软件的静态演化和动态演化及其应用

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  软件演化(Software Evolution)是指软件在其生命周期内的更新行为和过程。演化是一系列贯穿软件生命周期始终的活动,系统需求改变、功能实现增强、新功能加入、软件架构改变、软件缺陷修复、运行环境改变均要求软件系统能够快速适应变化,具有较强的演化能力。软件静态演化(Static Evolution)和动态演化(Dynamic Evolution)是目前软件演化的两种重要类型。

1. 静态演化(Static Evolution)

  静态演化是指软件在停机状态下的演化。其优点是不用考虑运行状态的迁移,同时也没有活动的进程需要处理。然而停止一个应用程序就意味着中断它提供的服务,造成软件暂时失效。软件静态演化是指发生在应用程序停止时的软件修改和更新,即一般意义上的软件维护和升级。静态演化的优点是没有状态迁移或活动线程的问题要解决,缺陷是停止应用程序意味着停止它所提供的服务,也就是使软件系统暂时失效。在软件交付之后,静态演化(类似于一般意义上的软件维护)就成为软件变更的一个常规过程。变更可以是一种更正代码错误的简单变更,也可以是更正设计错误的较大范围的变更,还可以是对描述错误进行修正或提供新需求这样的重大改进。有三种不同的软件维护:改正性维护、适应性维护和完善性维护。维护过程一般包括变更分析、版本规划、系统实现和向客户交付系统等活动。

  在面向对象技术中,使用子类型方法来扩展程序,它适合于软件静态演化和代码重用。子类型化一个类意味着保留父类中的参数和方法,并尽可能地增加新的参数和方法。另外,使用重载和多态性作为主要的演化机制。实际上,建立类的新版本,最简单的机制是创建它的子类,然后重载需要变更的方法,最后,使用多态性调用新创建的方法。在基于构件的软件技术中,构件采取接口和实现相分离技术,构件之间只能通过接口进行通信,这使得具有兼容接口的不同构件实现可以相互取代,从而成为软件静态演化的一条途径。

2. 动态演化(Dynamic Evolution)

  动态演化是指软件在执行期间的软件演化。其优点是软件不会存在暂时的失效,有持续可用性的明显优点。但由于涉及状态迁移等问题,比静态演化从技术上更难处理。

  动态演化是最复杂也是最有实际意义的演化形式。动态演化使得软件在运行过程中,可以根据应用需求和环境变化,动态地进行软件的配置、维护和更新,其表现形式包括系统元素数目的可变性、结构关系的可调节性和结构形态的动态可配置性。软件的动态演化特性对于适应未来软件发展的开放性、动态性具有重要意义。

  动态演化是指软件在运行期间的演化。在许多重要的应用领域中,例如金融、电力、电信及空中交通管制等,系统的持续可用性是一个关键性的要求,运行时刻的系统演化可减少因关机和重新启动而带来的损失和风险。此外,越来越多的其他类型的应用软件也提出了运行时刻演化的要求,在不必对应用软件进行重新编译和加载的前提下,为最终用户提供系统定制和扩展的能力。动态演化可分为两种类型:预设的和非预设的。在Web 环境中,软件应用常常需要处理多种类型的信息,因此它们常被设计为可以动态下载并安装插件以处理当前所面临的新类型的信息;而分布式Web 应用也常常需要增减内部处理节点的数目以适应多变的负载。这些动态改变都是软件设计者能够预先设想到的,可实现为系统的固有功能。另有一些必须对系统配置进行修改和调整的情况是直到系统投入运行以后才发现的,这就要求系统能够处理在原始设计中没有完全预料到的新需求。这种情况下一般需要关闭整个系统,重新开发、重新装入并重新启动系统。然而,为了进行局部的修改而关闭整个系统在某些情况下是不允许的(例如,关键运行系统)或者代价太高。精心设计的动态演化技术可以在不关闭整个系统的前提下修改系统的结构配置,并尽量使未受影响的部分继续工作以提高系统的可用度。

  为支持软件的动态演化性,已在语言、机制和环境等方面做了大量工作。在程序语言的层次上,引进各种机制以支持软件动态演化,例如动态装载技术允许增加代码到已运行的程序中,延迟绑定是在运行时而不是编译时决定类和对象的绑定。Java hotswap允许在运行时改变方法:当一个方法终止时这个方法的新版本可以有效地替换旧版本,在类层次上代码的二进制兼容被支持。Gilgul语言也允许更换运行时对象。但程序语言层次上的动态演化机制仅局限于函数、类方法和对象等小粒度的替换,只支持预设的有限变更,变更由事件触发。通过标准化运行级构件的规约,依靠构件运行平台(中间件平台)提供的基础设施,使软件在构件层次上的动态演化成为可能。中间件中具有的如命名服务、反射技术和动态适配等机制,为运行态构件的动态替换和升级提供支撑,从而推动了软件动态演化的发展。命名服务就是给构件实例提供一个名称,以便客户通过这些名称来获取构件实例。对工业标准构件EJB 和CORBA 构件的引用都可以通过中间件平台的命名服务进行。同一构件标识可以被映射到多个构件实例,从而根据具体情境对某一名字的构件引用导向到不同的构件实例。反射技术是系统的一种自描述(self representation)和自推理的技术,它提供了关于自身行为的表示,这种表示可以被检查和调整,且与它所描述的系统行为是因果相联(causally connected)的。因果相联,意味着对自表示的改动将立即反映在系统的实际状态和行为中,反之亦然。将反射性引入中间件能够以可控的方式开放平台内部的实现,从而提高中间件的定制能力和运行时的适应能力。动态适配机制中比较著名的是CORBA 提供的动态接口服务:动态调用接口DII和动态骨架接口DSI。前者支持动态客户请求调用,而后者支持将请求动态指派(Dispatch)给构件。因此,软件构件化技术使得软件具有良好的构造性,软件演化的粒度更大。中间件技术则为基于构件的软件动态演化提供了坚实的基础设施和方便的操作界面。

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