王 博 ，華慶一，舒新峰

（1.西安郵電大學 計算機學院，陜西 西安 710121；2.西安郵電大學 陜西省網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)智能處理重點實驗室，陜西 西安 710121；3.西北大學 信息科學與技術(shù)學院，陜西 西安 710127）

0 引 言

隨著信息產(chǎn)業(yè)的不斷深入發(fā)展，應(yīng)用軟件需求和開發(fā)環(huán)境變得越來越復雜。傳統(tǒng)軟件開發(fā)方法開發(fā)周期漫長且工作重復較大，為系統(tǒng)演進和維護造成較大困難[1]。與此同時，新軟件開發(fā)方法和思想以及工具，導致軟件工程方法論發(fā)生深刻變化，尤其是以對象管理組織（Object Management Group，OMG）提出的模型驅(qū)動構(gòu)架（Model Driven Architecture，MDA）為代表的方法論。在David S.Frankel 的《應(yīng)用MDA》一書中指出：“把寶貴的時間浪費在‘紙上談兵’上是一種罪惡?！盵2]如果能夠把設(shè)計直接轉(zhuǎn)換成代碼，亦即把設(shè)計和實現(xiàn)對應(yīng)起來，那么無論對于代碼質(zhì)量和效率都會有較高提升。

自動代碼生成，即根據(jù)用戶任務(wù)需求建模而自動生成源代碼的程序或軟件。本文所特指自動代碼生成技術(shù)是在軟件開發(fā)過程中由經(jīng)驗而形成的一種軟件工程技術(shù)，通過自動生成工具或者程序半自動/全自動的生成應(yīng)用系統(tǒng)所用到的原始框架和代碼，一般生成文本形式的源代碼[3]。自動代碼生成主要的優(yōu)點和意義在于：減少重復的編碼工作，生成代碼風格一致良好，系統(tǒng)設(shè)計成為開發(fā)的主導，易于修改和升級，設(shè)計和實現(xiàn)具有連貫性。

本文提出一種采用模型驅(qū)動構(gòu)架的設(shè)計思想，靈活配置的、融合模板和模型驅(qū)動的自動代碼生成方案，稱之為混合自動代碼生成（Hybrid Automatic Code Generation，HACG）。HACG 自動代碼生成方法的創(chuàng)新點如下：

1）HACG 融合基于模板和模型驅(qū)動的代碼生成的優(yōu)點，可以簡單高效地構(gòu)建自動代碼生成引擎；

2）HACG 提出針對不同語言、不同框架的統(tǒng)一的自動代碼生成解決方案；

3）HACG 針對元模型的不同實體關(guān)系模型的自動代碼生成方案和策略；

4）HACG 具有較高的靈活性、通用性、完整性和可擴充的特點；

5）HACG 對自動代碼生成提出一種新的劃分，分為基礎(chǔ)功能容器、全自動代碼生成、代碼框架生成和定制代碼。

1 基于模板和模型的自動代碼生成

當前主要的代碼生成主要有基于模板、基于模型驅(qū)動、基于對象關(guān)系映射、基于文檔注釋和基于代理的自動代碼生成[4]。與HACG 較為相關(guān)的是基于模板和基于模型驅(qū)動的自動代碼生成，下面主要從上述兩種方法展開。

1.1 基于模板的自動代碼生成技術(shù)

基于模板的代碼生成（Template-Based Code Generation，TBCG）起源于 20世紀 90年代中期，模板的重用是基于“編寫一次，生成多次（Write Once，Produce Many）”的理念[3]?；谀０宓拇a生成是利用系統(tǒng)共性的需求（模板）和個性的需求（特定的外部輸入），通過代碼生成引擎來生成系統(tǒng)源代碼的方法?；谀０宓拇a生成較為困難的問題是明確區(qū)分輸入和轉(zhuǎn)化邏輯，亦即將元數(shù)據(jù)和具體業(yè)務(wù)規(guī)則進行分離，通過使用模板引擎技術(shù)，可將業(yè)務(wù)規(guī)則抽象到模板文件中，將元數(shù)據(jù)作為動態(tài)插入數(shù)據(jù)[5]。分層技術(shù)是基于模板的自動代碼生成核心技術(shù)之一。

分層技術(shù)在當前的軟件開發(fā)中被廣泛的使用。在軟件開發(fā)過程當中，把具有不同過程的解決方案放置到不同的概念層，隨后整個層次形成不夠封閉的系統(tǒng)，其中每個層次在級別上具有平等性[6]。 層與層之間通過層接口進行數(shù)據(jù)交互。分層的優(yōu)點在于提高系統(tǒng)的靈活性和可復用性，能夠提高軟件開發(fā)的效率。

定義1（分層結(jié)構(gòu)） 約定n層構(gòu)架的各層編號為1，2，…，n，其中，層的編號越大，則越處于系統(tǒng)的高層。那么分層構(gòu)架應(yīng)該滿足如下規(guī)則：

1）第k層（1＜k≤n）層智能依賴于k-1 層，而不能依賴于其他低層；

2）如果p層依賴于q層，則p的編號大于q。

該原則保證層依賴的單向性，減少和降低系統(tǒng)邏輯的復雜性，使得系統(tǒng)在提高功能和可復用性前提下易于控制。

定義2（分層對象模型） 將基于分層體系的對象模型分成數(shù)據(jù)實體對象、持久層對象和業(yè)務(wù)邏輯層對象，每層的對象可以表示為一個n元組。

1）數(shù)據(jù)實體對象 MO=（mo_id，mo_name，attr_set，op_attr）。其中：mo_id，mo_name 分別對應(yīng)模型實體對象MO 的唯一的標識和名稱；attr_set 代表該實體的屬性集；op_attr 代表對該屬性的操作，一般對應(yīng)該實體的可讀和可寫算子。

2）持久層對象 PO=（po_id，po_name，mo，dll_set）。其中：po_id，po_name 分別對應(yīng)持久層對象PO 的唯一的標識和名稱；mo 為持久層關(guān)聯(lián)的模型層實體對象和實體對象集合；dll_set 為持久層對應(yīng)的操作集合，如添加、刪除、修改、查詢、分頁和排序等操作。

3） 業(yè) 務(wù) 邏 輯 層 對 象 BO=（bo_id，bo_name，mo，bll_set）。其中：bo_id，bo_name 分別對應(yīng)業(yè)務(wù)邏輯層 BO的唯一的標識和名稱；mo 為持久層關(guān)聯(lián)的模型層實體對象和實體對象集合；bll_set 為業(yè)務(wù)邏輯層對應(yīng)的操作集合，如登錄、注冊、審核等業(yè)務(wù)邏輯層的功能。

由于模板文件基于文本易于定制和調(diào)整，結(jié)合成熟的模板語言可使代碼生成過程更具靈活性，故其在中小企業(yè)中應(yīng)用較為廣泛[7]。在自動代碼生成方案中，模板、元數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)規(guī)則三個元素是必要的[8]?；谀０宓拇a生成過程見圖1，圖1a）描述基于模板的自動代碼生成過程，圖1b）說明基于模板的自動代碼生成的各個組成部分。

基于模板的自動代碼生成的過程如下：首先對用戶需求進行分析，進行初步的分析和設(shè)計，在實現(xiàn)階段制定要采用的框架和何種分層結(jié)構(gòu)，根據(jù)功能需求，設(shè)計相應(yīng)的模板文件，并根據(jù)設(shè)計模型或元數(shù)據(jù)模型，使用代碼生成引擎去生成程序的源代碼。對生成的基礎(chǔ)源代碼進行代碼調(diào)整和特定代碼的添加，調(diào)試之后將代碼部署到基礎(chǔ)平臺和框架中。

1.2 基于模型驅(qū)動的自動代碼生成

模型驅(qū)動構(gòu)架的出現(xiàn)使得解決傳統(tǒng)軟件的開發(fā)問題并且以工廠化開發(fā)軟件成為可能。模型驅(qū)動構(gòu)架支持基于可視化模型驅(qū)動的軟件設(shè)計、內(nèi)容存儲與交換，是一種基于模型的軟件開發(fā)構(gòu)架[2]。其最終目標是把針對特定計算平臺的編碼工作交由機器完成，從此將業(yè)務(wù)邏輯與實現(xiàn)技術(shù)結(jié)合，很大程度地提升軟件開發(fā)效率和質(zhì)量，降低開發(fā)成本，延長軟件壽命，并實現(xiàn)工廠化開發(fā)軟件。

圖1 基于模板的代碼生成過程Fig.1 Process of code generation based on template

1.2.1 模型層次結(jié)構(gòu)

模型驅(qū)動構(gòu)架中的模型組織分成四層結(jié)構(gòu)[2]，依次為 M0，M1，M2，M3。M3 是元-元模型，元對象機制（Meta Object Facility，MOF）位于該層。MOF 提供定義 M2層元模型所需要的更抽象一級的建模支持。MOF 是M2層所有元模型的元模型，同時它也是自描述的，即MOF可以描述MOF 元模型本身。在MDA 框架中，M3 層只有MOF 這一個模型，它是MDA 中基礎(chǔ)和核心的標準，為MDA 框架中的所有模型/元模型提供統(tǒng)一的語言基礎(chǔ)，為模型語言（元模型）定義提供公共標準。M2 層為元模型，代表建議MOF 之上的各種模型語言，提供對應(yīng)不同領(lǐng)域的領(lǐng)域建模語言，為M1 層的建模提供建模符號。M1 層為模型層，是建模人員通常面對的模型，即采用模型語言為企業(yè)應(yīng)用建立的模型描述。MDA 的CIM，PIM和PSM 模型都位于該層，M0 層為實例層，是M1 層模型的實例化，對應(yīng)模型的具體應(yīng)用程序，是模型描述的最終目標。MDA 四層元模型體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2.2 MDA 應(yīng)用模型

MDA 應(yīng)用模型包括計算無關(guān)模型（Computation Independent Model，CIM），平臺無關(guān)模型（Platform Independent Model，PIM）和平臺特定模型（Platform Specific Model，PSM）。它們與實例模型中的實現(xiàn)特定模型（Implementation Specific Model，ISM）關(guān)系如圖3所示。

圖2 MDA 四層元模型體系Fig.2 Architecture of meta-model of MDA four tier

圖3 應(yīng)用模型之間的轉(zhuǎn)換Fig.3 Transformation relation among applied models

CIM 計算無關(guān)模型用于描述系統(tǒng)需求、功能、行為和運行環(huán)境，也稱為業(yè)務(wù)模型。PIM 平臺無關(guān)模型是抽出的業(yè)務(wù)邏輯，不包括與實現(xiàn)平臺的技術(shù)相關(guān)的特定信息。PSM 平臺特定模型，從相應(yīng)的PIM 轉(zhuǎn)換而來。 ISM 實現(xiàn)特定模型是PSM 的實例化，包括PSM 用于構(gòu)建一個系統(tǒng)并使之運行的所有信息，如程序代碼、裝載規(guī)格、部署說明以及配置規(guī)范等，是一個可以實際運行的軟件系統(tǒng)[2]。

1.2.3 基于模型驅(qū)動的自動代碼生成過程

基于模型驅(qū)動的自動代碼生成的過程如下：首先根據(jù)用戶的需求編寫PIM，再根據(jù)PIM 和目標平臺編寫轉(zhuǎn)換規(guī)則，MDA 代碼生成引擎根據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則自動將PIM轉(zhuǎn)化成PSM，最后將PSM 轉(zhuǎn)換成代碼[9]。MDA 通過兩次模型轉(zhuǎn)換和代碼生成技術(shù)提高軟件開發(fā)的效率，并使得系統(tǒng)具有較好的可一致性和可復用性。基于模型驅(qū)動的代碼生成過程見圖4。圖4a）是模型驅(qū)動工程（Model Driven Engineering，MDE）的總體說明，圖4b）是源模型到目標模型的模型轉(zhuǎn)換過程，圖4c）描述基于模型驅(qū)動的自動代碼生成過程。

2 混合自動代碼生成HACG

2.1 混合自動代碼生成的基本思想

基于模板的自動代碼生成具有較高的靈活性，定制和開發(fā)較為容易，可提高軟件開發(fā)的可復用度；但也有其缺點，模板化的程序可讀性差，生成的代碼依賴于某種語言和框架，移植性差。在其他類似項目中使用，如果不同框架或語言，需要重新構(gòu)建自動代碼生成引擎。

圖4 基于模型驅(qū)動的代碼生成過程Fig.4 Process of code generation driven by model

MDA 相比于傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方式和基于模板的自動代碼生成方式，具有開發(fā)效率高、可維護性、可擴展性強的特點，系統(tǒng)具有良好的可移植性[10]。MDA 也存在一些缺點：雖然MDA 的目標遠大，但實現(xiàn)MDA 的技術(shù)模糊，基礎(chǔ)規(guī)范MOF 和UML 都存在著語義不精確、語言不可執(zhí)行的問題；PIM 到PSM 的轉(zhuǎn)換同樣也存在不精確的問題。

基于模板的自動代碼生成和基于模型的自動代碼生成兩者各有其優(yōu)點和缺點，前者更注重于時效性，后者更注重于通用性，兩者之間有一道鴻溝?；谀０宓拇a生成可以認為更關(guān)注類似PSM 到代碼的生成，基于模型的自動代碼生成更關(guān)注于模型的轉(zhuǎn)換和平臺無關(guān)模型到平臺相關(guān)模型之間的轉(zhuǎn)化。因此，可以在兩者之間架起一座橋梁，融合現(xiàn)有的基于模板的技術(shù)和基于模型的代碼生成基礎(chǔ)。因此產(chǎn)生本文提出的基于模型驅(qū)動和模板的混合自動代碼生成方法。

前面對兩種自動代碼生成的優(yōu)缺點進行分析，綜合基于模型和模板的自動代碼生成的方式，本文提出一種基于模板和模型的混合自動代碼生成方案。該方法可以根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計模型或者遺產(chǎn)系統(tǒng)，生成不同框架和語言下的軟件系統(tǒng)代碼。該方案從不同的設(shè)計模型開始，如統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language，UML）、概念數(shù)據(jù)模型（Concept Data Model，CDM）和 XML 等設(shè)計模型，將這些設(shè)計模型轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的平臺無關(guān)的設(shè)計模型，通過模型轉(zhuǎn)換變成平臺相關(guān)模型。結(jié)合通過模板編輯器生成的基礎(chǔ)模板、界面模板和擴展模板，通過代碼和引擎生成選定目標語言下的源代碼，最終將生成的源碼部署到不同容器和系統(tǒng)基礎(chǔ)框架中。在模板編輯器中的界面生成器，可以根據(jù)用戶要求，快速可視化地生成視圖層代碼，云代碼倉庫存儲大量的子模板和工具?？捎眯詼y試用來評估反饋生成代碼的優(yōu)劣，對自動代碼生成引擎進行評估，以期發(fā)現(xiàn)代碼生成引擎的缺陷。在框圖中的底端是底層的技術(shù)框架支持，HACG 的代碼生成方案適合于不同的底層框架，如工作流、Web服務(wù)、面向服務(wù)構(gòu)架（Service Oriented Architecture，SOA）等技術(shù)框架?？傮w框圖如圖5所示。

圖5 基于模型和模板融合的自動代碼生成方法Fig.5 Method of automatic code generation based on fusion of model and template

2.2 HACG的分析與設(shè)計

根據(jù)混合自動代碼生成的基本思想，下面給出一種混合自動代碼設(shè)計和實現(xiàn)過程，最后給出采用該方案的自動代碼生成器實現(xiàn)的原型系統(tǒng)。該原型系統(tǒng)的主要功能如下：

1）代碼生成。代碼生成是整個軟件的核心，負責將元數(shù)據(jù)與模板文件結(jié)合進行代碼生成，主要包含代碼生成、模型保存等功能。

2）元數(shù)據(jù)管理。文件模板主要包含對MetaModel、UML 文件、CDM 文件或者其他格式的數(shù)據(jù)的解析和存儲功能。

3）逆向生成。主要功能是將數(shù)據(jù)庫中的表信息映射為元數(shù)據(jù)信息，然后進行代碼生成，包含兩個功能：建立連接以及逆向生成。

4）代碼彈性部署。此功能為將生成的代碼部署到容器和基礎(chǔ)框架中，主要功能有執(zhí)行SQL、部署單表、部署樹形表、部署主表和明細表以及備份原有代碼。

5）模板管理。主要功能是創(chuàng)建或者編輯模板文件。

混合自動代碼生成引擎通過對生成系統(tǒng)中的基本元數(shù)據(jù)進行解析，并結(jié)合特定語言和框架的模板文件，生成框架和平臺相關(guān)的代碼。其中，模板文件是目標代碼的原型，元數(shù)據(jù)的通信和邏輯基本框架都在模板文件中體現(xiàn)。模板文件可通過模板編輯器以及用戶定義規(guī)則來生成平臺相關(guān)模板。系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)圖見圖6。

圖6 HACG 功能結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Function structure diagram of HACG

2.3 HACG引擎和代碼生成

HACG 自動代碼生成和配置部署過程包含任務(wù)分析和需求建模、模板建立、元數(shù)據(jù)創(chuàng)建、代碼生成和彈性部署。首先，用戶在進行詳細的任務(wù)分析和需求建模之后，產(chǎn)生平臺無關(guān)的元模型數(shù)據(jù)，根據(jù)實際項目需要，將該元數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化成平臺相關(guān)的數(shù)據(jù)模型，比如相關(guān)于語言和框架等，然后使用自動代碼生成引擎生成對應(yīng)不同實體關(guān)系模型的基礎(chǔ)源代碼，選擇對生成的源代碼進行部署，可以采用一鍵部署、手工部署和局部部署等方案。如果需要對生成代碼做局部修改，可以進行完善和修改，不過生成代碼已經(jīng)完全可以滿足基礎(chǔ)框架運行的條件。經(jīng)過調(diào)試部署以及配置，即可實施運行。圖7是HACG 自動代碼生成詳細的流程。

代碼生成引擎的工作過程如下：

輸入：靜態(tài)設(shè)計模型半形式化描述；

輸出：系統(tǒng)可部署源碼；

程序：

Begin：

1）初始化代碼生成引擎CodeGenerator、MetaData 讀寫器和模板讀寫器；

2）選擇靜態(tài)設(shè)計視圖半形式化描述模型或遺產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫；使用ModelTransformer 轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一標準的平臺無關(guān)語言MetaModel；

3）將生成的MetaModel 轉(zhuǎn)換成平臺相關(guān)模型SpecificModel；

4）根據(jù)選定的語言和框架讀取相應(yīng)的模板；

5）使用自動代碼生成引擎CodeGenerator 對SpecificModel 實體和模板進行代碼生成，生成的文件包含實體層、持久層、業(yè)務(wù)邏輯層和展示層；

6）根據(jù)選定的關(guān)系數(shù)據(jù)庫類型生成相應(yīng)的SQL 文件；

7）將生成的SQL 文件再進行生成，并根據(jù)用戶需求將生成的代碼彈性部署到基礎(chǔ)框架中。

圖7 HACG 代碼生成流程Fig.7 Flow chart of code generation of HACG

2.4 生成部署配置

將通過代碼生成引擎生成的代碼部署到基礎(chǔ)框架中，這個基礎(chǔ)框架是獨立的、可運行的Web 框架，主要包含必要的基礎(chǔ)功能，如用戶管理、權(quán)限管理、功能管理、數(shù)據(jù)字典等[11]。如圖8所示，配置生成功能所在的上級菜單、名稱、序號和鏈接位置，就可以在后臺系統(tǒng)中通過菜單進行訪問管理。圖8a）是基于JavaFX 胖客戶端CS 結(jié)構(gòu)的HACG 自動代碼生成主界面；圖8b）是基礎(chǔ)功能中的角色權(quán)限管理的功能展示；圖8c）是對生成代碼快速部署之后的配置界面。

3 結(jié) 語

本文對兩種主流自動代碼生成技術(shù)進行分析，綜合基于模板和模型驅(qū)動的代碼生成的優(yōu)點，提出一種融合兩種自動代碼生成技術(shù)的通用的針對不同語言和不同框架的自動代碼生成方法——HACG。從實際使用效果來看（軟件著作權(quán)：基于模型驅(qū)動的彈性自動代碼生成系統(tǒng)（02646104），登記號：2018SR402480），該方法結(jié)構(gòu)清晰，易于構(gòu)建自動代碼生成引擎，提高了代碼的生成率，減少了代碼出錯率，較大地縮短項目開發(fā)工期。

圖8 HACG 代碼生成器主界面及其基礎(chǔ)功能管理界面、功能部署和配置Fig.8 Main interface of the HACG code generator and its basic function management，function deployment and configuration

本文所提供的原型對有效性和生成系統(tǒng)的可用性測試尚不充分，對于特定需求的以用戶為中心的高可用性的界面生成考慮不足，在后續(xù)的研究中將繼續(xù)加強生成系統(tǒng)的評估反饋。自動代碼生成技術(shù)尚在不斷發(fā)展中，隨著人工智能的發(fā)展和對程序邏輯的機器學習能力加強，將能夠自動生成更加復雜安全的系統(tǒng)代碼。