基于關(guān)系數(shù)據(jù)模型代碼生成器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

冉春娟,黃華

(武漢大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430071)

近年來，企業(yè)或政府部門的核心業(yè)務(wù)大多通過管理信息系統(tǒng)MIS實(shí)現(xiàn)，MIS系統(tǒng)開發(fā)成為應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的主流．在當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)條件下，MIS系統(tǒng)大部分是構(gòu)建在關(guān)系數(shù)據(jù)模型上，其系統(tǒng)的開發(fā)方法也有很多的相似性．通過考察基于主流開發(fā)平臺(如Java與.Net)多層架構(gòu)的程序?qū)崿F(xiàn)代碼，發(fā)現(xiàn)大量相似程序代碼都與關(guān)系數(shù)據(jù)模型相關(guān)，根據(jù)所做的統(tǒng)計(jì)，其平均代碼行數(shù)占到總代碼行數(shù)的50%，有的甚至接近70%．如能以關(guān)系數(shù)據(jù)模型作為輸入，自動(dòng)生成相關(guān)程序代碼，必將可以大大縮短MIS系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高軟件代碼的質(zhì)量，也可快速適應(yīng)MIS系統(tǒng)頻繁的需求變化．

1 現(xiàn)有代碼生成技術(shù)分析

從現(xiàn)有的主流代碼生成技術(shù)看，都采用了基于模板的方法，即以成功應(yīng)用的程序代碼作為藍(lán)本，將其中固定不變的部分作為靜態(tài)代碼框架部分，將其中需要變化的部分通過結(jié)合一定的標(biāo)記或生成語言改寫為可動(dòng)態(tài)替換的腳本，從而構(gòu)成代碼模板文件，再結(jié)合生成工具同數(shù)據(jù)源相作用，生成實(shí)際的程序代碼[1]．盡管原理相似，但不同的代碼生成工具在具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)上卻不盡相同，概括起來分為兩種類型：內(nèi)置模板型和可定制模板型．(1)內(nèi)置模板型：代碼的模板與生成工具是一體的，模板的格式和內(nèi)容都隱含在生成工具中，不能定制．這一類的生成工具如動(dòng)軟.Net代碼生成器，JAG-Java代碼生成器等．(2)可定制模板型：代碼的模板與生成工具分離，代碼生成工具提供一種標(biāo)記語言作為模板的編寫規(guī)則．用戶可通過標(biāo)記語言編寫代碼模板，從而滿足不同應(yīng)用平臺和應(yīng)用環(huán)境的需要．這一類的生成工具如CodeSmith,Freemarker，Velocity等．

對于以上兩種類型的代碼生成工具，內(nèi)置模板型由于將模板內(nèi)置在程序中，用戶不能定制模板和生成規(guī)則，其應(yīng)用環(huán)境非常有限，通用性也比較差．對于CodeSmith,Freemarker，Velocity等[2]可定制模板型生成工具.盡管功能強(qiáng)大，能滿足各種代碼生成需要，具備較強(qiáng)的通用性，但這些生成工具所支持的代碼生成控制語言要么基于一種實(shí)際的開發(fā)語言(如CodeSmith基于C#語言)，要么基于一種通用解釋型語言，掌握語言本身就需要花費(fèi)大量的時(shí)間，同時(shí)這些語言同關(guān)系數(shù)據(jù)模型結(jié)合不緊密，往往編寫的模板代碼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于維護(hù)，也很難在軟件開發(fā)團(tuán)隊(duì)中得到快速的應(yīng)用．

2 基于關(guān)系數(shù)據(jù)模型的代碼生成原理

2.1設(shè)計(jì)思路通過上述代碼生成技術(shù)分析可知：如果能在保持可定制模板型代碼生成工具框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對其代碼生成控制語言進(jìn)行改進(jìn)，采用一種與關(guān)系數(shù)據(jù)模型緊密結(jié)合的代碼生成控制語言，將可以保持生成工具通用性，并提高代碼生成工具的可用性．據(jù)此，我們對代碼生成工具的設(shè)計(jì)劃分為兩部分：(1)與關(guān)系數(shù)據(jù)模型緊密相關(guān)的代碼生成控制語言(以下稱RDM CodeMark語言)的設(shè)計(jì)；(2)基于RDM CodeMark語言的代碼生成工具(以下簡稱RDM代碼生成工具)的設(shè)計(jì)．

2.2 RDM代碼生成工具工作原理

圖1 RDM代碼生成工具結(jié)構(gòu)模型

2.2.1 RDM代碼生成工具結(jié)構(gòu)模型 RDM代碼生成工具在原理上仍是一種基于模板的代碼生成工具，具有該類型代碼生成工具的通用結(jié)構(gòu)，具體實(shí)現(xiàn)上有特殊之處，圖1是RDM代碼生成工具組成模型：(1) 關(guān)系模型建模：對關(guān)系模型進(jìn)行的形式化描述，代表系統(tǒng)的關(guān)系模式信息，構(gòu)成RDM代碼生成器的輸入．模型可以采用Word文檔、運(yùn)行的數(shù)據(jù)庫以及UML文檔等；(2) RDM CodeMark語言：同關(guān)系數(shù)據(jù)模型相關(guān)的代碼生成控制語言，采用類XML語言的語法格式和迭代語義規(guī)則，用于編寫代碼模板文件中動(dòng)態(tài)代碼生成腳本；(3) 模板文件：采用RDM CodeMark語言編寫的代碼生成控制腳本文件(即RDM CodeMark語言程序)，用于定義輸出代碼文件的創(chuàng)建信息和在生成文件中定制代碼內(nèi)容；(4) RDM代碼生成器：代碼生成工具核心程序，以關(guān)系模型建模作為輸入，執(zhí)行指定代碼模板文件，輸出生成后的代碼文件．主要由關(guān)系數(shù)據(jù)模型管理部件和代碼生成部件兩部分組成，其中關(guān)系數(shù)據(jù)模型管理部件用于將不同的外部關(guān)系模型建模導(dǎo)入后轉(zhuǎn)換到內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系模型對象集進(jìn)行維護(hù)和管理，為代碼生成部件提供一致的關(guān)系模型訪問接口．代碼生成部件則通過調(diào)入指定模板文件按照RDM CodeMark語言迭代語義規(guī)則執(zhí)行，在執(zhí)行過程中嵌入對關(guān)系數(shù)據(jù)模型對象集標(biāo)記的解析，最終生成實(shí)際程序代碼文件；(5) 代碼文件：實(shí)際生成代碼的輸出文件，是可以在項(xiàng)目系統(tǒng)中加入的可編譯源程序文件.

2.2.2 代碼生成工具工作過程 (1) 采用RDM CodeMark語言編寫代碼模板文件；(2) 采用word文檔、數(shù)據(jù)庫建庫工具或UML對關(guān)系模型建模；(3) 在RDM代碼生成器中導(dǎo)入關(guān)系模型建模,轉(zhuǎn)換為內(nèi)部統(tǒng)一關(guān)系數(shù)據(jù)模型對象集，并維護(hù)對象集信息的完整性；(4) 在RDM代碼生成器中選擇模板文件并執(zhí)行，生成目標(biāo)代碼輸出文件．

表1 表對象屬性及其標(biāo)記

3 基于關(guān)系數(shù)據(jù)模型的代碼生成技術(shù)

3.1關(guān)系數(shù)據(jù)模型對象集設(shè)計(jì)

關(guān)系數(shù)據(jù)模型對象集是對具體項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)字典的統(tǒng)一對象化表示，構(gòu)成代碼生成部件的實(shí)際輸入支持對象．關(guān)系數(shù)據(jù)模型對象集由表集合、表、列集合、列對象組成，對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)模型中的元模型數(shù)據(jù)．

表對象主要屬性及其在腳本中的代碼標(biāo)記如表1，列對象主要屬性及其在腳本中的代碼標(biāo)記如下表2.

表2 列對象屬性及其標(biāo)記

3.2 RDM CodeMark標(biāo)記語言RDM CodeMark標(biāo)記語言是結(jié)合關(guān)系數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)的代碼標(biāo)記語言，在語法格式上接近XML語言，通過在代碼模板中嵌入標(biāo)記語言編寫的腳本程序，為代碼生成部件提供代碼生成控制．RDM CodeMark語言的語法成分分為三種類型：迭代控制語句、輸出控制語句和關(guān)系模型對象代碼標(biāo)記．

3.2.1 迭代控制語句

1) 表迭代語句TableLoop：執(zhí)行對所有的表進(jìn)行一次迭代展開．

語法格式：，其中：

(1) 對參加迭代的表進(jìn)行過濾，其語法為：

.

(2) 為迭代的表模板展開項(xiàng)之間提供分割符，語法為：.

2) 表檢查語句TableCheck：執(zhí)行表屬性檢查，滿足條件的，執(zhí)行對應(yīng)的模板．

語法格式為：，其中：

構(gòu)成判斷的條件部分，其語法為：

.

(3)列迭代語句ColumnLoop：對表中所有列進(jìn)行一次迭代展開．

語法格式為：，

(4)列檢查語句ColumnCheck：執(zhí)行列屬性檢查，滿足條件的，執(zhí)行對應(yīng)的模板．

語法格式為：.

(5)調(diào)用腳本語句CallScript：將嵌入的模板腳本執(zhí)行，并引用其輸出．

語法格式為：.

(6) 腳本包含語句Using：將指定的模板文件嵌入到當(dāng)前文本中．

語法格式為：.

3.2.2 輸出控制語句 輸出控制語句只有一個(gè)OutputToFile語句，用于將迭代生成的文本寫入到指定文件中．在一個(gè)文本文件中多次使用則可控制生成多個(gè)文件．

語法格式為：，

其中，用于提供程序文件的相對輸出路徑，語法為 .

3.2.3 關(guān)系模型對象代碼標(biāo)記 見表1和表2中各個(gè)對應(yīng)屬性的標(biāo)記語法部分．

3.3 RDM代碼生成腳本(模板)文件使用RDM CodeMark標(biāo)記語言編寫的腳本文件是一種特殊的解釋型代碼生成控制程序(簡稱RDM CodeMark腳本程序)，能夠在對應(yīng)的翻譯器中控制執(zhí)行，以關(guān)系數(shù)據(jù)模型對象集作為輸入，動(dòng)態(tài)生成與關(guān)系數(shù)據(jù)模型相關(guān)的各種程序代碼．

RDM CodeMark腳本程序中文本分為兩類：RDM CodeMark標(biāo)記語言語法成分和普通文本．RDM CodeMark腳本翻譯器針對RDM CodeMark標(biāo)記語言語法成分進(jìn)行迭代解釋輸出，而對于普通文本則不做處理直接輸出．RDM CodeMark腳本程序的編寫規(guī)則取決于翻譯器的代碼生成規(guī)則，具體規(guī)則見4.2節(jié)代碼生成的算法．

RDM CodeMark腳本程序示例如下：

(1)用于生成對表進(jìn)行Insert操作的SQL語句,見圖2：

圖2 表的Insert操作模板腳本

(2).Net平臺下數(shù)據(jù)操作模型對象的生成實(shí)例，見下圖3：

圖3 .Net數(shù)據(jù)操作對象模板及代碼生成實(shí)例

4 RDM代碼生成工具實(shí)現(xiàn)

4.1 RDM代碼生成器的靜態(tài)類結(jié)構(gòu)RDM代碼生成器的靜態(tài)類設(shè)計(jì)可劃分為數(shù)據(jù)模型管理、數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入，詞法解析，文件寫入，腳本迭代解析，代碼生成等不同職責(zé)的類集合．其對象關(guān)系見圖4.

圖4 RDM 代碼生成工具類結(jié)構(gòu)框架

數(shù)據(jù)模型管理類集合的作用是對關(guān)系數(shù)據(jù)模型的標(biāo)準(zhǔn)化表示和統(tǒng)一管理．由TableStandar-dModel、TableSet、Column-StandardModel、ColumnSet、DataModel-Catalog類構(gòu)成，分別對應(yīng)表標(biāo)準(zhǔn)模型類、表集合類、列標(biāo)準(zhǔn)模型類、列集合類、數(shù)據(jù)模型管理類.

數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入類集合的作用是將外部各種形式的應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型，IDataModelImporter是導(dǎo)入類的抽象接口，主要方法為 DataModel-Catalog ImportDataModel()，為所有具體的導(dǎo)入類提供統(tǒng)一的功能規(guī)約．DataBase-Importer、XMLImporter、DocImporter、UmlImpo-rter類實(shí)現(xiàn)IDataModel-Importer接口，對應(yīng)實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、XML數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)文檔、Word數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)文檔和UML數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)文檔作為源模型向標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換.ScriptBuilder、FileWriter、CodeParser-Util類屬于工具類，分別實(shí)現(xiàn)腳本文件的構(gòu)造、腳本文件的輸出、腳本的語法成分解析,為模板文件的迭代生成提供底層支持.

腳本迭代解析類集合按照RDM CodeMark標(biāo)記語言的各個(gè)語句的語義要求，實(shí)現(xiàn)各種語句的腳本迭代解析，解析的過程就是局部生成目標(biāo)代碼的過程．所有語句解析類實(shí)現(xiàn)一個(gè)統(tǒng)一的腳本解析接口IScriptParser，其主要方法為string ParseScript(),實(shí)現(xiàn)腳本的迭代生成的功能規(guī)約．圖2中實(shí)現(xiàn)IScriptParser的各類分別對應(yīng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)語句的語義迭代翻譯，限于篇幅此處不再詳述.RDMCodeGenerator類是代碼生成器的核心控制器類，以數(shù)據(jù)模型為輸入，執(zhí)行加載的模板文本，并生成最終的程序代碼.

4.2 RDM代碼生成的關(guān)鍵算法RDMCodeGenerator類的方法Generate()是生成目標(biāo)程序代碼的關(guān)鍵方法，該方法的執(zhí)行算法見下圖5的代碼生成序列圖．

圖5 代碼生成序列圖

圖6 采用Delphi實(shí)現(xiàn)的RDM代碼生成工具的主界面

4.3 RDM代碼生成器界面與功能按照RDM代碼生成工具的設(shè)計(jì)，可以采用任意支持面向?qū)ο缶幊痰拈_發(fā)工具進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，圖6為采用Delphi實(shí)現(xiàn)的RDM代碼生成工具的主界面，其主要功能包括：數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)文件的導(dǎo)入和編輯管理，模板文件的編輯和管理，模板的選擇與執(zhí)行管理，腳本的生成與輸出管理等．

5 RDM代碼生成工具應(yīng)用實(shí)例

RDM代碼生成工具可按照應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)快速生成應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)框架代碼，以“武漢大學(xué)本科生課程標(biāo)準(zhǔn)化考試系統(tǒng)”為例說明生成工具搭建系統(tǒng)框架程序的過程，如下圖7所示：

圖7 RDM代碼生成工具搭建系統(tǒng)框架程序?qū)?/p>

圖8 .Net中生成的項(xiàng)目解決方案圖示

過程說明：(1)采用word文檔將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)進(jìn)行文檔化并導(dǎo)入工具中轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型對象;(2)生成數(shù)據(jù)庫建庫腳本SQL文件，在MS SQL Server2005中執(zhí)行并創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫;(3)按照.Net多層程序框架，依次生成應(yīng)用系統(tǒng)的Model層(模型層)、DAL層(數(shù)據(jù)存取層)、FacadeBLL層(基礎(chǔ)數(shù)據(jù)邏輯層)、UI層(基礎(chǔ)用戶界面層)代碼[3]，見圖8；(4)在.Net開發(fā)工具VS2005中完成系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯編程以及界面和程序的優(yōu)化．

在此項(xiàng)目的實(shí)踐中，大約70%的程序代碼編寫工作轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぞ呱桑蟠筇岣吡讼到y(tǒng)開發(fā)的效率，增強(qiáng)了代碼的穩(wěn)定性.

6 結(jié)束語

通過采用RDM代碼生成工具，可以形成一套完整的程序開發(fā)模式．通過在WORD文檔或直接在軟件中建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型，使用此生成工具可以生成從數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建SQL腳本文件，到.Net或J2EE開發(fā)平臺上的各層直接可編譯代碼文件，從而大幅度簡化項(xiàng)目的代碼開發(fā)工作量．另通過在開發(fā)工具中增加對生成文檔和程序文件的自動(dòng)比對功能，則可識別出生成代碼中被維護(hù)的部分，從而在數(shù)據(jù)模型改變時(shí)可很快的遷移這部分修改，進(jìn)一步增強(qiáng)了代碼的可維護(hù)性．

當(dāng)然，本文所描述的關(guān)系數(shù)據(jù)模型只是一個(gè)簡化模型方案，若在此基礎(chǔ)上結(jié)合更多的數(shù)據(jù)模型特征或增加腳本語言的功能，則可進(jìn)一步提高生成代碼的質(zhì)量和生成工具的可適用性．

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