軟件復用與組件技術綜述

摘  要：于1968年在其論文“大量生產的軟件組件”中首次了軟件復用這一概念，從此，人們圍繞這一問題進行了大量的研究和實踐活動。隨著面向對象技術的進一步發展，基于組件的軟件復用技術逐漸成為這一領域的研究熱點。本文對軟件復用與組件技術進行綜述，介紹了主流的組件模型、業務組件技術及其發展，并闡述了基于組件復用的軟件開發的方法與一般過程。
關鍵詞：組件技術，面向對象技術，軟件復用，業務組件

Software Reused and Component Technology Overview
Abstract: The idea of software reused is originally presented in the paper “Mass Produced Software Components” by Mcilroy in 1968.Since then people have done lots of researches and practice on it. Much research interest in this field of software reused technology based on component along with the Object-Oriented technology development. This paper summarizes the concept of software reused and the component technology, introduces some main component model and development of business component technology. The software developed approach and procedure based on components reused is described in it.
 Key words: Component technology, Object-Oriented technology, Software Reuse, Business Component1 引言
 隨著計算機技術的飛速發展,人們對軟件開發的速度和質量都提出了更高的要求。然而,通過多年的研究和實踐活動，人們已經認識到在基于非形式化的不完備、不一致的用戶需求和快速多變的軟件環境（SEE）下開發可運行信息系統,軟件開發自動化將是短期內難以實現的目標，軟件復用是比較現實可行的解決方案。近年來，由于得到了面向對象等新技術的支持，軟件組件復用技術已經成為軟件復用技術研究的重點。在組件模型的支持下,通過復用已有的組件,軟件開發者可以“即插即用”地快速構造應用系統。這樣不僅可以節省開發時間和經費,提高工作效率,而且可以產生更加規范、更加可靠的應用軟件。因此，組件復用技術被視為解決軟件危機、提高軟件生產效率和質量的有效途徑。
2 軟件復用與組件
2.1 軟件復用與面向對象技術
 軟件復用（又稱軟件重用，Software reused），顧名思義，就是在軟件的生產過程中的“一次開發、多次使用”現象。20世紀80年代以來，軟件復用已經成為現代軟件工程的一個重要目標，過程與函數的復用是軟件復用的最初形式，面向對象技術的發展和應用對于提高軟件復用起到了積極的推動作用。面向對象技術把現實世界中的事物抽象為“對象”，把數據以及相關的方法（對數據的操作）封裝在一起，使用繼承的特性并利用已有對象的功能來構造新的對象，有效地提高了軟件的開發效率。但是，面向對象的軟件開發設計并沒有發揮出它應有的最大力量。首先，它支持的軟件復用是源代碼級別的，某一面向對象語言的類只能用于同一語言中；其次，在開發大型軟件系統時，它的粒度粗細難以有效控制；另外，不同軟件開發商所提供的對象（指語言的類）不易交互合作，難以支持系統的集成。因此，從理論上講，面向對象技術是應能支持軟件的復用和集成，但在實際上，面向對象技術只是可以作為一種基礎。
2.2 組件的基本概念
 組件技術是從面向對象技術發展而來的，組件（又稱構件，Software Component）在不同上下文中有不同含義，例如，功能模塊、類、對象或一組相關函數；另外的定義還包括標準類庫、框架、CASE模型，以及任何可復用的軟件制品等等不一而足。通常人們所提到的組件具有以下特點：組件是具有一個或一組定義良好的接口的一段相對獨立的自包含軟件，具有二進制可復用性，遵從某種組件規范，可以與其它組件組合成一個系統并是可替換的。它具有運行時和開發時的兩個內涵，即既有運行時可訪問的接口；又具有開發時可獨立提交與安裝的特性。
 面向對象技術常常把重點放在封裝以及代碼復用方面，而軟件組件技術支持二進制復用，側重于組件的可插入性（Plug-ability）。組件技術將封裝運用到了極限，它通過只暴露公用接口來實現這一點，組件的實際實現被隱藏起來。于是，首先，它可以獨立于實現語言：一個Java客戶不會感覺到所使用的組件是用C++來實現的；其次，它可以是位置透明的：客戶不會感覺到所使用的組件是運行在相同的進程中，還是運行在不同的進程中，甚至是位于不同的機器上。使用高層次的封裝，對于外界的好處在于，設計合理的組件可以插入到不同的客戶程序中，而客戶程序無需關心組件的實現。組件的客戶只需關心該組件所提供的接口（即約定）。在理想的設置中，支持相同接口的不同組件可以互換使用。可互換組件的可插入性是基于組件系統的目標。
2.3 組件復用的基本方式
   依據復用的對象，可以將組件復用分為產品復用和過程復用。產品復用是指復用已有的組件，通過組件集成（組裝）得到新系統。過程復用是指復用已有軟件開發過程，使用可復用的應用生成器來自動或半自動地生成所需的系統。
   依據對組件進行復用的方式，可以分為黑盒復用和白盒復用。黑盒復用是指對已有的組件不作任何修改，直接進行復用。白盒復用指已有組件并不能完全符合用戶需求，需要根據用戶需求進行適應性修改后才可以使用。
2.3 組件復用技術研究內容
 組件復用包括兩個基本過程：可復用組件的開發和基于可復用組件的應用系統的組裝與集成。研究的內容主要有：組件獲取技術，組件模型技術，組件描述語言，組件分類與檢索，組件復合組裝，組件標準化。
 實現組件復用的關鍵技術主要包括：軟件組件技術、領域工程、軟件架構、軟件在工程、開放過程、CASE技術等技術因素以及諸多非技術因素，其相互之間的關系如圖1所示。
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3 組件模型及其分類
 為了使組件使用者能夠很容易地理解組件的功能及其屬性,對組件做一個清晰的描述是非常必要的。一般認為描述組件的最簡捷途徑是組件模型（Component Model），組件模型除定義組件的基本屬性外,還要規定組件接口的結構以及組構件與應用框架、組件與組件之間的交互機制。組件模型通常還提供創建和實現組件的指導原則，一個被組件生產者和使用者共同接受的組構件模型就是組件的工業標準。組件模型可以從理論與實現兩個不同角度來進行劃分，前者側重于學術界，后者則主要針對產業界。
3.1 組件理論模型
 學術界提出的理論指導性模型，比較有代表性的是Tracz提出的3C模型、REBOOT項目中提出的REBOOT模型和北京大學提出的青鳥組件模型，這些模型的抽象層次比較高,用戶可以根據不同的問題域對其進行擴展。
 3C模型的命名主要來自該模型描述組件所采用的3個C特征,即概念(concept)、內容(content) 和語境(context)。概念用于描述組件的功能。組件的概念依據它的接口說明以及它所執行操作的語義描述表現出來,使用者可以從概念描述中了解它的功能；內容用來描述組件怎樣完成概念所描述的功能,如算法、結構等,它是概念的細化描述；語境或者叫上下文,主要用于描述組件與其他組件的關系,它是組件中最復雜的特征描述。
 REBOOT模型是一個基于刻面的分類模型,它所考慮的刻面包括依賴、抽象、操作及操作對象,是一個被稱為是刻面中項的聯合。
 北京大學青鳥組件模型從三個不同的、相互正交的視角來看待組件,每個具體的組件都是形態、層次和表示構成的三維空間中的一個點. 組件形態被分為類、類樹、框架、設計模式、體系結構5 種；組件層次被分為分析件(指系統需求規約和功能規約)、設計件(指系統體系結構和設計方案)、編碼件(由具體程序設計語言編制的源代碼組件)、測試件(測試計劃和測試案例) 4個層次；組件的表示與層次有關,不同層次的組件具有不同的表示媒介和手段,如圖形、復合文檔、正文、偽碼、編程語言、目標碼等。根據上述概念,青鳥組件模型從9個方面來描述組件,即概念、操作規約、接口、類型、實現體、組件復合、組件性質、組件注釋、組件語境。青鳥組件模型是一個具有面向對象風格的模型。
3.2 組件實現模型
 組件模型是對實際組件的抽象,經過幾年的發展，組件模型及其規范已經提出。在產業界,組件實現模型主要有客戶端組件模型和服務器端組件模型兩種。其中，客戶端組件模型又稱為桌面應用組件模型。組件粒度較小，主要用于用戶界面元素、復合文檔框架等方面。例如，SUN的JavaBeans,微軟的ActiveX、OLE Automation(基于COM) 等。而服務器端組件模型是基于分布式對象技術建立起來的，所以又稱為分布式組件模型，其組件粒度較大，一般封裝有業務邏輯，運行于三層/多層應用程序的中間層（業務層），用于構建大型分布式應用系統。當前主流分布式組件模型有：SUN的EJB(Enterprise JavaBean),ORG CORBA 3.0的CCM(CORBA Component Model)以及微軟的COM+，它們對組件的基本構成及其體系結構的演化產生著十分重要的影響。
 3.2.1 CORBA與CCM
 1999年末，ORG經過投票批準了CCM(CORBA Component Model),從而引入了新一種服務器端組件模型。從本質上講，CCM標準分為兩部分，一部分是核心CCM規范，它支持EJB組件，另一部分是擴展的CCM規范，它包括EJB組件和容器/服務器不具備的功能。CCM組件和容器/服務器可用任何語言編寫并可運行于任何平臺上。
 CCM組件的抽象模型中主要包括對Facets、Receptacles、Event Sources/Sinks、Home接口、Attributes的描述。其中，Facets是構件向外界暴露出的接口，Receptacles提供了一種一般化的途徑來把某些類型的對象連接到組件，它還允許組件聲明對對象引用的依賴關系，Attributes對傳統的CORBA接口屬性概念做了擴展，允許對組件進行配置，使用配置工具可以通過Attributes來預設組件的配置值，Home接口用來定義組件的生命周期管理操作。
 3.2.2 EJB
 EJB是SUN的構組件規范，是J2EE規范的一部分SUN對EJB的定義是：EJB是開發和部署基于組件的分布式商務應用程序的一種組件結構。用EJB結構開發的應用程序是可伸縮的、事務型的、多用戶安全的。這些應用程序只需編寫一次，而可以部署在任何支持EJB規范的服務器平臺上。EJB模型的組件叫Enterprise Bean,EJB1.1規范定義了兩種基本類型的Bean: Entity Bean(實體Bean)、Session Bean(會話Bean)。其中，Entity Bean是為現實世界的對象建造的模型，其業務概念一般可用名詞表達，比如一個Entity Bean可以代表一位顧客、一部設備、清單中的一項或一個地方。Session Bean實現運行于服務器端的業務邏輯，可以把它看作客戶程序的擴展。Session Bean作為客戶端的代理，負責控制工作流（業務過程）并填補Entity Bean代表的數據和與該數據交互的業務邏輯之間的空白。
 要實現一個Enterprise Bean，需定義兩個接口和兩個類：遠程接口(Remote Interface)、Home接口（Home Interface）、Bean類（Bean Class）和主鍵類(Primary Key Class)。Enterprise Bean生存于EJB容器中，EJB容器負責包裝Enterprise Bean，并自動管理Bean的持久化、安全性、事務處理、資源分配與回收等。EJB容器提供了Enterprise Bean的運行環境，而EJB服務器則為EJB容器提供運行時環境，負責管理底層的系統資源。理論上，一個服務器可以包含若干容器，且服務器和這些容器可以來自不同提供商。
 3.2.3 COM+
 隨著Windows2000的發布，微軟推出了COM+1.0，COM+將COM/DCOM和MTS有效地統一起來，形成一個功能強大的體系結構，并且緊密地與操作系統結合在一起，通過系統服務為應用程序提供全面的服務。COM+組成結構如圖2所示。
 COM+組件是業務邏輯的軟件實現形式，它是人們編寫的最終代碼。COM+要求組件必須被包裝到一個COM DLL服務程序中，每個DLL可以包含多個組件。COM+提供了一個組件管理環境，通過它可以設置COM+應用和COM+組件的屬性信息，例如組件的事務特性、安全特性等。COM+把組件信息保存在COM+目錄中。開發人員可以通過聲明而非編程來確定組件的屬性。COM+為每個對象提供了一個對象環境(Object Context)，COM+系統可以在創建COM+對象時為其分配一個環境對象，環境對象跟蹤記錄COM+對象行為特性的數據，COM+通過環境來實現COM+組件的可管理性和可配置性。
 3.2.4 .NET配件
 微軟于2000年7月揭開了.NET的大幕。.NET平臺是一個全新的開發框架，它具有與Windows 服務和API協作的全新編程接口。.NET框架最重要的部件是CLR(Common Language Runtime,公共語言運行時環境)。CLR管理和執行各種.NET語言編寫的代碼，是.NET體系結構的基礎，與Java虛擬機相似。CLR負責將對象激活，對其進行安全檢測，對內存分配進行布局、執行，以及在對象成為無用資源時回收。
 在.NET平臺中，為了簡化組件的開發和部署，引入了Assembly，一般稱作配件。理論上講，.NET配件近似等價于COM模塊；而在實踐中，配件可以包含或引用運行時執行所需的許
多類型和物理文件(包括位圖文件、.NET PE文件等)。除了存放IL(Intermediate Language,中間語言)代碼外，配件還是版本協調、部署、安全管理、并發執行、共享和重用的基本單位。描述配件信息的元數據(Metadata)稱為配件清單(Manifest)。配件清單描述了配件的所有信息，包括標識、所包含的文件、外部配件的引用、導出類型、導出資源和權限請求，這些元數據存在于.NET PE文件的CLR數據段中，所以無需在注冊表中存儲了。客戶程序使用配件時，由CLR通過客戶程序的配件清單中的外部引用信息來裝載正確的配件。可以看出，在.NET環境中，組件的開發和使用再也無需象COM那樣進行大量的底層工作。
 .NET框架具有兩個主要組件：公共語言運行庫和.NET框架類庫。公共語言運行庫是.NET框架的基礎。可以將運行庫看作一個在執行時管理代碼的代理，它提供核心服務(如內存管理、線程管理和遠程處理)，而且還強制實施嚴格的類型安全以及可確保安全性和可靠性的其他形式的代碼準確性；.NET框架的另一個主要組件是類庫，它是一個綜合性的面向對象的可重用類型集合，可以使用它開發包含從傳統的命令行或圖形用戶界面(GUI)應用程序到基于ASP.NET所提供的最新的Web應用程序在內的軟件系統。
4 業務組件技術及其發展
 軟件組件技術的出現，為根本改善目前軟件生產高成本、低效率的狀況，為實現軟件由作坊式生產向工業化生產的飛躍帶來了機會。但目前的軟件組件技術，尚不能使軟件生產達
到目前成熟產業的工業化水平。軟件組件技術的下一代技術——業務組件技術（Business Component），將為軟件的工業化生產提供理論與技術基礎。
 4.1 業務組件的粒度
 業務組件技術是一套新思路，它提出了一種適合企業級應用的特殊的基于組件的開發方法，稱為業務組件方法（Business Component Approach）。依照這種思路，組件按粒度的粗細分為以下幾種：
 分布式組件（Distributed Component）。它是最小的一種業務概念。它可以用CORBA組件、EJB或DCOM來實現。通常是用面向對象的程序語言(OOPL)構造的，一般說，分布式組件的內部構造都有相適應的OOPL類對應著。
 業務組件（Business Component）。業務組件是由分布式構件組成的，它表達了分布要求下的一個自治的單元。它是可以物理地跨越兩個乃至多個機器進行部署的單個的制品。業務構件是最重要的一種組件，可以有如下定義：“業務組件是一個自治的業務概念或業務過程的軟件實現。作為大型分布式信息系統中一個自治和可重用元素，它由表示、實現和部署一個給定業務概念的所有必需的軟件制品構成。”該定義首先表達了業務組件是表示單個自治業務概念的一種組件；進而說明它的內建的分布式系統的特性（“分布式系統的自治可重用的元素”）；接下來著重點明它貫穿于整個開發生命周期的適用性（“表示、實現和部署一個給定業務概念的所有必需的軟件制品”）。
 業務組件系統（Business Component System）。業務組件系統是由業務組件組成的系統，又稱為系統級組件。當它被封裝后（通過暴露出清晰的接口）即可視為一個黑盒，并被用于規模更大的集成。這在處理多個系統以及這些系統間互操作時非常有效。業務組件系統按以前阿術語講，就是信息系統或“應用”。但要按照業務組件的說法，應該定義成：“業務組件系統是一組協同操作的業務組件，它們被裝配在一起，完成一個業務問題的解決方案。”按照此定義，它是致力于解決一個領域空間中的一個特定的問題。一個業務組件系統可被看作一組同時部署的普通的業務組件的組合，它實現了一個或多個可標識的、自治的業務過程。
 4.2 業務組件方法的目標
 業務組件方法為大型分布式系統的開發和集成定義了一個概念框架，它的主要目標是：
 (1)通過自治地開發大型軟件單元（分布式組件、業務組件和系統級組件）的方法極小化問題的復雜性和開發的代價。
 (2)在開發的所有階段、貫穿所有的體系結構視圖和分布層面，支持高級別的重用。
 (3)通過兩種途徑加速開發的過程：首先，可以裝配已有的組件；其次，將系統的快速開發、逐步集成和高質量的開發結合起來進行。
 (4)生成高度可發展的系統。
 (5)可實現用不同供應商生產的組件進行替換的能力，并最終形成一個組件市場。
 4.3 業務組件工廠
 業務組件方法還有一個非常重要的概念：業務組件工廠(Business Component Factory)。它是這樣定義的：“一種有效地進行軟件開發的能力，它能夠以重復的方式為一個企業大量、快速、經濟地生產出高質量的軟件。”基于組件的思路和業務構件是業務組件工廠的必要的前提。
 為達到軟件生產工業化的目的，需要一個軟件工廠，而此軟件工廠應與它所生產的軟件相分離。軟件工廠由給定的標準的開發過程、技術體系結構、應用體系結構和項目管理體系結構組成（如圖3所示）。這樣的工廠允許功能開發者將精力集中于他們所熟悉的業務功能，而無需顧及工廠所提供的四層基礎性工作。
 4.4 業務組件虛擬機
 實施業務組件方法隱含著對基礎設施有一組要求，例如，該基礎設施要對上層的功能開發著提供底層的透明性等。這就提出了實現所謂業務組件虛擬機(BCVM: Business Component Virtual Machine)的要求了。
 業務組件虛擬機一方面是一個運行時虛擬引擎，要屏蔽掉特定操作系統的細節，這與Java虛擬機相似；另一方面，它還包含了說明、實現、測試和部署軟件組件所需的工具和基礎設施，使得功能開發者可以專注于業務功能，同時可確保所生產的組件能運行在許多硬件體系結構、中間件、數據庫系統之上，并能容易地與其它組件邦聯和協作。換句話說，BCVM 是這樣一種基礎設施，它的目的是使業務組件的開發獨立于底層的細節和軟件技術的因素。例如，在不改變功能源碼的情況下，它應能在Unix、Windows上運行； 使Oracle、Infomix、SQL Server 或任何選定的RDBMS能使用任何運行時的基礎設施，無論是CORBA還是DCOM/COM+或EJB。BCVM包括運行時基礎設施，一組服務、實用程序和框架，一組開發工具，以及用戶界面框架。可以預期，隨著時間的推移，虛擬機概念會朝著兩個方向發展：
 (1)其抽象的級別不僅覆蓋了今天的基礎設施的范疇，而且會涵蓋現在所認為的功能空間。例如，可能會包含某些可重用的業務組件等。
 (2)整個生命周期不僅限于構造時和運行時，而且最終也要包括生命期的所有階段。
5 基于組件復用的軟件開發
 基于組件的軟件開發源于現代軟件工程思想，依托于組件技術的快速發展，提供了一種自底向上、基于預先定制包裝好的組件來構造應用系統的途徑。其開發過程可分為系統需求分析、功能分解、組件規劃、組件設計、組件實現與測試、組件裝配、系統測試等六個階段（如圖4所示）。其中，功能分解是分析系統的功能模型，為規劃系統所需的組件提供基礎；組件設計是根據系統的功能模型提取規劃實現系統功能所需的組件，建立系統的組件庫模型，然后設計后臺數據庫、設計組件的功能與接口；組件實現是根據規劃好的系統組件功能與接口，采用具體的組件技術實現組件功能與接口，并完成該組件的測試工作；組件裝配是根據系統的需求分析，結合已實現的組件庫模型，通過包容、聚合等機制組裝并實現系統的功能。
 組件裝配（又稱為組件組裝）技術主要涉及到軟件體系結構設計。軟件體系結構是對系統整體結構設計的刻劃，包括全局組織與控制結構，結構間通信、同步和數據訪問協議，設計元素功能分配、物理分布、設計元素集成、伸縮性和性能，設計選擇等，研究的重點是如何快速、可靠地利用可復用組件構造系統，著重于軟件系統自身的整體結構和組件之間的互聯。
6 結束語
 組件技術已經成為軟件技術的重要組成部分，其研究已經對軟件技術多個方面的發展起到了積極的推動作用。但是組件技術本身的研究卻面臨著若干問題。分析組件技術研究的現狀可以得到，盡管對組件技術中基本概念的認知正逐漸趨于一致，但認識的差異依然存在，直接導致了當前的組件技術難以應用于具體業務領域。計算機信息技術在領域業務應用中的快速普及，已經極大地推動了領域軟件復用的需求。當前組件技術不但不能滿足這些需求,甚至相關的研究也比少。因此，迫切需要在當前組件技術研究成果的基礎上，結合領域應用的需求,研究領域組件技術及其應用。

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項目資助：湖南省教育科學十五規劃課題（編號：XJK03CG021）作者簡介：劉軍（1972-），男，漢族，湖南衡南人，碩士，副教授，主要研究方向：計算機網絡，數據庫技術.通訊地址：湖南省南華大學計算機科學與技術學院 郵編：421001 Email:liujunzhm@163.com陽小華（1963-），男，博士，教授，碩士生導師，主要研究領域為WWW 智能查詢, 數據庫技術.