軟件系統(tǒng)的復雜網絡之研究

郭長江

摘 要：互聯(lián)網的出現帶來了顯著的變化，軟件趨于網絡化，這一趨勢讓軟件以全局性資源的身份，依托網絡面向公眾提供豐富的資源。軟件的計算和應用模式等也均出現了顯著變化。網絡化軟件已變成銜接網絡和數據資源的關鍵，與此同時，網絡化系統(tǒng)將更加復雜，但復雜性亦為質量不能保證的重點。文章將依照理論實踐成果，深入研究復雜網絡。

關鍵詞：軟件系統(tǒng)；復雜網絡；數據資源

軟件技術的不斷發(fā)展與互聯(lián)網的高度普及，促使軟件系統(tǒng)規(guī)模逐步擴大，復雜度也日益增加，基于此，軟件開發(fā)時常陷入失控狀態(tài)，無法保障產品質量。為此，如何辨識、評判與管控軟件復雜性便成為軟件工程的主要挑戰(zhàn)內容。軟件產品本是智能化系統(tǒng)，且系統(tǒng)的結構關乎著功能、性能等基本指標。為對系統(tǒng)復雜性展開進一步探究，則一定要詳細描述軟件的結構，合理量化，但結構信息度量長期以來都不理想。經過長期探索發(fā)現，從復雜網絡層面著手探究軟件，有利于軟件復雜性量化。

1 復雜網絡的內涵

從網絡的角度來描述客觀世界最早出現在1736年。其中復雜網絡研究的最大不同便是站在統(tǒng)計角度考量網絡內部的大規(guī)模節(jié)點和對應連接性質。在復雜網絡中，主要性質與參數是度、度分析以及介數等。一般將網絡節(jié)點界定成該節(jié)點包含的連接邊的具體數目，且網絡內部節(jié)點分布大多通過函數來表示，基本定義是某節(jié)點恰巧對應的概率。聚集系數主要用來描述網絡內部節(jié)點的實際聚集情況。節(jié)點聚集系數主要指代整體鄰居連邊數目在最大連邊數目中所占的比例，而網絡聚集系數是各個節(jié)點聚集系數均值，兩節(jié)點距離是連接兩者最短路徑所對應邊的數目，網絡直徑是任意兩點對應的最大距離。介數包含邊介數與節(jié)點介數這兩種，代表節(jié)點或邊的實際影響。

2 軟件系統(tǒng)復雜網絡剖析

基于互聯(lián)網的作用，大規(guī)模和超大規(guī)模軟件現已問世。個人電腦剛剛普及時，軟件主要依托PC平臺；但在互聯(lián)網正式出現后，促使桌面應用開始朝著網絡應用過渡，無論是日常生活，還是工作均發(fā)生了較大的轉變，與此同時，軟件形態(tài)也不斷改變。軟件形成于網絡環(huán)境中，由最初的服務系統(tǒng)至服務網絡，且軟件行為也由單一軟件工作轉換到群體有機協(xié)作，軟件應用由為我所有至為我所用，不管是個人的日常應用，還是企業(yè)的基本應用，軟件網絡化走向均較為明顯。隨著軟件和網絡的逐步融合，其計算和應用模式等均發(fā)生了顯著變化，基本規(guī)模、用戶的實際數量和單元交互等均呈現出數量級增長，和傳統(tǒng)軟件相比，已演變成具有網絡化特性的復雜系統(tǒng)。基于此，如何尋求統(tǒng)一、可行的方式來理解與調控系統(tǒng)復雜性亟待攻克。

解決該問題的主要出路是網絡，這是因為軟件的結構可經由網絡拓撲來呈現。軟件工程即把系統(tǒng)化與可檢驗的方法融入到軟件開發(fā)以及運行維護中。無論對哪一個硬件工程均較為顯著，但軟件工程并非形成于物理量測度以及物理定律基礎之上，為此，幫助認識軟件與描述軟件屬性的基本量化方法便成為預估、完善軟件工程的重點。

復雜網路研究主要是利用把研究對象轉換成節(jié)點和邊共同構建形成的網絡形式，隨即探索真實世界網絡的主要特點。軟件系統(tǒng)內部的拓撲結構可通過網絡來展現，從不同標度而言，軟件系統(tǒng)主要包含服務、模塊和子系統(tǒng)等不同元素，利用元素交互達成計算功能。站在軟件網絡模型層面來說，節(jié)點主要是各個組成元素，而邊指代組成元素內部的利用關系，例如，數據交換和消息傳遞等。現下，利用復雜網絡理論開展的研究活動主要面向開放源代碼系統(tǒng)。具體是通過逆向工程方法獲取組織結構再分析，明確復雜網絡特征，最終得到整體性質。

當下復雜網絡研究和軟件工程學互相整合的探索工作正處于初級階段，利用軟件系統(tǒng)結構屬性剖析為著手點，通過對軟件系統(tǒng)內部的拓撲結構與系統(tǒng)形成機理、復雜性評測探究，在此獲得了顯著的成果。

3 依托于復雜網絡形成的軟件復雜性評測

復雜系統(tǒng)理論要求從整體層面把控系統(tǒng)，并非僅僅關注局部。大多情況下，復雜系統(tǒng)通常在整體上表現出全新特征，該特征僅僅存在于系統(tǒng)層次，并非系統(tǒng)開發(fā)人員特意為之。探究這些特征有利于軟件系統(tǒng)復雜性剖析，另外，復雜網絡相關理論知識與方法均能較好展現軟件系統(tǒng)的具體行為與基本結構，填補原有度量方法的空白，例如，強調微觀設計，不具備內部屬性與外部整體特征的有效映射等。為此，軟件工程領域現有研究人員開始嘗試將相關方法整合到軟件度量學層面。

Vasa等依照軟件網絡邊數與節(jié)點數對應的關系探究系統(tǒng)結構的實際變化，以此來預估軟件的基本規(guī)模和搭建該系統(tǒng)需付出的代價。在此之后，提出了一套全新的度量指標，以此來檢測和評判開發(fā)活動中軟件結構的實際穩(wěn)定性變化，同時，找到類的規(guī)模與復雜性分布依照時間推移呈現的變化，但那些存在較大入度的類強調被修改，這有利于系統(tǒng)開發(fā)工作的進行。Liu等將軟件系統(tǒng)比成軟件耦合網絡來進行研究。

近幾年，研究者強調把復雜網絡方法與具體的程序整合到一起，以此來科學評判系統(tǒng)與編寫的代碼。Melton等剖析了81個開源系統(tǒng)類內部的依賴關系，得出其他類訪問對應的非私有成員內部的類極有可能形成依賴環(huán)，以此來增加系統(tǒng)復雜性，降低穩(wěn)定性，促進程序編寫。Zhao等把社會網分析整合到軟件網絡自身結構復雜性剖析問題上，獲得靜態(tài)結構復雜性研究和形成于k-score之上的結構定性這兩種分析方法，上述度量指標有效性經由開源軟件系統(tǒng)得到驗證，這有利于系統(tǒng)設計工作的進行，并提供了理論指導。

復雜網絡和軟件工程之間的交叉探索正處于初級階段，雖然取得了顯著的成果，但現下大部分研究主要停滯在發(fā)現與解釋內容上，具體是探索軟件網絡結構整體特性和主要形成機制，這和工程實踐存在差距。度量方面的探索雖然從工程層面著手，然而，其實用性亟待進一步探索。換而言之，即便提出某些度量方法，卻零散，缺少一定的工具支撐，無法進行有效的檢驗與綜合應用，不能合理指導開發(fā)活動，在未來需深入商討與探究，最終將其解決。

4 結束語

軟件結構與軟件開發(fā)緊密相關，軟件結構自身的復雜性決定著軟件開發(fā)成本，軟件工程旨在通過軟件結構探究來研制出高質量軟件。但因不能直接分析與全面把控軟件外部特性，一般利用結構改進來實現設計優(yōu)良軟件的目的。目前，復雜網絡研究已積累了一定的經驗成果，這為大規(guī)模軟件系統(tǒng)探究提供了重要保障，并將不斷成熟和完善。

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