基于FSM的UML模型與代碼一致性動(dòng)態(tài)檢測(cè)

王 雷，張 帥，宋慧娜

(1.延安大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院；2.陜西省能源大數(shù)據(jù)智能處理省市共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 3.延安大學(xué) 上海文思海輝聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(大數(shù)據(jù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)方向)，陜西 延安 716000)

UML[1]是目前面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)中使用最廣泛的建模技術(shù)。在基于UML的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，應(yīng)用程序員需要根據(jù)UML面向?qū)ο蠓治雠c設(shè)計(jì)結(jié)果來(lái)編寫程序。然而，在實(shí)際的編程過(guò)程中，往往會(huì)因?yàn)閼?yīng)用程序員的個(gè)人水平、軟件設(shè)計(jì)師和應(yīng)用程序員存在理解偏差以及趕進(jìn)度和節(jié)約成本等各種各樣的原因?qū)е耈ML模型與編寫的源代碼之間存在不一致。此外，敏捷開(kāi)發(fā)模式已經(jīng)成為目前軟件領(lǐng)域的主流開(kāi)發(fā)方法之一[2]。該開(kāi)發(fā)方法強(qiáng)調(diào)可運(yùn)行的軟件勝過(guò)寬泛的文檔，強(qiáng)調(diào)對(duì)變更的響應(yīng)勝過(guò)按部就班的遵循計(jì)劃[3-4]。因此，對(duì)于使用敏捷開(kāi)發(fā)方法構(gòu)建的軟件系統(tǒng)，UML模型與源代碼的不一致問(wèn)題更為嚴(yán)重。使用軟件工程工具自動(dòng)檢測(cè)出UML模型與源代碼之間存在的不一致并對(duì)存在的不一致進(jìn)行修改，可以為軟件項(xiàng)目，尤其是大型軟件項(xiàng)目后期的理解、維護(hù)和重構(gòu)提供便利。近10年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等前沿技術(shù)的興起，軟件系統(tǒng)的規(guī)模越來(lái)越大，復(fù)雜程序越來(lái)越高，UML模型與源代碼一致性檢測(cè)的研究就變得越來(lái)越有必要。

目前國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者致力于UML的各種模型之間一致性檢測(cè)問(wèn)題的研究。例如，Ekanayake等[5]提出一種UML類圖和順序圖一致性檢測(cè)方法；Yao等[6]、錢成等[7]、杜杰等[8]研究了基于模型檢測(cè)的UML順序圖和狀態(tài)圖一致性檢測(cè)；Chanda等[9]提出一種UML類圖、用例圖和活動(dòng)圖之間的一致性檢測(cè)方法；Khai等[10]給出一種基于Prolog的UML類圖和順序圖一致性檢測(cè)方法；Kowal等在文獻(xiàn)[11-12]中提出一種基于UML的多層建模方法，并在文獻(xiàn)[13]中討論了不同級(jí)別的UML模型的一致性檢測(cè)；Straeten等[14]提出一種基于描述邏輯(description logic)的UML模型不同版本之間的一致性檢測(cè)和解決方法；Long等[15]、Chama等[16]探索了由UML模型自動(dòng)生成一致性代碼的方法。這些文獻(xiàn)均無(wú)法對(duì)源代碼和UML模型之間的不一致進(jìn)行檢測(cè)。

針對(duì)UML模型與代碼之間的一致性檢測(cè)的研究還比較少。曾一等[17]通過(guò)對(duì)Java源代碼的詞法分析和語(yǔ)法分析獲取類的信息及方法調(diào)用圖(CG，call graph)，然后將類的信息以及CG與UML模型進(jìn)行匹配；Pires等[18]自動(dòng)生成從UML類圖到Java代碼的設(shè)計(jì)測(cè)試，這些代碼扮演設(shè)計(jì)測(cè)試和實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言的雙重角色；Chavez等[19]試圖檢查在測(cè)試用例上調(diào)用Java程序之后生成的狀態(tài)是否與UML設(shè)計(jì)類圖關(guān)聯(lián)的所有約束一致。這些方法都未通過(guò)動(dòng)態(tài)執(zhí)行源代碼來(lái)檢測(cè)UML模型與代碼的一致性，因此這些方法無(wú)法檢測(cè)出只有通過(guò)動(dòng)態(tài)執(zhí)行源代碼才能發(fā)現(xiàn)的不一致。

針對(duì)以上問(wèn)題，提出一種基于圖論和FSM的UML模型與源代碼一致性檢測(cè)方法。在之前的研究中[20]，已經(jīng)討論了基于圖論的UML模型(目前只考慮UML類圖和順序圖)與源代碼一致性靜態(tài)檢測(cè)方法，并初步討論了UML模型與代碼一致性動(dòng)態(tài)檢測(cè)。在此基礎(chǔ)上，本文討論了基于FSM的UML模型與代碼一致性動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法。該方法執(zhí)行源代碼并捕獲方法調(diào)用跟蹤，將捕獲的方法調(diào)用與UML順序圖轉(zhuǎn)換得到的FSM進(jìn)行匹配，以此來(lái)檢測(cè)動(dòng)態(tài)行為的一致性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在基于圖論的UML模型與代碼一致性靜態(tài)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，該方法可以對(duì)UML模型與代碼的一致性進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)。相對(duì)于僅進(jìn)行靜態(tài)檢測(cè)的方法，本文可以檢測(cè)出更多的不一致，具有更高的檢測(cè)準(zhǔn)確率。

1 基本流程

在前期研究中[20]，作者提出一種基于圖論和FSM的UML模型與源代碼一致性檢測(cè)方法，基本思路如圖1所示。

UML模型與代碼的一致性靜態(tài)檢測(cè)已經(jīng)在文獻(xiàn)[20]中進(jìn)行了詳細(xì)討論，本文接著進(jìn)行一致性動(dòng)態(tài)檢測(cè)以提高檢測(cè)的精確率。

UML模型與代碼一致性動(dòng)態(tài)檢測(cè)的基本流程是：首先將UML順序圖轉(zhuǎn)換為FSM。然后監(jiān)視正在分析的程序的函數(shù)調(diào)用，并將它們與UML順序圖轉(zhuǎn)換得到的FSM進(jìn)行匹配。若匹配不成功則說(shuō)明存在不一致，修改源代碼直到源代碼的動(dòng)態(tài)行為與UML順序圖完全一致。

圖1 基于圖論和FSM的UML模型與源代碼 一致性檢測(cè)基本思路

2 UML順序圖到FSM的轉(zhuǎn)換

要使用FSM的驗(yàn)證技術(shù)對(duì)UML順序圖和源代碼進(jìn)行一致性檢測(cè)，首先需要將UML順序圖轉(zhuǎn)換為FSM模型。UML 2.0序列圖有兩類基本元素：函數(shù)調(diào)用和交互片段。下面定義從序列圖的兩種基本元素到FSM的轉(zhuǎn)換規(guī)則(本文借鑒了文獻(xiàn)[21]轉(zhuǎn)換方法并對(duì)其進(jìn)行了細(xì)化)。

1)函數(shù)調(diào)用

規(guī)則1 對(duì)于函數(shù)調(diào)用，轉(zhuǎn)換為兩個(gè)狀態(tài)和他們之間的轉(zhuǎn)移。如圖2所示。

圖2 函數(shù)調(diào)用到FSM的轉(zhuǎn)換

其中轉(zhuǎn)移接收的符號(hào)由來(lái)源于順序圖的變量的連結(jié)組成：調(diào)用者的類對(duì)象(A)，調(diào)用符號(hào)“->”，被調(diào)用者的類(B)，以及被調(diào)用函數(shù)m1(后兩者用點(diǎn)分隔)。

對(duì)于兩個(gè)順序的函數(shù)調(diào)用，將二者分別按照規(guī)則1轉(zhuǎn)換，然后將第一個(gè)調(diào)用的FSM的結(jié)束狀態(tài)與第二個(gè)調(diào)用的FSM的開(kāi)始狀態(tài)合并。如圖3所示。

圖3 順序調(diào)用到FSM的轉(zhuǎn)換

2)交互片段

規(guī)則2 對(duì)于可選(optional)調(diào)用，轉(zhuǎn)換為兩個(gè)狀態(tài)和他們之間的兩個(gè)轉(zhuǎn)移。其中一個(gè)轉(zhuǎn)移接收的符號(hào)同普通函數(shù)調(diào)用，另一個(gè)接收空符號(hào)ε。如圖4所示。

圖4 可選調(diào)用到FSM的轉(zhuǎn)換

規(guī)則3 對(duì)于循環(huán)(loop)，轉(zhuǎn)換為一個(gè)開(kāi)始狀態(tài)和一個(gè)結(jié)束狀態(tài)，再加一個(gè)接收空符號(hào)的轉(zhuǎn)移。該轉(zhuǎn)移直接從結(jié)束狀態(tài)到開(kāi)始狀態(tài)來(lái)重復(fù)循環(huán)。如圖5所示。

圖5 循環(huán)到FSM的轉(zhuǎn)換

規(guī)則4 對(duì)于若干個(gè)供選擇的(alternative)調(diào)用，轉(zhuǎn)換為兩個(gè)狀態(tài)和他們之間的若干個(gè)轉(zhuǎn)移。每個(gè)轉(zhuǎn)移接收的符號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)分支。如圖6所示。

圖6 供選擇的調(diào)用到FSM的轉(zhuǎn)換

這里繼續(xù)以筆者所在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的UML模型正確性檢測(cè)工具UML Checker1.0[22]為例來(lái)說(shuō)明UML順序圖到FSM的轉(zhuǎn)換。根據(jù)上述轉(zhuǎn)換規(guī)則，將文獻(xiàn)[20]中圖3所示UML順序圖轉(zhuǎn)換為FSM模型，如圖7所示(標(biāo)有箭頭的節(jié)點(diǎn)表示初始狀態(tài)，雙圈節(jié)點(diǎn)表示終結(jié)狀態(tài))。

3 函數(shù)調(diào)用與FSM的匹配

將UML順序圖轉(zhuǎn)換為FSM后，就可以監(jiān)視正在分析的程序的函數(shù)調(diào)用并將其與轉(zhuǎn)換得到的FSM進(jìn)行匹配。詳細(xì)步驟如下：

步驟1 對(duì)于每個(gè)待檢測(cè)功能模塊，設(shè)計(jì)合適的測(cè)試用例。

步驟2 對(duì)于每個(gè)測(cè)試用例，執(zhí)行源代碼并捕獲方法調(diào)用跟蹤。

步驟3 將捕獲到的方法調(diào)用跟蹤發(fā)送到FSM。這里為FSM的狀態(tài)引入一個(gè)令牌(Token)(圖7中的黑點(diǎn))。令牌在FSM中的位置表示FSM當(dāng)前的狀態(tài)。從初始狀態(tài)出發(fā)，依次檢測(cè)是否存在消耗方法調(diào)用跟蹤中的事件的從當(dāng)前狀態(tài)出發(fā)的傳出轉(zhuǎn)移。事件的調(diào)用者和被調(diào)用者的類和方法必須匹配轉(zhuǎn)換符號(hào)中指定的類和方法。如果匹配成功，那么轉(zhuǎn)移會(huì)消耗該事件并將令牌移動(dòng)到轉(zhuǎn)移的目標(biāo)狀態(tài)。

圖7 模型導(dǎo)入功能的UML順序圖的FSM表示

步驟4 若方法調(diào)用跟蹤中的事件全部匹配成功，同時(shí)FSM到達(dá)終結(jié)狀態(tài)，則說(shuō)明方法調(diào)用跟蹤與FSM一致。否則給出不一致說(shuō)明并手動(dòng)修改源代碼直到方法調(diào)用跟蹤與FSM完全一致。

繼續(xù)以UML Checker1.0為例來(lái)說(shuō)明UML順序圖和源代碼的動(dòng)態(tài)行為一致性檢測(cè)。這里為UMLChecker1.0的模型導(dǎo)入功能提供兩個(gè)測(cè)試用例：一個(gè)XML格式文件作為正常輸入，一個(gè)非XML格式文件作為異常輸入。導(dǎo)入XML格式文件捕獲到的方法調(diào)用跟蹤如下(只列出前12個(gè)方法調(diào)用事件和最后一個(gè)調(diào)用事件)：

U2CChckerDlg->CResolve.GetUMLFromXML

CResolve->CResolve.GetClassFromXML

CResolve->CClass.SetColor

CResolve->CClass.SetX

CResolve->CClass.SetY

(CResolve->CClass.SetWidth

CResolve->CClass.SetHeight

CResolve->CClass.SetAllOperation

CResolve->CClass.SetVctAllAttribute

CResolve->CClass.SetName

CResolve->CClass.SetX

CResolve->CClass.SetY

……

U2CChckerDlg->U2CChckerDlg.DrawRelationship

將上述調(diào)用跟蹤發(fā)送到圖7所示FSM。存在消耗事件U2CChckerDlg->CResolve.GetUMLFromXML的從當(dāng)前狀態(tài)q0出發(fā)的傳出轉(zhuǎn)移。該轉(zhuǎn)移消耗該事件并將令牌移動(dòng)到該轉(zhuǎn)移的目標(biāo)狀態(tài)q2。類似地，依次消耗事件

CResolve->CResolve.GetClassFromXML

CResolve->CClass.SetColor

CResolve->CClass.SetX

CResolve->CClass.SetY

(CResolve->CClass.SetWidth

CResolve->CClass.SetHeight

CResolve->CClass.SetAllOperation

CResolve->CClass.SetVctAllAttribute

CResolve->CClass.SetName

此時(shí)令牌移動(dòng)到狀態(tài)q10(如圖7所示)。對(duì)于事件CResolve->CClass.SetX，不存在消耗該事件的從q10出發(fā)的傳出轉(zhuǎn)移，但q10有一個(gè)接收空符號(hào)的轉(zhuǎn)移，則令牌重新回到狀態(tài)q3。此時(shí)存在消耗事件CResolve->CClass.SetX的從q3出發(fā)的傳出轉(zhuǎn)移，消耗該事件并將令牌移動(dòng)到狀態(tài)q4。重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到到達(dá)終結(jié)狀態(tài)q46。說(shuō)明方法調(diào)用跟蹤與FMS一致。

導(dǎo)入非XML類型文件捕獲到的方法調(diào)用跟蹤如下：

U2CChckerDlg->CResolve.GetUMLFromXML

CResolve->CResolve.GetClassFromXML

CResolve->CClass.SetColor

CResolve->CClass.SetX

CResolve->CClass.SetY

(CResolve->CClass.SetWidth

CResolve->CClass.SetHeight

CResolve->CClass.SetAllOperation

CResolve->CClass.SetVctAllAttribute

CResolve->CClass.SetName

CResolve->CResolve.GetRelationshipFromXML

CResolve->CRelationship.SetColor

CResolve->CRelationship.SetRelationshipNo

CResolve->CRelationship.SetType

(CResolve->CRelationship.SetFromX

CResolve->CRelationship.SetFromY

CResolve->CRelationship.SetToX

CResolve->CRelationship.SetToY

CResolve->CRelationship.SetFromClass

CResolve->CRelationship.SetToClass

CResolve->CRelationship.SetXY

當(dāng)令牌到達(dá)狀態(tài)q22時(shí)，方法調(diào)用跟蹤中的事件全部消耗，而此時(shí)FSM未到達(dá)終結(jié)狀態(tài)，則說(shuō)明不一致。事實(shí)上，對(duì)于UML順序圖，如果不是XML文件則直接退出。而源代碼執(zhí)行了一趟類和關(guān)系的解析過(guò)程后才退出(源代碼未成功判斷該文件不是XML格式)。如果不實(shí)際執(zhí)行源代碼只靜態(tài)分析源代碼(例如文獻(xiàn)[17])，則無(wú)法發(fā)現(xiàn)該不一致。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

在文獻(xiàn)[19]的基礎(chǔ)上，本文對(duì)UML模型與代碼一致性檢測(cè)工具U2C Checker1.0[20]進(jìn)行了完善。為說(shuō)明該工具的有效性，在開(kāi)源項(xiàng)目LEDA 3.0[23]、zApp和ACD上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和討論。

為方便進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，本文首先進(jìn)行逆向工程，將3個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目的源代碼轉(zhuǎn)換成UML類圖和序列圖(這里認(rèn)為轉(zhuǎn)換得到的類圖和序列圖與源代碼完全一致)，并手動(dòng)修改源代碼構(gòu)造出若干不一致。

本文對(duì)曾一等方法[17]、Pires等方法[18]和Chavez等方法[19]進(jìn)行了擴(kuò)展，使得這些方法可以用于UML模型和C++代碼的一致性檢測(cè)。表1列出了使用上述3種方法以及本文方法檢測(cè)出的不一致個(gè)數(shù)以及檢出率。

表1 檢測(cè)出的不一致個(gè)數(shù)

*檢出率=總計(jì)檢出個(gè)數(shù)/總計(jì)實(shí)際不一致個(gè)數(shù)

由表1可知，對(duì)于LEDA 3.0，在靜態(tài)結(jié)構(gòu)一致性檢測(cè)中，這4種方法檢測(cè)出的不一致個(gè)數(shù)相同，均為12處；在靜態(tài)行為一致性檢測(cè)中，曾一等方法[17]只考慮函數(shù)調(diào)用的時(shí)間順序，并未考慮可選調(diào)用、循環(huán)和選擇調(diào)用，因此只檢測(cè)出5處不一致，而本文方法通過(guò)考慮可選調(diào)用、循環(huán)調(diào)用和供選擇的調(diào)用，發(fā)現(xiàn)了曾一等方法[17]無(wú)法發(fā)現(xiàn)的更多不一致；在靜態(tài)結(jié)構(gòu)一致性檢測(cè)和靜態(tài)行為一致性檢測(cè)的基礎(chǔ)上，本文將運(yùn)行期間實(shí)際發(fā)生的方法調(diào)用與UML模型相匹配，發(fā)現(xiàn)了6處曾一等方法[17]無(wú)法發(fā)現(xiàn)的不一致。曾一等方法[17]、Pires等方法[18]和Chavez等方法[19]分別檢測(cè)出17、12、12處不一致，檢出率分別為51.52%、36.36%和36.36%，而本文方法檢測(cè)出31處不一致，檢出率達(dá)到93.94%，檢出率有了明顯提升。

類似地，對(duì)于開(kāi)源項(xiàng)目zApp和ACD，本文方法也發(fā)現(xiàn)了比曾一等方法[17]、Pires等方法[18]和Chavez等方法[19]更多的不一致，具有更高的檢出率(如表1所示)。

5 結(jié)束語(yǔ)

為解決UML模型與源代碼一致性檢測(cè)問(wèn)題，提出一種基于圖論和FSM的UML模型與源代碼一致性檢測(cè)方法。在之前研究的基礎(chǔ)上[20]，本文討論了基于FSM的UML模型與代碼一致性動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法。通過(guò)將運(yùn)行期間實(shí)際發(fā)生的方法調(diào)用與UML模型進(jìn)行匹配，對(duì)UML模型與代碼的一致性進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有更高的檢測(cè)準(zhǔn)確率。

目前基于圖論和FSM的UML模型與代碼一致性檢測(cè)方法仍存在一些缺陷和不足。今后的主要工作如下：

1)目前該方法在進(jìn)行一致性檢測(cè)時(shí)一旦發(fā)現(xiàn)不一致就會(huì)終止檢測(cè)。后期將在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使得一次檢測(cè)可以得到包含完整的不一致信息的報(bào)告清單。

2)該方法目前只考慮UML類圖和順序圖，其他模型圖(例如用例圖、活動(dòng)圖和狀態(tài)圖等)與代碼的一致性檢測(cè)將在后續(xù)的研究中進(jìn)行討論。

3)目前該方法只能檢測(cè)出UML模型與代碼存在的不一致而不能自動(dòng)對(duì)存在的不一致進(jìn)行修改，如何對(duì)檢測(cè)出的不一致進(jìn)行自動(dòng)修改也是下一步研究的重點(diǎn)。