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      基于MV4SAS研究軟件自適應(yīng)UML建模及其形式化驗(yàn)證方法研究

      2017-04-27 21:54施柏銓
      軟件工程 2017年2期

      摘 要:基于自適應(yīng)UMI軟件開發(fā)效率提升的要求以及自適應(yīng)軟件可靠性的保障要求,此次研究提出了MV4SAS方法,其促進(jìn)了可視化UML與嚴(yán)格化時(shí)間自動機(jī)的有機(jī)結(jié)合,能夠?qū)崿F(xiàn)軟件自適應(yīng)建模與形式化驗(yàn)證,首先在UML擴(kuò)展機(jī)制作用下引入新的構(gòu)造型、標(biāo)記值以及約束條件等,在軟件自適應(yīng)建模設(shè)施基礎(chǔ)上構(gòu)造相應(yīng)的軟件自適應(yīng)結(jié)構(gòu)模型與行為模型,并通過轉(zhuǎn)換算法實(shí)現(xiàn)軟件自適應(yīng)行為模型向時(shí)間自動機(jī)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換,構(gòu)建軟件自適應(yīng)形式化模型,對軟件自適應(yīng)形式化驗(yàn)證的性質(zhì)進(jìn)行定義,利用模型檢測工具UPPAAL對軟件自適應(yīng)模型的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果顯示該方法能夠在一定程度上降低軟件自適應(yīng)建模與驗(yàn)證的復(fù)雜性,提升建模效率,可靠性高,值得參考借鑒。

      關(guān)鍵詞:MV4SAS;軟件自適應(yīng);UML建模;形式化驗(yàn)證

      中圖分類號:TP311.11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

      1 引言(Introduction)

      隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,我國的軟件規(guī)模復(fù)雜程度及用戶的需求不斷加大,這也在一定程度上對軟件運(yùn)行、維護(hù)提出了更大的挑戰(zhàn)[1],在這樣的發(fā)展環(huán)境下,軟件自適應(yīng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,其能夠增強(qiáng)軟件的環(huán)境適應(yīng)能力,滿足用戶多變的需求,在運(yùn)行過程中根據(jù)軟件信息對相關(guān)參數(shù)、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行調(diào)整,消除軟件運(yùn)行變化帶來的消極影響,確保軟件服務(wù)能力的提升,因此,對軟件自適應(yīng)UML建模及其形式化驗(yàn)證方法的研究有著重要的實(shí)踐意義與應(yīng)用價(jià)值。

      2 預(yù)備知識概述(Summary of preliminary

      knowledge)

      2.1 軟件自適應(yīng)概念模型

      作為軟件自適應(yīng)研究的前提與基礎(chǔ),概念模型受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,國外學(xué)者提出的軟件自適應(yīng)概念模型主要包括MAPE-K自治計(jì)算模型、監(jiān)視—探測—決策—行動軟件自適應(yīng)模型等[2,3],我國學(xué)者針對群體自適應(yīng)提出了Auxo模型,面向復(fù)雜信息系統(tǒng)提出了軟件模糊自適應(yīng)SFSA模型,其適應(yīng)的領(lǐng)域不同,然而都體現(xiàn)了感知—決策—執(zhí)行自適應(yīng)環(huán)的內(nèi)涵與價(jià)值[4]。在自適應(yīng)目標(biāo)驅(qū)動下,軟件能夠根據(jù)運(yùn)行環(huán)境及自身狀態(tài)的變化對行為做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,完成自適應(yīng)環(huán)與運(yùn)行環(huán)境、用戶等之間的交互。此次研究對原有的MAPE-K模型進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn),具體見圖1,該自適應(yīng)軟件系統(tǒng)主要包括自適應(yīng)邏輯單元與應(yīng)用邏輯單元,自適應(yīng)邏輯單元中的各個(gè)模塊共享一個(gè)知識庫構(gòu)建,此次研究將以該框架為原型構(gòu)建軟件自適應(yīng)結(jié)構(gòu)模型。

      2.2 UML及其擴(kuò)展機(jī)制概述

      作為一種面向?qū)ο蟮目梢暬UZ言,統(tǒng)一建模語言(UML)能夠提供多種圖元,從多個(gè)視角與層次對復(fù)雜軟件的結(jié)構(gòu)、特性進(jìn)行描述,在各個(gè)領(lǐng)域中均有著廣泛地應(yīng)用。UML模型主要包括結(jié)構(gòu)模型與行為模型兩種,常見的典型結(jié)構(gòu)視圖有構(gòu)件圖、類圖等,行為視圖有狀態(tài)圖、序列圖等[5]。以類圖為例,其是軟件結(jié)構(gòu)模型可視化、文檔化的重要條件,盡管其在運(yùn)行過程中包含部分具體化行為元素,然而其主要根據(jù)其他視圖刻畫動態(tài)特征。從當(dāng)前UML的建模設(shè)施現(xiàn)狀看,其能夠滿足大多數(shù)領(lǐng)域需求,然而對于部分特定領(lǐng)域還缺乏一定的建模能力,必須對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展,要求在原模型的基礎(chǔ)上作出通用的擴(kuò)展,常見的有增加新屬性、添加建模設(shè)施、增加語義描述等。

      2.3 時(shí)間自動機(jī)理論與形式化驗(yàn)證工具

      為了有效解決實(shí)時(shí)系統(tǒng)建模及驗(yàn)證問題,可以對自動機(jī)理論作出新的擴(kuò)展,即時(shí)間自動機(jī),其能夠通過簡單的方法對包含時(shí)間因素的系統(tǒng)進(jìn)行描述,進(jìn)而為實(shí)時(shí)系統(tǒng)行為建模及性能分析提供形式化模型。國外學(xué)者根據(jù)時(shí)間自動機(jī)理論提出了UPPAAL、SPIN模型檢測工具[3,4]。以UPPAAL模型檢測工具為例,其主要采用了整型變量時(shí)間自動機(jī)網(wǎng)絡(luò)模擬實(shí)時(shí)系統(tǒng)及時(shí)序邏輯TCTL刻畫系統(tǒng)性質(zhì),在有限狀態(tài)搜集驗(yàn)證系統(tǒng)的作用下,判斷系統(tǒng)能夠達(dá)到期望性質(zhì)[6]。其性質(zhì)驗(yàn)證規(guī)范語言的語法為。

      3 基于MV4SAS軟件自適應(yīng)UML建模及其形式

      化驗(yàn)證方法(Adaptive UML modeling based

      on MV4SAS software and its formal verification

      method)

      盡管UML建模語言具有可視化特征,便于理解、交流能夠達(dá)到國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),然而由于模型檢測形式化語義的缺乏,其對軟件模型的描述很大程度上是半形式化。基于自動機(jī)嚴(yán)格語法、語義的特點(diǎn),其能夠?qū)崿F(xiàn)軟件行為分析、求精與驗(yàn)證,然而,缺乏直觀性,為軟件開發(fā)人員的理解帶來了一定的難度。UML與自動機(jī)在模型驗(yàn)證及軟件建模等方面有著較高的互補(bǔ)性[7],因此,可以采用UML可視化建模方法與時(shí)間自動機(jī)進(jìn)行形式化建模相結(jié)合的方式,通過融合擴(kuò)展對UML及自動機(jī)軟件自適應(yīng)建模進(jìn)行形式化驗(yàn)證,其具體過程如圖2所示。首先,要構(gòu)建軟件自適應(yīng)可視化模型,在MAPE-K改進(jìn)模型擴(kuò)展及UML模型裁剪的基礎(chǔ)上,構(gòu)建自適應(yīng)類圖,對自適應(yīng)軟件的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行描述,然后經(jīng)過轉(zhuǎn)換作用,使軟件自適應(yīng)可視化模型轉(zhuǎn)變?yōu)樾问交P?,并通過定義模型轉(zhuǎn)換算法,實(shí)現(xiàn)可視化自適應(yīng)序列圖向形式化時(shí)間自動機(jī)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換,構(gòu)建軟件自適應(yīng)形式化模型,最后對上述模型的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

      4 UML擴(kuò)展的軟件自適應(yīng)建模(UML extended

      software adaptive modeling)

      4.1 自適應(yīng)類圖

      類圖主要指的是對軟件結(jié)構(gòu)的可視化描述,此次研究對UML類圖進(jìn)行了擴(kuò)展,添加了部分軟件自適應(yīng)建模設(shè)施,構(gòu)建了面向軟件的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)模型,該自適應(yīng)類圖模型包含一個(gè)四元組ACD:=(CA,RA,AA,SA),其中CA表示的是自適應(yīng)類有限集合,CA={監(jiān)視,分析,計(jì)劃,執(zhí)行,知識庫,用戶,環(huán)境}。RA表示的是自適應(yīng)關(guān)系有限集合,,RA表示的是基于UML的關(guān)系構(gòu)造,其能夠體現(xiàn)出自適應(yīng)軟件各功能單元之間的連接關(guān)系。AA表示的是自適應(yīng)屬性集合,其中部分屬性采用標(biāo)記值的方式附加在CA構(gòu)造型中,,其中A表示的是Class屬性Attribute的集合,Tag表示的是添加標(biāo)記值的集合,能夠應(yīng)用于刻畫顯示性功能單元的類型與屬性[8]。約束條件集合則采用SA表示,,分別表示時(shí)間約束與事件約束,此次研究在描述定義約束條件時(shí)采用的是對象約束語言O(shè)CL。此次研究要求在MAPE-K環(huán)的每個(gè)單元都能夠上升一階要素實(shí)施描述、刻畫,與此同時(shí),受軟件自適應(yīng)環(huán)與用戶、軟件運(yùn)行環(huán)境以及動態(tài)交互等過程的影響,可以對用戶、環(huán)境及軟件等進(jìn)行獨(dú)立實(shí)體描述,另外可以將復(fù)合結(jié)構(gòu)的類如CA元素泛化成為具體的類。在擴(kuò)展UML的作用下,自適應(yīng)類圖能夠構(gòu)建自適應(yīng)關(guān)系,并通過軟件對自適應(yīng)類交互關(guān)系進(jìn)行刻畫,其語義描述如表1所示。

      4.2 自適應(yīng)序列圖

      UML序列圖主要是對對象之間動態(tài)交互關(guān)系的描述,其能夠?qū)坍媽ο笙鬟f時(shí)間順序,以及系統(tǒng)預(yù)期功能等做出準(zhǔn)確的反應(yīng),然而UML序列圖也具有自身的缺陷性,其不能夠?qū)蝹€(gè)對象某一時(shí)間段內(nèi)的活躍狀態(tài)進(jìn)行反映,加大了形式化驗(yàn)證的難度,此次研究通過橫向與縱向兩個(gè)維度對UML序列圖進(jìn)行擴(kuò)展,并對軟件自適應(yīng)行為模型做出了定義。自適應(yīng)序列圖為一個(gè)五元組,具體表示為,其中軟件自適應(yīng)過程對象有限集合采用OA表示,OA={監(jiān)視,分析,規(guī)劃,執(zhí)行,知識庫,用戶,環(huán)境}。對象生命線上狀態(tài)有限集合采用STA表示,ST*A表示的是除去空事件的所有不重復(fù)狀態(tài)集合,即。MA表示的是有窮消息集合,與此同時(shí)自適應(yīng)序列圖還在UML序列圖基礎(chǔ)上對sim、alt和loop三個(gè)片段進(jìn)行了定義,可以表示為FG=,每一個(gè)片段都有片段名與執(zhí)行條件構(gòu)成,其中sim表示的是簡單片段,執(zhí)行條件為空,alt則為分支選擇片段,其下一狀態(tài)流向往往由執(zhí)行條件決定。而loop則為循環(huán)片段,當(dāng)條件為真,那么其包含的對象能夠轉(zhuǎn)化成為激活狀態(tài)。約束有限集合采用SA表示,具體表示為,分別代表的是狀態(tài)內(nèi)部與狀態(tài)之間的約束集合狀態(tài)。自適應(yīng)序列圖也可以采用二維表表示,用橫向表示空間軸,代表參與自適應(yīng)協(xié)作的對象集合;縱向則表示時(shí)間軸,代表對象生命線,其能夠反映出單個(gè)對象對一定時(shí)間內(nèi)的活躍情況。另外,自適應(yīng)序列圖還對組合片段與約束的概念進(jìn)行了強(qiáng)化,體現(xiàn)了軟件自適應(yīng)實(shí)時(shí)性的特征。此次研究的自適應(yīng)序列激昂UML序列圖與狀態(tài)圖進(jìn)行了無縫銜接,不僅能夠?qū)ψ赃m應(yīng)環(huán)中的各個(gè)軟件實(shí)體交互關(guān)系進(jìn)行刻畫,而且能夠?qū)μ囟ㄖ芷趦?nèi)單個(gè)軟件實(shí)體的活躍狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確描述,與此同時(shí)在形式化定義作用下,其能夠?qū)崿F(xiàn)向時(shí)間自動機(jī)模型的有效轉(zhuǎn)化,進(jìn)而為軟件自適應(yīng)形式化驗(yàn)證奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

      4.3 基于UML擴(kuò)展的軟件自適應(yīng)建模原則

      此次研究軟件自適應(yīng)建立的本質(zhì)為自適應(yīng)環(huán)(監(jiān)視、分析、規(guī)劃、執(zhí)行)與不斷變化軟件的交互,因此必須將參與自適應(yīng)過程的軟件實(shí)體及自適應(yīng)環(huán)作為一階要素給予顯示化建模與刻畫。其次,要遵循自適應(yīng)邏輯外置分離原則,一般可采用外置式方式,從目標(biāo)軟件系統(tǒng)中對自適應(yīng)邏輯進(jìn)行分離,這能夠在一定程度上避免應(yīng)用邏輯與自適應(yīng)邏輯之間的交織。除此之外,還必須遵循約束條件規(guī)范描述原則,對時(shí)間約束與事件約束進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)范,其能夠?yàn)檐浖赃m應(yīng)UML模型轉(zhuǎn)換奠定基礎(chǔ)。

      5 軟件自適應(yīng)模型轉(zhuǎn)換與形式化驗(yàn)證(Software

      adaptive model transformation and formal

      verification)

      5.1 軟件自適應(yīng)UMI模型向時(shí)間自動機(jī)模型的轉(zhuǎn)換

      通常,自適應(yīng)序列圖ASD能夠?qū)r(shí)間自動機(jī)網(wǎng)絡(luò),以及生命周期狀態(tài)變化情況進(jìn)行映射與刻畫;自適應(yīng)序列圖的狀態(tài)即State則能夠有效映射時(shí)間自動機(jī)位置,每個(gè)自動機(jī)TA的位置集合均有相應(yīng)的對象縱軸狀態(tài)集合表示,且ASD縱軸初始狀態(tài)一般對應(yīng)的是時(shí)間自動機(jī)的初始位置。自適應(yīng)序列圖消息message則被映射成為時(shí)間自動機(jī)通道,且每個(gè)消息都恰好與時(shí)間自動機(jī)的發(fā)送事件、接收事件一一對應(yīng)。另外時(shí)間自動機(jī)的約束S與自適應(yīng)序列圖約束SA相對應(yīng),狀態(tài)間約束Sinter及分段約束FG則分別對應(yīng)時(shí)間自動機(jī)邊E的約束S,時(shí)間自動機(jī)位置不變式Invariant則對應(yīng)狀態(tài)內(nèi)部約束Sintra。為了確保自動機(jī)模型的有效運(yùn)行,在建模過程中,建模工作人員需要結(jié)合實(shí)際情況對自動機(jī)模型進(jìn)行優(yōu)化處理,積極處理應(yīng)用邏輯參數(shù)的動態(tài)變化,對時(shí)間自動機(jī)模型進(jìn)行進(jìn)一步完善。

      5.2 軟件自適應(yīng)形式化驗(yàn)證

      軟件自適應(yīng)形式化驗(yàn)證主要是對軟件可靠性、自身適應(yīng)能力及影響因素等的檢測,主要檢測的能力包括系統(tǒng)有無死鎖、自適應(yīng)規(guī)則是否正確、自適應(yīng)相應(yīng)能力是否滿足需求等[9]。(1)系統(tǒng)是否有死鎖。與傳統(tǒng)的軟件有所不同,自適應(yīng)軟件對系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行能力有著較高的要求,一般需要嚴(yán)密觀察自適應(yīng)軟件系統(tǒng)是否進(jìn)入死鎖狀態(tài),避免軟件運(yùn)行中進(jìn)入到錯誤狀態(tài)。(2)自適應(yīng)動作是否有效[1]。該檢測主要針對的是自適應(yīng)動作的執(zhí)行情況,一般情況下,建模人員會事先構(gòu)建自適應(yīng)動作以便隨時(shí)應(yīng)對軟件運(yùn)行中的內(nèi)部狀態(tài)、環(huán)境及用戶需求變化,與此同時(shí)還需檢查其是否存在重復(fù)、冗余等。(3)自適應(yīng)規(guī)則正確性。該檢測針對的是系統(tǒng)應(yīng)對某種

      特殊變化時(shí)的應(yīng)對情況。(4)自適應(yīng)快速反應(yīng)能力。其主要指的是觸發(fā)自適應(yīng)行為后,自適應(yīng)邏輯單元在一定時(shí)間內(nèi)的響應(yīng)速度與響應(yīng)能力,其需要確保自適應(yīng)策略的正確性與有效性。除此之外,還需要對軟件自適應(yīng)行為進(jìn)行模擬與形式化驗(yàn)證。UPPAAL所提供的simulator模擬器能夠?qū)浖赃m應(yīng)交互過程進(jìn)行模擬,并形成一個(gè)完整的運(yùn)行軌跡,若運(yùn)行出現(xiàn)錯誤,系統(tǒng)將會立即做出反饋,便于建模人員及時(shí)做出相關(guān)調(diào)整。在UPPAAL驗(yàn)證器verifier中輸入TCTL可靠性規(guī)約,系統(tǒng)能夠?qū)浖赃m應(yīng)性質(zhì)進(jìn)行自動檢測,最終得到完善的軟件自適應(yīng)模型。

      6 結(jié)論(Conclusion)

      傳統(tǒng)的UML具備形象、直觀等特點(diǎn),然而缺乏科學(xué)的分析與驗(yàn)證機(jī)制,其形式化方法定義相對嚴(yán)格,不利于軟件工程師理解,基于上述因素,此次研究提出了UML擴(kuò)展與時(shí)間自動機(jī)有機(jī)融合的自適應(yīng)建模及形式化驗(yàn)證方法,其不僅降低了設(shè)計(jì)難度,而且在一定程度上提升了軟件建模的可靠性,值得廣泛推廣、應(yīng)用。

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      作者簡介:

      施柏銓(1981-),男,本科,講師.研究領(lǐng)域:計(jì)算機(jī)科學(xué)與技

      術(shù)學(xué),計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò).

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