· 软件 ·
软件重用的实现
． ． 。 ! 弋P 31＼· (复旦太学计算机科学系上海200433)’’
摘薹 软件重川是指使 l_f』已有 软件成分构造新帕软件系统的盘上程．乖文分 3个层狄讨论软件_皿用的方珐：实现
层，设讣层，怍系结构层们软件煎川．同时指日j，抽象是实现戟件重州技术的基础．而『耐对象技术挺供了多种点
持软件巫川的机制．通过建立一个可重州软件剐象库．和构造州 管理可煎州x十象帕软件开发环境，形成一种新
们基于软件重州帕软件开发范型，必将对被件开发产生深远的
关键词 被件煎川 抽象 软件体系时构 面出 ：【墼技术
。。。’。。。一 The Realization of S eUSe
[Al~ ract'l Softwarc rcusc is thc proccss ofcrcating softwnrc systems using cx[sting softwarc componcnts．In this
papcr WC cxam lnc scvcra]kinds ofsoftware rcusc approachos．W c di．scuss thcm in~hrcc Icvcls： implcmcntation Icy-
d， design Icvcl， and architccturc lcvc!．W c also point out that abstraction is thc basis of thc softarc rcusc tcchnol-
ogy．Objcct-oricntcd tcchnology have scvcra!mcchanlsms to support soRwarc rcu~c．n is thc bcst i~usc approach in
some mcaning．W ith a largc rcusablc components library。 and a software dcvclopmcnt cnvironmcnt to managc
rcusablc componcnts． wc ca[i establish ncw rcusc—bascd so[twarc dcvclopmcnt paradigms．
[Key words] softwarc rcusc／abstraction／softwarc architecture／objcct—oricntcd tcchnology
软件重用是软件工程研究帕重要 S题．它是 功n勺硬件集成I 路(【c)，软件研究人员也提出了
指在构造新的软件系统的过程中利用已有的软件 相应的软件 Ic的概念．软件 Ic是可重用的槲
成分。这里所说的已有的软件成j’包括十分广泛 对独立的软件{{=ff件．但是轼件有其不同于硬件的
n勺内容 ，如数据，文档，模式，休系结构，蜘 特点，软件 而I晰『内问题领域干变万化，完全的
识，方法和环境等多方if=l『的内容．从广义上说 ， 软件 Ic库的建立十分嗣难．尽管如此，实践表
软件重用包括 3个层次：(1)产 品重用 ，如代 明，软件重用仍是提高软件生产效率，保证软件
码 数据 软件模式 体系结构等的重用；【2) 质量的关键手段之一。日前软件重用的思想已渗
钓『识重用，如方法、标准 经验、领域 r 、软 透到讷：多新的软件开发 韶 中。 向l 象，程序
件过程等的重用i(3)环境重用，如系统程序． 变换和快迷朦型化技术中均包含了软件重用的思
软件：[具 升发环境等的重用． ．随着软件重用技术 f究的深人，必将主fj软件
术文儿对沧狱义的软件重甩，即软件产 或 技术带来一场新的革命。
软件成分的重用。 传统的观点认为，软件重用帕对象仅为已有
近 米，十H对于讣莽机硬件生产的低成术和 系统n勺程序代码．但是仅仅重用源程序代码等信
高生产率，计算 L软件生产帕高成本和低生产率
已严重地制约了软件的迅述发展．软件工作者从
箨个角度研究提高软件生产卑的办法，软件重用
技术就是其中之一⋯ ，对应于已获得巨大成
·半也戈 复旦太学汁算机系在谈硕J_-0[究生，主攻
方m软件过 『昀理论和应州
1 稿 II妇】：l994一O7—13 修 ll_I坶I：I 994—10—24
— — 37——
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息并不能有效地降低软件开发n々成本．Frccman
指出 ．软件重用的对象应为整个软件开发过
程，包括分析、设计、实现等各阶段中的所有信
息．由此他提出了 可重用软件工程 的概念，即
在软件开发的每一阶段进行软件重用．本文将讨
论软件开发各阶段中可重用的软件成分．
面向对象技术的出现给软件重用注入了新的
活力．与传统的过程性程序开发范型相比，面向
对象技术更支持软件对象『内重用 ．面向对象
中数据抽象和信息隐蔽机制使得对象的内部实现
和外界相隔离。使之成为较理想的可重用的软件
成分．使用面向对象的设计方法时，新『内对象可
通过继承已存在的对象的性质(数姑结构和操作)
而产生。提高了信息『内可重用性．因此。1斫向对
象的程序设计技术是 目前实用、最理想『内软件重
用技术．
为了能有效地利用软件重用技术开发软件系
统，疋好的可重用部件n勺分类、存储．检索、理
解 修改和管理等机制以及支持软件重用fl々软件
开发环境是必不可少『内．通过这些支持手段．新
的基于软件重用的程序开发范型将对今后的软件
开发起重用作用。
l抽象概念在软件重用中的地位
抽象概念和软件重用是密不可分的．抽象就
是通过概括宴体『内公共属性。忽略枝节问题米描
述一类实体．每一类抽象决定相关『内可重用属
性，每一可重用属性也可以决定一类抽象。即具
有这些属性『内所有实体．因此可以说，。抽象和可
重用属性是同一事物『内正反两面_l“．抽象可以
}为两个层次：高层称为抽象规格说明，说明这
一 抽象是 做什么的(what)’：低层称为抽象实
现。解决抽象是 怎么做的mow) 的问题．倒如
一 个栈结构的抽象，其抽象规格说明是栈曲 先
进后出 语义及其界而：其抽象实现包括有关栈
『内实现的所有细节。如栈fl々深度．栈中元豢类型
和栈元索操作函数的程序体等．在 Ada语言
中，抽象规格说州和抽象的实现可以清晰地分
离．明确的抽象规格说明是抽象的基础．
一 38一
软件人员经常应用抽象概念米管理软件开发
的复杂性问题．通过抽象，软件人员可以在不下司
阶段以不同层次的抽象考虑问题，他们只考虑某
一 层次中最本质的东西，而不考虑其他细节问
题．当软件重用应用于较高层次的抽象时。开发
人员所处理的信息更接近于原始『内应用需求，可
以较方便地通过重用已有的软件成分从待开发的
系统的原始应用需求转化为实际『内软件系统。因
此．一种重用技术成功与否在某种意义上说就是
能否尽可能地据高抽象的层次．
2软件重用的对象
2．1实现层的软件重用
实现层『内软件重用是指已有的程序代码fl々重
用．它包括以下 3个方面：
(1)代码提取 软件开发人员对已有的程序
代码，经理解、选择后，把适合于重用的代码据
取出米，并进行必要的修改．使其适用于当前的
上下文．这种可重用对象是最低程度『内抽象，软
件开发人员不但必须知道有关的规格说明。还必
须清楚它的实现部分。一般米说，因为在理解
修改及测试方面帕代价。使用这种重用对象并不
能有效地提高软件开发效率，提高软件的质量。
(2)诹代码部件 源代码部件是专门编写经
过严格i昊l试后。专用于重用目f『勺代码段．高级程
序语言程序n勺一些程序单元，如过程，函数，
包．类等。通常用于完成一个完整『内功能，有良
好『内输入／输出界而，可以作为可重用的源代码
部件．源代码部件帕抽象程度比代码提取高，软
件开发人员只需知道源代码部件n勺抽歙规格说明
部分即可。不必考虑它的实现部分．因为源代码
部件是为重用 日『内专门编写『内，其界面清晰。抽
象规格说明明确，故使用方便而且质量高。目前
使用得十分广泛．例如，在数伍计算领域中的数
学函数库。作为软件可重用对象，使用得十分成
功．许多商品化『内软件开发环境均有以重用为目
的 源代码部件库(函数阼)'用标准函数的形式
向用户提供大量可重用的源代码部件．但是。这
种方法的不足之外在于源代码部件仍然是基于代
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码这一较低层次的抽象上，与实际问题领域有较
大的距离．
(3)软件逻辑结构 也称为软件模式，是可
重用源代码部件的形式化扩充．这一层次的可重
用对象着重于对数据结构、逻辑结构和过程的抽
象．软件逻辑结构主要描述软件的各个成分(包
括模块，数据结构等)以及它们之问的关系(如调
用与被调用，参数传递关系等)，它们可以作为
一 个整体被重用．对于基于形式化规格说明的软
件逻辑结构，其可重用对象的选择、理解．特化
均较为容易，也便于使用 自动工具支持重用过
程．由于软件人员工作于较高层次的抽象，能明
显地提高软件生产率．但是，目前还缺乏描述软
件逻辑结构的较好的形式化规格说明方法．
2．2设计层的软件重用
与编码阶段肃I比，软件设计阶段在软件生命
周期中占有更重要的地位．重用已有的软件系统
的设计信息，可以更好地降低软件开发成本，提
高软件生产卑．设计层的软件重用包括以下向个
方面：
(1)甚高级语言 甚高缴语言(VHLL]也称为
可执行的规格说明语言．它允许开发者使用比高
级语言更高层次抽象的规格说明描述用户{i}}求。
产生可执行系统．作为一种语言，甚高级语言与
高级语官一样，具有独自的语法 语义，可通过
编译，从需求规格说明自动影射到可执行的代
码．甚商级语言通常以集合论，谓词逻辑等高层
次的数学抽象作为基础．
利用越高级语言，系统的设计信息作为可重
用软件成分重用，而且甚高级语言比高级语言更
接近于用户语言，表达 自然．筒结。因此能有效
地减少开发人员的设计乃至编码阶段的工作量，
提高软件的开发效率．但其耿点是，现有的甚高
级语言执行效率低，达不到实用『内程度。但是，
在硬件效率大幅度提高的基础上，甚高级语言的
效率可以逐渐达到可以被接受的程度．另外，使
用广谱怕让高级语言(即混合高级语亩和甚高缎
语言的一种语言)的优化功能，还可以用高级语
吉成份对盐高级语亩成份进行优化，提高甚高缎
语言的运行效率．因此，从长远观点来看，甚高
级语言是实现高层次软件重用的重要途径．
(2)应用生成 器 应用生成器类似于程序语
言的编洋器，它将输入的程序规格说 明自动转换
成可执行的程序．应用生成器已广泛用来生成数
据库 统计、分析等多种用途的程序．由于应用
生成器直接来源于特定应用领域中的非常高层的
抽象，因此十分接近原始的系统需求．
使用应用生成器进行重用，实质上重用了整
个系统的设计过程．实现的算法和数据结构都是
自动选择的．如果要在某一应用领域编写出多个
类似的软件系统，或者在软件件生命期中系统要
修改甚至重写多次，则使用应用生成} 是十分有
效的．因为一个应用生成器往往针对特定的应用
领域，因此它的实现效率也比较高．YACC是
生成器中最著名、最成功的实例之一，它是一个
语法分析器生成器，根据开发人员给出的语法表
示，自动生成对应fI勺语法分析器的源代码．
应用生成器是较为广泛应用和成功软件的可
重用对象．不足的是，应用生成器只针对特定应
用领域，开以出通用的生成器十分困难，从而限
制了它的使用范围．
(3)变换 系统 利用变换系统开发软件的过
程是：首先用高层规格说明语言描述软件系统的
需求，然后根据变换规则，将规格说明转化为可
运行系统．在变换过程中，可以有人的干预．因
此变换过程一般可以看作是一种交互的编译过
程．变换系统根据变换规则把一个程序变换成另
一 程序，后者在语义上与前者相同，但在性能上
要优于前者．利用变换系统，可以逐步得到运行
行为越来越好的程序．
利用变换系统可以实现以下重用：(1)原型
重用．在变换系统中，原型可作为系统的韧贻规
格说明，通过不断变换和完善，成为实用的可执
行系统．(2)开发经历重用．使用变换系统，开
发人员的修改可以只在需求层次上进行，对于某
些局部改动，原先的开发经历，即变换序列『内大
部分可被重用，i『『i不须重新设计 ．．(3)变换规
则．变换规月 由匹配模式，应用条件和替换模式
一 39—
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构成，大部分变换规则可被重用于多种不同的情
况。
变换系统是一种较为成功的可重用对象。
2．3体系结构层的软件重用
最有效的软件重用是在软件体系±卉构层n々重
用．
软件体系统结构重用是指将软件的框架组
织、全局结构等作为一个整体扣l以巫用．与软件
逻辑结构柏比，软件体系结构更着重于系统与各
子系统，各子系统之问的十H互关系而非数据±卉构
和算法。与应用生成器相比，均是重用系统设
计，但应用生成器一般只适用于特定应用领域，
隐含重用体系结掬的信息，而可重用软件体系结
构则通常是显式重用软件体系结构，并可以通过
集成其它体系结构．建立新n々更高层次的体系结
构。软件体系结构的抽象直接来源于应用领域，
可以用领域语言描述。从 领域语胄描述到实现可
以仝诩I通过I=j动映射来实现，开发者可通过选择
特定的体系结构米适应不同应用的需求。
软件体系结构帕重用吸取了其它软件可重用
刘絮n匀优点，是丹前最理想的可重用软件对象．
建立一个完备 的软件体系结构库，以及用于支
持 管理体系结构构件的软件开发环境，形成一
种新帕基于软件重用的软件开发范班，将对今后
的软件开发产生重要的影响。
3而 刘。象技术中的软件重用
而 向对象技术是一种崭新的软件开发拖 ．
它同时 i 为软件重用技术的发展做m了重大贡
献。而『 刘象程序是 可重用帕软件成分一一对
象构造起米的．在in[向对象技术中，对象和类是
构件块，方法、消息和继承体现构件块之 帕信
息传递关系。 于对象封装了数据和数据怕操作
方浊，周而是盥好的可重用成分． 继永关系组
织起来的类的层次关系，使子类可以 方便地重
用父类的信息．因此 阳对象他型是一种基于重
用的软件_扦发范型．
向对象技术支持的 多基木机制和慨念在
{ 大程瘘 i-均支持软件重用l1々思魁．
一 40一
类是而向 象中的基水概念。它是对象类型
的定义，表示所有相同属性的对象。娄描述了对
象的数据和数据的操作方法．类是有层次性的，
这是通过继承米实现的。一个类可以派生多个子
类，子类继承父类的数据和方法。因此，父类原
有的数据和方法可被子类多次重用。一个类同样
也可以有多个父类，即多重继承，这样，子类就
重用了多个父类的数据和方法．通过父类和子类
的继承关系，设计信息的重用和代码的重用均能
诎方便地实现。
而向对象支持封装的概念。对象数据类型是
一 个包含数据和操作的抽象结构，对象数据的实
现细节被 隐藏 了起米，数据不能被外部随意改
变，而只能通过对象之问的消息传递来互相影
响，这使得对象成为一个很好的抽象，是 良好的
可重用成分．封装机制是iiI『向对象重用技术成功
的重要原 因．
多态性是而向对象中叉一重要的慨念。多态
性指消息可根据所发送的对象类而改变其执行的
行为．同样的消息，发送到不同的对象类，可以
完成完全不同fl勺操作行为．多态性方便了软件成
分的重用，许多操作可以不 修改地应用于不同
对象，而被有效地重用．
传统帕软件重用需要可重用的软件成分完全
符台当前应用怕上下文，否则就很难被有效地重
用。而在T『『『向 象技术中，并不需要原封不动地
重用已有的对象，软件人员可以通过建立派生
类，继承父类绝大部分的可重用信息：对于不可
重用的部分，可以通过定义凸身的数据和办法+
或重用父类『内 些方法来完成。而阿对象技术支
持这种 增鲢式 岫 基于重用的软件开发方法．
我们认为，『『『『向对象软件开发技术的成功之
处在于它捉供了大扭的可重用软件一基乖类库，
以及支持软件重用的基本机制，因而是日前最成
功的软件重用技术之一．
4小结
木文从抽象和软件重用的关系^ 手，指Ⅱ』要
(下转第 70页1
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}
7汉字处理
在处理汉字信息时．我们采取直接从汉字库
中读取汉字字模序号后写汉字点阵信息的方法来
显示汉字 ．
8结束语
本文介绍的联机帮助系统的设计易于为一般
Windows应用软件开发者接受．较之 Windows
Hclp系统，它具有以下优点：
(1)它避免了使用 HC编译程序和 WinHclp
函数，解决了在西文 Windows应用软件中建立
汉字帮助系统的问题：
)建立帮助信息源文件不需要 Windows
专门的字处理程序，而可用任何一个中文文术编
辑器进行编辑；
(3)为帮助主题文件配制了一索引文件．提
高了搜索速度：
(4)帮助主题文件结构设计简单灵活，不象
Windows Hclp主题文件那样有很多上下文关联
标志、跳转和定义的控制代码等让应用软件开发
者感到繁杂的东西，便于帮助系统的更新与维
护．
当然．由于设计简单，相应地在功能上就不
如 Windows Hclp系统那么丰富．如本系统不具
备 Windows Hclp系统的回退和顺序搜索主题的
功能．但由于它对 Windows的依赖性小．因此
可以较方便地应用其设计思想在 OpcnWindow
或 Motif应用软件上建立类似的联机帮助系统．
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≈ ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ ≈
(上接第40页)
有效地进行软件重用．必须尽可能地提高软件可
重用对象的抽象层次．然后分 9讲述了实现层，
设计层、体系结构层的现有的各种戟件可重用对
象．揖出了它们的优点和不足．
而向对象技术 好地体现了软件重用的思
想．类，继承 封裟，数据抽象和多态性等if【『向
对象的机制有效地支持了软件对象n勺重用．
在软件重用技术中，除了要开发更多的有较
高抽象层次的软件可重用对象以外．同时还要建
立一套生产，存储 管理 查询、选择和装配可
重用软件成分的机制，管理软件重用的整个过
程，有效地发挥软件重用的作用．建立丰高的软
件可重用对象库，构造用于管理可重用对象的软
一 70一
件开发环境，形成新的基于软件重用的软件开发
范型．是我们今后进一步工作的重点．
参考文献
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