（计算机科学与技术专业论文）预见式自适应软件体系结构的研究.pdf

摘要 摘要 软件生存环境中的可变性为增强体系结构为基础的自适应开辟了新的思路。 由于软件生存环境的要素存在多样性和复杂性的特点，这就决定着自适应行为的 不确定性。为了解决不可预期的自适应，需要重新设计当前传统的被动式的自适 应体系结构模型( r e a c t i v es e l f - a d a p t a t i o n ，r s a ) 。传统的r s a 的局限在于：适应 性的过程是预先计划的并且局限于一个有限的范围。理想的系统应该具备：预期 在不久的将来用户可能的服务并调整系统的行为以便于能够适应于新的软件生 存环境。生存环境的不确定性以及应用服务的内在不可预知性和复杂性迫切要求 自适应具有预见性，即预见式的自适应( p r o a c t i v es e l f - a d a p t a t i o n ，p s a ) 。和传统 的r s a 相比，p s a 能预见不远的将来和调整系统的行为以适应新的环境。通过组 合来自系统管理的观察和p s a 的认知能力，系统能够作出合理的决策，从而实现 预见性的自主管理过程，减少了人工干预。基于审查不确定性来源的预见式的自 适应软件体系结构可以使得自适应系统具有更好的可预见性和更加智能的行为， 同时对于自适应政策的冲突消解有利于产生一致的动作。 在软件体系结构自适应研究中，存在着以下三个十分显著而重要的问题：一 是对软件生存环境的分析问题；二是对可预见性的研究问题；三是实施自适应动 作的约束问题。对于这三个问题的研究具有非常重要的意义，迫切需要从理论和 实践两方面加以解决。本文针对软件生存环境的可变性，提出了可预见式自适应 软件体系结构模型l i z a r d ，重点解决了对软件生存环境的不确定性建模问题、预 测系统行为问题和实施非冲突的政策问题，集中突破了体系结构的预见式行为方 法的难点，从而为可预见式的自适应体系结构提供理论和实现基础。本文的主要 工作内容包括以下四个方面： 1 ) 实现了对生存环境的不确定性本体推理建模。 给出了基于化学抽象机的预见式自适应体系结构规约一一c 五俐尸 蜘，通过基 于框架的本体建模技术把不确定性写入c h a m p s a 的描述中，便于体系结构模拟、 i i i 浙江大学博士学位论文 推理和分析。实现了体系结构为基础的自适应的形式化推导。 2 ) 提出了基于隐m a r k o v 模型的体系结构预见式的自适应方法。 通过把系统行为视为一个随机过程，本文方法的核心在于试着刻画目标系统 的统计学属性。本文利用隐m a r k o v 的数学特征并通过建模用户请求行为和运行 时上下文实现运行时自适应。通过预见式的自适应提高了系统的预见能力。本文 的方法是新颖的，因为一方面用标准的体系结构模型作为“杠杆”，另一方面用相 关的体系结构元素量化系统行为。 3 ) 建立了基于e c a 规则的自适应语言模型h u m b 拓。 以扩展e c a 规则作为定义政策的语义基础，将使自适应体系结构中的政策具 有机器可理解的语义，进而可以显著促进政策导向的自主管理和协同工作。由于 影响系统运行时变化的各种因素之间可能存在着冲突，基于扩展e c a 规则本体的 政策表示有良好的语义基础，有助于政策冲突的消解。该方法的核心在于通过把 驱动体系结构演化的生存环境因素编织成政策，并以此为指导实现体系结构演 化。 4 ) 实现了可预见式的自适应体系结构框架l i z a r d 。 l i z a r d 框架是一个体系结构为基础的可预见式的自适应方法。本方法是通过 考虑多个自适应目标的情况下基于审查不确定性来源进行研究的。利用隐m a r k o v 模型，l i z a r d 能够从目标系统的历史行为中加以学习，最终可使体系结构生成预 见式的自适应行为，从而实现了p s a 的目标。使用了基于政策的自适应编织语言 h u m b l e 解决在s a 演化过程中多个自适应动作的冲突问题。 本论文受到8 6 3 计划专题项目( n o 2 0 0 7 a a 0 1 2 1 8 7 ) 和霍英东教育基金 ( n o 9 4 0 3 0 ) 的资助，在此表示感谢。 模型 i v 关键词：软件体系结构，预见式自适应，不确定性，政策编织，隐m a r k o v 浙江大学博士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec h a n g e a b i l i t yo f s o f t w a r e s u r v i v i n ge n v i r o n m e n tp a v e st h ew a yf o r s t r e n g t h e n i n ga r c h i t e c t u r e - b a s e ds e l fa d a p t a t i o n d i v e r s i t ya n dc o m p l e x i t yd e t e r m i n e s t h eu n c e r t a i n t yo fs e l f - a d a p t a t i o n t h eu n a n t i c i p a t e ds e l f - a d a p t a t i o nc a l l sf o rr e v i s i t i n g c u r r e n tr e a c t i v es e l f - a d a p t i v e ( r s a ) m o d e l t h et r a d i t i o n a lr s am e t h o dp u t si t s e l ft o s o m ee x t e n tt h a tt h ea d a p t a t i o np r o c e s sc a no n l yb ep r e p l a n n e da n dd e f i n e dt oa l i m i t e ds p a c e i d e a ls y s t e m sc a np r e d i c tu s e rr e q u e s ti nr e c e n tf u t u r ea n da d j u s tt h e b e h a v i o r so ft h es y s t e mt os u r v i v eu n d e rt h en e ws u r v i v i n ge n v i r o n m e n t t h e u n c e r t a i n t yo fs u r v i v i n ge n v i r o n m e n t ，t h eu n a n t i c i p a t e da n dc o m p l e xa p p l i c a t i o n s u r g e n t l yr e q u i r es e l f - a d a p t a t i o nt ob ep r o a c t i v e ，i e ，p r o a c t i v es e l f - a d a p t a t i o n ( p s a ) c o m p a r e dt or s am o d e l ，p s ac o u l da n t i c i p a t er e c e n tf u t u r ea n da d j u s tt h eb e h a v i o r s o ft h es y s t e mu n d e rc o n s i d e r a t i o nt ob ea d a p t i v et ot h en e ws i t u a t i o n so v e rt i m e s o u n da d a p t a t i o np o l i c i e sc a nb ed e t e r m i n e db yc o m b i n i n go b s e r v a t i o nf r o ms y s t e m a d m i n i s t r a t o r sa n dt h e c o g n i t i v ep o w e r s o fp s a t h e r e f o r e ， a p p l i c a t i o n s c a n i m p l e m e n tt h ep r o a c t i v ea u t o n o m i cm a n a g e m e n ta n dr e d u c em a n u a lo p e r a t i o n s e l f - a d a p t i v es y s t e m sa r ep r e d i c t i v ea n ds m a r tu s i n gp r o a c t i v es e l f - a d a p t i v es o f t w a r e a r c h i t e c t u r eb yi n s p e c t i n gs o u r c eo fu n c e r t a i n t y m o r e o v e r , c o n f l i c t i o nr e s o l u t i o ni s b e n e f i c i a lt og e n e r a t ec o n s i s t e n ta c t i o n s t h e r ea r et h r e ev e r yi m p o r t a n ta n ds i g n i f i c a n tp r o b l e m si nt h er e s e a r c ho n s e l f - a d a p t i v es a ( s o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) ：1 ) a n a l y s i s o fs o f t w a r e s u r v i v i n g e n v i r o n m e n t ，2 ) r e s e a r c ho np r o a c t i v es e l f - a d a p t a t i o n ，a n d3 ) c o n s t r a i n t so fp e r f o r m i n g s e l f - a d a p t i v ea c t i o n s i ti su r g e n ti m p o r t a n c et om a k er e s e a r c ho na b o v ep r o b l e m s w e s h o u l dr e s o l v et h e mf r o mb o t ht h e o r e t i ca n dp r a c t i c a lv i e w s t h ed i s s e r t a t i o na i m sa t v a r i a b i l i t yo fs o f t w a r es u r v i v i n ge n v i r o n m e n t w ep r o v i d eap r o a c t i v es e l f - a d a p t i v es a m o d e l - - - - l i z a r d , f o c u s i n g o nr e s o l u t i o no f m o d e l i n gu n c e r t a i n t y o fs u r v i v i n g e n v i r o n m e n t ，p r e d i c t i o no fb e h a v i o ro fs y s t e m sa n di s s u eo fn o n c o n f l i c tp o l i c i e s a c c o r d i n g l y , t h ed i s s e r t a t i o np r o v i d e s t h e o r e t i ca n dr e a lb a s i sf o r p r o a c t i v e s e l f - a d a p t i v es a t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n t r i b u t i o n so fo u rw o r ka r ea sf o l l o w s v 浙江大学博士学位论文 f i r s t ，w em o d e lt h eu n c e r t a i n t yo n t o l o g yo fs u r v i v i n ge n v i r o n m e n to fs o f t w a r e t h es p e c i f i c a t i o no fp r o a c t i v es e l f - a d a p t i v es ai sp r o v i d e db yc h e m i c a la b s t r a c t m a c h i n e ( c h a m ) ，c a l l e da sc h a m p s a w em o d e lt h eu n c e r t a i n t yi nc h a m p s ab y f r a m e b a s e do n t o l o g y i ti sc o n v e n i e n tf o ra r c h i t e c t u r a ls i m u l a t i o n ，r e a s o n i n ga n d a n a l y s i s f o r m a ld e r i v a t i o no fs e l f - a d a p t a t i o nb a s e d o ns ai sp r e s e n t e d s e c o n d ，w ep r o v i d et h em e t h o do fp s ab a s e do nh m m ( h i d d e nm a r k o vm o d e l ) t h eb e h a v i o ro fs y s t e mi sr e g a r d e da ss t o c h a s t i cp r o c e s s t h em e t h o df o c u s e so n c h a r a c t e r i z i n go fs t a t i s t i c a lp r o p e r t yo ft a r g e ts y s t e m w ee m p l o yt h em a t h e m a t i c c h a r a c t e r i s t i co fh m mt oa c h i e v ep r o a c t i v es e l f - a d a p t a t i o na tn m t i m eb ym e a n so f m o d e l i n gt h eb e h a v i o ro fu s e rr e q u e s t sa n dt h er u n t i m ec o n t e x t t h ep r e d i c t a b i l i t yo f s y s t e mi ss t r e n g t h e n e db yp r o a c t i v es e l f - a d a p t a t i o n t h ea p p r o a c hi s n o v e la si t l e v e r a g e ss t a n d a r ds o f t w a r e a r c h i t e c t u r em o d e l s ，a n dq u a n t i f i e sb e h a v i o r so ft h e s y s t e mi nt e r m so fr e l e v a n ta r c h i t e c t u r a le l e m e n t s t h i r d ，w eb u i l d t h ee c a - b a s e d s e l f - a d a p t i v el a n g u a g e m o d e l h u m b l e c o n s i d e r i n gt h ee x t e n d e de c ar u l ea st h es e m a n t i cb a s i sf o rd e f i n i n gp o l i c y , t h e p o l i c i e s o f s e l f - a d a p t i v e s ah a v em a c h i n e u n d e r s t a n d a b l es e m a n t i c t h i sc a n s i g n i f i c a n t l yp r o m o t ep o l i c y o r i e n t e ds e l f - m a n a g e m e n ta n dc o l l a b o r a t i v ew o r k t h e r e i sc o n f l i c t i o na m o n gm u l t i p l ef a c t o r sr e s u l t i n gi nv a r i a b i l i t yo fr u n t i m es y s t e m u s i n g t h ee x t e n d e de c ar u l eo n t o l o g y , p o l i c i e sh a v ef a v o r a b l es e m a n t i ca n da r eh e l p f u lt o r e s o l v et h e s ec o n f l i c t i o n t h ec o r eo ft h em e t h o di st ow e a v i n gt h ed r i v i n gf a c t o r so f s u r v i v i n ge n v i r o n m e n ti n t op o l i c i e s ，w h i c hg o v e m t h ee v o l u t i o no fs a l a s t ，w ei m p l e m e n tt h ep s af r a m e w o r k 一- l i z a r d , w h i c h i sa p r o a c t i v e s e l f - a d a p t i v em e t h o db a s e do ns a w eb a s e t h er e s e a r c ho l lm u l t i p l eo b j e c t so f s e l f - a d a p t a t i o nb yi n s p e c t i n gt h es o u r c eo fu n c e r t a i n t y l i z a r dc a nl e a mf r o mh i s t o r y b e h a v i o ro fs y s t e mu n d e rc o n s i d e r a t i o n ，t h e ng e n e r a t ep r o a c t i v es e l f - a d a p t i v ea c t i o n s ， r e a l i z i n gt a r g e to fp s a h u m b l el a n g u a g eh e l p sf o rs a e v o l u t i o nt or e s o l v ec o n f l i c ti n m u l t i p l es e l f - a d a p t a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nw a ss u p p o r t e di np a r tb y8 6 3n a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g y p r o g r a m ( n o 2 0 0 7 a a 0 1z 18 7 ) ，a n di np a r tb yf o ky i n gt u n ge d u c a t i o nf o u n d a t i o n ( n o 9 4 0 3 0 ) v i 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t k e y w o r d s ：s o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，p r o a c t i v es e l f - a d a p t a t i o n ，u n c e r t a i n t y , p o l i c y w e a v i n g ，h i d d e nm a r k o vm o d e l v i i 图目录 图目录 图1 1 构件和连接子配置图4 图1 2 自适应的外部控制使用外部模块来动态的监控和修改系统7 图2 1 体系结构的构件本体1 8 图2 2 体系结构表示图例一1 8 图2 3 行为槽本体建模19 图2 4 演化槽本体建模2 2 图2 5 类属槽本体建模一2 3 图2 6q o s 槽本体建模2 4 图2 7 带有a d w 连接子的构件模型2 6 图2 8 基于a d w 连接子的s a 重构2 7 图2 9 体系结构的连接子本体一2 8 图2 1 0 利它锁的加锁、解锁和转让算法3 2 图2 11c h a i n p s a 导出l t s 算法一3 3 图2 1 2 计算i f b l i 算法3 5 图2 13m a x 块处理算法3 5 图2 14m i n 块处理算法3 6 图3 1 健康评估在线服务系统各环境因素的影响因子4 0 图3 2p s a 演化驱动因素4 1 图3 3 软件生存环境的产生式系统4 3 图3 4 软件生存环境的产生式系统4 5 图3 5 生存环境本体模型s u r v o n t o m 4 6 图3 6 生存环境不确定性本体模型u n c e r o n t o m 5 0 图4 1h u m b 纪语言的事件谓词5 5 图4 2 感知器的类实现6 0 图4 3 冲突消解的算法一6 8 图4 4 自适应的冲突消解框架q i n e r 6 9 图4 5h e s 初始构件模型7 1 图4 6h e s 的编织政策w p 7 1 图4 7h e s 演化后的构件模型7 2 图4 8 政策和值约束对应的x m l 文件7 3 图4 9 冲突消解方法的影响7 4 图4 1 0 在不同情况下政策冲突消解的代价7 5 图5 1 服务器分派客户端的请求8 0 图5 2 请求序列形成的h m m 模型8 0 图5 3 上下文x m ls c h e m a 8 3 图5 4c o m p o n e n t 调用路径8 4 i i i 浙江大学博士学位论文 图5 5h m m 引擎处理过程8 5 图5 6p s a 实例8 6 图5 7 预见式的自适应框架己f z 口耐一8 8 图5 8 环境感知和资源捕获9 0 图5 9 环境感知和资源捕获实例9 1 图5 1 0h m m 训练流程图9 2 图5 1 1b a u m w e l c h 算法训练过程9 3 图6 1 某客户的糖尿病风险评估9 7 图6 2h e s 体系结构模型9 8 图6 3 八个v c 的新的状态转移概率1 0 2 图6 4 八个v c 的新的观察值概率1 0 3 图6 5l i z a r d 对传统方法的性能改进1 0 4 表目录 表目录 表1 1 四种s a 的比较1 0 表2 1 行为槽谓词2 0 表2 2 行为槽侧面谓词2 0 表2 3 演化槽侧面谓词2 2 表2 4 类属槽侧面谓词一2 3 表3 1p s a 演化驱动因素分类4 2 表3 2 生存环境本体框架一4 6 表4 1 事件操作符5 6 表4 2a m r 的三个谓词5 7 表4 3 类型映射6 1 表4 4 信息元映射6 1 表4 5 方法映射6 2 表4 6 政策规则的分类一6 2 表4 7 实验环境7 0 表5 1 请求序列的状态转换表8 l 表5 2 感知器类型描述实例一9 2 表6 1 体检结果值及其对风险评估的影响9 7 表6 2 疾病评估构件1 0 1 表6 3 初始状态转移概率1 0 1 表6 4 初始观察值概率1 0 1 v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿态堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：多彳 答字嗍：哆年 学位论文版权使用授权书 l f 日 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字嗍：砷州 导 签字e t 期：年月日 日 虿州 m 月 致谢 致谢 又一个春暖花开的季节，在玉泉生活了将近四年的时光，似乎终于要到告别 的时候了。有很多不舍，舍不得这里的宿舍、花草、老和山，还有我见过的最美 的雪，当然更舍不得这里的人。在伴随着快乐、痛苦和兴奋的博士四年时光里， 在我尊敬的导师应晶教授的悉心指导下，我完成了博士学位论文、相关科研活动、 公开发表文章、参加国际会议等充满快乐而艰辛的任务，在所有的工作中，都浓 缩和凝聚着导师的心血和汗水! 在此，向应老师表示诚挚的感谢和深深的敬意! 应老师对问题有着深邃的洞察力，每每能对问题给予的高屋建瓴的指导。应老师 和蔼可亲、平易近人，对学生关怀备至。导师渊博的知识、严谨求实的治学态度、 一丝不苟的工作作风、诲人不倦的师者风范和敏锐的科学洞察力给我留下了极为 深刻的印象，深深地感染着我，并始终影响和激励着我开展研究工作。应老师是 我学习的榜样。 深深的感谢我的父母和岳父母，他们的鼓励和期望一直是我的前进的动力， 是他们在生活上无徼不至的关怀和照顾使我能顺利的完成学业。 感谢软件工程实验室的一群风华正茂的有志青年，他们不仅仅使我感受到科 研团队的力量，也使我感受到生活的充实和愉悦! 尤其感谢方敏、邬惠峰、蒋涛、 吕嘉等博士在学术上所给予的莫大帮助! 此外，还要特别感谢e s e 实验郑能干、 高志刚等博士对我科研上的友善帮助，让我得到很多启发。 感谢在参加c o m p s a c 2 0 0 7 会议期间s h i p i n gc h e n 博士和j e n n yl i u 博士对 我的指导，让我明白如何分享自己的学术成果并从与别人的讨论中获益。 特别地，我要感谢我的妻子费红枫，她的可爱给我的读博生活带来了很多快 乐的回忆。她在我论文期间时常的“打搅”让我有时间“分心”，去和她分享快 乐的、郁闷的种种事情。同时，也要向我们即将出世的宝宝小声的表示谢谢一一 她一直很乖哦。 感谢同窗好友刘海强、樊洪、严志勇、刘亚波、占志峰等博士在读博期间生 活上的互相帮助，友好的相处使我们建立了深厚的友谊。也要感谢玉泉校区1 4 浙江大学博士学位论文 舍管理员朱渭生大伯对初入玉泉的我关于宿舍生活上的照顾，他的和蔼可亲让我 时常感受到温暖的气息。 感谢我的班主任老师高睛，对我们学 - - j 生活上的照顾体现了老师的风范。 最后，向所有直接或间接帮助过我的老师、同学、同事、工作人员，以及本 文的评阅老师表示感谢，谢谢他们! i l 王华 二零零九年三月十日于老和山脚 第l 章绪论 第1 章绪论 由于计算变得无处不在并且集成到日常的设备中( 如p d a ) ，基础性资源( 如 带宽) 和信息资源( 如特定位置) 的数据将会动态的变化。每个用户的需要随着 时间的改变而改变，而且不同的用户有不同的需求。动态地适应这些改变将有助 于用户利益最大化。要达到这个目的不仅需要自适应性的软件体系结构，而且需 要构件说明用来映射用户需求的交化以及构件的内在属性。近来，增加自治的适 应性能力到软件敏感的系统中典型的是以a d - h o c 方式进行的，即通过特定的专门 方法提高软件自适应。然而合适的解决方式应该是借助软件体系结构来提供一种 合成的和系统的模型。为了满足日益出现的变化的用户需求和期望，软件系统应 该是自适应f 1 1 的以防止软件系统结构恶化。因此，迫切需要一种能够支持动态地 适应变化的软件生存环境的软件体系结构。 为了解决不可预期的自适应，需要重新设计当前传统的被动式的自适应软件 体系结构模型( r e a c t i v es e l f - a d a p t a t i o n ，r s a ) 。传统r s a 的局限在于：适应性的 过程是预先计划的并且局限于一个有限的范围。系统应该具备：预测在不久的将 来用户可能的服务请求并调整系统的行为以便于能够适应于新的软件生存环境。 应用服务的内在不可预知性和复杂性使得预见式的自适应方式( p r o a c t i v e s e l f - a d a p t a t i o n ，p s a ) 应运而生。p s a 方法提出了两个技术性的挑战：一个是模型 能够从环境中学习，另一个是当考虑多个不同的q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 维度时 如何解决潜在冲突的问题。和传统的r s a 相比，p s a 能预见不远的将来和调整系 统的行为以适应新的环境。通过组合来自系统管理的观察和p s a 的认知能力，系 统能够作出合理的决策，从而实现预见性的自主管理过程，减少了人工干预。 基于审查不确定性来源的预见式的自适应软件体系结构可以使得自适应系 统具有更好的可预见性和更加智能的行为，同时对于自适应编织政策的冲突消解 有利于产生一致的动作。 1 1 研究背景 上个世纪6 0 年代的软件危机使得人们开始重视软件工程的研e t 2 , 3 1 。起初， 浙江大学博士学位论文 人们把软件设计的重点放在数据结构和算法的选择上，随着软件系统规模越来越 大、越来越复杂，人们慢慢的把工作重心由算法的选择以及数据结构的设计转变 为系统的全局结构的设计和规划。对于大规模的复杂软件系统来说，对总体的系 统结构设计和规格说明的重要性远远超过了特定算法和数据结构的选择f 4 】。人们 已经普遍认识到：为目标系统设计一个合适的软件体系结构( s o f t w a r e a r c h i t e c t u r e ，s a ) 是系统取得长远成功的关键因素【5 】。在此种背景下，人们认识 到软件体系结构的重要性，并认为对软件体系结构的系统、深入的研究将会成为 提高软件生产率和解决软件维护问题的新的最有希望的途径。 另一方面，自2 0 世纪9 0 年代初期以来，由于对软件系统规模、复杂性和质 量等方面需求的不断增长，影响大型软件系统开发的主要问题之一是质量问题。 研究表明，大型软件系统的质量属性主要取决于软件系统的体系结构。 然而，静态的软件体系结构在运行时刻不能发生变化，但是软件生存环境的 动态性要求系统具有动态更新机制。为了保证在用户需求或运行环境发生变化时 不需要系统停止运行，迫切需要一种更为灵活的软件体系结构以便动态的适应软 件生存环境的变化。在软件体系结构层次上实现动态性会给大型软件系统的开发 提供可扩展性、用户自定义和可演化性。可演化的软件体系结构对于那些需要长 期运行或者具有关键任务的系统显得格外重要。目前，具有动态自适应能力的软 件体系结构成为学术界和工业界研究的难点和和热点。 1 2 相关研究现状 在软件体系结构t 的描述方面，业界已经做了大量的研究，这主要包括针对某 一个特定领域的和通用的体系结构建模语言。体系结构描述语言 a d l ( a r c h i t e c t u r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) l 均三个基本元素包括： 1 ) 构件：包含特定逻辑的计算或者数据存储单元； 2 ) 连接子：建立作为体系结构构造单元的构件之间交互的规则。 3 ) 拓扑：描述体系结构的构件与连接件的连接图，也称之为配置图。 1 注：为描述方便，以下把软件体系结构简称为体系结构 2 第1 章绪论 针对这三个方面，很多研究人员提出了各自的体系结构描述语言，主要有： a e s o p 、c 2 、s a d l 、u n i c o n 、r a p i d e 、m e t a h 、w r i g h t 等，尽管这些a d l 都描 述了体系结构，但是各具特色。 a e s o p 支持面向体系结构风格的应用【6 ，7 1 ；c 2 支持基于消息传递风格的用户 界面系统的描述慨9 1 ；s a d l 提供了关于体系结构细化的形式化基础，提出了能够 保证正确性和具有可组合性的体系结构求精模式概念【1 0 ，1 1 1 ；u n i c o n 支持异构的构 件和链接类型并提供了关于体系结构的高层编译器1 2 1 3 1 ；r a p i d e 提供了以事件为 基础的体系结构设计的模型并提供了分析模拟的工具1 4 ，1 5 1 ；m e t a h 为设计者提供 了关于实时电子控制软件系统的设计指导【1 6 ，1 7 1 ；w r i g h t 对体系结构和抽象行为的 精确描述、定义体系结构风格的能力和一组对体系结构描述进行一致性和完整性 的检查【1 8 ，例。另外，为了分类和比较不同的a d l s ，同时能够识别出a d l 的关键 属性，南加州大学的m e d v i d o v i c 提出了一个体系结构描述语言的分类和比较框架 2 0 1 。为了在不同的体系结构开发工具之间提供一种能够互相交换体系结构描述的 公共语言，c m u 的d a v i dg a r l a n 提出了一种体系结构互换语言a c m e 2 1 , 2 2 。 体系结构是由一组构件、连接子和它们之间的约束组成的，同时还包括系统 需求和结构元素之问的对应关系。其中，构件是可预制和可重用的软件部件，是 组成体系结构的基本计算单元或数据存储单元。连接子也是可预制和可重用的软 件部件，是构件之间的连接单元。构件和连接子之间的关系用约束来描述，可以 通过下面的表达式对体系结构进行描述： 软件体系结构( s o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) = 构件( c o m p o n e n t ) + 连接子( c o n n e c t o r ) + 约束( c o n s t r a i n t ) 由此可以认为：构件、连接子和约束是构成体系结构的最基本元素，体系结 构还包括端口( p o r t ) 和角色( r o l e ) 两种基本元素。当构件要和外部的元素进 行交互时，只能通过接口进行信息交互，而构件的端口构成了构件与外部软件生 存环境的交互点，每个构件接口可以由一组端口组成。连接子同样存在接口，连 接子的接口由一组角色组成。该角色表明了参与本次交互的活动者。构件和连接 子的配置图如图1 1 所示。 气 浙江大学博士学位论文 卜 一”i i 厂气n t ；9 r 卜凿l 悃 图1 1 构件和连接子配置图 下面针对自适应体系结构要解决的问题，从传统的软件自适应方法、基于体 系结构的自适应方法以及自适应的不确定性三个方面阐述软件自适应方法的研 究现状。 1 2 1 传统的自适应方法 什么是自适应软件? o r e i z y 认为自适应软件修改自己的行为以便适应操作环 境的改变【2 3 1 。文献【2 4 1 用时序逻辑来制定自适应程序的语义，并借助这种预定义的 逻辑来指定三个公用的适应性语义，同时用自适应语义图可视化地表达这个可适 应性语义。对上下文推理方面，相关的研究包括：提供一个共享的体系结构用来 自动化实现基于用户任务说明书的配置决定2 5 1 ，抽象出效用空间、能力空间、资 源空间、用户偏好和应用程序说明文件五个基本概念，通过一个“偏好函数”( 从 多维的能力空间映射到一维的功效空间) 来表达功效，目的是最大化用户任务需 求和环境能力之间的匹配程度。通过一个算法实现了运行时的重新配置；文献2 6 1 提出用不同的方法处理不同情境的不确定性，如：概率逻辑、模糊逻辑和贝叶斯 网络等。在上下文敏感的反射式中间件m o b i p a d s 的体系结构v - n ，通过服 务链允许移动应用程序从多个m o b i l e t 的组合中获益，只要重新配置当前服务链 就可以响应上下文的改变，通过增加或删除服务链中的m o b i l e t 就可以选择基于 当前受限计算环境的最优的m o b i l e t 组合，从而实现了服务构件的重新配置。仅 仅通过在服务链中对m o b i l e t 的增加或删除并不足以适应变化的上下文环境，为 了允许更细粒度的适应性，m o b i p a d s 体系架构允许在单个m o b i l e t 上的重新配 置。 4 第1 章绪论 s e c e l e a n u 等人利用了一个称为之为行动系统的基于状态的形式化理论来定 义和精化自适应系统【2 引，允许用户应用标准的精化技术实现高层模型。通过提供 的环境能够实现严格的建模和对自适应系统进行推理，用来处理动态变化的用户 需求和潜在的错误情景。然而，这种方法并不允许系统动态行为的建模，因此， 针对某一应用的具体参数是固定的，也就是说，它是通过一个静态的体系结构来 模拟构件之间的动态链接。c h e n g 等人提出了一种新的适应性语言并把它的形式 化理论建立在效用论基础上【2 9 1 ，同时抽取了三个概念操作数、规则和策略作 为基本的本体论基础。把这个本体论基础和策略选择、规则匹配、适应的目标、 规则元信息、失败处理等结合起来，能有效地处理动态变化的软件运行环境。把 含有元信息的规则视为节点组织成一棵策略树，根据节点的概率分布得到一个分 数，最后把得分最高的策略作为选择配置的依据。 1 2 2 基于体系结构的自适应 关于自适应的体系结构，研究者已经从很多方面进行了探索，其中美国卡耐 一基梅隆大学( c m u ) 和加州大学艾尔文分校( u c i ) 的工作最具代表性，比较典 型的有： 1 ) c m u 的s e i 在自适应的体系结构方面做了很多研究。g a r l a n 等人提出了 一个基于体系结构的自适应模型叫a i n b o w 【1 ,