淺談使用元數(shù)據(jù)和反射的Web服務(wù)系統(tǒng)重配置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)論文

　　0 引言

　　隨著用戶需求的改變和軟件運(yùn)行環(huán)境的變化，軟件系統(tǒng)需要不斷演化以適應(yīng)這種新的變化，如何實(shí)現(xiàn)軟件演化是軟件工程研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問題。軟件工程從許多方面，例如OOP、OOA/OOD、各種軟件過程(RUP、XP)和方法等對(duì)此進(jìn)行了研究。這些技術(shù)運(yùn)用得當(dāng)可以構(gòu)建出可用、可靠、穩(wěn)定的系統(tǒng)。但是，當(dāng)需求發(fā)生變化時(shí)，現(xiàn)代軟件存在著如下不足：傳統(tǒng)軟件主要采取了“黑箱”的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，即對(duì)外部應(yīng)用屏蔽了內(nèi)部具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，這種機(jī)制使得外部應(yīng)用無法獲取系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和狀態(tài)行為，從而無法根據(jù)相關(guān)需求來動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)應(yīng)用級(jí)的結(jié)構(gòu)行為，這樣使得相關(guān)應(yīng)用缺乏對(duì)變化環(huán)境的適應(yīng)性。要解決上述問題，軟件系統(tǒng)應(yīng)具有如下特點(diǎn)：系統(tǒng)應(yīng)具有較為開放的結(jié)構(gòu)，使得外界能獲悉系統(tǒng)內(nèi)部相關(guān)成分，從而能根據(jù)外部環(huán)境變化對(duì)系統(tǒng)相應(yīng)部分的結(jié)構(gòu)行為作一定調(diào)整與改變;系統(tǒng)應(yīng)具有動(dòng)態(tài)重配置的能力，即能在運(yùn)行過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整、定制和改變自身相關(guān)的結(jié)構(gòu)行為，且不影響系統(tǒng)整體的運(yùn)行。

　　本文將元數(shù)據(jù)和反射引入基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的Web系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過對(duì)系統(tǒng)業(yè)務(wù)信息的具體化(reification)，使得外部能獲取系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)、行為的自描述(self-representation)元數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的開放;系統(tǒng)的自描述與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)行為是因果相連(causally connected)的，通過對(duì)元數(shù)據(jù)的調(diào)整與改變，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)特定部分和功能的反射，使得系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)重配置的能力。

　　1 相關(guān)研究

　　20世紀(jì)80年代后期，隨著對(duì)反射式程序設(shè)計(jì)語言、反射式操作系統(tǒng)研究的深入，對(duì)反射系統(tǒng)也形成了一個(gè)較為一致的認(rèn)識(shí)：反射系統(tǒng)可被認(rèn)為是一種可通過因果相連的方式來反演自身的計(jì)算系統(tǒng)，反射則是反射系統(tǒng)的行為表示。反射系統(tǒng)可以形式化地表示成二元組S=〈PL，TL〉，其中S為計(jì)算系統(tǒng)，L為系統(tǒng)S用以表示問題域所用的語言，PL為語言L的處理器，TL為PL的狀態(tài)，RS為S在TL中基于L語言的表示，S與RS的關(guān)系為：S包含RS，且S和RS之間是因果相連的。

　　在反射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，一般采用“關(guān)注分離”的原則，即系統(tǒng)分為基層(Base Level)和元層(Meta Level)�；鶎佑糜趯�(duì)具體問題域的抽象，元層則是對(duì)基層及系統(tǒng)內(nèi)部的表示。元對(duì)象封裝基層對(duì)象的元數(shù)據(jù)，描述基層對(duì)象的結(jié)構(gòu)和行為，并動(dòng)態(tài)地管理基層對(duì)象。反射是指通過獲取元數(shù)據(jù)來觀察和調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)部及基層相關(guān)部分結(jié)構(gòu)行為的過程。

　　在利用元數(shù)據(jù)和反射技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的研究中，文獻(xiàn)介紹了在面向?qū)ο缶幊陶Z言中使用反射和元編程需要遵循的3個(gè)重要原則。給出了使用元數(shù)據(jù)和反射的基本原理和設(shè)計(jì)規(guī)則，文獻(xiàn)通過使用基于XML描述的元數(shù)據(jù)和某些語言的自省機(jī)制來連接構(gòu)件和基本框架，目的是構(gòu)建可擴(kuò)展的系統(tǒng)，其元數(shù)據(jù)描述重點(diǎn)在系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)功能的靈活擴(kuò)展。文獻(xiàn)提出了一種基于構(gòu)件的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)變化和恢復(fù)的軟件架構(gòu)。通過完整描述系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)和行為，使用構(gòu)件框架的反射能力實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)恢復(fù)。本文使用元數(shù)據(jù)描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)信息，利用存儲(chǔ)過程來表達(dá)系統(tǒng)行為。元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，存儲(chǔ)過程作為一個(gè)命名的獨(dú)立模塊可以被動(dòng)態(tài)配置和調(diào)用。元數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)過程可以通過一個(gè)單獨(dú)的配置系統(tǒng)動(dòng)態(tài)管理，通過運(yùn)行時(shí)反射機(jī)制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)重配置。與文獻(xiàn)相比，本文方法不僅能實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，還能管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu);與文獻(xiàn)相比，本文側(cè)重點(diǎn)在于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)重配置。

　　2 基于元數(shù)據(jù)和反射的動(dòng)態(tài)重配置

　　基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的Web系統(tǒng)是本文動(dòng)態(tài)重配置方法研究的對(duì)象。很多關(guān)系數(shù)據(jù)庫中都提供命名的批處理代碼段，例如SQL Server數(shù)據(jù)庫中的存儲(chǔ)過程(Stored Procedure)、Oracle中的過程(Procedure)。這種命名的批處理代碼段編寫完成以后注冊(cè)到服務(wù)器，通過名字可以反復(fù)調(diào)用多次，而且每個(gè)代碼段可以有上百條SQL代碼，這上百條代碼在調(diào)用時(shí)只需要一條執(zhí)行語句即可，不需要向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送上百條代碼，能有效降低系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)開銷。批處理代碼段可以包含若干代碼，因此可以把系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯封裝其中，使用時(shí)按名稱調(diào)用即可。本文設(shè)計(jì)方法基于SQLServer數(shù)據(jù)庫，把系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯封裝到存儲(chǔ)過程中。當(dāng)需求變化時(shí)，用戶可以通過配置元數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)過程，動(dòng)態(tài)修改基層對(duì)象，實(shí)現(xiàn)軟件運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)重配置。本文方法使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫存放元數(shù)據(jù)，所以要考慮元數(shù)據(jù)的完整性約束處理。

　　2.1 元層設(shè)計(jì)

　　2.1.1元對(duì)象

　　元對(duì)象主要包括：數(shù)據(jù)表對(duì)象、視圖對(duì)象、數(shù)據(jù)集對(duì)象、字段對(duì)象。具體如下：

　　(1)數(shù)據(jù)表對(duì)象描述關(guān)系數(shù)據(jù)庫表，其定義包含名稱、類別(所屬的業(yè)務(wù)領(lǐng)域)。

　　(2)字段對(duì)象描述字段的詳細(xì)信息和該字段基層的結(jié)構(gòu)信息，例如基層程序的顯示名稱、顯示長(zhǎng)度、使用控件類型等。其定義主要包括字段名稱、所屬表、字段中文名稱、約束類型、字段長(zhǎng)度、顯示次序、顯示控件、計(jì)算方式、最小值、最大值。字段屬于基本表，表與字段關(guān)系為組合關(guān)系，并且每個(gè)數(shù)據(jù)表至少有1個(gè)字段。

　　(3)視圖對(duì)象描述關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的視圖。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，視圖的字段分成兩類：一類是構(gòu)成視圖的基表字段，另一類是由基表字段推導(dǎo)出的附加字段。因此視圖對(duì)象在圖設(shè)計(jì)中涉及到3個(gè)類：視圖類、視圖父表字段類、視圖附加字段類。每個(gè)視圖至少包括1個(gè)父表字段，有0到多個(gè)附加字段，其關(guān)系如圖所示。視圖對(duì)象定義主要包括視圖名稱、視圖中文名稱、視圖所屬業(yè)務(wù)領(lǐng)域;視圖附加字段定義包括字段名稱，顯示順序、中文標(biāo)題、類型;父表視圖字段定義包括父表名稱、字段名稱、顯示順序。

　　(4)數(shù)據(jù)集對(duì)象是一種特殊的元對(duì)象。它和數(shù)據(jù)庫中的存儲(chǔ)過程一一對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)通過存儲(chǔ)過程封裝業(yè)務(wù)邏輯。例如在界面中顯示個(gè)人所得稅頁面時(shí)，個(gè)人所得稅的計(jì)算方法就可以通過存儲(chǔ)過程存放到數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)計(jì)算方法改變時(shí)，只需要修改存儲(chǔ)過程即可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)規(guī)則修改。每個(gè)返回結(jié)果集存儲(chǔ)過程包含的字段分為兩類：一類是來自于基本表的字段，另一類為由基本表推導(dǎo)得到的字段。這兩類字段分別用數(shù)據(jù)集附加字段和父表數(shù)據(jù)集字段表示。其中父表數(shù)據(jù)集字段的字段定義來自于父表定義。數(shù)據(jù)集對(duì)象主要包括3個(gè)類：數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)集附加字段、父表數(shù)據(jù)集字段。數(shù)據(jù)集定義包括：數(shù)據(jù)集名稱、數(shù)據(jù)集中文名稱、數(shù)據(jù)集分類(所屬業(yè)務(wù)領(lǐng)域);數(shù)據(jù)集附加字段定義包括：字段名稱、中文名稱、顯示順序、類型;數(shù)據(jù)集父表字段定義包括：字段名稱和顯示順序。

　　2.1.2 三種元對(duì)象操作類和數(shù)據(jù)獲取方法

　　對(duì)基層對(duì)象和元對(duì)象的操縱控制，主要是由反射模式的內(nèi)省和調(diào)節(jié)功能來保證。本文對(duì)表和視圖的管理通過類TableDescription完成;字段管理通過類FieldDescription和類FieldDescriptionList來處理;數(shù)據(jù)集的管理通過類DatasetDescription來處理。

　　為了更簡(jiǎn)明清楚定義操作過程，作如下規(guī)定：①對(duì)象T屬于TableDescription;②對(duì)象F屬于FieldDescription;③對(duì)象V屬于TableDescription;④對(duì)象D屬于DataseDescription;⑤對(duì)象FL屬于FieldDescriptionList。

　　(1)過程1：根據(jù)表名或視圖名取得數(shù)據(jù)。①將表名或視圖名傳遞給T.TableName，取得表描述信息;②使用FL.GetFieldList(表名稱)，取得字段列表;③foreach(F in FL.GetFieldList(表名稱))組合F成物理字段列表;轉(zhuǎn)到字段處理子程序;④檢索出業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并綁定到頁面對(duì)象。

　　(2)過程2：字段處理子程序。①if字段為自增(F.IsIdentity)then字段設(shè)置為只讀;②if字段有外鍵引用(F.FkField!=null)then將本字段呈現(xiàn)為外鍵關(guān)聯(lián)出的值(例如主表中性別編碼，在基層將呈現(xiàn)為外鍵表中數(shù)據(jù)男或者女);③if字段允許為空(F.IsNull==true)then對(duì)字段不作非空驗(yàn)證;④if字段有最大或最小值(F.Min != null or F.Max!=null)then對(duì)字段作范圍驗(yàn)證;⑤轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)完整性處理。

　　(3)過程3：根據(jù)存儲(chǔ)過程名稱和參數(shù)取得數(shù)據(jù)的過程。①將存儲(chǔ)過程名和存儲(chǔ)過程參數(shù)傳遞給D.ProName和D.ProParams，取得數(shù)據(jù)集描述信息;②使用FL.GetFieldList(存儲(chǔ)過程名稱)，取得字段列表;③foreach(F in FL.GetFieldList(存儲(chǔ)過程名稱))組合F成物理字段列表;轉(zhuǎn)到字段處理子程序;④檢索出業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并綁定到頁面對(duì)象。字段元數(shù)據(jù)存放在關(guān)系數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，須考慮數(shù)據(jù)實(shí)體完整性和參照完整性。對(duì)于實(shí)體完整性，主要考慮主鍵約束;參照完整性在本文中分成3類：標(biāo)識(shí)關(guān)系、非標(biāo)識(shí)強(qiáng)制關(guān)系、非標(biāo)識(shí)非強(qiáng)制關(guān)系。

　　(4)過程4：完整性控制。①if F.ConstraintsType==主鍵then加入基層類主鍵列表(加入主鍵列表后，基層類在數(shù)據(jù)更新、刪除等操作的過程中，會(huì)按照主鍵列表構(gòu)造where字句進(jìn)行更新、刪除操作);②if F.ConstraintsType==標(biāo)識(shí)約束thenCase增加then基層對(duì)象檢測(cè)字段非空和外鍵約束;Case修改then基層對(duì)象檢測(cè)字段非空和外鍵約束;Case刪除then基層對(duì)象直接刪除記錄。③if F.ConstraintsType==非標(biāo)識(shí)強(qiáng)制約束thenCase增加then基層對(duì)象檢測(cè)字段非空和外鍵約束;Case修改then基層對(duì)象檢測(cè)字段非空和外鍵約束;Case刪除then基層對(duì)象直接刪除記錄。④if F.ConstraintsType==非標(biāo)識(shí)非強(qiáng)制約束thenCase增加then基層對(duì)象檢測(cè)外鍵約束;Case修改then基層對(duì)象檢測(cè)外鍵約束;Case刪除then基層對(duì)象直接刪除記錄。

　　2.2 軟件運(yùn)行和重配置過程

　　軟件運(yùn)行和軟件動(dòng)態(tài)配置過程。配置好元數(shù)據(jù)后，軟件會(huì)按照用戶需求顯示和按業(yè)務(wù)規(guī)則運(yùn)行�；鶎涌丶�接受用戶操作要求并把需求具體化為對(duì)應(yīng)的元數(shù)據(jù)提交給元對(duì)象，元對(duì)象操作元數(shù)據(jù)并接收操作返回的信息。元對(duì)象會(huì)將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)按照規(guī)則組織業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)反饋給基層對(duì)象，基層對(duì)象把信息反饋給用戶，這是一次完整的交互。當(dāng)需求發(fā)生變化時(shí)，如果用戶期望軟件適應(yīng)新需求，則可以打開元數(shù)據(jù)配置頁面，執(zhí)行元數(shù)據(jù)配置操作，通過該操作修改元數(shù)據(jù)信息。當(dāng)用戶修改元數(shù)據(jù)后，重新進(jìn)入功能界面就可以使用演化后符合新需求的系統(tǒng)。

　　3 運(yùn)行時(shí)反射過程與實(shí)例

　　一個(gè)運(yùn)行時(shí)反射實(shí)例，其開發(fā)環(huán)境為VS2005和Sqlserver2005。兩條虛線之間為元數(shù)據(jù)操作，虛線之外為基層界面。 在軟件的基層界面中第一列名稱顯示為“教師名稱”，根據(jù)前文過程1，顯示其過程為：①將表名“Teacher”傳遞給T.TableName，取得表描述信息;②使用FL.GetFieldList(“Teacher”)，取得字段列表;③foreach(F in FL.GetFieldList(“Teacher”))組合F成物理字段列表;此時(shí)F中教師名稱的物理字段為“tchrName”，即F.FieldName=“tchrName”)，F(xiàn).FieldCTitle為“教師名稱”。轉(zhuǎn)過程2：對(duì)于F.FieldName=“tchrName”，為普通字段，因此自增、外鍵、非空、范圍、數(shù)據(jù)完整性約束等驗(yàn)證都為false。④檢索出業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并綁定到頁面對(duì)象。在運(yùn)行過程中用戶可以在3.2節(jié)第2步的元數(shù)據(jù)配置頁面修改該列的元數(shù)據(jù)，例如修改成圖中的“教師姓名”，按照上文所述的反射流程，修改元數(shù)據(jù)后，對(duì)應(yīng)的基層對(duì)象的軟件界面也會(huì)隨之變化。

　　4 結(jié)語

　　本文提出了基于元數(shù)據(jù)和反射的Web系統(tǒng)重配置設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)描述了元對(duì)象的結(jié)構(gòu)和操作元對(duì)象的方法，介紹了應(yīng)對(duì)需求變化的動(dòng)態(tài)重配置過程，并給出了一個(gè)簡(jiǎn)單示例。本文使用的方法能夠部分解決需求變化的問題，但是本方法只適用于基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的Web程序，其適用范圍的局限性限制了應(yīng)用價(jià)值，下一步應(yīng)將其擴(kuò)展到互聯(lián)網(wǎng)軟件上。例如，當(dāng)利用Web服務(wù)作為構(gòu)成系統(tǒng)的功能單元時(shí)，如何描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，采用什么方式描述系統(tǒng)行為，從而使系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)演化的能力。

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