使用元數(shù)據(jù)和反射的Web服務(wù)系統(tǒng)重配置設(shè)計與實現(xiàn)

孫承愛+杜巧林+于璇璇

摘 要：軟件系統(tǒng)需要不斷演化以適應(yīng)外界需求或環(huán)境的變化，如何實現(xiàn)軟件演化是軟件工程研究領(lǐng)域的一個熱點問題。提出一種基于元數(shù)據(jù)和反射的軟件動態(tài)重配置方法，利用存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的元數(shù)據(jù)描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，采用存儲過程表示系統(tǒng)的行為，并建立存儲過程和功能的對應(yīng)關(guān)系。使用元對象操作類實現(xiàn)元層和基層對象的反射關(guān)系，當(dāng)軟件的功能或顯示界面發(fā)生變化時，通過配置元數(shù)據(jù)和存儲過程，在運行時動態(tài)改變基層程序結(jié)構(gòu)或功能，實現(xiàn)了軟件的演化，并通過實例證明了該方法的可行性。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：需求變化；元數(shù)據(jù)；反射；重配置

DOIDOI：10.11907/rjdk.161650

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2016）008-0049-04

0 引言

隨著用戶需求的改變和軟件運行環(huán)境的變化，軟件系統(tǒng)需要不斷演化以適應(yīng)這種新的變化，如何實現(xiàn)軟件演化是軟件工程研究領(lǐng)域的一個熱點問題[1，2]。軟件工程從許多方面，例如OOP、OOA/OOD、各種軟件過程（RUP、XP）和方法等對此進(jìn)行了研究。這些技術(shù)運用得當(dāng)可以構(gòu)建出可用、可靠、穩(wěn)定的系統(tǒng)。但是，當(dāng)需求發(fā)生變化時，現(xiàn)代軟件存在著如下不足：傳統(tǒng)軟件主要采取了“黑箱”的實現(xiàn)機(jī)制，即對外部應(yīng)用屏蔽了內(nèi)部具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)，這種機(jī)制使得外部應(yīng)用無法獲取系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和狀態(tài)行為，從而無法根據(jù)相關(guān)需求來動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)應(yīng)用級的結(jié)構(gòu)行為，這樣使得相關(guān)應(yīng)用缺乏對變化環(huán)境的適應(yīng)性[3-5]。

要解決上述問題，軟件系統(tǒng)應(yīng)具有如下特點：系統(tǒng)應(yīng)具有較為開放的結(jié)構(gòu)，使得外界能獲悉系統(tǒng)內(nèi)部相關(guān)成分，從而能根據(jù)外部環(huán)境變化對系統(tǒng)相應(yīng)部分的結(jié)構(gòu)行為作一定調(diào)整與改變；系統(tǒng)應(yīng)具有動態(tài)重配置的能力，即能在運行過程中進(jìn)行動態(tài)調(diào)整、定制和改變自身相關(guān)的結(jié)構(gòu)行為，且不影響系統(tǒng)整體的運行[4]。

本文將元數(shù)據(jù)和反射引入基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的Web系統(tǒng)設(shè)計中，通過對系統(tǒng)業(yè)務(wù)信息的具體化（reification），使得外部能獲取系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)、行為的自描述（self-representation）元數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的開放；系統(tǒng)的自描述與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)行為是因果相連（causally connected）的，通過對元數(shù)據(jù)的調(diào)整與改變，可實現(xiàn)對系統(tǒng)特定部分和功能的反射，使得系統(tǒng)具有動態(tài)重配置的能力[6]。

1 相關(guān)研究

20世紀(jì)80年代后期，隨著對反射式程序設(shè)計語言、反射式操作系統(tǒng)研究的深入，對反射系統(tǒng)也形成了一個較為一致的認(rèn)識：反射系統(tǒng)可被認(rèn)為是一種可通過因果相連的方式來反演自身的計算系統(tǒng)，反射則是反射系統(tǒng)的行為表示[7，8]。反射系統(tǒng)可以形式化地表示成二元組S=〈PL，TL〉，其中S為計算系統(tǒng)，L為系統(tǒng)S用以表示問題域所用的語言，PL為語言L的處理器，TL為PL的狀態(tài)，RS為S在TL中基于L語言的表示，S與RS的關(guān)系為：S包含RS，且S和RS之間是因果相連的[9]。

在反射系統(tǒng)實現(xiàn)中，一般采用“關(guān)注分離”的原則，即系統(tǒng)分為基層（Base Level）和元層（Meta Level）?；鶎佑糜趯唧w問題域的抽象，元層則是對基層及系統(tǒng)內(nèi)部的表示。元對象封裝基層對象的元數(shù)據(jù)，描述基層對象的結(jié)構(gòu)和行為，并動態(tài)地管理基層對象。反射是指通過獲取元數(shù)據(jù)來觀察和調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)部及基層相關(guān)部分結(jié)構(gòu)行為的過程。

在利用元數(shù)據(jù)和反射技術(shù)實現(xiàn)軟件系統(tǒng)的研究中，文獻(xiàn)[10]介紹了在面向?qū)ο缶幊陶Z言中使用反射和元編程需要遵循的3個重要原則。給出了使用元數(shù)據(jù)和反射的基本原理和設(shè)計規(guī)則，文獻(xiàn)[11]通過使用基于XML描述的元數(shù)據(jù)和某些語言的自省機(jī)制來連接構(gòu)件和基本框架，目的是構(gòu)建可擴(kuò)展的系統(tǒng)，其元數(shù)據(jù)描述重點在系統(tǒng)功能，實現(xiàn)功能的靈活擴(kuò)展。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于構(gòu)件的系統(tǒng)運行時變化和恢復(fù)的軟件架構(gòu)。通過完整描述系統(tǒng)運行時的狀態(tài)和行為，使用構(gòu)件框架的反射能力實現(xiàn)系統(tǒng)的運行時恢復(fù)。本文使用元數(shù)據(jù)描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)信息，利用存儲過程來表達(dá)系統(tǒng)行為。元數(shù)據(jù)存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，存儲過程作為一個命名的獨立模塊可以被動態(tài)配置和調(diào)用。元數(shù)據(jù)和存儲過程可以通過一個單獨的配置系統(tǒng)動態(tài)管理，通過運行時反射機(jī)制實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)重配置。與文獻(xiàn)[10]相比，本文方法不僅能實現(xiàn)功能擴(kuò)展，還能管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；與文獻(xiàn)[11]相比，本文側(cè)重點在于系統(tǒng)的動態(tài)重配置。

2 基于元數(shù)據(jù)和反射的動態(tài)重配置

基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的Web系統(tǒng)是本文動態(tài)重配置方法研究的對象。很多關(guān)系數(shù)據(jù)庫中都提供命名的批處理代碼段，例如SQL Server數(shù)據(jù)庫中的存儲過程（Stored Procedure）、Oracle中的過程（Procedure）。這種命名的批處理代碼段編寫完成以后注冊到服務(wù)器，通過名字可以反復(fù)調(diào)用多次，而且每個代碼段可以有上百條SQL代碼，這上百條代碼在調(diào)用時只需要一條執(zhí)行語句即可，不需要向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送上百條代碼，能有效降低系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)開銷。批處理代碼段可以包含若干代碼，因此可以把系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯封裝其中，使用時按名稱調(diào)用即可。本文設(shè)計方法基于SQL Server數(shù)據(jù)庫，把系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯封裝到存儲過程中。

當(dāng)需求變化時，用戶可以通過配置元數(shù)據(jù)和存儲過程，動態(tài)修改基層對象，實現(xiàn)軟件運行時動態(tài)重配置。

本文方法使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫存放元數(shù)據(jù)，所以要考慮元數(shù)據(jù)的完整性約束處理。

2.1 元層設(shè)計

2.1.1 元對象

元對象主要包括：數(shù)據(jù)表對象、視圖對象、數(shù)據(jù)集對象、字段對象。具體如下：

（1）數(shù)據(jù)表對象描述關(guān)系數(shù)據(jù)庫表，其定義包含名稱、類別（所屬的業(yè)務(wù)領(lǐng)域）。

（2）字段對象描述字段的詳細(xì)信息和該字段基層的結(jié)構(gòu)信息，例如基層程序的顯示名稱、顯示長度、使用控件類型等。其定義主要包括字段名稱、所屬表、字段中文名稱、約束類型、字段長度、顯示次序、顯示控件、計算方式、最小值、最大值。字段屬于基本表，所以在圖1中，表與字段關(guān)系為組合關(guān)系，并且每個數(shù)據(jù)表至少有1個字段。

（3）視圖對象描述關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的視圖。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，視圖的字段分成兩類：一類是構(gòu)成視圖的基表字段，另一類是由基表字段推導(dǎo)出的附加字段。因此視圖對象在圖1的設(shè)計中涉及到3個類：視圖類、視圖父表字段類、視圖附加字段類。每個視圖至少包括1個父表字段，有0到多個附加字段，其關(guān)系如圖1所示。視圖對象定義主要包括視圖名稱、視圖中文名稱、視圖所屬業(yè)務(wù)領(lǐng)域；視圖附加字段定義包括字段名稱，顯示順序、中文標(biāo)題、類型；父表視圖字段定義包括父表名稱、字段名稱、顯示順序。

（4）數(shù)據(jù)集對象是一種特殊的元對象。它和數(shù)據(jù)庫中的存儲過程一一對應(yīng)，系統(tǒng)通過存儲過程封裝業(yè)務(wù)邏輯。例如在界面中顯示個人所得稅頁面時，個人所得稅的計算方法就可以通過存儲過程存放到數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)計算方法改變時，只需要修改存儲過程即可實現(xiàn)業(yè)務(wù)規(guī)則修改。每個返回結(jié)果集存儲過程包含的字段分為兩類：一類是來自于基本表的字段，另一類為由基本表推導(dǎo)得到的字段。這兩類字段分別用數(shù)據(jù)集附加字段和父表數(shù)據(jù)集字段表示。其中父表數(shù)據(jù)集字段的字段定義來自于父表定義。數(shù)據(jù)集對象在圖1中主要包括3個類：數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)集附加字段、父表數(shù)據(jù)集字段。數(shù)據(jù)集定義包括：數(shù)據(jù)集名稱、數(shù)據(jù)集中文名稱、數(shù)據(jù)集分類（所屬業(yè)務(wù)領(lǐng)域）；數(shù)據(jù)集附加字段定義包括：字段名稱、中文名稱、顯示順序、類型；數(shù)據(jù)集父表字段定義包括：字段名稱和顯示順序。

2.1.2 三種元對象操作類和數(shù)據(jù)獲取方法

對基層對象和元對象的操縱控制，主要是由反射模式的內(nèi)省和調(diào)節(jié)功能來保證[6]。本文對表和視圖的管理通過類TableDescription完成；字段管理通過類FieldDescription和類FieldDescriptionList來處理；數(shù)據(jù)集的管理通過類DatasetDescription來處理。其主要屬性和方法如圖2～圖5所示。

為了更簡明清楚定義操作過程，作如下規(guī)定：①對象T屬于TableDescription；②對象F屬于FieldDescription；③對象V屬于TableDescription；④對象D屬于DatasetDescription；⑤對象FL屬于FieldDescriptionList。

（1） 過程1：根據(jù)表名或視圖名取得數(shù)據(jù)。

①將表名或視圖名傳遞給T.TableName，取得表描述信息；

②使用FL.GetFieldList（表名稱），取得字段列表；

③foreach（F in FL.GetFieldList（表名稱））

組合F成物理字段列表；

轉(zhuǎn)到字段處理子程序；

④檢索出業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并綁定到頁面對象。

（2）過程2：字段處理子程序。

①if 字段為自增（F.IsIdentity） then

字段設(shè)置為只讀；

②if 字段有外鍵引用（F.FkField ！= null）then

將本字段呈現(xiàn)為外鍵關(guān)聯(lián)出的值（例如主表中性別編碼，在基層將呈現(xiàn)為外鍵表中數(shù)據(jù)男或者女）；

③if 字段允許為空（F.IsNull==true）then

對字段不作非空驗證；

④if 字段有最大或最小值（F.Min ！= null or F.Max ！= null） then 對字段作范圍驗證；

⑤轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)完整性處理。

（3）過程3：根據(jù)存儲過程名稱和參數(shù)取得數(shù)據(jù)的過程。

①將存儲過程名和存儲過程參數(shù)傳遞給D.ProName和D.ProParams，取得數(shù)據(jù)集描述信息；

②使用FL.GetFieldList（存儲過程名稱），取得字段列表；

③foreach（F in FL.GetFieldList（存儲過程名稱））

組合F成物理字段列表；

轉(zhuǎn)到字段處理子程序；

④檢索出業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并綁定到頁面對象。

字段元數(shù)據(jù)存放在關(guān)系數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，須考慮數(shù)據(jù)實體完整性和參照完整性。對于實體完整性，主要考慮主鍵約束；參照完整性在本文中分成3類：標(biāo)識關(guān)系、非標(biāo)識強(qiáng)制關(guān)系、非標(biāo)識非強(qiáng)制關(guān)系。

（4） 過程4：完整性控制。

①if F.ConstraintsType ==主鍵 then

加入基層類主鍵列表 （加入主鍵列表后，基層類在數(shù)據(jù)更新、刪除等操作的過程中，會按照主鍵列表構(gòu)造where字句進(jìn)行更新、刪除操作） ；

② if F.ConstraintsType ==標(biāo)識約束 then

Case 增加 then 基層對象檢測字段非空和外鍵約束；

Case 修改 then 基層對象檢測字段非空和外鍵約束；

Case 刪除 then 基層對象直接刪除記錄。

③if F.ConstraintsType ==非標(biāo)識強(qiáng)制約束 then

Case 增加 then 基層對象檢測字段非空和外鍵約束；

Case 修改 then 基層對象檢測字段非空和外鍵約束；

Case 刪除 then 基層對象直接刪除記錄。

④if F.ConstraintsType ==非標(biāo)識非強(qiáng)制約束 then

Case 增加 then 基層對象檢測外鍵約束；

Case 修改 then 基層對象檢測外鍵約束；

Case 刪除 then 基層對象直接刪除記錄。

2.2 軟件運行和重配置過程

軟件運行和軟件動態(tài)配置過程如圖6所示。配置好元數(shù)據(jù)后，軟件會按照用戶需求顯示和按業(yè)務(wù)規(guī)則運行（圖中步驟1）?；鶎涌丶邮苡脩舨僮饕蟛研枨缶唧w化為對應(yīng)的元數(shù)據(jù)提交給元對象（圖中步驟2、3），元對象操作元數(shù)據(jù)并接收操作返回的信息（圖中步驟4、5）。元對象會將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)按照規(guī)則組織業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)反饋給基層對象（圖中步驟6），基層對象把信息反饋給用戶（圖中步驟7、8），這是一次完整的交互。當(dāng)需求發(fā)生變化時，如果用戶期望軟件適應(yīng)新需求，則可以打開元數(shù)據(jù)配置頁面（圖中步驟9），執(zhí)行元數(shù)據(jù)配置操作，通過該操作修改元數(shù)據(jù)信息（圖中步驟10、11、12）。當(dāng)用戶修改元數(shù)據(jù)后，重新進(jìn)入功能界面就可以使用演化后符合新需求的系統(tǒng)（圖中步驟13）。

3 運行時反射過程與實例

圖7為一個運行時反射實例，其開發(fā)環(huán)境為VS2005和Sqlserver2005。兩條虛線之間為元數(shù)據(jù)操作，虛線之外為基層界面。

在軟件的基層界面中第一列名稱顯示為“教師名稱”，根據(jù)前文過程1，顯示其過程為：

①將表名“ Teacher”傳遞給T.TableName，取得表描述信息；

②使用FL.GetFieldList（“ Teacher”），取得字段列表；

③foreach（F in FL.GetFieldList（“ Teacher”））

組合F成物理字段列表；此時F中教師名稱的物理字段為“tchrName”，即F.FieldName=“tchrName”），F(xiàn).FieldCTitle為“教師名稱”。

轉(zhuǎn)過程2：對于F.FieldName=“tchrName”，為普通字段，因此自增、外鍵、非空、范圍、數(shù)據(jù)完整性約束等驗證都為false。

④檢索出業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并綁定到頁面對象。

在運行過程中用戶可以在3.2節(jié)第2步的元數(shù)據(jù)配置頁面修改該列的元數(shù)據(jù)，例如修改成圖中的“教師姓名”，按照上文所述的反射流程，修改元數(shù)據(jù)后，對應(yīng)的基層對象的軟件界面也會隨之變化，如圖3中第3步所示結(jié)果。

4 結(jié)語

本文提出了基于元數(shù)據(jù)和反射的Web系統(tǒng)重配置設(shè)計方法，詳細(xì)描述了元對象的結(jié)構(gòu)和操作元對象的方法，介紹了應(yīng)對需求變化的動態(tài)重配置過程，并給出了一個簡單示例。本文使用的方法能夠部分解決需求變化的問題，但是本方法只適用于基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的Web程序，其適用范圍的局限性限制了應(yīng)用價值，下一步應(yīng)將其擴(kuò)展到互聯(lián)網(wǎng)軟件上。例如，當(dāng)利用Web服務(wù)作為構(gòu)成系統(tǒng)的功能單元時，如何描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，采用什么方式描述系統(tǒng)行為，從而使系統(tǒng)具有動態(tài)演化的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]TOM MENS，JEFF MAGEE，BERNHARD RUMPE.Evolving software architecture descriptions of critical systems[J]. IEEE Computer， 2010，43（5）：42-48.

[2]WANG YING，WANG LIFU.Research about model and ripple effect analysis of software architecture evolution[J].Acta Electronica Sinica，2005，33（8）：1381-1386.

[3]HU HAI-YANG，MA XIAO-XING，TAO XIAN-PING，et al.Research and advance of reflective middleware[J].Chinese Journal of Computers， 2005，28（9）：91-96.

[4]COULSON G，BLAIR G S，CLARKE M，et al.The design of a highly configurable and reconfigurable middleware platform[J].Journal of ACM Distributed Computing， 2002， 1（2）： 109-126.

[5]SCHMIDT DC，CLEELAND C.Applying a pattern language develop extensible ORB middleware[M]. New York： Cambridge University Press，2001：393-438.

[6]National Information Standards Organization.Understanding metadata[EB/OL]. http：//www. niso. org/publications/press/ Underst -andingMetadata.pdf.

[7]YASUHIKO Y.The apertos reflective operating system：the concept and its implementation[C]. Proceedings of the ACMOOPSLA'92，1992：414-434.

[8]PATTIE M.Concepts and experiments in computational reflection[J].ACM SIGPLAN Notices， 1987， 22（12）： 147-155.

[9]HIDEAKI O.A study on multi-model reflection framework in distributed environments[D]. Department of Computer Science， Keio University， 1995.

[10]GILAD BRACHA， DAVID UNGAR.Mirrors：design principles for meta-level facilities of object-oriented programming languages[C]. In： Proceedings of the OOPSLA'04， Vancouver， British Columbia， Canada， 2004，331-344.

[11]OU JIN-LIANG，JIN MAO-ZHONG.A method of metadata modeling to construct extensible and flexible system[J]. Journal of Computer Science，2005，32（7：）214-217.

[12]GANG HUANG，HONG MEI，F(xiàn)U-QINGYANG.Runtime recovery and manipulation of software architecture of component-based systems[J].Automatic Software Engineering，2006（13）： 257-281.

（責(zé)任編輯：陳福時）