利用反射技術(shù)實(shí)現(xiàn)程序結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳海燕 朱宇來(lái) 林陽(yáng) 馬蕾 常瑩

摘 要：在計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，軟件結(jié)構(gòu)的前期設(shè)計(jì)對(duì)代碼實(shí)現(xiàn)和后期維護(hù)、擴(kuò)展和升級(jí)等工作的影響重大，直接影響軟件的代碼編寫規(guī)模、可擴(kuò)展性等。良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠縮小軟件規(guī)模，提高代碼的復(fù)用率。其中，總線式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是維持軟件可擴(kuò)展性的一種方法。將軟件按功能設(shè)計(jì)為不同的模塊（插件），將這些模塊組合在一起，通過(guò)總線管理各個(gè)模塊協(xié)同工作。當(dāng)軟件需要擴(kuò)展時(shí)，加入新模塊或更新舊模塊就可以實(shí)現(xiàn)。該文講述的是基于總線式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，利用.NET框架中的反射（Reflection）機(jī)制對(duì)類型信息的描述能力，提出一種模塊組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法，用來(lái)增強(qiáng)軟件的可維護(hù)性，并保持對(duì)用戶自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的處理能力。

關(guān)鍵詞：軟件開(kāi)發(fā) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 模塊 總線 插件 優(yōu)化 C# NET 反射

中圖分類號(hào)：TH703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（a）-0021-02

計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展至今，程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想已經(jīng)逐步成熟。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)等概念已經(jīng)深入人心。應(yīng)用程序的可維護(hù)性已經(jīng)成為衡量軟件質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。增強(qiáng)程序的可維護(hù)性可通過(guò)良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊化的功能區(qū)分等方法實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越清晰，模塊間的耦合度越低、相關(guān)程度越小，程序的可拆分、可組件、可擴(kuò)展的能力越強(qiáng)。總線—插件式的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是提高軟件質(zhì)量的重要方法?？偩€負(fù)責(zé)各個(gè)模塊的加載、事務(wù)的調(diào)度、資源的分配和消息的管理等。模塊（插件）是一種獨(dú)立的功能單元，完成總線安排的事務(wù)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作。這樣的方法避免了功能修改、擴(kuò)展時(shí)，局部功能的改動(dòng)需要修改大量與之相關(guān)的代碼，只需要改動(dòng)模塊這個(gè)功能單元就可以實(shí)現(xiàn)了。這種程序設(shè)計(jì)方法就好比是PC機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，主板是所有硬件的平臺(tái)，通過(guò)主板總線完成各硬件間的消息、數(shù)據(jù)傳遞，進(jìn)行功能組合。若要升級(jí)計(jì)算機(jī)的性能，功能等，只需要升級(jí)個(gè)別部件，或插入特定功能的擴(kuò)展硬件就可以了。

1 模塊獨(dú)立性

模塊的獨(dú)立性越強(qiáng)，其靈活程度越低。也就是說(shuō)為了保證模塊的獨(dú)立性，必須不與其他模塊或類型產(chǎn)生依賴關(guān)系，函數(shù)的參數(shù)不能使用其他模塊中的定義類型。所以，使用通用性強(qiáng)的變量類型作為模塊的出入口參數(shù)能夠保證其較高的獨(dú)立性。但在以處理復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為核心功能的大型應(yīng)用程序（如地理信息系統(tǒng)、圖形處理系統(tǒng)等）中，每一個(gè)功能模塊都圍繞著復(fù)雜數(shù)據(jù)類型（空間數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)等）進(jìn)行設(shè)計(jì)。若將模塊中處理復(fù)雜數(shù)據(jù)類型的函數(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)為自定義的復(fù)雜數(shù)據(jù)類型，必然產(chǎn)生對(duì)此種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的依賴，模塊獨(dú)立性大幅下降。若將參數(shù)設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)單變量，則失去了定義這個(gè)復(fù)雜數(shù)據(jù)類型的初衷，可理解性變差，反而使程序開(kāi)發(fā)變得復(fù)雜。若將此數(shù)據(jù)類型作為公用類型，讓所有模塊都可訪問(wèn)，雖然既保證了函數(shù)參數(shù)的通用性，也方便了數(shù)據(jù)處理，但必然會(huì)受到這個(gè)公用數(shù)據(jù)類型的限制，這個(gè)數(shù)據(jù)類型的改動(dòng)將涉及所有模塊的代碼重寫，直接降低了程序的可擴(kuò)展性能。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化原則

該文探討一種模塊的優(yōu)化組合方法，在面對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的情況下，能夠提高模塊的獨(dú)立性。這種方法以總線式結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，利用Microsoft.NET Framework的反射機(jī)制作，管理模塊加載和配置，達(dá)到程序的深層次修改和模塊多維擴(kuò)展的目標(biāo)。此方法遵循的原則是：（1）靈活的模塊組合方式。模塊組合的方法操作簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)靈活，方式多樣，加載的方式必須一致。不僅要求模塊可替換、可擴(kuò)展，還能實(shí)現(xiàn)新老版本模塊的交替使用。（2）明確的模塊間相互依賴關(guān)系。所有模塊不能依賴于下層模塊里的類、屬性、字段、方法等，只能依賴上層模塊。所有模塊之間的關(guān)聯(lián)，必須是松耦合關(guān)聯(lián)，并且關(guān)聯(lián)方式必須通過(guò)頂層模塊調(diào)用。（3）簡(jiǎn)潔的接口設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)化總線和固定模塊的功能，減小接口的數(shù)量和規(guī)模，強(qiáng)化組件、工具的功能，工具的使用必須采用一致的接口調(diào)用。

3 程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)軟件的業(yè)務(wù)邏輯模型，將模塊各部件封裝成類，變?yōu)楠?dú)立的整體單元，自上而下的將模塊組合設(shè)計(jì)為層次結(jié)構(gòu)，可用樹(shù)形結(jié)構(gòu)描述。樹(shù)形結(jié)構(gòu)的根節(jié)點(diǎn)位置模塊，就是系統(tǒng)總線。總線并不負(fù)責(zé)所有子模塊的加載，子模塊的加載工作交給另一個(gè)中間件完成?？偩€只是一個(gè)容器，提供所有模塊的存儲(chǔ)空間和總線資源的引用方法。將總線也設(shè)計(jì)為模塊，若系統(tǒng)功能改變，總線也可以像其他子模塊一樣，進(jìn)行替換。模塊加載中間件邏輯上位于兩個(gè)模塊中間，實(shí)現(xiàn)宿主模塊和多個(gè)子模塊關(guān)聯(lián)。它為宿主模塊提供子模塊的加載方法，并規(guī)范子模塊，使之符合被載入條件。為了敘述方便，將這個(gè)中間件命名為ModuleLoader，它繼承于被命名為IBus的資源調(diào)用接口，讓被載入子模塊通過(guò)接口能夠向上搜索，找到樹(shù)形結(jié)構(gòu)的根節(jié)點(diǎn)—總線，子模塊通過(guò)總線調(diào)用其模塊的各種功能。ModuleLoader的核心部件是其內(nèi)部維護(hù)了一個(gè)可加載類型的配置列表，當(dāng)向模塊中插入下級(jí)模塊時(shí)，只需要向此表中添加一個(gè)類型，由ModuleLoader自動(dòng)完成對(duì)這個(gè)類型的所有繼承類型的掃描，并選擇符合條件的加載類型，進(jìn)行實(shí)例化。軟件框架搭建時(shí)，讓所有可擴(kuò)展的模塊基類都繼承于ModuleLoader類型，模塊的擴(kuò)展采用繼承的方法。這樣，所有的模塊都具備載入其它模塊和被載入的功能，并且載入的模塊可以被選擇和配置。開(kāi)發(fā)者可以實(shí)現(xiàn)任意兩個(gè)模塊之間的從屬結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)，從而構(gòu)成復(fù)雜的程序框架結(jié)構(gòu)。

4 ModuleLoader的設(shè)計(jì)

ModuleLoader的關(guān)鍵功能是實(shí)現(xiàn)模塊的動(dòng)態(tài)加載。其原理是它實(shí)現(xiàn)了對(duì)模塊子類的掃描功能，這種掃描功能利用了.NET Framework提供的反射機(jī)制（Reflection），該項(xiàng)可以在運(yùn)行時(shí)獲得.NET中每一個(gè)類型（包括類、結(jié)構(gòu)、委托、接口和枚舉等）的成員，包括方法、屬性、事件，以及構(gòu)造函數(shù)等。樹(shù)形結(jié)構(gòu)中的每個(gè)ModuleLoader中都內(nèi)含擴(kuò)展類型配置集，利用反射的功能，掃描配置集中類型的子類信息，檢查配置狀態(tài)，當(dāng)條件符合時(shí)，創(chuàng)建這個(gè)類型的實(shí)現(xiàn)，加入到實(shí)例列表中。當(dāng)需要擴(kuò)展一個(gè)模塊時(shí)，只需要修改其宿主模塊的配置集信息，ModuleLoader會(huì)自動(dòng)搜索到這個(gè)類，實(shí)例化該類型，替換原有模塊。ModuleLoader由兩部分組成：（1）配置工具部分包括：用于存儲(chǔ)所有的可擴(kuò)展類型和狀態(tài)的集合、用于獲取模塊子類信息的掃描工具、用于自動(dòng)創(chuàng)建配置集信息的構(gòu)造器和用于配置集信息設(shè)計(jì)和獲取的配置器。（2）實(shí)例化工具部分包括：用于保存所有子模塊實(shí)例的對(duì)象列表、用于根據(jù)配置集信息創(chuàng)建模塊實(shí)例的構(gòu)造工具、用于增加、刪除、替換模塊實(shí)例的管理工具和用于獲取用戶所需子模塊實(shí)例的對(duì)象提取工具。這兩大部分協(xié)同操作，使ModuleLoader不僅可以加載、管理不同類型的多種模塊，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊不同版本的交替使用，使程序框架中模塊的組合方式更加靈活。

5 命名空間的依賴性

為了提高模塊的獨(dú)立性，消除模塊間的病態(tài)關(guān)聯(lián)，必須明確規(guī)范模塊間的相互依賴關(guān)系。利用命名空間的可視范圍來(lái)限制模塊間相互依賴的規(guī)范方法是可取的。因?yàn)橄聦用臻g的對(duì)象可以訪問(wèn)上層命名空間的類型，而上層命名空間的對(duì)象是無(wú)法訪問(wèn)到下層以及同層其他命名空間的對(duì)象資源的。根據(jù)軟件結(jié)構(gòu)的邏輯關(guān)系，確定命名空間的層次，順序，范圍。當(dāng)結(jié)構(gòu)下層的模塊使用另一個(gè)命名空間的模塊時(shí)，必須通過(guò)ModuleLoader訪問(wèn)頂層的IBus接口調(diào)用其它模塊對(duì)象。并且規(guī)定不準(zhǔn)使用對(duì)下層或同層其他命名空間的直接引用。這樣的規(guī)范方法，能夠保證所有調(diào)用都通過(guò)頂層總線，避免了模塊之間的非邏輯性關(guān)聯(lián)，在一定程序上提高了模塊的獨(dú)立性。

6 接口設(shè)計(jì)

若說(shuō)命名空間為模塊之間的訪問(wèn)設(shè)置了阻礙，則接口設(shè)計(jì)就是在不可視的模塊之間搭建了相互使用的橋梁，讓其間產(chǎn)生了相互使用的可能。所以模塊的接口應(yīng)位于命名空間的較高層次，確保特定功能范圍內(nèi)的可視性。接口一旦定義，一般不輕易修改。因此，為通用性高的核心固定模塊設(shè)計(jì)接口，將使用率低，通用性不高的功能設(shè)計(jì)為工具，所有工具只設(shè)計(jì)一種接口的方法較為合理。工具集內(nèi)部也可以按功能設(shè)計(jì)為層次關(guān)系，并用動(dòng)態(tài)加載的方式進(jìn)行管理。但工具的使用必須采用統(tǒng)一的接口調(diào)用方法。這樣的設(shè)計(jì)能夠減少接口的數(shù)量，控制固定接口的規(guī)模，減少接口擴(kuò)展時(shí)的代碼編寫工作量，從而達(dá)到優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)的目的。

7 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)調(diào)用

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是決定模塊獨(dú)立性的重要關(guān)鍵問(wèn)題。在專業(yè)軟件中，多種基本數(shù)據(jù)類型聚合為復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型，這種復(fù)雜數(shù)據(jù)類型符合軟件業(yè)務(wù)功能的邏輯模型，能夠便于被各模塊分析、處理。但是數(shù)據(jù)類型一經(jīng)定義，很難擴(kuò)展。當(dāng)大量模塊都使用此種數(shù)據(jù)類型時(shí)，增加、改變其中的一個(gè)變量的名稱就可能涉及大量模塊的改動(dòng)。所以數(shù)據(jù)類型經(jīng)邏輯分析組裝好后，也可為其設(shè)計(jì)接口，模塊通過(guò)接口調(diào)用復(fù)雜數(shù)據(jù)類型的對(duì)象。只要接口不改變，即使數(shù)據(jù)類型變化，所有的模塊還能通接口調(diào)用的方式，對(duì)數(shù)據(jù)類型繼承訪問(wèn)。但使用這種方法時(shí)要注意兩個(gè)問(wèn)題：（1）若在子模塊中創(chuàng)建復(fù)雜數(shù)據(jù)類型的實(shí)例時(shí)，應(yīng)利用ModuleLoader提供的方法動(dòng)態(tài)創(chuàng)建數(shù)據(jù)類型的實(shí)例，并轉(zhuǎn)換為接口類型使用。（2）接口中可能會(huì)變化的屬性，最好使用泛型集合類型定義。模糊化了的屬性類型，能夠保證數(shù)據(jù)類型的擴(kuò)展，不會(huì)某些固定類型的限制，否則也不會(huì)達(dá)到數(shù)據(jù)類型可擴(kuò)展的目的。

8 效率分析

由于對(duì)象的多層次引用和動(dòng)態(tài)創(chuàng)建，配置集的頻繁搜索，大量的封箱、拆箱操作等，必然會(huì)犧牲軟件運(yùn)行的時(shí)間和空間效率。但用這種犧牲換取的是良好的模塊封閉性和結(jié)構(gòu)的緊湊性。而且，由于復(fù)雜的動(dòng)態(tài)管理功能被封裝在ModuleLoader里，所以在開(kāi)發(fā)、使用層次的實(shí)際操作變得十分簡(jiǎn)單，犧牲運(yùn)行效率的過(guò)程一般發(fā)生在初始化環(huán)境、事務(wù)高度和模塊運(yùn)行的起始環(huán)節(jié)，在飛速更新的計(jì)算機(jī)硬件上已經(jīng)顯得微不足道。實(shí)際上，工程師更關(guān)心軟件的結(jié)構(gòu)、擴(kuò)展性和局部操作性能（如空間數(shù)據(jù)的顯示、處理效率），只有對(duì)局部模塊內(nèi)部的功能不斷優(yōu)化、升級(jí)、擴(kuò)展，才能真正提高軟件的運(yùn)行效率，而這樣的優(yōu)化和升級(jí)必須建立在良好的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上的。

9 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)放的結(jié)構(gòu)、靈活的擴(kuò)展方式、彈性的組合方法讓軟件框架結(jié)構(gòu)的組織變得更加清晰、緊湊，延長(zhǎng)了軟件的生命周期。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)讓程序開(kāi)發(fā)工作能夠產(chǎn)生良性的優(yōu)化機(jī)制，讓開(kāi)發(fā)者能夠始終站在巨人的肩膀上，精益求精，不斷創(chuàng)造奇跡，讓工程師有精力將注意力由開(kāi)發(fā)技術(shù)研究轉(zhuǎn)化為開(kāi)發(fā)工藝研究。云計(jì)算的時(shí)代即將到來(lái)，優(yōu)化模塊結(jié)構(gòu)不僅適用于桌面應(yīng)用程序，也適用于云端服務(wù)單元的創(chuàng)建，在“軟件—服務(wù)”這一思潮涌來(lái)之時(shí)也將大有作為。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬蕾.基于改進(jìn)身份認(rèn)證協(xié)議的單點(diǎn)登錄系統(tǒng)研究[J].微電子學(xué)馬計(jì)算機(jī)，2010，29（7）：180-183.