CN104008058A - 一种基于原型仿真的架构评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于原型仿真的架构评价方法，借助架构的UML系统顺序图、顺序图，对架构进行模拟执行，追踪架构的时间、内存和CPU这些性能消耗，从而对架构进行定量分析。首先通过EA工具构建架构顺序图和系统顺序图，其次对架构顺序图进行解析，将其转化为执行图，借助仿真信息知识库中的数据，运行执行图，从而对顺序图进行仿真；然后，对架构系统顺序图进行解析，将其转化为执行图，借助顺序图的仿真结果，运行执行图，从而对系统顺序图进行仿真；最后将两类仿真结果用界面展示，作为架构师评估架构时间资源消耗的依据。

Description

一种基于原型仿真的架构评价方法

技术领域

本发明提出了一种基于原型仿真的架构评价方法，主要是借助软件架构描述语言，通过仿真的方法来评价软件架构，属于软件架构评估的技术领域。

背景技术

软件架构，作为早期的软件开发产物，是在高层次上对软件进行描述，便于软件开发过程中各个视角的统一，能够及早发现开发中的问题并支持各种解决方案的评估和预测。软件架构解决了软件结构问题，随着软件规模及复杂度的提升，设计一个好的软件架构意义重大。

软件架构设计层的分析包括定量分析和定性分析两种方法，其中定性分析处理软件系统的功能特性，如有无死锁或者安全性状况。定量分析是通过对软件度量或者软件建模，从而获得软件的内存执行等的概要信息。仿真正是一种重要的建模技术，它允许对一般的系统进行建模，得到的仿真模型能够表示现实世界中任意复杂度的场景，甚至能表示不能利用分析工具表示的场景。

在软件架构领域，仿真有助于软件架构师利用架构模型的原型，检测架构决策的不一致性，改善架构设计模型。这样的好处在于：当有许多可能的架构设计决策时，每个架构的利弊都可以很容易通过仿真加以预测。架构师可以快速对一个架构更改的影响进行分析，从而了解整个系统在性能和行为等方面的性质，有助于对系统构件、系统延迟和系统资源进行评估，从而避免系统开发的失败。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种自动化程度高、灵活方便，通过不同的交互场景，能够反映软件架构在不同情况下的性能状况，从而全面体现软件架构性能信息的基于原型仿真的架构评价方法。

技术方案：本发明的基于原型仿真的架构评价方法，包括如下步骤：

步骤1)用统一建模语言工具Enterprise Architect设计软件架构的顺序图与系统顺序图，并将所述软件架构的顺序图与系统顺序图导出为XMI文件；

步骤2)对所述步骤1)导出的顺序图XMI文件进行解析，得到每一幅顺序图的特征信息，即模块名、模块间的消息传递边、消息传递边的顺序、组合片段类型、组合片段内部包含的消息传递边；

同时对所述步骤1)导出的系统顺序图XMI文件进行解析，得到系统顺序图的特征信息，即模块名、模块间的消息传递边、消息传递边的顺序、组合片段类型、组合片段内部包含的消息传递边；

步骤3)基于所述步骤2)解析得到的顺序图的特征信息，将每个顺序图分别转化成执行图，并从仿真信息知识库中读取顺序图各个操作所对应的时间、资源数以及组合片段信息，然后对生成的执行图进行仿真执行，并根据顺序图仿真原理，获得顺序图的时间资源消耗信息；

步骤4)基于系统顺序图仿真用于仿真用户和系统的交互场景，具体为：基于所述步骤2)解析得到的系统顺序图的特征信息，将系统顺序图转化为执行图，并从所述步骤3)得到的顺序图的时间资源消耗信息中获取系统顺序图所需要的仿真信息，进而对生成的执行图进行仿真执行，并根据系统顺序图仿真原理，获得该系统顺序图的时间资源信息。

本发明方法的优选方案中，步骤3)中，将顺序图转化为执行图的具体方法如下：

首先，将顺序图中消息传递边转化成执行图的消息传递节点，同时将顺序图中的组合片段转化为组合片段开始节点和组合片段结束节点；

然后对每个组合片段内部的节点进行连接，如果连接过程中遇到其他组合片段的开始节点，即组合片段之间存在嵌套关系时，则忽略这些其他组合片段的内部节点，从其结束节点处继续进行下一步连接；

最后对执行图的所有节点进行连接，在连接过程中，当连接到一个组合片段开始节点，则忽略该组合片段的内部节点，直接从该组合片段的结束节点处进行下一步的连接。

本发明方法的优选方案中，步骤3)和步骤4)中对生成的执行图进行仿真执行的具体方法为：

首先执行入度为零的节点，然后根据以下情况和原则进行后继执行：

a)后继节点为空，则执行图仿真执行结束；

b)后继节点为消息传递节点，则执行该消息传递节点，下一个执行节点为该消息传递节点的后继节点；

c)后继节点为选择组合片段开始节点，则该节点不予执行，下一个执行节点是随机选择的一个组合片段开始节点的后继节点；

d)后继节点为并发组合片段开始节点，则不予执行，下一个执行节点为并发组合片段开始节点的后继节点；

e)后继节点为循环组合片段开始节点，则不予执行，下一个执行节点为循环组合片段开始节点的后继节点；

f)如后继节点为循环组合片段结束节点，则不予执行，并且：

如果其前一个节点的遍历次数不大于循环组合片段的循环次数，则下一个执行节点为该循环组合片段开始节点，否则，下一个执行节点为循环组合片段结束节点的后继节点；

g)如后继节点为选择组合片段结束节点或并发组合片段结束节点，则不予执行，下一个执行节点为该组合片段结束节点的后继节点。

本发明方法的优选方案中，步骤4)中，根据以下规则，从所述步骤3)得到的顺序图的时间资源消耗信息中获取系统顺序图所需要的仿真信息：

a)顺序图仿真得到的最大运行时间用于交互场景最大运行时间仿真以及最大响应时间仿真；

b)顺序图仿真得到的平均运行时间用于交互场景的平均运行时间仿真以及平均响应时间仿真；

c)顺序图累计资源利用量用于交互场景的单位时间资源利用量仿真；

d)顺序图最大资源利用量用于交互场景的最大资源利用量仿真；

e)将顺序图最大资源利用量与顺序图执行结束时资源未释放数的差，映射为交互场景中对应操作的资源释放数。

UML作为一种可视化描述语言，在目前依然没有统一的文件存储规范，因此本发明方法使用的是专业软件架构建模工具EA对UML的存储规范。首先对EA产生的XMI文件进行解析，获得架构描述文档中所有顺序图包含的信息，再将其转化为执行图，借助仿真信息知识库对执行图进行仿真，将仿真所得的数据用于系统顺序图的仿真，最终得出架构层面的性能信息。本发明使用原型仿真技术，对软件架构的性能做出评价，将系统内部交互逻辑、用户和系统的交互场景相结合，从而对软件架构进行评价。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

现有的架构仿真方法首先输入端没有提出正规的建模工具，有的是自己制作UML存储文档，有的是自己设计UML制作工具，导致功能不全并且过于简单。其次仿真所需的数据都是手动编写类似XML格式的性能信息文件，不仅不灵活而且不具有可复用性，最后现有的基于顺序图仿真方法将用户和系统交互以及系统与系统交互都放在一张图中，缺少灵活性，而本发明方法针对这三点弊端具有如下三个改进。

(1)该方法的输入是EA(Enterprise Architect)工具建模产生的XMI文件，之后的处理都是程序实现，这种方式极大提高了这套仿真的自动化水平。架构师只需要借助EA可视化编辑器设计软件架构，将其产生的XMI文件作为原型仿真的输入，而无需关注后面仿真的具体细节。此外，该方法也做到架构设计与仿真相结合的效果，将架构设计的产物直接用于仿真，而无需单独设计一套仿真输入。

(2)该方法将系统内部方法调用的时间资源等信息构建成一个仿真信息知识库，通过对数据不断的完善和积累，构建出一个全面而准确的仿真信息知识库，不但方便仿真过程中对仿真所需的数据进行管理及修改，而且可以复用于其他仿真环境。

(3)将顺序图与系统顺序图结合，可以把系统内部逻辑，用户与系统交互两者分离。对于一个系统架构，其内部一系列操作都可以确定，但用户与系统的交互由用户人为控制，无法准确得出用户与系统的交互模式。通过将两类交互分离，使得交互场景的设计更加灵活。架构师可以设计各种用户与系统的交互场景，而无需修改系统的内部交互逻辑。此外，架构师在设计另一种交互场景时，如果某些用户操作已经有相应的顺序图对应，则无需再设计该操作顺序图，从而增加了顺序图的复用性。

附图说明

图1是本发明中系统顺序图和顺序图的一个简单对应关系示意图。

图2是本发明所提出的基于原型仿真的架构评价方法流程图。

图3是实施例中ATM启动操作的顺序图。

图4是实施例中ATM关闭操作的顺序图。

图5是实施例中人与ATM交互的系统顺序图。

图6是实施例中ATM启动操作的执行图。

图7是实施例中ATM关闭操作的执行图。

图8是实施例中人与ATM交互的执行图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对发明的技术方案进行详细说明：

图1简单展示了本发明中系统顺序图和顺序图的对应关系。系统顺序图中用户对系统的每次操作都映射出系统内部一系列的交互逻辑。这一系列系统内部的交互逻辑用顺序图描述。图2描述了本发明提出的基于原型仿真的架构评价方法流程图：首先需要一套以EA建模工具制作的软件架构描述文档，这边必须要有的描述文档为系统顺序图和顺序图。其次，还需要构建一个仿真信息知识库，架构师可以反复迭代这个仿真信息知识库，不断对数据进行增加和完善。其中仿真信息知识库中的数据可以由性能专家给出，也可以是历史经验给出。仿真信息知识库数据的构建最终还是一个反复迭代的过程。上述两个步骤也是仿真的前提。仿真的核心主要包含三部分：(1)对架构描述文档的解析；(2)顺序图的仿真；(3)系统顺序图的仿真。下面给出几个部分的具体说明。

一、EA建模及仿真信息知识库构建

EA是一套由Sparx Systems公司开发的轻量级、高集成的架构建模工具。它为用户提供一个高性能、直观的工作界面，联合UML2.0最新规范，为桌面电脑工作人员、开发和应用团队打造先进的软件建模方案，是一个完全的UML分析和设计工具，能完成从需求收集经步骤分析、模型设计到测试和维护的整个软件开发过程。EA工具网上提供下载，并且有详细的说明文档。用户只需要拖拽EA上的顺序图元素即可拼装出自己想要的顺序图。本发明方法借助EA工具制作架构描述文档，将描述文档导出成XMI文件作为本发明方法的输入。

构建仿真信息知识库主要目的是能够形成一套仿真所需数据的管理模式。仿真信息知识库中主要存储了系统内部方法调用所需的时间、资源消耗，以及顺序图中组合片段的一些额外信息，如选择分支的概率，循环块的循环次数。随着项目开发的积累，仿真信息知识库也能跟着不断迭代完善，仿真信息知识库中的数据会变得越来越准确，最终满足仿真的要求。

二、架构描述文档的解析方法

XMI文件是一种XML格式的文件，因此对其解析主要是解析该XML文件中关键元素，具体解析步骤如下：

a).找到XMI文件中UML:Diagram标签，获取其子节点UML:Diagram.element标签信息，用于对不同的UML图进行分类；

b).获取XMI中SequenceDiagram图类型，定位顺序图信息；

c).找到UML:Actor元素标签，解析出Actor元素，读取其XMI中的id和name，并将它们存储于SequenceEntity映射表；

d).找到UML:ClassifierRole元素标签，解析出模块元素，读取其XMI中的id和name，并将它们存储于SequenceEntity映射表；

e).找到UML:Class元素标签，解析出组合片段信息，读取其XMI中的id、name和ea_stype，并将它们存储于SeqFragment映射表，其中ea_stype中主要记录了该组合片段是何种类型，如循环、选择、并发等；

f).找到UML:Message元素标签，解析顺序图中所有的消息信息，读取其XMI中的id、name、sender、receiver以及由关系坐标组成的字符串coordinate，并将它们存储于SeqRelation映射表中，其中sender表示消息发出的模块，receiver表示消息接收的模块，coordinate表示消息边在顺序图中的位置；

g).解析模块关联的边。通过前面几步获得的一系列映射表，总结出各个模块关联的边。

h).解析消息被哪些组合片段包含，以及组合片段内含有的所有消息；

i).解析组合片段内包含的组合片段，以及组合片段被哪些组合片段包含；

j).至此，架构描述文档解析完毕。

三、顺序图仿真

顺序图主要描述了系统内部的交互逻辑，这一系列逻辑对于用户是黑盒的。因此顺序图的仿真主要仿真系统内部逻辑的时间资源消耗，其中资源主要分为内存和CPU。顺序图仿真首先需要将顺序图转化成执行图，转化步骤如下：

a).从上到下遍历顺序图，将顺序图中消息传递边转化成执行图的消息传递节点。

b).如果遇到组合片段，则将其分为组合片段开始节点、组合片段结束节点。

c).对节点中每个组合片段内部进行连接，内部连接过程中遇到其他组合片段的开始节点(即组合片段包含嵌套关系)，则直接跳到这些组合片段的结束节点处进行下一步连接。因为每个组合片段都会内部连接一遍，所以不存在未连接的组合片段。

d).对执行图的所有节点进行连接，此时如果连接的是组合片段开始节点，则下一步直接跳到组合片段结束节点处进行下一个节点的连接。最终整个顺序图合理转化为执行图。

最终转化得到的执行图等价于一个带环有向图，该有向图的一条完整路径即顺序图的一种执行情况，其中每个环路对应循环组合片段，根据循环的次数适时跳出循环；选择分支对应选择组合片段，选择组合片段的每一条分支都具有执行概率，根据这些执行概率来选择所要执行的分支；并发分支对应并发组合片段，由于并发的不确定性，目前方法用最坏情况代替并发执行情况，最坏情况即为所有路径按顺序一次执行。执行图中的消息传递节点具有时间和资源属性，在执行该节点时，需要统计执行该节点时消耗的时间数、执行该节点需要申请的内存数、CPU数，执行完该节点释放的内存数、CPU数。

然后运行这个执行图，获得该顺序图的时间资源消耗信息，这些信息包括如下内容，时间方面结果：

●最大运行时间：所有事件序列中最大运行时间；

●平均运行时间：所有事件序列运行时间的平均值；

●最大响应时间：所有事件序列中，模块间最大的响应时间；

●平均响应时间：所有事件序列中，模块间的响应时间平均值；

●时间消耗最大的模块：所有事件序列中，消耗时间最大的模块。

资源(分为CPU和内存)方面结果：

●累计资源利用量：所有事件序列资源利用量的平均值；

●资源利用平衡率：模块间累计资源利用量的方差；

●最大资源利用量及步骤：所有事件序列执行过程中，资源最大利用量及其执行步骤(考虑资源的申请及释放)，该执行步骤是某个事件序列的子集；

●单位时间资源利用量：所有事件序列平均单位时间资源利用量。

其中一个事件序列表示执行图的一种执行情况，也即顺序图的一种仿真情况。

顺序图仿真结果的作用：(1)为系统顺序图仿真提供仿真信息；(2)借助仿真信息，可以定位该系统的性能瓶颈，从而为架构性能提升提供帮助。

四、系统顺序图仿真

系统顺序图主要描述用户和整个系统间的交互，这一系列交互对于用户是可见的，并且是由用户主导交互的执行顺序。基于系统顺序图仿真用于仿真用户和系统的交互场景，该仿真过程与基于顺序图仿真类似，区别在于交互场景的仿真数据是由基于顺序图仿真结果提供。首先将系统顺序图转化为执行图，该转化方法与顺序图转化为执行图方法一样。

然后运行这个执行图，获得该系统顺序图的时间资源消耗信息，这些信息包括如下内容，时间方面结果：

●最大运行时间：所有交互序列中，用户与系统交互的最长时间；

●平均运行时间：所有交互序列所需要的平均时间；

●最大响应时间：所有用户操作中，系统对用户的最大响应时间；

●平均响应时间：所有用户操作中，系统对用户的平均响应时间。

资源(分为CPU和内存)方面结果：

●最大资源利用量：所有交互序列执行过程中，资源最大利用量，即找出当用户执行某一操作时，系统利用的资源数最大，该最大值即最大资源利用量；

●单位时间资源利用量：所有交互序列平均单位时间资源利用量。

其中每个交互序列由一系列用户操作组成，是系统顺序图的一种仿真情况。运行时间针对该场景整体时间消耗，响应时间针对组成该场景的各个操作时间消耗。

实施例：

为了方便描述，我们假定有如下的应用实施例：

本实施例仿真信息知识库的数据库表设计如下：

仿真信息知识库消息数据如下表，其中如果顺序图中消息名不在数据库中则默认是一个单位，单位时间为毫秒，单位内存为kb，单位CPU为单核百分比：

仿真信息知识库中选择组合片段数据如下：

segmentName	parameter
		noEvent	0.5
hasEvent	0.5

仿真信息知识库中循环组合片段数据如下：

segmentName	parameter
		loop	2

图3、图4描述了一个ATM系统的顺序图，其中图3为ATM启动操作顺序图，

图4为ATM关闭操作顺序图。图5为用户与该ATM交互的系统顺序图。

首先将顺序图转化成执行图，ATM启动操作顺序图(图3)转化成ATM启动操作执行图(图6)，ATM关闭操作顺序图(图4)转化成ATM关闭操作执行图(图7)。然后对这两个顺序图进行仿真。

对ATM启动操作进行仿真，该操作对应的事件序列只有一个，即switchOn→performStartup→getInitialCash→initialCash→setInitialCash→initial→openConnection→startNetwork。

对ATM关闭操作进行仿真，该操作对应的事件序列有两个，即switchOff→closeConnection→closeConnect→ack→performShutdown和switchOff→closeConnection→closeConnectLater→ack→performShutdown。

顺序图仿真结果如下，时间方面结果：

	ATM启动操作	ATM关闭操作
			最大运行时间	5704	2103
平均运行时间	5704	2053.5
			最大响应时间	3000	2000
平均响应时间	570.4	410.7
			时间消耗最大的模块	ATM	ATM

内存方面结果：

ATM启动操作

ATM关闭操作

累计内存利用量	5054	108.5
			内存利用平衡率	405207.69	293075.2
最大内存利用量	4020	10
			影响最大内存利用的瓶颈步骤	startNetwork	closeConnect
单位时间内存利用量	0.89	0.05

CPU方面结果：

	ATM启动操作	ATM关闭操作
			累计CPU利用量	50	9.5
CPU利用平衡率	16.44	18.4
			最大CPU利用量	26	2
影响最大CPU利用的瓶颈步骤	startNetwork	closeConnect
			单位时间CPU利用量	0.01	<0.005

有了顺序图仿真结果，再对系统顺序图(图5)转化成执行图(图8)，该交互场景中有一个交互序列，即sendMessage→startup→sendMessage→shutdown。其中人物发出的操作时间资源消耗忽略不计，因为这些动作跟机器无关，即只需要关注机器需要做的操作，而像人点击启动按钮等操作可以忽略。

对该系统顺序图进行仿真，时间方面结果：

最大运行时间	7807
		平均运行时间	7757.5
最大响应时间	5704
		平均响应时间	1939.38

内存方面结果：

最大内存利用量	4020
		单位时间内存利用量	0.67

CPU方面

最大CPU利用量	26
		单位时间CPU利用量	0.01

至此仿真结束，仿真所得的数据用于架构师分析架构是否存在问题，并对架构进行相应的改进。

应理解上述实施例仅用于说明本发明技术方案的具体实施方式，而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改和替换均落于本申请权利要求所限定的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于原型仿真的架构评价方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1)用统一建模语言工具Enterprise Architect设计软件架构的顺序图与系统顺序图，并将所述软件架构的顺序图与系统顺序图导出为XMI文件；

步骤2)对所述步骤1)导出的顺序图XMI文件进行解析，得到每一幅顺序图的特征信息，即模块名、模块间的消息传递边、消息传递边的顺序、组合片段类型、组合片段内部包含的消息传递边；

同时对所述步骤1)导出的系统顺序图XMI文件进行解析，得到系统顺序图的特征信息，即模块名、模块间的消息传递边、消息传递边的顺序、组合片段类型、组合片段内部包含的消息传递边；

步骤3)基于所述步骤2)解析得到的顺序图的特征信息，将每个顺序图分别转化成执行图，并从仿真信息知识库中读取顺序图各个操作所对应的时间、资源数以及组合片段信息，然后对生成的执行图进行仿真执行，并根据顺序图仿真原理，获得顺序图的时间资源消耗信息；

步骤4)基于系统顺序图仿真用于仿真用户和系统的交互场景，具体为：基于所述步骤2)解析得到的系统顺序图的特征信息，将系统顺序图转化为执行图，并从所述步骤3)得到的顺序图的时间资源消耗信息中获取系统顺序图所需要的仿真信息，进而对生成的执行图进行仿真执行，并根据系统顺序图仿真原理，获得该系统顺序图的时间资源信息。

2.根据权利要求1所述的基于原型仿真的架构评价方法，其特征在于，所述的步骤3)中，将顺序图转化为执行图的具体方法如下：

首先，将顺序图中消息传递边转化成执行图的消息传递节点，同时将顺序图中的组合片段转化为组合片段开始节点和组合片段结束节点；

然后对每个组合片段内部的节点进行连接，如果连接过程中遇到其他组合片段的开始节点，即组合片段之间存在嵌套关系时，则忽略这些其他组合片段的内部节点，从其结束节点处继续进行下一步连接；

最后对执行图的所有节点进行连接，在连接过程中，当连接到一个组合片段开始节点，则忽略该组合片段的内部节点，直接从该组合片段的结束节点处进行下一步的连接。

3.根据权利要求1或2所述的基于原型仿真的架构评价方法，其特征在于，所述的步骤3)和步骤4)中对生成的执行图进行仿真执行的具体方法为：

首先执行入度为零的节点，然后根据以下情况和原则进行后继执行：

a)后继节点为空，则执行图仿真执行结束；

b)后继节点为消息传递节点，则执行该消息传递节点，下一个执行节点为该消息传递节点的后继节点；

c)后继节点为选择组合片段开始节点，则该节点不予执行，下一个执行节点是随机选择的一个组合片段开始节点的后继节点；

d)后继节点为并发组合片段开始节点，则不予执行，下一个执行节点为并发组合片段开始节点的后继节点；

e)后继节点为循环组合片段开始节点，则不予执行，下一个执行节点为循环组合片段开始节点的后继节点；

f)如后继节点为循环组合片段结束节点，则不予执行，并且：

如果其前一个节点的遍历次数不大于循环组合片段的循环次数，则下一个执行节点为该循环组合片段开始节点，否则，下一个执行节点为循环组合片段结束节点的后继节点；

g)如后继节点为选择组合片段结束节点或并发组合片段结束节点，则不予执行，下一个执行节点为该组合片段结束节点的后继节点。

4.根据权利要求1或2所述的基于原型仿真的架构评价方法，其特征在于，所述的步骤4)中，根据以下规则，从所述步骤3)得到的顺序图的时间资源消耗信息中获取系统顺序图所需要的仿真信息：

a)顺序图仿真得到的最大运行时间用于交互场景最大运行时间仿真以及最大响应时间仿真；

b)顺序图仿真得到的平均运行时间用于交互场景的平均运行时间仿真以及平均响应时间仿真；

c)顺序图累计资源利用量用于交互场景的单位时间资源利用量仿真；

d)顺序图最大资源利用量用于交互场景的最大资源利用量仿真；

e)将顺序图最大资源利用量与顺序图执行结束时资源未释放数的差，映射为交互场景中对应操作的资源释放数。