王 華

(浙江科技學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，杭州 310023)

在軟件體系結(jié)構(gòu)(簡稱為體系結(jié)構(gòu)或SA)的研究中，用連接件表示構(gòu)件間復(fù)雜的語義關(guān)系。將連接件視為與構(gòu)件等同的實體有助于體系結(jié)構(gòu)的研究[1-2]，因為連接件主要負(fù)責(zé)構(gòu)件間的通信，這就將構(gòu)件的計算功能獨立化。研究者可以專注于軟件生存環(huán)境對體系結(jié)構(gòu)的影響并將之建模為連接件，通過連接件修改或替換構(gòu)件，實現(xiàn)基于體系結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)性。軟件生存環(huán)境驅(qū)動體系結(jié)構(gòu)的重配置可以借助于連接件的適應(yīng)性調(diào)整來實現(xiàn)，然而體系結(jié)構(gòu)描述語言[3-5]中非顯式的構(gòu)件連接阻礙了體系結(jié)構(gòu)自適應(yīng)能力的提高。

在自適應(yīng)的連接件設(shè)計中，軟件生存環(huán)境是一個重要的驅(qū)動力。把生存環(huán)境視為方面(aspect)進(jìn)行建模是構(gòu)建連接件的有效方法[6-7]。Shin等提出了分布式環(huán)境中安全軟件體系結(jié)構(gòu)的可重用連接件的設(shè)計方法[8]。Ringert等提出了將平臺獨立的連接件模型轉(zhuǎn)換為平臺相關(guān)的連接件模型的方法，通過將構(gòu)件-連接件的結(jié)構(gòu)化擴(kuò)展組合為構(gòu)件行為來建模[9]，并提供了連接件裁剪方法[10]。Khorasani等借助于xADL體系結(jié)構(gòu)描述語言和基于規(guī)則的系統(tǒng)實現(xiàn)了軟件體系結(jié)構(gòu)的重配置[11]。這些研究在連接件模型的自適應(yīng)配置上存在不足，這就迫切需要面向方面的預(yù)見式連接件(aspect-oriented proactive connector，APC，以下簡稱預(yù)見式連接件)以使自適應(yīng)系統(tǒng)具有更強(qiáng)的可預(yù)見性和更智能的行為，從而提高客戶服務(wù)質(zhì)量。針對傳統(tǒng)被動式連接件的不足，筆者借助面向方面的思想來構(gòu)造預(yù)見式連接件本體模型，以實現(xiàn)構(gòu)件連接的修改和體系結(jié)構(gòu)的動態(tài)配置，提高軟件體系結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)性，并借助于影響因子價值去量化選擇作為調(diào)整政策的依據(jù)。通過一個實際運營的在線健康評估系統(tǒng)進(jìn)行測試，結(jié)果表明，本方法為應(yīng)用提供了預(yù)見式的自適應(yīng)配置機(jī)制，提高了應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量。

1 預(yù)見式連接件本體模型設(shè)計

1.1 方面連接件設(shè)計

Medvidovik等指出了描述連接件所具備的6個特征：接口、類型、語義、約束、演化和NFR(non-functional requirement，非功能性需求)屬性[12]。預(yù)見式連接件可以方便地定制、調(diào)整交互關(guān)系，靈活修改構(gòu)件。一方面，軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計師往往關(guān)注于功能性的構(gòu)件，而忽略了生存環(huán)境中描述非功能屬性的橫切關(guān)注點(crosscutting concerns)，如帶寬、安全性、需求變化、分布性等。這些橫切關(guān)注點的產(chǎn)生會將構(gòu)件和連接件復(fù)雜化，使計算功能、通信功能和非功能性需求“糾纏”在一起。另一方面，體系結(jié)構(gòu)的演化主要是由于橫切關(guān)注點引起，而借助于AOP(aspect-oriented programming，面向方面編程)[13]思想正好能夠把這些橫切關(guān)注點封裝成方面并作為體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，稱之為方面構(gòu)件(aspect component，AC)，通過一個特殊的連接件對方面構(gòu)件和基礎(chǔ)構(gòu)件(primary component，PC)進(jìn)行通信協(xié)調(diào)。這個特殊的連接件稱為預(yù)見式連接件。由基礎(chǔ)構(gòu)件完成功能性需求，由方面構(gòu)件完成對橫切關(guān)注點的建模。通過預(yù)見式連接件可以方便地在方面構(gòu)件和普通構(gòu)件之間進(jìn)行路由，實現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)演化。其中，方面構(gòu)件則可以實現(xiàn)對橫切關(guān)注點的重用。

圖1 預(yù)見式連接件模型Fig.1 APC model

圖1顯示了如何通過預(yù)見式連接件實現(xiàn)基礎(chǔ)構(gòu)件和演化因素驅(qū)動的方面構(gòu)件之間的隔離，以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)的預(yù)見式自適應(yīng)。從圖中可以看出，預(yù)見式連接件使用不同的角色將不同的體系結(jié)構(gòu)元素聯(lián)系在一起，而體系結(jié)構(gòu)的元素就表現(xiàn)為基礎(chǔ)構(gòu)件、方面構(gòu)件、角色和編織政策(weaving policy)。編織政策可以通過擴(kuò)展的ECA(event-condition-action)規(guī)則進(jìn)行描述，筆者在之前的工作中已經(jīng)開發(fā)這個輕量級的自適應(yīng)語言[14]。仲裁者的作用是接受體系結(jié)構(gòu)描述語言中的體系結(jié)構(gòu)演化腳本。

1.2 預(yù)見式連接件本體設(shè)計

綜上所述，預(yù)見式連接件的組成元素包含了角色和編織政策。從體系結(jié)構(gòu)的角度，筆者認(rèn)為編織政策指明了角色之間相互關(guān)聯(lián)和動態(tài)協(xié)作的體系結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)行為，將參與體系結(jié)構(gòu)配置和連接的所有角色進(jìn)行了相關(guān)的定義和規(guī)約描述。編織政策成為指導(dǎo)體系結(jié)構(gòu)演化的“劇本”，即對體系結(jié)構(gòu)重配置的基礎(chǔ)信息。由此可以得出結(jié)論，預(yù)見式連接件中的所有角色不是直接相連的，它們只能被編織政策使用并通過編織政策中的定義進(jìn)行信息交互。角色集合反映了在構(gòu)建一個系統(tǒng)過程中作為子系統(tǒng)的約束條件，即能夠連接到預(yù)見式連接件上所有構(gòu)件的接口抽象。

控制轉(zhuǎn)移機(jī)制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移機(jī)制是預(yù)見式連接件的基本構(gòu)造塊的2個原語。通過操作這2個原語，可以在基礎(chǔ)連接件之上構(gòu)造復(fù)合連接件。通過控制轉(zhuǎn)移機(jī)制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移機(jī)制反映預(yù)見式連接件狀態(tài)的變化，具體表現(xiàn)為預(yù)見式連接件所提供的服務(wù)語義、互聯(lián)機(jī)制和通信協(xié)議等。借助于本體論[15]和框架表示法[16]得到如圖2所示的預(yù)見式連接件本體模型圖。

圖2 體系結(jié)構(gòu)的預(yù)見式連接件本體模型Fig.2 APC ontology model of software architecture

圖2中的切入點槽表示方面構(gòu)件的橫切面，表現(xiàn)為經(jīng)由基礎(chǔ)構(gòu)件中的接口傳遞而來的各種事件，以此觸發(fā)體系結(jié)構(gòu)的重配置。規(guī)約槽規(guī)定了預(yù)見式連接件的相關(guān)約束條件，如網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制等。預(yù)見式連接件本體模型也擴(kuò)展了AOP中的通知，這包括了基本側(cè)面before、after和around以及擴(kuò)展側(cè)面beforeif、afterif和aroundif。應(yīng)用相應(yīng)的側(cè)面可以表示調(diào)用方面構(gòu)件或基礎(chǔ)構(gòu)件的觸發(fā)條件，其具體含義如下：

1)before，將請求傳遞至所要請求的基礎(chǔ)構(gòu)件之前觸發(fā)方面構(gòu)件的動作。

2)after，將請求傳遞至所要請求的基礎(chǔ)構(gòu)件，接著調(diào)用經(jīng)由編織政策構(gòu)造的方面構(gòu)件提供的操作接口。

3)around，取代基礎(chǔ)構(gòu)件的操作，而直接調(diào)用經(jīng)由編織政策構(gòu)造的方面構(gòu)件提供的操作接口。

4)beforeif(condition)，僅當(dāng)condition為真時按照before的方式執(zhí)行。

5)afterif(condition)，僅當(dāng)condition為真時按照after的方式執(zhí)行。

6)aroundif(condition)，僅當(dāng)condition為真時按照around的方式執(zhí)行。

1.3 影響因子價值函數(shù)

為了表示當(dāng)前生存環(huán)境下用戶對系統(tǒng)運行狀態(tài)的滿意程度，本研究設(shè)計了一個影響因子價值函數(shù)(impact factor value， IFV)，作為預(yù)見式自適應(yīng)動作的評價標(biāo)準(zhǔn)。IFV的計算公式如下：

(1)

2 實例研究

為了評估本方法的可行性而進(jìn)行了一個案例研究分析。目標(biāo)系統(tǒng)是一個健康管理子系統(tǒng)——健檢助手系統(tǒng)(HES，health evaluation assistant system,以下簡稱本系統(tǒng))，網(wǎng)址是http://www.joyhar.com，即通過數(shù)據(jù)挖掘給出相關(guān)的健康促進(jìn)書。從體檢結(jié)果、生活習(xí)慣、飲食、生活環(huán)境、職業(yè)行為等方面出發(fā)，提供對個人最重要的個性化健康信息，對身體狀況進(jìn)行全面分析，結(jié)合疾病分析模型對慢性病進(jìn)行早期預(yù)警，并提出系統(tǒng)性的健康促進(jìn)建議。該評估系統(tǒng)已運行3年，獲得了大量的數(shù)據(jù)，客戶總數(shù)為55 027個，生成的《健康促進(jìn)書》中有效的總份數(shù)為103 429份，筆者抽取了客戶體檢項目中的23 891項。本系統(tǒng)通過算法模型對健康問卷和該次體檢的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，生成個人健康促進(jìn)書，包括個人動態(tài)健康檔案、個人疾病解讀、個人異常指標(biāo)、個人生活方式指導(dǎo)、個人飲食指導(dǎo)、個人運動指導(dǎo)、個人心理指導(dǎo)、高發(fā)疾病風(fēng)險提示、個人健康趨勢及規(guī)劃和體檢報告10個模塊。

根據(jù)本系統(tǒng)的運營規(guī)則，不同客戶可以根據(jù)自己的需要訂購不同質(zhì)量的服務(wù)，如金卡用戶或者銀卡用戶。隨著越來越多的客戶使用系統(tǒng)提供的服務(wù)，本系統(tǒng)經(jīng)歷了一系列事件，如請求者需等待更長的時間才能得到一份健康評估報告，在體檢高峰期某些金卡客戶無法得到服務(wù)。這些事件可以作為驅(qū)動體系結(jié)構(gòu)演化的橫切面來考慮，即軟件生存環(huán)境的變化。本系統(tǒng)將它們編織為方面構(gòu)件和預(yù)見式連接件驅(qū)動體系結(jié)構(gòu)演化。

2.1 預(yù)見式連接件構(gòu)建過程

本系統(tǒng)預(yù)見式連接件構(gòu)建過程如下。

1)初始構(gòu)件模型如圖3所示。Client構(gòu)件和HealthReport構(gòu)件是簡化后構(gòu)件，分別表示客戶請求構(gòu)件和健康評估報告構(gòu)件。

圖3 HES初始構(gòu)件模型Fig.3 Initial component model of HES

2)為了提供更好的服務(wù)質(zhì)量，對網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)行前向預(yù)測，把檢查帶寬看成是本系統(tǒng)的橫切面，并構(gòu)造成為一個方面構(gòu)件PredictResource。該構(gòu)件至少提供了分別表示預(yù)測帶寬和CPU負(fù)載的接口——PredictBandwidth和PredictCPU。本系統(tǒng)還構(gòu)建了計算影響因子價值的方面構(gòu)件CalculateIFV，為計算總影響因子價值，CalculateIFV提供計算服務(wù)。

3)把PredictResource構(gòu)件織入本系統(tǒng)，根據(jù)獲得的預(yù)測帶寬值預(yù)見式調(diào)整構(gòu)件的服務(wù)配置，把來自Client構(gòu)件的FetchReport接口作為PredictResource方面構(gòu)件的切入點。帶寬度量值分為3個等級：LOW、HIGH和MEDIUM，分別用小于10 Kbit/s、10～100 Kbit/s和大于100 Kbit/s來表示，可以得到圖4所示的編織政策。

圖4 HES的編織政策Fig.4 Weaving policy of HES

4)對PredictResource進(jìn)行動態(tài)編織建模，這需要構(gòu)建一個預(yù)見式連接件——ResourceApcc，用來協(xié)調(diào)CalculateIFV、Client和HealthReport三者之間的交互，根據(jù)編織政策決定是否調(diào)用CalculateIFV構(gòu)件及何時調(diào)用CalculateIFV構(gòu)件。本系統(tǒng)演化后的連接件模型如圖5所示。

2.2 實驗結(jié)果分析

通過預(yù)見式連接件的動態(tài)調(diào)整后，HES系統(tǒng)的響應(yīng)時間與未優(yōu)化時相比較的結(jié)果如圖6所示。

圖5 HES演化后的連接件模型Fig.5 Connector model of evolved HES

圖6 未優(yōu)化方法和預(yù)見式自適應(yīng)方法的性能比較Fig.6 Comparison of performance between the non-optimized method and the proactive self-adaptive method

從圖6可以看出，隨著用戶請求數(shù)的增加，用戶請求的平均響應(yīng)時間也在增加。當(dāng)系統(tǒng)有125個用戶請求時，自適應(yīng)優(yōu)化方法比未優(yōu)化方法稍好；隨著用戶請求數(shù)的不斷增加，平均響應(yīng)時間增加比較快。此時，預(yù)見式自適應(yīng)優(yōu)化方法顯示出了較好的性能。并且請求數(shù)越多，性能的改善更加明顯。

3 結(jié) 論

軟件生存環(huán)境的可變性和不確定性對體系結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)性提出了新的要求，傳統(tǒng)連接件的自適應(yīng)是被動式的，即必須預(yù)先設(shè)置規(guī)則(政策)，通過生存環(huán)境的條件改變觸發(fā)自適應(yīng)政策的執(zhí)行。為了克服這種局部性和被動式的調(diào)整方式，筆者提出了面向方面的預(yù)見式連接件模型，并將影響因子價值量化以調(diào)整政策，以此作為選擇政策的依據(jù)。經(jīng)過對一個在線的健康評估助手系統(tǒng)進(jìn)行改造使之具備自適應(yīng)的能力，實驗結(jié)果表明，當(dāng)使用本文的預(yù)見式連接件模型時提高了系統(tǒng)的性能，因而具有應(yīng)用可行性。

[1] OZKAYA M. What is software architecture to practitioners: a survey[C]//5th International Conference on Model-Driven Engineering and Software Development. Porto: MODELSWARD,2017:677.

[2] 梅宏, 陳鋒, 馮耀東, 等. ABC：基于體系結(jié)構(gòu)、面向構(gòu)件的軟件開發(fā)方法[J]. 軟件學(xué)報,2003,14(4):721.

[3] BLOM H, CHEN D J, KAIJSER H, et al. EAST-ADL: an architecture description language for automotive software-intensive systems in the light of recent use and research[J]. International Journal of System Dynamics Applications,2016,5(3):1.

[4] ZUNIGAPRIETO M, INSFRAN E, ABRAHAO S. Architecture description language for incremental integration of cloud services architectures[C]//IEEE Symposium on the Maintenance and Evolution of Service-Oriented Systems and Cloud-Based Environments. Toronto: IEEE,2016:16.

[5] SARI B, REUSS H C. A model-driven approach for the development of safety-critical functions using modified architecture description language (ADL)[C]//International Conference on Electrical Systems for Aircraft, Railway, Ship Propulsion and Road Vehicles and International Transportation Electrification Conference. Toulouse: IEEE,2017:1.

[6] SHESHASAAYEE A, JOSE M R. A theoretical framework for the maintainability model of aspect oriented systems[J]. Procedia Computer Science,2015,62:505.

[7] FAN G, YU H, CHEN L, et al. A formal aspect-oriented method to model and analyse secure service composition[J]. International Journal of Autonomous and Adaptive Communications Systems,2015,8(2/3):119.

[8] SHIN M, GOMAA H, PATHIRAGE D. Reusable secure connectors for secure software architecture[C]//International Conference on Software Reuse. Limassol: Springer International Publishing,2016:181.

[9] RINGERT J O, RUMPE B, WORTMANN A. Transforming platform-independent to platform-specific component and connector software architecture models[C]//Workshop on Model-Driven Engineering for Component-Based Software Systems (ModComp’15). Ottawa: AMC/IEEE,2015:30.

[10] RINGERT J O, RUMPE B, WORTMANN A. Tailoring the MontiArcAutomaton component and connector ADL for generative development[C]//Joint Morse/vao Workshop on Model-Driven Robot Software Engineering and View-Based Software-Engineering. L’Aquila: ACM,2015:41.

[11] KHORASANI F, SALAJEGHEH A, MOEINI A. A model for run-time software architecture adaptation[J]. International Journal of Software Engineering and Applications,2015,6(1):11.

[12] MEDVIDOVIC N, TAYLOR R N. A classification and comparison framework for software architecture description languages[J]. IEEE Transactions on Software Engineering,2000,26(1):70.

[13] POPOVICI A, GROSS T, ALONSO G. Dynamic weaving for aspect-oriented programming[C]//Proceedings of the 1st International Conference on Aspect-Oriented Software Development. Enschede: ACM,2002:141.

[14] WANG H, YING J. An approach for harmonizing conflicting policies in multiple self-adaptive modules[C]//International Conference on Machine Learning and Cybernetics. Hong Kong: IEEE,2007:2379.

[15] USCHOLD M, GRUNINGER M. Ontologies: principles, methods, and applications[J]. Knowledge Engineering Review,1996,11(2):93.

[16] MINSKY M. A framework for representing knowledge[Z]. Massachusetts Institute of Technology,1974.