吳 剛，薛錦云

(江西師范大學(xué)計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330022)

0 引言

我國(guó)軟件服務(wù)外包正在迅猛發(fā)展，根據(jù)TPI數(shù)據(jù)顯示，截至2010年底，我國(guó)承接軟件外包的合同金額和執(zhí)行金額分別達(dá)到274億美元和198億美元，分別實(shí)現(xiàn)了37%和43.1%的增長(zhǎng)率［1］。但由于各種各樣的原因，軟件外包中依然存在著開(kāi)發(fā)效率低和可靠性不高的問(wèn)題。

在國(guó)內(nèi)，一些比較知名的軟件外包企業(yè)如東軟集團(tuán)、中軟國(guó)際，為了提高軟件開(kāi)發(fā)效率，都在積極研發(fā)各自的業(yè)務(wù)基礎(chǔ)平臺(tái)，業(yè)務(wù)基礎(chǔ)平臺(tái)封裝了瑣碎的技術(shù)細(xì)節(jié)，提供了預(yù)設(shè)好的行業(yè)套件及業(yè)務(wù)組件，如ERP、OA、電子政務(wù)等，通過(guò)對(duì)這些套件及組件的重用和組裝，可以在業(yè)務(wù)基礎(chǔ)平臺(tái)上快速靈活地搭建出復(fù)雜的應(yīng)用軟件系統(tǒng)［2-3］。業(yè)務(wù)基礎(chǔ)平臺(tái)有其局限性，只有所構(gòu)建的系統(tǒng)中包含行業(yè)套件或業(yè)務(wù)組件，才能提高軟件開(kāi)發(fā)效率。軟件可靠性與所使用的套件或組件及平臺(tái)的可靠性有關(guān)。由美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研制的Alice，可以自動(dòng)生成程序，但是只能生成動(dòng)畫(huà)電影或簡(jiǎn)單的視頻游戲，目前只用于教學(xué)［4-5］。由ARTech公司開(kāi)發(fā)的GeneXus，是一個(gè)智能化的、支持多平臺(tái)應(yīng)用的模型驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)工具。據(jù)介紹，GeneXus可以自動(dòng)化地進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、維護(hù)，提高了軟件開(kāi)發(fā)效率，降低開(kāi)發(fā)、維護(hù)成本［6］。

許多計(jì)算機(jī)科學(xué)家為了提高軟件開(kāi)發(fā)效率和可靠性，一直以來(lái)都致力于代碼自動(dòng)生成方面的研究［7］。由薛錦云教授提出的PAR方法及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)的高可靠軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)PAR平臺(tái)［8-9］，利用代碼生成技術(shù)可以大大加速軟件的開(kāi)發(fā)進(jìn)度，提高軟件的質(zhì)量。本文選取典型軟件外包案例，將PAR方法和PAR平臺(tái)應(yīng)用到該案例開(kāi)發(fā)過(guò)程中，主要用到需求分析、詳細(xì)設(shè)計(jì)、編碼和測(cè)試中，以提高軟件外包開(kāi)發(fā)效率和可靠性。

1 PAR方法和PAR平臺(tái)介紹

PAR方法和PAR平臺(tái)二者合稱(chēng)PAR，主要由4個(gè)部分組成:PAR方法的算法描述語(yǔ)言Radl［10］;PAR方法的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言Apla［11］;統(tǒng)一的算法設(shè)計(jì)和證明方法;系列自動(dòng)程序轉(zhuǎn)換工具，即PAR平臺(tái)。PAR方法是通過(guò)對(duì)現(xiàn)存算法程序設(shè)計(jì)方法局限性和尋找問(wèn)題求解序列遞推關(guān)系的深入研究，進(jìn)而提出的一種統(tǒng)一的算法程序設(shè)計(jì)和證明方法。圖1是使用PAR進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)的過(guò)程。Radl語(yǔ)言是為實(shí)現(xiàn)算法程序形式化和半自動(dòng)化開(kāi)發(fā)的PAR方法而定義的一種基于遞推關(guān)系的算法設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它是PAR方法的重要組成部分。它主要功能是描述問(wèn)題的規(guī)約、規(guī)約變換規(guī)則和描述算法以及描述功能需求。Apla是為算法程序形式化開(kāi)發(fā)的PAR方法而定義的一種抽象程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，充分體現(xiàn)功能抽象、數(shù)據(jù)抽象等現(xiàn)代程序設(shè)計(jì)思想，使之簡(jiǎn)單實(shí)用，便于程序開(kāi)發(fā)，使得構(gòu)成的程序易于閱讀、理解和驗(yàn)證，它可以用來(lái)描述軟件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，且易于被轉(zhuǎn)換成各種可執(zhí)行的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言程序。在此基礎(chǔ)上研制了綜合性軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，即PAR 平臺(tái)［12］。

圖1 PAR軟件開(kāi)發(fā)流程

2 案例選取及介紹

案例:公交運(yùn)營(yíng)調(diào)度系統(tǒng)。

該系統(tǒng)選自中軟國(guó)際實(shí)訓(xùn)系列叢書(shū)［13］，該叢書(shū)都是按照軟件企業(yè)工作要求完成軟件開(kāi)發(fā)和軟件測(cè)試的訓(xùn)練，培養(yǎng)符合企業(yè)要求的人才，提高就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。中軟國(guó)際是中國(guó)大型綜合性軟件與信息服務(wù)企業(yè)，在軟件外包方面有著杰出的貢獻(xiàn)和成績(jī)。

該案例選取的意義在于將PAR平臺(tái)首次應(yīng)用到軟件外包活動(dòng)中去，在需求分析、詳細(xì)設(shè)計(jì)、編碼及測(cè)試階段充分發(fā)揮PAR平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，來(lái)提高軟件外包的開(kāi)發(fā)效率和可靠性，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。該系統(tǒng)的主要功能有實(shí)時(shí)監(jiān)控、動(dòng)態(tài)調(diào)度以及乘車(chē)查詢(xún)。實(shí)時(shí)監(jiān)控功能是對(duì)運(yùn)行中的各條線(xiàn)路的公交車(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，監(jiān)控的范圍包括車(chē)速、客流以及故障和事故;動(dòng)態(tài)調(diào)度則利用實(shí)時(shí)監(jiān)控的結(jié)果，在發(fā)現(xiàn)道路擁堵、客流量過(guò)大或者車(chē)輛出現(xiàn)故障事故時(shí)，提示公交調(diào)度管理員及時(shí)調(diào)度車(chē)輛，保證公交運(yùn)力的及時(shí)調(diào)整;乘車(chē)查詢(xún)主要幫助乘客選擇乘車(chē)線(xiàn)路。

3 案例設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3.1 需求分析階段的應(yīng)用

在軟件外包活動(dòng)中，項(xiàng)目立項(xiàng)之后就開(kāi)始進(jìn)入需求分析階段，在做功能需求分析的時(shí)候，最常用的就是用圖表方式如:UML活動(dòng)圖和狀態(tài)圖等。這種圖表方式有一定的優(yōu)點(diǎn)，如簡(jiǎn)單、直觀(guān)以及很容易理解，但也有明顯不足，就是不能保證完全正確。然而用數(shù)學(xué)規(guī)約的方式就可以彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，這種方法是建立在數(shù)學(xué)概念基礎(chǔ)上的，例如謂詞邏輯、狀態(tài)機(jī)以及集合等，用這種形式化規(guī)約來(lái)描述需求是很精確清晰的。

用PAR平臺(tái)來(lái)做需求分析就是使用數(shù)學(xué)規(guī)約的方式，使用的規(guī)約語(yǔ)言是Radl語(yǔ)言。

首先要先深入了解Radl語(yǔ)言，用Radl語(yǔ)言主要是描述功能需求，其格式如下:

共分為5個(gè)部分:USER是指這個(gè)功能的使用者是誰(shuí)，這個(gè)使用者可以是某個(gè)人，也可以是某物，甚至是一個(gè)系統(tǒng)或一段程序;第二行就要說(shuō)明所用到的標(biāo)識(shí)符，主要說(shuō)明FQ和FR中出現(xiàn)的變量和函數(shù)的屬性及類(lèi)型，其中屬性有3種:(1)輸入變量，用關(guān)鍵字in標(biāo)識(shí);(2)輸出變量，用關(guān)鍵字out標(biāo)識(shí);(3)輔助變量，用關(guān)鍵字aux標(biāo)識(shí)，類(lèi)型可以是Radl語(yǔ)言中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類(lèi)型(integer，real，boolean，char，string)、自定義簡(jiǎn)單類(lèi)型(記錄類(lèi)型、數(shù)組類(lèi)型、枚舉類(lèi)型、子界類(lèi)型和結(jié)果集類(lèi)型)、預(yù)定義ADT類(lèi)型(集合類(lèi)型、序列類(lèi)型、樹(shù)類(lèi)型、圖類(lèi)型、數(shù)據(jù)庫(kù)表類(lèi)型)和自定義ADT類(lèi)型;第三行FQ，可以解釋為此功能點(diǎn)的前置斷言，用于表示使用者輸入?yún)?shù)必須滿(mǎn)足的條件;第四行FR是此功能點(diǎn)的后置斷言，用于表示使用者所要獲得的功能目標(biāo);最后一行就是對(duì)整個(gè)功能點(diǎn)做文字性的說(shuō)明，更有利于對(duì)此功能點(diǎn)進(jìn)行檢查和維護(hù)。以乘車(chē)查詢(xún)?yōu)槔?

說(shuō)明:對(duì)公交線(xiàn)路的查詢(xún)，輸入起始站點(diǎn)和終止站點(diǎn)，可以查詢(xún)可以到達(dá)的線(xiàn)路，當(dāng)brt1.bus_road=brt2.bus_road 時(shí)，是可以直達(dá)的;當(dāng) brt1.bus_road≠brt2.bus_road時(shí)，需要換乘才可以到達(dá)終點(diǎn)。

3.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

在外包軟件活動(dòng)中，詳細(xì)設(shè)計(jì)和編碼都是很重要的步驟，詳細(xì)設(shè)計(jì)的好壞會(huì)直接影響到后續(xù)的編碼工作，因?yàn)橐话銇?lái)講編碼工作是以詳細(xì)設(shè)計(jì)為參考依據(jù)，其正確性和可靠性勢(shì)必會(huì)影響到整個(gè)軟件的質(zhì)量。詳細(xì)設(shè)計(jì)就是對(duì)概要設(shè)計(jì)的一個(gè)細(xì)化，就是詳細(xì)地設(shè)計(jì)每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)算法，所需的局部結(jié)構(gòu)。其主要任務(wù)是設(shè)計(jì)每個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)算法、所需的局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。詳細(xì)設(shè)計(jì)的目標(biāo)有2個(gè):實(shí)現(xiàn)模塊功能的算法要邏輯上正確和算法描述要簡(jiǎn)明易懂。詳細(xì)設(shè)計(jì)的表示工具有圖形工具和語(yǔ)言工具。圖形工具有業(yè)務(wù)流圖、程序流程圖、PAD(Problem Analysis Diagram)圖、NS(由Nassi和Shneidermen開(kāi)發(fā)，簡(jiǎn)稱(chēng)NS)圖。語(yǔ)言工具有偽碼和PDL(Program Design Language)等。

在PAR平臺(tái)下是使用Apla語(yǔ)言進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，Apla語(yǔ)言的主要特色是充分體現(xiàn)功能抽象，數(shù)據(jù)抽象等現(xiàn)代程序設(shè)計(jì)思想，使之簡(jiǎn)單實(shí)用，便于程序開(kāi)發(fā)，使得構(gòu)成的程序易于閱讀理解和驗(yàn)證，且易于被轉(zhuǎn)換成各種可執(zhí)行的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言程序。用它可以描述每個(gè)模塊詳細(xì)的算法設(shè)計(jì)，也可以描述每個(gè)模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，還可以用于數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)等，這些都是詳細(xì)設(shè)計(jì)的基本任務(wù)，Apla語(yǔ)言可以勝任這些任務(wù)。并且還可以驗(yàn)證其正確性，這一點(diǎn)對(duì)程序的可靠性非常重要。下面概述使用Apla語(yǔ)言是怎樣描述詳細(xì)設(shè)計(jì)的。

首先介紹總體結(jié)構(gòu)，包括3部分:設(shè)計(jì)名稱(chēng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(含數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì))以及算法和其它功能設(shè)計(jì)如下:

Apla語(yǔ)言中除包含標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類(lèi)型外，還有自定義簡(jiǎn)單類(lèi)型如記錄類(lèi)型、數(shù)組類(lèi)型等，還有預(yù)定義的抽象數(shù)據(jù)類(lèi)型如集合、表、樹(shù)、圖等，并且還可以自定義抽象數(shù)據(jù)類(lèi)型，可以很好地用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);PAR方法中內(nèi)置關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)機(jī)制，使用關(guān)系代數(shù)符號(hào)描述數(shù)據(jù)庫(kù)操作，用記錄類(lèi)型來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)表設(shè)計(jì);算法的設(shè)計(jì)是PAR方法的強(qiáng)項(xiàng)，不但可以形式化推導(dǎo)出高效算法還可以對(duì)算法進(jìn)行正確性證明［7］。以乘車(chē)查詢(xún)?yōu)槔惴ê推渌δ茉O(shè)計(jì)如下:

這里只給出了乘客乘車(chē)查詢(xún)的功能設(shè)計(jì)，并詳細(xì)給出了從哪個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表中取數(shù)據(jù)，取出數(shù)據(jù)后怎樣操作才能滿(mǎn)足乘客的要求。

3.3 編碼階段的應(yīng)用

一般來(lái)講編碼階段就是程序員依照詳細(xì)設(shè)計(jì)的具體手工實(shí)現(xiàn)，是模塊化的實(shí)現(xiàn)，所以也稱(chēng)實(shí)現(xiàn)階段。而在PAR平臺(tái)中對(duì)詳細(xì)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)是完全自動(dòng)的，即用Apla語(yǔ)言描述的詳細(xì)設(shè)計(jì)可以在PAR平臺(tái)中自動(dòng)轉(zhuǎn)換為可運(yùn)行的具體語(yǔ)言程序，如C++、Java等，所依托的是PAR平臺(tái)中的一系列程序自動(dòng)生成工具。圖2是使用C++生成工具［14］，將乘車(chē)查詢(xún)的Apla描述自動(dòng)生成C++代碼，圖左側(cè)是用Apla語(yǔ)言描述乘車(chē)查詢(xún)?cè)敿?xì)設(shè)計(jì)，圖右側(cè)是自動(dòng)生成的C++程序代碼。

圖2 乘車(chē)查詢(xún)C++代碼自動(dòng)生成

4 應(yīng)用效果

4.1 開(kāi)發(fā)效率提高

PAR平臺(tái)中進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)，Apla語(yǔ)言中含有豐富的抽象數(shù)據(jù)類(lèi)型，如樹(shù)、圖、鏈表和集合等，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有很大的幫助。另外，在對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)功能設(shè)計(jì)時(shí)，直接使用關(guān)系代數(shù)符號(hào)描述操作過(guò)程，例如在案例中要實(shí)現(xiàn)2個(gè)表的連接，并且從連接后的結(jié)果中篩選出想要的字段，用關(guān)系代數(shù)表達(dá)式是這樣實(shí)現(xiàn)的:

用標(biāo)準(zhǔn)SQL語(yǔ)句實(shí)現(xiàn):

比較以上兩者的實(shí)現(xiàn)，可以很直觀(guān)地看出，用關(guān)系代數(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、易寫(xiě)、不容易出錯(cuò)，而SQL語(yǔ)句顯得冗長(zhǎng)，且易出錯(cuò)。目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有哪個(gè)平臺(tái)可以做到這一點(diǎn)，大多數(shù)還是使用嵌入式SQL語(yǔ)句的形式，稍微簡(jiǎn)化一點(diǎn)的就是把數(shù)據(jù)庫(kù)的連接封裝成一個(gè)接口，把某一類(lèi)查詢(xún)問(wèn)題也封裝成一個(gè)接口來(lái)使用，但是還是避免不了編寫(xiě)復(fù)雜的SQL語(yǔ)句。PAR平臺(tái)中這樣做的優(yōu)勢(shì)非常明顯，在平臺(tái)中可以直接使用關(guān)系代數(shù)符號(hào)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的操作，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)SQL語(yǔ)句功能，并且可以轉(zhuǎn)換為嵌入的SQL語(yǔ)句，關(guān)系代數(shù)的優(yōu)勢(shì)是編寫(xiě)簡(jiǎn)單，容易糾錯(cuò)，因此可以提高開(kāi)發(fā)效率。

一般來(lái)講編碼階段就是程序員依照詳細(xì)設(shè)計(jì)的具體手工實(shí)現(xiàn)，是模塊化的實(shí)現(xiàn)，所以也稱(chēng)實(shí)現(xiàn)階段。而在PAR平臺(tái)中對(duì)詳細(xì)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)是完全自動(dòng)的，即用Apla語(yǔ)言描述的詳細(xì)設(shè)計(jì)可以在PAR平臺(tái)中自動(dòng)轉(zhuǎn)換為可運(yùn)行的具體語(yǔ)言程序，如C++、Java等。這所依托的是PAR平臺(tái)中的一系列程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換工具。PAR平臺(tái)中編碼的方式由手工變成了機(jī)械地轉(zhuǎn)換，從而節(jié)省了編碼的強(qiáng)度和編碼的時(shí)間，如果將PAR平臺(tái)應(yīng)用與軟件外包活動(dòng)中，會(huì)大大提高軟件的開(kāi)發(fā)效率，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。這將會(huì)對(duì)軟件服務(wù)外包在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。

4.2 可靠性提高

用Radl語(yǔ)言描述功能點(diǎn)的設(shè)計(jì)，將形式化方法應(yīng)用于需求建模，而不追求完全形式化，以達(dá)到輕量化的目標(biāo)，同時(shí)保證了系統(tǒng)的清晰性、正確性和可靠性，并降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本。依照Radl描述，用Apla語(yǔ)言做詳細(xì)設(shè)計(jì)可以很容易快速地實(shí)現(xiàn)。在Radl描述中給出了要達(dá)到這一功能所需要的標(biāo)識(shí)符、要具備的條件以及所要達(dá)到的目標(biāo)，這些為詳細(xì)設(shè)計(jì)做了很好的鋪墊，并且可以作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)驗(yàn)證詳細(xì)設(shè)計(jì)是否符合用戶(hù)需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文將PAR方法和PAR平臺(tái)應(yīng)用到軟件外包開(kāi)發(fā)過(guò)程中，在需求分析階段應(yīng)用過(guò)程中，用Radl語(yǔ)言描述功能點(diǎn)的設(shè)計(jì)，將形式化方法應(yīng)用于需求建模，而不追求完全形式化，以達(dá)到輕量化的目標(biāo)，同時(shí)保證了系統(tǒng)的清晰性、正確性和可靠性，并降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本。Dianel Jackson說(shuō)過(guò)，比起傳統(tǒng)的形式化方法，部分形式化方法在表達(dá)能力和應(yīng)用領(lǐng)域上都還有差距，但其使用效率更高，效果更顯著。在詳細(xì)設(shè)計(jì)應(yīng)用的過(guò)程中，用Apla語(yǔ)言來(lái)描述詳細(xì)設(shè)計(jì)，Apla語(yǔ)言中包含除簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類(lèi)型外，還包含了許多復(fù)雜的抽象數(shù)據(jù)類(lèi)型，并能自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因此能夠勝任模塊中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì);算法設(shè)計(jì)和其它設(shè)計(jì)的任務(wù)，利用PAR方法可以設(shè)計(jì)出高效高可靠的算法，在PAR平臺(tái)中利用簡(jiǎn)便的關(guān)系代數(shù)符號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)操作，在數(shù)據(jù)庫(kù)處理方面有非常大的優(yōu)勢(shì);在PAR平臺(tái)中基本能完成數(shù)據(jù)庫(kù)表的設(shè)計(jì)，用來(lái)進(jìn)行模塊中數(shù)據(jù)庫(kù)操作功能的設(shè)計(jì)。在編碼方面用的過(guò)程中，PAR平臺(tái)可以將Apla語(yǔ)言描述的詳細(xì)設(shè)計(jì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為可運(yùn)行的語(yǔ)言程序，如C++、Java等。PAR平臺(tái)自動(dòng)轉(zhuǎn)換的特性會(huì)大大增加軟件的開(kāi)發(fā)效率。

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