一種基于MDA的領(lǐng)域元建模開發(fā)方法

劉磊 周業(yè)林 楊小兵

摘要：模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)（Model Driven Architecture，MDA）是一種先進(jìn)、系統(tǒng)、高效的軟件開發(fā)方法。然而掌握MDA模型轉(zhuǎn)換和實(shí)現(xiàn)完整代碼生成，具有一定的難度。在研究元建模技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)領(lǐng)域建模語(yǔ)言（Domain Specific Language，DSL）與元建模相結(jié)合的開發(fā)方法進(jìn)行了探索，該方法基于MDA以模型為中心的思想，能快速通過(guò)模型轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)完整代碼的生成，易用性提高。結(jié)合Web應(yīng)用系統(tǒng)這個(gè)領(lǐng)域，利用領(lǐng)域型元建模工具M(jìn)etaEdit+，以學(xué)生健康信息收集系統(tǒng)的開發(fā)為例，驗(yàn)證了領(lǐng)域元建模開發(fā)方式在解決領(lǐng)域問(wèn)題上的可行性。

關(guān)鍵詞：模型驅(qū)動(dòng)；模型轉(zhuǎn)化；代碼生成；領(lǐng)域語(yǔ)言；元建模；建模工具

中圖分類號(hào)：TP31文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2023）01-54-5

0引言

當(dāng)今社會(huì)，人們的工作生活更加依賴各類信息系統(tǒng)提供的便利化管理和服務(wù)，各行業(yè)軟件開發(fā)需求大量增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的開發(fā)方式以編寫代碼為核心，存在文檔和代碼容易脫節(jié)、系統(tǒng)平臺(tái)轉(zhuǎn)換麻煩以及投入人力、物力高的問(wèn)題。2001年，國(guó)際對(duì)象管理組織提出了模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)（Model Driven Architecture， MDA）的方法[1]，以模型為中心，通過(guò)模型轉(zhuǎn)換，自動(dòng)生成程序代碼，這樣的方式可以有效地解決傳統(tǒng)開發(fā)方式存在的文檔和代碼不能統(tǒng)一的問(wèn)題。然而隨著時(shí)間的推移，MDA的開發(fā)方式并沒(méi)有大規(guī)模得到應(yīng)用和推廣。而以建立建模語(yǔ)言的元建模技術(shù)卻正在逐漸興起，元建模技術(shù)是一種輕量化的MDA，在元建模工具的支持下，能高效地實(shí)現(xiàn)形式化建模和完整的代碼轉(zhuǎn)化。針對(duì)不同的問(wèn)題領(lǐng)域，領(lǐng)域建模語(yǔ)言與元建模技術(shù)相結(jié)合可以更好地針對(duì)問(wèn)題本身，解決問(wèn)題，滿足用戶的需求，并實(shí)現(xiàn)代碼自動(dòng)生成。

1 MDA面臨的問(wèn)題

MDA沒(méi)有廣泛地推廣和應(yīng)用，綜合分析主要有2方面原因：一是模型轉(zhuǎn)換復(fù)雜，不易于掌握和使用。模型轉(zhuǎn)換是MDA開發(fā)方法的核心。模型轉(zhuǎn)換是通過(guò)模型轉(zhuǎn)換工具，按照定義的轉(zhuǎn)換規(guī)則，將源模型轉(zhuǎn)換成為目標(biāo)模型的過(guò)程。隨著模型轉(zhuǎn)換開發(fā)工具的推出和改進(jìn)，模型轉(zhuǎn)換逐漸得到了應(yīng)用。然而，模型轉(zhuǎn)換并不像人們想象的那樣容易。模型之間的轉(zhuǎn)換就分好幾種類型，包括PIMtoPIM，PIMtoPSM，PSMtoPSM，PSMtoPIM和PSMtoCode等，其中模型轉(zhuǎn)換的技術(shù)也有很多種，很抽象，采用的技術(shù)路線不容易理解，比如：QVT轉(zhuǎn)換方法、基于圖文法的轉(zhuǎn)換和基于結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換等[2]，一般的開發(fā)人員很難掌握。二是支持MDA的工具軟件還不完善。MDA中最常用的建模工具UML，體系龐大復(fù)雜，支持UML的MDA工具有Rational Rose，Enterprise Architect，IBM Rational Software Architec，Powerdesigner，Trufun等，只能生成部分代碼或是程序框架[3]，常規(guī)的操作都被包含在實(shí)體模型中，但是對(duì)于業(yè)務(wù)邏輯的操作，只產(chǎn)生空的方法體[4]，與生成完整應(yīng)用系統(tǒng)還有相當(dāng)?shù)牟罹?，這也制約了MDA真正投入到日常的軟件開發(fā)過(guò)程，國(guó)產(chǎn)支持MDA的工具軟件更是寥寥無(wú)幾。

2元建?；A(chǔ)

要理解元建模首先要了解元模型。模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界事物的一種抽象和概括，元模型是定義模型的模型，它是對(duì)模型的構(gòu)成進(jìn)行更高層次的抽象，元模型的構(gòu)成還可以繼續(xù)抽象，抽象形成的模型稱為元元模型，從理論上說(shuō)，抽象還可以繼續(xù)延伸深化，但抽象到了一定的層次已經(jīng)可以解決建模的問(wèn)題了，過(guò)度的深入沒(méi)有太大的現(xiàn)實(shí)意義。OMG專門為模型的實(shí)現(xiàn)和抽象制定了核心標(biāo)準(zhǔn)即元對(duì)象機(jī)制（Meta-Object Facility，MOF）[5]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

MOF是一個(gè)4層模型，從下到上是逐漸抽象的過(guò)程是逐漸實(shí)現(xiàn)的過(guò)程，也是模型轉(zhuǎn)換的過(guò)程。M0層的對(duì)象是M1層對(duì)象的實(shí)例，M1層對(duì)象是M2層對(duì)象的實(shí)例，M2層對(duì)象是M3層對(duì)象的實(shí)例，這里的實(shí)例是相對(duì)于上一層模型而言，并不完全都是實(shí)現(xiàn)，只有M0層是具體的事物。MOF位于M3層，是最高層次的抽象，MOF可以自己構(gòu)造自己，自己描述自己。常見(jiàn)的用UML建立的模型屬于M1層，UML的元模型屬于M2層。同樣，用DSL建立的模型屬于M1層，而DSL元模型屬于M2層。本文研究的元建模是指處于M2層的DSL元模型。

3元建模技術(shù)

元建模指的是建立一種帶語(yǔ)義描述建模語(yǔ)言的元模型[5]，需要有支持相關(guān)建模語(yǔ)言的工具。通過(guò)這個(gè)工具來(lái)設(shè)計(jì)、呈現(xiàn)這個(gè)元模型。

3.1建模語(yǔ)言

軟件開發(fā)是為了解決問(wèn)題，問(wèn)題是有領(lǐng)域的，因此，軟件開發(fā)也面臨問(wèn)題領(lǐng)域。對(duì)于建模語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，相應(yīng)可以按照適用范圍，分為通用語(yǔ)言（General Purpose Language，GPL）和領(lǐng)域語(yǔ)言（Domain Specific Language，DSL）。GPL常見(jiàn)的有UML，C和Python等語(yǔ)言，優(yōu)點(diǎn)是適用面廣，缺點(diǎn)是太通用、不聚焦，不能很好地表達(dá)一些具體問(wèn)題。UML作為一種通用建模語(yǔ)言，支持其建模的工具是最多的，然而UML過(guò)于通用和復(fù)雜，從UML模型生成完整的應(yīng)用系統(tǒng)是很困難的，其包含大部分抽象概念，不是來(lái)自于問(wèn)題域的抽象，導(dǎo)致UML中描述的模型與問(wèn)題域存在一定的差異。DSL常見(jiàn)的有HTML，SQL和MERL等，優(yōu)點(diǎn)在于貼近問(wèn)題域，對(duì)于領(lǐng)域設(shè)計(jì)人員而言，領(lǐng)域建模語(yǔ)言學(xué)習(xí)起來(lái)更容易，從領(lǐng)域模型生成程序相對(duì)容易。根據(jù)資料顯示，基于元建模的領(lǐng)域建模要比基于UML的效率高出10倍[5]。元建模開發(fā)示意如圖2所示。

3.2建模工具

元建模除了建模的理論，還需要有強(qiáng)大的工具軟件來(lái)整合配置元元模型、模型，并實(shí)現(xiàn)模型到相關(guān)平臺(tái)代碼的自動(dòng)生成。因此元建模工具是非常關(guān)鍵的。現(xiàn)在出現(xiàn)了不少元建模工具，常見(jiàn)的有GME，EMF，Visual Studio DSL，GMF和MetaEdit+等。EMF是Eclipse的一項(xiàng)全新的建模框架，該框架允許代碼自動(dòng)生成，支持模型和元數(shù)據(jù)管理，可高效完成模型轉(zhuǎn)換，生成的模型可轉(zhuǎn)換為Java代碼，在現(xiàn)有工具中具有強(qiáng)大的生命力[6]。Visual Studio DSL是Windows平臺(tái)下的圖形化工具，包括元建模環(huán)境和代碼生成，除了提供模型與圖形之間的支持，還提供了對(duì)模型的驗(yàn)證、規(guī)則和事務(wù)的支持[7]。GME是美國(guó)范德比特大學(xué)研發(fā)的一款元建模工具，其元模型是建立在UML基礎(chǔ)上，并利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)[8]。GMF提供了圖形化的開發(fā)環(huán)境和基本的框架，設(shè)計(jì)人員可在圖形環(huán)境中定制自己的領(lǐng)域模型，并自動(dòng)生成代碼框架[9]。MetaEdit+具有專屬的元建模語(yǔ)言和生成器定義語(yǔ)言，不需要依賴UML的模型，具有靈活的DSL定義功能，不需要手工編寫代碼，代碼生成器具備強(qiáng)有力的代碼生成功能[10]。MetaEdit+可以快速設(shè)計(jì)建模語(yǔ)言而且成本低廉，適用于信息系統(tǒng)的開發(fā)，工具的幫助文檔內(nèi)容十分友好，方便進(jìn)行學(xué)習(xí)和使用。

3.3建?？蚣?/p>

元建模框架是元建模的開發(fā)的模式和架構(gòu)，發(fā)展到現(xiàn)在，元建模框架結(jié)構(gòu)主要有2種類型[11]：

①基于通用建模工具的元建模

這是最常用的一種架構(gòu)，以通用建模工具為核心。開發(fā)人員使用通用建模工具建立某個(gè)領(lǐng)域的元模型；用元模型來(lái)對(duì)通用建模工具做配置，使通用建模工具成為支持該元模型的建模工具，通過(guò)配置過(guò)的建模工具來(lái)生成應(yīng)用的源代碼。其優(yōu)點(diǎn)是支持多種元模型進(jìn)行配置，從而支持多種建模語(yǔ)言。這類元建模工具有MetaEdit+，GME等。

②基于專用建模工具的元建模

定制生成一個(gè)專用的建模工具，通過(guò)這個(gè)建模工具來(lái)生成應(yīng)用的源代碼。這種建模方式的優(yōu)點(diǎn)是建模工具是定制、對(duì)建模的支持更好，缺點(diǎn)是使用難度較大，采用這種架構(gòu)的元建模工具主要有EMF和GMF。

通過(guò)元建模工具及架構(gòu)的比較，由于MetaEdit+具有功能全面、適用于信息系統(tǒng)開發(fā)，使用相對(duì)容易，且有良好的文檔支持、能快速建模的特點(diǎn)，因此，選擇MetaEdit+作為研究領(lǐng)域元建模開發(fā)的建模工具。

4元建模開發(fā)實(shí)例

為了領(lǐng)域建模語(yǔ)言+元建模能實(shí)現(xiàn)基于MDA的元建模架構(gòu)開發(fā)，并最終生成系統(tǒng)代碼，將通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的學(xué)生健康收集系統(tǒng)“InfoCollecting”開發(fā)過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證。近2年來(lái)，加強(qiáng)新冠肺炎防控，保護(hù)人民群眾生命安全成了日常的一件重大事情。對(duì)于學(xué)校來(lái)說(shuō)，校園疫情防控壓力很大，除了定期開展核酸檢測(cè)篩查以外，還必須加強(qiáng)學(xué)生日常健康申報(bào)管理，“InfoCollecting”系統(tǒng)就是以此為背景設(shè)計(jì)。系統(tǒng)有2類活動(dòng)參與者，并且他們對(duì)系統(tǒng)具有以下幾種操作。

①學(xué)生（注冊(cè)系統(tǒng)、登錄系統(tǒng)、健康登記、查詢登記信息、修改密碼和退出系統(tǒng)）。

②管理員（登錄系統(tǒng)、更改密碼、查詢登記信息、管理登記信息和退出系統(tǒng)）。

4.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式

InfoCollecting系統(tǒng)主要考慮采用B/S結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式使用Model-View-Controller，Model層代表業(yè)務(wù)邏輯層最終通過(guò)JavaBeans來(lái)實(shí)現(xiàn)，讀寫數(shù)據(jù)庫(kù)，View層代表交互界面層最終通過(guò)JSP來(lái)生成、提交和響應(yīng)用戶請(qǐng)求，Controller層代表控制器層，負(fù)責(zé)View層和Model層之間的銜接。

4.2MetaEdit+元建模的主要步驟

MetaEdit+以GOPPRR作為元建模語(yǔ)言，主要包含6種元素，分別是Graph（圖）、Object（對(duì)象）、Property（屬性）、Por（端口）、Relationship（聯(lián)系）和Role（角色）[11]。Graph指一種由對(duì)象及其聯(lián)系組成的圖形；Object指一種事物，用一種圖形符號(hào)來(lái)表示；Property指其他5種元素所具有的特點(diǎn)描述；Port指角色連接對(duì)象的一個(gè)特定位置；Relationship指對(duì)象之間的連接關(guān)系；Role定義了對(duì)象如何參與到一個(gè)聯(lián)系中，如圖3所示。

MetaEdit+元建模的主要步驟如下：

步驟1利用GOPPRR元元模型，設(shè)計(jì)系統(tǒng)元模型

元模型的建立是將應(yīng)用系統(tǒng)涉及的對(duì)象領(lǐng)域概念、數(shù)據(jù)庫(kù)概念的內(nèi)容及它們之間關(guān)聯(lián)抽象成為Objects，Relationships，Roles，Property和Port等元元模型，在通過(guò)這些元元模型來(lái)描述應(yīng)用系統(tǒng)，建立Graph圖形元模型。在MetaEdit+中使用Graph Tool工具來(lái)建立圖形元模型。圖4給出了“InfoCollecting”部分的系統(tǒng)元模型。Graph Tool可以根據(jù)抽象的模型元素創(chuàng)建圖所需的各種對(duì)象、聯(lián)系、角色以及其之間的綁定關(guān)系，圖形還可以包含子圖形和各種約束條件。