11软件设计的进化

国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院作业点评作业点评刘鑫刘鑫刘甫刘甫1国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院董威，文艳军，陈振邦董威，文艳军，陈振邦国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院3国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院4遗留系统遗留系统遗留系统是过去开发的计算机系统，通常遗留系统是过去开发的计算机系统，通常使用了目前已经过时或不再使用的技术。使用了目前已经过时或不再使用的技术。这些系统的开发可能在生命周期中一直持这些系统的开发可能在生命周期中一直持续，通过变更来适应新需求、新运行平台续，通过变更来适应新需求、新运行平台等方面的变化。等方面的变化。遗留系统不仅包括硬件和软件，还包括遗遗留系统不仅包括硬件和软件，还包括遗留的业务过程和步骤。对这类系统的一部留的业务过程和步骤。对这类系统的一部分进行变更将不可避免地导致其它组成部分进行变更将不可避免地导致其它组成部分的变更。分的变更。国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院5遗留系统的组成遗留系统的组成支撑软件支撑软件系统硬件系统硬件应用软件应用软件应用数据应用数据业务策略业务策略和规则和规则业务过程业务过程运行运行使用使用运行运行使用使用使用使用包含包含应用知识应用知识国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院6遗留系统的层次模型遗留系统的层次模型业务过程业务过程应用软件应用软件支撑软件支撑软件硬件硬件国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院7国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院8（1）进化策略的分类）进化策略的分类遗留软件的维护和升级将会受到预算、期遗留软件的维护和升级将会受到预算、期限等多种因素的约束，因此开发者需要对限等多种因素的约束，因此开发者需要对遗留软件系统的实际情况进行评价，然后遗留软件系统的实际情况进行评价，然后选择最合适的进化策略：选择最合适的进化策略：完全放弃该软件完全放弃该软件 不改变该软件系统并继续进行常规的维护不改变该软件系统并继续进行常规的维护 对软件系统实施再工程（对软件系统实施再工程（re-engineering）以）以提高可维护性提高可维护性 用新系统替换遗留软件系统的全部或其中一部用新系统替换遗留软件系统的全部或其中一部分分 国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院9（2）进化策略的选择）进化策略的选择选择合适的进化策略需要对遗留软件系统选择合适的进化策略需要对遗留软件系统进行准确的评价。进行准确的评价。在对遗留软件进行评价时，业务需求和技在对遗留软件进行评价时，业务需求和技术这两个方面均要进行考虑。术这两个方面均要进行考虑。国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院10遗留软件系统的评价遗留软件系统的评价业务价值业务价值高业务价值高业务价值低系统质量低系统质量高业务价值高业务价值高系统质量高系统质量低业务价值低业务价值低系统质量低系统质量低业务价值低业务价值高系统质量高系统质量系统质量系统质量国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院11业务价值的评价业务价值的评价为了评价一个系统的业务价值，首先需要为了评价一个系统的业务价值，首先需要明确系统最终用户及其管理者，并从下面明确系统最终用户及其管理者，并从下面四个主要方面对系统进行考察：四个主要方面对系统进行考察：系统的使用系统的使用 系统支持的业务过程系统支持的业务过程 系统的可靠性系统的可靠性 系统的输出系统的输出 国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院12系统质量的评价系统质量的评价从技术角度来评价一个软件系统，需要同从技术角度来评价一个软件系统，需要同时考虑应用软件本身以及软件运行的环境。时考虑应用软件本身以及软件运行的环境。环境包括硬件和所有相关的支撑软件，例环境包括硬件和所有相关的支撑软件，例如对于系统维护所需要的编译器等。如对于系统维护所需要的编译器等。认为环境很重要的原因是，很多软件系统认为环境很重要的原因是，很多软件系统的变更是由于环境变更导致的，例如硬件的变更是由于环境变更导致的，例如硬件或操作系统的升级。或操作系统的升级。如果可能，在环境评价的过程中，应对系如果可能，在环境评价的过程中，应对系统及其维护过程的某些方面进行度量。统及其维护过程的某些方面进行度量。国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院13环境评价考虑的因素环境评价考虑的因素因素因素问题问题厂商稳定性厂商稳定性供应商是否仍然存在？供应商经济上是否稳定并可能会继续存在？如果供应商是否仍然存在？供应商经济上是否稳定并可能会继续存在？如果供应商不再存在，是否有其他人来维护系统？供应商不再存在，是否有其他人来维护系统？失效率失效率硬件是否有较高的失效率？支撑软件是否会崩溃并迫使系统重启？硬件是否有较高的失效率？支撑软件是否会崩溃并迫使系统重启？已使用时间已使用时间硬件和软件已经使用多久？硬件和支撑软件使用越久，就会越陈旧，尽硬件和软件已经使用多久？硬件和支撑软件使用越久，就会越陈旧，尽管可能仍正常运转，但这时迁移到现代系统中有可能带来更显著的管可能仍正常运转，但这时迁移到现代系统中有可能带来更显著的经济和商业利益。经济和商业利益。性能性能系统的性能是否足够？性能问题是否对系统使用者有明显的影响？系统的性能是否足够？性能问题是否对系统使用者有明显的影响？保障需求保障需求硬件和软件需要哪些本地保障？如果保障的成本较高，就值得考虑对现硬件和软件需要哪些本地保障？如果保障的成本较高，就值得考虑对现有系统进行替换。有系统进行替换。维护成本维护成本硬件维护和支撑软件许可证的成本如何？与现代系统相比，陈旧的硬件硬件维护和支撑软件许可证的成本如何？与现代系统相比，陈旧的硬件可能有较高的维护成本。支撑软件每年的许可证收费也可能较高。可能有较高的维护成本。支撑软件每年的许可证收费也可能较高。互操作性互操作性该系统与其它系统的接口如何？例如，编译器能否在当前版本的操作系该系统与其它系统的接口如何？例如，编译器能否在当前版本的操作系统中使用？是否需要硬件模拟器？统中使用？是否需要硬件模拟器？国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院14技术评价考虑的因素技术评价考虑的因素因素因素问题问题可理解性可理解性理解当前软件源代码的困难程度如何？其使用的控制结构有多复杂？变理解当前软件源代码的困难程度如何？其使用的控制结构有多复杂？变量是否具有能反映其使用的、有意义的命名？量是否具有能反映其使用的、有意义的命名？文档文档有哪些软件文档可用？文档是否完整、一致、有效？有哪些软件文档可用？文档是否完整、一致、有效？数据数据软件系统是否有数据模型？数据在文件间复制的程度有多大？系统使用软件系统是否有数据模型？数据在文件间复制的程度有多大？系统使用的数据是否是最新和一致的？的数据是否是最新和一致的？性能性能软件系统的性能是否足够？性能问题是否对用户有显著影响？软件系统的性能是否足够？性能问题是否对用户有显著影响？程序设计语言程序设计语言用来开发软件的程序语言是否有可用的现代编译器？该程序语言是否还用来开发软件的程序语言是否有可用的现代编译器？该程序语言是否还在新软件的开发中使用？在新软件的开发中使用？配置管理配置管理软件所有部分的所有版本是否由一个配置管理系统进行管理？当前软件软件所有部分的所有版本是否由一个配置管理系统进行管理？当前软件系统中使用的组件版本是否有清楚的描述？系统中使用的组件版本是否有清楚的描述？测试数据测试数据是否存在系统测试数据？在往系统中加入新特征后，是否实施了回归测是否存在系统测试数据？在往系统中加入新特征后，是否实施了回归测试，并进行相应的记录？试，并进行相应的记录？人员技术能力人员技术能力是否有人具有维护该系统的技术？是否只有有限数目的人员理解该系统？是否有人具有维护该系统的技术？是否只有有限数目的人员理解该系统？国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院15国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院16再工程的概念再工程的概念软件系统的进化过程包括对必须改进的程软件系统的进化过程包括对必须改进的程序进行理解，然后实现相应的改进。序进行理解，然后实现相应的改进。但是，对于许多存在已久的遗留系统，这但是，对于许多存在已久的遗留系统，这些系统已经难以理解和更改。些系统已经难以理解和更改。对这些遗留软件进行维护的成本甚至会超对这些遗留软件进行维护的成本甚至会超过用户所能容忍的程度。过用户所能容忍的程度。这样，就需要通过再工程来对软件系统进这样，就需要通过再工程来对软件系统进行重建，改进其功能和性能以满足用户的行重建，改进其功能和性能以满足用户的最新需要，并提高整个系统的可靠性和可最新需要，并提高整个系统的可靠性和可维护性。维护性。国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院17再工程的优点再工程的优点减少风险。对关键软件完全进行重新开发减少风险。对关键软件完全进行重新开发具有很高的风险。新开发的软件系统未在具有很高的风险。新开发的软件系统未在实践中充分应用，可能在开发过程中存在实践中充分应用，可能在开发过程中存在的某些问题还未暴露出来。而新系统开发的某些问题还未暴露出来。而新系统开发如果延迟完成，将会造成极大的损失。如果延迟完成，将会造成极大的损失。减少成本。根据以往的实践经验和统计，减少成本。根据以往的实践经验和统计，再工程的成本要明显比开发一个全新的软再工程的成本要明显比开发一个全新的软件低。件低。国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院18正向工程和再工程正向工程和再工程系统规格说明系统规格说明设计和实现设计和实现新系统新系统正向工程正向工程现有软件系统现有软件系统理解和转换理解和转换再工程后的系再工程后的系统统再再 工工 程程国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院19（1）业务过程重构）业务过程重构对于遗留系统，其支持的业务过程可能已对于遗留系统，其支持的业务过程可能已经发生了变化，因此在实施软件再工程之经发生了变化，因此在实施软件再工程之前，应该对变化的业务过程进行重构。前，应该对变化的业务过程进行重构。业务过程重构主要包括定义业务目标、标业务过程重构主要包括定义业务目标、标识并评估现有的业务过程、以及创建修订识并评估现有的业务过程、以及创建修订后能更好满足目标的业务过程。后能更好满足目标的业务过程。国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院20业务过程重构模型业务过程重构模型求精和实例化求精和实例化过程标识过程标识过程评估过程评估过程规约和过程规约和设计设计原型实现原型实现业务定义业务定义国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院21（2）软件再工程的过程模型）软件再工程的过程模型软件清单分析软件清单分析文档重构文档重构逆向工程逆向工程代码重构代码重构数据重构数据重构正向工程正向工程设计重构设计重构国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院22（3）软件再工程的经济因素）软件再工程的经济因素由于成本原因，软件再工程并不一定是用由于成本原因，软件再工程并不一定是用户的最终选择，用户可能希望能从成本户的最终选择，用户可能希望能从成本-收收益来判定是否实施再工程。益来判定是否实施再工程。而在面对多个遗留软件时，也可以通过成而在面对多个遗留软件时，也可以通过成本本-收益分析结果来确定哪个系统的重构优收益分析结果来确定哪个系统的重构优先级最高。先级最高。国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院23软件再工程的成本收益模型软件再工程的成本收益模型P1：软件当前的年度维护成本：软件当前的年度维护成本P2：软件当前的年度运作成本：软件当前的年度运作成本P3：软件当前的年度业务价值：软件当前的年度业务价值P4：实施再工程后预期的年度维护成本：实施再工程后预期的年度维护成本P5：实施再工程后预期的年度运作成本：实施再工程后预期的年度运作成本P6：实施再工程后预期的年度业务价值：实施再工程后预期的年度业务价值P7：估计的再工程成本：估计的再工程成本P8：估计的再工程所需时间：估计的再工程所需时间P9：再工程风险因子：再工程风险因子L：期望的系统生存年数：期望的系统生存年数国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院24软件再工程的成本收益模型软件再工程的成本收益模型如果继续进行维护（不实施再工程），该如果继续进行维护（不实施再工程），该应用软件的后续维护成本为：应用软件的后续维护成本为：Cmaint=P3-(P1+P2)L而再工程的相关成本定义为：而再工程的相关成本定义为：Creeng=P6-(P4+P5)(L-P8)-(P7 P9)于是，再工程的整体收益为：于是，再工程的整体收益为：成本收益成本收益=Creeng-Cmaint国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院25（4）信息恢复的级别和方法）信息恢复的级别和方法软件的逆向工程就是分析已有的程序，寻求比源软件的逆向工程就是分析已有的程序，寻求比源代码更高层次的抽象表现形式。代码更高层次的抽象表现形式。一般认为，凡是在软件生命周期内，将软件某种一般认为，凡是在软件生命周期内，将软件某种形式的描述转换成更为抽象形式的活动都属于逆形式的描述转换成更为抽象形式的活动都属于逆向工程的一部分。向工程的一部分。逆向工程导出的信息可分为如下逆向工程导出的信息可分为如下4个抽象层次：个抽象层次：(1)实现级，包括程序的抽象语法树、符号表等信息；实现级，包括程序的抽象语法树、符号表等信息；(2)结构级，包括反映程序各部分之间相互依赖关系的信息，例结构级，包括反映程序各部分之间相互依赖关系的信息，例如调用图、结构图等；如调用图、结构图等；(3)功能级，包括反映程序段功能及程序段之间关系的信息；功能级，包括反映程序段功能及程序段之间关系的信息；(4)领域级，包括反映程序组成部分或程序诸实体与应用领域概领域级，包括反映程序组成部分或程序诸实体与应用领域概念之间对应关系的信息。念之间对应关系的信息。国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院26恢复信息的方法恢复信息的方法用户指导下的搜索与变换用户指导下的搜索与变换 变换式方法变换式方法 基于领域知识的方法基于领域知识的方法 模版识别法模版识别法 国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院27国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院28（1）软件体系结构进化的过程）软件体系结构进化的过程国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院29（2）软件体系结构的恢复）软件体系结构的恢复国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院30抽取体系结构描述抽取体系结构描述从软件和源代码中抽取体系结构描述非常从软件和源代码中抽取体系结构描述非常关键，这时从软件的各个方面综合提取，关键，这时从软件的各个方面综合提取，包括软件的静态元素和动态元素：包括软件的静态元素和动态元素：静态元素包括模块之间的调用关系、依赖关系、类静态元素包括模块之间的调用关系、依赖关系、类之间的继承关系和继承的层次、包之间的导入关系、之间的继承关系和继承的层次、包之间的导入关系、软件编译时构件间的依赖关系，等等；软件编译时构件间的依赖关系，等等；动态元素包括进程间的通信过程、运行时模块间的动态元素包括进程间的通信过程、运行时模块间的调用过程、对业务的执行过程、对输入和相关事件调用过程、对业务的执行过程、对输入和相关事件的响应过程，等等。的响应过程，等等。对抽取出的各种元素进行综合后，形成软对抽取出的各种元素进行综合后，形成软件的体系结构描述。件的体系结构描述。国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院31体系结构综合过程体系结构综合过程软件体系结构软件体系结构国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院32（3）软件体系结构的改善）软件体系结构的改善软件体系结构的恢复只是把遗留软件的体软件体系结构的恢复只是把遗留软件的体系结构设计信息重新提取和组织，而软件系结构设计信息重新提取和组织，而软件进化的目标是使遗留软件适应新的需求和进化的目标是使遗留软件适应新的需求和环境，因此下一步就需要对软件体系结构环境，因此下一步就需要对软件体系结构进行改善。进行改善。改善需要以恢复后的体系结构为基础，以改善需要以恢复后的体系结构为基础，以新出现的需求为依据，结合遗留软件系统新出现的需求为依据，结合遗留软件系统之外的可复用构件或模块，对体系结构进之外的可复用构件或模块，对体系结构进行改造。行改造。国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院33集中式遗留系统向分布式系统的进化集中式遗留系统向分布式系统的进化国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院34支持用户界面分布的体系结构进化支持用户界面分布的体系结构进化国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院35国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院36代码和数据重构代码和数据重构在改善软件体系结构之后，还需要通过更在改善软件体系结构之后，还需要通过更加具体的重构活动修改源代码和数据以适加具体的重构活动修改源代码和数据以适应未来的变化。应未来的变化。通常，代码重构和数据重构并不修改整体通常，代码重构和数据重构并不修改整体的软件体系结构，它趋向于关注个体模块的软件体系结构，它趋向于关注个体模块的设计细节以及模块中的局部数据结构定的设计细节以及模块中的局部数据结构定义。义。国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院37代码重构代码重构代码重构的目标是生成具有相同功能、但代码重构的目标是生成具有相同功能、但质量比原来程序更高的代码。质量比原来程序更高的代码。代码重构可以有多种方式，例如：代码重构可以有多种方式，例如：用布尔代数对程序逻辑进行描述，然后应用一用布尔代数对程序逻辑进行描述，然后应用一系列变换规则来重构逻辑，以从混乱、无结构系列变换规则来重构逻辑，以从混乱、无结构的代码导出遵循良好程序设计思想的程序。的代码导出遵循良好程序设计思想的程序。用资源交换图（用资源交换图（resource exchange diagram）映射每个程序模块及其与其他模块之间交互的映射每个程序模块及其与其他模块之间交互的资源（数据类型、过程、变量等），通过创建资源（数据类型、过程、变量等），通过创建资源流的表示，程序结构可以被重构以达到模资源流的表示，程序结构可以被重构以达到模块间的最小耦合，提高软件质量和可维护性。块间的最小耦合，提高软件质量和可维护性。国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院38数据重构数据重构需要对所有包含数据定义、文件描述、需要对所有包含数据定义、文件描述、I/O和接口和接口描述的程序语句进行分析，抽取数据项和对象，描述的程序语句进行分析，抽取数据项和对象，获取关键数据流的信息，理解现有的数据结构实获取关键数据流的信息，理解现有的数据结构实现。现。进行数据重设计，要澄清数据定义，使现存数据进行数据重设计，要澄清数据定义，使现存数据结构或文件格式中的数据项或物理记录格式之间结构或文件格式中的数据项或物理记录格式之间保持一致，并保证所有数据命名遵从约定的标准保持一致，并保证所有数据命名遵从约定的标准以及删除程序流程中的别名。以及删除程序流程中的别名。数据重构有可能包括从一种文件格式到另一种文数据重构有可能包括从一种文件格式到另一种文件格式的转换，或从一种类型数据库到另一种类件格式的转换，或从一种类型数据库到另一种类型数据库的转换。型数据库的转换。国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院39国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院40软件移植的概念软件移植的概念软件移植（软件移植（Migration）也可以看作是软件进化和）也可以看作是软件进化和再工程的一种形式，是应用软件的运行从一种操再工程的一种形式，是应用软件的运行从一种操作环境迁移到另外一种操作环境的过程，例如操作环境迁移到另外一种操作环境的过程，例如操作系统、特定硬件平台、数据库系统等发生变化。作系统、特定硬件平台、数据库系统等发生变化。一般情况下，软件移植应该是迁移到相对更加适一般情况下，软件移植应该是迁移到相对更加适合或更加先进的环境中，该过程面临着较大的技合或更加先进的环境中，该过程面临着较大的技术变更。术变更。软件移植大部分情况下都要对应用软件与运行环软件移植大部分情况下都要对应用软件与运行环境的接口相关部分进行修改，不论是嵌入式软件境的接口相关部分进行修改，不论是嵌入式软件还是一般信息管理软件，因此良好的接口定义能还是一般信息管理软件，因此良好的接口定义能够促使软件移植更加顺利。够促使软件移植更加顺利。国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院41移植需要考虑的问题移植需要考虑的问题移植过程中最可能出现的主要问题有哪些？移植过程中最可能出现的主要问题有哪些？客户的要求以及优先级是什么？客户的要求以及优先级是什么？用户接口是否需要与以前保持一致，包括输入用户接口是否需要与以前保持一致，包括输入/输输出、报告、文件等与用户日常使用相关的内容？出、报告、文件等与用户日常使用相关的内容？资金和资源具有哪些约束？资金和资源具有哪些约束？哪些因素可能会对满足客户目标产生影响？哪些因素可能会对满足客户目标产生影响？是否需要支持遗留系统和新系统的重叠使用？如是否需要支持遗留系统和新系统的重叠使用？如果是，需要多久？果是，需要多久？目标系统的数据库是否与遗留系统一致？目标系统的数据库是否与遗留系统一致？是否需要软件工具来执行遗留数据库的转换？是否需要软件工具来执行遗留数据库的转换？新系统要支持哪些与遗留系统具有接口的外部系新系统要支持哪些与遗留系统具有接口的外部系统？等等统？等等国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院42移植需要综合考虑的内容移植需要综合考虑的内容编程语言编程语言 用户界面用户界面 平台和体系结构平台和体系结构 数据库数据库 国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院43数据库优先的信息系统移植数据库优先的信息系统移植国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院44数据库转换数据库转换数据库转换可以分为物理转换（数据库转换可以分为物理转换（D1）和概）和概念转换（念转换（D2）：）：物理转换：把遗留数据库的设施直接转换为目标数物理转换：把遗留数据库的设施直接转换为目标数据库中最接近的设施。这种方式最节省成本，但可据库中最接近的设施。这种方式最节省成本，但可能导致较低的质量，不能体现出新系统的价值。能导致较低的质量，不能体现出新系统的价值。概念转换：对遗留数据库的精确语义描述进行恢复，概念转换：对遗留数据库的精确语义描述进行恢复，并使用目标数据库的标准方法对结构进行开发。该并使用目标数据库的标准方法对结构进行开发。该方式具有较高质量，但成本较高。方式具有较高质量，但成本较高。国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院45程序转换程序转换对于程序转换，可以分为三种不同层次的对于程序转换，可以分为三种不同层次的转换，即包装（转换，即包装（P1）、语句重写（）、语句重写（P2）和）和逻辑重写（逻辑重写（P3），很明显其成本和移植后），很明显其成本和移植后的系统质量都是递增的：的系统质量都是递增的：包装：对新数据库进行包装以符合遗留软件访问数包装：对新数据库进行包装以符合遗留软件访问数据的逻辑，这使得遗留程序能直接访问新的数据库据的逻辑，这使得遗留程序能直接访问新的数据库系统。系统。语句重写：对数据库访问语句进行重写，使得能够语句重写：对数据库访问语句进行重写，使得能够使用新型数据库的数据访问特征。该方式和包装方使用新型数据库的数据访问特征。该方式和包装方式都不对程序的逻辑进行改变。式都不对程序的逻辑进行改变。逻辑重写：对整个程序进行重写，使其能够充分利逻辑重写：对整个程序进行重写，使其能够充分利用新型数据库的所有强大能力。但该方式需要对程用新型数据库的所有强大能力。但该方式需要对程序逻辑具有深入的理解。序逻辑具有深入的理解。国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院46信息系统移植策略信息系统移植策略国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院47