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工具总线架构的重构范式及其实施案例研究
理论计算机科学电子笔记150(2006)127-142www.elsevier.com/locate/entcs工具总线架构的重构范式为例A.W. Stam1,a,L.P.J.Groenewegena E.P.de Vinka,baLIACS,荷兰莱顿大学B数学与计算机系Sc.,荷兰埃因霍温TU/e摘要在本文中,我们报告的实施案例研究协调描述语言范式。我们将展示如何重构现有的范式模型,以促进其有效的,cient实现的软件协调架构,如工具B我们。 这种重组部分是通过将等级制的经理-雇员关系转变为对称的相互控制和利用结构组成部分的相似性来实现的。 在此之上,我们引入了协调者-编织者-执行者模式,它结合了协调和计算的局部分离与全局内生协调策略。该方法说明了一个通用的服务的例子。保留字:范式,协调,软件体系结构,工具总线1介绍在当前的软件体系结构实践中,体系结构主要用于描述软件系统的静态方面允许系统架构师描述软件系统的全局和细节之间的关系,并从整体上推理系统的动态性的技术,在软件行业中并不常见。我们相信协调描述语言Paradigm[7,11,18,10]对于捕捉上述动态是有价值的。范式允许描述-1Corespon dingathor:andries. 一年四季都是这样。nl1571-0661 © 2006 Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放访问。doi:10.1016/j.entcs.2005.12.027128A.W. Stam等人理论计算机科学电子笔记150(2006)127它可以对单个组件的详细行为和全局行为进行描述,并且特别有助于在大量相互关联的组件的行为中实施一致性。然而,由于缺乏语言和工具支持,其实际使用目前受到限制。在本文中,我们研究了一种实现范式模型的方法。我们专注于重构现有的Paradigm模型,以简化它们的实现:减少Paradigm中的概念和结构的数量,并将模型分解为单独的类似实体。我们还为Paradigm模型的实现开发了一个特定的模式,该模式将组件划分为执行者,编织者和协调者,从而将计算与协调分离[8]。对于案例研究,我们选择了工具总线架构,因为它在插入和取出组件时具有灵活性。相关的工作包括克莱默,马吉和合著者。 他们的目标是弥合正式软件开发和实际软件工程方法之间的差距[15,16]。他们的体系结构观点关注于组件互连(其中Paradigm强调组件交互)和模型检查技术的开发。成功的基础上嵌入的进程代数FSP到架构描述或协调语言,如达尔文和琳达,以及支持规范和推理提供的LTS分析工具。虽然已经进行了几次初步的尝试[1,13],但目前还没有类似的支持来验证Paradigm模型。协调和工具的其他过程代数方法包括Cleaveland和Smolka等人在GCCS协调语言和并行工厂设计环境及相关软件上的工作[4,5]。例如,具有高级通信机制的系统模型的可执行代码,如[17]中所报告的,可以自动生成并用作进一步分析的主题。Go-maa使用演化领域生命周期的概念提出了体系结构族的设计和重用。在[9]中,与本文一样,这种方法是针对客户端-服务器示例进行说明的。此外,在[ 3 ]中,从过程代数的角度研究了一种称为“架构类型”的中间表示形式利玛窦提倡使用活动理论中的概念来协调多智能体系统[19,6]。这些方法专注于研究通用架构本文的布局如下。在第2节中,由于篇幅有限,我们对Paradigm进行了介绍,并对工具B做了一些注释(然而,请参见[2,14,12])。在第3节中,我们介绍了一个范例模型,A.W. Stam等人理论计算机科学电子笔记150(2006)127129客户端-服务器架构,这将作为一个运行的例子,在其余的文件。在第4节中,我们通过引入范式的对称版本来重构模型,其中管理人员和员工被演员所取代,以减少概念和结构的数量。在第5节中,我们展示了如何在Paradigm模型中分解状态转换图。在第6节中,将解释协调者-编织者-执行者模式。我们在第7节中提出结论。2背景Paradigm是一种基于子过程和陷阱概念的协调描述语言[7,11,18,10]。它将组件的局部细粒度行为与多个全局粗粒度行为视图(从其环境中的不同点观察)范式模型将软件架构因素纳入其基本的管理者-员工关系中。组件交互的建模从描述组件的状态转换图(STD)开始从交互作用及其协调的角度来看,并非所有的具体行为都很重要,重要的是阶段方面的整体行为组件的协调要求用这些术语描述相互作用Paradigm的基本思想是,对于系统的特定视图,在每一个时刻,都有一个称为经理的组件,负责其他相关组件(称为员工)的阶段变化一般来说,软件架构可以沿着几个维度进行切片。在Paradigm中,这反映为一个组件涉及多个parti- tions。分区捕获从周围系统看到的组件的特定视图。每个分区都有一个或多个管理员,并属于一个员工。实际的管理可以从一个管理器切换到另一个管理器,每次总是一个。以这种方式,管理者的局部的、基于状态的行为与雇员的全局的基于阶段的行为的相互作用构成了分区的协调。在Paradigm中,这是使用所谓的一致性规则来描述的组件的一个阶段在Paradigm中用子流程的概念表示。子进程由组件的STD的子STD给出对于特定分区,组件STD将具有一个或多个子进程。这些子过程是重叠的。当员工处于某个阶段时,即,组件正在执行一个子进程,它可能在某个时刻准备好进入下一个阶段。但是,转移到相应的子流程不是由员工而是由分区的管理员决定130A.W. Stam等人理论计算机科学电子笔记150(2006)1271n来协调这个。范式提供了企业与管理者沟通陷阱的概念。雇员的每个子流程都区分其状态空间的许多子集,称为陷阱。子流程的转换可能会导致陷阱,但永远不会出去,因此得名。当子流程中的组件驻留在陷阱中时,这反映了它准备好转移到下一个阶段。一旦分区的管理者注意到所有雇员组件都进入了特定的陷阱,管理者就可以执行相应的一致性规则。在Paradigm中,一致性规则的格式为Jθ1JθnJM:s → s E1:S1→ S1,. ,En:Sn→ Sn这意味着如果雇员组件E1到En已经分别到达其子进程S1到Sn中的陷阱θ1到θn,则管理者组件M可以进行从其状态s到其状态sj的本地转换,在此之后,这些组件将继续执行子过程SJ到SJ。 状态到状态转换s→SJ描述组件的局部行为;对于特定分区,从子进程到子进程的转移捕获其全局行为。通常,可以应用零个、一个或多个一致性规则。在我们的案例研究中,我们使用工具B来说明对称分解范式模型的实现策略。TOOL BUS是一个用于协调组件的集成平台,可能使用不同的编程语言编写,由Klint及其同事开发了十多年[2,14,12]。它提供了一个可编程的总线,用于驱动组件活动的合作。通过这种方式,组件可以轻松插入和拔出。为了说明它的范围和范围,工具总线支持工业规模的信息系统的连接,并适合于高性能的基于Web的分布式应用程序。的TOOLBUS 运行写入的进程TS脚本,进程代数基于解释的脚本语言。进程和外部组件(在TOOL BUS术语中称为工具,由总线上的接口进程表示)使用TCP/IP套接字以基于ATM的统一格式交换数据。通过这种方式,工具被封装;外部组件的实现细节可以完全隐藏。 因此,我们可以把它看作是协调与协调的一个实例。计算范例[8]:协调由总线上的进程捕获,计算由外部组件体现。 然而,改变工具BUS中的协调是不太灵活的,因为它只能通过启动新的工具BUS来实现。A.W. Stam等人理论计算机科学电子笔记150(2006)127131在书桌需要明确没有需要下服务萨提斯性的3客户端/服务器示例在本文中,我们将使用以下Paradigm模型的运行示例它由一个服务器组成,为三个客户端提供服务。服务器被建模为经理,而客户端被建模为雇员。客户端由图3.1的STD描述。它们不断循环执行以下步骤:• NoNeeds:客户端不需要服务器的关注。• AtDesk:客户希望得到服务(在前台等待)。• NeedClear:客户端已经告诉服务器它想要什么样的服务。• UnderService:客户端正在由服务器提供服务。• 满意:客户端得到了服务器足够的关注。图3.1. 客户端状态转换图图3.2描述了客户端的分区。在分区中,有三个子进程:在子进程Without中,客户端还没有与服务器联系,在子进程Orienting中,客户端向服务器解释其需求,而在子进程With中,客户端正在接受服务。陷阱asking、questionclear和ready将这些子进程相互连接起来。相应的全局行为如图3.3所示。服务器的STD如图3.4所示。服务器使用循环策略来寻址所有客户端,从客户端1开始。对于每个客户端,服务器检查该客户端是否需要关注,如果需要,则侦听其请求并执行所请求的服务。如果客户端不需要注意,服务器将移动到下一个客户端。表1中的一组规则描述了经理与员工之间的沟通。规则(R1)、(R2)和(R3)保证请求服务的客户端将被正确地服务:如果客户端i处 于 陷 阱 中 , 请 求 其子 进 程 Without , 而 服 务 器 处 于 状 态 Checking(i),则服务器将转换到状态ListeningTo(i),客户端i将被转移到子进程Orienting,132A.W. Stam等人理论计算机科学电子笔记150(2006)127需要明确问问题清除没有导向没有导向问题清除准备图3.2. 客户分区准备图3.3. 客户端的全局行为图3.4.服务器状态转换图根据规则(R1)。如果客户端i到达trapquestionclear(并且服务器处于ListeningTo(i)状态),客户端i将被更改为subprocessWith,并且服务器将转到状态Serving(i),如规则(R2)所规定的。规则(R3)确保如果客户端i到达陷阱就绪状态,并且服务器处于Serving(i)状态,那么服务器将进入ReadyWith(i)状态,并且客户端i被转移到子进程在需要桌面清理问没有需要萨提斯性的在书桌需要明确没有需要下服务萨提斯性的检查-中文准备有听着-中文(简服务(一)A.W. Stam等人理论计算机科学电子笔记150(2006)127133没有.规则(R4)使服务器能够在当前客户端已经被安置后为下一个客户端提供服务(用索引模3计算)。最后一条规则(R5)确保服务器只有在客户机不请求服务时才能跳过该客户机。(R1)服务器:Checking(i)→ListeningTo(i)删除客户端(i):没有问→定向问题清除(R2)Server:ListeningTo(i)→Serving(i)客户端(i):Orienting → With准备(R3)Server:Serving(i)→ReadyWith(i)服务器客户端(i):With→Without(R4)服务器:ReadyWith(i)→Checking(i+ 1)(R5)Server:Checking(i)→ReadyWith(i)删除Client(i):Without表1客户端-服务器一致性规则4配位对称化国王在Paradigm中,正如运行的示例所示,对经理和员工的描述是不同的。通常,通过添加parti- tions,为员工建立详细的全局行为模型。对于它们的详细STD,定义了子过程和连接陷阱,从中可以获得全局行为。对于管理者来说,STD直接描述了其行为。管理者和员工之间的通信由将管理者STD的转换与员工的全局行为中的转换相关联的规则来描述。然而,就我们的目的而言,更方便的做法是将管理者和雇员视为类似的实体,并以同样的方式描述他们,包括本地和全球行为。这种方法具有技术优势,因为不需要实施与员工不同的管理者。我们将客户端-服务器示例的Paradigm模型重新表述为对称Paradigm模型。在这里,经理和员工都有分区(因此是详细的和全局的行为),通信规则仅根据参与者(指经理和员工的统称)定义,从一个子流程移动到另一个子流程,由进入陷阱的其他参与者触发。因此,管理者侧分区和雇员侧分区彼此相关,但是管理角色和雇员角色在管理者和雇员之间反复地来回切换。原来的服务器被扩展为具有三个分区的服务器,每个分区对应于它可以服务的每个客户端。在每个分区中,服务器都有三个子进程.服务器行为和客户端行为之间的关系由表2中描述的这种对称范式模型的一致性规则来确保。134A.W. Stam等人理论计算机科学电子笔记150(2006)127未分配给(1)已分配给(1)正忙(1)服务(1)细心图4.1. 关于客户机1屈从不第1111章:一个可用的细心联系我们至(1)(一)屈从图4.2. 服务器相对于客户端1对于客户端1,我们有图4.1中给出的子流程。确定了三个子过程。在NotAssignedTo(1)中,服务器没有分配给客户端1。注意缺少状态ListeningTo(1)。如果服务器在trapavailable中,并且客户端1在其子进程Without中输入trapasking,则服务器将根据表2的规则(R2J)改变为子进程AssignedTo(1)。在那里,它最终会进入陷阱殷勤。 一旦客户端1 在子 进程Orienting 中输 入trapquestionclear , 服务 器将根 据规 则( R4J ) 更 改 为 子 进 程 BusyWith ( 1 ) , 其 中 它 最 终 将 输 入trapsubservient。根据规则(R6J),一旦客户端1进入子进程With的陷阱就绪,它将变回子进程NotAssignedTo(1)。图4.2显示了服务器的相应全局行为注意与非对称范式模型规则的不同之处:非对称规则包含全局员工转换和本地经理转换,而对称版本仅包含全局员工转换和经理转换。非对称模型中的规则(R1)、(R2)和(R3)被对称模型中的规则(R1J)至(R6J)所取代规则(R4)在非对称模型中是不需要在对称版本,因为它涉及到一个本地的过渡。不对称版本中的规则(R5)也不需要,因为在对称版本中,子进程陷阱结构保证服务器不会跳过它所分配的客户端在图4.3中,显示了我们运行的示例中服务器和客户端1之间的对称通信的详细视图。可以看出检查-就绪(1)与(1)可用服务(1)Listening-ingTo(1)检查-就绪(1)与(1)听着-中文(简A.W. Stam等人理论计算机科学电子笔记150(2006)127135我→(R1′) Server:NotAssignedTo(i)avai→lableNotAssignedTo(i)准备Client():有→无(R2′)Client(i):Withoutas→kinggWithouta sServer:NotAssignedTo(i)avai→lableAssignedTo(i)(R3′) Server:AssignedTo(i)atte→ntiveAssignedTo(i)问客户(一):无 →定向(R4′) Client(i):OrientingquestionclearServer:AssignedTo(i)atte→ntiveBusyWith(i)(R5′)Server:BusyWith(i)subse→rvientBusyWith(i)问题清除客户(一):定向→与(R6′)客户t(i):其中r→eady,其中Server:BusyWith(i)subse→rvientNotAssignedTo(i)表2对称客户机-服务器一致性规则这张图,如果客户端进入一个陷阱,服务器的子进程就会发生变化。反之亦然,如果服务器进入一个陷阱,客户端的子进程也会改变。两个演员的描述是相同的,所以可以是他们的实现。请注意,参与者之间的通信仅由参与者进入陷阱的信息组成。因此,参与者之间的所有沟通都是在全球行为层面上进行的5配位分解我们运行的示例中的服务器正好服务于三个客户端。在对称范式模型中,服务器有三个分区:一个分区对应于它所服务的每个客户端。这些分区高度重叠,因为一个客户端的分区还必须跟踪与其他两个客户端的协调相关的状态。此外,服务器使用循环策略,但是该策略的协调与客户端的协调没有分离。这使得整个模式扩大,使其不那么容易理解,并阻碍了对模式的未来更改,例如关于客户数量或服务战略的更改。更重要的是,它也使Paradigm模型的简单实现复杂化,因为所有分区都有许多状态要跟踪,但很少有东西要协调,而所有客户端分区在形状上都相似,但它们的状态名称不同因此,我们将服务器STD分解为更小的部分。我们不指定每个分区中的整个状态转换图,而是只提到与协调相关的状态,并引入一个en-136A.W. Stam等人理论计算机科学电子笔记150(2006)127检查-ing(i)准备与听着-(i)服务(一)图四点三详细说明服务器和客户端1之间的对称通信保持与协调无关的所有状态的状态。我们为每个客户机保留分区(就像我们已经做的那样),并为循环策略引入一个新的分区。图5.1和5.2显示了用于协调的通用STD和分区一个客户有些箭头没有开始或结束状态:它们链接到环境,其中包含与此分区无关的状态图5.1. 关于客户端循环调度策略通过一个单独的分区来协调,如图5.3的左半部分所示。它由一个子进程和一个简单的陷阱组成。在右边的部分,不确定性选择被显示为循环策略的替代方案。 它说明了一个事实,整个STD的简化有助于变量的建模。通过识别某些状态,可以组合各个片段以检索原始STD。例如,在一个示例中,在我们运行的示例中,循环分区的状态1a和1b未分配给(1)分配给(1)忙碌(1)检查-就绪(1)与(1)检查-就绪(1)与(1)可用服务(1)Listening-ingTo聆听-服务中文(简体)细心屈从没有定向与在需要时办公桌清理在需要时办公桌清理需要明确问问题清除没有需要没有需要下服务萨提斯性的萨提斯性的准备A.W. Stam等人理论计算机科学电子笔记150(2006)127137可用服务(一)检查-准备(i)与(i)检查-ing(i)听着-(i)准备就绪(i)聆听-服务ingTo(i)(i)未分配给(i)分配给(i)忙(i)殷勤的图5.2.关于客户端分别对应于客户端1的协调器的状态Checking和ReadyWith。特里夫特里夫图5.3. 服务器分区的轮询策略和一种替代策略6计算与协调在前面的两节中,我们描述了原始Paradigm模型的转换,以促进其实现。我们已经用工具B进行了实验,以实现这一目标。特别是,我们利用了它提供的实体之间的通用通信机制。我们在工具B中使用的协调过程仅用于协调组件之间的通信。因此,它们不执行Paradigm模型的一部分协调(在分区和规则方面)我们通过这种方式确保Paradigm模型中的更改可以通过插入和取出组件来灵活处理,而无需更改工具B中的流程。1a和1b01a1b138A.W. Stam等人理论计算机科学电子笔记150(2006)127协调布线....................表演者韦弗协调员协调员表演者韦弗协调员协调员表演者韦弗协调员协调员表演者韦弗协调员协调员尽管如此,对于范式模型,我们也保持了协调与计算的分离。如图6.1所示。演员演员演员演员图6.1. 当前Paradigm实现工具B只关心组件之间通信的特定部分:反映协调交互的部分(布线)。在我们这里的方法中,对称范式模型中的每个参与者都被分成几个组件:一个执行者,一个或多个协调者和(如果有更多协调者)一个编织者。执行者执行者负责执行与参与者的本地行为中当前允许的步骤集相对应的STD。它知道其中每个转换的含义,并且如果必要的话,在可能有多个转换时做出选择。执行者从协调器或织入器获得其状态转换图。状态转换图作为一组规则来传送,A→ {B,C},这意味着从状态A,执行者可以转换到B或C。执行者将每个状态转换传递给编织者。 它不知道有任何协调。协调器协调器负责与单个分区有关的信息的通信和实施。它直接从执行者或通过织入器获取有关执行者所处状态的信息。 它知道分区内的陷阱和子进程。如果执行者进行了对应于进入陷阱的转换,则协调器将此“陷阱进入”传达给它所连接的其他协调器。反过来,其他协调器将其陷阱信息传达给该协调器。根据来自其他协调器的陷阱信息,协调器将下一个当前子流程(作为规则集)传递给执行者(可能通过编织器)。A.W. Stam等人理论计算机科学电子笔记150(2006)127139Weavers如果在一个范式模型中,某个参与者有多个parti- tion,则需要更多的协调者,所有协调者都与单个执行者通信。在这种情况下,织入者将各个协调者当前指定的子流程组合成一个单独的子流程,并将其传达给执行者。编织者知道状态之间的平等关系,知道某些状态何时处于协调器的环境中。编织者是完全透明的:协调者和执行者都以与彼此直接通信相同的方式与它通信。注意,织入器只织入当前的子流程,而没有进一步的一致性调整。范式模型本身负责一致性。图6.2给出了我们运行的示例中服务器的编织器的工作示例。假设协调器指定了给定的子进程:NotAssignedTo(1)、AssignedTo(2)、BusyWith(3)和循环模式的单个子进程。通过其对状态映射的了解,编织者将单独的处方组合成单个处方,并将其传达给执行者。如果执行者执行一个转换,它将把它的状态传递给编织者,编织者将实际状态转换为每个协调器已知的状态7总结发言我们的研究问题涉及到并列描述语言范式的重构。Paradigm的典型之处是管理者与员工的关系。很可能,所提出的实现方法进行到其他IWIM风格的协调语言,允许多个管理员。我们讨论了有效实现Paradigm模型的三个步骤。首先,通过使Paradigm模型对称,我们通过减少Paradigm中的概念和结构的数量来简化实现。我们现在可以实现作为经理或雇员或两者的参与者,而不是分别为经理和雇员解压缩代码。因此,由于管理者和雇员既有局部行为,也有全局行为,两者都有分区、子过程和陷阱。所有行动者之间的协调都是通过沟通来进入陷阱。其次,通过将具有多个partition的(大型)状态转换图分解为单独的、较小的和相似的实体,我们可以减少系统中的参与者需要知道的状态因此,我们促进了代码的重用,并获得了可扩展性。尽管在本例中分解服务器的整个STD的方式相当简单,但状态转换图的通用分解策略似乎是可行的,140A.W. Stam等人理论计算机科学电子笔记150(2006)127ClientCoordinator 1 ClientCoordinator 2 ClientCoordinator 3 RoundRobin Coordinator图6.2. 织布工的工作但仍然是未来的工作。第三,我们开发了协调者-编织者-执行者模式,它将每个参与者分成三个组件:一个执行者,它知道每个转换和状态的语义;一组协调者,每个协调者都知道某个分区(一组全局信息,可能是其他参与者需要的);以及一个编织者,它在协调者和执行者之间转换信息。通过这种方式,我们将局部计算与局部协调分开,同时保持模型的全局协调是内生的。该案例研究是第一次尝试实施范式模型,现有的协调框架。 我们已经使用了TOOLBUS 亲-查看所有组件之间的通信。在灵活性之上 我们的方法增加了插入和拔出组件的工具,表演者检查-就绪ing1(1a)With1(b1)服务(1)韦弗未分配给(1)分配给(2)第1003章忙碌(三)检查-就绪(1)与(1)检查-就绪(2)与(2)可用服务(1)(2)第一章:聆听-服务(3)第一次见面1a1b细心屈从特里夫A.W. Stam等人理论计算机科学电子笔记150(2006)127141协调的变化,TOOLBUS 而不必关闭我们的建筑和新推出的侦察机。在不久的将来,我们的工作将朝着两个方向发展。一方面,我们将研究上述重组技术的一般语义基础。另一方面,我们计划实现更复杂的范式模型与委托和演变的例子,以验证我们的方法,以促进原型,推理和动画的范式模型。除了这两个主要方向之外,一个有趣的进一步主题是研究Paradigm在其他协调框架(如元组空间或通道架构)之上的实现。引用[1] J.C. Augosto和R.S.戈麦斯Paradigm模型的时态逻辑视图。 Seke 2002,Ischia,第497-503页。ACM Press,2002.[2] J.A. Bergstra和P. Klint。 ToolBus协调架构。在P. Ciancarini和C. Hankin,编辑,Proc. Coordination LNCS 1061,1996年。[3] M. Bernardo,P. Ciancarini,and L. 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