（计算机应用技术专业论文）基于着色petri网的软件性能评价研究.pdf

摘要 随着计算机的发展和应用的不断深入，软件的规模日益扩大，对软件系统的要求也 越来越高，软件系统的开发成为一项艰巨而又复杂的工作，性能的要求和验证越来越受 到人们的重视。近几年，软件性能工程被提了出来，即在系统设计阶段提取数据形成系 统性能模型，在早期就对系统的性能( 响应时间、吞吐量、系统利用率等) 和可靠性进 行评价，并将分析结果反馈到设计过程中，及早发现设计中存在的缺陷，提出方案的改 进措施，以期得到满足客户需求的高质量软件系统。 目前所提出的性能分析模型大多有着一定的应用条件和适用范围的约束限制，不能 适应复杂应用环境的要求，由于“状态空间爆炸 问题，这些模型很难分析复杂系统， 甚至是难以实现的。软件的性能分析模型在形式上通常是一个随机过程，这就使得在做 性能分析时，时间比定义动态操作的逻辑特性还要重要。着色p e t r i 网是性能评价领域 里一种有力的系统建模和分析工具，它着眼于系统中可能发生的各种状态变化以及变化 之间的关系，不仅有助于定性地理解所建模型的动态行为，还可以定量地计算各种性能 指标。作为一种高级p 嘶网，它将编程语言和p e t r i 网结合起来，增加了它的语言表达 能力；同时时间、层次化等概念的引入，使得着色p e t r i 网可以简单地描述系统的复杂 信息，增强了它的数据声明和处理能力，有效地抑制了“状态空间爆炸 问题的发生。 本课题的主要工作集中于u m l 2 o 系统模型到层次赋时着色p 矧网的转化以及着色 p 嘶网的性能分析方法。主要工作概括如下： 1 分析了普通p 嘶网的特点，提出了其应用中的不足；研究了着色p e 仃i 网的建模 优势和动态属性：提出了着色p 嘶网的构造方法，并简要介绍了性能分析工具c p n t i o o l s 。 2 研究了目前常用的性能模型评价方法，并对这些方法的优缺点进行了分析，指出 了它们的局限性；深入研究了着色p e t r i 网在性能评价方面的优势，并介绍了着色p e 仃i 网两种常用的性能评价方法。 3 阐述了u m l 图的特点和u m l2 o 的新特性，在深入研究了u m l 2 o 顺序图的交 互能力的基础上，提出了u m ls p t 性能规范对顺序图的扩展方法，引入时间、资源等 性能分析参数，使其具有性能描述的能力。 4 提出了u m l 2 o 用例图和扩展后的顺序图转化为着色p e t r i 网的新规则，并使用 自顶向下的层次化建模方法，将转变来的模型整合成统一的层次赋时着色p 嘶网可执 行模型，有效地抑制了“状态空间爆炸一问题，有利于分工协作和浏览，并用实例说明 了该方法的有效性和可行性。 关键字：性能评价，着色p e t r i 网，系统仿真，c p nt 0 0 l s ，u m l p e r f o r m a n c ea n a l y s i sf o rs o f t w a 代b a s e do nc o l o r e dp e t r in e t s s u ir u i s h e n g ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h ul i 跏岫g a b s t r a c t w i t l lm er a p i dd e v e l o p m e n ta l l dt l l em o r ea p p l i c a t i o no fc o i n p u t e r ，l es o 小a r es c a l ei s e x t e n d i n gd a ya r l dd a y ，锄dt l l er e q u i r e m e n t t os o f b ，a r es y s t e mi sc o m i i l _ u o u s l yi m p r 0 通t h e d e v e l o p m e mo fs 0 舳 r a r es y s t e mh 弱b e e n 锄a r d u o u s 觚dc o n l p l i c a t l 觅t a s k ，a l l dp e o p l eh a v e 协k e nm o r ea t 砌o nt 0m er c q u i r 啪e n t 觚dv e r i j e i c a t i o no fp l e r f - o m a n c e i 沁c e n t l y ，n l e p 拍m 锄c ee n 西n r i n go fs o n 撇鹏d e v e l o p m e n ti sp r o p 0 d ，t h a ti se x 仃a c t i n gd a t a t 0b ea s i n m l a t i o nm o d e ld u r i n gm es y s t c md e s i g n i n gp r o c e s s ，a n ds i n m l a t i n gm ea c b j e v e ds y 啾i m ， a n dt l l ed e p e n d a b i l i t ) r 觚dp e r i o 皿锄c eo ft l l es y 妣i i l s u c h 缌r e s p o l l s et i m e ，t l l r o u 曲。此 a c t i v i t y ，酏c a r ee v a l 嗽da sw e u 鹤m er e s u no fa l l a l y s i si sf e e db a c kt 0 也ed e s i 嘶n g p r o c e s s a n d 坨nt l l ed e f e c tb e i n gi nd e s i 嘶n gp r o c e s sc o u l db ed e t e c t e d ，锄dt l l er e f o n i l i n g a c t i o nc o u l db ep r o p o s e d ，f o rh o p i n gt 0g e tt l l es o r w a r es y s t e mw i mt l i g hq 吼l 时m a t r e q u i r e db yt l l ec u s t o m e r m 【o s to ft h ep e r f o r m a n c ea r l a l y s i sm o d e l st h a tp r o p o s e dr e c e m l yt i a v et i l el i m i t a t i o no f a p p l i c a t i o nc 0 r l d i t i o n 锄de x t e n t ，砒l dm e yc o m dn o tm e e tn l er e q u i r e m e mo fc o m p l e x 印p l i c a t i o ne n v i r o i l i i l e n t s f o rt h ee x p l o s i o np r o b l e mo fs 协t es p a c e ，t i l e s em o d e sc o u l dn o tb e u s e dt 0a l l a l y z et l l ec o r 印l e xs y s t e m ，锄de v e ni ti sd i 伍c u l tt 0b er e a l i z e d p e r f o m a l l c e 钺l a l y s i si n l 3 d eo fs o 行w a r ei su s u a l l yar a n d o m i z e dp r o c e d u r ef o 咖a l l y ，觚d 嬲ar e s u l t ，t i m ei s m o r e 访l p o r t a n tn l a nd e f i i l i n gt l l el o 西c a l i 锣o ft l l ed ) 咖i co p e r a t i o nw h e n 删) ，z i l l g p e 墒m 觚c e c o l o r e dp e t r in e ti sap o w e 删t o o lf o rs y s t e mm o d e l i n g 觚d 锄a 1 ) ，z i n gi i lr e a l m o f p e 墒肌a 1 1 c ee v a l 咖i o n f o rc p n i s 谢t l lav i e wt 0m cv 撕o u sc h a i l g e so fs t a t e 粕d 恤 c o n n e c t i o nb e t 、) l ，e e n 圮c l m g e si i lm es y s t e m ，a n di ti s to i l l yc o n t 曲u t o 巧t 0 岫d e r s 伽l d m ed y m 血cb e l l a v i o ro ft h em o d eq u a i i t a t i v c l yb u ta l s 0t 0c a l c u la ：t em ep e r f 0 咖觚c ei i l d e x q 啪t i f i c a t i o r 谢l y a s 锄a d l c e dp e t r in e t ，i tc o m b i n e st l l ep r o g r 鼬l 锄g u 暑喀e 觚dp e t r in e t ， s 0i t sa b i l i t ) ro f 胁d e c l a r a t i o n 锄dp r o c e s s i n gi ss 仃e ：n g 廿1 e n e d ，锄dm e “s t a t es p a c e e x p l o s i o n ， i sc o n 仃0 l l e de 行e c t i v e l y 1 1 l i sp 印e ri sm a i l l l y 蚍i d yh o wt 0u s ec o l o r e dp e 仃in e tt 0 e v a l u a t em ep e r f b n m c eo fs o 仔w a r es y s t e i i l s u m lm o d e t h em a i l lr e s e a r c hp o i n t sa r e 嬲 f 0 1 l o 、s ： 1 t h ec h 融r i s t i c s 觚dm e 印p l i c a t i o nl i m i 协t i o no fc o 删n o np e t r in e ta r ea i l a l y z e d ；t h e m o d ea ( i v a n t a g ea n dd y n 锄i ca n r i b u t eo fc o l o r e dp e t r in 戍a r ei n 仃o d u c e d ；t l l ec o n s t n l c t i i 培 m e m o do fc o l o r e dp e t r in e ti sp r o p o s e d ；锄dt 1 1 e nt l l ep e r f 0 肋a i l c e 趾a l y s i st o o l c p nt o o l s i si i l n o ( 1 u c e d 2 t h ep e r f i o 加眦em e t h o d st 1 1 a l f 诧q u e m l y u s e dc u r r e n t l ya 锄a l y z e d ，舡l dt h e r e l i m i t a t i o na r ea d v a n c e d ；n 地a d v 孤t a g eo fc o l o r e dp 鲥n e ti np e d - 0 加：啪c ee 、r a l u a t ea 坞 咖d i e d ，锄dt l l 锄位“旧p e r f o m l 觚c ee 砌l l a 【t em e t l l o da r ee ) 【p l a i n e db y 锄e x 锄p l e 3 1 r t 硷c m 吸枷s t i c so fu m ld i 雒孵l m 飙dt h en e wc h a r a c t e r i s t i c so fu m l2 0a 枷d u c e d 距dn 把a l t 锄a t i o na b i l i 锣0 fu m l 2 0s e q u e n t i a ld i a g 脚ni s 孤a l y z e d e m p h a t i c a l l y ；也ee x t e n d i n gm e m o df o ru m l s p tt 0 嘲u e n t i a ld i a g r 锄i sa d 髓d ，觚d w i t l li n t r o d l l c i n gm ep e r f b m l a i l c e 觚a l y s i sp a r a m e t e r s ，s u c h 弱t i r n e ，r e s o u r c e ，e t c ，i th 硒m o r e t l l ep e r f o m l a n c ed e s c r i b i i 培a m l i 吼 4 t h e 脯wr e g u l a t i o no f 仃a n s f o 吼i n g 缸i mu m l 2 0e x 聪l p l ed i a 驴珊a l l dn l ee x t e n d e d q u e n t i a ld i a g r a mt 0c o l o r e dp 嘶n e ti sp r o p o s e d ，孤d 、i t l lt l l e 黝g e m e n tm o d em 州d f 而mt o pi e v e lt 0u n d e rl e v e r ，t h em o d em a t 觚l s f o m e di sc o i l 】白n i l e dt 0am t f o m le x e c l 妇b l e m o d c lo fc o l o r e dp 嘶n e t ，t h i sc o u l dc o n t r o lt h ep r o b l e mo fs t a t es p a c ee x p l o s i o 玛a n di s p r o p i t i o l l st 0d i v i d e d 、o r kc o o p e r a t i o n 锄db r o w s i n g ，a tl 毗t i l ev a l i d i 锣a n df e 弱i b i l i t ) ，a 舱 e x p l a i n e db ye x 舭l p l e s k e y w o r d s ：p e r f 0 r m a n c e 趾l a l y s i s ，c o l o r e dp e t r in 魄s y s t e ms i m u l a t i o i l c p nt b o l s ，u m l 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：捌年6 月彩日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：隧堑生 指导教师签名：7 库堑二季l 日期：汐柞月澎日 日期： p 年广月彳日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题的研究背景及意义 第一章绪论 随着计算机的广泛应用和不断发展，软件系统的质量已成为软件开发人员及其使用 者特别关注的问题。若不及时消除软件系统中的错误，可能影响系统的质量，降低软件 系统的可靠性，甚至可能导致整个系统的瘫痪。 软件进入工程化时期后，软件质量已被作为软件生命周期中考虑的一个重要的概 念或因素，或者重要的管理工作【l 】。在传统观念的影响下，有关软件质量的工作总是被 推后考虑【2 】，总是把系统的体系结构变更推迟到系统已经建立起来以后。但是大型复杂 系统的设计过程是一项费时又费力地工作，如果在系统实现以后再去作出对系统正确的 评估，势必会导致人力、财力的巨大浪费。直到近几年，软件性能工程化才在软件开发 中浮现出来，软件工程进入了系统评价时代，它的提出思想是在系统体系结构设计过程 中提取数据形成模拟模型，对实际系统进行仿真，在早期就对系统的性能( 响应时间、 吞吐量、系统利用率等) 和可靠性进行评价，并提出改进的措施，以期满足用户功能需 要的同时提高软件的质量。 统一建模语言u m l p j 的出现得到了软件界的广泛支持，成为了当今流行的建模开 发工具，贯穿于整个软件生命周期。它是采用图形表示形式的可视化建模语言，同时它 对语言中的基本概念、术语和表示方法给出了统一且比较严格的定义和说明，提供了用 例图、顺序图、状态图、活动图等许多种不同的可视框图，可以从系统的各个方面进行 建模。 作为建模工具，u m l 也有不足的地方，它缺乏严格的形式化语义，只能对系统进 行静态建模，不能进行动态的仿真。也就是说，对于u m l 描述的系统模型，目前尚缺乏 严密有效的验证和分析方法，同时也难以在模型实现之前进行仿真运行，因此难于进行 有效的模型修正和改进。 复杂系统的建模往往需要进行严格的形式化分析和验证，而u m l 却是半形式化的， 因为其语法结构虽然采用了形式化的规约，但其语义部分则是用自然语言描述的，缺乏 准确的语义，这使得对模型难以进行定量、定性的分析和验证。针对这一问题，眦 形式化方法的研究已经成为热点。形式化方法使用具有精确数学语义基础的形式化规范 语言对系统的需求分析和设计进行描述，它具有精确定义的语义模型和自动化验证工具 第一章绪论 的支持，可以对软件规范进行严格的分析和验证。目前，许多学者在u m l 的形式化方面 进行了大量的工作，在诸多形式化方法中，我们很难给出一个全面的比较，但从形式化 技巧的角度来看，这些方法大致可以归为两类： 1 直接为u m l 模型定义形式化的语义，在此基础上对模型进行语义分析和正确性验证。 王帆等【4 】根据u m l 和谓词转换，提出一种面向对象的形式规范说明方法，并给出一组和 u m l 相对应的数学模型；粱义芝等【5 】定义了一种包含对象流描述的u m l 活动图的形式语 义，并根据该形式语义对u m l 活动图的典型流程以及活动图所描述的动态系统的正确性 进行了分析；蒋慧等【6 】对状态图中的各种状态以及变迁函数进行了形式化定义，进而给 出了u m l 状态机的组合操作语义。由于形式化方法需要设计者具有很好的数学基础，这 使得直接使用形式化规范对系统，尤其在对大型的复杂系统建模时难度很大，而该类方 法正是直接给u m l 模型定义形式化语义，然后使用具有严格形式化语义定义的u m l 进 行建模，因此这类方法应用起来并没有克服形式化方法所固有的缺点。 2 结合u m l 和形式化方法的优点，将非形式化的u m l 图形转换为具有精确语义定义的 形式化规范，在非形式化的图形表示与形式化定义之间建立映射关系。其中选择的不同 形式化规范，主要有排队论( q n ) 川、随机过程代数( s p a ) 【引、p 嘶网( p n ) 网三种。 这类方法的主要特点是采用u m l 图建模，而只将形式化描述用于模型的分析、验证，它 对一般用户来说是透明的，因此这类方法既避免了形式化方法对数学基础要求较高，直接 使用起来建模困难的局限性，又克服了u m l 缺少模型分析、验证手段的不足。目前很多 研究者在对u m l 形式化时大多采用将建立的u m l 图转换为某种形式规范的方法。 同时p e 仃i 网也是具有图形化的表示方法，从这一点上来讲，选择p 嘶网作为目标规 范要比其他规范具有一定的优势：另外同其他描述工具相比，p e t r i 网还具有以下的特点： ( 1 ) p “网具有极强的描述能力，已证明对于加抑制弧的p 嘶网，其描述能力与图灵机 ( t l l r i n gm a c l l i n e ) 是等价的； ( 2 ) p 硎网能准确地刻画系统的一些重要特性，对于系统中的并发、顺序、冲突、同步、 饥饿等关系能够建立模型并使之形象化； ( 3 ) p 嘶网还是一种有严格定义的数学对象，它是建立在代数理论和语言理论等严格的 理论基础之上的一种模型，其理论成果十分丰富，具有严格的理论分析工具，借助数学 方法开发的p e t r i 网分析方法和技术既可用于静态的结构分析，又可用于动态的行为分 析，即我们可以分析网的结构性质来反映系统的固有性质，也可以研究网运行的动态行 为。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 4 ) 用p 鲥网进行系统建模，通过用代数、形式语言、自动机的方法来定性或定量的分 析p e 仃i 网模型的有界性、安全性、可达性、活性、公平性等一系列性质，可得到对被模 拟系统性能的正确评价并提出系统改进或改变的建议。 着色p e t r i 网( c p n ) 作为一种高级p e 仃i 网，是在没有减弱普通p e t r i 网图形化表达能 力的基础上，增加了它的语言表达能力，而得到的一种高级p 矧网，每个t o k e n 对着相 应的颜色( 数据值) ，通过变迁改变t o k 的颜色，这就有效地抑制了“状态空间爆炸” 问题的发生；同时还可以处理层次结构，允许建模者通过利用多个彼此联系的小型c p n 来建立大型模型的清晰的层次结构，还与编程语言的功能结合起来，使得它对数据的声 明与处理供能更加强大，这也是其他的高级p “网所不能及的。因此，c p n 更适合解 决复杂系统的建模问题，现在c p n 在建模仿真、分析软件系统中的优势已越来越明显 了，无疑是我们将u m l 图转换为形式化模型的最好选择。 1 2 国内外研究现状 ， 软件的性能是指软件运行中所表现出来的时间损耗和空间占用与用户需要之间的 吻合程度。如果软件运行过程中，其时间损耗与用户既定要求或心理期待一致，则用户 便认为该软件性能没有问题；反之，用户便认为该软件性能有问题或者难以接受。可见， 从宏观上看，软件性能就是用户在运行软件完成某一功能时系统的响应性特征，以及增 加软件功能时响应性保持的特征，即可伸缩性特征。 软件性能评价工程是w i l l i 锄和s m 珧在2 0 0 0 年提出的【2 1 ，它是在软件设计过程 中整合了性能分析而提出的一种软件开发方法。当时是以排队模型( q n ) 作为系统模 型作为软件的执行模型去实现的，从此以后，软件系统性能评价的方法也不断地被提出 与改进。u m l 由于强大的建模能力得到了软件设计者和业界的普遍认可，成为最流行 的建模语言，但u m l 作为半形式化语言，很难进行性能的分析，为了使性能分析与系 统模型设计同步，近几年，基于u m l 模型形式化的性能评价方法也不断地被提出，但都 存在一定的局限性。 2 0 0 3 年v c o n e l l e s 阻和r m i 眦d o l a 在其论文【i o 】中，提出了利用u m l 图的不同信 息，定义一种新的系统性能评价模型的方法，称为p r i m a r m l 。该方法利用用例图 得到系统的操作略图，由顺序图产生得到一个执行图，由执行图和配置图提供的信息基 于扩展了的q n 模型得到系统的性能评价模型。2 0 0 4 年，a d m a r c o 与p i n v e m d i 在其论文中【l l l 提出了从u m l2 0 设计规范得到多链q n 模型的映射方法，该方法中定 3 第一章绪论 义了一个关于顺序图片断的规范库，利用用例图和协作图的信息，将顺序图转化为q n 模型。这种方法建立在一种高度抽象的层次上，没有考虑到系统操作所需的硬件资源， 在没有硬件信息或者可以忽略硬件进行评价的时候，可以使用这种方法。同时在 s i m o n e t t ab a l s 锄。和m o r e n om a r z o l l a 的论文【1 2 】中，提出由u 1 ls p tp r o f i l e 规范对 u m l 图进行扩充，用例图中加入活动请求的时间间隔得到系统的工作量，活动图得到 系统的工作流程，由配置图将有关硬件的信息加入到q n 模型中的系统分析模型。m a r c o b e m a r d o 在论文【1 3 】中提出利用随机过程代数的化简能力与q n 模型高度抽象的能力结 合起来的对系统性能进行评价的思想，也有好多方法用层次排队网络( l q n ) 对分布式 系统的c l i e 州s e r v e r 通信方式进行性能评价。但是排队网络很难解决对系统中数据流分 叉、合并、并行以及同步的描述，所以使得模型对实际系统性能的反应有很大的局限性 与偏差。虽然排队网络在有乘积解的情况下没有“状态空间爆炸”问题，但是对于离散事 件的排队模型无乘积形式的解，对应的状态空间会随节点的增加呈指数增长，因此很难 对大型复杂系统进行性能分析。 随机p e 砸网作为描述计算机和网络的一种重要的性能模型和分析工具，也在不断 地完善与发展。2 0 0 4 年s i m o mb e m a r d i 在其博士毕业论文【1 4 】中提出了基于u m l 类图 和使用s p t 规格说明扩展后的u m l 顺序图进行整合，得到s p n 性能评价模型的一整套 建模规则与方法，同时也提出了s p n 的求解分析方法与化简思想。2 0 0 6 年c 锄p o s ， m e r s e g u e r 提出了在软件开发过程中将全部u m l 的行为模型转变为广义p e t r i 网( g s p n ) 来构建性能评价模型【1 5 1 。其他转化为g s p n 的方法有：( 1 ) 通过转化描述系统的一系列 的状态图得到可执行的g s p n 模型f 1 6 l ( 2 ) 转化用例图为每个使用系统的参与者建模【1 7 l ( 3 ) 由状态图和顺序图得到系统具体执行的性能模型【1 8 】。 s p n 的状态空间会随着系统模型的增长呈指数级的增长，使得与s p n 同构的m c 难以求解，广义随机p 甜网( g s p n ) 的提出为缓解“状态空间爆炸”问题提供了一种途 径。但是g s p n 对每个瞬时变迁需要定义随机开关，将g s p n 压缩成m c 进行求解时， 需要删除瞬时变迁，因此对建模者提出了更高的要求，增加了建模的复杂性。 由于排队网络、s p a 与s p n 的求解都是化成马尔可夫过程，它们的状态空间随所 含元素的个数呈指数增长，这使得与其同构的马尔科夫过程难以求解，导致“状态空间 爆炸”问题。随着实际系统的日益庞大和复杂化，用传统的形式化方法进行建模和分析 已经远远不能满足于需求，甚至是不可能实现的，c p n 的提出帮我们找到了解决问题的 途径。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 c p n 是一种高级p 喇网，将p “网和编程语言的功能结合起来，使得对数据的 处理以及时间的模拟能力更加强大。同时通过对库所和托肯加以颜色类型的标定，对变 迁和弧加上条件约束，使得在没有降低它的建模能力的前提下，增强了它的抽象功能， 降低了模型的复杂度，有效地抑制“状态空间爆炸”问题的发生。c p n 提供的层与层间接 口的规范化定义，允许建模者通过利用多个彼此联系的小型c p n 来建立大型复杂系统 模型，加上分析工具c p n t 如l s 的支持，使得我们可以在对模型进行模拟的过程中提取 数据，进行性能分析。基于以上优点它在分析网络通信协议、分布、并行和同步计算机 系统，尤其是大型复杂系统中得到了广泛的应用。 因此，将u m l 图转换为c p n 模型进行性能评价是非常有意义的。 ， 1 3 论文的研究内容 随着计算机应用的不断深入，人们对软件的要求也越来越高，现在软件系统的设计 已经成为人类所承担的最复杂的任务之一。软件系统的功能特性固然很重要，但并不是 设计者关心的唯一问题，系统的性能也同样重要。软件系统对于时间、资源等方面的性 能要求在很多情况下是很重要的，对实时软件系统可以说是一个至关重要的特性。功能 的不能满足只能是系统不能提供某方面的服务，而性能的缺陷有时却是致命的，甚至会 带来财产和生命的损失。随着软件业的发展，u m l ( 统一建模语言) 已经被设计者所接受， 得到了业界的认可，成为广泛统一的建模工具。由于u m l 为半形式化语言，很难对其 进行严格的性能评价，怎样对由u m l 表示的系统进行性能评价，是一个十分有价值的 研究课题，也成为当前研究的一个热点。基于以上分析，本文提出了将半形式化的u m l 建模语言转化为形式化语言着色p 嘶网的方法，利用着色p e 仃i 网严格的数学理论对系 统的性能进行分析评价，再反作用于系统的设计建模过程。 本文研究的主要内容包括以下几部分： ( 1 ) 研究着色p 砌网与u m l 模型特点针，对u m l 2 o 提供的新特性，研究u m l 2 0 模型与c p n 模型的图形元素和模型构造方法之间的区别于联系，分析了两者之间的转 化的可行性。 ( 2 ) 研究分析u m l 图对系统描述的不同特点、u m l2 o 新特性及u m ls p t 性能文档 规范，根据性能评价模型对参数的要求，将s p t 规范应用于u m l2 0 顺序图，使其具 有描述处理时间、资源利用等各方面系统性能需求的能力。 ( 3 ) 对现存性能模型的缺陷和建模的局限性进行了比较与分析，对着色p 嘶网性能模 5 第一章绪论 型进行了深入研究，详细解释了利用c p n1 砷l s 进行性能评价的两种方法：m o i l i t o r 监 控器分析法和状态空间分析法。 ( 4 ) 研究u m l2 o 用例图和扩展后的顺序图到着色p e 仃i 网的转化规则，提出融合两图 信息构造可执行着色p e t r i 网性能评价模型的构造方法，通过实例进行转化说明，并利 用c p nt 0 0 l s 对转化实例进行分析验证，证明转化规则的正确有效性。 研究的主要内容和目标如图1 1 。在系统设计建模的过程中，根据系统的u m l 模 型得到系统着色p 砌网性能评价模型，对所建模型进行性能评价，判断需求是否满足， 选择进行软件开发的下一步，还是对模型进行改进。 1 4 研究的创新性 软件设计师 图1 1 研究内容及目标流程图 f i gl ld i a g r a mo fr 髑e a r c hc o n t e n ta n dg o a i 本文提出一种新的映射关系与规则，将具有建模优势但非形式化的u m l 图转化为 形式化的具有动态模拟分析能力的c p n 模型，引入了时间和层次化概念，在有效抑制“状 态空间爆炸”问题的同时达到对现实系统的高度仿真，利用c p n t o o l s 得到性能分析结 果，从而完成对系统的预测，并将其反馈到系统设计过程中，为得到更加优化的系统创造 了条件。 本文的创新性主要表现在： ( 1 ) 利用u m ls p t 规格说明对u m l2 o 顺序图进行了适当的扩展，将时间、资源、 随机到达等性能评价参数引入到顺序图中，作为性能分析模型的输入。 ( 2 ) 提出一种新的映射关系与规则，融合了u m l 2 o 用例图和顺序图的信息，将u m l 用例图转化为层次着色p e t r i 网的顶层模型，利用扩展后的顺序图来转化为相应 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 顶层模型中替代变迁的子网，采用自顶向下的开发方式，将具有建模优势但非形 式化的u m l 模型转化为形式化的具有动态模拟分析能力的层次赋时c p n 模型， 有效地抑制了“状态空间爆炸”问题，有利于分工协作与浏览。 1 5 论文的组织结构 本文主要工作围绕着色p e t r i 网的性能分析及u m l 模型的转化方法展开研究，论文 的组织结构如下： 第一章介绍了课题产生的背景、国内外研究现状和所面临的问题，进而提出本文的 研究目标以及它所具有的价值意义，并简述了论文主要工作内容，最后给出了各章内容 安排。 第二章主要阐述了p e t r i 网与着色p e t r i 网的基本概念、数学描述形式、基本结构， 介绍了c p n 的编辑、仿真及分析工具c p nt 0 0 l s 。 第三章研究了软件性能评价方法，并对其优缺点进行了分析，着重研究了着色p 嘶 网的两种性能评价方法。 第四章阐述了u m l 图形的概念及其描述特点，介绍了u m l2 o 的新特性，研究了 u m ls p t 规格说明对u m l 模型的扩展，使其具有描述系统的性能要求和资源等能力。 第五章提出u m l 2 0 用例图与顺序图到c p n 模型的对应转化规则，采用自顶向下 的开发模式，最终将u m l 模型转变为层次赋时着色p e 仃i 网。 第六章通过实例验证了转化规则的正确有效性，并用c p n l s 对转化的着色p e t r i 网模型进行了性能分析。 文章最后总结全文，并展望未来的研究工作。 7 第二章着色p e t r i 网概述 第二章着色p e t r i 网概述 本章主要研究了p e 仃i 网与着色p e t r i 网的基本概念、数学描述形式、基本结构，介 绍了c p n 的编辑、仿真及分析工具c p nt 0 0 l s 。 2 1p e t r i 网 2 1 1p e t r i 网的描述能力 p e t r i 网【1 9 】【捌最初由c a p e t r i 在1 9 6 2 年开发，对于描述和分析并发处理之间的同步、 通信和资源共享来说，是一种适当并且可靠的语言。p e t r i 网是一种网状信息流模型，不 仅能用图形符号表示事件的原因和结果之间的关系，而且能表示系统的动态行为，为复 杂系统的集成化建模、分析和评价提供了良好环境。 p e 仃i 网的结构元素包括位置( p l e ) 、变迁( t r a n s i t i o l l ) 和弧( a r c ) 。位置用于描述可能 的系统局部状态条件或状况，变迁用于描述修改系统状态的事件，弧规定了局部状态和 事件之间的关系。事件引发局部状态的转换。每一条弧有一个对应的权值，称为弧权 ( w e i g h t ) 。 在p e t r i 网模型中，标记( t o k e n ) 包含在位置中。随着事件的发生，标记可以按照弧的 方向流动到不同的位置，从而动态地描述了系统的不同状态。如果一个位置描述一个条 件，它能包含一个标记或不包含标记。当一个标记出现在这个位置中，条件为真，否则 为假。如果一个位置定义一个状况，在这个位置中的标记个数用于规定这个状况。 一个p 嘶网模型的动态行为是由它的实施规则( f i 血gm l e ) 规定的。如果一个变迁所 有的输入位置至少包含一个标记，那么这个变迁可能实施( 相联系的事件可能发生) 。 对这种情况这个变迁称为可实施。一个可实施变迁的实施导致从它所有输入位置中都清 除一个标记，在它的每一个输出位置中产生一个标记。当使用大于1 的弧权时，在变迁 每一个输入位置中都要包含至少等于连接弧权的标记个数，它才可实施：这个变迁的实 施，要根据相连接的弧权在它每一个输出位置中产生相应标记个数。 由于变迁的实施使标记在位置中流动，因此不同时刻，标记在各个位置中的分布不 同，这种不同的分布称为标识( m a d d n 曲。标识就相当于系统所处的状态( s t a t e ) 。 p 嘶网模型的状态转换是局部的，它只跟事件的外延有关，仅涉及一个变迁通过输 入和输出弧连接位置的状态变化。这是p e 仃i 网的一个关键特性。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 1 2p 嘶网的基本概念 下面给出p e t r i 网模型几个重要概念的数学描述。 定义2 1 p e t r i 网( 或简称网) 一个三元组= 假乃d 是一个p e t r i 网i f f ( 当且仅当) ： ( 1 ) s u 丁o ( 网非空) ； ( 2 ) s 厂7 r = a( 二元性) ； ( 3 ) f g 圆力u ( 丁回( 流关系仅在于s 与t 的元素之间) ； ( 4 ) 面聊u 吠d = s u r ( 没有孤立元素) 在网中，f 的元素叫弧；如朋= 伽j 砂： 力毋；d = 扛i 砂：以力毋； 集合彳= s u 丁是网元素的集合。 在图形上，朊素用一个圆圈表示，r 元素用一条线段表示。在x 元素之间的流关 系由带箭头的弧表示，如图2 1 所示。 圳e 确s 棚一叫 蔫 蔫砖e 期泓动一卜o x 图2 1p e t r i 网简图 l r i gz 。ld 妇g 憎mo fi 飞t nn e t 定义2 2 位置变迁( p 厂r ) 系统 一个六元组= $ ，乃f k ，形蚴是一个p 厂r 系统i m ( 1 ) 乃d 是一个网，s 元素是位置，t 元素是变迁； ( 2 ) k = sj 矿u ) 是位置容量函数； ( 3 ) 形：f 专矿是弧权函数； ( 4 ) ：s 专是初始标识，满足：协& 例聊砂。 在p 厂r 系统的图形表示中对于渺，当职厂) 1 时将( 厂) 标注在弧上。当一个位 置的容量有限时，通常将) 写在位置s 的圆圈内。当图= 时，通常省略段s ) 的标注。 有界p 厂r 系统的k 函数仅为k ：s 寸矿，瓣l 时，通常省略) 的标注。标记由在位置 中的黑点来表示。 定义2 3 可实施与实施( e n a b i i n ga n df i r i n 曲 令= $ ，乃只k 形，蚴是一个p 厂r 系统。 9 第二章着色p e t r i 网概述 ( 1 ) 函数m ? s o 叫做的标识i f j f v j s ? 郴) 救s ) ； ( 2 ) 一个变迁f r 在m 下是可实施的酊v s s ? 吣d 榔) 喇一职s ) ； ( 3 ) 如果，r 在标识肘下是可实施的，那么，可以实施并产生一个新的后继标识 m ，肘可由下列方程给出： v s s ? 矿o ) = 獭) 一陟毽d + 职t s ) ( 4 ) 系统标识m 经过，的实施得到新的标识m ，可以表示成柳， m 或者 m 山m t ： ( 5 ) 使用【朋痧表示的最小标识集合满足： 1 ) ； 2 ) 如果膨【坳且有f 丁使m 【 尬那么尬。 在一般情况下 被称为的可达标识集。 定义2 4 可达树( i 沁a c h a b i l i 哆1 r e e ) 首先定义一个记号( - ) ：对于所有珂，疗 尬，即协s ，尬= 心沪瞬，咖啉曲。m 的计算可分为两种情况： 1 ) 在从，至吵的路上，如果存在标注m ”的结点z y 且v s s ：觚m ”，那 么。 m ( s ) ：j 叫( s ) ，矿m ：( s ) m 。( s ) 、- 。o t n e r s 2 ) 其它情况m = 尬。 定义2 5 可达图( i k a c h a b i l 姆g m p h ) 令= 岱，乃只k 矿，是一个有限的p 厂r 系统，的可达图是由标识( 标记值可能由( i ) l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表示) 为结点的图，其弧线由丁元素标注。可达图由下列算法构成： ( 1 ) 两个可达树的结点是等价的证它们有相同的标注觚 ( 2 ) 可达图的结点是它的可达树结点的等价类。从结点】，到结点z 的弧线标注为r ， 砸砂】，且j z z 使得在可达树中枷到z 有弧线r 。 可达图是可达树中相同结点的重叠。 2 1 3p 耐网的基本结构 p e 仃i 网的基本结构有【2 3 】： ( 1 ) s m ( s t a t em a c l l i n e ) 。在s m 里，每一个变迁都有一个输入位置和一个输出位置， 见图2 2 ( a ) 。 ( 2 ) m g ( m 矗k e dq 砷”。在m g 里，每一个位置都有一个输入变迁和一个输出变迁， 见图2 2 ( b ) 。 ( 3 ) f c ( f r c h o i c e ) 。在f c 里，来自位置的每一条弧要么是唯一的输出弧，要么是 变迁唯一的输入弧，见图2 2 ( c ) 。 t ：a = p 1 灸挖p 羹： ( 柚疆( b ) 翳( c ) f c 图2 2p e t r i 网基本结构 f i g2 - 2 酗s i cs t r i i 咖糟o f p e t r in e t 在这些p e t r i 网结构里，m g s 允许同步操作存在，但不会有冲突事件发生。s m s 不 存在同步操作的情况。而f c s 结合了m g s 和s m s 在结构上的特点，即在f c s 中既可 以存在s m 的冲突结构也可以存在m g 的同步结构。因此，在我们所讨论的建模技术中， 是基于f c 结构建立的整个网。