設(shè)計(jì)模式識(shí)別的特征信息分類研究

肖卓宇 何 锫 徐運(yùn)標(biāo) 陳 果 郭 杰 王林春

1(湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院 湖南 長(zhǎng)沙 410208) 2(廣州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與教育軟件學(xué)院 廣東 廣州 510006)

0 引 言

設(shè)計(jì)模式是一種可復(fù)用的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在軟件生命周期的設(shè)計(jì)階段擔(dān)任重要角色[1]，有助于提升面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)質(zhì)量[2-3]。設(shè)計(jì)模式識(shí)別有助于程序的理解，并為軟件系統(tǒng)重構(gòu)[4]與維護(hù)[5]降低成本，減少研發(fā)時(shí)間[6-7]。由此可見，設(shè)計(jì)模式識(shí)別對(duì)遺產(chǎn)系統(tǒng)重構(gòu)有著積極的意義[8-9]。Zhu等[10]基于符號(hào)邏輯，通過謂詞表示設(shè)計(jì)模式，為自動(dòng)識(shí)別設(shè)計(jì)模式提供了理論基礎(chǔ)。Zanoni等[11]提出將設(shè)計(jì)模式特征以向量的形式進(jìn)行表示，進(jìn)而通過機(jī)器學(xué)習(xí)的形式識(shí)別設(shè)計(jì)模式。Chihada等[12]通過學(xué)習(xí)問題映射設(shè)計(jì)模式檢測(cè)，提出了46種特征指標(biāo)。Fontana等[13-14]提出基于EDP等微結(jié)構(gòu)表示設(shè)計(jì)模式參與者特征，并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模式識(shí)別。肖卓宇等在之前工作關(guān)注了設(shè)計(jì)模式變體識(shí)[15-16]、設(shè)計(jì)模式參與者角色間的附加關(guān)系[17]、設(shè)計(jì)模式實(shí)例共享問題[18]。文獻(xiàn)[19]與文獻(xiàn)[20]以圖論為基礎(chǔ)，通過子圖同構(gòu)，以相似積分來檢測(cè)設(shè)計(jì)模式。

綜上所述，現(xiàn)有設(shè)計(jì)模式識(shí)別相關(guān)工作存在如下主要問題：

(1) 對(duì)設(shè)計(jì)模式特征表示不夠完善；

(2) 較少對(duì)設(shè)計(jì)模式按結(jié)構(gòu)型、行為型、創(chuàng)建型進(jìn)行特征分類研究；

(3) 僅針對(duì)Jhotdraw 7、Junit 3.7、Quickuml 2001等基準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)模式識(shí)別，而較少針對(duì)已上線真實(shí)系統(tǒng)的識(shí)別研究。

為此，本文針對(duì)設(shè)計(jì)模式識(shí)別精確性不夠理想的問題，以Erich Gamma提出的設(shè)計(jì)模式分類為原則，基于本文先前工作[21]，提出一種基于特征分類表示的設(shè)計(jì)模式識(shí)別方法，分類歸納了設(shè)計(jì)模式的特征信息，并以Adapter模式、Command模式、Factory Method模式為例，通過4個(gè)經(jīng)典測(cè)試案例進(jìn)行設(shè)計(jì)模式識(shí)別實(shí)驗(yàn)。

本研究主要貢獻(xiàn)如下：

(1) 提出依據(jù)Erich Gamma設(shè)計(jì)模式分類對(duì)設(shè)計(jì)模式特征信息進(jìn)行表示；

(2) 進(jìn)行了深入的設(shè)計(jì)模式識(shí)別結(jié)果研究，發(fā)現(xiàn)了影響識(shí)別結(jié)果精確率的重要原因變體、附加關(guān)系，設(shè)計(jì)模式共享，為后續(xù)優(yōu)化工作奠定了基礎(chǔ)；

(3) 提出了基于特征表示的設(shè)計(jì)模式識(shí)別方法。

1 設(shè)計(jì)模式實(shí)例分類研究

先前工作[21]對(duì)設(shè)計(jì)模式進(jìn)行了識(shí)別，并基于設(shè)計(jì)模式識(shí)別工具EA[22]，歸納了47條特征信息，見表1。本文工作將基于該條特征信息按照結(jié)構(gòu)型、行為型與創(chuàng)建型3類進(jìn)行設(shè)計(jì)模式分類特征表示，并分別以結(jié)構(gòu)型設(shè)計(jì)模式對(duì)象Adapter、行為型設(shè)計(jì)模式Command、創(chuàng)建型設(shè)計(jì)模式Factory Method為例進(jìn)行具體描述。

1.1 結(jié)構(gòu)型設(shè)計(jì)模式—對(duì)象Adapter設(shè)計(jì)模式

圖1描述了對(duì)象Adapter設(shè)計(jì)模式，包括Target、Adapter、Adaptee三個(gè)主要參與者及其之間存在的關(guān)系。具體特征表示見表2。表2中01行表示圖1對(duì)象Adapte設(shè)計(jì)模式中存在Target、Adapter、Adaptee三個(gè)主要參與者，其中Adapter、Adaptee為類，而Target為接口；02行表示Adapter與Target間存在泛化關(guān)系；03行表示Adapter與Adaptee間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系；04行表示Adapter類的request方法與Adaptee類的Specific request方法間存在代理關(guān)系；05行表示Adaptee類存在一個(gè)SpecificRequest方法，且SpecificRequest是一個(gè)具體的方法；06行表示Adapter類的request方法與Adaptee類的Specificrequest方法不存在共同接口；07表示Client不能對(duì)Adaptee類進(jìn)行直接訪問；08行表示Adapte類與Adaptee類間不能存在繼承關(guān)系；09行表示Adapte類與Target類間不能存在繼承關(guān)系。

圖1 對(duì)象Adapter設(shè)計(jì)模式

1.2 行為型設(shè)計(jì)模式—Command設(shè)計(jì)模式

圖2描述了Command設(shè)計(jì)模式，包括Invoker、Command、ConcreteCommand、Receive四個(gè)主要參與者及其之間存在的關(guān)系。具體特征表示見表3。表3中01行表示圖2 Command設(shè)計(jì)模式中存在Invoker、Command、ConcreteCommand、Receiver四個(gè)主要參與者；02行表示Invoker與Command間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系；03行表示ConcreteCommand與Command間存在繼承關(guān)系；04行表示Command類與ConcreteCommand類有共同方法Execute；05行表示ConcreteCommand類與Receiver類間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系；06行表示ConcreteCommand類的Execute方法與Receiver類的Action方法不存在代理關(guān)系；07表示Client類可以對(duì)Receiver類進(jìn)行直接訪問。

圖2 Command設(shè)計(jì)模式

表3 對(duì)象Command模式特征表示

1.3 創(chuàng)建型設(shè)計(jì)模式—Factory Method設(shè)計(jì)模式

圖3描述了Factory Method設(shè)計(jì)模式，包括Creator、ConcreteCreator、Product、ConcretProduct四個(gè)主要參與者及其之間存在的關(guān)系。具體特征表示見表4。表4中01行表示圖3Factory Method設(shè)計(jì)模式中存在Creator、ConcreteCreator、Product、ConcretProduct四個(gè)主要參與者；02行表示ConcreteCreator類與Creator類間存在泛化關(guān)系；03行表示存在FactoryMethod類，且Factory不是抽象類；04行表示Creator類與ConcreteCreator類有共同方法FactoryMethod；05行表示Factory Method有一個(gè)ConcreteProduct返回類型；06行表示Factory Method方法存在一個(gè)返回值ConcreteProduct；07表示Factory Method類與ConcreteProduct類存在依賴；08表示Concrete Product類與Product類存在繼承關(guān)系；09行表示Product與ConcreteProduct不能通過FactoryMethod方法形成繼承關(guān)系。

圖3 Factory Method設(shè)計(jì)模式

表4 Factory Method模式特征表示

續(xù)表4

2 設(shè)計(jì)模式分類識(shí)別步驟

設(shè)計(jì)模式識(shí)別的框架見圖4，主要分為5個(gè)步驟：

圖4 設(shè)計(jì)模式識(shí)別流程

步驟1用本文先前工作[21]對(duì)源碼進(jìn)行抽取；

步驟2將抽取源碼結(jié)果進(jìn)行特征表示；

步驟3通過EA[22]工具進(jìn)行設(shè)計(jì)模式識(shí)別；

步驟4將設(shè)計(jì)模式進(jìn)行定義及特征表示；

步驟5將設(shè)計(jì)模式識(shí)別結(jié)果與P-Mart案例庫(kù)[23]進(jìn)行匹配。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

實(shí)驗(yàn)采用先前已實(shí)現(xiàn)的四個(gè)MIS系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，其具體指標(biāo)見表5。其中，KLOC表示程序代碼行數(shù)，每個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中的Adapter模式、Command模式、Factory Method模式基準(zhǔn)已通過人工的形式增加了標(biāo)簽。如測(cè)試系統(tǒng)A中的代碼數(shù)量KLOC為87.73千行，類的數(shù)目為167，其中有Adapter模式5個(gè)、Command模式2個(gè)、Factory Method模式1個(gè)。

表5 測(cè)試系統(tǒng)指標(biāo)基準(zhǔn)

續(xù)表5

Erich Gmma[24]將GOF設(shè)計(jì)模式分為結(jié)構(gòu)型、行為型、創(chuàng)建型3個(gè)大類，共計(jì)23種設(shè)計(jì)模式。作者在先前工作中對(duì)設(shè)計(jì)模式進(jìn)行了初步的識(shí)別，但是缺乏對(duì)三類設(shè)計(jì)模式進(jìn)行具體的分類歸納與表示[21]。為此，本實(shí)驗(yàn)以先前工作為基礎(chǔ)展開，并獲取了表6所示的結(jié)果。

表6 設(shè)計(jì)模式識(shí)別精確率

由表6可見，在測(cè)試系統(tǒng)A中對(duì)于Adapter模式、Command模式識(shí)別效果較好，識(shí)別精確率為100%，而對(duì)Factory Method模式識(shí)別精確率為0%。在測(cè)試系統(tǒng)B中對(duì)于Adapter模式、Command模式識(shí)別效果較好，分別為100%與66.7%，而對(duì)于Factory Method模式識(shí)別精確率為50%。在測(cè)試系統(tǒng)C中也對(duì)于Adapter模式、Command模式識(shí)別效果較好，分別為91.7%與83.3%，而對(duì)于Factory Method模式識(shí)別精確率為50%。在測(cè)試系統(tǒng)D中對(duì)于Adapter模式、Command模式識(shí)別效果較好，分別為95.5%與77.8%，而對(duì)于Factory Method模式識(shí)別精確率為71.4%。

探究其原因歸納為如下幾點(diǎn)：

(1) 創(chuàng)建型設(shè)計(jì)模式識(shí)別難度高于行為型設(shè)計(jì)模式，而行為型設(shè)計(jì)模式難于結(jié)構(gòu)型設(shè)計(jì)模式。由表7可知，Adapter模式識(shí)別的平均精確率最高，為96.8%；Command模式識(shí)別的平均精確率次之為81.95%；而Factory Method模式的平均精確率僅為42.85%。究其原因，Adapter模式屬于結(jié)構(gòu)型設(shè)計(jì)模式，Command模式屬于行為型模式，F(xiàn)actory Method模式屬于創(chuàng)建型模式。結(jié)構(gòu)性模式?jīng)]有涉及到動(dòng)態(tài)的時(shí)序機(jī)制，故識(shí)別難度較低，識(shí)別效果較好；行為型模式要涉及動(dòng)態(tài)時(shí)序機(jī)制，故識(shí)別難度要高于結(jié)構(gòu)型模式，故識(shí)別效果居中；而Factory Method模式屬于創(chuàng)建型設(shè)計(jì)模式，除開動(dòng)態(tài)時(shí)序機(jī)制，還需要考慮代理機(jī)制等居多問題，故識(shí)別難度最大，平均識(shí)別精確率最低。

表7 三個(gè)測(cè)試系統(tǒng)平均精確率

(2) 設(shè)計(jì)模式變體易導(dǎo)致識(shí)別結(jié)果不精確。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析之后發(fā)現(xiàn)，測(cè)試系統(tǒng)中一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模式存在多個(gè)版本的問題，即設(shè)計(jì)模式變體[15-16]。設(shè)計(jì)模式變體能夠降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)時(shí)間，故目前研發(fā)人員通常會(huì)在不改變?cè)O(shè)計(jì)意圖的前提下用設(shè)計(jì)模式變體進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，而目前設(shè)計(jì)模式識(shí)別方法或工具對(duì)變體的識(shí)別效果考慮不夠深入，這可視為設(shè)計(jì)模式識(shí)別的重要挑戰(zhàn)。

(3) 設(shè)計(jì)模式參與角色間的附加關(guān)系干擾了識(shí)別結(jié)果。同樣，設(shè)計(jì)模式變體是在不改變?cè)O(shè)計(jì)意圖的前提下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模式進(jìn)行了演化，但這種演化可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。通過實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)一些設(shè)計(jì)模式變體通過增加參與者角色間多余的關(guān)系會(huì)改變?cè)O(shè)計(jì)意圖，即附加關(guān)系[17]，從而導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)程序與目標(biāo)需求的差異，這部分改變了設(shè)計(jì)意圖的變體難以識(shí)別。

(4) 設(shè)計(jì)模式實(shí)例共享問題。通過研究設(shè)計(jì)模式識(shí)別結(jié)果，發(fā)現(xiàn)存在部分設(shè)計(jì)模式參與者角色同時(shí)承擔(dān)兩個(gè)或多個(gè)設(shè)計(jì)模式的參與者問題，而這類問題易導(dǎo)致只能隨機(jī)識(shí)別一個(gè)先檢測(cè)到參與者角色的設(shè)計(jì)模式，而與其承擔(dān)角色相關(guān)的其余設(shè)計(jì)模式卻難以識(shí)別成功。

本文先前工作[2,3,15-18]通過Jhotdraw 7、Junit 3.7、Quickuml 2001等基準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)模式識(shí)別，部分效果要優(yōu)于本文工作。分析其原因發(fā)現(xiàn)：

(1) 設(shè)計(jì)模式識(shí)別在訓(xùn)練階段效果較好，而在驗(yàn)證階段略不足，說明存在過擬合問題。識(shí)別效果在遷移、普適性等方面需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

(2) 數(shù)據(jù)集不夠大，尤其在測(cè)試系統(tǒng)A中Factory Method設(shè)計(jì)模式基準(zhǔn)數(shù)量為1，由于識(shí)別未成功，導(dǎo)致對(duì)于Factory Method設(shè)計(jì)模式識(shí)別精確率為0%，以至于表6的4個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中的Factory Method模式平均識(shí)別精確率僅為42.85%。為此，還需要通過更多的設(shè)計(jì)模式實(shí)例或系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模的驗(yàn)證。

(3) 通過研究發(fā)現(xiàn)，大部分測(cè)試系統(tǒng)中創(chuàng)建型設(shè)計(jì)模式在軟件設(shè)計(jì)中使用頻率少于行為型設(shè)計(jì)模式，而行為型設(shè)計(jì)模式在軟件設(shè)計(jì)中使用頻率少于結(jié)構(gòu)型設(shè)計(jì)模式。

4 結(jié) 語

依據(jù)Erich Gamma[24]提出的設(shè)計(jì)模式分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)結(jié)構(gòu)型、行為型及創(chuàng)建型設(shè)計(jì)模式進(jìn)行了深入研究，歸納了設(shè)計(jì)模式的特征信息表示，以Adapter模式、Command模式、Factory Method模式為例，通過本文先前工作[21]對(duì)4個(gè)經(jīng)典測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)模式識(shí)別實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)結(jié)構(gòu)型Adapter模式與行為型Command模式取得了較好的識(shí)別效果。未來工作將致力于創(chuàng)建型設(shè)計(jì)模式的識(shí)別，以及對(duì)設(shè)計(jì)模式變體、設(shè)計(jì)模式附加關(guān)系、設(shè)計(jì)模式共享等領(lǐng)域前沿問題的追蹤。