肖卓宇，郭 杰，陳 果，徐運(yùn)標(biāo)，王林春

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，湖南 長沙，410208）

1 引言

源程序中融入設(shè)計模式有助于提高軟件的可重用性和可維護(hù)性[1-3]。設(shè)計模式可在軟件開發(fā)過程的分析與設(shè)計階段扮演重要角色[4-6]。軟件設(shè)計模式提供設(shè)計級別的應(yīng)用，常用于解決重復(fù)出現(xiàn)的軟件設(shè)計問題[7-8]。設(shè)計模式應(yīng)用涉及正向工程和逆向工程領(lǐng)域，而設(shè)計模式挖掘?qū)儆谀嫦蚬こ痰牡湫蛻?yīng)用，有助于程序理解[9-12]、軟件維護(hù)[13-16]、系統(tǒng)重構(gòu)等[17-18]。由此可見，設(shè)計模式挖掘研究是一項(xiàng)具有積極意義的重要工作。為此，國內(nèi)外眾多科學(xué)研究圍繞設(shè)計模式挖掘展開。

Fontana 提出將源碼抽取為中間微結(jié)構(gòu)EDP，CLUE 等，進(jìn)而篩選設(shè)計模式參與者候選集合，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計模式挖掘[19-20]。Zanoni[21]與Chihada[22]將決策樹、隨機(jī)森林與支持向量機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法融入設(shè)計模式實(shí)例挖掘，并通過多個指標(biāo)閾值調(diào)優(yōu)實(shí)現(xiàn)方法優(yōu)化。肖卓宇歸納了設(shè)計模式變體的普遍性規(guī)則[23]，并解決了設(shè)計模式實(shí)例共享問題[24]，能一定程度減少假陰性與假陽性挖掘結(jié)果。Guéhéneuc[25]構(gòu)建了23 種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計模式挖掘的基準(zhǔn)案例庫P-mart。課題組先前工作厘析了設(shè)計模式挖掘的主要影響因素，關(guān)注了工具、語言、變體、實(shí)例共享與目錄位置等問題[26-28]。

總而言之，現(xiàn)有設(shè)計模式挖掘相關(guān)工作存在以下問題：

（1）對設(shè)計模式設(shè)計意圖的理解缺乏清晰的認(rèn)識；

（2）缺乏對設(shè)計模式挖掘結(jié)果中間表示形式的關(guān)注；

（3）對設(shè)計模式挖掘的基準(zhǔn)系統(tǒng)缺乏有效歸納；

為此，研究針對設(shè)計模式挖掘結(jié)果有效性評估方法缺乏的問題，提出一種設(shè)計模式挖掘有效性評估策略，分類歸納了3 類設(shè)計模式的設(shè)計意圖，整理了設(shè)計模式挖掘的基準(zhǔn)測試系統(tǒng)，探究了設(shè)計模式挖掘結(jié)果的中間形式表示，可為設(shè)計模式挖掘的理論與應(yīng)用研究提供支持。

本研究主要貢獻(xiàn)如下：

（1）對GOF 設(shè)計模式設(shè)的計意圖分類進(jìn)行了歸納；

（2）分類探究了設(shè)計模式挖掘中間結(jié)果表示的形式；

表1 設(shè)計模式的設(shè)計意圖分類

（3）分析歸納了主流設(shè)計模式挖掘的基準(zhǔn)測試系統(tǒng)；

文章余下部分組織如下：第2 節(jié)對設(shè)計模式設(shè)計意圖進(jìn)行了分類研究；第3 節(jié)對設(shè)計模式挖掘的基準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行歸納與分析；第4 節(jié)對設(shè)計模式挖掘結(jié)果的中間表示形式進(jìn)行了歸納與分析；第5 節(jié)對設(shè)計模式挖掘的效度進(jìn)行了分析；第6節(jié)對全文工作進(jìn)行總結(jié)，并對未來工作進(jìn)行規(guī)劃。

2 設(shè)計模式設(shè)計意圖分類研究

（Gang of Four，GoF）GoF[29]歸納了23 種經(jīng)典設(shè)計模式，分為結(jié)構(gòu)型設(shè)計模式、行為型設(shè)計模式和創(chuàng)建型設(shè)計模式三類。每種設(shè)計模式都有其不同的設(shè)計意圖、結(jié)構(gòu)、別名和參與者類（角色）等信息，并能提供針對特定設(shè)計問題的解決方案。

通過分析文獻(xiàn)[2-6]研究后發(fā)現(xiàn)，設(shè)計意圖的獲取在設(shè)計模式挖掘精確率的所有影響特征指標(biāo)中起主導(dǎo)性作用，也是軟件研發(fā)人員選擇不同設(shè)計模式，甚至是設(shè)計模式自動推薦的重要依據(jù)。為此，本研究通過表1 對不同設(shè)計模式的設(shè)計意圖進(jìn)行了詳細(xì)的歸納與總結(jié)。表1 將23 種設(shè)計模式分為結(jié)構(gòu)型、行為型與創(chuàng)建型三類，其中，結(jié)構(gòu)型設(shè)計模式包括Adapter 模式等7 種；行為型設(shè)計模式包括Visitor 模式等11 種；創(chuàng)建型設(shè)計模式包括Prototype 模式等5 種。

表1 設(shè)計模式的設(shè)計意圖分類

3 設(shè)計模式挖掘的基準(zhǔn)系統(tǒng)

目前，設(shè)計模式挖掘方法或工具使用不同的開源軟件系統(tǒng)進(jìn)行評估，但由于部分方法或工具并未公開，故難以有效評價每種工具或方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適合的測試場景。為了解決這個問題，本研究對國內(nèi)外主要設(shè)計模式挖掘精確率評估測試系統(tǒng)進(jìn)行了歸納總結(jié)，見表2。通過對表2 分析歸納發(fā)現(xiàn)，最常用的開放式源系統(tǒng)為JHotDraw、JRefacto ry、JUnit v3.7 和QuickUML 2001 等。進(jìn)一步深入研究后發(fā)現(xiàn)，選擇這些軟件系統(tǒng)作為設(shè)計模式挖掘基準(zhǔn)系統(tǒng)的原因歸納為：

（1）使用了多種典型代表性GOF 設(shè)計模式；

（2）待挖掘系統(tǒng)為開源系統(tǒng)，且其程序源代碼是公開的，這將有助于研究人員對不同設(shè)計模式進(jìn)行標(biāo)注；

（3）待挖掘系統(tǒng)不僅有小規(guī)模測試軟件系統(tǒng)，更有中型、大型軟件測試系統(tǒng)，甚至是超大型遺產(chǎn)系統(tǒng)。

（4）待挖掘系統(tǒng)主要通過Java 程序語言實(shí)現(xiàn)，除此之外也包括少部分C++、Smalltalk、C#語言研發(fā)的軟件系統(tǒng)。

表2 設(shè)計模式挖掘方法/工具的測試系統(tǒng)

4 設(shè)計模式挖掘結(jié)果的中間表示

通過研究國內(nèi)外主要研究文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前設(shè)計模式挖掘方法或工具為提高挖掘結(jié)果的精確率、F-Score 等指標(biāo)，習(xí)慣于將待挖掘軟件系統(tǒng)的源碼通過工具抽取為中間結(jié)果，如Matrix、Prolog、ASG（Abstract Syntax Graph）、AST（Abstract Syntax Tree）、PADL 等表示形式，進(jìn)而過濾設(shè)計模式參與者角色中與其他參與者不存在任何關(guān)系或關(guān)系作用不顯著的類或接口等。為此，本研究對國內(nèi)外主要工具或方法的抽取中間表示結(jié)果進(jìn)行了歸納與總結(jié)，見表3。

表3 設(shè)計模式挖掘方法/工具中間結(jié)果表示

5 效度分析

現(xiàn)階段國內(nèi)外學(xué)者對設(shè)計模式挖掘的工具或方法進(jìn)行了相關(guān)研究，取得了一定了成效，但同樣存在諸多問題，現(xiàn)將主要問題歸納如下5 點(diǎn)：

（1）設(shè)計模式的設(shè)計意圖難以有效獲取，故容易出現(xiàn)設(shè)計意圖相近的設(shè)計模式挖掘失??；

（2）現(xiàn)有設(shè)計模式挖掘的工具主要支持Java研發(fā)的軟件系統(tǒng)，缺乏對其他主流程序語言的支持；

（3）設(shè)計模式挖掘的基準(zhǔn)系統(tǒng)不夠完善，尤其缺乏設(shè)計模式變體、設(shè)計模式附加關(guān)系、設(shè)計模式共享實(shí)例等基準(zhǔn)案例庫的歸納；

（4）設(shè)計模式挖掘?qū)嶒?yàn)未公開工具、平臺或方法等、故難以有效開展交叉比較實(shí)驗(yàn)；

（5）設(shè)計模式挖掘?qū)嶒?yàn)僅僅針對某種或某幾種設(shè)計模式，沒有進(jìn)行多元、全面、系統(tǒng)的深入研究；

6 結(jié)語

研究工作歸納為：

（1）提出一種設(shè)計模式挖掘有效性評估策略；

（2）分結(jié)構(gòu)型、行為型和創(chuàng)建型三類歸納了設(shè)計模式的設(shè)計意圖；

（3）分析了設(shè)計模式挖掘的基準(zhǔn)測試系統(tǒng)；

（4）探究了設(shè)計模式挖掘結(jié)果的中間形式表示；

未來工作致力于：

（1）設(shè)計模式挖掘的理論與應(yīng)用研究；

（2）探究設(shè)計模式挖掘的關(guān)鍵技術(shù)研究；

（3）設(shè)計模式演化后變體基準(zhǔn)案例庫的完善等。