設(shè)計(jì)模式對(duì)軟件可維護(hù)性影響的定量研究

劉偉+李雅琎+胡志剛

摘 要：軟件可維護(hù)性是面向?qū)ο筌浖到y(tǒng)的重要質(zhì)量屬性之一，合理使用設(shè)計(jì)模式可以改善軟件的可維護(hù)性。目前關(guān)于設(shè)計(jì)模式對(duì)軟件可維護(hù)性影響的研究主要停留在定性分析階段，缺少定量分析。針對(duì)這一問(wèn)題，選取與軟件可維護(hù)性相關(guān)的面向?qū)ο蠖攘恳蜃雍涂删S護(hù)性指數(shù)，結(jié)合具體實(shí)例，研究了應(yīng)用設(shè)計(jì)模式前后度量因子和可維護(hù)性指數(shù)變化情況，定量分析出設(shè)計(jì)模式對(duì)軟件可維護(hù)性的影響。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)模式；軟件可維護(hù)性；面向?qū)ο蠖攘恳蜃?；可維護(hù)性指數(shù)

DOIDOI：10.11907/rjdk.162142

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2016）012-0095-03

0 引言

設(shè)計(jì)模式是從眾多優(yōu)秀軟件系統(tǒng)中總結(jié)出來(lái)的專家設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，合理使用設(shè)計(jì)模式可以有效改善軟件設(shè)計(jì)和程序代碼質(zhì)量[1]。目前關(guān)于設(shè)計(jì)模式對(duì)軟件質(zhì)量影響的研究更多停留在定性分析階段，設(shè)計(jì)模式對(duì)軟件質(zhì)量改善的定量研究工作較少。正因如此，設(shè)計(jì)模式對(duì)軟件質(zhì)量影響的利弊在業(yè)界備受爭(zhēng)議。

軟件可維護(hù)性是指軟件維護(hù)的難易程度，圖靈獎(jiǎng)得主Alan J.Perlis曾說(shuō)過(guò)：在長(zhǎng)久運(yùn)行時(shí)間的考驗(yàn)下，每個(gè)程序都變得脆弱不堪。軟件在開(kāi)發(fā)結(jié)束后會(huì)經(jīng)歷一段長(zhǎng)久的維護(hù)期。因此，可維護(hù)性是軟件系統(tǒng)重要的質(zhì)量屬性之一。

本文定量研究了設(shè)計(jì)模式對(duì)軟件可維護(hù)性影響，通過(guò)精確的數(shù)值對(duì)使用設(shè)計(jì)模式前后系統(tǒng)的可維護(hù)性進(jìn)行精確的質(zhì)量分析。與傳統(tǒng)的定性分析相比，定量分析能夠更準(zhǔn)確、有效地證實(shí)設(shè)計(jì)模式的使用效果，更具說(shuō)服力。

1 可維護(hù)性度量因子選取

為了提供一個(gè)定量方法來(lái)測(cè)量面向?qū)ο筇卣鞯能浖|(zhì)量屬性，Bansiya和Davis提出一種具有層次結(jié)構(gòu)的面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)估方法——QMOOD（Quality Model for Object-Oriented Design）[2]，該方法構(gòu)建了一個(gè)面向?qū)ο蟮馁|(zhì)量評(píng)估模型，提供了設(shè)計(jì)質(zhì)量屬性（Design Quality Attributes）、面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)屬性（OO Design Properties）、面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)因子（OO Design Metrics）和面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)組件（OO Design Components）4個(gè)層次和它們之間的三級(jí)映射。Ampatzoglou等[3]首次將QMOOD運(yùn)用到設(shè)計(jì)模式對(duì)軟件質(zhì)量影響的研究中并取得了較好效果。本文采用簡(jiǎn)化的QMOOD模型，首先針對(duì)軟件可維護(hù)性選取合適的度量因子，然后計(jì)算應(yīng)用某個(gè)設(shè)計(jì)模式前后度量因子值，最后通過(guò)度量因子值的變化來(lái)定量分析該設(shè)計(jì)模式對(duì)軟件可維護(hù)性影響。

本文選取CK度量集和可維護(hù)性指數(shù)作為軟件可維護(hù)性度量因子。

1.1 CK度量集

在研究面向?qū)ο笙到y(tǒng)時(shí)，經(jīng)典的面向?qū)ο蠖攘考狢K度量集應(yīng)用非常廣泛。CK度量集由Chidamber和Kemerer[4]于1994年提出，它奠定了面向?qū)ο筌浖攘康幕A(chǔ)。CK度量集中的度量因子與面向?qū)ο筌浖目删S護(hù)性密切相關(guān)。

CK度量集包含6個(gè)基于面向?qū)ο箢愒O(shè)計(jì)的度量因子，從不同角度反映了面向?qū)ο笙到y(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，這6個(gè)因子分別是：加權(quán)方法計(jì)數(shù)（Weighted Methods for per Class，WMC）、繼承樹深度（Depth of Inheritance Tree，DIT）、子類個(gè)數(shù)（Number Of Children，NOC）、對(duì)象類之間的耦合（Coupling Between Object classes，CBO）、對(duì)類的響應(yīng)（Response For a Class，RFC）和方法內(nèi)聚缺乏度（Lack of Cohesion in Methods，LCOM）。

1.2 可維護(hù)性指數(shù)

可維護(hù)性指數(shù)（Maintainability Index，MI）由Oman等[5]于1992年提出，其計(jì)算公式如下：

公式（1）中的參數(shù)說(shuō)明如表1所示。

MI的典型取值范圍在-100～200，MI值越高說(shuō)明軟件的可維護(hù)性越好。

2 設(shè)計(jì)模式對(duì)可維護(hù)性影響定量分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)設(shè)計(jì)模式的使用頻率和重要性[6]，本文選取10種常用的軟件設(shè)計(jì)模式，每種設(shè)計(jì)模式提供5個(gè)程序規(guī)模相差不大的實(shí)例。對(duì)每個(gè)實(shí)例，提供兩個(gè)版本的程序代碼，使用設(shè)計(jì)模式的代碼版本，簡(jiǎn)記為DP（Design Pattern），以及不使用設(shè)計(jì)模式的代碼版本，簡(jiǎn)記為NDP（Non-Design Pattern），這些實(shí)例主要來(lái)自文獻(xiàn)[6]。通過(guò)對(duì)這些軟件可維護(hù)性相關(guān)度量因子進(jìn)行計(jì)算，研究設(shè)計(jì)模式使用前后可維護(hù)性度量因子變化，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與開(kāi)發(fā)人員經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行比對(duì)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

本研究選取的10種常用設(shè)計(jì)模式有：工廠方法模式（Factory Method Pattern，F(xiàn)MP）、抽象工廠模式（Abstract Factory Pattern，AFP）、適配器模式（Adapter Pattern，AP）、代理模式（Proxy Pattern，PP）、外觀模式（Facade Pattern，F(xiàn)P）、橋接模式（Bridge Pattern，BP）、觀察者模式（Observer Pattern，OP）、策略模式（Strategy Pattern，SrP）、狀態(tài)模式（State Pattern，SaP）和模板方法模式（Template Method Pattern，TMP）。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以程序?qū)嵗秊閱挝?，?jì)算前文所述的度量因子，然后取5個(gè)實(shí)例的平均值，得到設(shè)計(jì)模式使用前后度量因子的平均值，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）加權(quán)方法計(jì)數(shù)WMC：WMC越大，說(shuō)明理解這個(gè)類所需時(shí)間越多。方法的個(gè)數(shù)多可能會(huì)導(dǎo)致沿用這些方法的子類行為更加復(fù)雜，使其可維護(hù)性降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，7個(gè)設(shè)計(jì)模式會(huì)降低WMC值，WMC越小，可維護(hù)性越高。

（2）繼承樹深度DIT：DIT值越高的類繼承更多的父類方法，使得它們的行為難以預(yù)測(cè)且維護(hù)相對(duì)復(fù)雜，可維護(hù)性更差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，有3個(gè)設(shè)計(jì)模式會(huì)使平均DIT變大，5個(gè)設(shè)計(jì)模式會(huì)使平均DIT變小，2個(gè)設(shè)計(jì)模式對(duì)DIT沒(méi)有影響。

（3）子類個(gè)數(shù)NOC：由于大部分設(shè)計(jì)模式都引入了抽象層，通過(guò)子類來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)行為，因此大部分設(shè)計(jì)模式的使用都會(huì)導(dǎo)致NOC變大。抽象層的引入提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性，便于系統(tǒng)維護(hù)和二次開(kāi)發(fā)。

（4）對(duì)象類之間的耦合CBO：根據(jù)軟件工程高內(nèi)聚、低耦合原則，降低系統(tǒng)耦合度可以提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。過(guò)多的耦合會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)變得難以維護(hù)，比如在一個(gè)類中進(jìn)行修改可能會(huì)影響到與其產(chǎn)生耦合的其它類。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，10個(gè)設(shè)計(jì)模式都可降低CBO，通過(guò)降低類與類之間的耦合度來(lái)提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。

（5）類的響應(yīng)RFC：某一個(gè)方法的RFC值很大，說(shuō)明它調(diào)用了許多其它方法，對(duì)可維護(hù)性產(chǎn)生負(fù)面影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，除使用外觀模式會(huì)使RFC值變大外，其余9種設(shè)計(jì)模式都會(huì)使系統(tǒng)的平均RFC值變小。

（6）方法內(nèi)聚缺乏度LCOM：如果一個(gè)類的LCOM值高，可能意味著它所定義的方法可被分割到多個(gè)獨(dú)立類中，不與其它方法共享字段，可以獨(dú)立運(yùn)行。類的LCOM值低說(shuō)明類的設(shè)計(jì)質(zhì)量高、封裝性好、可維護(hù)性高。由于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目比較簡(jiǎn)單，類中的方法個(gè)數(shù)不多，因此在計(jì)算LCOM值時(shí)方法對(duì)的個(gè)數(shù)相對(duì)較小，所以整體來(lái)說(shuō)LCOM值都偏小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大部分設(shè)計(jì)模式的使用對(duì)系統(tǒng)的平均LCOM值影響不大。

（7）可維護(hù)性指數(shù)MI：MI在軟件可維護(hù)性度量中廣泛使用，MI值越高說(shuō)明軟件的可維護(hù)性越好。繪制設(shè)計(jì)模式使用前后MI的對(duì)比情況如圖1所示。從圖1可知，除外觀模式（FP）和觀察者模式（OP）外，其余8種設(shè)計(jì)模式均可使維護(hù)性指數(shù)變大。由于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目代碼規(guī)模較小，業(yè)務(wù)方法較少，導(dǎo)致設(shè)計(jì)模式使用效果不顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)模式是成熟有效的專家設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)模式是否有助于提高軟件質(zhì)量，業(yè)界一直存在爭(zhēng)議。本文結(jié)合軟件度量因子，利用10種常用的設(shè)計(jì)模式對(duì)軟件可維護(hù)性影響

進(jìn)行了定量計(jì)算，探討了可維護(hù)性指數(shù)及面向?qū)ο筌浖攘恐笖?shù)與軟件可維護(hù)性的相互關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大部分設(shè)計(jì)模式的使用有助于提高面向?qū)ο筌浖目删S護(hù)性，少數(shù)設(shè)計(jì)模式對(duì)軟件可維護(hù)性影響不顯著，個(gè)別設(shè)計(jì)模式對(duì)軟件可維護(hù)性有負(fù)面影響。

后續(xù)一方面將收集和整理項(xiàng)目實(shí)例進(jìn)行定量評(píng)估，進(jìn)而獲得更加科學(xué)的結(jié)果，另一方面將研究更多的軟件質(zhì)量屬性，包括可復(fù)用性、可靠性等，結(jié)合一系列實(shí)驗(yàn)，建立一套較為完整的設(shè)計(jì)模式對(duì)軟件質(zhì)量影響的評(píng)估框架。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）