設(shè)計模式識別的特征信息分類研究

肖卓宇 何 锫 徐運標(biāo) 陳 果 郭 杰 王林春

1(湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院 湖南 長沙 410208) 2(廣州大學(xué)計算機科學(xué)與教育軟件學(xué)院 廣東 廣州 510006)

0 引 言

設(shè)計模式是一種可復(fù)用的設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)，在軟件生命周期的設(shè)計階段擔(dān)任重要角色[1]，有助于提升面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)質(zhì)量[2-3]。設(shè)計模式識別有助于程序的理解，并為軟件系統(tǒng)重構(gòu)[4]與維護[5]降低成本，減少研發(fā)時間[6-7]。由此可見，設(shè)計模式識別對遺產(chǎn)系統(tǒng)重構(gòu)有著積極的意義[8-9]。Zhu等[10]基于符號邏輯，通過謂詞表示設(shè)計模式，為自動識別設(shè)計模式提供了理論基礎(chǔ)。Zanoni等[11]提出將設(shè)計模式特征以向量的形式進行表示，進而通過機器學(xué)習(xí)的形式識別設(shè)計模式。Chihada等[12]通過學(xué)習(xí)問題映射設(shè)計模式檢測，提出了46種特征指標(biāo)。Fontana等[13-14]提出基于EDP等微結(jié)構(gòu)表示設(shè)計模式參與者特征，并進而實現(xiàn)設(shè)計模式識別。肖卓宇等在之前工作關(guān)注了設(shè)計模式變體識[15-16]、設(shè)計模式參與者角色間的附加關(guān)系[17]、設(shè)計模式實例共享問題[18]。文獻[19]與文獻[20]以圖論為基礎(chǔ)，通過子圖同構(gòu)，以相似積分來檢測設(shè)計模式。

綜上所述，現(xiàn)有設(shè)計模式識別相關(guān)工作存在如下主要問題：

(1) 對設(shè)計模式特征表示不夠完善；

(2) 較少對設(shè)計模式按結(jié)構(gòu)型、行為型、創(chuàng)建型進行特征分類研究；

(3) 僅針對Jhotdraw 7、Junit 3.7、Quickuml 2001等基準(zhǔn)系統(tǒng)進行了設(shè)計模式識別，而較少針對已上線真實系統(tǒng)的識別研究。

為此，本文針對設(shè)計模式識別精確性不夠理想的問題，以Erich Gamma提出的設(shè)計模式分類為原則，基于本文先前工作[21]，提出一種基于特征分類表示的設(shè)計模式識別方法，分類歸納了設(shè)計模式的特征信息，并以Adapter模式、Command模式、Factory Method模式為例，通過4個經(jīng)典測試案例進行設(shè)計模式識別實驗。

本研究主要貢獻如下：

(1) 提出依據(jù)Erich Gamma設(shè)計模式分類對設(shè)計模式特征信息進行表示；

(2) 進行了深入的設(shè)計模式識別結(jié)果研究，發(fā)現(xiàn)了影響識別結(jié)果精確率的重要原因變體、附加關(guān)系，設(shè)計模式共享，為后續(xù)優(yōu)化工作奠定了基礎(chǔ)；

(3) 提出了基于特征表示的設(shè)計模式識別方法。

1 設(shè)計模式實例分類研究

先前工作[21]對設(shè)計模式進行了識別，并基于設(shè)計模式識別工具EA[22]，歸納了47條特征信息，見表1。本文工作將基于該條特征信息按照結(jié)構(gòu)型、行為型與創(chuàng)建型3類進行設(shè)計模式分類特征表示，并分別以結(jié)構(gòu)型設(shè)計模式對象Adapter、行為型設(shè)計模式Command、創(chuàng)建型設(shè)計模式Factory Method為例進行具體描述。

1.1 結(jié)構(gòu)型設(shè)計模式—對象Adapter設(shè)計模式

圖1描述了對象Adapter設(shè)計模式，包括Target、Adapter、Adaptee三個主要參與者及其之間存在的關(guān)系。具體特征表示見表2。表2中01行表示圖1對象Adapte設(shè)計模式中存在Target、Adapter、Adaptee三個主要參與者，其中Adapter、Adaptee為類，而Target為接口；02行表示Adapter與Target間存在泛化關(guān)系；03行表示Adapter與Adaptee間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系；04行表示Adapter類的request方法與Adaptee類的Specific request方法間存在代理關(guān)系；05行表示Adaptee類存在一個SpecificRequest方法，且SpecificRequest是一個具體的方法；06行表示Adapter類的request方法與Adaptee類的Specificrequest方法不存在共同接口；07表示Client不能對Adaptee類進行直接訪問；08行表示Adapte類與Adaptee類間不能存在繼承關(guān)系；09行表示Adapte類與Target類間不能存在繼承關(guān)系。

圖1 對象Adapter設(shè)計模式

1.2 行為型設(shè)計模式—Command設(shè)計模式

圖2描述了Command設(shè)計模式，包括Invoker、Command、ConcreteCommand、Receive四個主要參與者及其之間存在的關(guān)系。具體特征表示見表3。表3中01行表示圖2 Command設(shè)計模式中存在Invoker、Command、ConcreteCommand、Receiver四個主要參與者；02行表示Invoker與Command間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系；03行表示ConcreteCommand與Command間存在繼承關(guān)系；04行表示Command類與ConcreteCommand類有共同方法Execute；05行表示ConcreteCommand類與Receiver類間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系；06行表示ConcreteCommand類的Execute方法與Receiver類的Action方法不存在代理關(guān)系；07表示Client類可以對Receiver類進行直接訪問。

圖2 Command設(shè)計模式

表3 對象Command模式特征表示

1.3 創(chuàng)建型設(shè)計模式—Factory Method設(shè)計模式

圖3描述了Factory Method設(shè)計模式，包括Creator、ConcreteCreator、Product、ConcretProduct四個主要參與者及其之間存在的關(guān)系。具體特征表示見表4。表4中01行表示圖3Factory Method設(shè)計模式中存在Creator、ConcreteCreator、Product、ConcretProduct四個主要參與者；02行表示ConcreteCreator類與Creator類間存在泛化關(guān)系；03行表示存在FactoryMethod類，且Factory不是抽象類；04行表示Creator類與ConcreteCreator類有共同方法FactoryMethod；05行表示Factory Method有一個ConcreteProduct返回類型；06行表示Factory Method方法存在一個返回值ConcreteProduct；07表示Factory Method類與ConcreteProduct類存在依賴；08表示Concrete Product類與Product類存在繼承關(guān)系；09行表示Product與ConcreteProduct不能通過FactoryMethod方法形成繼承關(guān)系。

圖3 Factory Method設(shè)計模式

表4 Factory Method模式特征表示

續(xù)表4

2 設(shè)計模式分類識別步驟

設(shè)計模式識別的框架見圖4，主要分為5個步驟：

圖4 設(shè)計模式識別流程

步驟1用本文先前工作[21]對源碼進行抽取；

步驟2將抽取源碼結(jié)果進行特征表示；

步驟3通過EA[22]工具進行設(shè)計模式識別；

步驟4將設(shè)計模式進行定義及特征表示；

步驟5將設(shè)計模式識別結(jié)果與P-Mart案例庫[23]進行匹配。

3 實驗設(shè)計與分析

實驗采用先前已實現(xiàn)的四個MIS系統(tǒng)進行測試，其具體指標(biāo)見表5。其中，KLOC表示程序代碼行數(shù)，每個測試系統(tǒng)中的Adapter模式、Command模式、Factory Method模式基準(zhǔn)已通過人工的形式增加了標(biāo)簽。如測試系統(tǒng)A中的代碼數(shù)量KLOC為87.73千行，類的數(shù)目為167，其中有Adapter模式5個、Command模式2個、Factory Method模式1個。

表5 測試系統(tǒng)指標(biāo)基準(zhǔn)

續(xù)表5

Erich Gmma[24]將GOF設(shè)計模式分為結(jié)構(gòu)型、行為型、創(chuàng)建型3個大類，共計23種設(shè)計模式。作者在先前工作中對設(shè)計模式進行了初步的識別，但是缺乏對三類設(shè)計模式進行具體的分類歸納與表示[21]。為此，本實驗以先前工作為基礎(chǔ)展開，并獲取了表6所示的結(jié)果。

表6 設(shè)計模式識別精確率

由表6可見，在測試系統(tǒng)A中對于Adapter模式、Command模式識別效果較好，識別精確率為100%，而對Factory Method模式識別精確率為0%。在測試系統(tǒng)B中對于Adapter模式、Command模式識別效果較好，分別為100%與66.7%，而對于Factory Method模式識別精確率為50%。在測試系統(tǒng)C中也對于Adapter模式、Command模式識別效果較好，分別為91.7%與83.3%，而對于Factory Method模式識別精確率為50%。在測試系統(tǒng)D中對于Adapter模式、Command模式識別效果較好，分別為95.5%與77.8%，而對于Factory Method模式識別精確率為71.4%。

探究其原因歸納為如下幾點：

(1) 創(chuàng)建型設(shè)計模式識別難度高于行為型設(shè)計模式，而行為型設(shè)計模式難于結(jié)構(gòu)型設(shè)計模式。由表7可知，Adapter模式識別的平均精確率最高，為96.8%；Command模式識別的平均精確率次之為81.95%；而Factory Method模式的平均精確率僅為42.85%。究其原因，Adapter模式屬于結(jié)構(gòu)型設(shè)計模式，Command模式屬于行為型模式，F(xiàn)actory Method模式屬于創(chuàng)建型模式。結(jié)構(gòu)性模式?jīng)]有涉及到動態(tài)的時序機制，故識別難度較低，識別效果較好；行為型模式要涉及動態(tài)時序機制，故識別難度要高于結(jié)構(gòu)型模式，故識別效果居中；而Factory Method模式屬于創(chuàng)建型設(shè)計模式，除開動態(tài)時序機制，還需要考慮代理機制等居多問題，故識別難度最大，平均識別精確率最低。

表7 三個測試系統(tǒng)平均精確率

(2) 設(shè)計模式變體易導(dǎo)致識別結(jié)果不精確。對實驗結(jié)果進行深入分析之后發(fā)現(xiàn)，測試系統(tǒng)中一個標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計模式存在多個版本的問題，即設(shè)計模式變體[15-16]。設(shè)計模式變體能夠降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)時間，故目前研發(fā)人員通常會在不改變設(shè)計意圖的前提下用設(shè)計模式變體進行程序設(shè)計，而目前設(shè)計模式識別方法或工具對變體的識別效果考慮不夠深入，這可視為設(shè)計模式識別的重要挑戰(zhàn)。

(3) 設(shè)計模式參與角色間的附加關(guān)系干擾了識別結(jié)果。同樣，設(shè)計模式變體是在不改變設(shè)計意圖的前提下對標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計模式進行了演化，但這種演化可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。通過實驗研究，發(fā)現(xiàn)一些設(shè)計模式變體通過增加參與者角色間多余的關(guān)系會改變設(shè)計意圖，即附加關(guān)系[17]，從而導(dǎo)致實現(xiàn)程序與目標(biāo)需求的差異，這部分改變了設(shè)計意圖的變體難以識別。

(4) 設(shè)計模式實例共享問題。通過研究設(shè)計模式識別結(jié)果，發(fā)現(xiàn)存在部分設(shè)計模式參與者角色同時承擔(dān)兩個或多個設(shè)計模式的參與者問題，而這類問題易導(dǎo)致只能隨機識別一個先檢測到參與者角色的設(shè)計模式，而與其承擔(dān)角色相關(guān)的其余設(shè)計模式卻難以識別成功。

本文先前工作[2,3,15-18]通過Jhotdraw 7、Junit 3.7、Quickuml 2001等基準(zhǔn)系統(tǒng)進行了設(shè)計模式識別，部分效果要優(yōu)于本文工作。分析其原因發(fā)現(xiàn)：

(1) 設(shè)計模式識別在訓(xùn)練階段效果較好，而在驗證階段略不足，說明存在過擬合問題。識別效果在遷移、普適性等方面需要進一步加強。

(2) 數(shù)據(jù)集不夠大，尤其在測試系統(tǒng)A中Factory Method設(shè)計模式基準(zhǔn)數(shù)量為1，由于識別未成功，導(dǎo)致對于Factory Method設(shè)計模式識別精確率為0%，以至于表6的4個測試系統(tǒng)中的Factory Method模式平均識別精確率僅為42.85%。為此，還需要通過更多的設(shè)計模式實例或系統(tǒng)進行大規(guī)模的驗證。

(3) 通過研究發(fā)現(xiàn)，大部分測試系統(tǒng)中創(chuàng)建型設(shè)計模式在軟件設(shè)計中使用頻率少于行為型設(shè)計模式，而行為型設(shè)計模式在軟件設(shè)計中使用頻率少于結(jié)構(gòu)型設(shè)計模式。

4 結(jié) 語

依據(jù)Erich Gamma[24]提出的設(shè)計模式分類標(biāo)準(zhǔn)，對結(jié)構(gòu)型、行為型及創(chuàng)建型設(shè)計模式進行了深入研究，歸納了設(shè)計模式的特征信息表示，以Adapter模式、Command模式、Factory Method模式為例，通過本文先前工作[21]對4個經(jīng)典測試系統(tǒng)進行了設(shè)計模式識別實驗，實驗結(jié)果表明對結(jié)構(gòu)型Adapter模式與行為型Command模式取得了較好的識別效果。未來工作將致力于創(chuàng)建型設(shè)計模式的識別，以及對設(shè)計模式變體、設(shè)計模式附加關(guān)系、設(shè)計模式共享等領(lǐng)域前沿問題的追蹤。