動態(tài)UML子圖的形式語義研究.pdf

1、通用建模語言(UML，Unified Modeling Language)，是一種功能強(qiáng)大的、可視化面向?qū)ο蠼ＵZ言，它提供了多種UML子圖，可以刻畫系統(tǒng)的不同側(cè)面，包括靜態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、動態(tài)行為、組裝方式等。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在系統(tǒng)建模領(lǐng)域，設(shè)計開發(fā)人員普遍采用UML建立系統(tǒng)模型，現(xiàn)在UML已經(jīng)成為事實(shí)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。UML存在于軟件生命周期的各個階段：需求、設(shè)計、分析、實(shí)現(xiàn)、測試、發(fā)布、維護(hù)等。
　　 對一些安全關(guān)鍵系統(tǒng)，如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

2、、軌道交通控制系統(tǒng)、嵌入式實(shí)時并發(fā)系統(tǒng)等，在需求、設(shè)計階段前期，要求保證系統(tǒng)模型的關(guān)鍵功能性屬性，和推導(dǎo)量化的非功能屬性。設(shè)計開發(fā)人員通常采用UML建模復(fù)雜系統(tǒng)，但是，UML是一種半形式化的元模型，不具備精確的形式語義，不能對關(guān)鍵系統(tǒng)屬性進(jìn)行自動推理。如果能給UML賦予形式化語義，就能在模型檢測器的支持下，對關(guān)鍵系統(tǒng)屬性，自動進(jìn)行功能驗(yàn)證和性能分析。
　　 靜態(tài)UML子圖用于刻畫系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，動態(tài)UML子圖用于刻畫系統(tǒng)行為，設(shè)

3、計開發(fā)人員，通常更關(guān)注系統(tǒng)運(yùn)行時(run-time)特性。本文的研究工作，主要是給動態(tài)UML子圖賦予形式語義，關(guān)注的問題有：UML的語義描述不精確，造成需求和設(shè)計之間、設(shè)計和實(shí)現(xiàn)之間，存在著歧義；在描述一個系統(tǒng)時，不同類型的UML子圖之間，可能存在語義不一致，甚至位于不同抽象層次的、同一類型的UML圖元之間，也可能存在語義沖突：對某些概率、比率、時間相關(guān)的實(shí)時并發(fā)系統(tǒng)，UML的建模和驗(yàn)證能力不足。
　　 進(jìn)程代數(shù)(Process

4、 AIgebras)，用代數(shù)理論研究通信并發(fā)系統(tǒng)。進(jìn)程代數(shù)基于標(biāo)簽遷移系統(tǒng)，用一組算子作為基本成分，用算予間的組合刻畫復(fù)雜系統(tǒng)。進(jìn)程代數(shù)的核心是：互模擬等價理論，即在何種意義下，兩個進(jìn)程的行為相同。首先，標(biāo)簽遷移系統(tǒng)能夠描述UML狀態(tài)圖/序列圖的動態(tài)行為，其次，互模擬等價理論，為檢測不同UML圖元之間的語義等價性，提供了理論基礎(chǔ)。
　　 概率模型檢測(Probabilistic Model Checking)，支持離散時間Mar

5、kov鏈和連續(xù)時間Markov鏈，適于建模概率、比率、時間相關(guān)的實(shí)時并發(fā)系統(tǒng)。概率模型檢測由英國伯明翰大學(xué)首先提出，并提供模型檢測器PRISM支持，適合于建模和驗(yàn)證概率、比率相關(guān)的實(shí)時模型，對系統(tǒng)關(guān)鍵量化性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)自動推導(dǎo)和分析。
　　 本文在動態(tài)UML子圖形式化方面，進(jìn)行了研究，主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)概括如下：
　　 1.給UML狀態(tài)圖/序列圖賦予LTS操作語義UML狀態(tài)圖/序列圖，由基本構(gòu)成元素和若干種組裝方式（或

6、組合片段）構(gòu)成。UML狀態(tài)圖/序列圖被抽象為一個數(shù)學(xué)模型，LTS結(jié)構(gòu)被提取為另外一個數(shù)學(xué)模型。對UML狀態(tài)圖/序列圖的基本構(gòu)成元素，本文給出了其到LTS結(jié)構(gòu)的映射規(guī)則；對UML狀態(tài)圖/序列圖的組裝方式（或組合片段），本文給出了其LTS操作語義，及轉(zhuǎn)換規(guī)則。
　　 首先給UML狀態(tài)圖/序列圖賦予LTS操作語義，而非直接轉(zhuǎn)換為某種進(jìn)程代數(shù)規(guī)范，這樣做的好處是：因?yàn)檫M(jìn)程代數(shù)是基于LTS結(jié)構(gòu)，所以，如果給定UTS操作語義，就可以根據(jù)不同

7、的語法，將其轉(zhuǎn)換為任意一種進(jìn)程代數(shù)形式規(guī)范，而非某一種進(jìn)程代數(shù)形式規(guī)范。
　　 把UML狀態(tài)圖/序列圖轉(zhuǎn)換為某一種進(jìn)程代數(shù)形式規(guī)范后，如pi演算，基于互模擬等價理論，在工具的支持下，可以驗(yàn)證不同UML圖元之間的語義一致性、系統(tǒng)死鎖性；通過工具的單步執(zhí)行，可以觀察系統(tǒng)的動態(tài)運(yùn)行情況，以驗(yàn)證需求和設(shè)計是否一致。
　　 針對基于pi演算的UML序列圖，本文分析并推導(dǎo)了：驗(yàn)證互模擬等價性、系統(tǒng)死鎖性算法的時間復(fù)雜度，給出了定理、

8、證明和結(jié)論。
　　 2.給擴(kuò)展的UML狀態(tài)圖賦予概率/隨機(jī)Kripke結(jié)構(gòu)語義UML狀態(tài)圖在經(jīng)過擴(kuò)展之后，和概率模型檢測的語法和語義，具有隱式的映射關(guān)系，適合于建模概率、比率相關(guān)的實(shí)時并發(fā)系統(tǒng)。擴(kuò)展的UML狀態(tài)圖被抽象為一個數(shù)學(xué)模型，概率/隨機(jī)Kripke結(jié)構(gòu)被定義為另外一個數(shù)學(xué)模型，給出了映射規(guī)則和轉(zhuǎn)換算法，實(shí)現(xiàn)了這兩種數(shù)學(xué)模型之間的轉(zhuǎn)換。擴(kuò)展的UML狀態(tài)圖，由基本構(gòu)成元素和若干組裝方式構(gòu)成，這樣做的好處是：便于使用數(shù)學(xué)歸納法

9、，對轉(zhuǎn)換算法的正確性進(jìn)行分析。
　　 給UML狀態(tài)圖賦予概率/隨機(jī)Kripke結(jié)構(gòu)語義后，可以建模和驗(yàn)證實(shí)時并發(fā)系統(tǒng)，如排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)、Ad Hoc概率網(wǎng)絡(luò)等。在模型檢測工具PRISM支持下，可以對量化性能指標(biāo)，進(jìn)行自動分析和推導(dǎo)；也可通過PRISM單步執(zhí)行，觀測概率、實(shí)時系統(tǒng)的動態(tài)運(yùn)行情況。
　　 3.提取關(guān)鍵XMI標(biāo)簽及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，給出形式語義生成算法通常，在給UML賦予形式語義的研究工作，都是在較高抽象層次上，給出從UM

10、L圖元到形式語義的轉(zhuǎn)換規(guī)則和算法。但是，在設(shè)計和實(shí)現(xiàn)UML形式語義轉(zhuǎn)換器時，需要對動態(tài)UML子圖導(dǎo)出的XMI文件進(jìn)行解析，所以，形式語義生成算法，和存儲了關(guān)鍵數(shù)據(jù)/結(jié)構(gòu)信息的XMI標(biāo)簽緊密相關(guān)。
　　 本文不但在較高層次上，給出了UML子圖的操作語義和轉(zhuǎn)換規(guī)則，而且提取出關(guān)鍵XMI標(biāo)簽，將其抽象為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，較低抽象層次上，給出了XMI標(biāo)簽相關(guān)的形式語義生成算法，可用于設(shè)計實(shí)現(xiàn)UML形式語義轉(zhuǎn)換器。
　　 4.設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了