支持模型驅動開發(fā)的體系結構形式化語義與轉換一致性研究.pdf

1、模型驅動開發(fā)(Model-DrivenDevelopment，MDD)已成為軟件工程技術的研究熱點和發(fā)展趨勢，它通過提升抽象層次來應對軟件開發(fā)的復雜性。模型轉換是MDD方法中的一項關鍵技術，模型間的映射關系是模型轉換的基礎和依據。但目前關于模型轉換的研究成果大都集中在模型操作的描述方面，其目的是實現轉換過程的自動執(zhí)行，而在映射關系的定義原則，以及轉換規(guī)則的可行性和正確性驗證等方面，還缺乏堅實的理論基礎，從而導致了MDD研究的理論和實現不

2、完善，模型轉換難以滿足實際需要的現狀。 模型轉換的正確性問題是所有基于模型驅動的軟件工程實施的基礎問題，也是模型驅動開發(fā)研究的核心問題。模型轉換正確性的一般標準包括語法正確性、語法完備性、可終止性、合流性和語義一致性。在這幾個轉換標準的判定上，除語義一致性外，其它幾個語法層次上的正確性問題都已有相對成熟的解決方案。而在模型轉換的語義一致性驗證和分析方面，目前還沒有成熟的理論基礎和驗證工具，模型轉換中語義特性保持的定義、描述和驗證

3、仍是一個尚未解決的難題。如何保證模型轉換前后的語義一致性，是模型驅動方法走向實現的關鍵。但在目前的MDD實現方法中，形式化語義的缺乏使得高層模型的描述還不夠完備、精確，難以有效的支持模型轉換和代碼生成，也不能建立有效的評價和驗證機制。缺乏模型轉換相關的語義特性描述和計算，是當前基于MDD的軟件開發(fā)研究中所缺乏的主要理論。建立模型轉換相關的語義描述和計算理論是促進MDD方法健康快速發(fā)展的基礎和當務之急。 國內外多年的實踐和市場的驗

4、證表明，軟件體系結構和MDD的結合在軟件的快速開發(fā)、隨需應變、質量保證以及成本控制等方面是成功的，有很好的發(fā)展前景。基于以上的應用背景和需求，本文立足于解決模型轉換的基礎理論和技術問題，吸收軟件體系結構和軟件形式化等方面的研究成果，在對模型轉換過程和方法進行深入研究的基礎上，重點研究了軟件體系結構模型及其間映射關系的形式化語義描述，以此為基礎，對模型轉換應保持的語義特性進行了分析和探討，并開發(fā)了原型系統(tǒng)對研究成果進行了應用和驗證。本文主

5、要的研究內容和創(chuàng)新工作包括： (1)對模型轉換過程和方法的研究。從模型描述語言的分析入手，討論了模型轉換和模型映射的一致性需求，并對模型轉換的過程和已提出的模型轉換方法進行了綜述和歸結。借助于形式語言的擴展機制，提出了基于概念集重構的模型映射定義方法，討論了模型描述語言之間映射關系的建立過程以及所應遵循的基本原則，并重點分析了不同抽象層次結構模型之間的映射關系定義和轉換的構造過程。依據體系結構模型的抽象定義，提出了基于體系結構映

6、射的模型轉換理論架構，從而為基于軟件體系結構的模型轉換一致性研究奠定了理論基礎。 (2)建立了體系結構模型及其映射關系的形式化語義描述方法。在對陸汝鈐院士提出的類型范疇理論進行擴展的基礎上，將其與代數規(guī)范和進程代數相結合，為軟件體系結構模型以及模型間的映射關系提供了一種統(tǒng)一的語義描述框架。模型的結構語義由類型范疇圖表來指代，行為語義則由范疇附帶的進程行為跡來表示，模型間的映射關系用范疇理論中的態(tài)射和函子來形式化描述。該描述機制通

7、用性強，通過將一系列小的局部映射的結果組合在一起形成大的復合結構，以一種漸增的方式來描述抽象模型到具體實現的轉換關系，從而為局部映射的組合提供了一種可行的思路和方法。使用范疇理論作為數學框架，使得所討論的問題可以用與特定應用領域無關的術語來形式化描述。范疇理論支持圖形化建模，可以使模型中的構件關系以及結構特征可視化，有利于對模型轉換的理解和追蹤。應用研究表明，該描述框架很好地把握了模型驅動開發(fā)的實質、過程和要求，為模型轉換和模型驅動的軟

8、件開發(fā)提供了新的認知、設計和語義計算的指導架構。本文是首次將類型范疇理論用于研究模型的組織結構和模型間的轉換關系，將為其他學者研究軟件模型的轉換問題提供一種新的思路。 (3)對體系結構模型轉換所應保持的語義特性進行了研究。分析了模型轉換過程中的語義遷移。基于軟件體系結構模型的形式化描述，從結構語義、公理語義、端口語義和行為語義等幾個方面分析了模型轉換中特性保持問題的描述，并建立了相應的判定標準，同時探討了證明一個轉換是否滿足某些

9、特性保持約束的方法。這些方法支持以定理證明的方式，對模型轉換的語義特性保持進行驗證，克服了模型檢測的不足。該研究可用于指導模型轉換規(guī)則的定義，為模型映射關系的正確性驗證提供依據，從而為進一步全面研究模型轉換所應遵循的法則和特性奠定基礎。本文是首次提出從體系結構模型之間的映射關系所表達的模型復合的語義的一致性來考察模型轉換的正確性，在模型驅動開發(fā)研究領域是一次新的嘗試。 (4)在開發(fā)和應用方面，開發(fā)了模型驅動方法的原型工具，并完成

10、了一系列的工程應用。從軟件體系結構建模出發(fā)，通過對UML進行擴展，提出了一種包括體系結構模型、靜態(tài)視圖、邏輯視圖和界面展示視圖四部分的WEB應用模型描述方法。然后依據體系結構模型轉換一致性研究的理論和方法定義模型轉換規(guī)則，實現了向J2EE平臺和ASP.NET平臺的模型轉換和代碼生成，從而驗證了本文所提理論和方法的合理性和實用性。 本文的研究成果豐富和完善了MDD方法的理論架構，為模型驅動的軟件開發(fā)研究提供了一種新的思路，對于促進