一種支持MDA的基于EDM的軟件開發(fā)方式

肖文輝，劉洪星

(武漢理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430063)

1 MDA介紹

模型驅(qū)動架構(gòu)(model driven architecture，MDA)是由對象管理組織(object management group，OMG)提出的[1]。MDA 將信息系統(tǒng)抽象成計(jì)算無關(guān)模型(CIM)、平臺無關(guān)模型(PIM)和平臺相關(guān)模型(PSM)3個層次。

在傳統(tǒng)的軟件開發(fā)流程中通常會經(jīng)歷需求分析、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、編碼和測試等階段，如圖1所示。系統(tǒng)的模型和文檔主要在設(shè)計(jì)階段被創(chuàng)建，之后隨著編碼工作的開始，模型與代碼之間可能會出現(xiàn)不同步的問題[2]。

圖1 傳統(tǒng)的開發(fā)流程

不同于傳統(tǒng)的開發(fā)流程，MDA由系統(tǒng)的建模行為驅(qū)動，模型(而不是代碼)在系統(tǒng)開發(fā)流程中處于核心地位[3]，如圖2所示。在MDA的開發(fā)流程中，由PIM完成分析設(shè)計(jì)工作，而與具體的平臺和實(shí)現(xiàn)技術(shù)相關(guān)的PSM以及代碼，則可借助第三方轉(zhuǎn)換工具來完成。

圖2 MDA的開發(fā)流程

2 實(shí)體數(shù)據(jù)模型

實(shí)體數(shù)據(jù)模型(entity data model，EDM)是微軟實(shí)體框架(ADO.NET entity framework)的核心，它基于實(shí)體關(guān)系(ER)模型。EDM是一種構(gòu)建在ER模型之上的概念模型。EDM由CSDL(conceptual schema definition language)，SSDL(stores schema define language)，MSL(mapping schema language)3個部分組成，分別描述應(yīng)用程序業(yè)務(wù)層的實(shí)體和關(guān)系、邏輯模型的結(jié)構(gòu)、概念模型與邏輯模型之間的映射[4]。

在實(shí)體框架中，EDM處于一個包含中間件映射引擎的運(yùn)行環(huán)境中，該環(huán)境支持EDM與關(guān)系數(shù)據(jù)模型(RDM)之間的雙向映射。開發(fā)人員可以使用語言集成查詢 LINQ[5](language integrated query)或一種新的數(shù)據(jù)操作語言Entity SQL來操作EDM實(shí)例[6]。通過面向?qū)ο蟮姆绞綄?shù)據(jù)進(jìn)行操作，傳入的參數(shù)和得到的返回結(jié)果都是封裝好的對象，而不是單獨(dú)的字段值或一條一條的表記錄。另外，數(shù)據(jù)操作代碼和編程語言能較好地集成在一起，在代碼執(zhí)行之前，Visual Studio就可以檢測數(shù)據(jù)操作代碼在語法以及對象間的引用上是否存在錯誤。

EDM給概念模型帶來了新的生命力。開發(fā)人員能夠編寫代碼來操作EDM，然后依靠實(shí)體框架提供的工具將這些操作映射到特定的邏輯模型。這樣可以將應(yīng)用程序從關(guān)聯(lián)特定的邏輯模型中解放出來[7]，即使跨越多個數(shù)據(jù)引擎，應(yīng)用程序也能工作在一個穩(wěn)定的概念模型之上。

3 使用EDM實(shí)現(xiàn)MDA開發(fā)

在微軟的集成開發(fā)環(huán)境Visual Studio 2010中，其 ADO.NET Entity Framework不僅支持從EDM到RDM的雙向轉(zhuǎn)換，而且也支持EDM到OOM(C#代碼)的轉(zhuǎn)換。而MDA的核心問題正是模型轉(zhuǎn)換問題[8]，因此，Visual Studio為實(shí)現(xiàn)基于MDA的開發(fā)方式提供了可行性。

3.1 現(xiàn)有的開發(fā)方式

Visual Studio所支持的針對EDM進(jìn)行開發(fā)的流程如圖3所示，經(jīng)過需求分析和設(shè)計(jì)得到系統(tǒng)的RDM，然后使用工具將 RDM轉(zhuǎn)換為 EDM。EDM作為一種關(guān)系對象映射(ORM)，為上面的應(yīng)用程序提供以面向?qū)ο蟮姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)訪問的API，開發(fā)人員直接對EDM進(jìn)行編程，對EDM實(shí)例的操作將由EDM到RDM之間的映射規(guī)則自動更新到底層的RDM實(shí)例。

圖3 現(xiàn)有的開發(fā)方式

運(yùn)用現(xiàn)有的開發(fā)方式，開發(fā)人員不必關(guān)心底層數(shù)據(jù)庫的訪問細(xì)節(jié)，提升了軟件開發(fā)的效率，但這種開發(fā)方式并沒有充分發(fā)揮EDM作為“可執(zhí)行的概念模型”的作用，其原因如下:

(1)EDM作為概念模型，其建模功能并沒有體現(xiàn)出來，EDM只是作為一種ORM為應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，并不是一種類似于UML的可用來進(jìn)行系統(tǒng)建模的工具。

(2)這種開發(fā)方式首先得到的是RDM，然后再通過轉(zhuǎn)換得到EDM，這使系統(tǒng)開發(fā)之初就依賴于具體的邏輯模型。

(3)對于新出現(xiàn)的需求或變更，針對RDM而不是EDM進(jìn)行修改，則依然需要開發(fā)人員考慮與平臺相關(guān)的細(xì)節(jié)。

3.2 基于EDM的MDA開發(fā)方式

基于MDA的思想，筆者提出一種在Visual Studio中針對EDM進(jìn)行開發(fā)的新方式，如圖4所示。經(jīng)過需求分析，直接使用EDM進(jìn)行系統(tǒng)分析和建模。之后借助轉(zhuǎn)換工具將概念模型EDM轉(zhuǎn)換為平臺相關(guān)模型(如RDM)。應(yīng)用程序直接工作在EDM上，其對數(shù)據(jù)的操作將由轉(zhuǎn)換工具映射到底層的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。

圖4 基于MDA的開發(fā)方式

EDM作為一種平臺無關(guān)的概念模型，更貼近于系統(tǒng)的問題域，它能比RDM等平臺相關(guān)模型更準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)需求。這樣，軟件開發(fā)人員可以站在更高的抽象層次上分析和解決問題，更多地關(guān)注于系統(tǒng)的業(yè)務(wù)領(lǐng)域[9]，而不是具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和平臺。

在傳統(tǒng)的軟件開發(fā)流程中，需要在系統(tǒng)開發(fā)的不同時期建立不同的模型與文檔，這些模型和文檔是對同一問題的多次描述，會帶來重復(fù)勞動。當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，手動維護(hù)這些模型與文檔之間版本的同步，需要付出大量的時間。但這種基于MDA的開發(fā)方式，只需要建立EDM這一種概念模型，相應(yīng)的平臺相關(guān)模型和文檔可借助轉(zhuǎn)換工具去完成。EDM在系統(tǒng)開發(fā)生命周期中處于核心地位，系統(tǒng)開發(fā)的起點(diǎn)不是建立RDM或編寫代碼，而是設(shè)計(jì) EDM 概念模型[10－11]。若系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，只需在概念模型EDM上進(jìn)行修改，其他模型的更新和同步可借助相應(yīng)的模型轉(zhuǎn)換工具來進(jìn)行。

在基于MDA的開發(fā)方式中，EDM不僅是進(jìn)行概念建模的工具，而且貫穿于整個開發(fā)的始終，增強(qiáng)了概念模型的作用，是對MDA架構(gòu)更完整的實(shí)現(xiàn)。這種開發(fā)方式的優(yōu)點(diǎn)有:

(1)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，EDM作為一種概念建模工具進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)階段，EDM作為一種ORM為應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)訪問，使整個開發(fā)過程的環(huán)境得到統(tǒng)一。

(2)在整個開發(fā)過程中，開發(fā)人員始終面對的是EDM，不用過多地考慮底層具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和平臺，只需專注于業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)，EDM到OOM、RDM之間的轉(zhuǎn)換可借助工具完成。這樣，EDM簡化了系統(tǒng)的開發(fā)，也增強(qiáng)了系統(tǒng)在不同平臺下的可移植性。

(3)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的更改不再是針對代碼，而是直接在EDM上進(jìn)行，借助轉(zhuǎn)換工具來維護(hù)EDM到RDM和代碼之間的同步，避免由系統(tǒng)重構(gòu)帶來的混亂，減少重復(fù)勞動，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。

(4)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段得到的EDM，可復(fù)用到相近領(lǐng)域，在更高的層次上增強(qiáng)了系統(tǒng)的可重用性。

4 實(shí)例

筆者以一個網(wǎng)上銷售系統(tǒng)為例來演示這種基于MDA的開發(fā)流程。通過與傳統(tǒng)的ADO.NET的數(shù)據(jù)訪問方式進(jìn)行對比，體現(xiàn)使用EDM進(jìn)行開發(fā)的優(yōu)勢，并以一次系統(tǒng)重構(gòu)來說明使用基于MDA的EDM開發(fā)所帶來的靈活性。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，通過需求分析，獲取業(yè)務(wù)流程和規(guī)則，通過對業(yè)務(wù)規(guī)則的分析，抽取出相關(guān)的核心實(shí)體。然后在Visual studio中建立EDM模型，如圖5所示，抽取出4個實(shí)體:顧客、訂單、訂單項(xiàng)和商品，實(shí)體之間的關(guān)系有一對一，一對多。

圖5 網(wǎng)上銷售系統(tǒng)EDM模型

利用Visual Studio中提供的功能將EDM轉(zhuǎn)換為SQL語句并生成RDM。在轉(zhuǎn)換過程中，Visual Studio根據(jù)EDM與SQL Server數(shù)據(jù)庫之間的映射規(guī)則，將EDM中的實(shí)體轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)庫中的表，將EDM實(shí)體間的關(guān)系轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)庫表之間的關(guān)系，并自動建立主碼、外碼。在數(shù)據(jù)庫中生成如圖6所示的RDM。

在系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)階段，相對于傳統(tǒng)的ADO.NET的數(shù)據(jù)訪問方式，使用EDM之后所需的代碼量將大大減少。一方面，實(shí)體框架會自動生成與EDM實(shí)體對應(yīng)的實(shí)體類，該實(shí)體類的結(jié)構(gòu)由實(shí)體框架自動維護(hù)，并與EDM實(shí)體保持同步，對EDM結(jié)構(gòu)的更改可以立即在實(shí)體類代碼中得到更新。另一方面，EDM屏蔽了底層的數(shù)據(jù)訪問細(xì)節(jié)，省去了傳統(tǒng)訪問方式中連接數(shù)據(jù)庫、打開連接、數(shù)據(jù)訪問和關(guān)閉連接等繁瑣且重復(fù)的操作。

圖6 網(wǎng)上銷售系統(tǒng)RDM

在實(shí)體框架中，每個EDM對應(yīng)于一個對象上下文(ObjectContext)，它是所有實(shí)體對象的容器，對所有實(shí)體對象的生命周期進(jìn)行管理，自動記錄當(dāng)前正在使用的實(shí)體對象的狀態(tài)，并在最后提交時將對象持久化到數(shù)據(jù)庫中。ObjectContext為應(yīng)用程序提供了訪問實(shí)體對象的接口，因此，對數(shù)據(jù)進(jìn)行的各種操作都是面向?qū)ο蟮?，解決了阻抗不匹配的問題。

例如，下面的數(shù)據(jù)訪問代碼段，統(tǒng)計(jì)某個顧客的消費(fèi)總額。只需將Customer對象作為參數(shù)輸入，使用對象間的關(guān)系來進(jìn)行查詢和統(tǒng)計(jì)。之后，ObjectContext會自動將相應(yīng)的操作映射到底層數(shù)據(jù)庫中。

若使用傳統(tǒng)的ADO.NET的方式來實(shí)現(xiàn)，則需要使用如下的SQL語句，進(jìn)行三層嵌套查詢，編寫類似的代碼，要求開發(fā)人員非常熟悉SQL語法，且在程序代碼中無法對SQL語句進(jìn)行語法和語義上的檢測，編寫起來容易出錯，不便于測試，效率比較低。

如果在系統(tǒng)開發(fā)完成后，出現(xiàn)一個新的需求，如為了吸引顧客，系統(tǒng)對VIP貴客實(shí)行打折優(yōu)惠，需要在原有顧客的基礎(chǔ)上建立一批VIP顧客。使用基于MDA的開發(fā)方式，可直接在EDM上對概念模型進(jìn)行重構(gòu)。通過對新需求的分析，在原有的EDM中添加一個新的繼承自Customer實(shí)體的VIPCustomer實(shí)體，如圖7所示。在修改EDM后，將EDM轉(zhuǎn)換為新的RDM(目前，Visual Studio還不支持EDM到RDM的自動實(shí)時更新，需要先導(dǎo)出為SQL然后在數(shù)據(jù)庫里執(zhí)行得到新的RDM)。對于EDM上原有的C#程序代碼，ObjectContext會自動添加VIPCutomer實(shí)體類，這些更新不會影響原有的程序代碼。在程序中可直接操作ObjectContext中的VIPCutomer對象，不必關(guān)心底層數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化。

圖7 系統(tǒng)重構(gòu)之后的網(wǎng)上銷售系統(tǒng)EDM

若使用原有的開發(fā)方式，則需要在數(shù)據(jù)庫里添加額外的字段或者增加一個新的表來記錄VIP顧客的信息，由于RDM中不支持繼承的概念，因此它沒有EDM對這一需求描述得直觀和清晰。更改數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)需要開發(fā)人員熟悉關(guān)系數(shù)據(jù)庫的操作和關(guān)系模式的設(shè)計(jì)，并且更改底層的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)可能會引起上面應(yīng)用程序的變化，這將增加系統(tǒng)重構(gòu)的工作量。

5 結(jié)論

基于MDA的開發(fā)方式使軟件開發(fā)的抽象級別進(jìn)一步得到了提高。筆者提出了一種基于MDA的開發(fā)方式，使EDM處于系統(tǒng)開發(fā)的核心地位，并貫穿于整個開發(fā)周期。這樣，EDM作為概念模型的作用得到了增強(qiáng)，能更好地支持MDA，并豐富了EDM的使用方式。

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