Ｊ２ＥＥ應(yīng)用軟件靜態(tài)模型重構(gòu)技術(shù)研究

摘要：給出了J2EE應(yīng)用軟件靜態(tài)模型的詳細描述，并提出一種利用靜態(tài)分析技術(shù)自動重構(gòu)J2EE應(yīng)用軟件靜態(tài)模型的方法，實現(xiàn)了原型工具，有效地幫助用戶分析、理解、測試J2EE應(yīng)用軟件系統(tǒng)。最后通過一個實例描述模型的建立過程。

關(guān)鍵詞：J2EE靜態(tài)模型； J2EE構(gòu)件； 逆向工程

中圖分類號：TP311．5文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-3695(2007)11-0196-04

0引言

隨著J2EE技術(shù)的發(fā)展，J2EE應(yīng)用軟件使用范圍不斷擴大，有效地幫助企業(yè)、用戶完成較大規(guī)模的應(yīng)用。但是，隨著企業(yè)應(yīng)用的日益復(fù)雜和多元化，J2EE應(yīng)用軟件日益龐大，在軟件的維護和擴展過程中，對軟件的分析理解、測試都很復(fù)雜，甚至難以進行，特別是隨著時間的推移，應(yīng)用軟件相關(guān)文檔可能會發(fā)生遺失，使軟件的理解更加困難。因此需要一種針對J2EE應(yīng)用軟件的理解與建模工具，重構(gòu)J2EE應(yīng)用軟件的模型，幫助用戶分析、理解J2EE應(yīng)用軟件的組成和結(jié)構(gòu)。另外，生成的模型可以為利用模型驅(qū)動測試技術(shù)測試J2EE應(yīng)用系統(tǒng)提供測試模型建立依據(jù)，甚至可以直接轉(zhuǎn)換為測試模型[1]。

從廣義上講，這屬于逆向工程[2]研究的范疇。目前，逆向工程的研究大都集中在通過對組成應(yīng)用軟件的類級代碼分析生成體系結(jié)構(gòu)模型，以UML類圖、活動圖等形式表現(xiàn)，對J2EE應(yīng)用軟件的逆向工程研究比較少。文獻[3]提出利用北京航空航天大學(xué)軟件工程研究所QESat/Java軟件分析與測試工具通過對應(yīng)用系統(tǒng)進行分析，得到系統(tǒng)的類視圖、關(guān)系視圖等。文獻[4，5]給出了描述J2EE應(yīng)用軟件組成的四種視圖，即導(dǎo)航視圖、概念視圖、模塊視圖、執(zhí)行視圖，通過它們來顯示J2EE應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。這些研究在一定程度上給出了建立J2EE應(yīng)用軟件模型以及對模型進行重構(gòu)的方法。但J2EE應(yīng)用軟件必須運行在特定的容器中，對其動態(tài)運行模型的捕捉不僅需要將完整的系統(tǒng)部署到容器中，還要在容器、系統(tǒng)中注入跟蹤方法。因此很難控制和捕捉，得到模型的正確性也受到容器和輸入的影響。靜態(tài)模型中記錄的軟件組成、結(jié)構(gòu)、功能信息為理解、分析軟件提供了充分的信息。本文主要考慮軟件靜態(tài)模型的重構(gòu)問題。目前已有的靜態(tài)模型，一般是從UML圖的角度出發(fā)考慮類及方法調(diào)用關(guān)系。在文獻[4，5]中雖然給出了四種視圖表現(xiàn)模型概念，但是在靜態(tài)模型方面只表現(xiàn)了類、構(gòu)件內(nèi)部的靜態(tài)關(guān)系，對于構(gòu)件中的耦合、軟件的整體組織都沒有完整地表示。另一方面，目前存在的重構(gòu)方法，一般是將對J2EE構(gòu)件的分析轉(zhuǎn)換成對類文件的分析，但是J2EE應(yīng)用軟件的組成單元內(nèi)部都有特定的組織形式，各個單元之間的耦合關(guān)系也不盡相同。因此這種方法會丟失部分信息，得到的模型并不完整。

針對以上問題，本文以J2EE規(guī)范和現(xiàn)有模型理論為基礎(chǔ)，分析J2EE應(yīng)用軟件的編碼規(guī)則和結(jié)構(gòu)特點，給出了J2EE應(yīng)用軟件靜態(tài)模型的完整描述，并提出了自動重構(gòu)J2EE應(yīng)用軟件靜態(tài)模型的方法。本方法根據(jù)J2EE軟件靜態(tài)模型的特點，對目標(biāo)J2EE應(yīng)用軟件進行完整的靜態(tài)分析，識別J2EE應(yīng)用軟件的組成構(gòu)件，逐步生成J2EE應(yīng)用軟件的靜態(tài)模型，為理解程序和構(gòu)件的結(jié)構(gòu)提供幫助。

1J2EE應(yīng)用軟件靜態(tài)模型概述

1．1J2EE應(yīng)用軟件概述

J2EE是用于建立服務(wù)器方應(yīng)用程序的一種系統(tǒng)平臺[3]，為企業(yè)應(yīng)用提供了一個多層結(jié)構(gòu)的分布式應(yīng)用程序模型。應(yīng)用程序邏輯根據(jù)其實現(xiàn)的不同功能被封裝到不同的構(gòu)件中。構(gòu)件是對外提供一組規(guī)約化接口的、符合一定標(biāo)準(zhǔn)的、可替換的軟件系統(tǒng)的程序模塊。J2EE規(guī)范中規(guī)定，J2EE構(gòu)件包含JSP、Servlet、EJB等。其中：JSP和Servlet構(gòu)件可以動態(tài)處理用戶的各種請求并作出響應(yīng)，運行在Web容器中，屬于Web層構(gòu)件；EJB構(gòu)件負責(zé)處理各種業(yè)務(wù)邏輯，運行在業(yè)務(wù)層。每個EJB構(gòu)件都必須遵守EJB API的規(guī)定。按照EJB實現(xiàn)的模式不同，EJB又分為會話Bean、實體Bean和消息驅(qū)動Bean。

J2EE規(guī)范規(guī)定J2EE應(yīng)用軟件必須包含Java類文件和部署文件等。其中：Java類文件完成軟件的主要功能；部署文件則記錄構(gòu)件的各種信息，容器通過讀取部署文件運行構(gòu)件。

1．2J2EE應(yīng)用軟件靜態(tài)模型

為重構(gòu)J2EE應(yīng)用程序靜態(tài)模型，首先引入J2EE靜態(tài)模型的定義和基本的表現(xiàn)形式。靜態(tài)模型是在不需要運行軟件的情況下，對程序結(jié)構(gòu)、程序的組織等信息的描述，包括包、類、屬性、方法、類之間的各種相互關(guān)系、方法之間的調(diào)用關(guān)系、各種復(fù)雜度等；這些信息一般可通過分析軟件程序獲得。本文根據(jù)J2EE應(yīng)用程序的特點以及組成結(jié)構(gòu)，根據(jù)文獻[4，5]中靜態(tài)模型相關(guān)的內(nèi)容并加以擴充，將J2EE應(yīng)用程序的靜態(tài)模型描述為文件視圖、構(gòu)件視圖、模塊視圖和體系結(jié)構(gòu)視圖。

1．2．1文件視圖

J2EE應(yīng)用程序由多種類型的文件組成。文件視圖用于表示J2EE應(yīng)用程序的目錄、包、類文件、配置文件、JSP文件等的組織形式。它以組成J2EE應(yīng)用程序最基本的文件作為元素，描述文件的物理位置、物理組織形式，記錄文件內(nèi)部的基本信息，如方法、屬性、各種復(fù)雜度信息，以及方法調(diào)用關(guān)系等。

1．2．2構(gòu)件視圖

構(gòu)件視圖構(gòu)建在文件視圖的基礎(chǔ)上。它以J2EE標(biāo)準(zhǔn)中定義的Servlet、EJB、JSP等基本構(gòu)件為單位組織J2EE應(yīng)用程序中的各種文件，描述其組成方面的細節(jié)信息、關(guān)系信息以及該構(gòu)件向外提供的接口等信息，如圖1所示。

在該視圖中，在構(gòu)件的主類中加入標(biāo)簽〈〈CType+SubType+CName〉〉，用于標(biāo)志構(gòu)件的具體類型。標(biāo)簽的具體含義如表1所示。

在靜態(tài)模型中，構(gòu)件視圖和組織結(jié)構(gòu)視圖中的元素存在著一對多的對應(yīng)關(guān)系。具體關(guān)系如表2所示（*代表必須存在）。

1．2．3模塊視圖和體系結(jié)構(gòu)視圖

這兩個視圖都關(guān)注應(yīng)用程序靜態(tài)關(guān)系，主要區(qū)別是模塊視圖關(guān)注J2EE應(yīng)用程序某一模塊的結(jié)構(gòu)以及關(guān)系；體系結(jié)構(gòu)視圖則是將所有的模塊組織起來，建立應(yīng)用軟件整體的結(jié)構(gòu)。這兩個視圖聯(lián)合起來反映了J2EE應(yīng)用程序整體的體系結(jié)構(gòu)整體模型。

J2EE應(yīng)用程序一般用來處理大規(guī)模的業(yè)務(wù)邏輯，不同的構(gòu)件聯(lián)合起來完成某一特定的功能。因此在本文中將J2EE應(yīng)用程序劃分為不同的模塊表示應(yīng)用程序功能的組織形式。但是構(gòu)件之間存在著復(fù)雜的關(guān)系，模塊如何劃分是一個重要的問題。文獻[6]中提供了一種通過判斷主動對象和被動對象的方法來劃分模塊。但是由于其中涉及到工作流以及動態(tài)運行方面的問題，比較復(fù)雜。下面將給出一種簡單的劃分方式。

在J2EE應(yīng)用軟件中，主要的功能邏輯由Servlet、會話Bean完成，JSP、實體Bean、消息驅(qū)動Bean以及其他的一些類文件只是充當(dāng)表現(xiàn)和提供業(yè)務(wù)服務(wù)特征和屬性的角色。基于這些分析，本文提出的模塊劃分方法如下：

a）獲取程序中所有的Servlet和會話Bean構(gòu)件，并建立這些構(gòu)件之間的關(guān)系，將完全沒有關(guān)系（與之關(guān)聯(lián)會話Bean也沒有關(guān)系）的構(gòu)件作為不同的模塊；

b）如果同一個Servlet關(guān)聯(lián)著不同的會話Bean并且之間完全沒有關(guān)系，則將會話Bean作為不同的模塊，并將Servlet分配到這兩個模塊中；

c）如果一個會話Bean只與會話Bean有關(guān)，則將它加入與其有關(guān)的會話Bean模塊中；

d）建立JSP，實體Bean以及其他類與會話Bean、Servlet之間的關(guān)系；

e）將JSP、Servlet加入到表示層，EJB加入到邏輯層。

根據(jù)以上的模塊劃分標(biāo)準(zhǔn)即可將整個應(yīng)用軟件劃分為獨立的功能模塊，建立對應(yīng)的模塊視圖。將所有的模塊視圖，根據(jù)共同的訪問界面、調(diào)用關(guān)系，共同的數(shù)據(jù)資源、數(shù)據(jù)一致性等關(guān)系組合成整體的體系結(jié)構(gòu)視圖；將入口的JSP作為單獨的部分成為體系結(jié)構(gòu)的入口。

以上四個視圖從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成單元的基本信息、構(gòu)件關(guān)系模型、模塊關(guān)系，以及系統(tǒng)的整體體系結(jié)構(gòu)方面等角度描述了J2EE應(yīng)用軟件完整的靜態(tài)模型，反映了J2EE應(yīng)用軟件的特點。

2靜態(tài)模型重構(gòu)技術(shù)

2．1靜態(tài)模型建立過程概述

利用靜態(tài)分析技術(shù)實現(xiàn)J2EE靜態(tài)模型重構(gòu)的具體過程如圖2所示。主要包括以下步驟：

a）獲取組織結(jié)構(gòu)信息。讀取J2EE應(yīng)用軟件的組成結(jié)構(gòu)信息，得到J2EE應(yīng)用程序的組織結(jié)構(gòu)信息。

b）靜態(tài)分析。對應(yīng)用程序進行靜態(tài)分析，包括類文件分析、JSP文件分析、XML文件分析，記錄其組成的各種基本信息，建立文件視圖。

c）構(gòu)件識別。根據(jù)從J2EE規(guī)范中對Servlet、EJB、JSP等構(gòu)件的定義中提取出的構(gòu)件識別規(guī)則，從靜態(tài)分析后得到的信息中識別出各種J2EE構(gòu)件，并得到構(gòu)件視圖。

d）模塊劃分。按照1．2．3節(jié)提供的模塊劃分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)b）c）中得到的信息，將組成J2EE應(yīng)用程序的構(gòu)件劃分到不同的模塊，得到模塊視圖。

e）建立體系結(jié)構(gòu)視圖。按照關(guān)聯(lián)關(guān)系，將模塊視圖組織成體系結(jié)構(gòu)視圖，完成整個靜態(tài)模型的建立過程。

2．2對應(yīng)用軟件進行靜態(tài)分析

自動重構(gòu)J2EE應(yīng)用軟件靜態(tài)模型過程中，首先要對其進行靜態(tài)分析，得到組成應(yīng)用軟件的基本單元、單元內(nèi)部信息、關(guān)系信息等。完整的J2EE應(yīng)用軟件一般包括類文件、XML文件、JSP文件。因此，靜態(tài)分析包括類文件分析器、XML文件分析器、JSP文件分析器。

對類文件的分析采用QESat/ Java軟件的靜態(tài)分析器對文件進行分析。該靜態(tài)分析器的主要部分是由JavaCC根據(jù)Java語法生成的一個分析器，通過詞法與語法匹配，得到代碼的各種基本信息以及調(diào)用關(guān)系信息。

該靜態(tài)分析器只能分析Java代碼，對XML文件和JSP文件無能為力。因此，在該靜態(tài)分析器后，提供了對XML和JSP文件的分析器。

XML分析器主要采用XPPXML文件讀取器為核心，將XML按照標(biāo)簽讀取；然后根據(jù)XML標(biāo)簽的具體內(nèi)容，獲取其屬性以及標(biāo)簽包含的內(nèi)容，記錄到靜態(tài)信息中。

JSP分析器則是封裝了一個HTML分析器，通過讀取JSP文件，根據(jù)JSP標(biāo)簽，記錄〈jsp：XX〉等標(biāo)簽信息，并分析〈%..%〉內(nèi)部的Java代碼，獲得JSP與其他文件的關(guān)系。

通過以上的分析過程，最終得到如下信息：

a）類的基本信息。包括包名、類名、類型、父類和實現(xiàn)的接口等信息。

b）類內(nèi)部的信息。包括類包含的屬性信息、方法名稱、參數(shù)、返回值。

c）類方法的內(nèi)部信息。

d）構(gòu)件基本信息。包括構(gòu)件名、類型、關(guān)系信息的記錄。

e）JSP基本信息。包括JSP名、內(nèi)部調(diào)用信息。

得到以上信息后，就可以建立J2EE應(yīng)用軟件靜態(tài)模型中的文件視圖。

2．3構(gòu)件識別

構(gòu)件識別主要是根據(jù)J2EE規(guī)范中對JSP、Servlet、EJB構(gòu)件的定義，總結(jié)構(gòu)件識別的基本規(guī)則，按照構(gòu)件識別規(guī)則，將屬于同一構(gòu)件的信息進行合并，建立完整的構(gòu)件信息。

2．3．1構(gòu)件識別規(guī)則

J2EE規(guī)范中為J2EE構(gòu)件（包括Servlet、EJB等）提供了完整的定義。根據(jù)對J2EE規(guī)范的提取，得到對J2EE構(gòu)件的識別規(guī)則。

1）Servlet構(gòu)件

父類為javax.servlet.HttpServlet或者javax.servlet.Gene￣ricServlet[3]，且在部署描述文件中由〈〈Servlet〉〉標(biāo)簽描述的public類型的Java類稱之為一個Servlet。

Servlet構(gòu)件包括一個Servlet主類和一個與之相關(guān)的部署文件。

2）EJB構(gòu)件

EJB可分為實體Bean、會話Bean和消息驅(qū)動Bean。對于會話Bean，將實現(xiàn)javax.ejb.SessionBean接口；對于實體Bean，將實現(xiàn)javax.ejb.EntityBean接口；對于消息驅(qū)動Bean，將實現(xiàn)javax.ejb.MessageBean接口[3]。每個EJB構(gòu)件都是由一個主類、本地接口、遠程接口以及一個與之相關(guān)的部署文件組成的。對于home接口繼承javax.ejb.EJBHome或者javax.ejb.EJBLocalHome接口；對于EJBObject接口繼承javax.ejb.EJBObject或者javax.ejb.EJBLocalObject接口。

2．3．2構(gòu)件識別方法

構(gòu)件識別過程就是依照上面的構(gòu)件識別規(guī)則，在得到的信息中找到構(gòu)件的特征，將相關(guān)聯(lián)的內(nèi)容組合在一起。

構(gòu)件的識別既可通過判斷類文件中類的繼承信息獲得，也可通過分析部署文件中對構(gòu)件結(jié)構(gòu)的描述獲得。為了能夠使構(gòu)件識別更加準(zhǔn)確，本文中將兩種方法結(jié)合在一起。具體過程如下：

a）讀取類文件中父類信息，按照構(gòu)件識別規(guī)則判斷該父類是否符合某一標(biāo)準(zhǔn)（如是否為HttpServlet）；如果符合，則將該類記錄為特定的類型。

b）遍歷部署文件信息中對構(gòu)件結(jié)構(gòu)的記錄，按照構(gòu)件名在類文件信息中查找對應(yīng)的組成元素，并判斷類型是否正確；如果符合，則將該類加入到該構(gòu)件信息中。這樣就完成了J2EE構(gòu)件的識別過程。

2．4模塊劃分

在1．2．3節(jié)中已給出了模塊劃分的基本規(guī)則。在此簡單介紹模塊劃分的實現(xiàn)。在構(gòu)件識別過程中，各種構(gòu)件均已被識別。因此在模塊劃分階段：a)基于識別的構(gòu)件信息查找所有Servlet構(gòu)件、會話EJB構(gòu)件；b)在構(gòu)件主類的靜態(tài)信息中查找構(gòu)件間的相互關(guān)系，按照劃分規(guī)則將這些構(gòu)件劃分到不同的模塊中，并予以標(biāo)志；c)從靜態(tài)分析的文件中讀取其他的JSP、EJB與已建立的模塊中的構(gòu)件之間的關(guān)系，進行添加。

3實例分析

QESat/Java（Java軟件分析與測試工具）是北京航空航天大學(xué)軟件工程研究所“十一五預(yù)研項目”的課題，而對J2EE應(yīng)用程序的分析、理解與測試是其中一項關(guān)鍵技術(shù)。目前已基本實現(xiàn)分析和理解功能，并在一定程度上得到了應(yīng)用。本章以北航軟件所基于J2EE平臺開發(fā)的實驗室管理系統(tǒng)為例，實現(xiàn)其靜態(tài)模型的重構(gòu)過程。

3．1實例介紹

實驗室管理系統(tǒng)是依照J2EE應(yīng)用軟件模式開發(fā)的分布式管理平臺，包括實驗室人員管理、信息開放、設(shè)備管理、經(jīng)費管理、產(chǎn)品介紹等。該應(yīng)用軟件系統(tǒng)依照J2EE特點，采用三層體系架構(gòu)，采用JSP、Servlet、EJB和數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)，有效地幫助實現(xiàn)實驗室的管理和對外開放的功能。

該系統(tǒng)規(guī)模較大，包含的各種類、構(gòu)件以及之間的關(guān)系比較復(fù)雜，因此在進行系統(tǒng)維護時，很難通過閱讀程序代碼和現(xiàn)有文檔了解系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織關(guān)系。使用模型重構(gòu)工具可以迅速獲得該系統(tǒng)的靜態(tài)模型，了解程序內(nèi)部各部分的關(guān)系。

3．2模型重構(gòu)及結(jié)果說明

建立測試項目，并配置測試所需的環(huán)境。通過對項目進行完整的分析后得到系統(tǒng)的靜態(tài)模型（圖3）。在圖3（a）中給出了bookSession構(gòu)件的基本結(jié)構(gòu)。通過視圖不難看出，該構(gòu)件是一個會話EJB，名字為bookSession，它包括bookSessionBean類。其中bookSession、bookSessionLoca、bookSessionHome和bookSessionLocalHome分別是它的四個接口。它們共同完成該構(gòu)件的功能。在（b）中表現(xiàn)了以bookSession為主要構(gòu)件的模塊，該模塊通過viewBook、bookModify等與用戶交互，訪問該會話Bean，進而操作數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對圖書操作的業(yè)務(wù)邏輯。（c）則是將全部模塊組織起來，形成整個系統(tǒng)完整的體系結(jié)構(gòu)。

3．3小結(jié)

以上實例自動實現(xiàn)了J2EE應(yīng)用軟件靜態(tài)模型重構(gòu)過程，并得到重構(gòu)模型，從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成單元的基本信息、構(gòu)件關(guān)系模型、模塊關(guān)系，以及系統(tǒng)的整體體系結(jié)構(gòu)方面重構(gòu)了系統(tǒng)完整的靜態(tài)信息；充分體現(xiàn)了工具在模型重構(gòu)、輔助分析理解程序方面的作用；得到的靜態(tài)模型不僅為理解程序組成單元內(nèi)部信息，也為了解系統(tǒng)整體信息提供了幫助。程序分析理解人員可基于其了解軟件系統(tǒng)的細節(jié)信息、構(gòu)件的組織結(jié)構(gòu)，以及獨立的單元如何組織完成業(yè)務(wù)邏輯。該模型同時為程序的分析、理解提供了可視化的方法，方便了對J2EE應(yīng)用軟件進行理解，并為程序測試人員提供了程序的基本信息，用于幫助測試人員在單元測試、構(gòu)件測試、模塊測試中選擇測試對象；與QESat/Java的代碼視圖配合還可以幫助用戶選取測試用例、分析測試結(jié)果等。同時，獲得的構(gòu)件模型、模塊關(guān)系模型以及體系結(jié)構(gòu)模型還可以為模型驅(qū)動測試提供幫助和模型基礎(chǔ)。

4結(jié)束語

J2EE技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及J2EE應(yīng)用軟件規(guī)模的日益龐大使得對J2EE應(yīng)用軟件的分析、理解、測試變得越來越復(fù)雜和困難。本文通過分析J2EE規(guī)范和J2EE應(yīng)用軟件的特點，給出了J2EE應(yīng)用軟件靜態(tài)模型的詳細描述，并提出對J2EE應(yīng)用軟件進行完整靜態(tài)分析，得到了J2EE應(yīng)用軟件靜態(tài)模型的方法，概述了原型工具的實現(xiàn)技術(shù)。本方法實現(xiàn)了J2EE應(yīng)用軟件靜態(tài)模型重構(gòu)，不僅幫助系統(tǒng)開發(fā)人員分析、理解J2EE應(yīng)用軟件，生成的靜態(tài)模型還可以作為J2EE應(yīng)用軟件幫助文檔，豐富逆向工程對J2EE構(gòu)件建模的研究領(lǐng)域；另一方面，生成的靜態(tài)模型可以為模型驅(qū)動測試J2EE應(yīng)用軟件提供模型依據(jù)。但是，在模型表現(xiàn)方面，它還存在著一定的不足，工具在模型的顯示還未涉及圖形排布問題。因此下一步工作將考慮使用何種排布算法以更好地顯示該模型。

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