鄭曉娟,劉 洋,陳祥科

(東北師范大學信息科學與技術(shù)學院,吉林 長春 130117)

0 引 言

自軟件危機之后，軟件復用的概念開始流行起來，作為軟件復用領域重要方法的軟件產(chǎn)品線得到了很大發(fā)展，發(fā)展軟件產(chǎn)品線的關(guān)鍵問題是如何進行可變性管理,并基于可變性[1]管理實現(xiàn)軟件核心資產(chǎn)的復用。而軟件產(chǎn)品線[2]可變性建模[3]是可變性管理的關(guān)鍵技術(shù)。

可變性建模分為2個階段[4]：

1)需求階段的可變性處理。本文從軟件產(chǎn)品線的需求出發(fā)，采用改進的特征建模方法，加強模型間的可追溯性和一致性，指導生成系統(tǒng)的特征模型。

2)設計階段的可變性處理。本文引入分層思想設計領域參考架構(gòu)模型的辦法和可變構(gòu)件的概念，利用可選的構(gòu)件和接口實現(xiàn)設計階段的可變性建模。

在實際開發(fā)中，將前面的理論成功應用到教學服務管理系統(tǒng)項目中，開發(fā)可復用構(gòu)件，提高效率，驗證該理論作為軟件復用分支理論是實際可行的。

1 傳統(tǒng)特征建模方法

軟件產(chǎn)品線面向特征的領域方法成為領域建模的主流，卡內(nèi)基·梅隆大學的軟件工程研究所[5]率先提出了面向特征的領域分析方法FODA,支持對領域中系統(tǒng)共性和可變性的發(fā)現(xiàn)、分析和文檔記錄。后來經(jīng)過整合和分析建立了一個高效的復用模型FeatuRESB[6]，該方法引入了可變點和變體的概念,表達一組同一維度的變化特征。Kang等人[7]進一步將上述方法擴展到設計階段,提出了一種面向特征的復用FORM方法。張偉等人[8]在現(xiàn)有領域分析方法所使用的特征模型的基礎上,對特征模型的組織框架和剪裁機制進行了統(tǒng)一、抽象的描述，引入行為層特點，給出建模過程，提出FODM方法。表1給出了一些經(jīng)典的特征建模方法的比較。

表1 特征建模方法的比較

通過研究發(fā)現(xiàn)特征建模方法存在以下幾個問題：

1)在共性與可變性的識別、可變點的構(gòu)建、依賴關(guān)系確定上，只是領域?qū)＜乙罁?jù)經(jīng)驗進行判斷，缺少有效的識別依據(jù)，無法保證準確性。

2)特征建模可變點[14]的表示方法不夠精煉和明確，需求過多時，呈現(xiàn)形式復雜。

3)缺少模型與核心資產(chǎn)的映射關(guān)系，無法保證一致性和可追溯性。

4)構(gòu)建特征模型缺少詳細可操作的指南,使得領域分析人員在實踐中很難有效地進行領域建?；顒?。

5)只是提出方法，并沒有應用到開發(fā)中，缺乏實踐指導意義。

2 特征建模方法的改進

傳統(tǒng)的需求階段特征建模的流程是：

1)可變點的確定。明確可變性產(chǎn)生的位置。

2)可變體的確定?？勺凅w利用變量實現(xiàn)對應可變點的不同選擇。

3)可變體變化形式的確定。根據(jù)系統(tǒng)的需求屬性來確定可變性，可變性可分為3類:可選性、或選性和多選性。

4)可變體之間的依賴關(guān)系確定。分為需要和排斥2種依賴關(guān)系，根據(jù)依賴關(guān)系，實現(xiàn)構(gòu)件的綁定[15]。

傳統(tǒng)的設計階段的特征建模的流程：軟件產(chǎn)品線體系結(jié)構(gòu)的設計，它包含的元素不應當是單一功能結(jié)構(gòu)，而是包含領域內(nèi)所有構(gòu)件以及構(gòu)件關(guān)聯(lián)的規(guī)則，從領域中所有應用系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)抽象出更高層次的體系結(jié)構(gòu)，這個共有的體系結(jié)構(gòu)是針對領域可變性模型中的領域需求給出的解決方案，常規(guī)的表示方式是用UML表示各個接口的關(guān)系，這造成軟件產(chǎn)品線產(chǎn)品較多，過于復雜。

在傳統(tǒng)建模流程的基礎上，針對上述發(fā)現(xiàn)的問題，本文分析5家教學服務管理系統(tǒng)的功能需求后，劃分形成領域的特征集，并進行如下的改進：

1)進行特征共性與可變性識別，設計表格分析，引入數(shù)值化的計算，根據(jù)在系統(tǒng)族中特征存在的概率，如果概率在20%～80%之間，可判斷為可變特征，根據(jù)層次劃分和可變點表示符號，進行樹狀構(gòu)建。

2)在依賴關(guān)系判斷上，設計表格進行分析，在表格的首行和首列填寫所有特征，引入數(shù)值表示行列特征之間的依賴排斥關(guān)系，分析得到依賴關(guān)系對。

3)特征樹中可變點和可變體的表示形式上進行精簡，原有3類可變性，但是在或選和多選中是互通的，只有變體選擇的個數(shù)不同，所以確定或選與可選2種表示形式，加強了特征模型的可讀性，根據(jù)以上3步，通過可變點構(gòu)建和依賴關(guān)系確認，可以得到教學服務管理系統(tǒng)的全特征模型。

4)在體系結(jié)構(gòu)設計的過程中引入分層思想與領域特征集分層相對應，加強映射關(guān)系，保證模型的一致性，在構(gòu)件設計中實現(xiàn)構(gòu)件間的交互關(guān)系，通過上述改進，有效地改善了傳統(tǒng)UML建模的復雜性。

5)將軟件產(chǎn)品線中可變性的思想，延伸到構(gòu)件的設計中，提出可變構(gòu)件的概念，并給出詳細構(gòu)件的內(nèi)部設計，將可變性模型延伸到代碼層面，提高模型的可操作性和實用性。

6)在應用工程層面上將方法成功應用到教學服務管理系統(tǒng)二次開發(fā)當中，根據(jù)教學服務管理全特征模型，將現(xiàn)有系統(tǒng)的共性特征進行保留，針對可變性特征，結(jié)合學院的情況，有針對地實現(xiàn)可變構(gòu)件的開發(fā)，將可變構(gòu)件配置到共性系統(tǒng)中，高效地對系統(tǒng)進行了完善。

針對缺少詳細的建模指南，本文給出如圖1所示的詳細操作步驟。

圖1 改進后建模方法開發(fā)過程

3 改進后特征建模方法在系統(tǒng)中應用

教學服務管理系統(tǒng)是為高校提供服務的，包括作業(yè)管理、論壇中心、教務管理等，解決高校多系統(tǒng)混雜而帶來的功能冗余、數(shù)據(jù)分散、不便管理等多種問題?？傮w功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，根據(jù)總體的功能結(jié)構(gòu)進行可變性建模。

圖2 教學服務管理系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)

3.1 教學服務管理系統(tǒng)的特征識別

本文將分層思想延伸到特征收集階段，將教學服務管理系統(tǒng)的特征劃分為業(yè)務特征集、功能特征集和行為特征集，與體系結(jié)構(gòu)的通用構(gòu)件層、基礎構(gòu)件層、原子構(gòu)件層相對應[16]。在進行產(chǎn)品線研究時，存在大量系統(tǒng)，需要選擇一個子集作為樣本系統(tǒng)。對樣本系統(tǒng)需求的考察將顯示領域需求的一個變化范圍,所以選取5個滿足條件的教學服務管理系統(tǒng)的需求模型和SRS，進行特征識別，得到5個系統(tǒng)特征集的并集，并對其進行有效劃分，得到表2。

3.2 教學服務管理系統(tǒng)特征的共性與可變性識別

在建立特征模型前，需要對教學服務管理系統(tǒng)中的特征進行共性和可變性分析，便于可變點的確定與構(gòu)建，依次建立業(yè)務特征集(見表3)、功能特征集和行為特征集的特征識別表，以業(yè)務特征集為例。設計表格首列為樣本的系統(tǒng)集，首行為特征集，如果在系統(tǒng)1中s1存在則記為1，依次分析各特征。

定義1特征存在系數(shù)FPR：FPR=特征在樣本集中為1的個數(shù)/樣本系統(tǒng)集的個數(shù)。

如果FPR大于0.8的特征放入到共性特征集中，將FPR在0.2～0.8的特征放到可變特征集中，存在系數(shù)低于0.2的特征視為系統(tǒng)中不存在的特征。功能特征和行為特征的分析同理,根據(jù)分析得到可變特征集，如表4所示。

表2 教學服務管理系統(tǒng)特征集

表3 業(yè)務特征集的特征識別表

表4 教學服務管理系統(tǒng)的可變特征集

3.3 教學服務管理系統(tǒng)特征的可變性依賴關(guān)系識別

表5 特征依賴識別表

表6 特征依賴對表

3.4 教學服務管理系統(tǒng)的可變點與可變體構(gòu)建

在變化點的構(gòu)建上，需要遵循的原則是：

1)變化點中變體的構(gòu)造上應遵從系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)。

2)需要考慮變化點之間、變體之間、變體與變化點之間的排斥和需要關(guān)系。

按照上述表示方式和原則，構(gòu)成樹狀可變點，如圖3所示。

圖3 教學服務管理系統(tǒng)中的變化點

3.5 教學服務管理系統(tǒng)的特征模型構(gòu)建

1)以教學服務管理系統(tǒng)為根特征，依據(jù)先共性特征再可變性特征的順序，樹的第一層為業(yè)務特征，第二層為功能特征，第三層為行為特征，依次加入特征樹模型中。

圖4 教學服務管理系統(tǒng)全特征模型

3.6 教學服務管理系統(tǒng)的參考架構(gòu)設計

通過可變性需求階段的建模，參考架構(gòu)的設計主要考慮2方面：

1)充分結(jié)合特征模型。在參考架構(gòu)的設計中納入特征模型的思想，便于可變構(gòu)件的設計。

2)分層設計的思想。有效降低參考架構(gòu)設計的復雜性，提高各階段的可追溯性。

圖5 軟件產(chǎn)品線參考架構(gòu)元模型

分析架構(gòu)設計的基礎知識，并對軟件產(chǎn)品線架構(gòu)的研究，本文提出軟件產(chǎn)品線領域工程參考架構(gòu)的元模型(見圖5)，根據(jù)元模型對教學服務管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進行分層設計：

1)數(shù)據(jù)邏輯層。主要為系統(tǒng)提供相應的數(shù)據(jù)服務，在教學服務管理系統(tǒng)中，為其設計數(shù)據(jù)庫及其相關(guān)的軟件支撐環(huán)境[18]。

2)基礎構(gòu)件層。是系統(tǒng)業(yè)務功能實現(xiàn)的核心支撐，上層構(gòu)件可調(diào)用本層的基礎構(gòu)件。在本文系統(tǒng)中，基于面向構(gòu)件標準的軟件總線及服務，為構(gòu)件之間的數(shù)據(jù)交換和通信提供可靠保障，包含運算構(gòu)件、顯示構(gòu)件等為系統(tǒng)提供基礎支撐功能的構(gòu)件。

3)業(yè)務構(gòu)件層。是4層結(jié)構(gòu)，包括原子業(yè)務構(gòu)件層、基礎業(yè)務構(gòu)件層、通用業(yè)務構(gòu)件層和行為業(yè)務構(gòu)件層[19]。

①原子業(yè)務構(gòu)件層。主要是將業(yè)務對象進行適當分解，并對基礎構(gòu)件層的構(gòu)件進行組合。該層包含短信收發(fā)、上傳下載、郵件收發(fā)、文件導入等界面展示構(gòu)件和數(shù)據(jù)處理構(gòu)件。

②基礎業(yè)務構(gòu)件層。基礎業(yè)務層構(gòu)件利用原子業(yè)務層的構(gòu)件，通過整合原子構(gòu)件。該層包含教務通知發(fā)布、成績導入、考場安排、作業(yè)上交等能夠直接處理業(yè)務的構(gòu)件。

③通用業(yè)務構(gòu)件層。該層包括作業(yè)管理、教務通知、成績管理、系統(tǒng)管理等一些能進行通用型業(yè)務處理的構(gòu)件。

④行為業(yè)務構(gòu)件層。行為應用構(gòu)件層處于最高層，該層構(gòu)件通過將原子業(yè)務構(gòu)件或者基礎業(yè)務構(gòu)件進行組裝，形成符合特定領域需求的領域構(gòu)件，形成領域應用構(gòu)件，如圖6所示。

圖6 教學服務管理系統(tǒng)參考架構(gòu)

在完成教學服務系統(tǒng)參考架構(gòu)后，將架構(gòu)層次與特征集層次進行對應比較，可以在一定程度上保證模型間的一致性。

3.7 教學服務管理系統(tǒng)的可變構(gòu)件設計

在構(gòu)件和接口的設計中，需遵循以下原則：

1)可變構(gòu)件[20]的設計上要有普通構(gòu)件具備的能力：對外請求的接口集合、對外提供的接口集合、功能說明和構(gòu)件規(guī)約。

2)要適應可變性建模表示的需要，所以本文將共性部分設計為必選構(gòu)件，可變部分設計為可變構(gòu)件，必選構(gòu)件對應的接口需要被設計為必選接口，保證系統(tǒng)的完整性和確定性。

3)在對應或選可變性時，接口一定是必選的，不能因接口而導致構(gòu)件的可變性發(fā)生變化。

4)在可變構(gòu)件的設計和構(gòu)造時，需要考慮系統(tǒng)需求和設計復雜度選擇合適的粒度，以免造成模型過于復雜或簡單。

與可變特征相對應，可變構(gòu)件也有3種形式，分別為必選、可選和或選構(gòu)件[17]，如圖7所示

圖7 構(gòu)件的設計

通過參照教學服務管理系統(tǒng)特征模型和參考架構(gòu)，利用可變構(gòu)件的設計原則和方法，為教學服務管理系統(tǒng)設計可變構(gòu)件，其部分構(gòu)件如表7所示。

表7 教學服務管理系統(tǒng)可變構(gòu)件列表(部分)

以郵件群發(fā)構(gòu)件為例進行構(gòu)件內(nèi)部的設計：在信息推送時要用到郵件發(fā)送的功能，實現(xiàn)一個郵件內(nèi)容多人發(fā)送的功能，是一個可選構(gòu)件。構(gòu)件對外提供的接口集合有發(fā)送郵件的功能，對內(nèi)提供參數(shù)有發(fā)送者的郵件地址、登錄郵箱的用戶名、密碼、郵件的標題、內(nèi)容和接收人郵件的地址等，設計如圖8所示。

圖8 郵件群發(fā)構(gòu)件的設計

4 教學服務系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 可變構(gòu)件的開發(fā)

在以上領域分析、設計的基礎上，針對某院教學服務管理系統(tǒng)應用要求，開展應用工程。針對其特定的應用環(huán)境和特定的需求，對以上特征模型進行裁減，選擇相應的特征，得到設計的可變構(gòu)件。在原有網(wǎng)站基礎上進行再開發(fā)，開發(fā)可變構(gòu)件，二次完善系統(tǒng)。下面以郵件群發(fā)構(gòu)件開發(fā)為例，利用PHP和OOP開發(fā)[21]，偽碼如下：

function sendMail(＄to,＄title,＄content){

require_once(′//引用路徑′);

＄mail=new PHPMailer();

//是否需要身份驗證

＄mail->SMTPAuth=TRUE;

function sendMail(＄to, ＄title, ＄content){

＄mail->From="liuyangwill661@163.com";

＄mail->FromName="liuyang";

//發(fā)送郵件的服務協(xié)議地址

＄mail->Host="smtp.163.com";

＄mail->Username="phpseven";

＄mail->Password="phpseven777";

＄mail->AddAddress(＄to);//收件人

//郵件標題內(nèi)容

＄mail->Subject=＄title;

＄mail->Body=＄content;

return(＄mail->Send());

}}

上述代碼是調(diào)用郵件群發(fā)構(gòu)件的部分代碼，其中調(diào)用send()方法，實現(xiàn)郵件多人發(fā)送的功能，借助163郵箱現(xiàn)有的服務器，作為實現(xiàn)郵件群發(fā)的基礎，實現(xiàn)參數(shù)的設置，通過提供方法內(nèi)部參數(shù)，可以實現(xiàn)群發(fā)郵件的功能，本構(gòu)件并沒有對前端頁面和按鈕進行封裝，更有利于后期復用的兼容性。

4.2 教學服務管理系統(tǒng)實現(xiàn)

在教學服務管理系統(tǒng)應用工程階段，針對特定的應用和需求，在具體的系統(tǒng)分析、設計后，一方面可以復用以上特征分析和特征建模的結(jié)果、系統(tǒng)框架和構(gòu)件的設計，另一方面可以根據(jù)實際情況，二次開發(fā)適合具體應用特定業(yè)務構(gòu)件和應用實例，然后進行系統(tǒng)集成配置。其運行界面如圖9～圖12所示。

圖9 教學服務管理系統(tǒng)的學生主界面

圖10 教學服務管理系統(tǒng)的學生作業(yè)管理界面

圖11 教學服務管理系統(tǒng)的學生考試安排界面

圖12 教學服務管理系統(tǒng)的學生論壇中心界面

4.3 實現(xiàn)效果評價

主要比較一次開發(fā)(見表8)和建模后開發(fā)(見表9)的相關(guān)參數(shù)，對效率進行度量。參數(shù)包括上線時間、資產(chǎn)庫中增加的數(shù)量、需求設計階段的工作量、學生與教務人員的滿意度[22]。

表8 一次開發(fā)相關(guān)參數(shù)

表9 建模后開發(fā)相關(guān)參數(shù)

在開發(fā)效率上，收集開發(fā)過程中所消耗時間的反饋，前期可變性模型的創(chuàng)建有效地縮短了開發(fā)時間，提高了開發(fā)效率，同時構(gòu)件的增加也為后序的復用提供支持。

在開發(fā)的質(zhì)量上，雖然前期的需求和設計階段消耗了一定的時間，但是可以幫助開發(fā)人員更加了解這個領域，開發(fā)出更加有針對性和滿意度更高的功能需求和構(gòu)件。

通過上述的比較發(fā)現(xiàn)，將改進后的特征模型應用于教學服務管理系統(tǒng)，可以有效地降低開發(fā)成本，提高用戶的滿意度。

5 結(jié)束語

本文旨在解決需求和設計階段的可變性建模以及系統(tǒng)高效的實現(xiàn),成功將此方法應用在教學服務管理系統(tǒng)產(chǎn)品線的開發(fā)過程中。通過提升可變性建模和管理層次，能更好地維護體系結(jié)構(gòu)可變性的一致性配置，并給予可變性建模詳細的操作指南，為實施的產(chǎn)品線提供良好的指導。根據(jù)可變模型的分析，得出可變構(gòu)件，降低開發(fā)成本，未來可不斷完善和豐富構(gòu)件庫以及軟件產(chǎn)品線核心資產(chǎn)，形成產(chǎn)品體系，從根源上提高開發(fā)效率。