一種優(yōu)化的面向?qū)ο筌浖?fù)雜性度量方法

謝超超，楊 柳

（中南大學(xué) 軟件學(xué)院，湖南 長沙 410000）

軟件的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，軟件的質(zhì)量也越來越受到關(guān)注和重視。軟件復(fù)雜性很大程度上影響到軟件質(zhì)量的好壞，其度量是軟件度量的重要方面。隨著面向?qū)ο筌浖夹g(shù)的廣泛應(yīng)用，面向?qū)ο筌浖?fù)雜性度量也顯得尤為重要。面向?qū)ο蠖攘康幕灸繕?biāo)[1]和已存在的傳統(tǒng)軟件度量的目標(biāo)一致：即更好地理解產(chǎn)品的質(zhì)量，評(píng)估過程的效果，從而控制開發(fā)過程，以提高軟件質(zhì)量。

當(dāng)前，已有很多面向?qū)ο筌浖攘糠椒ū惶岢?，并在不斷被?yàn)證及成熟。這些度量方法包括LK度量[2]、CK度量[3]、Li度量[4]和 MOOD度量[5]等。但是這些度量方法依然存在缺陷，需要不斷進(jìn)行研究和改進(jìn)，以使這些度量更易于應(yīng)用，從而更好地指導(dǎo)面向?qū)ο筌浖脑O(shè)計(jì)、開發(fā)，提高軟件質(zhì)量[6]。

本文分析了針對(duì)類層面的CK度量和針對(duì)系統(tǒng)層面的MOOD度量。這兩種度量都只是分散地針對(duì)軟件的某一個(gè)特定層面進(jìn)行，在實(shí)際應(yīng)用過程中，難以讓人們同時(shí)綜合類與類之間關(guān)系和系統(tǒng)級(jí)別這兩個(gè)層次的度量，致使無法更加系統(tǒng)全面地掌握軟件系統(tǒng)的復(fù)雜度。因此本文在分析CK度量和MOOD度量的基礎(chǔ)上，對(duì)CK度量進(jìn)行改進(jìn)，提出優(yōu)化的度量方法OCK（Optimized CK），并與MOOD度量相結(jié)合，提出了一個(gè)較為優(yōu)化的面向?qū)ο筌浖?fù)雜性度量方法OSCM（Optimized Software Complexity Metrics），以方便人們更快捷、有效地分析面向?qū)ο筌浖到y(tǒng)的復(fù)雜度。

1 面向?qū)ο筌浖攘糠椒?/h2>

自20世紀(jì)90年代以來，面向?qū)ο蠹夹g(shù)興起并被廣泛應(yīng)用起來，人們逐漸開始研究有關(guān)面向?qū)ο筌浖亩攘縖7]。不斷有面向?qū)ο筌浖攘糠椒ū惶岢?，目前主要的面向?qū)ο筌浖攘糠椒ㄓ校篖K度量、CK度量、Li度量以及MOOD度量等。本文介紹面向?qū)ο筌浖?fù)雜性度量：CK度量和MOOD度量。

1.1 CK度量

Chidamber和Kemerer等人于1994年提出的CK度量[3]，是目前使用最為廣泛的度量體系之一，是面向?qū)ο筌浖惣?jí)別度量方法，其中包括6條適用于面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的度量準(zhǔn)則[8]。

（1）每類加權(quán)方法數(shù) WMC（Weighted Method per Class）。WMC是一個(gè)類方法復(fù)雜度的加權(quán)總和。類WMC越大，對(duì)子類的可能影響越大，但其通用性和可復(fù)用性越差。

（2）繼承樹 深 度 DIT （Depth of Inheritance Tree）。DIT指從本類節(jié)點(diǎn)到根節(jié)點(diǎn)的繼承樹中路徑的最大深度，根節(jié)點(diǎn)值為0，以下各級(jí)依次遞增。DIT值越大，則其可能繼承方法數(shù)越多，復(fù)用程度越高，但預(yù)測(cè)其行為將更困難，同時(shí)設(shè)計(jì)越復(fù)雜。

（3）每類孩子數(shù) NoC（Number of Children）。 NOC 是繼承樹中一個(gè)類的直接孩子數(shù)。NOC越大，重用性越好，但其父類抽象性減弱，測(cè)試越困難。

（4）對(duì) 象 類 之 間 耦 合 度 CBO （Coupling Between Object Classes）。一個(gè)類的CBO指的是和其有耦合關(guān)系的類的數(shù)目。CBO越大，則類的可重用性越弱，且修改和測(cè)試越復(fù)雜。

（5）類響應(yīng) RFC（Response For a Class）。 RFC 是本類方法數(shù)加上被本類方法調(diào)用的方法的個(gè)數(shù)總和。RFC越大，類越復(fù)雜，且對(duì)該類進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試也越困難。

（6）方法內(nèi)聚缺乏度 LCOM （Lack of Cohesion in Methods）。LCOM是相似度為零的方法對(duì)數(shù)量減去相似度不為零的方法對(duì)數(shù)量，相似度是兩個(gè)方法訪問相同屬性的程度。類的LCOM越大，方法內(nèi)聚度越弱，則類可以分解為兩個(gè)或更多的子類。

1.2 MOOD度量

MOOD度量是另一個(gè)著名的度量體系，是由Abreu等人于1994年針對(duì)軟件系統(tǒng)層次提出的[5]。MOOD度量從面向?qū)ο蟮姆庋b性、繼承性、耦合性和多態(tài)性4個(gè)方面給出面向?qū)ο筌浖?個(gè)度量指標(biāo)。

（1）封裝性度量。封裝性由類中的屬性和方法實(shí)現(xiàn)，因此封裝性通過屬性隱藏因子AHF（Attribute Hiding Factor）和方法隱藏因子 MHF（Method Hiding Factor）表示系統(tǒng)中所有類的屬性和方法的隱藏程度。隱藏因子的值越大，系統(tǒng)中信息隱藏得越好。

（2）繼承性度量。繼承性通過屬性繼承因子AIF（Attribute Inheritance Factor）和 方 法 繼 承 因 子MIF（Method Inheritance Factor）表示系統(tǒng)中所有類的屬性和方法的繼承程度。繼承因子的值越大，系統(tǒng)中信息繼承的程度越高。

（3）耦合性度量。耦合性通過耦合因子CF（Coupling Factor）表示系統(tǒng)中所有類之間的耦合程度，但不將繼承關(guān)系考慮進(jìn)去。CF越大，類之間耦合越頻繁。

（4）多態(tài)性度量。多態(tài)性通過多態(tài)因子PF（Polymorphism Factor）表示系統(tǒng)中所有類方法使用多態(tài)機(jī)制的程度。

2 面向?qū)ο筌浖?fù)雜性度量方法

面向?qū)ο筌浖?fù)雜性度量方法雖已得到發(fā)展和完善，但依舊存在一定的缺陷。首先分析CK度量的不足，并在CK度量的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)的度量方法OCK。然后結(jié)合OCK度量和MOOD度量的優(yōu)點(diǎn)從而提出較為優(yōu)化的面向?qū)ο筌浖?fù)雜性度量OSCM。

2.1 CK度量的分析與改進(jìn)

（1）WMC只考慮方法成員，沒有考慮屬性成員對(duì)類復(fù)雜性的影響[9]，也沒有根據(jù)類成員可見性的不同區(qū)別看待各成員對(duì)類復(fù)雜性的影響，類公有成員，保護(hù)成員和私有成員各自對(duì)類復(fù)雜性影響程度大小不同。因此，在WMC的基礎(chǔ)上提出類的復(fù)雜性CPC（Complexity Per Class）度量指標(biāo)。

式中 a、b、c、d、e 為調(diào)節(jié)因子，a、b 可以適當(dāng)?shù)胤从吵鰧傩院头椒▽?duì)類復(fù)雜性的影響程度不一樣；c、d、e則可以反映出公有成員，保護(hù)成員和私有成員對(duì)類復(fù)雜性的不同影響程度，這些值是通過大量的類復(fù)雜性度量實(shí)踐獲取的經(jīng)驗(yàn)值， 且 ad>e。WAC（Weighted Attributes per Class）是每類加權(quán)屬性數(shù)，WACu是加權(quán)公有屬性數(shù)，WACo是加權(quán)保護(hù)屬性數(shù)，WACv是加權(quán)私有屬性數(shù)，WMCu是加權(quán)公有方法數(shù)，WMCo是加權(quán)保護(hù)方法數(shù)，WMCv是加權(quán)私有方法數(shù)。CPC值越大，類越復(fù)雜，其通用性和可復(fù)用性越差。

（2）DIT無法度量多重繼承，遇到多重繼承時(shí)會(huì)出現(xiàn)歧義[6]。而且當(dāng)考慮多重繼承時(shí)，僅根據(jù)繼承樹深度難以全面地判斷類繼承復(fù)雜性，還需要結(jié)合類的祖先類個(gè)數(shù)來進(jìn)行分析，故提出多重繼承樹復(fù)雜性CMIT（Complexity of Multi-Inheritance Tree）度量指標(biāo)。

式中a、b為調(diào)節(jié)因子，可以表示多重繼承樹深度DMIT（Depth of Multi-Inheritance Tree）和祖先類數(shù)目 NOF（Number Of Fathers）對(duì)CMIT值的影響程度大小。DMITi是指本類的每個(gè)父類的DMIT值，繼承樹根節(jié)點(diǎn)的DMIT值為0，max為取最大值函數(shù)。NOFi是指本類的每個(gè)父類的NOF值，本類中沒有任何父類時(shí)，其NOF值為 0。CMIT綜合考慮了多重繼承樹深度和祖先類數(shù)目兩個(gè)因子，其值越大，則復(fù)用程度越高，但不可預(yù)測(cè)性也越高。

（3）NOC只計(jì)算了直接繼承的孩子數(shù)，并未將間接繼承的孩子數(shù)計(jì)算進(jìn)來。因此可定義每個(gè)類的所有子孫數(shù)NOAC（Number Of All Children）用來計(jì)算所有子孫數(shù)目。

式中，NOACi是指本類的每個(gè)直接孩子類的NOAC值。當(dāng)沒有直接孩子類時(shí)，其NOAC值為0。

（4）CBO只是計(jì)算和本類耦合的類的數(shù)目，沒有對(duì)不同類型耦合的強(qiáng)度進(jìn)行區(qū)分，而是假設(shè)所有的耦合關(guān)系強(qiáng)度是相同的，而且忽略了最強(qiáng)的耦合關(guān)系即繼承耦合。為了考慮到不同的耦合關(guān)系，包括關(guān)聯(lián)、繼承和實(shí)現(xiàn)耦合，提出了類型間所有耦合ACBT（AllCoupling Between Type）度量指標(biāo)。

式中a、b、c為調(diào)節(jié)因子，是度量實(shí)踐中獲取的經(jīng)驗(yàn)值，可反映出關(guān)聯(lián)耦合、繼承耦合和實(shí)現(xiàn)耦合在ACBT計(jì)算中的權(quán)值。關(guān)聯(lián)耦合數(shù)NAC （NumberofAssociation Coupling）是系統(tǒng)中所有被本類關(guān)聯(lián)的類型（類或接口）的數(shù)目， 繼承耦合數(shù)NIC （NumberofInheritance Coupling）是系統(tǒng)中類型（類或接口）所繼承的所有類型（類或接口）的數(shù)目，實(shí)現(xiàn)耦合數(shù)NRC （Numberof Realization Coupling）是系統(tǒng)中本類所實(shí)現(xiàn)的所有接口的數(shù)目。ACBT越大，類的可重用性可能越弱。

（5）RFC沒有考慮本類方法和被本類方法調(diào)用的方法分別對(duì)類復(fù)雜性的影響程度，只是簡單地計(jì)算它們的總和。因此，提出類加權(quán)響應(yīng)WRFC（Weighted Response For a Class）度量指標(biāo)。

式中a、b為調(diào)節(jié)因子，是度量實(shí)踐中獲取的經(jīng)驗(yàn)值，可表現(xiàn)出本類方法和被本類方法調(diào)用的方法對(duì)類加權(quán)響應(yīng)值的影響程度的大小。NMC（Number of Methods a Class）是本類方法數(shù)，NCMC（Number of Called Methods a Class）是被本類方法調(diào)用的方法數(shù)。

（6）LCOM存在一定的缺陷，沒有將類的實(shí)例變量數(shù)計(jì)算進(jìn)來，但實(shí)際上類的實(shí)例變量數(shù)對(duì)類內(nèi)聚性有一定的影響。假設(shè)一個(gè)類的LCOM較小，甚至為0，根據(jù)CK可以推斷出該類具有較好的內(nèi)聚性，但實(shí)際上可能因?yàn)樵擃悡碛写罅康膶?shí)例變量，所以其內(nèi)聚性及封裝性不容樂觀。因此，在LCOM的基礎(chǔ)上提出類內(nèi)聚缺乏度LCOC（Lack of Cohesion in Class）度量指標(biāo)。

LCOM同CK度量里定義的LCOM。假設(shè)一個(gè)類有n個(gè)方法 M1，…，Mn，Ij是方法 Mj中實(shí)例變量的集合，|Ij|為計(jì)算Ij集合中的元素個(gè)數(shù)。LCOC值越大，則類的內(nèi)聚性及封裝性越弱。

根據(jù)上述對(duì)CK度量方法的分析與改進(jìn)，提出優(yōu)化的 CK 度量方法 OCK，其包括 CPC、CMIT、NOAC、ACBT、WRFC、LCOC等6個(gè)相對(duì)應(yīng)的度量指標(biāo)，每個(gè)度量指標(biāo)針對(duì)性地彌補(bǔ)每點(diǎn)缺陷。例如，采用OCK度量的CPC能綜合考慮一個(gè)類的屬性和方法以及不同可見性成員對(duì)該類復(fù)雜性的影響；CMIT度量指標(biāo)解決了多重繼承的度量問題，消除歧義；NOAC值涵蓋了一個(gè)類的所有子孫；ACBT依據(jù)耦合類型的不同分配不同的權(quán)值從而度量類的耦合性等等。

2.2 面向?qū)ο筌浖?fù)雜性度量方法OSCM

OCK度量方法雖在CK度量的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，但仍存在一些缺陷。首先OCK度量沒有對(duì)多態(tài)性進(jìn)行度量，多態(tài)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性有很大影響；其次OCK與CK度量一樣主要是針對(duì)類層面，在系統(tǒng)層面沒有很好的度量指標(biāo)。MOOD度量也存在一定的不足。比如，MOOD度量沒有對(duì)類方法和屬性以及類之間的關(guān)系進(jìn)行研究，也沒有完整定義抽象性和復(fù)雜性[10]。

此外，繼承性和耦合性也是面向?qū)ο蟮幕咎匦裕瑢④浖悓用婧拖到y(tǒng)層面的繼承性、耦合性度量結(jié)合起來可以更好地反映軟件整體的復(fù)雜度。但單獨(dú)的OCK度量和MOOD度量都只考慮了繼承和耦合的單個(gè)方面的復(fù)雜性，不能可靠地對(duì)軟件進(jìn)行整體評(píng)價(jià)。因此針對(duì)這兩種度量方法進(jìn)行改進(jìn)，補(bǔ)充每個(gè)度量方法缺少的方面，從而提出新的面向?qū)ο筌浖?fù)雜性度量方法OSCM如下，與OCK度量和MOOD度量的比較如表1所示。

表1 OCK、MOOD、OSCM 度量匯總

度量1使用CPC度量指標(biāo)對(duì)類復(fù)雜性進(jìn)行度量。

度量 2 使用 AIF，MIF，CMIT和 NOAC等 4個(gè)度量指標(biāo)對(duì)繼承性進(jìn)行度量。既有對(duì)系統(tǒng)級(jí)別繼承性的度量，又有對(duì)類級(jí)別繼承性的度量。

度量3使用AHF，MHF和LCOC等3個(gè)度量指標(biāo)對(duì)封裝性進(jìn)行度量。既有對(duì)系統(tǒng)級(jí)別封裝性的度量又有對(duì)類級(jí)別封裝性的度量。

度量4使用PF度量指標(biāo)對(duì)多態(tài)性進(jìn)行度量。

度量5使用CF，ACBT和WRFC等3個(gè)度量指標(biāo)對(duì)耦合性進(jìn)行度量。CF的度量粒度不夠細(xì)[6]，加上類級(jí)別的ACBT和WRFC就能更好得衡量整體耦合性。

上述5條度量法則即為改進(jìn)提出的OSCM度量方法。OSCM度量綜合考慮了OCK度量和MOOD度量的優(yōu)缺點(diǎn)，可同時(shí)針對(duì)軟件類級(jí)別和系統(tǒng)級(jí)別進(jìn)行度量，有效地彌補(bǔ)CK度量和MOOD度量的不足。

本文在CK度量和MOOD度量的基礎(chǔ)上，對(duì)CK度量進(jìn)行改進(jìn)完善，提出OCK度量方法。再集成OCK度量和MOOD度量的優(yōu)點(diǎn)，提出面向?qū)ο筌浖?fù)雜性度量OSCM。OSCM可較全面、可靠地對(duì)面向?qū)ο筌浖?fù)雜性進(jìn)行度量，優(yōu)化度量結(jié)果。

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