青鸟可复用构件库设计与实现

-I -青鸟可复用构件库的设计与实现摘要目前，软件系统的规模日趋庞大，软件及其开发过程越来越复杂， “软件危机”仍是尚未解决的问题。随着软件复用被视为解决“软件危机”问题的有效途径之一，基于构件的软件开发方法以其对软件复用的有效支持，而被越来越多的开发组织所采用。基于构件的软件开发大致涉及构件的获取、构件存储管理和构件组装等几个过程。构件的存储和管理是构件开发及基于构件复用的开发的重要中间环节。其重点是研究构件的分类检索策略、构件的数据模型、构件库建立及管理等方面。本文工作以国家“九五”重点科技攻关专题“基于构件/构架模式的应用软件集成环境 - JBIII 系统”为背景。青鸟 III 型系统的核心子系统是青鸟构件库管理系统，由可复用构件库和构件库管理工具集组成。本文着重于青鸟构件库管理系统的核心部件 - 青鸟可复用构件库的设计和实现。青鸟可复用构件库支持符合青鸟构件模型的构件的分类、存储、检索和管理；采用以刻面分类模式为主、多种分类模式相结合的机制对构件进行分类检索。本文以青鸟构件模型为基础、从刻面分类为主的多种分类检索机制的需求出发，建立了构件库概念模型，然后把概念模型转换为关系数据模型，并在实现过程中对关系模型进行优化，以提高构件库的性能。为了对外屏蔽网络平台和 DBMS 细节，青鸟可复用构件库为构件库管理工具集(包括构件分类工具、查询工具以及库管理和维护工具)提供一整套工具集接口 CLTSI，并支持新工具的集成。针对访问可复用构件库信息的特点，设计了专门的数据存取命令 DAC，通过 DAC 来实现工具集接口 CLTSI，在保证系统功能和总体结构不变的前提下，减小了检索和获取可复用构件的代价，提高了系统的性能与效率。关键字软件复用，构件，构件模型，构件库，数据库- II -The Design and Implement of JB Reusable Component LibraryAbstractAt present, with the scale of software system becoming larger and software and its development process becoming more complex, it is still a far way to solve the software crisis. Software reuse is regarded as a practical and feasible approach to solve the software crisis, therefore, more and more software organizations and enterprises come to adopt the method of Component Based Software Development（CBSD）, an effective way to support software reuse. The CBSD method usually involves components acquirement, storage, management, and composition, of which the storage and management of components play a key role during the process of component development and software development based on component. As a result, it is important to research the component classification and retrieving strategies, the component model, and the building and management of component library.This thesis is based on the authors work in the National 9th Five-Year Plan Project “JBIII System - Application Software Integration Environment Based on Component-Architecture Pattern”. The kernel subsystem of JBIII system is the JB Component Library Management System, which consists of a reusable component library and library management toolset. The thesis focuses on the design and implementation of JB reusable component library, the key part of the JB Component Library Management System.The JB reusable component library supports the classification, storage, retrieving and management of components that conform to the JB Component Model, and employs the faceted method as the main classification strategy supported by other classification mechanism. After building component librarys conceptual model based on the JB Component Model and the requirement of the classification strategies, The thesis transforms the conceptual model to relational data model, and then optimizes the data model during the implementation session to improve the component librarys performance. To hide the details of network platforms and DBMS, JB reusable component library offers a set of interfaces to the library management toolset consisting of the classification tool, the query tool, and the library management tool. The interfaces are implemented through specially-designed data access commands(DAC) to meet the characteristic of component library access, thereby reducing the time of retrieving components and improving the performance and efficiency of the component library.Keywordsoftware reuse，component，component model，component library，database- III -目 录第一章 引言 .11.1 软件复用 .11.2 现状及其问题 .21.3 相关工作及解决途径 .31.4 相关术语定义 .41.5 论文的组织 .5第二章 基于构件的软件开发 .62.1 可复用构件 .62.2 基于构件的软件开发 .62.3 构件库对 CBSD 的支持 .72.4 基于构件-构架模式的软件复用支持系统 .8第三章 青鸟构件库管理系统 .103.1 青鸟构件库管理系统体系结构 .103.2 青鸟构件分类检索机制 .113.2.1 分类模式 .113.2.2 刻面分类及术语空间 .123.2.3 辅助分类策略 .143.3 青鸟构件库管理系统功能 .143.4 青鸟构件库设计目标与原则 .15第四章 青鸟构件库模型设计 .174.1 青鸟构件模型简介 .174.2 构件库概念模型 .194.2.1 表示法 .194.2.2 青鸟构件库概念模型 .204.3 构件库数据模型 .254.3.1 相关概念 .264.3.2 青鸟构件库关系模型 .27- IV -第五章 青鸟构件库工具集接口设计 .305.1 青鸟构件库管理工具集 .305.1.1 构件分类与入库工具 .305.1.2 查询工具 .305.1.3 构件库管理及维护工具集 .315.2 工具集接口设计目标 .325.3 工具集接口组成结构 .335.4 工具集接口详细设计 .335.4.1 DAC 详细设计 .335.4.2 事务处理 .37第六章 具体实现 .386.1 关系模型的优化 .386.1.1 对术语进行编码 .386.1.2 建立索引和视图 .396.2 核心数据库的建立与管理 .406.2.1 核心数据库的建立 .406.2.2 核心数据库的恢复 .416.3 工具集接口的具体实现 .41第七章 结束语 .43参考文献 .44- V -图 目 录图 1-1 理想的工厂化软件生产方式 .1图 1-2 青鸟软件生产线 .2图 2-1 构件库对基于构件的软件开发的支持 .7图 2-2 青鸟 III 型系统 .8图 3-1 青鸟构件库管理系统的体系结构 .10图 4-1 青鸟构件的三维模型 .17图 4-2 实体关系模型中的概念和表示法 .20图 4-3 数据库实体关系图(ERD) .20图 4-4 构件 ER 图 .21图 4-5 构件关系 ER 图 .22图 4-6 术语与构件、刻面、同义词的关系 .23图 4-7 构件与关键词的关系 .24图 4-8 使用者与构件的关系 .24图 4-9 构件与提供者、联系人之间的关系 .25图 4-10 使用者与日志、配置信息的关系 .25图 5-1 工具集接口的组成结构 .33图 6-1 术语空间及术语编码示意图 .39图 6-2 核心数据库的恢复 .41- VI -表 目 录表 1-1 相关术语定义 .5表 3-1 使用环境刻面的术语 .13表 3-2 功能刻面的术语 .14表 4-1 构件层次、形态的关系 .18表 4-2 构件层次、表示的关系 .19表 4-3 关系模型的主要概念 .26表 4-4 青鸟构件库关系模式 .27表 4-5 Component 关系模式 .27表 5-1 用户管理命令 .34表 5-2 构件提供者与联系人管理命令 .34表 5-3 日志管理命令 .35表 5-4 刻面及其术语空间管理命令 .35表 5-5 构件操作命令 .36表 5-6 构件描述信息操作命令 .36表 5-7 构件关系管理命令 .37表 5-8 配置管理命令 .37表 6-1 青鸟构件库索引列表 .40表 6-2 青鸟构件库视图列表 .40表 6-3 有关合法性检查的内部命令列表 .42江西师范大学硕士学位论文 青鸟可复用构件库的设计与实现- 1 -第一章 引言1.1 软件复用自从 1968 年 NATO 软件工程会议以来，软件工程的发展已有三十年历史。其间，众多的科研人员和工程技术人员付出了艰辛的努力，取得了丰硕成果。软件工程思想和技术的普及，使软件生产率稳步上升，软件质量得到很大改善。但是随着软件系统的规模和复杂性日益增加，软件工程研究还是远远不能满足软件产业发展的需求，离彻底解决“软件危机”还有相当大的距离 Boeh 87, Cox 90。近十年来，人们开始认识到，要真正实现软件的工业化生产方式，达到软件产业发展所需要的软件生产率和质量，软件复用是一条现实可行的途径Mili 95。对软件复用技术的研究已成为软件工程学科的主攻方向之一。被视为解决软件危机的现实可行的途径。软件复用的概念是由 McIlroy 在 1968 年的 NATO 软件工程会议上正式提出的，此后三十年中，软件复用在技术研究上已取得了较大进展，同时也对软件产业产生了深刻的影响。软件复用将造成软件产业的合理分工，专业化的构件生产将成为独立的产业而存在，而软件系统的开发将通过集成组装现有构件的方式来完成。这种产业分工将促使软件产业真正走上工程化、工业化的发展轨道杨芙清 97。而软件产业的组织结构也将随之发生变革Shaw 84，Cox 90，Basili 91，一般来说，需要在传统项目组织结构之外，增加一个专门负责构件开发、管理和维护的部门。Caldieri 和 Basil 提出了一种理想的工厂化的软件生产方式Cald 91，如图 1-1 所示： 同 步活 动 验 证查 找 剪 裁 、 生 成 存 储包 装计 划生 产 异 步活 动请 求集 成 规 约设 计发 布测 试项 目 组 织 经 验 工 厂构 件图 1-1 理想的工厂化软件生产方式青鸟工程提出的软件生产线思想杨芙清 96b集中体现了软件复用的本质及软件工业化生产的模式。图 1-2 给出了青鸟软件生产线图示。青鸟工程一直是国家重点支持的科技攻关课题，已有十余年的发展历程。“七五” 、 “八五”期间，青鸟工程面向我国软件产业基础建设的需求，以实用的软件工程技术为依托，研究开发具有自主版权的软件工程环境，为软件产业提供基础设施软件工具、平台和环境，建立工业化生产的基本手段，促进我国软件开发由手工作坊式转向用计算机辅助开发，以提高软件开发效率，改善软件产品质量。大型软件开发环境青鸟系统杨芙清 95b便是这一阶段江西师范大学硕士学位论文 青鸟可复用构件库的设计与实现- 2 -攻关工作的成果。领 域 领 域 A123A4B12B34C1C2D1D2基 础 构 件功 能 构 件接 口 构 件用 户 界 面 构 件A1A2ABCDRA3A4B1B2B3B4C12D1D2DA1B1C1A2B2 应 用 系 统应 用 构 架 库构 件 生 产 车 间 组 装 车 间应 用 构 架提 取 车 间 标 准 规 范 与 质 量 保 证青 鸟 软 件 生 产 线图 1-2 青鸟软件生产线“九五”期间，青鸟工程的任务是在前期攻关工作的基础上，为形成我国软件产业规模提供技术支持。重点是研究青鸟软件生产线，为软件开发提供整体解决方案，推行软件工业化生产模式，促进软件产业规模的形成。青鸟工程“九五”目标分两期实施，第一期目标是初步实现青鸟软件生产线系统，用以装备软件企业，支持软件构件的生产和应用系统集成，并推出示范工程。第二期目标是针对软件产业规模经济的需求，根据软件产业由于构件技术的日趋成熟而出现的产业重组分工趋势（即分成专门的软件构件生产业和应用系统集成业） ，为其提供相应的技术支撑和装备，适应并推进产业分工和形成规模，使我国软件产业真正走上工程化、工业化的道路。1.2 现状及其问题软件复用概念出现以来的三十年中，已有了许多成功的复用实践，如针对FORTRAN，COBOL，Visual Basic 等语言的复用Gris 95。软件复用作为现实可行的克服软件危机，实现软件工业化生产方式的技术途径在近几年来受到普遍关注，成果斐然，然而离成功的复用仍有较大距离，原因有多方面。从组织机构与管理角度看，现有的组织管理模式已成为推行复用技术的障碍。首先应改革现有的由一个项目组从头至尾完成整个系统开发的方式，应该涌现出大量的构件厂商生产大量可复用构件，使项目组和构件厂商间构成消费者生产者的关系，生产者只负责开发各类可复用构件，项目组只消费构件Basi 92，Basi 94。从思想观念角度看，存在一种“Not Invented Here”（不是自己发明的）综合症。软件工程师喜欢创造性的劳动，不愿意复用也往往并不信任别人开发江西师范大学硕士学位论文 青鸟可复用构件库的设计与实现- 3 -的软件。应当改变这种传统观念，转而遵循 Fred Brooks 所提出的“用购买代替建造” （buy, dont build）的思想Broo 87。从工程学角度看，软件工程学科的发展尚处于不成熟期，缺少对软件开发和软件复用的合适训练，缺少有效方法学支持等。从技术角度看，软件复用主要涉及构件的获取、构件存储管理和构件组装等方面，这几个环节在软件复用过程中都处于非常重要的地位，而且都与构件密切关联。无论是从可复用构件的开发角度、还是从基于构件的复用角度来看，可复用构件的数量、种类和质量都是成功地进行软件复用的关键所在。这就对可复用构件的分类、存储、管理、检索以及相应的工具支持提出了需求。必须有一个合理而高效的可复用构件库管理系统提供强有力的支持，才能使成功的软件复用成为现实。成功的软件复用需要在组织机构与管理、思想观念、工程学和技术等方面的协同支持。本文主要从软件复用的技术角度展开讨论，尤其着重于对可复用构件分类、存储、管理和检索的支持。1.3 相关工作及解决途径早期的软件复用主要注重于代码复用Free 87，Krue 92及其支持，如FORTRAN，COBOL，C 语言将常用的函数保存在函数库中。面向对象语言由于其新的特性，如封装、继承、多态等，能更好地支持复用，而面向对象语言的开发环境也对代码复用提供了有效的支持，主要是提供了强大的类库，如Microsoft Visual C+ 4.0Micr 94的类库，程序员可以直接使用类库中的类或从中派生自己的类。随着软件复用的发展，复用的对象从早期的代码复用扩展到对软件开发过程中一切有价值的信息的复用，出现了多种可复用构件，如分析件、设计件、测试件以及程序文档。而可复用构件在数量上也日趋增大。为了更好地支持多形式、大数量构件的复用，必须有一个支持构件复用的环境。当前软件界对可复用构件库及其相关问题进行了深入研究，并提出了不少的复用标准及环境。RIGRIG 94和 NATONATO提出了一系列标准；ALOAFSTARS 92对构件模型进行了大量的研究。复用库可互操作性组织 RIG(Reuse library Interoperability Group)为软件复用库间共享软件构件，考察了软件库之间的可互操作性问题，并开发了一个数据模型 UDM(Uniform Data Model for Reuse Libraries)，其中定义了在支持可互操作性的库之间交换软件构件所需要的信息。它提供了一个标准的数据模型，各个库可以将它作为自己的数据模型的中间表示，用来和其它库交换使用符合各自数据模型的数据。NATO(North Atlantic Treaty Organization)提出了一组标准，包括可复用软件构件开发指南 、 可复用软件构件库管理指南和软件复用过程指南三个文档，分别针对于软件生命周期的不同阶段NATO。其中可复用软件构件库管理指南讨论了有关构件库建立与管理的问题。构件库管理的关键在于分类，NATO 采用刻面对构件库进行分类。NATO 刻面分类模式中的刻面不必彼此独立，也不必适用于所有的构件。一组典型的刻面可能包括：对象、功能、算法、类型、语言和环境。在对一个构件进行分类时，不一定所有的刻面都出现。刻面术语具有同义词关系，一组同义词表达同一个概念，术语空间由江西师范大学硕士学位论文 青鸟可复用构件库的设计与实现- 4 -这些术语构成，术语之间没有一般/特殊关系(即术语空间是非结构化的)。美国军方发起的 STARS(Software Technology for Adaptable, Reliable Systems)项目考虑了在构件库之间共享资源和实现无缝互操作的问题，于 92 年提出了开放体系结构的构件框架 ALOAF( Asset Library Open Architecture Framework )。该文档包括构件库框架的参考模型(ALF-RM)、互交换构件的所需的数据模型和约定格式的规约以及一个在 ALF-RM 上支持构件互交换和构件描述的框架服务规约。ALOAF 强调数据建模的作用，考虑元模型层、模型层和数据层三个层次，认为统一的数据元模型是互操作和