陳穎

摘要：針對源代碼中一些非結(jié)構(gòu)化的自然語言描述信息進(jìn)行語義聚類，輔助開發(fā)人員開展程序理解。主要利用自然語言處理技術(shù)對程序中的標(biāo)識符和注釋進(jìn)行預(yù)處理，將程序轉(zhuǎn)換成詞頻矩陣;然后利用潛在語義索引技術(shù)對該詞頻矩陣進(jìn)行層次聚類，并對每個聚類的標(biāo)記進(jìn)行推薦，輔助開發(fā)人員理解程序。在開源項目JEdit上進(jìn)行驗證，結(jié)果顯示對該5萬行規(guī)模的項目代碼進(jìn)行聚類時耗不足1分鐘。因此，該技術(shù)能夠快速對程序進(jìn)行語義聚類，輔助開發(fā)人員快速理解程序。

關(guān)鍵詞：程序理解;語義聚類;潛在語義索引;語義標(biāo)注

DOI：10.11907/rjdk.191119開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP303文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）010-0062-03

0引言

軟件維護(hù)是一個集軟件分析、理解、修改、測試、重新確認(rèn)于一體的過程。軟件分析和軟件理解是維護(hù)過程的第一步，能否準(zhǔn)確、迅速、全面地理解程序是決定維護(hù)任務(wù)成敗的關(guān)鍵。程序理解指運用一定的實施方法了解一個程序的功能及目的。程序理解是軟件工程領(lǐng)域的重要組成部分，據(jù)估計，軟件維護(hù)中高達(dá)60%的時間被用于程序理解?，F(xiàn)有程序理解方法大多關(guān)注程序結(jié)構(gòu)或外部文檔，忽略了對源代碼中一些非形式化語言的研究，這些諸如變量名、程序注釋等自然語言往往隱藏著軟件系統(tǒng)知識信息和領(lǐng)域信息，通過挖掘這些信息，開發(fā)人員能夠?qū)σ粋€陌生的軟件系統(tǒng)功能特征形成初步理解。

程序聚類可將程序源代碼文件聚合成為模塊，從而更好地理解程序設(shè)計，并從源代碼文件中抽取有意義的概念。程序聚類在軟件維護(hù)過程中有眾多應(yīng)用，常用于軟件重新模塊化、軟件分解、軟件演化分析與對象識別等方面。文獻(xiàn)主要關(guān)注并分析了聚類活動中的3個方面，即聚類實體抽象描述選擇、描述實體間耦合度量值及聚類算法，以及軟件重新模塊化識別;文獻(xiàn)[10]提出一種轉(zhuǎn)換框架，能夠?qū)⑶短椎能浖纸廪D(zhuǎn)換成為平面軟件分解，并可在過程中避免信息丟失;文獻(xiàn)[11]在5個大型開源系統(tǒng)上分別使用6種不同的聚類算法進(jìn)行聚類實驗，結(jié)果表明不同聚類算法具有不同特性，目前自動化聚類算法還需大幅提高效率以提供持續(xù)支持;文獻(xiàn)[14]利用聚類技術(shù)針對面向過程的程序代碼進(jìn)行對象識別，輔助程序?qū)ο蠡D(zhuǎn)化。

上述研究主要利用程序聚類實現(xiàn)軟件維護(hù)等應(yīng)用，但是并沒有從程序語義聚類的角度出發(fā)進(jìn)行程序理解。語義聚類可直接用于程序理解。文獻(xiàn)[15]提出將嵌套的軟件分解轉(zhuǎn)換為平面的軟件分解，并且避免了顯著信息丟失，使程序更容易理解;文獻(xiàn)[16]提出使用潛在語義分析軟件聚類的初步結(jié)果，挖掘軟件代碼同文檔中潛在語義信息的關(guān)聯(lián)，基于該語義關(guān)聯(lián)輔助程序理解;文獻(xiàn)[17]提出一種基于功能需求層次的程序聚類方法，通過需求層次識別相關(guān)程序;文獻(xiàn)[18]提出利用模糊形式概念對軟件進(jìn)行分析和聚類，實現(xiàn)通過軟件分解達(dá)到程序理解的目的;文獻(xiàn)[19]提出針對軟件代碼進(jìn)行聚類，并定義概要模板進(jìn)行聚類的概要生成。

以上關(guān)于程序聚類的工作側(cè)重于利用程序聚類對軟件進(jìn)行分解或借助外部文檔信息輔助程序理解。但實際中對于分解的軟件如果沒有明確的語義標(biāo)注，則程序理解難度較大;另一方面，在實際軟件開發(fā)過程中，外部文檔信息經(jīng)常不準(zhǔn)確、不全面，難以產(chǎn)生有意義的效果。

本文主要利用潛在語義分析技術(shù)對代碼進(jìn)行聚類，同時可實現(xiàn)聚類自動標(biāo)記，輔助開發(fā)人員理解程序。本文對程序聚類的研究和解釋不建立在外部文檔的基礎(chǔ)上，而是根據(jù)非形式化的靜態(tài)方法進(jìn)行分析，即使用源代碼內(nèi)部注釋和變量名等文本信息進(jìn)行分析。具體內(nèi)容包括：通過潛在語義索引（Latent Semantic Indexing，LSI）技術(shù)進(jìn)行程序聚類和解釋，運用潛在語義索引中的奇異值分解（SingularValue Decomposition）對term-document降維，并在三維語義空間和四維語義空間進(jìn)行聚類分析，通過層次聚類方法得到的樹狀圖輸出聚類結(jié)果，并對每個聚類的解釋從單詞和短語兩個方面進(jìn)行推薦，輔助開發(fā)人員理解程序。

1基礎(chǔ)知識介紹

潛在語義索引（Latent Semantic Indexing）是基于向量空間模型的一種技術(shù)，表示詞匯在軟件系統(tǒng)中的含義。LSI將文件模型化，并將其排列成一個term-document矩陣。term-document矩陣A是一個稀疏矩陣。該矩陣大小為mxn，其中m是經(jīng)過處理的單詞數(shù)量，n是文件數(shù)量，矩陣的每個元素a_i，j是在文件d_j中詞匯t_i的頻率。該矩陣的幾何解釋是一組文檔向量由術(shù)語度量的向量空間表示。文檔之間的相似性通常被定義為相應(yīng)向量之間的余弦或內(nèi)積。如果其對應(yīng)的向量指向同一個方向，則兩個文件被認(rèn)為是類似的。

LSI以一個源term-document矩陣開始，通過加權(quán)函數(shù)加權(quán)平衡。奇異值分解（Singular Value Decomposition，SVD）用來把向量空間模型轉(zhuǎn)換成更小的維數(shù)。該算法盡可能多地保留文檔向量之間的相關(guān)距離，將term-document矩陣降維成一個維度大幅縮小的矩陣。

當(dāng)矩陣A有k個最大奇異值時，利用奇異值分解把矩陣A分解成其奇異值奇異向量，并且用相似矩陣A代替秩為k的矩陣A。此外，不僅低秩的term-document矩陣A′可以計算，而且term-term矩陣和document-document矩陣也能被計算。因此，LSI允許計算term-document、term-term和document-document的相似性。

在使用LSI技術(shù)過程中，有一些參數(shù)需要設(shè)計，如在一般信息檢索技術(shù)中聚類規(guī)模k通常取值200～500，但本文在分析軟件數(shù)據(jù)時，參照已有工作k的取值為20～50。

2程序聚類與解釋

本文方法主要基于Java語言代碼進(jìn)行分析。首先，分析源代碼信息，包括變量名、方法名以及注釋，再對這些信息進(jìn)行預(yù)處理，從這些信息中提取關(guān)鍵詞，以構(gòu)建需要的term-document矩陣，基于term-document矩陣使用奇異值分解，將term-document降維以提取特征矩陣;其次，通過層次聚類的方法進(jìn)行聚類，得到關(guān)于程序代碼的聚類樹狀圖，再將得到的聚類結(jié)果代人聚類標(biāo)記算法進(jìn)行標(biāo)記推薦，實現(xiàn)聚類語義解釋;最后，對整個軟件系統(tǒng)進(jìn)行聚類標(biāo)記，實現(xiàn)從語義角度理解整個軟件系統(tǒng)。

2.1程序語義聚類

在信息檢索中，為提高檢索準(zhǔn)確率，需要對信息進(jìn)行預(yù)處理，如刪除停用詞、詞干處理等。由于本文主要分析的代碼是基于Java編寫的，因此諸如Java、int等類別的詞均被加入停用詞表;其次，進(jìn)行詞干處理減少term-docu-ment矩陣維數(shù)，能將一個詞匯的不同形式轉(zhuǎn)化為相同的詞根，避免同義詞的不同形式帶來語義信息抽取誤差，如achievement→achieve。

本文使用層次化聚類方法，主要采用迭代方法，聚類過程自下而上、由小變大。首先在所有類中選取兩個距離最小的類，則這兩個類先構(gòu)成一個聚類，然后在其它類中尋找與其距離最小的類以及任意兩個距離最小的類，若前者距離大于后者，則后者成為一個新的聚類，否則增大前者，依次往復(fù)，直到處理完所有類即形成第一層次的聚類。第2層次的聚類是運用第1層聚類將各個小的聚類構(gòu)建成大的聚類;第3層及后續(xù)依次迭代形成。

2.2程序聚類解釋

基于上述聚類結(jié)果，對聚類進(jìn)行標(biāo)記，協(xié)助開發(fā)人員基于聚類標(biāo)記的結(jié)果理解某個聚類的程序代碼，標(biāo)記過程如下：

Stepl：找出聚類中每個java文件最高頻的詞;

Step2：對每個聚類最高頻詞進(jìn)行查重處理：若一個高頻詞在該聚類的n（n>=2）個java文件中出現(xiàn)，則該詞頻率將對每個java文件中該詞出現(xiàn)頻率之和加上（n-1）;其詞頻率賦給第一個出現(xiàn)該詞的java文件，其它都置為0;若n=1，其詞頻等于該詞本身;

Step3：若最終頻率不為零的java文件數(shù)小于5，則該聚類標(biāo)記數(shù)是不為。的java文件數(shù)，否則為5;

Step4：將利用Step2和Step3得到的頻率作為最高標(biāo)記輸出;

Step5：重復(fù)Stepl、Step2和Step3，直到所有聚類標(biāo)記過程結(jié)束。

3實驗分析

3.1實驗設(shè)置

本實驗運行環(huán)境為HP ENVY 15j105tx，擁有CORE i74702QM處理器，8GB RAM。本實驗實驗對象為JEdit，是一個用Java語言開發(fā)的文本編輯器，在GPL下發(fā)布。JEdit 2.4.1一共包含282個Java文件，約5萬行代碼。

3.2實驗結(jié)果與分析

首先，分析針對JEdit項目進(jìn)行程序聚類前的預(yù)處理階段時間性能分析，結(jié)果如表1所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)本文方法每一步所需時間均在30s以內(nèi)，總時間控制在1min以內(nèi)，證明其處理該規(guī)模軟件的時間有效性。

基于實驗結(jié)果，距離等于6時聚類效果較好，依此進(jìn)行聚類結(jié)果提取，并將聚類結(jié)果輸入開發(fā)的工具中進(jìn)行聚類解釋和詞語推薦。各個聚類標(biāo)記和解釋如表2所示，第2列表示各聚類大小，第3列表示該聚類的推薦標(biāo)記，最后一列是根據(jù)標(biāo)記得出的解釋。通過聚類解釋，很容易發(fā)現(xiàn)該軟件與文本編輯相關(guān)，再加上對短語的分析，更能驗證對程序的解釋，而該軟件確實為一個文本編輯器。

4結(jié)語

本文針對程序代碼從程序語義聚類的角度理解程序，提出利用潛在語義分析進(jìn)行層次聚類，并利用詞語推薦對聚類結(jié)果進(jìn)行標(biāo)記，實現(xiàn)對程序的有效理解。該技術(shù)通過在開源項目JEdit上進(jìn)行實驗，證明其有效性。

該技術(shù)還存在一些缺陷，如語義信息冗余，在今后的工作中，可將生成的標(biāo)記建為聚類創(chuàng)建cluster-label矩陣，通過計算每個聚類相似度去除冗余語義信息;另外，也可以不局限于潛在語義分析，借助其它信息檢索技術(shù)（如主題模型）輔助語義聚類與解釋。