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理论计算机科学电子笔记127(2005)31-47www.elsevier.com/locate/entcsMDA中自动转换的代数基线ArturBoronat1Jos'eA'.Cars's2IsidroRamos3瓦伦西亚理工大学信息系统与计算系西班牙巴伦西亚摘要软件演化可以在两个层次上得到支持:模型和程序。基于模型的软件开发方法允许应用更抽象的软件演化过程,与OMG的MDA倡议一致。我们描述了一个模型管理框架,称为MOMENT,支持自动正式模型转换MDA。我们的模型转换方法基于模型的代数规范,并受益于数学项重写系统技术,以使用重写逻辑执行模型转换。 在本文中,我们提出了如何应用这种形式化的转换机制之间的平台无关的模型,如UML模型和关系模式。我们的方法增强了正式环境和工业技术(如.NET技术)之间的集成,并利用了两者的最佳特性。关键词:基于图的模型,MDA和模型转换,一致性和协同进化,术语重写系统。1介绍信息系统的发展正变得越来越复杂,因为这些系统变得更加广泛地分布和普及。使这些功能成为可能的新技术允许软件开发人员必须考虑的这种选择涉及到描述软件的技术,如面向对象编程1电子邮件地址:aboronat@dsic.upv.es2电子邮件地址:pcarsi@dsic.upv.es3电子邮件地址:iramos@dsic.upv.es1571-0661 © 2005 Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放访问。doi:10.1016/j.entcs.2004.08.03132A. Boronat等人/理论计算机科学电子笔记127(2005)31语言、XML、数据库定义、查询语言等。这些技术具有不同的抽象层次。例如,有一些支持需求工程的技术,如DOORS或ProssitePro。还有一些技术支持建模方法,如UML和其他允许实现特定解决方案的技术,如.NETFramework,Java等。一方面,建模方法提供了在软件项目的域空间中找到真实世界概念的最有效表示的另一方面,大多数技术框架提供了大量的机制来构建计算机空间中的解决方案。一般来说,最初的想法是,模型必须从用户的角度来表示现实,从问题空间开始。然而,这些模型实际上来自于解决方案空间(如UML),抽象了面向对象编程语言的特征,约束了问题空间的逻辑表示。 采取这一做法是为了 能够从比最终代码更抽象的层自动生成软件工件。然而,软件的自动生成技术尚未成熟,引发了90年代中期与我们十年前的预期相反,我们已经达到了一个复杂的局面,软件产品需要涉及多种技术的巨大工程然而,我们上面提到的所有软件工件都可以作为具有特定抽象级别的模型。CASE工具(模型编译器)应该执行的代码生成也可以被认为是将高抽象级别的模型转换为具有更具体抽象级别的模型。根据这种方法,出现了一个研究领域,为这类问题提供了解决方案:模型管理。模型是域的抽象表示,它支持异构涉众之间的通信,以便他们能够相互理解。模型管理[2]旨在解决需要模型表示及其自动化操作的问题。OMG它还提出了通过查询/视图/转换(QVT)语言执行模型转换的建议,该语言仍处于早期阶段[5]。虽然很多注意力都集中在将平台无关的模型转换为平台特定的模型上,但MDA的范围超越了这一点,试图在整个生命周期中对软件产品的所有功能进行建模。 尽管如此,一个精确的技术,提供正式的支持,整个过程中的模型转换尚未开发。A. Boronat等人/理论计算机科学电子笔记127(2005)3133MOMENT(MOdel manageMENT)平台遵循这一趋势,提供了一个框架,可以使用代数方法表示模型。MOMENT基于一个由排序和运算符组成的代数,允许将任何模型表示为一个可以通过运算符自动操作MOMENT框架受益于当前可视化CASE工具的最佳功能和正式环境(如术语重写系统)的主要优势,结合了行业和研究的最佳本文介绍了通用的模型转换机制的MOMENT框架,其应用程序的平台无关的模型,获得一个UML模型从MDA上下文中的关系模式。本文的结构如下:第2节介绍了其他方法,提供自动支持模型转换;第3节指出了一个例子,说明通过论文的转换过程;第4节提供了一个概述的时刻框架;第5节介绍了模型转换的时刻框架最后,第六部分对本文的工作进行了总结,并指出了今后的研究方向。2现有技术一般模式管理的模型理论的要点在[6]中提出。这种模型理论适用于各种数据模型,如关系模型、面向对象模型和XML模型,允许通过类别态射进行模型RONDO [2]是基于该方法的工具。它通过图论和一组高级操作符来表示模型,这些高级操作符使用范畴理论来操作这些模型和它们之间的映射。模型通过每个元模型的特定运算符转换为图。这些代数态射是使用命令式算法实现的,如CUPID [7]。CUPID是RONDO工具中用于匹配模式的算法。在MOMENT平台中,我们遵循元对象设施规范(MOF)中提出的框架。MOF是OMG系列标准之一,用于建模分布式软件体系结构和系统。它定义了一种抽象语言和一个四层框架,用于指定、构造和管理技术中立的元模型。元模型是一种用于不同类型元数据的抽象语言。MOF定义了一个框架,用于实现保存由元模型描述的元数据的存储库。这个框架启发了我们的模型管理平台,34A. Boronat等人/理论计算机科学电子笔记127(2005)31尽管我们没有使用相同的词汇表来描述元模型。在MOF的情况下,两个最抽象的层表示一个特定模型的抽象视图。这允许定义泛型操作符来操作模型和元模型。M′etaGenproject[9]与1991年的现代化技术相比,其目标是从预期用户给出的描述中完全自动地生成传统应用。这样的描述是通过PIR 3来执行的,PIR 3是数据库社区中称为安全关系模型的变体。在[10]中,Revault等人比较了三种用于建模的元建模,以显示M′etaGen项目期间所需的经验。在那篇论文中,他们提出了一种将基于MOF的Meta模型转换为基于PIR3的元模型的方法,以便元模型可以从M'etaGentool中受益。 该方案训练了源元模型的性能,因为面向对象范式比直接关系范式更丰富。我们的模型管理方法支持多种元建模语言的定义,如MOF或PIR3,将它们视为相同抽象级别的模型,并使用泛型运算符。这使得两个元模型之间的自动转换成为可能,而不会损失表达能力。XML [18]是应用程序之间数据通信的标准,也用于通过XMI规范[19]表示模型和元模型MOF定义了一个元-元模型,而XMI表示元模型的物理表示以及可以用它定义的模型。在模型转换领域,有一个XML规范允许将一个XML文档转换为另一个XML文档,称为XML转换[20]。它可用于转换以XML格式表示的模型。将重写系统与术语重写系统进行比较,应该指出一些差异:• 虽然说XML是一种声明性语言,但控制指令(如跳转和循环)可用于指导转换过程。相反,术语重写系统接管转换规则评估过程。• 编写一个JavaScript程序是一个漫长而痛苦的过程,这意味着相关程序的可读性很差,维护成本很高。此外,编写一个XML程序需要在MOF和XMI规范方面有很好的技能,因为当使用XPATH和XML时,开发人员必须考虑依赖于元模型的模型结构。这些元模型反过来又受到MOF和XMI的广泛影响。通过将元模型表示为代数,我们可以使用代数作为领域特定语言来处理更具体的语法,该因此,我们建议,A. Boronat等人/理论计算机科学电子笔记127(2005)3135编写模型(以及相应的转换规则)变得更容易和更容易理解。• 在XML中应用转换规则时不考虑目标XML模式(转换模型时的元模型),这意味着要进行事后检查,以确定所获得的文档是否是符合目标模式的有效XML文档。 重写代数中的规则会考虑源代数和目标代数,因此不再需要后验检查。• 对于模型转换来说,执行一个JavaScript程序并不是用户友好的,因为没有错误消息来通知用户一个不正确的转换。MTRANS框架[21]提供了一种抽象语言来定义编译为XML的转换规则。尽管这种语言比XML更紧凑,更容易理解,但它仍然保留了管理转换规则评估的指令然而,使用XML技术的转换意味着使用工业上支持的标准规范,而术语重写系统通常仍在研究领域内。3运行示例考虑一家为大型汽车经销商工作了很长时间的汽车维修公司。维护公司一直使用旧的C应用程序,其中信息存储在一个简单的关系数据库中,该数据库不考虑完整性约束。汽车经销商最近收购了汽车维修公司,总裁决定将旧的应用程序迁移到新的OO技术,以提高维护和效率。因此,目标应用程序将通过OO编程语言开发假设原始数据库的一部分是两个通过外键关联的表为了获得一个语义上等价于这个关系模式的UML模型,设计者通常手动构建它,这涉及到很高的开发成本,因为必须考虑整个初始数据库。更糟糕的是,由于人为因素,这个过程容易出错。36A. Boronat等人/理论计算机科学电子笔记127(2005)31Fig. 1. 关系模式图二. MOMENT框架4MOMENT框架MOMENT(MOmentmanageMENT)框架是一个模块化的体系结构,分为三个传统的层:接口,功能和持久性。在每一个方面,环境都受益于成熟的工具,例如界面层的图形化CASE工具,功能层的术语重写系统,以及持久层的RDF存储库。因此,MOMENT框架旨在利用每个环境的最佳特性,使工业建模工具更接近于更正式的系统。图2显示了MOMENT框架的概述。功能层允许模型的表示和对它们的转换的执行。功能层的核心是一个名为MOMENT Theory的模块,它允许通过代数方法进行模型表示和操作。我们用表现力A. Boronat等人/理论计算机科学电子笔记127(2005)3137该平台基于代数来定义模型并将其表示为代数项。这个代数通过一种叫做模式的术语来表示模型。这些术语由概念和属性组成。概念是模型的主要实体,属性或者用值描述它们,或者在它们之间建立关系。属性包含有关基数的信息,表明有多少概念可以与属性的所有者MOMENT平台使用多个元数据层来描述任何类型的信息,包括新的元数据类型。该架构基于经典的四层元建模架构(遵循ISO [11]和CDIF [12]等标准)和MOF规范[4]中提出的更现代的四层在我们的工作中,我们将平台分为四个抽象层:• M0层收集所有模型的示例,即,它保存由M1层的数据模型描述的信息。• M1层包含描述M0层中的数据的元数据,并通过模型将其这一层提供服务来收集最低层中的现实示例。• M2层包含定义位于M1层的元数据的结构和语义的描述(元元数据)。 这一层将元数据分组为元模型。元模型是一种描述不同类型数据的“抽象语言”。M2层提供服务来管理下一个较低层中的模型。• M3层是平台的核心,它包含了指定任何具有相同公共表示机制的Meta模型的服务。它是平台中最抽象的一它包含对元-元数据的结构和语义的描述,该元-元数据位于M2层。这一层提供了矩理论模块还提供了一种机制来定义元模型之间的转换。TRS Manager模块包装了一个TRS,它通过自动应用一组重写规则来执行模型转换我们使用CafeOBJ环境作为TRS [13]。理论编译器模块允许将元模型的代数规范编译为基于等式逻辑的理论。它还将元模型元素之间的定义映射编译为基于重写逻辑的理论,以便在包装的TRS上执行模型转换。其中一些模块是使用函数语言F# [14]开发的,它提供了方便的功能来处理代数规范。38A. Boronat等人/理论计算机科学电子笔记127(2005)31和命令式编程环境,如.NET技术。函数语言和代数规范语言的结合使我们能够达到我们的目标。一方面,MOMENT代数是在F#中实现的,它为导航和规范操作提供了有效的结构。另一方面,TRS提供了一个合适的环境来支持自动模型转换。5PIM到PIM转换MDA通过将模型视为主要工件来提高软件开发过程中的抽象级别。模型是使用建模语言定义的,但是当这些语言打算用于比绘图更复杂的事情时,它们的语法和语义都必须指定。在这种情况下,形式语言的使用通常涉及处理其复杂的语法,使其在工业中不受欢迎。从这个意义上说,MOMENT框架是用户友好的,允许使用来自著名CASE工具的形式化技术,通过代数规范来定义模型,并使用重写逻辑来执行模型转换[15]。在本节中,我们将介绍MOMENT如何通过从关系模式生成UML模型,为MDA上下文中的通用模型转换提供形式化支持。首先,我们将解释转换机制的一般概述,然后,我们将重点关注过程中最正式的阶段。5.1MOMENT模型转换过程使用MOMENT框架转换任何模型都构成了图3中详细描述的过程。为了从激励示例的关系模式中获得相应的UML模型,我们执行以下步骤:(i)(1)和(2):我们分别在MOMENT平台的M2层使用MOMENT代数的操作指定关系和UML元模型。每一个元模型都是由概念和属性组成的模式,概念描述本体的主要实体,属性通过指定值和建立它们之间的关系来描述概念这些代数规范是通过嵌入在特定CASE工具中的可视化向导来执行的,以掩盖等式逻辑形式主义。(ii) (3):A. Boronat等人/理论计算机科学电子笔记127(2005)3139图三. 模型转换通过脚本语言在M2层指定两个元模型的概念之间的映射,指示语义关系。有两种等价映射可以用这种语言表达:(a) 简单映射,定义属于不同元模型的两个概念之间的简单对应关系;例如,表和类之间,或者表的列和类的属性之间。(b) 复杂映射,定义源元模型和目标元模型的元素之间的对应关系。这些映射将表示相似语义含义的概念的两个结构关联起来。例如,为了定义关系元模型的外键和UML元模型的关联之间的等价关系这是因为关系元模型的所有这三个概念都提供了必要的知识来定义UML元模型中两个类之间的关联,比如基数40A. Boronat等人/理论计算机科学电子笔记127(2005)31协会的(iii) (4):原始的关系模式通过MOMENT平台的M1层模式中的概念和属性来指定。概念和属性都是第1步中定义的关系元模型元素的实例。(iv) (5)(6):关系元模型和UML元模型都分别通过框架的Theory Recommender模块编译成代数理论编译使用概念来定义新理论的种类,使用属性来定义构造函数和查询运算符。生成的理论由CafeOBJ TRS解释,提供相应的代数来将TRS中的模型定义为代数项。(v)(七):在M2层的两个元模型的概念之间指定的语义映射也被编译成另一个理论,该理论用一组重写规则扩展了上述理论。该理论指出了如何以自动的方式将源元模型(关系元模型)的模型转换为目标元模型(UML)的新模型。(vi) (8):在步骤(4)中在MOMENT平台的M1层定义的原始关系模式通过框架的术语管理器(vii) (9):TRS评估在步骤(7)中获得的代数中表示初始关系模式的项用户可以通过该框架的评估者模块来管理这一过程。利用TRS的评估功能,评估过程可以分步模式进行,也可以在完整评估模式TRS通过应用在步骤(7)中获得的重写规则来减少初始项,生成目标代数的项(viii) (10):这是模型转换过程的最后一步。 它解析在步骤(9)中获得的项,将M1层中的模型定义为在M2层定义的目标元模型的实例。在那里,它被伪装成与图形化CASE工具中的目标元模型相关联的视觉隐喻。A. Boronat等人/理论计算机科学电子笔记127(2005)3141在 模 型 转换 过 程 中 , 用户 仅 在 定 义 源 和目 标 元 模 型 ( 步骤 (1 ) 和(2))、两个元模型的元素之间的语义映射(步骤(3))和初始模型(步骤(4))时与MO-MENT平台交互。其他步骤由框架自动执行,尽管用户可以通过指定TRS在术语缩减的每个步骤中应用的重写规则来参与评估过程。在下面的部分中,我们将更详细地解释阶段(5)、(6)、(7)、(8)和(9),指出TRS如何能够执行模型转换,从而为MDA的目标提供形式化的支持。5.2基于等式逻辑的理论汇编在MOMENT平台的M2层定义的关系和UML元模型分别在步骤(5)和(6)中被编译成基于等式逻辑的将MOMENT元模型编译成等式理论使用元模型的概念来获得理论的排序;例如,关系元模型的表、字段、外键排序,以及这些排序的标识符,即,表ID、字段ID和ForeignKeyId的排序。矩元模型的属性通过基数提供了排序项的结构信息。因此,当概念A通过基数为1的属性与概念B相关时。1,排序A的构造函数看起来像这样:op a:B→A。然而,如果最小基数为零或最大基数为多,则排序为A的项的构造函数如下所示:op a:ListB→A,其中ListB是允许定义列表的排序,列表的项是排序B的项。由于CafeOBJ属于OBJ语言家族,它允许通过几个等式理论进行等式指定,例如结合性,交换性,恒等式,恒等式以及所有这些之间的组合这一特点反映在执行层面上的长期重写,通过这样的方程理论。图4显示了关系元模型的编译理论的构造器;图5显示了UML元模型的构造器。我们在理论中重新定义了排序和其他构造函数的定义,以及查询运算符的定义,重点放在允许我们说明示例的元模型的元素上。我们必须指出,为UML理论获得的参数允许我们定义表示UML兼容模型的术语。42A. Boronat等人/理论计算机科学电子笔记127(2005)31见图4。 关系理论图五. UML理论5.3基于重写逻辑的理论汇编为了转换示例的关系模式,在步骤(3)中定义了源元模型和目标元模型概念之间的语义映射。这些映射被编译成一个代数,这个代数扩展了关系代数和UML代数(步骤(5)和(6)),并带有一组描述模型转换指导方针的重写规则。这些规则由TRS将初始项重写为目标代数的项而自动应用。新的代数构成了定义源本体和目标本体之间的语义关系的上下文。为了允许转换过程,新的代数必须将初始代数的排序(关系元模型)与目标代数的排序(UML元模型)联系起来。两个代数的排序之间的关系导致了一个包含所有排序的子排序顺序。例如,在示例中,sort Table是sort Class的子排序,表明类可以取代之前存在的表。子排序关系涵盖了这两种代数的所有类型,甚至包括标识符和列表,因为它们是矩代数中的相关概念。与矩代数中的概念相关的性质定义了A. Boronat等人/理论计算机科学电子笔记127(2005)3143在编译代数的种类之间的规范顺序。在生成重写规则时会考虑此顺序。我们提出了应用于示例的关系模式的重写规则,以获得CafeOBJ语法中的语义等效UML模型:(i) 领域表的字段成为表示UML模型的术语中的类的属性。该规则重用字段的特征(数据类型,是否为null以及是否为主键)来生成属性。字段特征还指示属性数据类型,无论它是否是必需的,以及它是否是它所属的类的标识符:opfield:FieldId Datatype Bool Bool TableId DatabaseId->Attribute eq field FI D NNV PK TI DBI = attribute FI D NNV false PK TIDBI。(ii) 外键外键可以定义UML上下文中两个类之间的关联当外键是唯一的且不为空时,应用以下规则,获得关联1。1 - 0..*从相关表中生成的类之间op foreignKey:ForeignKeyId ListAttribute TableId Bool TableId DatabaseId->ListClassceq foreignKey FkI LA RTI U TI DBI =(association FkI TI RTI DBI)(associationEnd TI TI FkI true unordered aggregatecard 0 many frozen public DBI)(associationEnd RTI RTI RTI FkI true unorderednone card 1 card 1 frozen public DBI)如果U和isRequired(LA)。(iii) 表一张桌子变成了一个班级。重写规则必须考虑到表是由字段和外键组成的事实,因此字段将成为新类的属性,而外键将成为UML模型的一组元素,即,根据UML元模型,一个关联和两个关联结束OPtable:TableId ListAttribute ListClass DatabaseId->ListClass eq table TI LA nilForeignKey DBI =(class TI LA DBI).等式表TI LA LC DBI =(TI LA DBI类)LC。(iv) 数据库最后,一个数据库被重写为一个OOSchema类型的术语,表示目标UML模型,通过以下规则:操作数据库:DatabaseId ListClass ->OOSchema44A. Boronat等人/理论计算机科学电子笔记127(2005)31见图6。表示源关系模式的原始术语,以及表示目标UML模型eq数据库DBI LC = ooSchema DBI LC。5.4项重写过程步骤(8)编译MO-MENT平台的M1层中定义的关系模式,获得图6.a中的代数项。TRS将上面指定的重写规则应用于这个初始项,获得目标代数(UML)的项,如图6.b所示。 这个术语在MOMENT平台的M1层中被解析并定义为UML模型。在那里,它自动与特定CASE工具中的图形图片相关在术语重写过程中,为了执行正确的转换,可能需要一些额外的信息,因为元模型不具有相同的表达能力。例如,当一个转换案例没有被考虑或者当几个重写规则可以被应用到源模型时。在这种情况下,一个可视化向导可以帮助用户选择一个选项,甚至添加一个新的转换规则,为CafeOBJ解释器提供一个可视化界面。为了从MOMENT功能中受益,我们将MOMENT框架的功能集成到可视化建模环境中[22]。通过这种方式,我们可以将代数规范与视觉符号联系起来,以便用户可以使用这些图形来构建模型。我们所选择的CASE工具是MS [23]。我们已经开发了一个插件,允许用概念和属性定义元模型。图7显示了允许在MOMENT平台中定义类的图形符号的界面。在可视化CASE工具中,模型通常通过删除图形化的A. Boronat等人/理论计算机科学电子笔记127(2005)3145见图7。用代数方法定义图形基元的可视化界面定义模型的图纸上的图元。通过开发的附加模块,将一个图元放到工作表上不仅可以将一个图形添加到模型中,还可以用代数方法定义它,指定模型,以便以后可以对其进行操作。6结论和进一步的工作如今,软件应用程序已经成为技术的复杂组合,为了管理它们,必须很好地理解这些技术。软件构件的开发涉及到可以与其他模型混合以从部分视图获得整个系统的模型,或者可以与其他模型互连以保证分布式环境中的互操作性及其实现。模型管理[8]是一个新兴的研究领域,其目的是通过泛型操作符来解决数据模型集成和互操作性。类似地,MDA通过将模型视为主要工件来提高软件开发过程中的抽象级别。MDA潜在地覆盖了系统在其整个生命周期中的所有方面的建模,使软件开发过程更容易和更自动化。MOMENT(MOdel manageMENT)平台遵循这一趋势,提供了一个框架,可以使用代数方法表示模型。MOMENT框架从当前可视化CASE工具的最佳特性和正式环境46A. Boronat等人/理论计算机科学电子笔记127(2005)31例如术语重写系统,其结合了工业和研究特征。在本文中,我们介绍了通用的模型转换机制提供的MOMENT框架,重点是使用CafeOBJ TRS执行自动翻译的模型。这种机制已经应用于MDA上下文中的平台无关模型,从关系模式中获得UML模型。TRS的功能允许我们从一个更抽象的角度来处理模型管理,因为重写规则的应用可以以一种透明的方式来执行。这一事实使我们能够将所有的精力集中在模型的具体化上,而不必考虑评估逻辑。我们的方法构成了一个代数基线,以应对未来的模型转换语言QVT,提供了一个用户友好的环境,从可视化CASE工具操纵模型[22]。在[16]中,我们提出了我们构建MOMENT平台的基本支柱,考虑到我们以前在工业项目RELS中的经验,RELS是一种用于恢复遗留系统的工具。目前,我们正在处理关系模式和UML模型之间的转换在不久的将来,我们还将通过PRISMA ADL [17]考虑软件架构规范,研究软件架构与通过UML模型表示的其他类型软件工件之间的语义互操作性。7致谢这项工作得到了西班牙政府在国家研究、发展和创新方案下的支持,西班牙国际合作署项目TIC 2003-07804-C 05 -01。引用[1] S. 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