鐘林輝，夏 鯨，彭 云，謝 冰

1(江西師范大學(xué) 計算機(jī)信息工程學(xué)院，南昌 330022) 2(北京大學(xué) 軟件工程研究所，北京 100008)

1 引 言

軟件體系結(jié)構(gòu)作為一類重要的軟件制品，其變化會對軟件的開發(fā)和維護(hù)產(chǎn)生較大的影響[1].通過比較不同版本軟件體系結(jié)構(gòu)的差異性，不僅可以判斷軟件體系結(jié)構(gòu)變化是否與軟件需求一致，而且可以度量、分析和預(yù)測軟件演化的趨勢.然而，目前已有的軟件體系結(jié)構(gòu)變化性度量方法(例如MoJoFM[2]和a2a[3])只考慮經(jīng)過劃分得到的“簇”中軟件實(shí)體的變化，未考慮“簇”之間關(guān)系的變化；而有的方法(例如基于圖核(Graph Kernel)理論的方法[4]，基于圖編輯或者樹編輯距離的軟件差異性比較方法[5，6])雖然考慮了軟件實(shí)體之間的結(jié)構(gòu)特征，但實(shí)際上針對的是面向?qū)ο竽Ｐ突蜍浖w系結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，而非軟件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計.

因此，為了克服目前軟件體系結(jié)構(gòu)變化性度量方法的不足，本文在軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計層次，既考慮構(gòu)件本身的變化，也考慮軟件體系結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上的變化，提出了以軟件體系結(jié)構(gòu)為中心的軟件演化分析框架，以及針對軟件體系結(jié)構(gòu)規(guī)約、基于圖編輯距離的變化性度量方法，并基于上述方法對若干開源軟件體系結(jié)構(gòu)的演化歷史進(jìn)行了度量分析.本文組織安排如下：首先是相關(guān)研究的介紹，隨后是以軟件體系結(jié)構(gòu)為中心的構(gòu)件化軟件演化分析框架，在第4及第5節(jié)分別介紹了軟件體系結(jié)構(gòu)變化性度量具體方案，以及在開源軟件體系結(jié)構(gòu)演化分析上的應(yīng)用；第6節(jié)是工具支持，最后是結(jié)束語.

2 相關(guān)研究

本文相關(guān)研究涉及到跨版本的軟件變化性研究，主要包括變化性建模以及變化性度量.

2.1 變化性建模

變化性建模是采用靜態(tài)或者動態(tài)的方法將不同軟件版本的差異性用邏輯、規(guī)則和契約等形式加以描述.

①采用靜態(tài)方法：文獻(xiàn)[7]提出了用謂詞邏輯和本體表示程序不同版本抽象語法樹的變化.文獻(xiàn)[8]采用符號執(zhí)行和代碼總結(jié)的策略，能自動生成程序的差異性描述文檔.文獻(xiàn)[9]提出了用變化規(guī)則表示不同版本之間結(jié)構(gòu)變化的策略.

②采用動態(tài)方法：文獻(xiàn)[10]提出了變化契約的概念以及推理框架，通過捕獲程序在運(yùn)行時刻方法調(diào)用時進(jìn)入、退出和異常等情況下的數(shù)據(jù)，進(jìn)而歸納出變化契約.另外，國內(nèi)研究者對軟件的變化也進(jìn)行了研究，比較典型的是文獻(xiàn)[29]中提出了一種結(jié)合關(guān)鍵字檢索和啟發(fā)式規(guī)則，實(shí)現(xiàn)多層次演化信息之間追蹤關(guān)系逆向的方法；以及文獻(xiàn)[11]通過對代碼變化進(jìn)行分組和聚類以發(fā)現(xiàn)變化的軌跡模式.

2.2 變化性度量

本文的變化性度量包括面向?qū)ο蟮某绦蚧蚰Ｐ偷淖兓远攘亢蛙浖w系結(jié)構(gòu)的變化性度量：

①面向?qū)ο蟮某绦蚧蚰Ｐ偷淖兓远攘浚豪?，JDiff工具將程序抽象為擴(kuò)展的控制流圖，通過提出的差異性算法比較不同版本在方法上的差異性[6]，UMLDiff工具通過計算不同UML圖之間的編輯距離代價判斷面向?qū)ο竽Ｐ偷牟町愋訹5].文獻(xiàn)[12]通過計算不同軟件版本所包含的類在大小、內(nèi)聚和耦合等屬性上數(shù)值大小變化，判斷面向?qū)ο筌浖难莼€(wěn)定性.不同于計算語法樹或者模型之間的變換來度量變化，在文獻(xiàn)[13，14]中提出的語義差異性操作能識別不同類圖、活動圖等在語義上的差別.在文獻(xiàn)[15-17]中則利用Kolmogorov復(fù)雜性的信息度量概念，計算不同軟件版本的差異性.文獻(xiàn)[30]提出采用層次分析法，試圖構(gòu)建功能模塊、語法和文本等變化同演化率之間的函數(shù)關(guān)系.文獻(xiàn)[18]通過度量面向?qū)ο蟪绦蛟诎?、結(jié)構(gòu)簇、語義簇三個視圖上的差異性，判斷軟件設(shè)計質(zhì)量是否存在偏差.文獻(xiàn)[4]將面向?qū)ο箫L(fēng)格的軟件體系結(jié)構(gòu)表示為標(biāo)簽圖，基于隨機(jī)行走算法獲得的路徑作為軟件體系結(jié)構(gòu)的特征向量并利用圖核理論度量軟件的差異性.

②軟件體系結(jié)構(gòu)的變化性度量：例如文獻(xiàn)[19]基于軟件體系結(jié)構(gòu)視圖復(fù)雜性度量和耦合性度量，分析了軟件變化對軟件體系結(jié)構(gòu)的影響.文獻(xiàn)[31]為了研究構(gòu)件變化所引發(fā)的波動效應(yīng)，提出了利用構(gòu)件組合運(yùn)算度量軟件體系結(jié)構(gòu)可演化性的方法.MoJoFM[2]將軟件劃分為若干簇，通過計算簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的移動和簇的合并操作判斷兩個不同劃分的變化程度.文獻(xiàn)[20]將軟件體系結(jié)構(gòu)演化過程分解為若干原子操作，通過計算原子操作在多個視圖上的質(zhì)量屬性的變化達(dá)到分析軟件演化趨勢的目的.文獻(xiàn)[21]提出了體系結(jié)構(gòu)債務(wù)(architectural debts)的概念，用以定量分析體系結(jié)構(gòu)層次的文件變化同軟件維護(hù)代價之間的關(guān)系.文獻(xiàn)[22]則研究了跨體系結(jié)構(gòu)模塊和體系結(jié)構(gòu)模塊內(nèi)部的協(xié)同變化，對軟件質(zhì)量的不同影響.有的研究采用多種視圖相結(jié)合的方法研究軟件體系結(jié)構(gòu)的變化性度量，例如文獻(xiàn)[3，23]提出了一種多層次軟件體系結(jié)構(gòu)度量方案，其中度量公式cvg反應(yīng)軟件體系結(jié)構(gòu)在構(gòu)件實(shí)現(xiàn)層次的變化，度量公式a2a反應(yīng)軟件體系結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)層次的變化.但是，這些方法建立在MoJoFM度量的基礎(chǔ)上，沒有考慮到節(jié)點(diǎn)之間關(guān)系，而僅僅考慮簇的換名和增加，節(jié)點(diǎn)的換名、增加和移動等5個操作，導(dǎo)致計算結(jié)果不夠準(zhǔn)確.

3 以軟件體系結(jié)構(gòu)為中心的軟件演化分析框架

為了有效地支持構(gòu)件化軟件的開發(fā)和演化，在我們的早期研究中提出了擴(kuò)充構(gòu)件描述語言(xCDL)支持基于構(gòu)件的系統(tǒng)組裝與演化的策略[32]，不僅可以有效的支持基于構(gòu)件的系統(tǒng)構(gòu)造定義，而且可以支持系統(tǒng)的演化以及系統(tǒng)的部署.其中的關(guān)鍵技術(shù)包括擴(kuò)充了CDL以支持對構(gòu)件及軟件體系結(jié)構(gòu)本身的演化的表示和跟蹤，通過基于構(gòu)件的軟件配置管理模型CBSCM[33]，實(shí)現(xiàn)對構(gòu)件化軟件演化數(shù)據(jù)的存儲.基于上述思想和關(guān)鍵技術(shù)，本文進(jìn)一步提出了以軟件體系結(jié)構(gòu)為中心的構(gòu)件化軟件演化分析框架，如圖1所示.

圖1 以SA為中心的軟件演化分析框架Fig.1 Framework of architecture-centric software evolution analysis

整個框架分為3個部分，包括以軟件體系結(jié)構(gòu)為中心的正向工程、以軟件體系結(jié)構(gòu)為中心的逆向工程、以及軟件演化分析過程.其中，以軟件體系結(jié)構(gòu)為中心的正向工程所產(chǎn)生的軟件制品例如每個版本的軟件體系結(jié)構(gòu)描述、軟件體系結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)等均存儲在基于構(gòu)件的軟件配置管理系統(tǒng)中；而以軟件體系結(jié)構(gòu)為中心的逆向工程通過現(xiàn)有的逆向工程工具，對遺留系統(tǒng)的演化歷史進(jìn)行軟件體系結(jié)構(gòu)層次的重建，構(gòu)造出帶版本信息的軟件體系結(jié)構(gòu)描述，并將其存儲在基于構(gòu)件的軟件配置管理系統(tǒng)中.軟件演化分析則通過提取基于構(gòu)件的軟件配置管理系統(tǒng)中存儲的帶版本信息的軟件體系結(jié)構(gòu)描述，度量相鄰版本之間的變化性，并實(shí)現(xiàn)對不同軟件系統(tǒng)的演化變化性進(jìn)行度量.

4 軟件體系結(jié)構(gòu)變化性度量

4.1 軟件體系結(jié)構(gòu)的屬性圖

軟件體系結(jié)構(gòu)可以用多種方法加以描述，例如軟件體系結(jié)構(gòu)描述語言或者圖.為了實(shí)現(xiàn)基于圖的軟件體系結(jié)構(gòu)變化性的度量，本文通過對軟件體系結(jié)構(gòu)描述語言進(jìn)行解析，構(gòu)造出其對應(yīng)的屬性圖，屬性圖中刻畫了軟件體系結(jié)構(gòu)元素之間的關(guān)系，相關(guān)定義如下：

定義1.軟件體系結(jié)構(gòu)屬性圖：G=是一個4元組，其中，V表示節(jié)點(diǎn)集合，E表示邊集合，LV表示節(jié)點(diǎn)的標(biāo)簽映射函數(shù)，LE表示邊的標(biāo)簽映射函數(shù).在軟件體系結(jié)構(gòu)的語境下，節(jié)點(diǎn)集合、邊的集合、節(jié)點(diǎn)的標(biāo)簽函數(shù)及邊的標(biāo)簽函數(shù)定義如下.

定義2.節(jié)點(diǎn)集合V：表示軟件體系結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件(包括復(fù)合構(gòu)件與原子構(gòu)件)、構(gòu)件實(shí)例、每個構(gòu)件對外提供的方法及實(shí)例、對外所需的方法及實(shí)例，以及版本信息例如版本號；其中，方法的實(shí)例是為了區(qū)分具有相同類型的不同構(gòu)件實(shí)例中的方法，例如圖2(b)中的節(jié)點(diǎn)S2是方法Semantize的實(shí)例.

定義3.邊的集合E：表示節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，根據(jù)構(gòu)件、方法、版本之間的關(guān)系，可以區(qū)分為以下幾種關(guān)系：方法之間的連接關(guān)系、方法之間的映射關(guān)系、復(fù)合構(gòu)件和原子構(gòu)件之間的組成關(guān)系，構(gòu)件與版本之間的版本關(guān)系，以及構(gòu)件與其實(shí)例之間的實(shí)例關(guān)系，構(gòu)件和方法之間的對外所需的功能和對外提供的功能.

定義4.節(jié)點(diǎn)的標(biāo)簽函數(shù)LV：LV定義為LV：V→String，即節(jié)點(diǎn)到字符串的映射.字符串可以表示構(gòu)件名稱、方法名稱、版本號等.

定義5.邊的標(biāo)簽函數(shù)LE：將上述邊的類型通過函數(shù)映射到具體的字符串，即：LE：E→{"connectTo"，"mapTo"，"composeOf"，"versionOf"，"instanceOf"，"requires"，"provides"}其中connectTo表示構(gòu)件實(shí)例之間方法的連接關(guān)系，mapTo表示復(fù)合構(gòu)件與成員構(gòu)件之間方法的映射關(guān)系，composeOf表示復(fù)合構(gòu)件與成員構(gòu)件的包含關(guān)系，versionOf表示構(gòu)件與版本的版本關(guān)系，instanceOf表示構(gòu)件與構(gòu)件實(shí)例的實(shí)例關(guān)系，requires和provides表示構(gòu)件與方法需要和提供的關(guān)系.

例如，考慮一個編譯系統(tǒng)的概念結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，相應(yīng)的用xCDL描述的軟件體系結(jié)構(gòu)如下：

component Parser < Version = 1.0 > is

provides：

function Initialize()；

function FileName() return String；

requires：

function Semantize(Tree)；

function Generate(Tree)；

end Parser；

component Semanticizer < Version = 1.2 > is

provides：

function Semantize(Tree)；

function Incremental_Semantize(Context：Tree；

Addition：Tree)；

requires：

function FileName() return String；

end Semanticizer；

component Code_Generator < Version = 1.2 > is

provides：

function Generate(Tree)；

requires：

function Initialize_Parser()；

function Semantize(Context：Tree；Addition：Tree)；

end Code_Generator；

component Complier < Version=2.1>

PreLink：Complier < Version=1.8 >

Reference：

Parser，Semanticizer，Code_Generator；

Instance：

P：Parser < Version = 1.0 >；

S：Semanticizer < Version = 1.2 >；

G：Code_Generator < Version = 1.2 >

Connection：

P.Semantize to S.Semantize；

P.Generate to G.Generate；

S.FileName to P.FileName；

G.Initialize_Parser to P.Initialize；

G.Semantize to S.Incremental_Semantize；

End Complier

其經(jīng)過解析后得到的軟件體系結(jié)構(gòu)屬性圖，如圖2(b)所示.

圖2 例子：編譯系統(tǒng)概念圖及其體系結(jié)構(gòu)的屬性圖表示Fig.2 An example：compiler and its attribute-graph presentation

4.2 基于圖編輯距離的變化性度量

基于上述軟件體系結(jié)構(gòu)屬性圖，本文采用圖編輯距離的方法度量軟件體系結(jié)構(gòu)的變化性.圖的編輯距離指的是使用節(jié)點(diǎn)的替換、增加和剔除操作，以及邊的替換、增加和剔除操作，將圖g1轉(zhuǎn)換為圖g2所需要的最小代價[24,25].存在多種計算圖編輯距離的算法，其中二分圖的編輯距離算法將圖的編輯距離看作是二次分配問題，能有效計算圖的編輯距離[26].

為了使用二分圖編輯距離算法，需要定義節(jié)點(diǎn)和邊關(guān)于插入、刪除及替換操作的編輯代價，同時需要滿足圖編輯距離的三角不等式關(guān)系.在本文軟件體系結(jié)構(gòu)屬性圖中，節(jié)點(diǎn)的標(biāo)簽對應(yīng)的是軟件體系結(jié)構(gòu)描述語言中元素的標(biāo)識符，例如構(gòu)件的名稱、接口的名稱、版本號(以字符串形式表示，例如"2.31")等；邊的標(biāo)簽對應(yīng)的是枚舉類型.因此，節(jié)點(diǎn)之間和邊之間的編輯代價定義如下：

定義6.節(jié)點(diǎn)之間的編輯代價Cij：Cij區(qū)分為替換代價、刪除代價以及插入代價3種.即c(Vi→Vj)=stringEditDistance(LV(Vi)，LV(Vj))；c(Vi→ε)=c(ε→Vi)=strlen(Vi)，其中，LV(Vi)，LV(Vj)分別表示節(jié)點(diǎn)Vi和Vj的標(biāo)簽，即節(jié)點(diǎn)的替換操作代價c(Vi→Vj)為字符串LV(Vi)和LV(Vj)之間的編輯距離.插入操作代價c(ε→Vi)和刪除編輯代價c(Vi→ε)為字符串LV(Vi)的長度.一般，取c(Vi→Vj) =min{(c(Vi→ε) +c(ε→Vj)，c(Vi→Vj)}可以滿足圖編輯距離所需的三角不等式關(guān)系.顯然，在以字符串的編輯距離作為編輯代價的前提下，可以證明c(Vi→Vj) =min{c(Vi→ε))+c(ε→Vj)，c(Vi→Vj)}=c(Vj→Vi).

定義7.邊之間的編輯代價：c(Ei→Ej) =if(LE(Ei)=LE(Ej))：0：1；c(Ei→ε)=c(ε→Ei)=1，即若Ei的標(biāo)簽LE(Ei)與Ej的標(biāo)簽LE(Ej)相同，則替換代價為0，否則為1.邊的插入和刪除操作代價定義為1.顯然邊的編輯代價亦滿足三角不等式關(guān)系.

(1)

圖3 兩個版本的編譯器體系結(jié)構(gòu)(用屬性圖表示)Fig.3 Two compiler versions represented by attribute-graph

k1≤|V(gi-1)|，0

(2)

例如，考慮如下編譯系統(tǒng)的演化歷史如圖3所示.

節(jié)點(diǎn)和邊的編輯代價矩陣分別如下：

考慮邊的關(guān)系，則新的代價矩陣如下，計算可得編輯路徑為：p(1，2，3，7，8，9)={(Complier→Complier)，(C1→C2)，(1.0→1.2)，(ε→2.1) ，(ε→Parser)，(ε→P2) }，對應(yīng)的編輯代價為C*(p(1，2，3，7，8，9))=0+2+1+4+7+5=19.

此時，因此該編譯器變化性度量值為編輯代價19.

5 應(yīng)用：開源軟件體系結(jié)構(gòu)演化分析

5.1 演化度量

為了對開源軟件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行演化分析，本文在軟件體系結(jié)構(gòu)變化性度量EP(S，i)的基礎(chǔ)上定義了2個度量指標(biāo)LEP和EEP，其中：

①LEP衡量軟件系統(tǒng)的近期變化，反映的是系統(tǒng)總的變化.該度量從系統(tǒng)全局的角度來分析，重點(diǎn)關(guān)注最新版本的變化，對每個版本的EP增加權(quán)重函數(shù)2i-maxRank(其中maxRank為參與度量最新版本對應(yīng)的序列號)，統(tǒng)計系統(tǒng)從初始版本生成最新版本所有的版本屬性變化的加權(quán)總和，即系統(tǒng)S從第i個版本到第j個版本的EP加權(quán)求和，定義如公式(3)：

(3)

②EEP主要衡量軟件系統(tǒng)的早期變化，同樣反映的是系統(tǒng)總的變化.該度量從系統(tǒng)全局的角度分析，重點(diǎn)關(guān)注較早版本的變化，對每個版本的EP增加權(quán)重函數(shù)2minRank-i(其中minRank為參與度量早期版本對應(yīng)的序列號)，統(tǒng)計系統(tǒng)從初始版本到最新版本所有的版本屬性變化的加權(quán)總和，即系統(tǒng)S從第i個版本到第j個版本的EP的加權(quán)求和，定義如公式(4)：

(4)

實(shí)驗(yàn)過程下載了4個開源軟件系統(tǒng)的源代碼以及第三方提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[3]作為本文的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，這四個系統(tǒng)分別為cassandra，hbase，hive，openjpa，其中cassandra和hive這兩個系統(tǒng)各使用了8個版本，hbase和openjpa這兩個系統(tǒng)各使用了12個版本，其中版本標(biāo)簽是github中設(shè)定的版本號，編制的版本號是按照提取的開源系統(tǒng)版本重新按序編排(從1開始).實(shí)驗(yàn)中首先計算系統(tǒng)每個版本的EP值，系統(tǒng)的總LEP值/EEP值；同時，為了度量每個系統(tǒng)內(nèi)部的變化過程，分別計算每個系統(tǒng)的前i個版本的LEP值/EEP值，即LEP(1，i)和EEP(1，i).具體計算結(jié)果見表1-表4.

5.2 系統(tǒng)間演化度量分析

表1 cassandra變化數(shù)據(jù)Table 1 cassandra′s change data

表2 hbase變化數(shù)據(jù)Table 2 hbase′s change data

表3 hive變化數(shù)據(jù)Table 3 hive′s change data

表4 openjpa變化數(shù)據(jù)Table 4 openjpa′s change data

根據(jù)表1到表4中的EP值分別畫出了各個系統(tǒng)演化的EP值的折線圖(如圖4)，根據(jù)總LEP/EEP值畫出了各個系統(tǒng)整體LEP/EEP值柱狀圖(如圖5).

圖4 四個開源系統(tǒng)的EP比較Fig.4 Comparison of EP among four open source systems

通過對圖4和圖5的分析，即對4個軟件系統(tǒng)之間的變化進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

圖4中每條折線的第一個點(diǎn)值的大小反應(yīng)了該軟件系統(tǒng)初始版本的體系結(jié)構(gòu)的大小，從圖4可以看出，casscandra，hbase，hive這三個系統(tǒng)的初始版本的體系結(jié)構(gòu)相對來說比較小，其體系結(jié)構(gòu)演化EP值都在10000以內(nèi)，而openjpa的初始版本的體系結(jié)構(gòu)相對來說要大得多，其體系結(jié)構(gòu)演化EP值超過了35000.此外，cassandra中EP值大于第一個版本的EP值的一半的版本有2個，占版本總個數(shù)的25%；對應(yīng)于hbase中有8個，占總個數(shù)的75%；hive中有3個，占總個數(shù)的37.5%；openjpa中有0個，占總個數(shù)的0%.從這個數(shù)據(jù)可以看出，這四個系統(tǒng)中，hbase變化最大，openjpa變化最小，cassandra和hive變化程度比較接近.

按照LEP和 EEP的定義，值越大表示軟件變化越大.從圖5中可以看出，hbase的LEP值最大，表示該系統(tǒng)的近期變化在這四個系統(tǒng)中是最大的；openjpa系統(tǒng)的LEP值最小，EEP值最大，表示該系統(tǒng)的近期變化在這四個系統(tǒng)中是最小的，早期變化是最大的.別外，cassandra和hive這兩個系統(tǒng)的LEP值和EEP值都比較接近，說明這兩個系統(tǒng)的近期和早期變化程度較為接近.

圖5 四個開源系統(tǒng)的LEP/EEP比較Fig.5 Comparison of LEP/EEP among four open source systems

根據(jù)表1到表4中的每個系統(tǒng)的EP值畫出對應(yīng)的EP值折線和趨勢線圖(見圖6).

按照LEP和 EEP的定義，值越大表示軟件變化越大.從圖5中可以看出，hbase的LEP值最大，表示該系統(tǒng)的近期變化在這四個系統(tǒng)中是最大的；openjpa系統(tǒng)的LEP值最小，EEP值最大，表示該系統(tǒng)的近期變化在這四個系統(tǒng)中是最小的，早期變化是最大的.別外，cassandra和hive這兩個系統(tǒng)的LEP值和EEP值都比較接近，說明這兩個系統(tǒng)的近期和早期變化程度較為接近.

根據(jù)表1到表4中的每個系統(tǒng)的EP值畫出對應(yīng)的EP值折線和趨勢線圖(見圖6).

圖6 四個開源軟件的EP折線及趨勢線圖Fig 6 Line and trend chart of four open source system′s EP

對比分析這四個系統(tǒng)的EP值折線和趨勢線，可以得出以下結(jié)論：cassandra，hive，openjpa這三個系統(tǒng)的趨勢線呈下降的趨勢，這說明這三個系統(tǒng)在演化過程中的變化越來越小，從趨勢線下降的程度分析，這三個系統(tǒng)的趨勢線下降的程度依次變大，這說明openjpa的變化最為穩(wěn)定；而hbase這個系統(tǒng)的演化趨勢線呈上升的趨勢，說明該系統(tǒng)在演化的過程中變化程度越來越大.

小結(jié)：通過從EP、LEP及EEP三個方面對以上四個系統(tǒng)之間的演化分析可知，這四個系統(tǒng)中，hbase不僅變化程度是最大的，而且變化在持續(xù)增大；openjpa變化程度是最小的，且是穩(wěn)定變化；cassandra和hive這兩個系統(tǒng)相對于hbase和openjpa，變化程度較為不穩(wěn)定.

5.3 系統(tǒng)內(nèi)部演化度量分析

根據(jù)表1到表4中的前i個版本的LEP值/EEP值，畫出系統(tǒng)各自對應(yīng)的LEP/EEP折線圖(見圖7).

圖7 四個開源軟件前i個版本LEP/EEP折線圖Fig.7 Line chart of the first i versions of four open source system′s LEP/EEP

通過對前i個版本的軟件系統(tǒng)LEP/EEP值的計算，可以分析版本增加對系統(tǒng)早期和近期變化程度的影響.LEP值變大說明近期版本的變化較大，反之；EEP變大說明該系統(tǒng)早期版本變化較大，反之.通過對圖7的分析，可以得出以下結(jié)論：

從圖7(a)可知，cassandra系統(tǒng)的LEP值呈上下波動趨勢，說明該系統(tǒng)的演化處于不穩(wěn)定趨勢，但是LEP(1，4)值和LEP(1，6)的值突然增大，說明系統(tǒng)第4個版本和第6個版本變化較大.cassandra的EEP(1，1)到EEP(1，6)明顯變大，隨后變化不明顯，說明該系統(tǒng)演化到第6個版本的時候早期變化較大，此后早期變化比較穩(wěn)定.

從圖7(b)可知，hbase系統(tǒng)的LEP值呈增長趨勢，說明該系統(tǒng)的變化處于增長的趨勢，但是LEP(1，3)，LEP(1，6)，LEP(1，8)，LEP(1，9)和LEP(1，11)的值突然增大，說明這個系統(tǒng)的第3、6、8、9、11個版本變化較大；hbase的EEP(1，1)到EEP(1，7)值變化明顯變大，特別是EEP(1，3)突然增大，隨后的EEP值變化不明顯，說明該系統(tǒng)演化到第3個版本的時候早期變化很大，從第4個版本到第7個版本的早期變化較大，此后早期變化比較穩(wěn)定.

從圖7(c)可知，hive系統(tǒng)的LEP值呈上下波動趨勢，說明該系統(tǒng)的演化處于不穩(wěn)定狀態(tài).但是LEP(1，2)，LEP(1，5)和LEP(1，7)突然增大，說明該系統(tǒng)的第2、5、7個版本的變化較大；hive的EEP(1，2)突然增大，隨后EEP(1，3)到EEP(1，5)值明顯變大，然后變化不明顯，說明該系統(tǒng)演化到第2個版本的時候早期變化很大，從第3個版本到第5個版本的演化過程中，早期變化較大，隨后早期變化比較穩(wěn)定.

從圖7(d)可知，openjpa系統(tǒng)的LEP值呈下降的趨勢，說明該系統(tǒng)的變化逐漸減少，只是第7個版本上出現(xiàn)較大變化.openjpa的EEP(1，1)到EEP(1，3)變化較為明顯，隨后變化不明顯，說明該系統(tǒng)發(fā)展到第3個版本的時候早期變化較為明顯，隨后早期變化比較穩(wěn)定.

根據(jù)對表1到表4中每個系統(tǒng)EP值的分析，可以得出如下結(jié)論：cassandra的這8個版本一共經(jīng)歷了3個變化減小和2個變化增大的過程；hbase的這12個版本一共經(jīng)歷了5個變化減小和4個變化增大的過程；hive的這8個版本一共經(jīng)歷了3個變化減小和3個變化增大的過程；openjpa的這12個版本一共經(jīng)歷了4個變化減小和4個變化增大的過程.

小結(jié)：通過從EP、LEP和EEP對以上四個開源系統(tǒng)進(jìn)行演化度量可知，這四個系統(tǒng)中，cassandra的演化過程是不穩(wěn)定變化的，在第4和第6個版本時變化大幅度增大；hbase的演化過程是變化持續(xù)增大的，其中在第3和第11個版本時變化大幅度增大；hive的演化過程是不穩(wěn)定變化的，在第2和第7個版本時變化大幅度變大；openjpa的演化過程是穩(wěn)定變化的，除了在第7個版本處有個小幅度的變化增大之外，其他版本的變化程度逐漸變小.

6 工具支持

為了支持構(gòu)件化軟件的演化分析，本文開發(fā)了相應(yīng)的支持工具，包括軟件體系結(jié)構(gòu)規(guī)約重建、xCDL圖的屬性圖表示、編輯距離的計算、變化性度量等主要功能.其中，

①軟件體系結(jié)構(gòu)重建功能主要負(fù)責(zé)從源代碼恢復(fù)用xCDL表示的軟件體系結(jié)構(gòu).這部分功能主要借助現(xiàn)有的軟件體系結(jié)構(gòu)逆向工具例如ACDC[28]方法，或者借助已有的基于ACDC恢復(fù)的數(shù)據(jù).在恢復(fù)時不僅是產(chǎn)生簇(構(gòu)件)，而且借助源程序構(gòu)造體系結(jié)構(gòu)中構(gòu)件之間連接關(guān)系，以及版本信息.

圖8 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 System structure

②xCDL的屬性圖表示：通過解析xCDL或者在逆向生成xCDL時，構(gòu)造軟件體系結(jié)構(gòu)的圖結(jié)構(gòu).

③編輯距離的計算：通過分析屬性圖中的節(jié)點(diǎn)和邊關(guān)系，構(gòu)造節(jié)點(diǎn)的編輯代價矩陣和邊的編輯代價矩陣，利用二分圖匹配算法計算圖之間的編輯距離.

④變化性度量：給定不同系統(tǒng)在軟件演化過程中的一組軟件體系結(jié)構(gòu)規(guī)約，分別計算其相鄰版本的軟件體系結(jié)構(gòu)編輯距離；并基于度量指標(biāo)LEP和EEP比較軟件內(nèi)部或者不同系統(tǒng)之間的變化性.

7 結(jié)束語

對軟件體系結(jié)構(gòu)變化性進(jìn)行度量，能夠幫助軟件開發(fā)人員在較高層次理解軟件不同版本之間的差異性和理解系統(tǒng)內(nèi)部或者系統(tǒng)之間的變化程度.為了克服傳統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)變化性度量方法只考慮軟件實(shí)體元素變化的不足，本文將軟件體系結(jié)構(gòu)映射為屬性圖，通過度量不同圖之間結(jié)構(gòu)上的差異性，達(dá)到實(shí)現(xiàn)軟件體系結(jié)構(gòu)差異性比較的目的.同時，基于上述方法，以4個開源軟件作為實(shí)驗(yàn)對象，從軟件版本變化、軟件最新變化和軟件早期變化等角度分別對4個系統(tǒng)內(nèi)部變化程度，以及系統(tǒng)之間變化的程度進(jìn)行了分析.實(shí)驗(yàn)效果表明，通過以上方法，可以分析開源軟件在軟件體系結(jié)構(gòu)層次上的變化程度及其穩(wěn)定性.

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