善了用例之間的交錯(cuò)行為。文獻(xiàn)[5]提出了面向目標(biāo)的需求分析法，將目標(biāo)看作是需求來(lái)源，以目標(biāo)作為需求獲取的基本線索，采用文本、采訪等手段誘導(dǎo)需求提供者按照目標(biāo)的分解、精化和抽象關(guān)系逐步構(gòu)建系統(tǒng)，從而保證需求的完整性。文獻(xiàn)[6]將目標(biāo)和場(chǎng)景與用例結(jié)合，以目標(biāo)作為起點(diǎn)，場(chǎng)景加以誘導(dǎo)，配合需求分析員進(jìn)行用例建模。

然而，文獻(xiàn)[4-5]只是針對(duì)用例的單個(gè)方面問(wèn)題給出解決方案，文獻(xiàn)[6]雖然對(duì)用例的2個(gè)缺陷都有所改進(jìn)，但其需求從獲取到建模的整個(gè)過(guò)程過(guò)度依賴自然語(yǔ)言，通過(guò)討論分析的方法最終由需求分析員進(jìn)行需求建模，識(shí)別與分析的過(guò)程耗費(fèi)時(shí)間，且不同人討論得出的結(jié)論不盡相同。為此，本文基于目標(biāo)轉(zhuǎn)換的用例建模方法，在目標(biāo)基礎(chǔ)上，將面向方面[7]的思想融入到用例驅(qū)動(dòng)的需求建模中，采用可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言XML存儲(chǔ)目標(biāo)模型、識(shí)別關(guān)注點(diǎn)來(lái)構(gòu)建用例模型，該方法不僅解決了用例來(lái)源不明、用例間相互交錯(cuò)等問(wèn)題，且在用例需求建模過(guò)程中，將分析方法總結(jié)成轉(zhuǎn)換算法，避免過(guò)度依賴自然語(yǔ)言的情形。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 目標(biāo)模型

目標(biāo)模型是1個(gè)樹(shù)形圖[8-10]，高層目標(biāo)是指系統(tǒng)目標(biāo)，表示最粗粒度目標(biāo)。例如，1個(gè)圖書(shū)管理系統(tǒng)，它的高層目標(biāo)可以是提供便捷的圖書(shū)服務(wù)。目標(biāo)是可以逐層分解的，圖書(shū)管理系統(tǒng)可以分解出借書(shū)、還書(shū)、付費(fèi)等子目標(biāo)，且各個(gè)子目標(biāo)能夠繼續(xù)被分解。參照文獻(xiàn)[6]，本文采用的4層目標(biāo)模型如下:

1)業(yè)務(wù)目標(biāo)層(Business Goal)。識(shí)別待開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的整體目標(biāo)，描述為什么開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。

2)服務(wù)目標(biāo)層(Service Goal)。描述系統(tǒng)提供的不同服務(wù)，它們共同實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)目標(biāo)。

3)交互目標(biāo)層(Interaction Goal)。服務(wù)目標(biāo)的進(jìn)一步細(xì)分，描述服務(wù)中特定的情節(jié)。

4)內(nèi)部目標(biāo)層(Inner Goal)。完成交互所需的動(dòng)作或動(dòng)作序列。

1.2 可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言

XML是1種元標(biāo)記語(yǔ)言[11]，通過(guò)標(biāo)記語(yǔ)言將文檔切分，并對(duì)每個(gè)部分加以標(biāo)識(shí)。本文選用XML語(yǔ)言存儲(chǔ)目標(biāo)模型的原因是:1)XML標(biāo)簽按照順序進(jìn)行嵌套，從標(biāo)記的最外層到最內(nèi)層能夠很好地對(duì)應(yīng)目標(biāo)模型的高層到低層，且XML標(biāo)簽?zāi)軌驅(qū)?yīng)目標(biāo)名稱;2)XML作為1種存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的工具，能夠通過(guò)查詢語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)索引、查找、排序等功能，為目標(biāo)模型的轉(zhuǎn)化提供支持;3)XML可擴(kuò)展性好，其簡(jiǎn)單性使其極易在任何程序中讀寫數(shù)據(jù)，為需求建模工具的開(kāi)發(fā)提供了便利。

2 用例建模方法

2.1 基于目標(biāo)轉(zhuǎn)換的用例建模方法

文獻(xiàn)[6]提出的基于目標(biāo)-場(chǎng)景的需求分析方法中，采用表格模板作為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)分析人員的引導(dǎo)將用戶需求轉(zhuǎn)化為目標(biāo)和場(chǎng)景樹(shù)。目標(biāo)和場(chǎng)景被用戶認(rèn)可后，分析人員根據(jù)現(xiàn)有目標(biāo)場(chǎng)景總結(jié)出1套用例描述規(guī)則。根據(jù)描述規(guī)則，用戶協(xié)助需求分析員將每個(gè)用例的相關(guān)信息(名字、參與者、前置條件、后置條件、相關(guān)用例)及事件流填入用例表格。通過(guò)“目標(biāo)與場(chǎng)景關(guān)系圖”導(dǎo)出“目標(biāo)-場(chǎng)景到用例的轉(zhuǎn)化規(guī)則”，其工作流程如圖1所示。

圖1 目標(biāo)-場(chǎng)景需求分析法的工作流程

雖然這種方法指出了用例建模的不足并分別對(duì)它們進(jìn)行了改進(jìn)，但是其用例模型轉(zhuǎn)化過(guò)程過(guò)分依賴于自然語(yǔ)言，自然語(yǔ)言存在二義性。本文提出基于目標(biāo)轉(zhuǎn)換的用例建模方法，希望改進(jìn)上述方法中過(guò)分依賴自然語(yǔ)言的情形，提高模型轉(zhuǎn)化效率和準(zhǔn)確度。將目標(biāo)作為用例建模的先決條件，主要研究從目標(biāo)模型到用例模型之間的轉(zhuǎn)換，在目標(biāo)和用例之間構(gòu)造1個(gè)轉(zhuǎn)換器，其輸入是目標(biāo)模型，輸出為用例模型。該方法的工作流程和轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)(虛線框)如圖2所示。

圖2 基于目標(biāo)的用例建模方法

本文方法的工作原理如下:

1)根據(jù)目標(biāo)模型和XML的相似性，制定映射表。

2)給出關(guān)注點(diǎn)識(shí)別規(guī)則，根據(jù)規(guī)則總結(jié)出XML轉(zhuǎn)換算法。

3)根據(jù)映射表，將目標(biāo)映射為XML文檔。

4)根據(jù)XML轉(zhuǎn)換算法，用XQuery編寫程序，在XML文檔中識(shí)別出關(guān)注點(diǎn)。

5)將核心關(guān)注點(diǎn)和橫切關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)化為用例和包含用例，并明確其關(guān)聯(lián)性，得到用例模型。

2.2 XML 轉(zhuǎn)換算法

本文的4層目標(biāo)模型如圖3所示。

圖3 4層目標(biāo)模型

按照業(yè)務(wù)目標(biāo)層到內(nèi)部目標(biāo)層的順序，其對(duì)應(yīng)的映射表(表1)中給出了4個(gè)XML元標(biāo)簽的定義，即:＜BusinessGoal＞作為根元素，其對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)目標(biāo)層在4層目標(biāo)模型中是最高層;＜InnerGoal＞對(duì)應(yīng)于內(nèi)部目標(biāo)層，是最底層的元素。每個(gè)元素標(biāo)簽及其關(guān)閉標(biāo)簽之間包含了諸如＜ServiceGoalName＞、＜InnerG-oalName＞的名稱標(biāo)簽，這類標(biāo)簽包含的文本內(nèi)容就是當(dāng)前目標(biāo)名稱。例如＜ServiceGoal＞標(biāo)簽及其關(guān)閉標(biāo)簽 ＜ServiceGoal/＞之間包含了4對(duì) ＜Service-GoalName＞標(biāo)簽，表示服務(wù)目標(biāo)層中有4個(gè)目標(biāo)存在。根據(jù)映射表，目標(biāo)模型樹(shù)形圖能夠映射成XML，以文檔的形式存儲(chǔ)下來(lái)。

表1 XML映射表

在4層目標(biāo)模型中，業(yè)務(wù)目標(biāo)是系統(tǒng)的最高目標(biāo)，服務(wù)目標(biāo)層表示系統(tǒng)所提供的不同服務(wù)，交互目標(biāo)層描述的是提供服務(wù)的場(chǎng)景序列，而內(nèi)部目標(biāo)則是場(chǎng)景的一些事件流。由于需求分析階段相同的事件流可能分布在不同的需求模塊中，本文借鑒面向方面編碼(AOP)[12-14]的思想，把這類需求模塊叫做橫切關(guān)注點(diǎn)，而那些相對(duì)獨(dú)立的、能表示業(yè)務(wù)流程的需求模塊，稱之為核心關(guān)注點(diǎn)[15]。在1個(gè)用例中，橫切關(guān)注點(diǎn)和核心關(guān)注點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)包含(或擴(kuò)展)用例和對(duì)等用例。包含用例往往分布在各個(gè)對(duì)等用例中，在用例建模過(guò)程中反復(fù)出現(xiàn)使得用例變得復(fù)雜而冗長(zhǎng)。如果能夠識(shí)別XML文檔中的橫切關(guān)注點(diǎn)和核心關(guān)注點(diǎn)并對(duì)橫切關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行建模，就能識(shí)別包含用例，使對(duì)等用例保持分離，控制用例粒度，改善用例交錯(cuò)的問(wèn)題。根據(jù)文獻(xiàn)[6]中的用例轉(zhuǎn)化規(guī)則，將識(shí)別層次鎖定在目標(biāo)模型的第3、4層，根據(jù)XML映射表，給出相應(yīng)的XML轉(zhuǎn)換規(guī)則和算法。

2.2.1 XML 轉(zhuǎn)換規(guī)則

1)識(shí)別核心關(guān)注點(diǎn):識(shí)別交互目標(biāo)，它們是核心關(guān)注點(diǎn)。

2)識(shí)別橫切關(guān)注點(diǎn):根據(jù)父節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，篩選內(nèi)部目標(biāo)。

由于目標(biāo)模型中父目標(biāo)下不會(huì)包含相同的子目標(biāo)，其對(duì)應(yīng)的XML文檔中，同一父元素下也不會(huì)出現(xiàn)重復(fù)子元素。所以只需判斷內(nèi)部目標(biāo)出現(xiàn)次數(shù)即可篩選出橫切關(guān)注點(diǎn)，這里把內(nèi)部目標(biāo)中橫切關(guān)注點(diǎn)以外的識(shí)別為原子關(guān)注點(diǎn)，它們是核心關(guān)注點(diǎn)中無(wú)交錯(cuò)的部分。

2.2.2 XML 轉(zhuǎn)換算法

1)遍歷 XML文檔，找到 ＜InteractionGoalName＞，將其標(biāo)注為＜CoreConcerns＞并返回。

2)判斷所有＜InnerGoalName＞標(biāo)簽下的文本內(nèi)容。

a)將擴(kuò)散度(出現(xiàn)次數(shù))大于1的標(biāo)簽標(biāo)記為＜CrossCuttingConcerns＞并返回。

b)將擴(kuò)散度等于1的標(biāo)簽標(biāo)記為 ＜AtomConcerns＞并返回。

通過(guò)XML轉(zhuǎn)換算法，識(shí)別出了XML文檔中的核心關(guān)注點(diǎn)、橫切關(guān)注點(diǎn)以及原子關(guān)注點(diǎn)，并分別以＜CoreConcerns＞、＜CrossCuttingConcerns＞和＜Atom-Concerns＞標(biāo)簽標(biāo)記。

核心關(guān)注點(diǎn)在用例模型中表示對(duì)等用例，橫切關(guān)注點(diǎn)在被識(shí)別前分布在多個(gè)對(duì)等用例中，破壞了對(duì)等用例的獨(dú)立性。這里將橫切關(guān)注點(diǎn)從核心關(guān)注點(diǎn)中抽離，組成包含用例，降低了對(duì)等用例的耦合度，使對(duì)等用例保持分離。而原子關(guān)注點(diǎn)則是組成每個(gè)對(duì)等用例的事件流，不出現(xiàn)在用例模型中。表2反映了元標(biāo)記、關(guān)注點(diǎn)、用例之間的映射關(guān)系。

表2 元標(biāo)記-關(guān)注點(diǎn)-用例的映射關(guān)系

雖然包含用例和對(duì)等用例已經(jīng)被識(shí)別，但它們之間的關(guān)系并未明確，所以還不能得到完整的用例模型。為了得到它們之間的關(guān)系，可以根據(jù)橫切點(diǎn)識(shí)別結(jié)果，對(duì)原XML文檔再做1次識(shí)別，識(shí)別方法為:為每個(gè)包含用例，也就是帶＜CrossCuttingConcerns＞標(biāo)簽的內(nèi)容，假設(shè)內(nèi)容是“Cname”，在Goal.xml中尋找其父節(jié)點(diǎn)，在＜InteractionGoal＞下遍歷＜InnerGoalName＞內(nèi)容，若與“Cname”相同，返回＜InteractionGoalName＞。

運(yùn)算結(jié)果確定了包含用例及與其相連的對(duì)等用例。根據(jù)UML標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)等用例和包含用例用橢圓表示，它們之間的聯(lián)系用帶箭頭的虛線表示，虛線上用“include”表示包含關(guān)系。

3 實(shí)例分析

本節(jié)以客運(yùn)服務(wù)系統(tǒng)為例，采用XML轉(zhuǎn)換算法對(duì)目標(biāo)模型進(jìn)行用例建模。該系統(tǒng)是針對(duì)客運(yùn)乘客和管理人員開(kāi)發(fā)的，目的是提供信息查詢、票務(wù)管理、信息管理等功能，而票務(wù)管理功能為乘客提供訂票、取票、退票等服務(wù)。其4層目標(biāo)模型如圖4所示。

圖4 客運(yùn)服務(wù)系統(tǒng)目標(biāo)模型

3.1 用XML存儲(chǔ)目標(biāo)模型

根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)模型，通過(guò)XML映射表，將4層目標(biāo)模型轉(zhuǎn)化成帶有＜BusinessGoal＞、＜ServiceGoal＞、＜InteractionGoal＞和 ＜InnerGoal＞4層標(biāo)簽的kyfw.xmlXML文檔，如圖5所示。

圖5 客運(yùn)服務(wù)系統(tǒng)的XML模型

圖5中第7、14、20行的＜InteractionGoal＞中分別存儲(chǔ)了訂票服務(wù)、取票服務(wù)、退票服務(wù)3個(gè)交互目標(biāo)。

3.2 識(shí)別關(guān)注點(diǎn)

本文以O(shè)xygen XML Editor為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將XML轉(zhuǎn)換算法編寫成kyfw.xquery文件，對(duì)kyfw.xml文檔進(jìn)行篩選，結(jié)合實(shí)例給出分析如下:

該文件以XQuery 1.0為語(yǔ)言，以文獻(xiàn)[16-17]為技術(shù)參考，以oxy為命名空間編寫。在第3行中，申明了kyfw.xml，也就是存放著客運(yùn)服務(wù)目標(biāo)模型的XML文件的路徑。第5到8行是識(shí)別核心關(guān)注點(diǎn)的函數(shù)。而區(qū)分橫切關(guān)注點(diǎn)和原子關(guān)注點(diǎn)的函數(shù)則出現(xiàn)在第9到16行。最后帶有＜Concerns＞標(biāo)簽的是主函數(shù)，調(diào)用之前申明的2個(gè)函數(shù)。識(shí)別結(jié)果如圖6所示。

圖6中帶有 ＜CoreConcerns＞標(biāo)簽的“訂票服務(wù)”、“取票服務(wù)”以及“退票服務(wù)”被識(shí)別為核心關(guān)注點(diǎn)。而“計(jì)算賬單”和“核對(duì)訂單”因?yàn)閹в校糃ross-CuttingConcerns＞標(biāo)簽，為橫切關(guān)注點(diǎn)，而剩下的“檢查車次信息”等則是原子關(guān)注點(diǎn)。所以“訂票服務(wù)”、“取票服務(wù)”及“退票服務(wù)”在用例模型中作為對(duì)等用例出現(xiàn)，用橢圓表示。而“計(jì)算賬單”和“核對(duì)訂單”因?yàn)闄M切了多個(gè)核心關(guān)注點(diǎn)而作為橫切關(guān)注點(diǎn)，在用例模型中以包含用例的形式出現(xiàn)，用帶箭頭的虛線連接對(duì)等用例。

圖6 XML識(shí)別結(jié)果

3.3 用例模型

確定了對(duì)等用例和包含用例之后，需要明確其關(guān)系。根據(jù)3.2節(jié)中提出的識(shí)別方法編寫 relation.xquery，對(duì)關(guān)注點(diǎn)識(shí)別結(jié)果進(jìn)一步處理。以下是核心的relation函數(shù):

relation函數(shù)的第2、3行分別遍歷了kyfw.xml文件中的所有InteractionGoal元素以及橫切關(guān)注點(diǎn)名稱集合，第4行限制了返回的條件，也就是當(dāng)InteractionGoalName的文本字段與橫切關(guān)注點(diǎn)名中字段相等時(shí)才返回。最終結(jié)果以橫切關(guān)注點(diǎn)字段順序排列，格式為“對(duì)等用例”includes“包含用例”。識(shí)別結(jié)果如圖7所示。

圖7 對(duì)等用例和包含用例關(guān)系識(shí)別結(jié)果

在圖7中“核對(duì)訂單”和“計(jì)算賬單”分別與2個(gè)對(duì)等用例形成聯(lián)系，這樣，“訂票服務(wù)”、“取票服務(wù)”、“退票服務(wù)”作為3個(gè)對(duì)等用例出現(xiàn)在用例模型中，同時(shí)“取票服務(wù)”、“退票服務(wù)”有共同的包含用例“核對(duì)訂單”，“訂票服務(wù)”、“退票服務(wù)”則都包含了“計(jì)算賬單”。根據(jù)UML規(guī)范，可以得到用例模型如圖8所示。

圖8 最終的用例模型

3.4 分析比較

對(duì)傳統(tǒng)的面向?qū)ο蠓椒╗2]、基于目標(biāo)的方法[4]、AOSD 方法[5]、目標(biāo)-場(chǎng)景方法[6]以及本文方法，在需求的獲取手段、識(shí)別手段、識(shí)別效率、需求模型精度和向設(shè)計(jì)階段過(guò)渡的能力5個(gè)方面進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，基于目標(biāo)的方法提供了1種很好的需求捕獲手段，面向?qū)ο笮枨蠓治鲋械挠美Ｐ湍軌蜃屝枨罅己玫剡^(guò)渡到設(shè)計(jì)階段，本文方法較好地結(jié)合了兩者的長(zhǎng)處。同時(shí)，相比自然語(yǔ)言，更為形式化的算法提高了需求傳達(dá)和需求建模過(guò)程的穩(wěn)定性和魯棒性。如遇到新的需求或原先的需求產(chǎn)生了變更，只需更新目標(biāo)模型并重新映射，算法的實(shí)現(xiàn)無(wú)需變更，使建模過(guò)程效率更高。表3給出了上述幾種建模方法在5個(gè)方面的比較結(jié)果。

表3 方法比較結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)用例建模過(guò)程中存在的問(wèn)題，本文提出采用XML轉(zhuǎn)換算法進(jìn)行用例建模，并以客運(yùn)服務(wù)系統(tǒng)為例，驗(yàn)證了該方法的可行性。結(jié)果表明，當(dāng)需求存在交織的問(wèn)題時(shí)，算法能夠清晰地識(shí)別和篩選關(guān)注點(diǎn)，避免了人工分析可能產(chǎn)生的偏差，為用例建模提供了重要判斷依據(jù)。尤其遇到龐大、復(fù)雜的系統(tǒng)時(shí)，這種方法能夠?yàn)橛美R(shí)別節(jié)省大量時(shí)間，將共用的事件流從對(duì)等用例中抽離形成包含用例則能減少用例模型的冗余，使其保持低耦合的狀態(tài)。當(dāng)然，該方法也存在一定的不足，比如從需求到用例的過(guò)程中，需要對(duì)XML文檔進(jìn)行2次操作。下一步的研究工作將是，借助XML適用于多平臺(tái)的特性，為用例模型設(shè)計(jì)形式化的開(kāi)發(fā)工具。

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