基于Atlas語言的數(shù)據(jù)庫模型轉(zhuǎn)換方法的研究

張 博，李亞芬，王 普

(北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京100124)

0 引言

模型驅(qū)動架構(gòu) (model driven architecture，MDA)［1］是由對象管理組織 (object management group，OMG)提出的一個(gè)軟件開發(fā)過程和方法，它定義了平臺無關(guān)模型 (platform independent model，PIM)和平臺相關(guān)模型 (platform specific model，簡稱PSM)，其核心思想是以模型作為整個(gè)軟件開發(fā)過程的中心，根據(jù)不同的開發(fā)階段，使用不同抽象層次的模型對系統(tǒng)進(jìn)行分析、提煉和獲取相關(guān)的信息，如圖1所示。

MDA的思想是將系統(tǒng)中的元素都看作一個(gè)模型或者一個(gè)模型元素，并且它們可以依照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行組合，在更高的層次上實(shí)現(xiàn)軟件的復(fù)用。這種開發(fā)模式的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在，模型貫穿于整個(gè)軟件開發(fā)過程中，需求變更首先會體現(xiàn)在模型的變化上，而代碼也是由模型自動生成的，所以這種開發(fā)模式不但可以提高軟件開發(fā)效率，還可以將模型作為后期維護(hù)與系統(tǒng)再開發(fā)的可靠依據(jù)?？梢奙DA在一定程度上解決了傳統(tǒng)軟件開發(fā)所面臨的種種問題，旨在降低系統(tǒng)中業(yè)務(wù)與技術(shù)的耦合，提高了系統(tǒng)的可移植性和可維護(hù)性。

圖1 MDA設(shè)計(jì)模式

在設(shè)計(jì)一個(gè)Web系統(tǒng)時(shí)，數(shù)據(jù)庫的建設(shè)是一個(gè)重要部分。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)方法是直接建立ER模型 (entityrelation模型，ER模型)來描述系統(tǒng)，如采用PowerDesigner等工具。由此方法可以靈活地創(chuàng)建健壯的數(shù)據(jù)模型，但是它沒有采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行描述，忽略了軟件系統(tǒng)的業(yè)務(wù)因素和需求對數(shù)據(jù)的影響，直接根據(jù)需求分析得到數(shù)據(jù)庫模型，由于跨度比較大，容易造成設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫與客戶所需要的模型有較大的出入［2］。而面向?qū)ο蟮慕７椒梢詮男枨蠓治龅慕嵌瘸霭l(fā)，循序漸進(jìn)地構(gòu)造模型，即從需求分析得到UML模型，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到數(shù)據(jù)庫模型，這種建模方法不易產(chǎn)生設(shè)計(jì)人員與客戶之間對數(shù)據(jù)庫理解的差異。

本文針對以上問題，提出一種基于元模型的UML模型到數(shù)據(jù)庫模型的轉(zhuǎn)換方法。采用MDA思想，在建立系統(tǒng)面向?qū)ο蟮腢ML模型的同時(shí)，將模型中的關(guān)聯(lián)關(guān)系、約束等信息提取出來進(jìn)行抽象描述，再通過ATL自動地轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)庫模型。

1 基于MDA的模型轉(zhuǎn)換

1.1 模型轉(zhuǎn)換原理

模型是MDA的核心。在UML中，可以使用類、屬性、關(guān)聯(lián)、狀態(tài)等元素描述一個(gè)完整的軟件系統(tǒng)。模型是系統(tǒng)的抽象，它比實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)更容易獲取、理解和計(jì)算，確定一個(gè)將要在PIM到PSM的轉(zhuǎn)換中使用到的元模型是一個(gè)艱巨的任務(wù)。不同層面的模型間的相互關(guān)系是符合元模型機(jī)構(gòu)(meta object facility，MOF)標(biāo)準(zhǔn)的。MOF元對象設(shè)施是OMG組織提出的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，它是自描述的，所有的建模語言 (如UML等)都是MOF的實(shí)例。

1.2 模型轉(zhuǎn)換具體流程

模型不僅僅是帶標(biāo)記的導(dǎo)向圖，還包括一些基于元模型的精確描述和附加屬性。從元模型的觀點(diǎn)來看，PIM和PSM都沒有一個(gè)唯一的元模型，模型轉(zhuǎn)換就是將一種元模型中所定義的元類轉(zhuǎn)換到另一種元模型定義的元類上。

本文以Web信息管理系統(tǒng)為例來說明UML模型到關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型的轉(zhuǎn)換。在MDA框架下模型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)首先建立用UML類圖描述的PIM，由UML的基本元素:類、屬性、屬性類型、關(guān)聯(lián)關(guān)系、繼承關(guān)系等構(gòu)成。之后細(xì)化PIM模型的操作，再轉(zhuǎn)化為關(guān)系數(shù)據(jù)庫類型的PSM模型。具體的轉(zhuǎn)換規(guī)則就是將上述的映射規(guī)則定義成可操作的代碼，通過轉(zhuǎn)換引擎調(diào)用這些規(guī)則進(jìn)行模型的轉(zhuǎn)換。最后將PSM模型輸入到代碼生成器中，用戶就可以得到所需要的數(shù)據(jù)庫操作代碼，具體流程如圖2所示。

圖2 模型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)流程

1.3 模型轉(zhuǎn)換方法

當(dāng)前MDA正處于發(fā)展階段，模型轉(zhuǎn)換方法有很多種。例如:手動轉(zhuǎn)換方法 (人為地對源模型中的元素進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到目標(biāo)模型)、基于規(guī)則的模型轉(zhuǎn)換［3］、基于模板的代碼生成技術(shù) (例如AndroMDA)、基于關(guān)系代數(shù)的模型轉(zhuǎn)換(將模型轉(zhuǎn)換表達(dá)為一個(gè)二元關(guān)系或者一組二元關(guān)系)［4］、基于元模型映射的模型轉(zhuǎn)換 (進(jìn)行M1層模型轉(zhuǎn)換時(shí)，以M2層的模型元素的映射作為轉(zhuǎn)換規(guī)則來執(zhí)行轉(zhuǎn)換)［5］、基于模式的模型轉(zhuǎn)換［6］、以及基于模型編織技術(shù)［7］等。

本文在研究基于MDA的UML模型到數(shù)據(jù)庫模型的轉(zhuǎn)換中，使用的轉(zhuǎn)換是以元模型為基礎(chǔ)的，采用Atlas轉(zhuǎn)換語言進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

1.4 Atlas轉(zhuǎn)換框架

Atlas屬于開源的項(xiàng)目，其轉(zhuǎn)換框架如圖3所示。

圖3 Atlas轉(zhuǎn)換框架

圖3 中的每個(gè)元素在MDA中都起著重要的作用。MOF是建立元模型的過程中行之有效的元元模型。PIM反映了系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)和行為。PSM則更加注重實(shí)現(xiàn)，是對應(yīng)于給定平臺的PIM的一個(gè)模型描述。源模型和目標(biāo)模型是符合這些元模型的模型實(shí)例。模型轉(zhuǎn)換是通過一個(gè)轉(zhuǎn)換引擎執(zhí)行轉(zhuǎn)換規(guī)則來完成的，轉(zhuǎn)換規(guī)則制定如何從源模型生成目標(biāo)模型［8］。一個(gè)完整的Atlas模型轉(zhuǎn)換程序需要4個(gè)文件:源元模型a、目標(biāo)元模型b、源模型、模型轉(zhuǎn)換實(shí)例。通過轉(zhuǎn)換生成的模型就是我們得到的目標(biāo)模型。

2 基于元模型的模型轉(zhuǎn)換描述

通過上面的論述，只有在定義了完整的源元模型、目標(biāo)元模型、模型轉(zhuǎn)換規(guī)則和源模型的基礎(chǔ)上，才能得到目標(biāo)模型。因此，下面將逐一對上述模型進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，并通過實(shí)例進(jìn)行描述。

2.1 源元模型的設(shè)計(jì)

依據(jù)元模型自描述的特征，本文用UML類圖來描述UML元模型。模型包括類、數(shù)據(jù)類型、屬性、操作、關(guān)聯(lián)等基本元素［9］。模型中的Class類和DataType類均繼承自抽象類Classifier，其中最主要的類是Class類，它包括一組Attribute類型的屬性，一組Operation類型的操作以及類之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系集合。類DataType為原始的建模數(shù)據(jù)類型，如圖4所示。

圖4 UML元模型

2.2 源模型的設(shè)計(jì)

上述UML元模型是對系統(tǒng)的抽象描述，提取了系統(tǒng)中的類和關(guān)系。本文將針對北京市重點(diǎn)學(xué)科系統(tǒng)進(jìn)行分析，依照UML元模型，建立其具體的模型描述。該系統(tǒng)中主要包含如部門Depart、部門主管Authority、學(xué)科Category、學(xué)科主管Director、一級學(xué)科One_dpl、二級學(xué)科Two_dpl等多個(gè)對象，每個(gè)對象擁有自己的屬性，對象之間存在一對多，多對多等關(guān)聯(lián)關(guān)系，例如一個(gè)部門有一到多個(gè)主管，多個(gè)部門可以對應(yīng)多個(gè)學(xué)科、一級學(xué)科包含多個(gè)二級學(xué)科等等，這種關(guān)聯(lián)關(guān)系用直線描述，在直線兩端的數(shù)字表示數(shù)量關(guān)系。同時(shí)，在UML模型的Operation中加入CHECK操作對對象的屬性進(jìn)行約束，這樣可以限制其取值范圍或格式。源模型的UML模型如圖5所示。

2.3 目標(biāo)元模型的設(shè)計(jì)

如圖6所示，本文研究的目標(biāo)是自動生成數(shù)據(jù)庫模型，因此目標(biāo)元模型的設(shè)計(jì)就是數(shù)據(jù)庫元模型。關(guān)系數(shù)據(jù)庫元模型也是由UML模型中的類進(jìn)行描述的。在這個(gè)模型中的5個(gè)主要類別:表，列，鍵，外鍵和SQL數(shù)據(jù)類型。它們對應(yīng)到數(shù)據(jù)庫中的相應(yīng)元素。主要的類是Table類，代表數(shù)據(jù)庫的表，它包括一組列Column和對鍵Key的引用，Column通過鍵Key定義數(shù)據(jù)庫的外鍵關(guān)系。列Column具有對數(shù)據(jù)類型SQLDataType的引用，表示列中數(shù)據(jù)所使用的數(shù)據(jù)類型。

2.4 模型轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)

2.4.1 總體設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)了上述兩個(gè)元模型的基礎(chǔ)上，定義這兩個(gè)模型之間的映射關(guān)系，即UML到數(shù)據(jù)庫模型的映射。圖7顯示了從UML元模型到數(shù)據(jù)庫元模型的完整映射。映射通過一組規(guī)則，指定源元模型 (即UML元模型)中的各個(gè)元素映射到目標(biāo)元模型 (即數(shù)據(jù)庫元模型)中各個(gè)元素［10］。在圖中，兩個(gè)元模型的映射使用圖形符號“○”來表示，UML元模型在左側(cè)，映射在中間，數(shù)據(jù)庫元模型在右側(cè)。此圖形符號包含以下內(nèi)容:連接 (源和目標(biāo))，關(guān)聯(lián)關(guān)系，轉(zhuǎn)換規(guī)則和組成。一個(gè)連接表示一個(gè)或多個(gè)元模型元素之間的轉(zhuǎn)換規(guī)則。轉(zhuǎn)換規(guī)則將元模型通過轉(zhuǎn)換，得到適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)元模型中的元素。最后，使用Atlas模型轉(zhuǎn)換語言來對上述的轉(zhuǎn)換規(guī)則進(jìn)行編寫，便得到轉(zhuǎn)換規(guī)則的代碼描述，.atl為文件后綴。如圖7所示。

圖5 系統(tǒng)源模型

2.4.2 轉(zhuǎn)換規(guī)則設(shè)計(jì)

基于對應(yīng)用程序或數(shù)據(jù)庫的需求，模型會不斷的變化，因此很有必要在UML模型和數(shù)據(jù)庫模型之間建立映射規(guī)則，確保當(dāng)發(fā)生需求變更時(shí)，僅需要對源模型進(jìn)行修改，即可自動體現(xiàn)在目標(biāo)模型上。

本文將規(guī)則設(shè)計(jì)為兩部分:直接映射規(guī)則和間接映射規(guī)則。直接映射規(guī)則代表的是轉(zhuǎn)換過程中無需進(jìn)行操作，直接生成對應(yīng)的模型元素，主要包括4個(gè)方面。

(1)主鍵 (FK):對象標(biāo)識符映射為數(shù)據(jù)庫主鍵，

所有的外鍵都設(shè)計(jì)為對主鍵的引用。

(2)數(shù)據(jù)類型 (DataType):UML元模型中的

DataType代表了在類圖中所定義的屬性的數(shù)據(jù)類型，它映射到數(shù)據(jù)庫元模型中，就轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)類型，即SQLDataType。

(3)列 (Column):UML模型中的屬性映射為數(shù)據(jù)

庫中的列，屬性的數(shù)據(jù)類型即數(shù)據(jù)庫中的SQLData-Type。

(4)約束:UML模型中的Operation操作中定義的

對屬性的約束，將會映射為數(shù)據(jù)庫中列的約束，CHECK在數(shù)據(jù)庫中可以約束該列設(shè)定值的取值范圍及格式。

間接映射規(guī)則代表的是無法由UML模型直接生成目標(biāo)模型元素。需要在對映射元素進(jìn)行判斷后執(zhí)行規(guī)則，間接映射主要涉及到兩個(gè)主要方面:類的映射和關(guān)聯(lián)關(guān)系的映射。

(1)類的映射:將類映射為關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的表時(shí)，需要對類之間的繼承關(guān)系進(jìn)行分析處理。繼承關(guān)系的處理方法取決于在數(shù)據(jù)庫中怎樣組織類中被繼承的屬性。首先，將所有的類都映射為數(shù)據(jù)庫中的表。這種方法為每個(gè)超類和子類都創(chuàng)建一張表，這些表共享一個(gè)公共的主鍵。如果存在繼承關(guān)系，則將超類的屬性下移，每個(gè)子類對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表中既包含該子類中的屬性，也包含該子類所繼承的屬性。超類不映射為數(shù)據(jù)庫表，這樣就減少了數(shù)據(jù)庫表的數(shù)量，訪問速度有所提升。

(2)關(guān)聯(lián)關(guān)系的映射:數(shù)據(jù)庫模型中的關(guān)系是通過Key來描述的。Foreign Key是在一張表中出現(xiàn)的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)屬性，它是另一張Table的Key的一部分，或者是另一張Table的Key。Foreign Key讓一張表中的一行與另一張表中的一行相關(guān)起來。如果要實(shí)現(xiàn)一對一或者一對多的關(guān)系，只需要將一張Table包含另一張Table的Key。

在模型轉(zhuǎn)換的過程中，我們在源模型中定義了一個(gè)參數(shù)MultiValue，如果MultiValue=ture，那么表示該表和其他表具有一對多或者多對多的關(guān)系，如果沒有此參數(shù)，則表示該表和其他表僅是一對一的關(guān)系，在轉(zhuǎn)換規(guī)則中將分別對這些轉(zhuǎn)換進(jìn)行定義［11］。

下面以學(xué)科管理Web應(yīng)用系統(tǒng)中的單位機(jī)構(gòu)和學(xué)科門類為例來說明關(guān)聯(lián)關(guān)系的映射:

多對多關(guān)聯(lián)的映射:鑒于數(shù)據(jù)庫的3個(gè)范式，多對多關(guān)聯(lián)的實(shí)現(xiàn)并不能用兩張表來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，因此需要建立一張關(guān)聯(lián)表。關(guān)聯(lián)表是一張獨(dú)立的表，它用于在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中維護(hù)兩張或多張表之間的關(guān)聯(lián)。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，關(guān)聯(lián)表中包含的屬性是關(guān)系中涉及到的表中的鍵的組合。關(guān)聯(lián)表的名字是它所關(guān)聯(lián)的表的名字的組合，或者是它實(shí)現(xiàn)的關(guān)聯(lián)的名字。圖8說明了如何在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中實(shí)現(xiàn)多對多的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖8 多對多關(guān)聯(lián)的映射

一對多關(guān)聯(lián)的映射映射:如圖9所示，在實(shí)現(xiàn)一對多關(guān)聯(lián)時(shí)，設(shè)置MultiValue=ture，將外鍵Foreign Key放置在“多”的一方，角色作為外鍵屬性名的一部分。外鍵的空與非空由對1的強(qiáng)制性決定。

圖9 一對多關(guān)聯(lián)的映射

3 目標(biāo)模型的生成

3.1 轉(zhuǎn)換規(guī)則代碼

針對圖7列出的映射關(guān)系對照圖，采用Atlas轉(zhuǎn)換語言對其一一進(jìn)行描述，得到轉(zhuǎn)換規(guī)則代碼。由于篇幅所限，這里給出模型轉(zhuǎn)換的代碼片段:

module UML2Database;

create OUT:Database from IN:UML;

rule Class2Table;

rule DataTypeAttribute2Column{

from

a:UML!Attribute(

a.type.oclIsKindOf (UML! DataType ) and not a.multiValued

)

to

out:Database!Column(

name＜ － a.name，

type＜－a.type

)}…

…

rule Attribute2Column{

from

a:Class!Attribute(

a.type.oclIsKindOf(Class!Class)and not a.multi Valued

)

to

out:Relational!Column(

name ＜ － a.name+ ＇Id＇，

type＜－thisModule.objectIdType

)}

通過執(zhí)行轉(zhuǎn)換規(guī)則，源模型按照相關(guān)映射關(guān)系，得到了目標(biāo)模型，即數(shù)據(jù)庫模型，它是XMI格式描述的，用UML圖形化表示后，如圖10所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

由UML設(shè)計(jì)的源模型經(jīng)過ATL轉(zhuǎn)換，得到了數(shù)據(jù)庫目標(biāo)模型。它們分別用數(shù)據(jù)庫的表，列，主鍵，外鍵來描述整個(gè)系統(tǒng)，是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。對于源模型中的多重關(guān)系，生成了新的關(guān)聯(lián)關(guān)系表，用名稱_名稱表示，里面包含關(guān)聯(lián)的基本信息。由生成的目標(biāo)模型可以看出，UML類圖中的每個(gè)元素均按照對應(yīng)的轉(zhuǎn)換規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)換。源模型中存在5個(gè)關(guān)聯(lián)，因此生成了5個(gè)關(guān)聯(lián)關(guān)系表。

4 結(jié)束語

U M L對象模型在本質(zhì)上只是一個(gè)擴(kuò)展的實(shí)體－關(guān)系(ER)模型，它強(qiáng)調(diào)的是面向?qū)ο蟮挠^點(diǎn)，同時(shí)，ER模型現(xiàn)在已被普遍接受，所以在面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)中，U M L使得軟件和數(shù)據(jù)庫使用相同的模型一起工作，保證了系統(tǒng)的一致性設(shè)計(jì)。本文探討了在MDA中使用建立數(shù)據(jù)庫模型的方法，分析了在元模型的基礎(chǔ)上UML模型與關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型之間的映射關(guān)系，并使用Atlas轉(zhuǎn)換語言對其進(jìn)行代碼級的描述。在下一步工作中，應(yīng)考慮更多模型的復(fù)雜性，不斷完善模型間的映射關(guān)系，進(jìn)一步提高模型轉(zhuǎn)換的精度和完整性，針對更多業(yè)務(wù)領(lǐng)域編寫相關(guān)的模型及模型轉(zhuǎn)換實(shí)例。

圖10 目標(biāo)數(shù)據(jù)庫模型

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