软件架构的研究方向论文

AI 科技 评论按： 日前，哈工大朱晓蕊教授等人在中国工程院院刊《信息与电子工程前沿》（英文）（Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering，FITEE）上发表了一篇题为《针对无人机系统安全的新型层级式软件架构》（A new hierarchical software architecture towards safety-critical aspects of a drone system）的论文，提出一种覆盖底层源代码到上层用户任务代码的新型层级式软件架构，能够有效地提高无人机系统安全性与可靠性。

目前，对于基础技术日趋成熟的无人机领域来说，无人机系统的安全性还是一个欠缺关注的研究方向，然而，这一研究方向对于无人机未来发展而言至关重要。因而，朱晓蕊教授等人在这一方向上的研究颇具前瞻性，其工作成果也独具开创性意义。雷锋网 AI 科技 评论借此机会拜访了朱晓蕊教授，深入探讨了其开启这项工作的背景、研究历程以及对于无人机领域的一些思考。

实际上，在无人机系统安全这个项目之前，朱晓蕊教授的研究方向主要是无人机控制和导航，而之所以转到无人机系统安全的研究则源自于她与耶鲁大学邵中教授一次对话中受到的启发：系统安全会成为无人机等小型智能系统未来的一个重要问题。

2014 年底，朱晓蕊教授在与来自耶鲁大学的邵中教授进行学术交流的过程中，了解到邵中教授一直在进行安全操作系统方面的研究，并在这个领域处于国际最前沿。而当时还在专注于无人机控制、导航研究的朱晓蕊教授，意识到她此前所做的这些研究工作实际上都已经趋向成熟，正在思考无人机未来的研究方向，邵中教授的这一研究方向则带给了她一个新的研究思路。朱晓蕊教授在采访中「他正在做这项工作就提醒了我，无人机这类小型智能系统的安全问题，会成为未来一个比较重要的问题 」。

然而，当时甚至是现在，无人机领域对于安全性问题的关注度都比较少。对此，朱晓蕊教授指出：「需要注意的一点是我们研究的基本上是小型飞行器，而小型飞行器和大型飞行器的区别是非常大的。光就安全性而言，大型飞行器很早就按照 Safety Critical System 启用了标准度很高的 系统安全验证，虽然在安全验证方面的人力、物力的耗费量都非常巨大，但是它们的一个小小的安全问题就可能带来非常严重的后果，因而即便投入巨大，大家也不得不关注这一问题。然而对于小型飞行器的安全验证问题，目前领域内国际上只有极少数研究者开始尝试去做这些事情，因为这是一个全新的东西，一切都从新开始。」

正是基于上面的两点考量，朱晓蕊教授决心要成为「第一批吃螃蟹的人」，与邵中教授开启了无人机系统安全的研究项目。

「当无人机这类智能系统进入到民用领域后，就不可避免地走向小型化，就会在片上资源方面牺牲掉很多的性能，因此直接将大型飞行器的安全验证系统移植到小型飞行器上是不可行的，所以我们就需要设计一个新的软件架构，既保证小型飞行器理论验证消耗不会那么高，又能够保障系统的安全性。传统而言，新系统研发是通过反复地模拟和实际测试来确保系统可靠性和安全性的。但是这种方式从严格意义上是无法完全保证安全性的，会出现看似随机的一些故障，甚至引起飞机坠毁现象。」

同时，为了促成双方正式将无人机系统安全项目提上重要日程，朱晓蕊教授和邵中教授也特地正式申请了国际合作项目。

按照朱晓蕊教授的说法，研究上层系统的人通常并不关注底层系统的细节，只在需要的时候直接使用底层系统，而反过来，研究操作系统的人往往也很少考虑上层系统的情况。因此，无人机等智能系统的上层系统和底层操作系统之间相当于存在一块「隔板」，二者间往往只存在最基本的互动。

「这样的话，这两个方向的研究者在进行安全测试时，往往只测试各自系统内的交互情况，然而这样仅仅只能确保系统内的安全性，而不能保证上层系统在跟底层操作系统做交互的时候不会出现问题。因此，我们合作这个项目的思路就是要将这两个系统中间的这块隔板打开，将二者作为一个整体来设计软件架构，从而完全保证无人机系统的安全性。」

对于这项工作成果在保障无人机整体安全性上的具体工作原理，朱晓蕊教授介绍道：「我们将所有算法形成的代码设计成分层结构，同时设计好层与层之间的交互架构，然后使用形式化验证的方法去检测层与层之间交互的正确性。」

形式化验证是采用逻辑来验证程序可靠性的一种方法，即用逻辑的方法将一段程序证明一遍，证明它能得到预期的结果并且没有出现错误，例如，欧美国家就将这种验证方法广泛地应用于一些大型飞行器中，由于这些设备的系统一旦出现出现错误，导致的后果会非常严重，同时研究者又无法对其进行一遍一遍的测试，因而形式化验证是可以选择的非常不错的方法。

因此，朱晓蕊教授项目组的这项研究成果不仅以实现上层系统和底层操作系统的层级式互动的方式来保障系统整体的安全性，更从逻辑层面避免了人为测试中所存在的偶然性，保障了安全性和可靠性。而同时从这两个方面着手展开（小型）无人机系统安全测试工作的，朱晓蕊教授等人是首创者。

实际上，无人机系统安全这个合作项目在 2014 年底就启动了，然而一直到现在才出成果，朱晓蕊教授表示背后的原因主要有两点：

此外，朱晓蕊教授还提到了她这边存在的一个比较严峻的问题，就是在现行的培养体制下，一方面是由于研究生培养年限比较短，另一方面则是因为学生对于新事物的热情和好奇心也不够，畏难心理比较明显，因此她这边参与项目的学生更替很快，这样的话，轮到下一批加入的学生，他们又要去学习操作系统方面的知识，这就又需要耗费一个周期的时间了。

谈及至此，朱晓蕊教授也就目前国内高校学生存在的一些问题提出了两点自己的期望：

也正是基于这种期望，朱晓蕊教授在日常教学中也始终坚持引导学生树立正确的研究思路：「所以我也一再地跟我的学生强调，我要教给他们的是一套系统的做科学研究的方法论，是怎样从零或一个 idea 开始做出一套有说服力的成果的方法，让他们最终在毕业答辩的时候能够自信地将自己做出来的这些成果讲给别人听，而不是说一定局限在课题所涉及的特定研究领域。」

对于无人机系统安全研究的这一版研究成果，朱晓蕊教授表示，目前还没有达到最理想的状态，因此下一步的规划还是希望参与研究的学生能够再花半年到一年左右的时间，实现该方案的最佳效果。

「下一步，我们会利用虚拟化技术来完善无人机系统安全方案，具体来说就是用虚拟化技术来将智能系统中对安全重要和对安全没那么重要的部分隔开来，从而减少不必要的安全验证消耗 。以无人机为例，它其中的某些模块对于安全来说至关重要，一旦出现问题，可能会直接导致无人机停止运行（从空中掉下来）；而其中也有部分模块对安全性而言不那么重要的，例如一些第三方程序，对于飞机整体的安全性不会造成太大影响，就不需要付出代价去证明这部分模块的安全性。因此，大概再花一年左右的时间，整个安全方案就比较完整了。」

同时，朱晓蕊教授希望，这一系统安全性验证方案不要被局限于无人机。「它同样可以给其他小型智能系统包括无人驾驶带来很大的价值。实际上，这个方案如果应用到无人驾驶这些场景中，实现原理其实还是一样的，只不过需要针对这一套系统进行修改和调整，因此说，我们实际上提出的是一套可以广泛应用的方法论。」

而对于目前每年只能各自投入 1 到 2 名学生的耶鲁合作项目来说，人手同样是一个亟需解决的问题，因此扩充科研队伍同样也是下一步规划中的重要内容。

「本次之所以希望通过媒体来报道这项成果，主要也是有两个诉求：第一个就是希望更多对这项研究感兴趣的人能够加入到我们的研究队伍中来，从而更快地推进项目进度；第二个就是希望我们在无人机系统安全方面的这项研究成果能给相关领域研究者带来一些启发，启发他们去挖掘领域内目前还未受到较大关注但对未来而言至关重要的研究方向。」

学界和业界应该怎么分工？

朱晓蕊教授认为，学界和业界由于各自的性质以及承担的 社会 责任不同，分工也不尽相同，如果二者能够各司其职，形成一个非常良性、平衡的合作状态，对于无人机以及整个人工智能领域的发展会大有裨益。

「对于学界而言，首先一定要做一些超前的事情，在一些业界乃至整个研究领域还没有关注到的问题上，先要尝试着去开展研究工作，所有的研究工作往往在获得成功之前都要经历一个漫长的过程，所以，学界应该充当这个引路者的角色；其次，我认为学界的价值是提出一些能够对业界具有启发性意义的新的 idea，正如我之前所提到的，我们的研究实际上更像是提出了某一套具有普遍适应性的新方法，业界可以借鉴，并在我们的新思路和新方法上进行完善，从而最终与真正的应用场景实现对接。

而对于业界来说，他们需要做的便是将学界提出的新方法、新成果落地到各个细分应用场景中，并利用其丰富的人力、物力资源来推进某项成果不断完善和升华，最终对整个 社会 的实际发展负责。」

无人机领域的最终目标为何？

对于目前无人机领域的整个发展情况，朱晓蕊教授还是比较有信心的，她认为在技术层面，无人机的通用性已经做得相对来说比较成熟的，接下来要着重解决的就是产业化落地的问题。

「目前就我看来，无人机领域在基础技术方面都不错，就差在细分行业中有针对性地应用了。因为不同的细分行业对于这些基础技术都有特殊且具体的要求，因此我认为这其中还有很多可以挖掘的东西。当技术和市场、成本达到一个平衡的状态时，无人机领域差不多就是一个比较理想的状态了。」

论文： 《针对无人机系统安全的新型层级式软件架构》

作者： 朱晓蕊，梁辰，殷振国，邵中，刘孟启，陈昊

中文摘要： 本文提出了一种覆盖从底层源代码到上层用户任务代码的新型层级式软件架构，用于提高无人机系统的安全性与可靠性。在这种软件架构下，每一个软件模块采用形式化验证的方法验证其源代码符合设计规范，而且这些软件模块基于经过形式化验证的操作系统内核CertiKOS，因而从理论上保证无人机系统不存在软件漏洞。考虑到无人机的机载传感器会对系统可靠性产生显著影响，本文对驱动传感器的SPI总线与I2C总线进行形式化验证，并针对总线异常的情况设计完成相关实验。实验结果表明此类软件架构能有效提高无人机系统安全性与可靠性。

关键词： 安全关键系统；无人机；软件架构；形式化验证；

本文引用格式：

Xiao-rui Zhu, Chen Liang, Zhen-guo Yin, Zhong Shao, Meng-qi Liu, Hao Chen, 2019. A new hierarchical software architecture towards safety-critical aspects of a drone system. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 20(3): 353-362.

2019 全球人工智能与机器人峰会

由中国计算机学会主办、雷锋网和香港中文大学（深圳）联合承办的 2019 全球人工智能与机器人峰会（ CCF-GAIR 2019），将于 2019 年 7 月 12 日至 14 日 在深圳举行。

届时，诺贝尔奖得主JamesJ. Heckman、中外院士、世界顶会主席、知名Fellow，多位重磅嘉宾将亲自坐阵 ，一起探讨人工智能和机器人领域学、产、投等复杂的生存态势。

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随着我国现代化程度的不断提高,计算机软件被应用的领域愈发广泛,其本身的创造程度也越来越高,计算机产业现在已经成为一个规模庞大的产业。下面是我为大家整理的计算机软件论文，供大家参考。

计算机软件论文 范文 一：计算机软件开发中分层技术研究

摘要:在信息化建设水平不断提高的情况下，计算机软件在这一过程中得到了十分广泛的应用，此外，计算机软件开发在这一过程中也越来越受到人们的关心和关注。软件开发技术最近几年得到了很大的改进，这些技术当中分层的技术是非常重要的一个，所以，我们需要对其进行全面的分析和研究。

关键词:计算机;软件开发;分层技术

当前信息化时代已经悄然到来， 网络技术 的发展也使得人们越来越关注软件开发行业，计算机软件从原来的二元结构模式逐渐向多层结构模式发展，中间件也成为了应用层质量和性能非常重要的一个问题，此外，其也成为了计算机软件开发应用过程中非常关键的一个技术，其与数据库， 操作系统 共同形成了计算机基础软件。这一技术的应用能够使得软件系统扩展性更强，灵活性和适应性也在这一过程中得到了显著的提升，所以，分层技术也已经在现代计算机软件开发的过程中得到了越来越广泛的应用。

1计算机层次软件及其优点

计算机软件工程的最终目标就是研发质量和性能更好的软件产品，而在这一过程中基础构建和开发可以十分有效的为计算机软件的应用提供非常好的条件，构件是高内聚度软件包，其能够当作独立单元进行更加全面的开发处理，同时，其也为构件的组合提供了非常大的便利，对软件系统进行搭建可以很好的缩短软件开发的时长，同时还能十分有效的获得更多的质量保证。构件开发最为重要的一个目的就是广泛的应用，应用层次化软件结构设计 方法 的一个非常重要的目的就是可以更为科学合理的去应用构件技术。软件系统在进行了分解之后，形成了不同的构件模块，高层次构件通常被人们视为指定领域的构件。低层次构件只是与数据库或许是和物理硬件产生联系。层次划分是一个相对比较宽泛的概念，所以在层次关系方面并没有一个相对统一和规范的标准。不同构件内部的层次关系通常是上下层依附的关系。站在某个角度上来看，计算机软件的系统层次化就是指多层次技术的广泛应用，而根本原因是为了软件能够大范围的应用。采用分层模式可以非常好的展现出软件的可扩展性，系统某一层在功能上的变化仅仅和上下层存在着一定的关系，对其他层并不会产生非常明显的影响。分层模式也比较适合使用在一些标准组织当中，此外，其也是通过控制功能层次接口来保证其不会受到严重的限制。标准接口的应用能够使得不同软件可以自行开发，同时后期更新的产品也能够和其他软件具有良好的融合性。

2软件开发中多层次技术分析

两层与三层结构技术分析

在两层模式当中，一般都是由数据库的服务器和客户端构成，其中，客户端能够为客户提供一个操作界面，同时，其还具备非常好的逻辑处理功能，同时还要按照指令去完成数据库的查询，而服务器主要是接收客户端的指令，同时还要按照指令对数据库完成查询，同时还要返回到查询结果当中。这种逻辑处理结构就被人们称作Fat客户，这种二层技术的客户端类型在应用的过程中能够完成非常多的业务逻辑处理工作，随着客户端数量的增加，其扩充性和交互作业以及通信性能等等都会受到影响，此外还存在着非常明显的安全问题及隐患。而计算机技术在不断的完善，传统的二层技术已经不能适应系统应用的具体要求。在这样的情况下就出现了三层结构技术类型，这种技术主要是客户端、应用服务器交换机和应用服务器构成。其中，客户端主要是用来实现人机交互，数据服务器可以让操作人员完成数据信息的访问、存储以及优化工作，服务器的应用主要是能够完成相关业务的逻辑分析工作，这样也就使得客户端的工作压力有了非常显著的下降，我们一般将这样的客户称作瘦客户。三层结构和二层结构相比其具有非常强的可重复性、维护方面更加方便，同时其安全性和扩展性也明显增强，但是在用户数量并不是很多的时候，二层结构的优势则更加的明显，所以，在软件开发的过程中，我们一定要充分的结合实际的情况和要求。

四层结构技术

当前，计算机应用的环境在复杂性上有了非常显著的提升，客户对软件系统也提出了越来越高的要求，其主要表现在了软件开发周期不是很长，系统的稳定性很好，扩展性更强等方面，为了满足用户提出的更高要求，我们在开发的过程中将用户界面、业务逻辑个数据库服务器根据其功能模块进行全面的处理，将不同的模块分开，这样也就将相互之间的影响降到了最低水平。这个时候，如果使用三层分层技术就无法很好的实现这一功能，很多软件的开发人员会在数据库和逻辑层交互的过程中，增加一层数据库接口封装，这样也就实现了三层向四层的进化。四层结构体系主要包含web层、业务逻辑层、数据持久层与存储层。其中，web层可以使用模式1或模式2开发。在模式1中，基本是由JSP页面所构成，当接收客户端的请求之后，能直接给出响应，使用少量Java处理数据库的有关操作。模式1实现较为简单，可用于小规模项目快速开发，这种模式的局限性也很明显，JSP页面主要担当了控制器与视图View两类角色，其表现及控制逻辑被混为一体，有关代码重用功能较低，应用系统的维护性与扩展性难度加大，并不适合复杂应用系统开发。模式2主要是基于1vlvc结构进行设计的，JSP不再具有控制器职责，由Sen}let当作前端的控制器进行客户端请求的接收，并通过Java实施逻辑处理，而JSP仅具有表现层的角色，将结果向用户呈现，这种模型主要适合大规模项目的应用开发。业务逻辑层在数据持久层与web层间，主要负责将数据持久层中的结果数据传给web层，作为业务处理核心，具有数据交换的承上启下功能，业务逻辑层的技术依据业务及功能大小不同，能够分成JavaBean与EJB两种封装的业务逻辑，其中EJB简化了Java语言编写应用系统中的开发、配置与执行，不过EJB并非实现J2EE唯一的方法，支持EJB应用的程序器能应用任何分布式的网络协议，像与专有协议等。

3结论

当前，我国计算机应用的过程中面临的环境越来越复杂，同时在客户的要求方面也有了非常显著的提升，为了更好的满足软件应用者的要求，在软件开发工作中，分层技术得到了十分广泛的应用，以往的两层技术模式已经无法适应当今时代的建设和发展，在对两层和三层结构优缺点的分析之后，多层结构系统在应用的过程中发挥了非常大的作用，这样也就使得软件开发技术得到了显著的提升，从而极大的满足了客户对计算机软件的各项要求。

参考文献

[1]金红军.规范化在计算机软件开发中的应用[J].物联网技术,2016(01).

[2]赵明亮.计算机应用软件开发技术[J].黑龙江科技信息,2011(26).

[3]林雪海,吴小勇.计算机软件开发的基础架构原理研究[J].电子制作,2016(Z1).

计算机软件论文范文二：分层技术在计算机软件开发中的使用

【摘要】近年来，计算机技术和网络技术已经在人们的日常生活和工作中得到普遍应用。计算机开发技术已经得到了相关从业人员的普遍关注。笔者对计算机软件开发中分层技术的应用进行论述，以期提升计算机软件开发水平。

【关键词】计算机;软件开发;分层技术

1前言

科学技术快速发展，现代化进程逐渐加快，计算机软件开发也逐渐由传统二层结构开发模式转化为多层结构。其已经成为计算机软件开发过程中的重要内容和组成部分。近年来，网络环境日趋复杂，将分层技术应用到计算机软件开发中，能够提升软件系统的整体清晰度和辨识度，为人们提供一个灵活的软件应用环境，促进计算机研发技术又好又快发展。

2分层技术相关概述

分层技术的概念及应用计算机开发过程中要确保软件的灵活性和可靠性，实现软件的多功能应用。分层技术基于计算机软件内部结构原理，促进计算机软件应用过程中各种不同功能的实现。因此，将分层技术应用到计算机软件开发中具有一定的优势。同时，其能够改变传统的计算机软件单项业务处理模式，实现多层次技术的开发和应用[1]。

分层技术的特点在计算机软件开发中应用分层技术具有相应的特点和优势。首先，分层技术能够依据相关功能需求，对计算机软件进行扩展和计算机系统进行分解，实现对计算机软件的改造和更新，并对系统中功能层和上下层进行变革和修改。其次，分层技术能够提高计算机软件的开发质量和效率，也能够提高其软件运行的可靠性。通过对原有计算机系统的改造和变更，缩短复杂软件的开发时间，提高新产品的质量。第三，在计算机软件开发中应用分层技术，能够让计算机软件得到充分利用，并对功能层次的接口进行定义，实现软件的自动化开发，促进标准接口的应用和其端口的无缝隙对接[2]。

3分层技术在计算机软件开发中的应用

近年来，随着生活理念的革新，人们对计算机软件开发普遍关注。同时，计算机软件开发也对传统计算机软件单项业务处理模式进行变革，使其向多层次计算机软件开发转变。目前，计算机软件开发技术已经由原来的二层和三层技术转化为多层技术。

双层技术的应用

双层技术在计算机软件开发中的应用，能够提升计算机软件开发的质量和效率。双层技术是由客户端和服务器两个端点组成。客户端的功能是为用户提供相应的界面，并对计算机日常应用过程中的相关逻辑关系进行处理。服务器主要用来接受客户信息，并对用户相关信息进行整合，传递给客户端。

三层技术的应用

三层技术是对计算机开发过程中的双层技术进行不断完善。相较于传统的双层技术，三层技术能够确保在一定程度上增加应用服务器，同时也能够提高用户数据存储质量和效率。在计算机软件开发过程中应用三层技术，能够提高计算机信息访问效率，也能够确保计算机与人之间构建和谐的共性关系，确保计算机整体运行质量的提升，为人们提供一个良好的计算机应用环境。三层技术包括业务处理层次、界面层次和数据层次。业务处理层次主要目的是了解用户的需求，并结合用户需求对相关数据进行处理。界面层主要是搜集用户的需求，并对其进行加工，将相关结果传递给业务处理层次。数据层次主要用来对业务处理层的相关请求进行审核，并应用数据库对相关信息资源进行查询和整合。加之科学的分析，将其传递给业务层。三层技术能够提升计算机使用性能，但其用户环境比较复杂，增加了信息和数据处理难度[3]。

四层技术的应用

四层技术是基于三层技术进行完善的，其包括业务处理层、web层、数据库层和存储层。其在计算机软件开发过程中的应用原理是应用业务处理层分析用户需求，并将数据层处理结果传递给web层，应用数据交换和数据访问代码来反映数据库和计算机对象之间的关系。

中间件技术的应用

中间件技术被作为面向对象技术进行开发。中间件主要以分布式计算环境为背景，以实现互通和互联及资源共享应用功能，其是一种独立系统软件。它能够对异构和分布集成所带来的各种复杂技术的相关细节进行屏蔽，以降低相关技术难度。在操作系统、数据库与应用软件之间应用中间件，能够缩短开发周期，提升系统和软件运行的安全性。中间件的种类比较多。结合其相关技术特性，能将其划分为DM、MOM、OOM中间件和RPC与TPM中间件等，其已经被普遍应用到计算机软件实际开发中。

面向消息中间件信息同步传送和异步传送都可以应用MOM中间件技术。MOM能够实现异步通信、消息传递列队化和传递过程中的安全性和可靠性。MOM分层技术在计算机软件技术开发中应用很普遍。应用消息列队中间件进行应用编程，其主要通过中间件和对方实现间接通讯。同时，其能够应用队列管理器与远地或者本地应用程序进行通信。通信过程中，通信双方只需要将消息传递给队列管理器，不需要对消息的传递过程和传递安全性进行过多的关注，有利于软件开发过程的简化。

远程过程调用中间件在客户和服务器计算层面应用远程过程调用的中间件，其更加具有先进性和实用性。程序员可以结合客户的实际需求对相关应用进行编制。RPC比较灵活，其也能够适应于复杂的计算机环境中，并支持跨平台应用，对远端子程序进行调用，以满足编程过程中的相关细节。但是其在应用过程中仍然存在相应的缺陷，其采用同步通信方式，不利于在大型范围内进行使用，需要对网络故障和流量控制等诸多因素进行考虑。

面向对象的中间件基于组件技术在大型应用软件中的使用比较广泛，分布系统对各个节点中不同系统平台的新组件和老版组件进行集成应用。由于其面临各种问题，使用过程中具有一定的局限性，并不能够充分发挥其作用。基于对象技术和分布式技术，面向对象的中间件提供了全新通信机制，能够在异构分布的计算环境中对传递对象的相关请求进行满足。其来源主要是本地或者远程服务器。

4结语

计算机的应用环境越来越复杂，用户的相关要求也逐渐提高，增加了软件开发的难度。在计算机软件开发中应用分层技术，并对其进行不断地优化，能够实现其安全性和拓展性，缩短开发周期，提升其整体处理能力，有效满足了客户的日常应用需求。

参考文献:

[1]李大勇.关于分层技术在计算机软件中的应用研究与分析[J].计算机光盘软件与应用，2014，(20):78～79.

[2]杨博宁.浅谈计算机软件开发中分层技术[J].科技风，2015，(08):95.

[3]贾辉.刍议分层技术在计算机软件开发中的应用[J].中国高新技术企业，2015，(30):59～60.

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软件体系结构论文：一种面向方面软件体系结构模型摘 要: 为了分离软件系统中的核心关注点和横切关注点，通过引入面向方面软件开发的思想设计了一种面向方面软件体系结构模型，并详细分析了该模型的三个基本构成单元，即构件、连接件和方面构件。最后通过一个网上支付实例验证了该模型具有一定的理论意义和实用价值。关键词: 面向方面软件体系结构;横切关注点;构件;连接件;方面构件20世纪60年代的软件危机使得人们开始重视软件工程的研究。起初，人们把软件设计的重点放在数据结构和算法的选择上，然而随着软件系统规模越来越大，对总体的系统结构设计和规格说明变得异常重要。随着软件危机程度的加剧，软件体系结构(software architecture)这一概念应运而生。软件体系结构着眼于软件系统的全局组织形式，在较高层次上把握系统各部分之间的内在联系，将软件开发的焦点从成百上千的代码上转移到粒度较大的体系结构元素及其交互的设计上。与传统软件技术相比，软件体系结构理论的提出不仅有利于解决软件系统日益增加的规模和复杂度的问题，有利于构件的重用，也有利于软件生产率的提高。面向方面软件开发(AOSD)认为系统是由核心关注点(corn concern)和横切关注点(cross-cutting concern)有机地交织在一起而形成的。核心关注点是软件要实现的主要功能和目标，横切关注点是那些与核心关注点之间有横切作用的关注点，如系统日志、事务处理和权限验证等。AOSD通过分离系统的横切关注点和核心关注点，使得系统的设计和维护变得容易很多。Extremadura大学的Navasa等人［1］在2002年提出了将面向方面软件开发技术引入到软件体系结构的设计中，称之为面向方面软件体系结构(aspect oriented software architecture，AO-SA)，这样能够结合两者的优点，但是并没有给出构建面向方面软件体系结构的详细方法。尽管目前对于面向方面软件体系结构这个概念尚未形成统一的认识，但是一般认为面向方面软件体系结构在传统软件体系结构基础上增加了方面构件(aspect component)这一新的构成单元，通过方面构件来封装系统的横切关注点。目前国内外对于面向方面软件体系模型的研究还相对较少，对它的构成单元模型的研究更少，通常只关注方面构件这一构成单元。方面构件最早是由Lieberherr等人［2］提出的，它是在自适应可插拔构件(adaptive plug and play component，APPC)基础之上通过引入面向方面编程(AOP)思想扩展一个可更改的接口而形成的，但它关于请求接口和服务接口的定义很模糊，未能给出一个清晰的方面构件模型。Pawlak等人［3］提出了一个面向方面的框架，该框架主要包含了一个方面构件模型———Java方面构件(Java aspect component，JAC)，但该方面构件模型仅包含了切点(pointcut)，并把AOP中装备(advice)集成到了切点的表达式中，它主要从实现的角度进行了阐述，并没有给出详细的方面构件模型。本文没有只关注面向方面软件体系结构中方面构件这一构成单元模型，还详细分析了它的另外两个构成单元，即构件和连接件，因为面向方面软件体系结构各部分之间是相互关联的。1面向方面软件体系结构相关概念面向方面软件体系结构涉及诸多概念，以下将分别介绍。软件体系结构在软件工程领域有着广泛的影响，但当前仍未形成一个统一的、标准的定义。目前国内外普遍认可的看法是软件体系结构包含构件、连接件和约束［4］。其中约束描述了体系结构配置和拓扑的要求，确定了体系结构的构件与连接件的连接关系。这样就可以把软件体系结构写成软件体系结构(software architecture)=构件(components)+连接件(connectors)+约束(constraints)构件是软件体系结构的基本元素之一。一般认为，构件是指具有一定功能、可明确辨识的软件单位，并且具备语义完整、语法正确、有可重用价值的特点，然而目前对于构件的具体结构及构成并没有一个统一的标准［5］，而且一些主要的构件技术也没有使用相同的构件类型。另外，当前被广泛接受的构件定义并不包含具体的软件构件模型(software component model)。例如，Szyperski等人［6］给出了软件构件一个很有名的定义:软件构件是一个仅带特定契约接口和显式语境依赖的结构单位，它可以独立部署，易于第三方整合。但是关于软件构件模型有一个被普遍接受的观点是:软件构件是一个具有服务提供和服务请求功能的软件单元［7］。连接件是软件体系结构另一个基本的构成元素，是用来建立构件间交互以及支配这些交互规则的构造模块。连接件最先是由Shaw［8］提出来的，她建议把连接件作为软件体系结构中第一类实体，用来表示普通构件之间的交互关系。目前对于连接件尚未形成统一的认识，尽管在软件体系结构中强调了连接件存在的必要性，但是关于连接件模型的研究还很少，连接件的实际应用还不成熟。面向方面软件体系结构在传统软件体系结构的基础上增加了方面构件单元。通常认为，方面构件是封装了系统横切关注点的一类特殊的构件。目前关于方面构件模型的研究还处于起步阶段。2面向方面软件体系结构模型由于传统软件体系结构模型包含构件、连接件和约束，而面向方面软件体系结构是在传统软件体系结构的基础之上扩展了方面构件，所以面向方面软件体系模型结构包含构件、连接件、方面构件和约束。其中约束描述了面向方面体系结构配置和拓扑的要求，确定了体系结构的构件、连接件和方面构件之间的连接关系，而构件、连接件、方面构件是它的三个基本的构成单元。以下对这三个构成单元的模型进行详细的设计。构件模型构件模型由以下几个要素构成(图1):(a)端口。构件的服务请求和服务提供功能是通过端口来实现的。端口是构件与外部环境进行交互的惟一通道。一般的构件模型通常采用两种端口，即双向端口和单向端口。在使用双向端口的构件模型中，服务请求和服务提供功能可以在同一个端口中实现。本文中的构件模型使用单向端口，此种端口分为请求端口和服务端口两种类型。(a)服务端口。构件通过服务端口向其他构件提供服务。构件通过服务端口向其他构件的请求消息进行应答，返回响应消息。每个服务端口对应一个接口。(b)请求端口。构件通过请求端口向其他构件请求服务。构件为了实现自己的业务功能，需要通过请求端口向其他构件发送请求消息。每个服务端口也对应一个接口。(b)接口。它定义了一个到多个业务功能。这些业务功能由服务端口进行提供，并由请求端口进行使用。一个接口限定了一个特定端口可以进行的交互功能，接口是构件间交互的契约。通常的接口类型有:Java Interface、WSDL 1．1 portTypes和WSDL 2．0 Interfaces等，也可以自定义接口类型。(c)属性。与类或对象相似，构件也具有属性，属性可以在构件使用前进行配置，它能够反映构件在交互过程中状态的变化。连接件模型连接件是用来建立构件间交互以及支配这些交互规则的体系结构构造模块。连接件为构件间信息交互提供传输和路由服务。在最简单的情况下，构件之间可以直接完成交互，这时体系结构中的连接件就退化为直接连接。在更为复杂的情况下，构件间交互的处理和维持都需要连接件来实现。对于构件而言，连接件是构件的粘合剂，是构件交互的实现，也可以看做是一种特殊的构件［8］。与构件相似，连接件也具有端口。连接件的端口可分为两种类型，即源端口(source port)和目标端口(target port)。源端口用于接收构件请求端口中的消息，目标端口用于向构件服务端口中输入消息。连接件通常需要使用一种合适的绑定(binding)机制，构件的请求端口使用这种绑定机制来描述服务请求的方法，构件的服务端口也使用这种机制来描述构件进行请求的方式。常用的绑定机制有:WebService Binding和JMS Binding等，也可以自定义绑定机制。与构件一样，连接件也具有属性，来表示构件间交互的状态变化，如图2所示。复合构件模型构件可分为两种，即原子构件和复合构件。前者是不可再分的构件。后者是可再分构件，它封装了若干个子构件。子构件间通过连接件相互连接，且子构件的端口也可以暴露成为复合构件的端口，子构件也可能是复合构件。如图3所示:复合构件A包含两个子构件B和D，子构件B和D通过连接件C进行相连，构件B的服务端口E暴露成为复合构件A的服务端口F，其请求端口G暴露成为A的请求端口H。方面构件模型方面构件是面向方面软件体系结构的一个核心的构成单元，它封装了横切关注点，这是与传统软件体系结构最大的不同之处。图4给出了方面构件模型，与普通构件一样，方面构件也有服务端口和请求端口以及属性，但是它还有普通构件所没有的方面端口。当一个构件具有一个方面端口时，即可认为此构件就是方面构件。一个方面端口中包含若干个方面，这与一般面向方面编程(AOP)技术中方面概念有所不同。面向方面编程具有以下四个基本概念:方面(aspect)、连接点(joinpoint)、通知(advice)和切点(pointcut)。连接点是应用程序执行过程一个定义明确的位置，如方法调用是一种典型的连接点。切点是一系列连接点的集合，是方面的作用点。通知表述了在切点所选定的连接点处要执行的动作，常见通知类型有before、around和after等，分表代表在连接点之前、连接点附近和连接点之后执行相应的通知代码。方面是用来描述和实现横切关注点的基本单位，由切点和通知构成。方面端口中的方面横切关注的是构件，这与一般AOP(如AspectJ)横切关注的对象(object)不同，由于构件能够表达对象所不能表达的请求服务的能力［9］，这使得方面端口中方面所采用的连接点模型和切点语言具有很大的不同。连接点模型该连接点模型包含两种不同类型的连接点，即构件服务端口中的服务提供操作和请求端口的服务请求操作。由于构件的内部结构通常被视为黑盒，因此连接点模型应该仅考虑构件的外部可见元素，如构件请求端口和服务端口中的服务操作。如果连接点模型包含构件的属性，那么它将会破坏构件的分装性。切点语言用来选用连接点的切点语言基于切点表达式，表1给出了切点的五个组成部分，即component、jp_type、port、interface和service，然后分别对其进行了说明。其中，jp_type代表选用的连接点类型，可以是请求端口中的服务、服务端口中的服务或所有端口中的服务，详细如表1。表2给出了切点语言的一些例子，其中正则表达式基于java．util．regexp包。面向方面软件体系结构模型面向方面软件体系结构由构件、连接件、方面构件组成，详细请参见图6。3基于面向方面软件体系结构模型的网上支付实例近年来，网上购物发展迅速，网上支付是消费者主要的支付手段之一，图7给出了基于面向方面软件体系结构的网上支付模型，它由四个原子构件，即一个复合构件、两个方面构件和三个连接件组成。其中WebClientComponent代表客户端构件，它可以向网上银行构件WebBankComponent请求AccountService()服务，该服务有三个参数，即username、password、cost，分别对应于用户的网上银行账户名、密码及购买商品的消费金额。〈component name="WebClientComponent"〉〈required．port name="WebClientRequest"〉〈java．interface interface="AccountServiceInterface"〉〈service name="AccountService()"〉〈param name="username"type="string"/〉〈param name="password"type="string"/〉〈param name="cost"type="float"/〉〈/service〉〈/java．interface〉〈/required．port〉〈/component〉连接件AccountServiceConnector用于连接客户端构件和网上银行构件，它采用WebServiceBinding绑定机制。〈connector name="AccountServiceConnector"binding="WebServi-ceBinding"/〉〈source name="S"/〉〈target name="T"〉〈/connector〉〈connect．source from="WebClientComponent．WebClientRequest"to="S"/〉〈connect．target from="T"to="WebBankComponent．Bank-Re-sponse"/〉网上银行构件是一个复合构件，由账户服务构件Account-ServiceComponent、账户数据库连接件AccountDBConnector和账户数据库构件AccountDBComponent组装而成。其中该复合构件的服务端口也使用接口AccountServiceInterface，这是为了兼容客户端构件请求端口使用的接口。身份验证构件AuthenticationComponent用于验证用户的身份信息，它通过UserInfoConnector连接件访问用户信息数据库构件UserInfoDBComponent。pointcut="WebBankComponent;BankResponse;AccountServiceInterface;AccountService()"是该方面构件的方面端口中使用切点的表达式。为了保证数据库构件UserInfoDBComponent和AccountDB-Component的安全性，方面构件SecurityComponent使用方面端口Security监视这两个构件的服务端口，使得在这两个构件服务调用之前增加日志和事务功能，而日志和事务功能在系统中通常表现为横切关注点，面向方面软件体系结构能够对它进行很好的封装，便于设计和维护。〈aspect．component name="SecurityComponent"〉〈aspect．port name="Security"〉〈aspect〉〈pointcut="UserInfoDBComponent;UserInfoResponse;*;*|Ac-countDBComponent;AccountDBResponse;*;*"/〉〈advice．role="before"action="Log()"/〉〈advice．role="before"action="Transaction()"/〉〈/aspect〉〈/aspect．port〉〈required．port name="UserInfoRequest"/〉〈/aspect．component〉4结束语本文给出了一种面向方面软件体系结构模型，详细设计了它的三个基本构成单元模型，即构件、连接件和方面构件;最后通过一个网上支付实例验证了该模型有效性和实用性，为面向方面软件体系结构的实际应用奠定了一定的基础。笔者将继续完善该模型的相关理论，研究面向方面软件体系结构的工程化应用方法。参考文献:［1］FABRESSE L，DONY C，HUCHARD M．Foundations of a simpleand unified component-oriented language［J］．Journal of ComputerLanguages，Systems＆Structures，2008，34(2-3):130-149．［2］LIEBERHERR K，LORENZ D，MEZINI M．Programming with as-pectual components，T R NU-CSS-99-01［R］．［S．l．］:NoutheastamUniversity，1999．［3］PAWLAK R，SERNTURIER L，DUCHIEN L D，et al．JAC:an as-pect-based distributed dynamic framework［J］．Software Practiceand Experiences，2004，34(12):1119-1148．［4］李千目．软件体系结构设计［M］．北京:清华大学出版社，2008．［5］马亮，孙春艳．软件构件概念的变迁［J］．计算机科学，2002，29(4):28-30．［6］SZYPERSKI C，GRUNTZ D，MURER S．Component software:be-yond object-oriented programming［M］．2nd ed．［S．l．］:Addison-Wesley，2002．［7］LAU K K，WANG Z．Software component models［J］．IEEE TransSoft Eng，2007，33(10):709-724．［8］SHAW M．Procedure calls are the assembly language of software 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