基于設(shè)計(jì)層次優(yōu)化的軟件自動(dòng)化重構(gòu)思考

張紅華

摘要：既有軟件重構(gòu)工具大多數(shù)旨在解決局部設(shè)計(jì)或編碼問(wèn)題，并未涉獵設(shè)計(jì)層面。而以搜索為基礎(chǔ)的重構(gòu)方法雖然把改善代碼度量指標(biāo)作為重構(gòu)目標(biāo)，但是，卻不是針對(duì)軟件的層次化設(shè)計(jì)。對(duì)此，本文提出了一種全新的基于搜索的軟件自動(dòng)化重構(gòu)方法，其通過(guò)利用以設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣為載體的軟件模塊層次化度量方法，可以自動(dòng)生成能夠獲取最優(yōu)軟件模塊化設(shè)計(jì)的重構(gòu)相關(guān)策略。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)層次優(yōu)化；軟件重構(gòu)；自動(dòng)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）30-0276-02

1 軟件自動(dòng)化重構(gòu)的意義

1.1 持續(xù)糾偏和改進(jìn)軟件設(shè)計(jì)

重構(gòu)與設(shè)計(jì)之間是相互輔助的關(guān)系，兩者之間是互補(bǔ)的。即使已經(jīng)重構(gòu)，也依舊需要進(jìn)行預(yù)先設(shè)計(jì)，但是不需要是最優(yōu)化設(shè)計(jì)，只需要制定可行的、合理的解決方案即可。而不進(jìn)行重構(gòu)，那么程序設(shè)計(jì)就會(huì)發(fā)生質(zhì)變，導(dǎo)致無(wú)法控制。重構(gòu)實(shí)際上就是進(jìn)行代碼整理，讓帶有發(fā)散傾向的代碼及時(shí)回歸到本位狀態(tài)。軟件的生命周期一般都需要大量的程序員進(jìn)行維護(hù)工作，這就會(huì)導(dǎo)致后續(xù)被人為忽視。而為了保證代碼容易理解，需要在實(shí)現(xiàn)軟件功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)行一系列相關(guān)工作，即清晰的排版布局，簡(jiǎn)要的注解，有效的命名。而命名是其中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)此，可以采取暗喻命名的方法，也就是以對(duì)象實(shí)現(xiàn)的功能依據(jù)，使用形象化或者擬人手法進(jìn)行命名。

1.2 有助于發(fā)現(xiàn)隱藏的代碼缺陷

在進(jìn)行代碼重構(gòu)的時(shí)候，需要對(duì)既有代碼有深刻的了解。避免在寫(xiě)下程序之后，依舊對(duì)自己的程序邏輯缺乏理解。對(duì)此，一般可以進(jìn)行代碼重構(gòu)，以此深化對(duì)既有設(shè)計(jì)的深刻了解，一旦發(fā)現(xiàn)其中存在的隱患，及時(shí)采取措施，構(gòu)建更加優(yōu)質(zhì)代碼。

1.3 有利于進(jìn)一步提高編程效率

在發(fā)現(xiàn)解決問(wèn)題是一件非常復(fù)雜的事情時(shí)，一般并非是問(wèn)題自身所導(dǎo)致的，而是所選擇的方法不正確，太過(guò)繁雜的設(shè)計(jì)會(huì)直接造成編碼惡性重復(fù)。對(duì)此，有效改善設(shè)計(jì)，提高可讀性，減緩缺陷是非常有必要的。較好的設(shè)計(jì)是成功的重要基礎(chǔ)，雖然進(jìn)行重構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致速度有所下降，但是，其后續(xù)優(yōu)勢(shì)才是最關(guān)鍵的。

2 基于搜索的軟件自動(dòng)化重構(gòu)

基于搜索的軟件自動(dòng)化重構(gòu)是一種軟件自動(dòng)化重構(gòu)研究中的普遍思想，其將軟件重構(gòu)抽象化，促使其成為屬性、方法、類(lèi)三者之間的組合優(yōu)化，并通過(guò)搜索算法進(jìn)行求解。Cinnéide通過(guò)利用基于搜索的軟件自動(dòng)化重構(gòu)方法，實(shí)現(xiàn)了重構(gòu)工具Code-Imp，其能夠重構(gòu)軟件的設(shè)計(jì)層面，實(shí)現(xiàn)屬性、方法、類(lèi)之間的多種重構(gòu)方式，即添加、取消或者代替繼承關(guān)系。同時(shí)，此工具利用爬山、模擬退火、遺傳等算法做了進(jìn)一步的優(yōu)化搜索。Cinnéide工作不僅有效實(shí)踐了基于搜索的軟件自動(dòng)化重構(gòu)，還對(duì)軟件度量值間的彼此聯(lián)系做了詳細(xì)的對(duì)比分析。通過(guò)采取部分度量值進(jìn)行研究，對(duì)比重構(gòu)時(shí)度量值的變化，并對(duì)度量值間的關(guān)系與差異進(jìn)行了考察。但是，Cinnéide并未深入探究軟件模塊層次化的度量。對(duì)此，本文應(yīng)側(cè)重于對(duì)具備較好模塊層次化結(jié)構(gòu)的代碼進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3 基于設(shè)計(jì)層次優(yōu)化的軟件自動(dòng)化重構(gòu)的基本思想

DSM Re factoring主要是利用改變代碼間的依賴關(guān)系，改善軟件層次化結(jié)構(gòu)，即輸入某項(xiàng)目源代碼，輸出代碼重構(gòu)建議。通過(guò)源代碼間的依賴關(guān)系，獲得程序元素間的依賴關(guān)系。通過(guò)調(diào)整類(lèi)和成員間的映射關(guān)系，提高源代碼的模塊化程度。利用遺傳算法和DSM矩陣下的模塊層次化度量法，計(jì)算類(lèi)成員對(duì)類(lèi)的最優(yōu)映射關(guān)系。對(duì)既有類(lèi)成員與類(lèi)的映射關(guān)系，和遺傳算法計(jì)算的最優(yōu)類(lèi)成員與類(lèi)的映射關(guān)系進(jìn)行對(duì)比分析，以此生成重構(gòu)建議。把Java類(lèi)間的依賴關(guān)系作為軟件模塊化和層次結(jié)構(gòu)的重要根據(jù)，其主要是通過(guò)類(lèi)屬性與方法的相互依賴所產(chǎn)生，所以，可以適當(dāng)改變類(lèi)成員和類(lèi)的映射關(guān)系，以此改變Java類(lèi)間的依賴關(guān)系，進(jìn)而改變項(xiàng)目層次結(jié)構(gòu)。

4 基于設(shè)計(jì)層次優(yōu)化的軟件自動(dòng)化重構(gòu)算法過(guò)程

基于基本思想，利用遺傳算法改變類(lèi)成員與類(lèi)間的映射關(guān)系，計(jì)算并對(duì)比軟件結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的模塊層次化度量值，以此優(yōu)化軟件結(jié)構(gòu)。重構(gòu)遺傳算法的搜索空間是類(lèi)成員和類(lèi)間映射的所有可能方式，軟件模塊層次化信息利用DSM進(jìn)行描述，通過(guò)值L進(jìn)行度量。

4.1 目標(biāo)函數(shù)

4.1.1 度量

目標(biāo)函數(shù)主要是以DSM模型與DRH理論為基礎(chǔ)的，給定類(lèi)成員與類(lèi)的映射關(guān)系為個(gè)體，通過(guò)類(lèi)成員的依賴關(guān)系，獲得其在類(lèi)間的依賴關(guān)系。利用DSM，行與列代表的設(shè)計(jì)變量都是Java類(lèi)，變量間的依賴關(guān)系就是Java類(lèi)間的依賴關(guān)系，主要是通過(guò)類(lèi)的屬性與方法間的調(diào)用關(guān)系進(jìn)一步?jīng)Q定。每個(gè)Java類(lèi)與其自身的依賴關(guān)系不需考慮，就DRH理論為基礎(chǔ)，DSM的行與列可以重新排序，以此展示層次化結(jié)構(gòu)，其中上下層之間是依賴關(guān)系。而軟件層次結(jié)構(gòu)的好壞是由度量值L決定的，DSM的L值是通過(guò)公式加以定義：

L=4×l2-4×n-m

其中，l代表行數(shù)，即Java類(lèi)個(gè)數(shù)，n代表右上角1的數(shù)量，m代表左下角與層次化約束不相符的1的數(shù)量。在確定Java類(lèi)個(gè)數(shù)的前提下，L值越大，表示軟件層次化結(jié)構(gòu)越好。

1）反向依賴

4×n主要針對(duì)DRJ的首個(gè)特征，DSM沿對(duì)角線形成的右上角為空。在DSM中，模塊依賴是偏序的，所以，右上角出現(xiàn)依賴關(guān)系，代表著軟件出現(xiàn)了反向依賴模塊，不符合軟件層次化要求，會(huì)造成L有所下降。因?yàn)镈RH的偏序要求非常有必要，違反此要求的軟件層次化結(jié)構(gòu)很容易被腐化，因此，可以對(duì)此依賴關(guān)系應(yīng)賦予更高的權(quán)重，其會(huì)對(duì)L值造成直接性影響。

2）跨層依賴

m針對(duì)的是另一層次化約束，其是針對(duì)DRH另一特征的，也就是在設(shè)計(jì)時(shí)，n層單純依賴于1到n-1層。模塊進(jìn)行層次劃分，依賴關(guān)系則只存在于相鄰層次之間。在具備較好層次結(jié)構(gòu)的軟件設(shè)計(jì)劃分成若干層次后，設(shè)計(jì)的n層只能單純依賴于n-1層。

4.1.2 DSM矩陣L值計(jì)算

利用迭代方式計(jì)算代碼結(jié)構(gòu)DSM的度量值，首先聚類(lèi)DSM的設(shè)計(jì)變量，將相互依賴的變量劃分成同一模塊。其次對(duì)模塊進(jìn)行層次劃分，將相鄰的獨(dú)立模塊劃分到同一層次，并計(jì)算度量值，在此計(jì)算中，采取的方式是對(duì)所有可能的模塊排列順序進(jìn)行一次性層次劃分，并對(duì)度量值進(jìn)行計(jì)算，以此保證度量值的精確性。作為DSM最終的度量值，最大值和設(shè)計(jì)變量的排列順序都需要詳細(xì)記錄，而且度量值處于最大時(shí)，重構(gòu)算法則直接結(jié)束。在聚類(lèi)后，需要根據(jù)模塊排列順序?qū)Υ诉M(jìn)行層次劃分，連續(xù)的兩兩獨(dú)立模塊都?xì)w屬于相同層次。在計(jì)算度量值的時(shí)候，實(shí)際算法利用的DSM的每行所代表的都是劃分后的層次。每個(gè)層次都利用大括號(hào)表示，而數(shù)字則代表層次中涵蓋的Java類(lèi)文件，數(shù)字表示一層次中依賴于另一次層次的Java類(lèi)文件數(shù)量。

4.2 選擇算子

在遺傳算法中，選擇算子主要是為了從同代個(gè)體中選擇合適的個(gè)體產(chǎn)生下代，目標(biāo)是將優(yōu)勝個(gè)體遺傳到下代，或者讓優(yōu)勝個(gè)體利用產(chǎn)生后代的方法遺傳。選擇算子就是為了從同代軟件結(jié)構(gòu)中，選擇對(duì)應(yīng)的最大度量值產(chǎn)生下代。在DSM Re factoring中，選擇算子是最基礎(chǔ)的比例選擇算子，同代個(gè)體被選中的概率與所對(duì)應(yīng)的度量值的比例，L值越大，被選中的概率越大。

4.3 交叉算子

交叉算子在遺傳算法中的作用，就是提高算法的搜索水平與能力。通過(guò)重組選擇算子的兩個(gè)父代個(gè)體部分結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生下代新個(gè)體。交叉算子的作用主要就是交叉重組選擇算子的父代軟件結(jié)構(gòu)，以生成新軟件結(jié)構(gòu)，在空間內(nèi)搜索最優(yōu)解。DSM Re factoring利用均勻交叉法，其實(shí)踐概率為0.5，就此可知，在兩個(gè)父代個(gè)體產(chǎn)生的下代個(gè)體軟件結(jié)構(gòu)內(nèi)部，來(lái)自父代個(gè)體的軟件結(jié)構(gòu)各占50%。兩個(gè)父代個(gè)體代表兩種軟件結(jié)構(gòu)，分別以類(lèi)成員列表加以表示，其中每個(gè)成員都詳細(xì)記錄了所在的Java類(lèi)，在執(zhí)行交叉前，克隆父代個(gè)體，并對(duì)其列表中的相關(guān)成員進(jìn)行操作，其一，對(duì)兩個(gè)克隆個(gè)體的成員所在類(lèi)的一致性進(jìn)行比較分析，如果一致，則結(jié)束操作；其二，在兩個(gè)克隆個(gè)體中，成員所在類(lèi)不一致，隨機(jī)生產(chǎn)布爾值，值如果是真實(shí)的，則把克隆個(gè)體的成員所在Java類(lèi)進(jìn)行調(diào)換，相反則結(jié)束操作。據(jù)此，兩個(gè)克隆個(gè)體轉(zhuǎn)換成了新個(gè)體，經(jīng)過(guò)變異算子操作之后，則會(huì)成為下代個(gè)體。

4.4 變異算子

變異算子主要是通過(guò)改動(dòng)個(gè)體結(jié)構(gòu)，提高遺傳算法種群的多元性，從而防止出現(xiàn)遺傳算法朝向局部最優(yōu)解靠攏的現(xiàn)象。交叉算子的作用是改變需變異軟件結(jié)構(gòu)的部分結(jié)構(gòu)，以此產(chǎn)生新的軟件結(jié)構(gòu)。DSM Re factoring中所使用的變異算子設(shè)計(jì)流程為：依據(jù)變異概率判斷個(gè)體變異的必要性，從個(gè)體類(lèi)成員列表中，隨機(jī)選擇屬性或方法，將其依據(jù)既定概率移動(dòng)到另一類(lèi)中去。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，目前我國(guó)在軟件自動(dòng)化重構(gòu)方面的研究各式各樣，但是既有重構(gòu)工具大多注重局部代碼重構(gòu)，或者度量值重構(gòu)，幾乎不會(huì)對(duì)提升代碼模塊化質(zhì)量的全方位重構(gòu)進(jìn)行考慮。因此，本文實(shí)現(xiàn)了基于設(shè)計(jì)層次優(yōu)化的軟件自動(dòng)化重構(gòu)，此方法是以遺傳算法和DSM矩陣度量作為基礎(chǔ)，對(duì)類(lèi)成員與類(lèi)的映射關(guān)系進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，并提出相關(guān)重構(gòu)建議，其具有明顯的優(yōu)勢(shì)，值得大力推廣與應(yīng)用。

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【通聯(lián)編輯：張薇】