淺談使用元數(shù)據(jù)和反射的Web服務系統(tǒng)重配置設計與實現(xiàn)論文
0 引言
隨著用戶需求的改變和軟件運行環(huán)境的變化，軟件系統(tǒng)需要不斷演化以適應這種新的變化，如何實現(xiàn)軟件演化是軟件工程研究領域的一個熱點問題。軟件工程從許多方面，例如OOP、OOA/OOD、各種軟件過程(RUP、XP)和方法等對此進行了研究。這些技術運用得當可以構建出可用、可靠、穩(wěn)定的系統(tǒng)。但是，當需求發(fā)生變化時，現(xiàn)代軟件存在著如下不足：傳統(tǒng)軟件主要采取了“黑箱”的實現(xiàn)機制，即對外部應用屏蔽了內(nèi)部具體實現(xiàn)細節(jié)，這種機制使得外部應用無法獲取系統(tǒng)的內(nèi)部結構和狀態(tài)行為，從而無法根據(jù)相關需求來動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)應用級的結構行為，這樣使得相關應用缺乏對變化環(huán)境的適應性。要解決上述問題，軟件系統(tǒng)應具有如下特點：系統(tǒng)應具有較為開放的結構，使得外界能獲悉系統(tǒng)內(nèi)部相關成分，從而能根據(jù)外部環(huán)境變化對系統(tǒng)相應部分的結構行為作一定調(diào)整與改變;系統(tǒng)應具有動態(tài)重配置的能力，即能在運行過程中進行動態(tài)調(diào)整、定制和改變自身相關的結構行為，且不影響系統(tǒng)整體的運行。
本文將元數(shù)據(jù)和反射引入基于關系數(shù)據(jù)庫的Web系統(tǒng)設計中，通過對系統(tǒng)業(yè)務信息的具體化(reification)，使得外部能獲取系統(tǒng)自身結構、行為的自描述(self-representation)元數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的開放;系統(tǒng)的自描述與系統(tǒng)結構行為是因果相連(causally connected)的，通過對元數(shù)據(jù)的調(diào)整與改變，可實現(xiàn)對系統(tǒng)特定部分和功能的反射，使得系統(tǒng)具有動態(tài)重配置的能力。
1 相關研究
20世紀80年代后期，隨著對反射式程序設計語言、反射式操作系統(tǒng)研究的深入，對反射系統(tǒng)也形成了一個較為一致的認識：反射系統(tǒng)可被認為是一種可通過因果相連的方式來反演自身的計算系統(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)實現(xiàn)中，一般采用“關注分離”的原則，即系統(tǒng)分為基層(Base Level)和元層(Meta Level)。基層用于對具體問題域的抽象，元層則是對基層及系統(tǒng)內(nèi)部的表示。元對象封裝基層對象的元數(shù)據(jù)，描述基層對象的結構和行為，并動態(tài)地管理基層對象。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)部及基層相關部分結構行為的過程。
在利用元數(shù)據(jù)和反射技術實現(xiàn)軟件系統(tǒng)的研究中，文獻介紹了在面向?qū)ο缶幊陶Z言中使用反射和元編程需要遵循的3個重要原則。給出了使用元數(shù)據(jù)和反射的基本原理和設計規(guī)則，文獻通過使用基于XML描述的元數(shù)據(jù)和某些語言的自省機制來連接構件和基本框架，目的是構建可擴展的系統(tǒng)，其元數(shù)據(jù)描述重點在系統(tǒng)功能，實現(xiàn)功能的靈活擴展。文獻提出了一種基于構件的系統(tǒng)運行時變化和恢復的軟件架構。通過完整描述系統(tǒng)運行時的狀態(tài)和行為，使用構件框架的反射能力實現(xiàn)系統(tǒng)的運行時恢復。本文使用元數(shù)據(jù)描述系統(tǒng)的結構信息，利用存儲過程來表達系統(tǒng)行為。元數(shù)據(jù)存儲在關系數(shù)據(jù)庫中，存儲過程作為一個命名的獨立模塊可以被動態(tài)配置和調(diào)用。元數(shù)據(jù)和存儲過程可以通過一個單獨的配置系統(tǒng)動態(tài)管理，通過運行時反射機制實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)重配置。與文獻相比，本文方法不僅能實現(xiàn)功能擴展，還能管理系統(tǒng)的結構;與文獻相比，本文側重點在于系統(tǒng)的動態(tài)重配置。
2 基于元數(shù)據(jù)和反射的動態(tài)重配置
基于關系數(shù)據(jù)庫的Web系統(tǒng)是本文動態(tài)重配置方法研究的對象。很多關系數(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到服務器，通過名字可以反復調(diào)用多次，而且每個代碼段可以有上百條SQL代碼，這上百條代碼在調(diào)用時只需要一條執(zhí)行語句即可，不需要向網(wǎng)絡發(fā)送上百條代碼，能有效降低系統(tǒng)網(wǎng)絡開銷。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)務邏輯封裝其中，使用時按名稱調(diào)用即可。本文設計方法基于SQLServer數(shù)據(jù)庫，把系統(tǒng)的業(yè)務邏輯封裝到存儲過程中。當需求變化時，用戶可以通過配置元數(shù)據(jù)和存儲過程，動態(tài)修改基層對象，實現(xiàn)軟件運行時動態(tài)重配置。本文方法使用關系數(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 元層設計
2.1.1元對象
元對象主要包括：數(shù)據(jù)表對象、視圖對象、數(shù)據(jù)集對象、字段對象。具體如下：
(1)數(shù)據(jù)表對象描述關系數(shù)據(jù)庫表，其定義包含名稱、類別(所屬的業(yè)務領域)。
(2)字段對象描述字段的詳細信息和該字段基層的結構信息，例如基層程序的顯示名稱、顯示長度、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、字段長度、顯示次序、顯示控件、計算方式、最小值、最大值。字段屬于基本表，表與字段關系為組合關系，并且每個數(shù)據(jù)表至少有1個字段。
(3)視圖對象描述關系數(shù)據(jù)庫中的視圖。在關系數(shù)據(jù)庫中，視圖的字段分成兩類：一類是構成視圖的基表字段，另一類是由基表字段推導出的附加字段。因此視圖對象在圖設計中涉及到3個類：視圖類、視圖父表字段類、視圖附加字段類。每個視圖至少包括1個父表字段，有0到多個附加字段，其關系如圖所示。視圖對象定義主要包括視圖名稱、視圖中文名稱、視圖所屬業(yè)務領域;視圖附加字段定義包括字段名稱，顯示順序、中文標題、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)集對象是一種特殊的元對象。它和數(shù)據(jù)庫中的存儲過程一一對應，系統(tǒng)通過存儲過程封裝業(yè)務邏輯。例如在界面中顯示個人所得稅頁面時，個人所得稅的計算方法就可以通過存儲過程存放到數(shù)據(jù)庫中，當計算方法改變時，只需要修改存儲過程即可實現(xiàn)業(yè)務規(guī)則修改。每個返回結果集存儲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)集對象主要包括3個類：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)務領域);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 三種元對象操作類和數(shù)據(jù)獲取方法
對基層對象和元對象的操縱控制，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。
為了更簡明清楚定義操作過程，作如下規(guī)定：①對象T屬于TableDescription;②對象F屬于FieldDescription;③對象V屬于TableDescription;④對象D屬于DataseDescription;⑤對象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)務數(shù)據(jù)，并綁定到頁面對象。
(2)過程2：字段處理子程序。①if字段為自增(F.IsIdentity)then字段設置為只讀;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對字段不作非空驗證;④if字段有最大或最小值(F.Min != null or F.Max!=null)then對字段作范圍驗證;⑤轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)完整性處理。
(3)過程3：根據(jù)存儲過程名稱和參數(shù)取得數(shù)據(jù)的過程。①將存儲過程名和存儲過程參數(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(存儲過程名稱)，取得字段列表;③foreach(F in FL.GetFieldList(存儲過程名稱))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)務數(shù)據(jù)，并綁定到頁面對象。字段元數(shù)據(jù)存放在關系數(shù)據(jù)庫當中，須考慮數(shù)據(jù)實體完整性和參照完整性。對于實體完整性，主要考慮主鍵約束;參照完整性在本文中分成3類：標識關系、非標識強制關系、非標識非強制關系。
(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，會按照主鍵列表構造where字句進行更新、刪除操作);②if F.ConstraintsType==標識約束thenCase增加then基層對象檢測字段非空和外鍵約束;Case修改then基層對象檢測字段非空和外鍵約束;Case刪除then基層對象直接刪除記錄。③if F.ConstraintsType==非標識強制約束thenCase增加then基層對象檢測字段非空和外鍵約束;Case修改then基層對象檢測字段非空和外鍵約束;Case刪除then基層對象直接刪除記錄。④if F.ConstraintsType==非標識非強制約束thenCase增加then基層對象檢測外鍵約束;Case修改then基層對象檢測外鍵約束;Case刪除then基層對象直接刪除記錄。
2.2 軟件運行和重配置過程
軟件運行和軟件動態(tài)配置過程。配置好元數(shù)據(jù)后，軟件會按照用戶需求顯示和按業(yè)務規(guī)則運行�；鶎涌丶邮苡脩舨僮饕蟛研枨缶唧w化為對應的元數(shù)據(jù)提交給元對象，元對象操作元數(shù)據(jù)并接收操作返回的信息。元對象會將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)按照規(guī)則組織業(yè)務數(shù)據(jù)反饋給基層對象，基層對象把信息反饋給用戶，這是一次完整的交互。當需求發(fā)生變化時，如果用戶期望軟件適應新需求，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。當用戶修改元數(shù)據(jù)后，重新進入功能界面就可以使用演化后符合新需求的系統(tǒng)。
3 運行時反射過程與實例
一個運行時反射實例，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)完整性約束等驗證都為false。④檢索出業(yè)務數(shù)據(jù)，并綁定到頁面對象。在運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，對應的基層對象的軟件界面也會隨之變化。
4 結語
本文提出了基于元數(shù)據(jù)和反射的Web系統(tǒng)重配置設計方法，詳細描述了元對象的結構和操作元對象的方法，介紹了應對需求變化的動態(tài)重配置過程，并給出了一個簡單示例。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系數(shù)據(jù)庫的Web程序，其適用范圍的局限性限制了應用價值，下一步應將其擴展到互聯(lián)網(wǎng)軟件上。例如，當利用Web服務作為構成系統(tǒng)的功能單元時，如何描述系統(tǒng)的結構，采用什么方式描述系統(tǒng)行為，從而使系統(tǒng)具有動態(tài)演化的能力。
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