淺談程序重構(gòu)識別的研究與實現(xiàn)

張寶春

一、研究背景

軟件也是有生命周期的，在軟件使用過程中，軟件需要升級、更改，以適應(yīng)新的需求。一般軟件的更改都是迫于外部的壓力，譬如客戶要求或者是行業(yè)競爭。而這些更改必然會對程序原有的結(jié)構(gòu)造成破壞，降低質(zhì)量，提高程序復(fù)雜度，結(jié)果軟件使用的維護(hù)成本被提高，以后再次升級將會變得困難。Brooks指出所有軟件都存在這個問題，而且修復(fù)進(jìn)行得越晚，成本越高，代價越大，直到代價超過重新開發(fā)。解決這個問題，需要一種能夠提高軟件質(zhì)量同時降低程序復(fù)雜度的技術(shù)。重構(gòu)就是能夠解決這個問題的一項重要技術(shù)手段。重構(gòu)是指在不改變軟件外部行為的前提下，以提高軟件內(nèi)部質(zhì)量為目的，對軟件實施更改的一種技術(shù)。重構(gòu)過程有三個階段：

1.識別：找出需要重構(gòu)的地方，確定重構(gòu)的方式；

2.代碼實施：對需要重構(gòu)的位置的代碼進(jìn)行重構(gòu)；

3.驗證：驗證重構(gòu)后和重構(gòu)前的程序能否實現(xiàn)相同的功能，不能因為重構(gòu)改變代碼的功能。

我們重構(gòu)的目的是最終讓系統(tǒng)更加簡單，也就是說，讓系統(tǒng)職責(zé)分配更清晰，代碼復(fù)雜度更低。

重構(gòu)的主要功能是通過軟件的修復(fù)來提高軟件的性能。因此，重構(gòu)可作為一項軟件輔助技術(shù)應(yīng)用到大部分軟件的維護(hù)活動中去：

1.重構(gòu)是一種重要的預(yù)防性維護(hù)措施。它既不修正錯誤，又不增加新功能，而是用于提高代碼可讀性或改變代碼內(nèi)部結(jié)構(gòu)與設(shè)計。它通過對類、變量和方法的重新分配，降低代碼冗余度，提高軟件質(zhì)量（如模塊性、重用性、復(fù)雜性、可維護(hù)性、可理解性和效率）。

2.重構(gòu)可用于逆向工程中，它能夠分析遺留系統(tǒng)，使惡化的代碼重新組織，轉(zhuǎn)換成良好的形式。特別是我們需要給現(xiàn)有程序添加新的功能很困難的時候，開發(fā)人員先進(jìn)行代碼重構(gòu)，新功能的添加就會特別簡單。

重構(gòu)的過程是對代碼進(jìn)行更改，這涉及裝程序，所以重構(gòu)不是一個簡單的輕量級的軟件技術(shù)，需要花費(fèi)大量的精力和時間：

1.識別程序中哪些地方存在“壞味道”、哪些代碼需要被重構(gòu)是重構(gòu)的難點，因為對于“壞味道”的理解取決于很多因素，在很大程度上存在主觀性。因此，如何自動識別重構(gòu)對象是限制重構(gòu)技術(shù)發(fā)展的瓶頸，目前大部分工作都是基于人工的代碼檢測，大大降低重構(gòu)效率，這也是制約重構(gòu)發(fā)展的最大障礙。

2.在重構(gòu)實施階段，需要對“壞味道”進(jìn)行調(diào)整，使得問題代碼按照預(yù)期的方式進(jìn)行調(diào)整。對這些代碼的修改必定會影響到程序中的其他部分，需要為不同的“壞味道”設(shè)計安全的程序轉(zhuǎn)換。為了避免重構(gòu)過程牽涉到整個程序，要限定重構(gòu)的規(guī)模。在同一個程序中，同樣類型的“壞味道”會重復(fù)多次出現(xiàn)，只是表現(xiàn)形式不同，要使一次重構(gòu)實施能同時修改所有具有相同類型的問題代碼。這些都是在重構(gòu)實施階段需要被考慮的問題。

3.重構(gòu)后的代碼必須能夠正確運(yùn)行，并具有與原程序相同的行為。不幸的是，對正確性和行為不變性的研究十分缺乏。這主要是因為程序的行為會涉及運(yùn)行時的動態(tài)信息，而重構(gòu)是一種靜態(tài)的代碼分析技術(shù)。要把動態(tài)的行為通過靜態(tài)的方式來驗證，是一項重大挑戰(zhàn)。

我們可以通過一種形式化的圖轉(zhuǎn)換技術(shù)，建立一個完整的重構(gòu)模型。首先，把程序轉(zhuǎn)換成等價的圖表示，識別出圖中具有不合理關(guān)系的“壞味道”作為重構(gòu)對象；然后，通過程序切片技術(shù)，提取與重構(gòu)對象相關(guān)的語句，按照圖轉(zhuǎn)換規(guī)則對其實施重構(gòu)；最后，驗證被轉(zhuǎn)換的圖仍表示一個正確的程序，且轉(zhuǎn)換前后具有相同的行為。

二、重構(gòu)識別的現(xiàn)狀

目前，對重構(gòu)對象的識別主要依靠手動方法，這樣不但效率低，而且正確性不高，從而制約了重構(gòu)技術(shù)的發(fā)展。因此，自動識別重構(gòu)對象對重構(gòu)技術(shù)的發(fā)展非常重要?，F(xiàn)有的重構(gòu)識別方法主要通過程序分析、可視化和度量等技術(shù)來輔助實現(xiàn)。

識別重構(gòu)對象的方法之一是靜態(tài)分析。Kamiy首先提出一種自動識別克隆代碼的技術(shù)，消除程序中的冗余代碼。Katao利用動態(tài)分析技術(shù)，開發(fā)出能夠自動檢測程序不變量的工具Daikon，進(jìn)而刪除不影響程序運(yùn)行的不變量。

另外一種識別重構(gòu)對象的方法是可視化技術(shù)，它根據(jù)不同需求，將程序在不同層次進(jìn)行抽象，然后在這個抽象層次上發(fā)現(xiàn)潛在的“壞味道”。Simon利用基于度量的可視化技術(shù)，把程序的內(nèi)聚度在2D圖上抽象出來，輔助維護(hù)人員識別重構(gòu)對象。Bohnet將組件之間的交互（調(diào)用關(guān)系）可視化在3D空間，在不同的抽象層次（從方法間的交互到系統(tǒng)間的交互）上分析組件之間的交互，從而識別不合理的調(diào)用關(guān)系。

度量技術(shù)也是重構(gòu)識別的重要方法。如Chidamber提出的LCOM度量可反映一個類中的方法與屬性之間交互的緊密程度。Briand提出一種針對類的接口的度量，來分析這個類的接口定義的是否合理。Sheetz等通過Fan-out度量，來反映一個類與外界的耦合度，這可以幫助識別程序中類間交互的“壞味道”。Ott在一些簡單度量的基礎(chǔ)之上，定義了一種基于切片的內(nèi)聚度度量，通過計算一個指定的變量在模塊內(nèi)的切片，可間接地計算該模塊的內(nèi)聚度，從而識別出一些重構(gòu)對象。而Simon也結(jié)合前人思想，定義出能夠精確反應(yīng)模塊內(nèi)聚度的度量函數(shù)，根據(jù)元素間共享的屬性個數(shù)來決定模塊的內(nèi)聚度。這些方法都可用來輔助維護(hù)人員識別程序中某種“壞味道”。

三、重構(gòu)工具

在以上各種技術(shù)的支持下，學(xué)者們開發(fā)出大量的重構(gòu)工具。XRefactory是一種帶有預(yù)處理功能的重構(gòu)工具，可以對C和Java程序進(jìn)行重構(gòu)。Smalltalk Refactoring Browser是一個半自動化的重構(gòu)工具，維護(hù)人員通過選定一段帶有“壞味道”的代碼，并指定使用何種重構(gòu)方法，便可自動執(zhí)行相應(yīng)的重構(gòu)。它已經(jīng)集成到許多IDES之中（如VisualWorks， TogetherJ， JBuilder， Eclipse）。另外，Casais提出對Eiffel程序進(jìn)行類層次關(guān)系重構(gòu)的工具。Guru是一種對Self程序進(jìn)行自動化重構(gòu)的工具，可以從類層次結(jié)構(gòu)中提取出公共部分組成新的父類，也可以從方法中提取出共享代碼組成新的方法。同時，Casais和Tichelaar分別提出降低程序?qū)嶓w間依賴性的重構(gòu)工具。Sunye把重構(gòu)與CASE工具進(jìn)行集成。Tourwe和Meuter指出被編譯器執(zhí)行的優(yōu)化也可以被看作是一種自動化重構(gòu)，雖然這些優(yōu)化轉(zhuǎn)換是對用戶完全透明的，但它的目的是提高程序的效力，并保持程序的外部行為不變。

在常用的重構(gòu)工具中，SlickEdit和Ref++是兩款功能完善的C++重構(gòu)工具，他們與Visaul Stuido平臺直接集成，可以對代碼實施Extract Method和Modify Parameter等十多種重構(gòu)。而XRefactory]和JFactor是被廣泛使用的Java自動化重構(gòu)工具，被無縫集成到Eclipse平臺中，實施一些簡單的原子重構(gòu)，輔助維護(hù)人員對程序的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善。在某些情況下，全自動化工具存在一些劣勢，因為重構(gòu)全部自動化，可能做了太多的工作，會使一部分被重構(gòu)后的程序比之前更難理解。交互式重構(gòu)工具可能不存在這樣的劣勢，但交互式重構(gòu)工具需要大量的人機(jī)交互，這是一件耗時的事情。不論怎樣，半自動化重構(gòu)工具在實際應(yīng)用中的使用范圍最廣，因為一些重構(gòu)所需的知識不能從軟件中被提取，卻可以從人腦中得知。

四、研究內(nèi)容

目前對重構(gòu)技術(shù)的研究比較分散，對于重構(gòu)的不同階段，使用的技術(shù)各不相同，缺少統(tǒng)一的重構(gòu)模型和基礎(chǔ)技術(shù)支持。我們可以用基于程序切片的形式化方法對程序進(jìn)行重構(gòu)識別、實施和驗證。這種形式化的重構(gòu)模型以圖表示作為基礎(chǔ)技術(shù)，把一個程序用圖表示出來，那么重構(gòu)就相當(dāng)于圖轉(zhuǎn)換文法中的一條產(chǎn)生式規(guī)則，一個重構(gòu)的前置條件對應(yīng)為圖轉(zhuǎn)換文法中一條產(chǎn)生式的前置條件。該方法先把程序轉(zhuǎn)換成等價的圖表示，所有的重構(gòu)過程都在圖的基礎(chǔ)上完成，形成一個統(tǒng)一的重構(gòu)體系。

最主要的研究內(nèi)容為以下三方面：

1.重構(gòu)識別

在圖中構(gòu)造元素之間的依賴關(guān)系，生成程序依賴圖，在此基礎(chǔ)上定義一種度量函數(shù)來計算元素間的控制關(guān)系，根據(jù)度量結(jié)果，識別元素間不合理的耦合關(guān)系，從而自動識別出程序中的“壞味道”。該技術(shù)可以自動分析源代碼，指出程序中不合理的地方，改變了以往手動重構(gòu)識別所帶來的主觀性和效率問題，解決了重構(gòu)的瓶頸，為自動化重構(gòu)實施打下良好基礎(chǔ)。

2.重構(gòu)實施

通過向圖中的節(jié)點和邊中加入類型信息，把程序依賴圖擴(kuò)展為類型圖。類型圖包含了重構(gòu)實施過程所需的必要信息。在重構(gòu)和類型圖轉(zhuǎn)換之間建立起等價關(guān)系，將程序的重構(gòu)過程變?yōu)閷D的轉(zhuǎn)換過程。通過類型圖的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生式表示重構(gòu)，可以使重構(gòu)對象按照預(yù)想的方式進(jìn)行調(diào)整，并使一次重構(gòu)實施能夠同時修改所有具有相同類型的問題代碼。為了避免重構(gòu)過程牽涉到整個程序，減少重構(gòu)的影響集，可以借助程序切片技術(shù)計算出與重構(gòu)對象相關(guān)的代碼，使重構(gòu)過程僅在切片中進(jìn)行。

3.重構(gòu)驗證

為保證重構(gòu)的正確性，可以預(yù)先為重構(gòu)產(chǎn)生式定義一些前置條件，使得能夠滿足條件的程序才能被重構(gòu)，且保持程序的正確性。在保證重構(gòu)正確性的前提下，才能驗證重構(gòu)是否保持程序行為的不變性。本文基于近似性原理，定義一些能夠代表程序行為的圖屬性，通過驗證在重構(gòu)實施前后圖的行為屬性是否被改變，從而證明重構(gòu)是否保證程序的行為不變性。該方法避免了使用靜態(tài)方法驗證程序的動態(tài)行為帶來的弊端。

五、總結(jié)展望

通過識別出軟件中的“壞味道”，對其實施重構(gòu)，調(diào)整軟件的結(jié)構(gòu)使之更加合理，從而提高軟件質(zhì)量，進(jìn)而有利于程序理解和錯誤定位等其他軟件維護(hù)活動，大大降低軟件維護(hù)的成本。隨著統(tǒng)一重構(gòu)模型技術(shù)的發(fā)展逐漸成熟，它勢必會得到軟件維護(hù)人員的重用，成為必不可少的一項軟件維護(hù)手段。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Brooks F. The Mythical Man-Month [M]. New York： Addison-Wesley， 1975.

[2] Emden E V， Moonen L. Java quality assurance by detecting code smells [C] . Proceedings of Working Conference Reverse Engineering， Amsterdam， Netherlands， 2002： 97-108.

[3]Czibula I G， erban G. Improving Systems Design Using a Clustering Approach [J]. International Journal of Computer Science and Network Security， 2006， 6（12）：40-48.

[4]Sunye G， Pollet D， LeTraon Y， et al. Refactoring UML models [J]. Lecture Notes in Computer Science， 2001， 21（85）： 134-138.