基于需求依賴關(guān)系識(shí)別橫切關(guān)注點(diǎn)

溫趙欣 關(guān)慧 賈成真

摘要

在面向方面需求工程中，橫切關(guān)注點(diǎn)是一類需要單獨(dú)識(shí)別的特殊關(guān)注點(diǎn)，因?yàn)樗哂薪豢椇头稚⒌奶匦?。本文提出了一種基于需求依賴關(guān)系來識(shí)別橫切關(guān)注點(diǎn)的方法。首先定義了需求依賴關(guān)系，并提出了一種新的需求依賴關(guān)系分類方法;其次基于定義的需求依賴關(guān)系及分類，分析需求和關(guān)注點(diǎn)之間的依賴關(guān)系并建立依賴關(guān)系矩陣;最后通過橫切關(guān)注點(diǎn)的交織和分散特性以及對(duì)得出的依賴關(guān)系矩陣進(jìn)行運(yùn)算，得出識(shí)別出的橫切關(guān)注點(diǎn)。本文最后通過實(shí)際案例的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了此方法識(shí)別橫切關(guān)注點(diǎn)的可行性和有效性。

【關(guān)鍵詞】橫切關(guān)注點(diǎn) 需求依賴關(guān)系 面向方面 需求工程 分散 交織

面向方面軟件開發(fā)（AOSD）已經(jīng)成為解決復(fù)雜軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)的一個(gè)強(qiáng)有力的選擇。然而，由于現(xiàn)代軟件系統(tǒng)的復(fù)雜性，關(guān)注點(diǎn)的分離不可避免地導(dǎo)致橫切關(guān)注點(diǎn)[1，12]的問題，這通常被描述為分散（scattering）和交織（tanglillg）[2]。AOSD提供新的方式來建模橫切關(guān)注點(diǎn)，允許其單獨(dú)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并與系統(tǒng)的組件進(jìn)一步集成（編織）。

面向方面軟件開發(fā)（AOSD）面臨的主要挑戰(zhàn)在方面識(shí)別。Themeooc[3]方法提供了對(duì)面向方面軟件開發(fā)中分析和設(shè)計(jì)階段的支持，但缺少對(duì)非功能需求的有效處理。文獻(xiàn)[4]提出了基于聚類的橫切關(guān)注點(diǎn)的識(shí)別方法，其通過分析各需求間的相似度及二次聚類來識(shí)別橫切關(guān)注點(diǎn)，但操作復(fù)雜不便于應(yīng)用。V型目標(biāo)模型[5]雖然較好地利用了橫切關(guān)注點(diǎn)擴(kuò)散的特點(diǎn)，但其只能識(shí)別非功能性橫切關(guān)注點(diǎn)，而沒有實(shí)現(xiàn)功能性橫切關(guān)注點(diǎn)的識(shí)別。

目前隨著軟件行業(yè)的發(fā)展速度加快，軟件之間的競(jìng)爭(zhēng)也越來越大，各種軟件不斷推出新的組合業(yè)務(wù)，導(dǎo)致業(yè)務(wù)之間的橫切關(guān)注點(diǎn)越來越多，關(guān)注點(diǎn)之間的關(guān)系，越來越復(fù)雜。這樣就給業(yè)務(wù)變更帶來巨大挑戰(zhàn)，即在軟件生命周期中，如何客觀準(zhǔn)確識(shí)別橫切關(guān)注點(diǎn)的依賴關(guān)系和影響范圍成為識(shí)別橫切關(guān)注點(diǎn)的重中之重。在這樣的背景下，我們采取基于需求依賴關(guān)系的方法來識(shí)別橫切關(guān)注點(diǎn)。

1 需求依賴關(guān)系及分類

1.1 需求依賴關(guān)系

需求依賴關(guān)系指的是同一個(gè)系統(tǒng)中的一個(gè)需求與另一個(gè)需求之間存在的依賴關(guān)系，本文考慮的是需求與關(guān)注點(diǎn)之間的依賴關(guān)系。關(guān)注點(diǎn)（concem）指的是整個(gè)軟件開發(fā)中出現(xiàn)的特定的目標(biāo)、概念或者興趣域[6]。橫切關(guān)注點(diǎn)指的是軟件開發(fā)中一些具有橫越多個(gè)模塊的行為的一類特殊關(guān)注點(diǎn)。也可以把橫切關(guān)注點(diǎn)理解為一個(gè)需求的集合，該需求集合散亂的分散在其他需求集合中。所以我們?cè)诒疚闹袨榱烁玫姆治鲂枨笾g的依賴關(guān)系，我們考慮的是需求與關(guān)注點(diǎn)之間的需求依賴關(guān)系。在[7，8，9]的基礎(chǔ)上，本文重新總結(jié)并定義了的9種依賴關(guān)系，并對(duì)這9種關(guān)系進(jìn)行了分類和舉例說明。

（1）前提（precede）：需求A在需求B的前面，A是B的前提。例子：‘導(dǎo)入音樂是‘播放音樂的前提。

（2）相似（be similarto）：兩個(gè)需求分享相似的數(shù)據(jù)信息，這兩個(gè)需求彼此相似。例子：‘通過姓名搜索學(xué)生基本信息和‘通過學(xué)號(hào)搜索學(xué)生基本信息相似。

（3）解釋（exPlain）：描述需求之間的構(gòu)成關(guān)系。例子：‘某安全需求是‘授權(quán)需求和‘驗(yàn)證需求的組合。

（4）影響（influence）：一個(gè)需求對(duì)另一些需求有影響關(guān)系?！樱悍傻男枨笫堋S或者軟件開發(fā)的生意類型的影響。

（5）異常（be_exception_of）：一個(gè)需求描述另一個(gè)需求的異常事件。例子：‘一個(gè)用戶輸入一個(gè)空用戶名，系統(tǒng)提示‘請(qǐng)輸入正確的用戶是‘一個(gè)用戶輸入他的用戶名和密碼，接下來系統(tǒng)驗(yàn)證輸入信息的異常事件。

（6）沖突（conflict）：實(shí)現(xiàn)一個(gè)需求逆向的影響另一個(gè)需求。例子：增加系統(tǒng)安全功能可能和系統(tǒng)功能沖突。

（7）發(fā)展（evolve into）：一個(gè)需求B是另一個(gè)需求A的新版本，A發(fā)展成B。例子：‘用戶用電腦聽歌發(fā)展為‘用戶用手機(jī)聽歌。

（8）花費(fèi)（increase/deereas_cost_of）：一個(gè)需求的實(shí)現(xiàn)能夠增加/減少另一個(gè)需求的花費(fèi)。例子：如果一個(gè)需求聲明了‘響應(yīng)需求小于5秒，它減少了需求的時(shí)間花費(fèi)。

（9）價(jià)值（increase/decrease_value_of）：一個(gè)需求的實(shí)現(xiàn)能夠增加/減少另一個(gè)需求的價(jià)值。例子：用戶能在聽音樂的同時(shí)瀏覽照片。在這個(gè)事件中‘用戶聽歌增加了滿意度，因?yàn)樗黾恿恕疄g覽照片需求。

1.2 一種新的需求依賴關(guān)系分類

如圖1所示，通過分析和研究以上需求依賴關(guān)系之間的異同，本文提出的依賴關(guān)系模型在概念層次上分為兩大類，分別是內(nèi)在需求依賴關(guān)系和附加依賴關(guān)系。內(nèi)在需求依賴關(guān)系又分成兩小類，分別為業(yè)務(wù)相關(guān)和演化;附加需求依賴關(guān)系也分成兩小類，分別是價(jià)值和成本。內(nèi)在需求依賴關(guān)系描述的是需求的基本關(guān)聯(lián)狀態(tài)和需求的語義以及需求的結(jié)構(gòu)信息。附加的需求依賴關(guān)系是指特定軟件開發(fā)活動(dòng)存在的關(guān)系。

根據(jù)內(nèi)在需求依賴關(guān)系與附件需求依賴關(guān)系的定義與分類，業(yè)務(wù)相關(guān)依賴關(guān)系包括前提、相似、解釋、影響、異常、沖突，演化依賴關(guān)系有發(fā)展，價(jià)值需求依賴關(guān)系包括價(jià)值，成本需求依賴關(guān)系包括花費(fèi)。通過對(duì)這些依賴關(guān)系分類，我們可以更直觀的判定關(guān)注點(diǎn)和需求之間的相互作用和影響范圍。使開發(fā)人員可以在橫切關(guān)注點(diǎn)更改的最初迅速找到與之相關(guān)的關(guān)注點(diǎn)，便于開發(fā)人員掌握工作的重點(diǎn)。

2 橫切關(guān)注點(diǎn)的特征和識(shí)別方法

2.1 橫切依賴關(guān)系分析

橫切關(guān)注點(diǎn)的識(shí)別通常要涉及到兩個(gè)不同領(lǐng)域之間存在的追溯依賴關(guān)系。這兩個(gè)域，一般稱為源和目標(biāo)，例如關(guān)注點(diǎn)和需求陳述。從數(shù)學(xué)的角度來看，源和目標(biāo)通過映射或追溯關(guān)系相互關(guān)聯(lián)，用可追溯矩陣來表示。在文獻(xiàn)[2]中，作者利用一種關(guān)鍵字匹配技術(shù)來建立關(guān)注點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)，而本文則用需求依賴關(guān)系來連接源和目標(biāo)之間的相互關(guān)聯(lián)，其可以按照如下所述形式化。

根據(jù)圖2，存在從源域到目標(biāo)域的多值函數(shù)f'，如果f'（s）=t，則s和t之間存在追溯關(guān)系。同樣的，定義另一個(gè)從目標(biāo)域到源域的多值函數(shù)g'，該函數(shù)可以被認(rèn)為是f‘的一個(gè)特殊的反向函數(shù)。如果f'不是一個(gè)超射，則認(rèn)為目標(biāo)是f'的范圍。顯然，f'和g'可以表示為單值函數(shù)，考慮到共域是目標(biāo)和源的非空子集的集合。

Let f：Source→（Targct）和g：Target→（Source）是由以下定義的新函數(shù)：

分散、交織和橫切是這個(gè)函數(shù)的一些特殊情況，且橫切是分散和交織的特殊組合

定義1分散（scattering）。一個(gè)元素s∈Source是分散的，如果card（f（s））>1，其中card（f（s））是指f（s）的基數(shù)。換句話說，在源和目標(biāo)之間的映射中，源元素與多個(gè)目標(biāo)元素有依賴關(guān)系時(shí)，發(fā)生分散。

定義2交織（tangling）。一個(gè)元素t∈Target是交織的，如果card（g（t）>1。在源和目標(biāo)之間的映射中，目標(biāo)元素與多個(gè)源元素具有依賴關(guān)系，發(fā)生交織。

定義3橫切（Crosscutting）。讓s1，s2ESource，且s1≠s2，如果card（f（s1））>1，t∈f（s1）：s2 Eg（t），s1橫切s2。.換句話說，橫切發(fā)生在源和目標(biāo)之間的映射中，源元素分布在目標(biāo)元素中，并且在這些目標(biāo)元素中的至少一個(gè)與其他源元素交織在一起。

根據(jù)前面的定義，可以得出：讓s1，s2∈source，且s1≡s2，如果card（f（s1））>1且f（s1）∩f（s2）≠，則認(rèn)為s1橫切s2。

2.2 依賴矩陣建立

本文用一種可追溯矩陣的依賴矩陣來表示函數(shù)f。表1給出了一個(gè)具有5個(gè)源元素和6個(gè)目標(biāo)元素的依賴關(guān)系矩陣的示例，用行來表示源元素，用列來表示目標(biāo)元素。單元中的A1表示對(duì)應(yīng)列的目標(biāo)元素尋址對(duì)應(yīng)行的源元素（在表1中，s1被映射到t1和t4，這意味著t1和t4尋址s1?；谶@個(gè)依賴關(guān)系矩陣，導(dǎo)出了分散矩陣（表2）和交織矩陣（表3））。

在分散矩陣中，如果該行中的源元素被分散（映射到多個(gè)目標(biāo)元素），則行僅包含從源到目標(biāo)元素的依賴關(guān)系;否則行僅包含零（無分散）。

在交織矩陣中，如果該行中的目標(biāo)元素被交織（映射到多個(gè)源元素），則行只包含依賴關(guān)系從目標(biāo)到源元素;否則行僅包含零（沒有交織）。

通過分散矩陣和交織矩陣的乘積得到橫切積矩陣。橫切積矩陣示出橫切關(guān)系的數(shù)量，并用于推導(dǎo)最終橫切矩陣。表4和表5分別顯示了橫切積矩陣和橫切矩陣的例子。橫切積矩陣不是二進(jìn)制矩陣，因?yàn)樗稚⒑徒豢椌仃嚦朔e的結(jié)果。橫切矩陣是通過將橫切積矩陣轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制矩陣來獲得的。在橫切矩陣中，矩陣單元只表示橫切的發(fā)生;它從橫切的數(shù)量中抽象出來。通過一個(gè)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換，橫切積矩陣ccpm可以導(dǎo)出橫切矩陣ccm：ccm[i][k]-if（ccpm[i][k]>0）∧（i≠j）then1else0。使用這個(gè)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換，任何大于1值被轉(zhuǎn)換1并且對(duì)角線的值被設(shè)置為0（顯然源元素不能橫切本身）。橫切關(guān)注點(diǎn)判斷公式為。cc=∑_i=1^|s|ccm_ki（k為行），如果cc>0，則為橫切關(guān)注點(diǎn)。

圖3示出了獲得最終橫切矩陣的整個(gè)過程。

2.3 橫切關(guān)注點(diǎn)識(shí)別

識(shí)別橫切關(guān)注點(diǎn)主要步驟被概括并總結(jié)如下：

2.3.1 識(shí)別源元素

需求通常表示在多個(gè)文件中，它們是從與不同的利益相關(guān)者的訪談中提取的。分析這些需求以確定主要關(guān)注點(diǎn)：功能性關(guān)注點(diǎn)和非功能性關(guān)注點(diǎn)（NFCS）。為了識(shí)別NFCS，本文使用一個(gè)目錄，其中定義了常見的NFCS。

2.3.2 識(shí)別目標(biāo)元素

需求通常表示在多個(gè)文件中，它們是從與不同的利益相關(guān)者的訪談中提取的。

2.3.3 建立依賴關(guān)系矩陣

拿關(guān)注點(diǎn)和需求分別得作為源和目標(biāo)，并通過需求依賴關(guān)系來建立它們的追蹤關(guān)系。

2.3.4 通過矩陣運(yùn)算識(shí)別橫切

幾個(gè)簡(jiǎn)單的矩陣運(yùn)算（圖3），經(jīng)過計(jì)算后在在需求階段獲取橫切關(guān)注點(diǎn)。

3 實(shí)例分析及比較

3.1 案例分析

為了說明這一過程，本文應(yīng)用了文獻(xiàn)[10]中提出的案例的簡(jiǎn)化版本，CFVS（aconcurrent file versoning system）。CFVS系統(tǒng)不僅支持維護(hù)不同版本的項(xiàng)目文件，還支持一組開發(fā)人員在同一個(gè)項(xiàng)目上工作，同時(shí)修改同一個(gè)文件。在這個(gè)示例中，開發(fā)人員可以下載軟件項(xiàng)目（check-out）的版本。在更改項(xiàng)目的當(dāng)前版本之后，開發(fā)人員可以將項(xiàng)目的新版本上傳到CFVS系統(tǒng)（check-in）。表6列出了系統(tǒng)必須完成的主要需求表7顯示了根據(jù)需求提取的關(guān)注點(diǎn)和非功能關(guān)注點(diǎn)。

接下來分別用關(guān)注點(diǎn)和需求作為源和目標(biāo)，并根據(jù)第一章中定義的需求依賴關(guān)系，建立了需求依賴關(guān)系矩陣（表8）。根據(jù)3.1 的定義計(jì)算出橫切積矩陣（表9），從而導(dǎo)出橫切矩陣（表10）。根據(jù)文中橫切關(guān)注點(diǎn)判斷公式cc=∑_i=1^|s|，ccm_ki（k為行），得出c2，c4，c7，c8，c10，c11，c12，c13，c14，c15，c16，c17為橫切關(guān)注點(diǎn)。

在上述例子中，本文通過對(duì)CFVS系統(tǒng)的關(guān)注點(diǎn)和需求的需求依賴關(guān)系分析給出了對(duì)于的需求依賴關(guān)系矩陣，并通過該計(jì)算得到了橫切關(guān)注點(diǎn)集。通過該方法計(jì)算出的橫切關(guān)注點(diǎn)與實(shí)際開發(fā)中得到的結(jié)論一致，驗(yàn)證了本文方法的可行性。

3.2 討論

此小節(jié)通過與國外的研究方法的比較進(jìn)一步表示本文方法的可行性。與Conejero J M等人的研究方法[11]相比，他們識(shí)別出了10個(gè)橫切關(guān)注點(diǎn)（表12），我們識(shí)別了13個(gè)橫切關(guān)注點(diǎn)。原方法采用的是一個(gè)橫切模式來識(shí)別橫切關(guān)注點(diǎn)。通過對(duì)關(guān)注點(diǎn)和用例的關(guān)鍵詞的比對(duì)，來自動(dòng)的建立源與目標(biāo)的映射關(guān)系，并通過關(guān)注點(diǎn)之間的extend和include關(guān)系來校驗(yàn)和矯正自動(dòng)建立的映射關(guān)系。而我們采用了需求依賴關(guān)系來鏈接源于目標(biāo)之間的映射，這樣可以更全面的分析每種關(guān)注點(diǎn)和需求之間的全面的關(guān)系，找出了找出更多的隱藏的橫切關(guān)注點(diǎn)。與Theme/Doc和V型目標(biāo)模型方法比較，我們可以兼顧的識(shí)別功能的和非功能的橫切關(guān)注點(diǎn)。

4 結(jié)束語

本文首先基于橫切依賴關(guān)系的概念框架引入了重新定義的需求依賴關(guān)系，并通過需求依賴關(guān)系建立需求依賴關(guān)系矩陣;通過依賴矩陣計(jì)算識(shí)別橫切關(guān)注點(diǎn)。最后通過本文的方法對(duì)CFVS系統(tǒng)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了本文方法的可行性。本文方法的優(yōu)勢(shì)在于只要分析需求依賴關(guān)系就可以識(shí)別橫切關(guān)注點(diǎn)，既包括功能性橫切關(guān)注點(diǎn)，也包括非功能關(guān)注點(diǎn)，還可以準(zhǔn)確的通過需求依賴關(guān)系來確定橫切關(guān)注點(diǎn)的影響范圍。為開發(fā)人員在需求分析階段識(shí)別橫切關(guān)注點(diǎn)提供了一個(gè)好的方法。希望下一步在需求依賴關(guān)系的識(shí)別上可以在不影響依賴關(guān)系的全面性上減少開發(fā)人員在需求依賴關(guān)系上的判斷所花費(fèi)的時(shí)間，讓橫切關(guān)注點(diǎn)的識(shí)別即準(zhǔn)又快，可以在大型開發(fā)工程中易于應(yīng)用。

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