基于變更場(chǎng)景的體系結(jié)構(gòu)元素的識(shí)別

彭釗

摘要：需求的變更影響分析對(duì)于軟件系統(tǒng)的正確實(shí)現(xiàn)有著重要的意義。當(dāng)前的需求變更影響分析研究方法主要集中于需求間以及需求到代碼間，缺乏需求到體系結(jié)構(gòu)元素之間的研究方法。其次傳統(tǒng)的需求變更影響分析方法，在變更維護(hù)過(guò)程中，體系結(jié)構(gòu)工程師需要對(duì)于變更源相關(guān)的每個(gè)體系結(jié)構(gòu)元素（Architectural elements，AE）都要做出分析，這很容易造成變更影響狀態(tài)爆炸。本文基于一階邏輯相關(guān)理論以及一階邏輯在需求間變更影響分析的應(yīng)用，提出一種基于變更場(chǎng)景的需求變更到體系結(jié)構(gòu)元素的識(shí)別，并通過(guò)一個(gè)案例來(lái)分析該方法。

關(guān)鍵詞：需求變更影響分析;一階邏輯;變更場(chǎng)景體系結(jié)構(gòu)元素

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）05-0197-03

0引言

據(jù)調(diào)查，軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的預(yù)算中有85%到90%被用于軟件系統(tǒng)的管理和維護(hù)，而這其中有50%被用于軟件系統(tǒng)的變更管理。Ebert等人在文獻(xiàn)[2J和文獻(xiàn)[3]中通過(guò)調(diào)查得到一個(gè)結(jié)論：一個(gè)周期為一年的軟件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，就會(huì)有多于40%的需求發(fā)生了變更。為了盡可能的減少軟件開(kāi)發(fā)成本，需要盡早在軟件開(kāi)發(fā)周期中對(duì)變更進(jìn)行管理。需求變更影響分析主要分為需求問(wèn)、需求到AE以及需求到代碼的變更影響分析三類(lèi)。傳統(tǒng)的方法對(duì)需求到AE之間的研究比較少，且傳統(tǒng)的方法很容易造成變更影響狀態(tài)爆炸。

需求到AE的變更影響狀態(tài)爆炸：由于缺乏需求到體系結(jié)構(gòu)追蹤關(guān)系的語(yǔ)義，需求變更分析會(huì)產(chǎn)生大量的有關(guān)受影響的體系結(jié)構(gòu)元素的誤報(bào)。體系結(jié)構(gòu)工程師需要對(duì)體系結(jié)構(gòu)中的每—個(gè)元素進(jìn)行分析，因此會(huì)造成變更影響爆炸從而忽略真正受影響的體系結(jié)構(gòu)元素。

在絕大多數(shù)軟件，尤其是安全關(guān)鍵的嵌入式軟件中，需求變更影響分析有著重要的意義。很多重大的事故都是由于在軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，受變更影響的AE無(wú)法被正確識(shí)別所導(dǎo)致的。

綜上所述，保證受影響得AE正確識(shí)別是軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中必不可少的。本文提出一種基于一階邏輯的需求變更影響分析方法，基于一階邏輯相關(guān)理論以及一階邏輯在需求間變更影響分析中的應(yīng)用，給出了一種基于變更場(chǎng)景的受影響AE的識(shí)別方法。

具體章節(jié)安排如下：第1節(jié)介紹了需求到體系結(jié)構(gòu)變更影響分析的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀;第2節(jié)介紹相關(guān)理論;第3節(jié)給出具體的方法說(shuō)明;第4節(jié)用一個(gè)簡(jiǎn)單的案例說(shuō)明文中方法的可行性。

1研究現(xiàn)狀

目前，學(xué)術(shù)界對(duì)需求變更影響分析做了大量的研究。文獻(xiàn)[6]中，通過(guò)sysML需求圖描述系統(tǒng)的需求，通過(guò)sysML活動(dòng)圖、塊圖、內(nèi)部塊圖和狀態(tài)圖描述系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，利用一個(gè)靜態(tài)切片算法，從而達(dá)到需求變更影響分析的目的。Sunny Wong等人在文獻(xiàn)[7]中提供一種基于UML關(guān)系邏輯模型的需求變更影響分析方法。陳光穎等人在文獻(xiàn)[8]中基于謂詞邏輯和模型驅(qū)動(dòng)方法，提供一種常見(jiàn)的需求間關(guān)系和需求到體系結(jié)構(gòu)的追蹤關(guān)系的形式化語(yǔ)義。Briand等人在文獻(xiàn)[9]中提供了一種基于UML用例圖的需求變更影響分析方法。

2相關(guān)理論

2.1基于一個(gè)需求描述定義的需求變更類(lèi)型

本文用到的一個(gè)需求描述模型，基于該描述模型，本文把需求描述為一個(gè)由屬性和約束條件構(gòu)成的二元組，其中每個(gè)需求必定有1個(gè)或以上的屬性，每個(gè)屬性必定有0個(gè)或以上的約束條件。根據(jù)這個(gè)描述模型，本文把變更分為如下幾種類(lèi)型：增加需求、刪除需求、增加需求關(guān)系、刪除需求關(guān)系、更新需求關(guān)系、更新需求。

其中前面5種變更類(lèi)型是顯而易見(jiàn)，最后一種最為復(fù)雜，可分為如下表所示的6個(gè)子類(lèi)型：刪除/增加“一個(gè)屬性”;刪除/增加一個(gè)“約束條件”;“更新”屬性/約束條件。

2.2基于變更場(chǎng)景的變更影響規(guī)則

定義：變更場(chǎng)景（change senafio）：對(duì)于任意兩個(gè)需求之間，如果存在某種需求關(guān)系RLo對(duì)于這兩個(gè)需求中的任意—個(gè)需求引入任意一種變更類(lèi)型CT，此時(shí)二元組構(gòu)成一種需求場(chǎng)景，一個(gè)確定的變更場(chǎng)景，必然會(huì)導(dǎo)致確定的變更影響。

基于2.1中的變更類(lèi)型以及它們?cè)谝浑A邏輯下的形式化語(yǔ)可以得出如表1所示的變更影響規(guī)則。

3基于變更場(chǎng)景的受影響AE方法

3.1重構(gòu)與領(lǐng)域變更

本文基于變更的原理將需求變更分為重構(gòu)（refactoring）和領(lǐng)域變更（domain change），其中語(yǔ)義保留變更與重構(gòu)對(duì)應(yīng)，語(yǔ)義修改變更與領(lǐng)域變更對(duì)應(yīng)。需求的重構(gòu)是指僅僅改善需求模型而不會(huì)改變整個(gè)系統(tǒng)的屬性;需求的領(lǐng)域變更是指需求變更會(huì)改變系統(tǒng)的屬性并且通常會(huì)改變滿(mǎn)足這條需求的體系結(jié)構(gòu)元素。例如：把一個(gè)需求R簡(jiǎn)單的分解為R1，R2……Rn，這種變更即為重構(gòu)，因?yàn)檫@種變更并沒(méi)有改變整個(gè)系統(tǒng)的屬性，例如為需求R添加一個(gè)屬性pt。

3.2基于變更類(lèi)型的受影響AE識(shí)別

基于第2節(jié)中的變更類(lèi)型，可以把受影響的AE是識(shí)別分為四大類(lèi)：

（1）對(duì)于變更類(lèi)型為“增加需求關(guān)系”“刪除需求關(guān)系”“更新需求關(guān)系”的受影響AE的識(shí)別：如果變更類(lèi)型為上述三種，那么滿(mǎn)足變更需求的AE不會(huì)受到影響，因?yàn)檫@三種類(lèi)型的需求變更屬于重構(gòu)，不會(huì)改變需求模型中的屬性。

（2）對(duì)于變更類(lèi)型為“為需求增加一個(gè)屬性”的受影響AE的識(shí)別：如果添加的屬性是新的系統(tǒng)屬性，即之前的需求模型中不存在的屬性，那么滿(mǎn)足變更需求的AE必然會(huì)受到影響;如果添加的屬性不是一個(gè)新的系統(tǒng)屬性，那么滿(mǎn)足變更需求的AE不會(huì)受到影響，因?yàn)閷?duì)需求的描述中并沒(méi)有對(duì)已存在的屬性和添加的屬性之間的顯式依賴(lài)關(guān)系的描述，所以很多情況無(wú)法自動(dòng)識(shí)別添加的屬性是否是一個(gè)新的屬性，此時(shí)就不能確定滿(mǎn)足變更需求的AE是否受到影響，這種情況需要通過(guò)體系結(jié)構(gòu)工程師來(lái)分析。

（3）對(duì)于變更類(lèi)型為“增加需求”的受影響AE的識(shí)別：如果添加的需求中引入了新的系統(tǒng)屬性，那么滿(mǎn)足變更需求的AE必然會(huì)受到影響。如果添加的需求中沒(méi)有引入新的系統(tǒng)屬性，那么滿(mǎn)足變更需求的AE不會(huì)受到影響。

（4）除上述（1）（2）（3）中的需求變更，其他需求變更類(lèi)型“刪除需求”“更新需求（不包括為需求增加一個(gè)屬性）”會(huì)更新需求模型中的屬性，因此滿(mǎn)足更新的屬性的體系結(jié)構(gòu)元素會(huì)受到影響，變更的需求中某些屬性有可能未更新，因此滿(mǎn)足未更新的屬性的體系結(jié)構(gòu)元素不會(huì)受到影響，可以通過(guò)在需求模型中遍歷變更的傳播路徑來(lái)確定是否有未受影響的屬性集，如果有，確定受影響的屬性的最小集。然后在確定受影響的體系結(jié)構(gòu)元素。

3_3基于變更類(lèi)型的受影響AE識(shí)別算法

對(duì)于受影響的AE的識(shí)別，本文給出一個(gè)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)該函數(shù)。如圖1為算法概述。

如圖2為算法流程圖。

判定條件1：變更類(lèi)型為“增加需求關(guān)系”“刪除需求關(guān)系”“更新需求關(guān)系”;

判定條件2：變更類(lèi)型為“新增需求”;

判定條件3：已有需求和新增需求之間存在“refines”“partially refines”“contains”關(guān)系;

判定條件4：新增需求和已有需求之間存在“requires”“required”“refines”“partially refines”關(guān)系;

判定條件5：變更類(lèi)型為“為已有需求增加一個(gè)屬性”;

判定條件6：增加的屬性是一個(gè)全新的，之前不存在的系統(tǒng)屬性。

對(duì)于該算法，如果變更類(lèi)型不屬于判定條件1，2，5中的任意一種，則基于圖3中的遍歷規(guī)則調(diào)用算法1中的traverse PmpagalionPath函數(shù)，得到受影響的AE。

算法1：受影響的AE識(shí)別算法，如圖3。

4案例分析

我們通過(guò)RPM（遠(yuǎn)程病患監(jiān)護(hù)系統(tǒng)）中的兩個(gè)需求來(lái)說(shuō)明本文方法的可行陛：

有以下需求R1和R2：

R1：系統(tǒng)應(yīng)該通過(guò)傳感器把測(cè)量到的患者的血壓存儲(chǔ)到系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中。

R2：系統(tǒng)應(yīng)該通過(guò)傳感器把測(cè)量到的患者的中心靜脈壓存儲(chǔ)到系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中。

對(duì)于上述關(guān)系，存在R2 refines R1，現(xiàn)在引入需求變更：除了測(cè)量中心靜脈壓之外，還需測(cè)量肺動(dòng)脈壓。添加需求R3：

R3：系統(tǒng)應(yīng)該通過(guò)傳感器把測(cè)量到的患者的肺動(dòng)脈壓存儲(chǔ)到系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中。

對(duì)于上述關(guān)系，存在R3 refines R1，則需求R3必定對(duì)滿(mǎn)足R1的AE產(chǎn)生影響，證明如圖4所示。

5總結(jié)與展望

本文基于一階邏輯相關(guān)理論以及一階邏輯在需求問(wèn)變更影響分析中的應(yīng)用，定義了變更場(chǎng)景，并基于需求問(wèn)變更影響分析規(guī)則，提供了一種對(duì)影響的AE識(shí)別分類(lèi)方法，給出了相應(yīng)的算法。

但本文依然存在很多不足，首先本文的方法僅支持識(shí)別受變更影響的體系結(jié)構(gòu)元素模型，不支持變更在體系結(jié)構(gòu)中的傳播，即本文的方法只能是被受影響的體系結(jié)構(gòu)元素，無(wú)法通過(guò)體系結(jié)構(gòu)中引入變更并傳播變更來(lái)對(duì)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改以解決體系結(jié)構(gòu)元素不滿(mǎn)足變更后的需求的問(wèn)題。另一方面，在某些特定的情況下，本文的方法存在局限性，例如當(dāng)變更類(lèi)型為“增加一個(gè)需求”時(shí)，系統(tǒng)原有的需求中必須要有與新增需求有關(guān)系的需求，否則變更影響分析算法無(wú)法執(zhí)行，即無(wú)法對(duì)該變更場(chǎng)景進(jìn)行變更影響分析。