肖卓宇，何 锫，黎 妍

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 涉外學(xué)院，湖南 長沙410042；2.廣州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與教育軟件學(xué)院，廣東 廣州510006；3.湖南高速公路管理局，湖南 長沙410209）

0 引 言

目前存在多種檢測(cè)設(shè)計(jì)模式［1］的技術(shù)與方法，周曉宇等提出了一套以準(zhǔn)確和通用的設(shè)計(jì)模式識(shí)別技術(shù)為目標(biāo)，以層次化特征及靜態(tài)分析為基礎(chǔ)的語義特征識(shí)別技術(shù)，并形成了一個(gè)兼顧語義特征及排除性約束的軟件框架［2］；文獻(xiàn)［3］提出一種對(duì)設(shè)計(jì)模式檢測(cè)結(jié)果的精度進(jìn)行評(píng)估的方法；文獻(xiàn) ［4］使用了抽象的建筑思維語言來記錄設(shè)計(jì)模式的選擇，但其主體的描述和代碼分離，以至于很難被自動(dòng)檢測(cè)。

文獻(xiàn) ［5，6］提出對(duì)設(shè)計(jì)模式中主要角色的特征進(jìn)行注釋，該方法側(cè)重了類結(jié)構(gòu)，但對(duì)類關(guān)系的檢測(cè)缺乏約束機(jī)制；文獻(xiàn) ［7］中允許開發(fā)者依據(jù)源碼，通過面向方面的Java注釋來對(duì)所開發(fā)軟件進(jìn)行不同設(shè)計(jì)模式的選擇，提出了切點(diǎn)的概念，對(duì)類所承擔(dān)不同職責(zé)的角色進(jìn)行了細(xì)化，但缺乏對(duì)角色間變異關(guān)系的識(shí)別。

文獻(xiàn) ［8］基于Gamma的GOF模式分類，提出一種自動(dòng)檢測(cè)設(shè)計(jì)模式的方法，但該方法存在局限性，結(jié)構(gòu)型模式檢測(cè)效果較好，但很多創(chuàng)建型模式難以識(shí)別；文獻(xiàn) ［9］中指出的多種方法能夠?qū)ξ墨I(xiàn) ［8］的不足之處進(jìn)行改進(jìn)，但缺乏對(duì)設(shè)計(jì)模式關(guān)系變異的考慮；作者先前的工作實(shí)現(xiàn)了對(duì)23種基于GOF 設(shè)計(jì)模式中不同角色間附加關(guān)系的研究，并對(duì)JhotDraw 系統(tǒng)中設(shè)計(jì)模式關(guān)系變異規(guī)則進(jìn)行了檢測(cè)與分析［10］。

文獻(xiàn) ［11］利用UML 類圖對(duì)設(shè)計(jì)模式的抽取結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表示，并評(píng)估其效果；Dong Jing等給出了基于模板的匹配方法，通過評(píng)估不同圖形之間子圖的相似性取代頂點(diǎn)相似性，但是在檢測(cè)設(shè)計(jì)模式的變異方面效果較弱，僅適合標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)模式［12］。

綜上所述，這些設(shè)計(jì)模式檢測(cè)方法或多或少存在如下問題：①缺乏對(duì)設(shè)計(jì)模式中變異關(guān)系的檢測(cè)；②進(jìn)行設(shè)計(jì)模式檢測(cè)時(shí)，對(duì)于匹配算法的復(fù)雜度缺乏考慮；③檢測(cè)中沒有分情況對(duì)二者匹配的程度進(jìn)行分析。為此，提出了一個(gè)基于DPS （design pattern string）表達(dá)式的設(shè)計(jì)模式檢測(cè)方法。主要思路是將設(shè)計(jì)模式中的UML 類圖模型轉(zhuǎn)換為DPS表達(dá)式的字符串形式，同時(shí)引入子圖同構(gòu)匹配算法的思想來判斷設(shè)計(jì)模式是否存在于原型設(shè)計(jì)系統(tǒng)中。

1 設(shè)計(jì)模式的DPS表示

如果將設(shè)計(jì)模式中的UML類圖轉(zhuǎn)換為一種圖形，那么在其轉(zhuǎn)換前需要對(duì)UML類圖進(jìn)行相關(guān)的處理，這是因?yàn)檐浖到y(tǒng)中的設(shè)計(jì)模式不會(huì)完全合乎GOF的23種典型模式，大多數(shù)情況下，甚至?xí)霈F(xiàn)設(shè)計(jì)模式中關(guān)系的變異，這將導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與功能目標(biāo)的不一致［10］。這些關(guān)系的變異主要表現(xiàn)為類之間附加的關(guān)系（如：關(guān)聯(lián)、泛化、聚合等）。

本文給出了2組圖，一組是所研究系統(tǒng)的部分設(shè)計(jì)圖，如圖1所示，另外一組是其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)模式關(guān)系圖。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于減少了二者匹配的時(shí)間復(fù)雜度，并能在一定程度上檢測(cè)出其它文獻(xiàn)中所介紹方法不能識(shí)別的設(shè)計(jì)模式實(shí)例。所采用的軟件系統(tǒng)用UML類圖來設(shè)計(jì)，側(cè)重關(guān)注3種關(guān)系 （即：關(guān)聯(lián)、泛化、聚合），圖1中相應(yīng)的3種關(guān)系如圖2～圖4所示。

圖1 軟件系統(tǒng)UML類 （部分）

圖2 系統(tǒng)中類的關(guān)聯(lián)表示

圖3 系統(tǒng)中類的泛化表示

圖4 系統(tǒng)中類的聚合表示

其中圖2～圖4分別對(duì)應(yīng)的鄰接矩陣如下所示。

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，設(shè)計(jì)模式的關(guān)系圖可以用類似的方法被抽取出來，第3節(jié)中Singleton模式、Facade模式及Mediator模式有典型的應(yīng)用。所有的關(guān)系圖可以轉(zhuǎn)換為DPS表達(dá)式字符串的形式，其定義如下

其中，R 表示類圖之間的關(guān)系，a表示圖中終節(jié)點(diǎn)，Ai表示非終結(jié)點(diǎn) （即：存在迭代的節(jié)點(diǎn)），R 主要表示節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系 （association、generalization、aggregation）。轉(zhuǎn)換算法見表1。

通過將表1算法應(yīng)用到關(guān)系鄰接矩陣，可以得出DPS表達(dá)式，其鄰接矩陣系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)系圖（如圖2～圖4所示），這3者DPS形式將對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)、泛化、聚合關(guān)系，如式 （1）～式（3）所示

表1 Graph＿to＿DPS轉(zhuǎn)換算法思想

設(shè)計(jì)模式的關(guān)系圖可以用類似的方法提取，Singleton模式、Mediator模式、Facade 模式的關(guān)系圖在第3 節(jié)中描述。

2 設(shè)計(jì)模式檢測(cè)方法

2.1 基于子圖同構(gòu)的關(guān)系圖檢測(cè)

子圖同構(gòu)是一種常用的設(shè)計(jì)模式抽取匹配方法，它能夠發(fā)現(xiàn)所給定圖形的問題原型，稱之為模式，另一個(gè)需要匹配的圖形，謂之目標(biāo)。在此，模式與目標(biāo)分別對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)模式的UML關(guān)系圖與系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖。

如滿足條件式 （4）與式 （5），關(guān)系R（R∈V1×V）表示G1＝G＝（V1，E1）是G＝（V，E）的一個(gè)子圖。寫作R：G1→G

條件式 （4）保證R 是V1 到V 的內(nèi)射函數(shù)，條件式（5）確保R 中存在G1 的結(jié)構(gòu)。在滿足 （u1，v1）∈E1，（R（u1），R（v1））∈E，所有的u1，v1∈V1 的條件下，可以理解為內(nèi)射函數(shù)R：V1→V 表示為G1→G 的子圖同構(gòu)。

所有圖G1＝（V1，E1）到圖G＝（V，E）的子圖同構(gòu)集可以表示為N 元關(guān)系S Vn其中｜V1｜＝n。所有子圖同構(gòu)的關(guān)系S定義如下： （v1，…vn）∈S，可推導(dǎo)出子圖同構(gòu)關(guān)系R：G1→G。R（）＝v1，R（）＝v2…R（）＝vn，其中∈G1，vn∈G，i＝1，2…n。

給出了兩個(gè)圖G1＝（V1，E1）和G＝（V，E）與｜V1｜＝n，Eij＝Vn表示基于V 的n元關(guān)系，即基于V 的互不相交的頂點(diǎn)，其中，這些頂點(diǎn)被加入一些G 中的弧

子圖同構(gòu)的關(guān)系S能夠由式 （6）得出

上述將對(duì)子圖同構(gòu)的每種關(guān)系 （關(guān)聯(lián)，泛化，聚合）各自單獨(dú)進(jìn)行檢測(cè)，因此，需要了解對(duì)各種關(guān)系是否完全或者是部分存在于系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為此，引入一種匹配算法。算法中S1，S2，S3分貝對(duì)應(yīng)泛化，關(guān)聯(lián)，聚合3 種關(guān)系，文中主要關(guān)注這3種關(guān)系，其它關(guān)系也可通過類似方法進(jìn)行編號(hào)。

design＿pattern＿detection算法思想見表2。

表2 design＿pattern＿detection算法思想

上述算法考慮到了3種關(guān)系的子圖同構(gòu)的檢測(cè)，并給出設(shè)計(jì)模式到系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖的各種關(guān)系的映射值Fi，i的取值分別為1、2、3，其中F1對(duì)應(yīng)泛化關(guān)系，F(xiàn)2對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)關(guān)系，F(xiàn)3對(duì)應(yīng)聚合關(guān)系，若Fi覆蓋圖中所有節(jié)點(diǎn)，可以理解為設(shè)計(jì)模式完全存在于系統(tǒng)中，即完全匹配；若Fi覆蓋圖中部分圖中節(jié)點(diǎn)，理解為部分存在與系統(tǒng)，即局部匹配；否則，為不匹配。

2.2 基于子圖同構(gòu)的設(shè)計(jì)模式檢測(cè)分類

GOF四人幫提出了23種經(jīng)典設(shè)計(jì)模式，每種設(shè)計(jì)模式之間的關(guān)系能夠通過UML 圖表示出來，在檢測(cè)了設(shè)計(jì)模式關(guān)系模型圖的子圖同構(gòu)之后，可得出3種主要的情形：

（1）設(shè)計(jì)模式的關(guān)系圖不是子圖同構(gòu)的模式圖，這屬于設(shè)計(jì)模式不存在的情形。

（2）設(shè)計(jì)模式的關(guān)系圖到模型圖是子圖同構(gòu)。這是設(shè)計(jì)模式存在下的情形。

（3）設(shè)計(jì)模式的關(guān)系圖到模型圖是部分子圖同構(gòu)。這是存在設(shè)計(jì)模式關(guān)系變異下的情形。

設(shè)計(jì)模式常用于軟件的復(fù)用，第1節(jié)中介紹了設(shè)計(jì)模式轉(zhuǎn)換為關(guān)系圖的規(guī)則，進(jìn)而形成了DPS 表達(dá)式形式。DPS表達(dá)式將被其相應(yīng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)應(yīng)的字符串搜索到。子字符串實(shí)質(zhì)是一種子圖同構(gòu)的檢測(cè)，其中要搜索的字符串對(duì)應(yīng)于子圖或更大的字符串，在此，搜索整個(gè)圖形中較小的一個(gè)。圖形匹配技術(shù)是非常重要且常用的一種模式匹配方法，所討論的算法可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)模式或存在變異關(guān)系的設(shè)計(jì)模式。

在上述情形 （2）中，設(shè)計(jì)模式的關(guān)系圖部分存在于相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)系圖，更進(jìn)一步說，關(guān)系圖可以存在多個(gè)映射，這使得在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中除了可以多次出現(xiàn)一個(gè)完整的設(shè)計(jì)模式之外，也可能出現(xiàn)設(shè)計(jì)模式中關(guān)系的變異。

值得注意的是，即使存在于設(shè)計(jì)模式中的DPS表達(dá)式已經(jīng)對(duì)應(yīng)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中DPS表達(dá)式，設(shè)計(jì)模式也無法完全與設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的子圖匹配，而導(dǎo)致其產(chǎn)生的原因是變異關(guān)系的保存條件不能夠滿足搜索。

3 設(shè)計(jì)模式實(shí)例檢測(cè)

3.1 設(shè)計(jì)模式是否存在

這種方法的局限性在于它不能從類的角度出發(fā)，來判斷并識(shí)別一些自身是否存在聯(lián)系的設(shè)計(jì)模式，Singleton模式就是典型的代表，其UML圖以及相應(yīng)的關(guān)系如圖5，圖6所示。因?yàn)榇嬖谟幸粋€(gè)自循環(huán)，所以不能被寫成基于DPS表達(dá)式形式的字符串，以至于該檢測(cè)方法不適合于這類設(shè)計(jì)模式。

圖5 Singleton關(guān)聯(lián)關(guān)系

圖6 Singleton模式關(guān)系

3.2 設(shè)計(jì)模式完全匹配

如匹配到設(shè)計(jì)模式中的每個(gè)關(guān)系，設(shè)計(jì)模式被認(rèn)為是完全匹配系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分。在此，選擇Facade模式來描述這個(gè)情形。UML 類如圖7 所示，只有關(guān)聯(lián)關(guān)系 （無聚合，泛化關(guān)系），其對(duì)應(yīng)的關(guān)系如圖8所示。

在搜索系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)模式前，需要找出Facade模式的PDS表達(dá)式形式。通過應(yīng)用基于鄰接矩陣的Graph＿to＿DPS算法 （見表1），得到關(guān)系圖 （如圖8所示），其對(duì)應(yīng)的DPS表達(dá)式如式 （7）、式 （8）所示

圖7 Facade（裝飾）模式

圖8 Facade的關(guān)聯(lián)關(guān)系

要了解它是否存在于系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先考慮使用式（1），式 （7），式 （8）來得到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中基于DPS表達(dá)式形式的關(guān)聯(lián)關(guān)系。為此，對(duì)Facade模式的所有子圖同構(gòu)的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。模式中的關(guān)系圖 （如圖8所示）作為G1，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)系圖 （如圖2所示）作為G，G1中存在2條邊，即：（a，b）與 （a，c）。因此，N 元關(guān)系包括了Ea，b＝ ｛（4，3，＊），（4，2，＊）｝，Ea，c＝ ｛（4，＊，3），（4，＊，2）｝，根據(jù)式 （6），S2＝Ea，b∩Ea，c＝ ｛（4，3，2），（4，2，3）｝。因此S2，1＝｛（a，4），（b，3），（c，2）｝，S2，2＝｛（a，4），（b，2），（c，3）｝，S2，3＝｛（a，4），（c，3），（b，2）｝，S2，4＝｛（a，4），（c，2），（b，3）｝。

同時(shí)，該模式?jīng)]有涉及其它的關(guān)系，所以無需檢測(cè)系統(tǒng)中其它關(guān)系的DPS表達(dá)式形式 （如泛化，聚合）。因此，依據(jù)表2算法，只需檢測(cè)S2.對(duì)于每個(gè)S2i，可以得出Fi，因此F1＝ ｛（a，4），（b，3）， （c，2）｝，F(xiàn)2＝ ｛（a，4），（b，2），（c，3）｝，F(xiàn)3＝ ｛（a，4），（c，3），（b，2）｝，F(xiàn)4＝｛（a，4），（c，2），（b，3）｝。這樣可以理解為Facade模式的4個(gè)關(guān)聯(lián)關(guān)系實(shí)例存在于系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖中。同時(shí)，僅有的關(guān)聯(lián)關(guān)系將減低設(shè)計(jì)模式變異發(fā)生的概率，從而使得檢測(cè)工作的難度降低。

3.3 設(shè)計(jì)模式檢測(cè)的部分匹配

如果沒有匹配到設(shè)計(jì)模式中的每個(gè)關(guān)系，設(shè)計(jì)模式被認(rèn)為是部分匹配到軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的子部分。而代表性的例子是中介者模式，其直接關(guān)聯(lián)的關(guān)系圖是系統(tǒng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的子圖，但是其余的關(guān)系不是這種情況。如設(shè)計(jì)模式中的泛化關(guān)系圖是斷開的，當(dāng)設(shè)計(jì)模式連接的時(shí)候，此時(shí)需要對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的部分存在進(jìn)行檢測(cè)。

檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的中介者模式 （如圖9 所示）之前，需要挖掘基于DPS表達(dá)式形式的中介者模式，通過應(yīng)用基于鄰接矩陣的表1 算法，得到相應(yīng)的兩個(gè)圖形 （如圖10，圖11所示），其對(duì)應(yīng)的兩個(gè)DPS 表達(dá)式 （如式 （9），式（10）所示）

圖9 Mediator（中介者）模式

圖10 Mediator模式泛化表示

圖11 Mediator模式關(guān)聯(lián)表示

為此，首先對(duì)Mediator模式的所有子圖同構(gòu)泛化關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。模式中的關(guān)系圖 （如圖10 所示）作為G1，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的泛化關(guān)系圖 （如圖3所示）作為G，G1中存在3條邊，即：（e，a），［（d，b），（d，c）］。因此，N 元關(guān)系包括了Ed，b＝ ｛（1，2，＊），（1，3，＊）｝，Ed，c＝ ｛（1，＊，2），（1，＊，3）｝，根 據(jù) 式 （6），S1＝Eb，d∩Ec，d＝｛（1，2，3），（1，3，2）｝。因此S1，1＝ ｛（d，1），（b，2），（c，3）｝，S1，2＝ ｛（d，1），（b，3），（c，2）｝，S1，3＝ ｛（d，1），（c，2），（b，3）｝，S1，4＝ ｛（d，1），（c，3），（b，2）｝。

依據(jù)表2算法，檢測(cè)S1.對(duì)于每個(gè)S1i，可以得出Fi，F(xiàn)1＝ ｛（d，1），（b，2）， （c，3）｝，F(xiàn)2＝ ｛（d，1）， （b，3），（c，2）｝，F(xiàn)3＝ ｛（d，1）， （c，2）， （b，3）｝，F(xiàn)4＝｛（d，1），（c，3），（b，2）｝。

這樣可以理解為Mediator模式目前4個(gè)可能的泛化關(guān)系實(shí)例存在于系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型圖中，但是Ee，a＝ ｛（1，2），（1，3）｝，無繼承分支，可理解為無共同的基類，導(dǎo)致不能匹配。依據(jù)式 （2）與式 （9），兩個(gè)基于泛化的DPS表達(dá)式將映射成如下形式 ｛［（d，1），（b，2），（c，3）］，［（d，1），（b，3），（c，2）］，［（d，1），（c，2），（b，3）］，［（d，1），（c，3），（b，2）］｝，而 ［（e，＊），（a，＊）］映射不能對(duì)應(yīng)起來。這是因?yàn)樵撚成洳话撛O(shè)計(jì)模式泛化關(guān)系圖的所有頂點(diǎn)，因此可以認(rèn)為泛化關(guān)系是局部的匹配。

除此之外，同樣需要關(guān)注Mediator模式的所有子圖同構(gòu)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。模式中的關(guān)系圖 （如圖11所示）作為G1，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)聯(lián)關(guān)系圖 （如圖2所示）作為G，G1中存在3條邊，即：（d，e），［（a，b），（a，c）］。因此，N 元關(guān)系包括了Ea，b＝ ｛（4，2，＊），（4，3，＊）｝，Ea，c＝ ｛（4，＊，2）， （4，＊，3）｝，根 據(jù) 式 （6），S1＝Ea，b∩Ea，c＝｛（4，2，3），（4，3，2）｝因此S2，1＝ ｛（a，1），（b，2），（c，3）｝，S2，2＝ ｛（a，1），（b，3），（c，2）｝，S2，3＝ ｛（a，1），（c，2），（b，3）｝，S2，4＝ ｛（a，1），（c，3），（b，2）｝，依據(jù)表2算法，檢測(cè)S2.對(duì)于每個(gè)S2i，可以得出Fi，F(xiàn)1＝｛（a，1），（b，2），（c，3）｝，F(xiàn)2＝ ｛（a，1），（b，3），（c，2）｝，F(xiàn)3＝ ｛（a，1），（c，2），（b，3）｝，F(xiàn)4＝ ｛（a，1），（c，3），（b，2）｝。

可以理解為Mediator模式4個(gè)關(guān)聯(lián)關(guān)系實(shí)例存在于系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型圖中，另外，Ed，e＝ ｛（5，4）｝，其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖的映射是節(jié)點(diǎn)5到節(jié)點(diǎn)1，并未存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，這使得和圖2只是部分映射，根據(jù)式 （6），得出S2，5＝Φ （表示為空），因此，Mediator模式中的關(guān)聯(lián)關(guān)系和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)關(guān)系是局部的匹配，最終映射沒有覆蓋設(shè)計(jì)模式中的所有頂點(diǎn)，也可理解為中介者模式存在關(guān)系的變異［10］。

聚合關(guān)系在Mediator模式中未有體現(xiàn)，所以也不能和圖4的基于DPS的聚合關(guān)系映射起來，暫不作考慮。

4 結(jié)束語

文章提出了一種檢測(cè)設(shè)計(jì)模式的算法，通過把類之間的關(guān)系有向圖轉(zhuǎn)換為基于DPS表達(dá)式形式的字符串，而后利用基于子圖同構(gòu)的DPS表達(dá)式形式子串的組合與經(jīng)典的GOF設(shè)計(jì)模式匹配，在此基礎(chǔ)上依據(jù)目標(biāo)類與模式類匹配的不同程度分3種情況來檢測(cè)設(shè)計(jì)模式。工作取得了一定的效果，但是該方法不能檢測(cè)存在自循環(huán)關(guān)系的設(shè)計(jì)模式，今后的工作中將不斷的完善原型系統(tǒng)，并通過JHOTDraw、ArgoUML、Junit等經(jīng)典的設(shè)計(jì)模式測(cè)試系統(tǒng)對(duì)這3種不同的情況進(jìn)行驗(yàn)證，并為大型遺產(chǎn)系統(tǒng)的重構(gòu)提供有力支持。

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