动态软件体系结构研究综述倡

收稿日期：２００８唱１１唱０６；修回日期：２００８唱１２唱０８ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０７０３１１６）；云南省应用基础研究计划资助项目（２００６Ｆ００２４Ｑ） 作者简介：李琼（１９８２唱），女，云南人，硕士研究生，主要研究方向为软件工程与软件测试（ｈｅｌｌｏｌｑｇ＠１６３．ｃｏｍ）；姜瑛（１９７４唱），女，浙江余姚人，副教授，硕导，博士，主要研究方向为软件工程、软件构件与测试技术．动态软件体系结构研究综述倡李　琼，姜　瑛（昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明６５００５１）摘　要：近年来，随着Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的迅猛发展和应用形式的不断更新，传统的软件体系结构（ＳＡ）已无法完全适应需求，动态软件体系结构（ｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｔｗａｒｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＤＳＡ）逐渐成为ＳＡ研究人员关注的焦点之一。

描述了ＤＳＡ的研究背景及研究意义；总结了ＤＳＡ的研究内容及国内外的研究现状；最后探讨了ＤＳＡ研究的主要发展方向。

关键词：软件体系结构；动态软件体系结构；动态演化；描述语言；执行工具中图分类号：ＴＰ３１１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１唱３６９５（２００９）０６唱２３５２唱０４ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１唱３６９５．２００９．０６．１０６ＯｖｅｒｖｉｅｗｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｔｗａｒｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＬＩＱｉｏｎｇ，ＪＩＡＮＧＹｉｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＫｕｎｍｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ６５００５１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｇｒｏｗｔｈｏｆＩｎｔｅｒｎｅｔａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｔｙｌｅｓ，ｔｒａｄｉ唱ｔｉｏｎａｌＳＡｃｏｕｌｄｎｏｔｆｕｌｌｙｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｔｗａｒｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ（ＤＳＡ）ｇｒａｄｕａｌｌｙｂｅｃａｍｅｔｈｅｆｏｃｕｓｏｆａｔｔｅｎｔｉｏｎｏｆＳＡｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ．Ａｔｆｉｒｓｔ，ｄｅｓｃｒｉｂｅｄｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄａｎｄｍｅａｎｉｎｇｏｆｔｈｅＤＳＡ，ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｈｅｍａｉｎｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅａｓｏｆｔｈｅＤＳＡａｎｄｉｔｓｐｒｅｓｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｓｉｔｕａｔｉｏｎｂｏｔｈａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ．ＦｉｎａｌｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｄｓｏｍｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｐｒｏｍｉｓｉｎｇｔｅｎｄｅｎｃｙａｂｏｕｔＤＳＡｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：（ｓｏｆｔｗａｒｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）ＳＡ；ＤＳＡ；ｄｙｎａｍｉｃｅｖｏｌｕｔｉｏｎ；ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｌａｎｇｕａｇｅ；ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｔｏｏｌ０　ＤＳＡ研究背景及意义ＳＡ是对软件系统整体组织结构和控制结构的刻画，包括系统中各计算单元（构件）的功能分配、各单元之间的高层交互说明（连接件）以及ＳＡ的约束。

当前，ＳＡ研究主要集中在静态体系结构上，这种体系结构在运行时不能发生改变。

而对于一些需要长期运行且具有特殊使命的系统（如航空航天、生命维持、金融、交通等），如果系统需求或环境发生了变化，此时停止系统运行进行更新或维护将会产生高额的费用和巨大的风险，对系统的安全性也会产生很大的影响。

静态体系结构缺乏表示动态更新的机制，很难用其分析、描述这样的系统，更不能用它来指导系统进行动态演化。

因此，ＤＳＡ的研究应运而生。

随着网络和许多新兴软件技术（如ａｇｅｎｔ、网格计算、普适计算、移动计算、网构软件等）的发展，对ＳＡ提出了许多更高的要求，如ＳＡ的扩展性、复用性、适应性等，而传统的静态体系结构已难以满足这些要求。

Ｐｅｒｒｙ在２０００年第十六届世界计算机大会主题中提出，ＳＡ中最为重要的三个研究方向即体系结构风格、体系结构连接件和ＤＳＡ，再次说明了ＤＳＡ研究的重要性。

与静态体系结构相比，研究ＤＳＡ的意义主要在于能够减少系统开发的费用和风险。

由于采用ＤＳＡ，一些具有特殊使命的系统能够在系统运行时根据需求对系统进行更新，并降低更新的费用和风险。

此外，ＤＳＡ能增强用户自定义性和可扩展性，并可为用户提供更新系统属性的服务。

１　ＤＳＡ研究内容及现状ＤＳＡ指那些在软件运行时刻会发生变化的体系结构［１，２］。

与传统（静态）ＳＡ相比，ＤＳＡ的特殊之处在于它的动态性。

ＳＡ的动态性指由于系统需求、技术、环境、分布等因素的变化而导致ＳＡ在软件运行时刻的变化［１］，主要通过ＳＡ的动态演化来体现。

目前，对ＤＳＡ的研究主要集中在动态演化、模拟／描述ＳＡ动态演化的语言和支持ＳＡ动态演化的执行工具等方面展开。

１畅１　动态演化现阶段，对于ＤＳＡ动态演化的研究主要围绕动态演化的需求来源、动态演化时期、动态演化类型、动态演化方法等方面。

ＳＡ的动态演化主要来自两类需求：ａ）软件内部执行所导致的体系结构改变。

例如，许多服务器端软件会在客户请求到达时创建新的构件来响应用户需求。

ｂ）是软件系统外部的请求对软件进行的重配置。

例如，操作系统在升级时无须重新启动，在运行过程中就完成对体系结构的修改。

ＤＳＡ的演化一般发生在四个时期：ａ）设计时期，演化发生在体系结构模型和与之相关的代码编译之前；ｂ）预执行时，演化发生在执行之前、编译之后，这时由于应用程序并未执行，修改时可以不考虑应用程序的状态，但需要考虑系统的体系结构，且系统需要具有添加和删除构件的机制；ｃ）受约束的运行时，演化只发生在某些特定约束满足时；ｄ）运行时，系统的体系结构在运行时不第２６卷第６期２００９年６月　计算机应用研究ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒｓＶｏｌ．２６Ｎｏ．６Ｊｕｎ．２００９能满足要求时发生的改变，包括添加构件、删除构件、升级替换构件、改变体系结构的拓扑结构等。

此时的演化是最难实现的。

事实上，对ＤＳＡ的演化研究应重点放在后两个时期发生的演化。

在ＳＡ动态演化类型的研究上，Ｃｕｅｓｔａ等人将软件的动态性分为三个级别：ａ）交互动态性，仅仅要求固定结构里的动态数据交流；ｂ）结构动态性，允许结构的修改，即构件和连接件实例的创建、增加和删除；ｃ）体系动态性，允许ＳＡ的基本构造的变动，即结构可以被重定义，如新的构件类型的定义。

以此标准衡量，目前ＤＳＡ的动态演化研究大多仅支持发生在层次ａ）ｂ）上的动态性，而对层次ｃ）上的动态性支持甚少。

一般而言，实现ＳＡ动态演化的基本原理是使ＤＳＡ在可运行应用系统中以一类有状态、有行为、可操作的实体显式地表示出来，并且被整个运行环境共享，作为整个系统运行的依据。

也就是说，运行时刻体系结构相关信息的改变可用来触发、驱动系统自身的动态调整。

此外，对系统自身所作的动态调整结果可反映在体系结构这一抽象层面上。

在系统结构上，通过引入运行时体系结构对象，使得相关协同逻辑可从计算部件中分离出来，显式地、集中地得以表达，符合关注分离的原则；同时又解除了系统部件之间的直接耦合，这些都有助于系统的动态调整。

由于动态演化实现起来比静态演化复杂得多，系统必须提供ＳＡ动态演化的一些相关功能。

首先，要求系统必须提供保存系统当前的ＳＡ信息（拓扑结构、部件状态和数目等）的功能；其次，实施动态演化还需设置一个监控管理机制，对系统有无需求变化进行监视。

当发现有需求变化时，应能分析、判断可否实施演化、何时演化及演化范围，并最终分析或生成演化策略。

再者，还应保证演化操作原子性，即在动态变化过程中，如果其中之一的操作失败了，整个操作集都要被撤销，从而避免系统出现不稳定的状态。

ＤＳＡ实施动态演化大体遵循以下四步：ａ）捕捉并分析需求变化；ｂ）获取或生成体系结构演化策略；ｃ）根据步骤ｂ）得到的演化策略，选择适当的演化策略实施演化；ｄ）演化后的评估与检测。

目前，在ＤＳＡ演化研究中，对系统的完整性及演化的一致性的保证、检查的研究还不够深入。

此外，由于ＤＳＡ自身的复杂性，当前对于动态演化理论的研究还不成熟，缺乏统一性，仍处于摸索阶段。

１畅２　描述语言连接件概念诞生后，一般从构件、连接件及它们之间的配置描述软件系统的结构。

支持构件、连接件及其配置的描述语言即体系结构描述语言（ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｌａｎｇｕａｇｅ，ＡＤＬ）。

ＡＤＬ是研究和应用ＳＡ的基础，通常用来对ＳＡ进行建模？如何在ＳＡ层次上刻画软件的运行时动态行为、如何描述动态的ＳＡ，使得动态ＡＤＬ成为设计和实现ＤＳＡ的基础和关键。

动态ＡＤＬ可分为形式化和非形式化两类，目前的研究以形式化描述语言为主流。

形式化语言要求：能够描述构件、连接件等单独的实体，体现ＳＡ关于构件、连接件的属性，如构件的抽象特点、连接件的通用性等；能够描述构件和连接件的交互，进行构件与连接件之间的一致性检查；能够描述系统ＳＡ的运行时演化。

目前用于描述ＤＳＡ的形式化语言主要集中在对现有的一些ＡＤＬｓ的扩展上，采用到的技术主要有以下几类：ａ）基于图论的方法。

该方法主要用图的顶点表示构件，边表示连接件，并引入协调机制管理体系，动态性由图的重写（ｇｒａｐｈｒｅｗｒｉｔｉｎｇ）规则体现。

ｂ）进程代数方法。

该方法通常用于研究并发系统，一般基于代数及微分知识———具体涉及到的知识有通信交互系统演算（ｃａｌｃｕｌｕｓｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓ，ＣＣＳ）、通信顺序进程（ｃｏｍ唱ｍｕｎｉｃａｔｉｎｇｓｅｑｕｅｎｔｉａｌｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，ＣＳＰ）及Ｐｉ演算。

ｃ）基于逻辑重写（时序逻辑）的方法。

该方法是ＤＳＡ描述的形式化基础。

非形式化方法主要是采用ＸＭＬ技术。

表１是对动态ＡＤＬ及其采用的相关技术、对ＤＳＡ的支持情况等的归纳与总结。

表１　动态ＡＤＬ研究总结语言类型方法语言提出者具体技术特点形式化非形式化基于图论进程代数基于图论和进程代数其他ＣＨＡＭ［３］ＬｅＭｅｔａ唱ｙｅｒａｐ唱ｐｒｏａｃｈ［４］ＤｙｎａｍｉｃＷｒｉｇｈｔ［４］Ｄａｒｗｉｎ［４］Ｐｉ唱ＡＤＬ［５］Ｄ唱ＡＤＬ［６］ＳＡＡＭ模型的描述语言［７］ＪＢ／ＳＡＤＬ［８］Ｃ２ＳＡＤＬ［９］Ｒａｐｉｄｅ［１０］ＡＢＣ／ＡＤＬ［１１］Ｇ．Ｂｅｒｒｙ和Ｇ．ＢｏｕｄｏｌＬｅＭｅｔａ唱ｙｅｒＲｏｂｅｒ．Ｊ．Ａｌｌｅｎ等Ｍａｇｅｅ和Ｋｒａｍｅｒ等Ａｒｃｈｗａｒｅ李长云等于振华等张世琨等ＲｉｃｈａｒｄＮ．Ｔａｙｌｏｒ等Ｌｕｃｈｈａｍ等王晓光等引入转换规则及项重写用ＨＲ（ｈｙｐｅｒ唱ｅｄｇｅｒｅｐｌａｃｅ唱ｍｅｎｔ）图文法、图重写使用标签事件（ｔａｇｇｅｄｅｖｅｎｔｓ）技术对Ｗｒｉｇｈｔ进行扩展一阶Ｐｉ唱演算基于高阶Ｐｉ唱演算基于高阶多型Ｐｉ演算面向对象Ｐｅｔｒｉ网ＯＰＮ和Ｐｉ演算两种互补的形式化方法采用伪码刻画构件接口、构件结构、构件实现，采用Ｍｅａｌｙ机（包括一组有穷的状态集合）刻画构件的行为基于偏序事件集通过ｌｉｎｋ和ｕｎ唱ｌｉｎｋ操作，事件驱动用ＸＭＬ等作为元语言能够描述、分析ＳＡ的动态行为，支持ＳＡ配置演化的研究能用图重写来规约体系结构动态行为的途径支持动态的建模和分析，用于死锁检测、模型一致性验证等工作对基于消息传递的分布式系统进行描述和动态配置，支持预设的动态演化支持动态体系结构建模和验证支持系统联机演化及ＳＡ求精适用于基于构件的软件系统的动态演化，支持动态体系结构建模、分析与验证支持对ＪＢ／ＨＭＢ（青鸟基于层次消息总线的ＳＡ）风格的系统进行规范化描述，并可在工具的支持下进行系统性质分析、动态模拟运行、动态演化和代码框架自动生成主要面向Ｃ２风格的ＳＡ描述，支持体系结构演化、动态配置支持有限度的动态体系结构行为一种通用类型的ＡＤＬ，用于支持基于体系结构、面向构件的软件开发方法如表１所示，各种描述方法各有其特点。