MDA軟件范型中的數據庫表模式演變機制研究

叢昕　楊德仁　楊志誠

摘要摘要：MDA是以模型及其轉化為中心的軟件建模范型。軟件要處理數據庫表中存儲的數據，其數據存儲模式的設計至關重要。數據存儲模式是PSM的重要組成部分，在數據庫表模式設計方法中，傳統方法沒有將庫表模式設計有機地融入軟件設計過程中，或存在設計鴻溝，或實體來源具有隨意性且缺乏可追溯性。基于擴展的MDA軟件范型，探索MDA軟件范型中的數據庫表模式及其演變機制，從BM到CIM以及PIM，最后到PSM建模，詳細探索了庫表模式在這些模型中的形態及其轉化機制，該機制生成的數據庫表模式具有可追溯性。

關鍵詞關鍵詞：MDA；數據庫表模式；演變機制；數據庫設計

DOIDOI：10.11907/rjdk.161766

中圖分類號：TP302

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）005001704

0引言

隨著計算機軟件技術的快速發展，對象管理組織（the Object Management Group ，OMG）提出了一種基于模型驅動開發技術的新型軟件范型，即模型驅動的軟件構架（MDA）。MDA是以模型及其轉化為中心的軟件建模范型。軟件要處理在數據庫表中存儲的數據，其數據存儲模式的設計至關重要，其表現形式是數據庫表模式，而目前針對數據庫表模式演變的研究非常少。本文從業務層面（Business Model，BM）建模入手，逐步完成數據庫表的模式演變。建模的最終核心內容是生成可操作性強、利于編碼的數據庫表模式，這也一直是相關領域研究的焦點[14]。

1相關研究綜述

在MDA思想提出后，國內外有許多研究人員致力于MDA相關理論及其技術的研究，提出了很多基于MDA的模型表示方法和模型間轉換機制。然而，這些表示方法中的數據庫表模式演變存在一些不完善之處，并且仍未形成統一標準。

基于視角，對象管理組織規定了MDA軟件范型的3種模型：①聚焦于系統環境及需求，但不涉及系統內部結構與運作細節的計算獨立模型（Computation Independent Model，CIM）；②聚焦于系統內部細節，但不涉及實現系統

具體平臺的平臺無關模型（Platform Independent Model，

PIM）；③聚焦于系統落實的特定具體平臺，但沒有規定建模技術細節的平臺相關模型（Platform SpecificModel，PSM） [5]。Kirikova 等[6]認為計算獨立模型分為人類智能信息處理過程模型和人工智能信息處理過程模型；Yamin等[7]用類圖描述平臺無關模型，但并未對類圖到平臺的相關模型進行研究；Sharifi等[8]用活動圖作為描述業務模型的表示圖形之一，未涉及數據庫表的模式演變研究。

與國外相比，國內關于MDA的研究起步較晚，對于MDA相關理論及其建模技術的研究不夠成熟，只有少部分研究涉及到MDA建模設計，并未見對其數據庫表演變模式的研究。臺灣學者邱郁惠[5]在其著作中使用的建模流程是：定義業務流程、分析業務流程、定義系統范圍、分析系統流程、分析業務規則、定義靜態結構、定義操作及方法。其優點是把UML與MDA的模型關聯了起來，缺點是繁雜而不合理，CIM和PIM之間的過渡有鴻溝，PSM也并非代碼；劉敏[9]進行了基于業務模型的擴展研究，李波[10]的重點是PIM到PSM的轉換機制研究，二者均沒有具體類到數據庫表模式的研究；孟志偉[11]提出，數據庫的概念結構設計是將分析得到的用戶需求抽象為概念模型的過程。即在需求分析的基礎上，設計出能夠滿足用戶需求的各種實體以及體現它們之間相互關系的概念結構設計模型[11]；文斌[12]對面向對象的數據庫設計方法進行了研究與探討，使用實體—關系模型方法（E-R方法）進行設計，分別通過實例進行說明，但著重點在實例的步驟和過程上；張念[13]針對傳統E-R模型在大型數據庫設計中的不足， 提出了一種基于UML的、以用例驅動整個研發過程的方法，此方法可以在進行系統分析的同時規劃數據庫， 產生對應的數據庫表，但并沒有抽象到數據庫模式的高度，因此需要進一步研究。

2MDA中的數據庫表模式及其演變機制

MDA 軟件范型是一種新型的軟件開發范型，也是一套標準和技術。其基于面向對象的思想，一切遵循人類對事物的認知過程，從理解問題到認知問題，從分析問題到解決問題，建立相互對應的模型，從而達到實現系統的目的。各模型之間的邏輯關系需遵循進化性（繼承性）、可追溯性和可轉化性的關系。

2.1MDA主要模型

MDA的主要模型包括3種，計算無關模型（Computation Independent Model，CIM）、平臺無關模型（Platform Independent Model，PIM）與平臺相關模型（Platform Specific Model，PSM）。經過前期研究[15]，為了更完整地進行信息建模，在CIM建模之前增加業務模型（Business Model ， BM）過程。BM是對業務的描述，以及對業務實施的初步分析。BM用業務用例圖、活動圖及業務對象圖進行建模。

MDA軟件范型中4個模型層次是自然演變的，其結構層次清晰，設計沒有鴻溝，是系統設計的良好選擇[3]。其PSM中的類和對象可作為E-R圖（Entity Relationship Diagram）中“E”的來源，其演變機制值得深入研究。下面將對4層模型結構作詳細分析。

（1）業務模型（BM）。業務模型（BM）是第一層抽象模型，旨在捕獲系統語境中最重要的對象類型。業務模型的建立是為了業務運行而并非為了系統信息化，主要指通過需求者對業務在系統環境下的直觀和簡要描述，業務人員對其描述進行高度的凝練和提取。業務模型具有復雜性、多維性和廣泛性。業務建模的目的是為了定義和表示業務的目的、行為和結構。

業務過程模型是系統需求模型（CIM）的基礎，CIM建模階段需從BM建模中找出可信息化的部分。

（2）計算無關模型（Computation Independent Model，CIM）。計算無關模型（CIM）是一種需求分析模型，主要用來對某具體行業內一個項目的業務需求及其系統功能需求進行分析，而對于系統的內部細節不作過多考慮。計算無關模型由業務需求和系統功能需求兩部分組成。其中，業務需求是從業務員的角度出發，對一個項目在非計算機環境下的情況進行簡單描述；系統功能需求是從系統用戶的角度出發，對一個軟件的功能需求進行簡單描述。

（3）平臺無關模型（Platform Independent Model，PIM）。平臺無關模型（PIM）是一種系統分析模型，主要用來對系統內部的結構和執行細節進行詳細分析，并對業務的邏輯性和完整性進行分析和規范，而對于系統的實現技術及具體平臺不作任何考慮。PIM來源于計算無關模型，它是連接需求分析與系統詳細設計的關鍵模型。

（4）平臺相關模型（Platform Specific Model，PSM）。平臺相關模型（PSM）是一種系統詳細設計模型，它依據相關的實現技術和具體平臺完成系統的詳細設計。PSM來源于平臺無關模型，基于不同實現平臺的選擇，一個PIM模型可以產生多個PSM模型。數據庫表就是在這一層得到的最終形式。

2.2數據庫表模式演變機制

2.2.1數據庫表模式演變原理

MDA軟件范型的目標之一是通過提高軟件開發的抽象層次實現系統之間的互操作性[9]。而軟件要處理在數據庫表中存儲的數據，其數據存儲模式的設計則顯得至關重要。數據庫表模式演變的原理如下：在業務域，業務單據表是數據庫表的初期形式，它在分析域依據第三范式進行分解，成為魯棒圖的重要組成部分，在設計域中分配職責并確定類的方法時，不斷對類、關系和方法名等進行優化，完善系統邏輯，從而形成完整清晰的數據庫表模式。

它主要包含以下幾個性質：①抽象性，指在MDA建模過程中，通過關注分離實現層次之間的交互，將設計從架構中分離出來；②層次性，在基于MDA軟件范型探索數據庫表的模式演變過程中，數據庫表在不同層次具有不同的表現形式；③可追溯性，數據庫表在每個層次的變換形態均有出處，有現實依據，不依賴于頭腦風暴，實現了從模型到代碼的有機轉化；④精化性，從業務域到設計域，數據庫表在每一層的表現都比其在上一層的表現更為細化和準確，各表之間的關系更明了。

2.2.2數據庫表模式演變機制

通過上文對各個域模型的分析，基于統一建模語言，數據庫表的演變機制如下：①在業務域，數據庫表還是基礎的表現形式，它基于現實中的業務單據表、業務對象和業務Actor/Worker等信息，對它們進行整理、提取；②基于業務域，需求域主要是提取活動圖中可信息化的部分，生成系統用例圖。數據庫表在這一層沒有明顯升華；③基于需求域，在分析域中依據第三范式對業務域中的對象進行分解，數據庫表體現在魯棒圖的實體對象中；④基于分析域，在設計域中通過分配職責并確定類的方法形成序列圖，通過優化和整理形成完整的類圖。類圖包含實體類、邊界類和軟件類3部分。其中的實體類進一步生成E-R圖，最后形成適用于編碼的數據庫表模式；⑤基于前期生成的數據庫表，在代碼域即可使用具體的編程語言，如JAVA、C#等進行編碼。

2.2.3數據庫表模式演變過程圖示化表示

現將數據庫表模式演變用形象的圖示進行表示，方便下一步詳細講解，如圖1所示。

2.2.4數據庫表演變過程詳細說明

如圖1所示，數據庫模式的演變歷程從業務模型（BM）、計算無關模型（CIM）、平臺無關模型（PIM）到平臺相關模型（PSM），旨在消除設計模型之間的鴻溝。

首先，在業務域，根據現實需求畫出業務用例圖，然后進一步細化用例圖中的每一條用例，生成活動圖，活動圖的形成涉及到現實中的業務規則、業務Actor/Worker、業務單據表和業務對象。活動圖中的每個對象節點都持有對象和數據，這是業務單據的來源，在活動圖中它們會等待一個合適的機會來流通[9]。而業務單據、業務對象、業務Actor/Worker三者又是分析域中魯棒圖的一部分。

其次，在需求域，依據活動圖，提取其中可以信息化的部分，生成系統用例圖，對其實現用例邏輯，寫出系統用例規約。

然后，在分析域，根據系統用例規約，獲取對象屬性，完善在需求域中得到的魯棒圖中的實體對象，以及找出魯棒圖的邊界對象和控制對象。依據第三范式分解業務單據圖，提取出形成分析域中魯棒圖的實體對象。將魯棒圖中與實體對象有直接關系的控制對象轉換為序列圖中相關實體類的方法，也即給類分配職責[10]。類圖包含實體類、邊界類和軟件類三部分。

最后，在設計域，根據魯棒圖確定類的序列，將魯棒圖進一步轉化為序列圖。根據分析域中的實體類得到E-R圖，從而生成數據庫表模式，由此進入到最后的代碼域中。

3相關研究比較

管理系統中數據庫設計的傳統方法主要分為結構化分析法、信息建模法、CRC法和ICONIX法，以下將分別總結其優缺點。

3.1數據流法（Data Flow Approach）

數據流法（Data Flow Approach）又稱為結構化分析法。其基本策略是跟蹤數據流，即研究問題域中數據如何流動，以及在各個環節上進行何種處理，從而發現數據流和加工。問題域被映射為數據流圖（DFD），并用處理說明和數據字典進行詳細說明。用來描述概念數據模型的主要工具是E-R（實體—聯系）模型，又稱為E-R 圖。優點是有嚴格的法則，較強調研究問題域。缺點是它仍然是間接映射問題域，與結構化設計概念不一致，從分析到設計的過渡比較困難，且數據流與加工的數量太多，引起分析文檔的膨脹。

3.2信息建模法（Information Modeling）

信息建模法（Information Modeling）由實體—關系法（E-R方法）發展而來，與數據庫設計有很深的淵源，其核心概念是實體和關系。實體描述問題域的事物，含有屬性；關系描述事物之間在數據方面的聯系，也可以帶有屬性。發展之后的方法也把實體稱作對象，并使用類型和子類型的概念，作為實體（對象）的抽象描述[14]。其優點是它注重信息存儲模式建模，但忽視了軟件功能建模機制。

3.3CRC法（Candidates、Responsibilities、Collaborators）

CRC法（Candidates、Responsibilities、Collaborators）主要是利用頭腦風暴的方法來挖掘建模初期的設計思想，優點明顯，即工具非常便利、簡單，可以被隨時移動、修改或丟棄。但缺點也不可忽視，即缺乏可靠的現實依據，容易在后期編碼過程中出現問題。

3.4ICONIX過程

ICONIX過程是盡早進入編碼階段，縮短分析設計周期的軟件開發方法，其基于極限編程（XP）和敏捷軟件開發的思想，合理地簡化統一過程（RUP）。只使用4個UML圖（用例圖、健壯性圖、時序圖、類圖）完成所有工作。ICONIX也是用例驅動的架構，與極限編程一樣，相對較小，比較緊湊，但又不像極限編程摒棄了分析與設計過程[9]。因此，ICONIX是一種高效的建模方法[9]，但類的來源沒有現實依據。

3.5方法比較

綜上所述，數據流法過早設計數據細節而致使設計文檔膨脹；信息建模法注重信息存儲模式建模，而忽視了軟件功能建模機制；CRC方法則主要利用頭腦風暴法收集對象及其協作機制，缺乏可追溯性；ICONIX是一種高效的建模方法，但類的來源沒有現實依據。相比之下，MDA軟件范型從現實世界的業務層面入手，逐步進行分析設計，減少步驟間的設計鴻溝，使其平滑過渡，生成可操作性強、完整直觀的數據庫表模式。

通過前面幾種方法的比較，可以發現每種建模方法各有優缺點。但通過與實際案例相結合，可以看到上述方法自然、清晰地提供了一個數據庫表生成的過程，在建模過程中步步為營，有理有據，建模過程中對數據列表及模型的表示更加清晰，模型間的轉換更加平滑，彌補了模型層次間數據庫表轉化的鴻溝，成功指導模型間的平滑過度，并使PIM成功轉化到PSM，最終設計出實用性強、符合客戶需求的系統。

4結語

本文主要研究了MDA軟件范型中的數據庫表模式演變機制。首先比較了幾種傳統的數據庫設計路線，然后深入研究和闡述了MDA軟件范型中各個建模階段之間的關系，進而提出一種更為直觀和完整的建模步驟；接著基于筆者前期的研究，抽象出了業務建模過程，并整合了各個建模階段之間的關系；然后基于對相關理論的深入研究，提出了一種MDA軟件范型中數據庫表模式演變的機制，最終設計出實用性強、符合客戶需求的系統，并對該數據庫表模式演變機制進行了驗證。

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責任編輯（責任編輯：黃健）