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基于多粒度软件网络模型的软件系统演化分析

更新时间：2019-12-24 05:34:21 大小：2M 上传用户：守着阳光1985查看TA发布的资源 标签：多粒度软件网络模 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

软件系统是一类典型的人工参与的复杂系统,理解软件系统的演化规律有助于更好地指导软件工程实践.本文从包、类和特征三个粒度上构建软件系统的网络模型,利用复杂网络理论依次从网络规模、质量、结构控制三方面定量分析软件系统演化规律.以经典的Lehman演化定律为基准,对比软件系统在不同粒度下的演化差异.研究结果表明:(1)不同粒度下软件系统表现出的演化特性有所不同,其中在类粒度下效果更好;(2)持续增长、持续变化、自我调节和主体维持四项定律表现出与构建软件网络的粒度无关;(3)包粒度下系统演化对软件质量影响不大,而反馈系统定律仅在类粒度下成立.


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2
Vol． 46 No． 2  
Fed． 2018  
第
期
电
子
学
报
2018  
2
ACTA ELECTRONICA SINICA  
年
月
基于多粒度软件网络模型的软件系统演化分析  
1
1
2
2
， ， ，  
何 鹏 王 鹏 李 兵 胡思文  
( 1．  
，
湖北大学计算机与信息工程学院 湖北武汉  
430062; 2．  
，
武汉大学国际软件学院 湖北武汉  
430079)  
:
，
软件系统是一类典型的人工参与的复杂系统 理解软件系统的演化规律有助于更好地指导软件工程实  
摘
要
． 、 ， 、 、  
践 本文从包 类和特征三个粒度上构建软件系统的网络模型 利用复杂网络理论依次从网络规模 质量 结构控制三  
．
方面定量分析软件系统演化规律 以经典的  
Lehman  
，
．
演化定律为基准 对比软件系统在不同粒度下的演化差异 研究  
; ( 2) 、  
持续增长 持续变化  
: ( 1)  
，
、
结果表明  
不同粒度下软件系统表现出的演化特性有所不同 其中在类粒度下效果更好  
; ( 3)  
，
包粒度下系统演化对软件质量影响不大 而反  
自我调节和主体维持四项定律表现出与构建软件网络的粒度无关  
．
馈系统定律仅在类粒度下成立  
:
;
;
;
关键词  
中图分类号  
URL: http: / /www． ejournal． org． cn  
软件演化 软件网络 复杂网络 复杂系统  
:
TP301  
:
A
: 0372-2112 ( 2018) 02-0257-11  
DOI: 10． 3969 /j． issn． 0372-2112． 2018． 02． 001  
文献标识码  
文章编号  
电子学报  
An Evolution Analysis of Software System Based on  
Multi-granularity Software Network  
1
1
2
2
HE Peng ，WANG Peng ，LI Bing ，HU Si-wen  
( 1． School of Computer Science and Information Engineering，Hubei University，Wuhan，Hubei 430062，China;  
2． International School of Software，Wuhan University，Wuhan，Hubei 430079，China)  
Abstract: Software as a man-made system is a typical complex system，understanding its evolution contributes to bet-  
ter software engineering practice． In this paper，we construct software network model from a multi-granularity perspective，  
namely the level of package，class and feature respectively． Then we analyze the evolutions of three open-source software  
systems in terms of network scale，quality and structure control indicators，using complex network theory． Finally，taking Le-  
hman’s evolution laws as the benchmarks，we compare the evolution of software networks based on multi-granularity． The  
results show that: ( 1) the evolution characteristics are varied under different granularity levels，and software network built in  
the level of class supports the most Lehman laws; ( 2) the laws of continuing growth，increasing complexity，self-regulation  
and conservation of familiarity are independent of the levels of granularity; ( 3) the impact of software evolution in the level  
of package on software quality is trivial，but feedback system is only supported in the case of class level．  
Key words: software evolution; software network; complex networks; complex system  
20  
70  
，Lehman  
等人就指出软件演  
早在  
8
化过程具有持续性 并针对软件演化问题 提出了 项  
世纪  
年代  
1
引言  
，
，
［1，2］  
， “ - -  
在软件工程中 软件系统经历着 改进 保持 更新  
”
( Lehman law)  
，
经典的软件演化定律  
分别从软件质  
量 规模 复杂度 开发效率以及开发过程等方面进行阐  
1) ． ，  
然而 通过传统软件工程相关理论和工具  
．
的迭代生长节奏 这一过程中表现出的特性对提高软  
、
、
、
，
件系统的鲁棒性和适应性提出了新的挑战 关系到软  
(
，
述 如表  
，
件生态系统的可持续发展 且与软件开发与维护成本  
，
难以控制整个系统的复杂性 急需从全局的角度重新  
． ，  
控制息息相关 众所周知 软件维护成本占总投入的  
．
审视软件系统的内部复杂结构  
70%  
． ，  
以上 因此 探索软件的演化特性有助于降低软件  
，
随着复杂网络相关研究的兴起 软件系统被抽象  
［3，4］  
，
开发维护成本 但同样也极具挑战性  
．
，
为网络形式 且被证实具有复杂网络的基本特性  
，
: 2016-10-24;  
: 2016-12-26;  
:
责任编辑 蓝红杰  
收稿日期  
修回日期  
:
基金项目 国家  
973  
( No． 2014CB34040) ;  
( No． 61572371) ;  
( No． 2016CFB309)  
湖北省知识创新专项  
重点基础研究计划  
国家自然科学基金  
258  
2018  
年
电
子
学
报
1
Lehman  
表
软件系统演化的经典  
定律  
2
相关工作  
特性  
描述  
，
近年来 复杂网络的思想逐渐被引入软件工程领  
，
随着需求的改变 软件系统在生命  
持续改变  
L1  
， ，  
域 一些研究者在度量软件复杂性时 利用网络形式描  
continuing change  
，
期内 持续更新迭代  
， ( 、 、 、  
述软件的拓扑结构 以软件元素 如方法 属性 类 接  
，
随着软件系统的演化 软件规模呈  
持续增长  
L2  
［7］  
、 ) ，  
口 包等 为节点 它们之间的各种依赖关系 为连边  
，
continuing growth  
现持续增长的趋势  
．
建立软件网络模型 采用复杂网络演化分析方法研究  
软件系统的演化速率趋于保持稳  
稳定更新  
L3  
，
定 即软件系统每个版本之间节点  
变化速率基本一致  
软件复杂度在演化过程当中 表现  
为持续上升  
，
软件网络的演化特性 从而理解软件系统的演化特性  
．
invariant work rate  
， ，  
目前 构建软件网络模型的方式较多 包括考虑软件的  
［8］  
［9］  
，
复杂度提升  
、
、
静态代码结构  
软件的动态执行轨迹  
软件演化镜  
L4  
L5  
L6  
［1，2］  
increasing complexity  
． :  
等 大量已有研究验证表明 软件网络同样具  
像图  
［10 ～ 15］  
，
软件系统更新迭代过程中 系统总  
质量折旧  
“ ” “ ”  
有 小世界 和 无标度 等复杂网络特性  
．
declining quality  
体质量呈逐步下降的趋势  
在使用软件网络研究软件系统演化特性的工作  
，Myers 、 、  
通过对比软件网络的度分布 聚类系数 路径  
自我调节  
软件系统的演化呈现一定程度的  
中
self-regulation  
，
控制规律 不完全取决于需求变化  
［16］  
，
长度等特性 提出了一种基于重构的软件演化模型  
．
软件系统的相邻版本变化差异率  
Sole Valverde ( dupli-  
和 根据软件网络表现出来的复制  
主体维持  
L7  
，
不会很高 主版本内的各个软件版  
conservation of familiarity  
cation)  
( divergence)  
，
现象 提出了一种新的软件  
与分叉  
．
本的更新频率趋于稳定  
软件系统相邻阶段的演化结果并  
［17］  
．
演化模型  
何克清等人从设计模式的角度提出了基  
［18］  
反馈系统  
． Jenkins  
于类角色间依赖关系的软件演化模型  
等人  
L8  
，
非独立 上一阶段演化结果会作用  
于软件系统下一阶段演化特性  
feedback system  
，
将有向网络理论应用在软件包的建模中 利用指标分  
［10，11］  
． Shi  
析了一系列软件版本之间的稳定性  
等人在类  
． ， (  
称之为软件网络 在软件网络中 以软件元素 如方法  
、
［12］  
5
粒度上研究了 个不同版本的  
JDK  
．
软件网络差异  
233 Linux  
内核  
、 、 、 ) ， ，  
属性 类 接口 包 为节点 元素之间的关系为连边 构  
Wang  
等人使用复杂网络理论研究了  
个
［13］  
．
建软件的网络模型 将软件系统抽象为软件网络有助  
． Li  
版本模块的演化  
等人发现软件系统服从某些演  
化规则 诸如节点之间的距离呈增长趋势以及网络表  
于软件工程实践人员认识和理解软件整体结构特性与  
，
［15］  
( ) ，  
软件质量之间关系 结构决定功能 指导他们开发设  
．
现出无标度特性  
［19］  
， 、  
计出高质量软件的实践原则 并为软件结构稳定性 复  
，Bhattacharya  
( function)  
近几年  
( module)  
等人 从方法  
与模  
、
杂性度量 演化特性等提供新的量化指标和评价保证  
．
，
粒度分析了软件网络的演化 发现用网络  
块
，
因此 通过分析软件网络结构的动态变化对了解软件  
，
度量指标不仅有利于理解软件系统的演化 还可用于  
［5］  
． Li  
的演化特性非常有帮助 例如 等人 从软件模块角  
．
评估软件缺陷和维护成本 顾庆等人通过定义软件的  
［2］  
，
度模拟软件网络的增长 顾等人 以类为节点分析软  
，
类依赖网络 采用网络度量指标对  
Lehman  
8
的
项演化  
， ，  
定律进行分析与验证 实验结果表明 软件网络的演化  
． ，  
件网络的演化规律 然而 当前大部分研究主要集中于  
4 ， 、 、  
支持其中 项 而否定了复杂度提升 持续增长 以及质  
，
单一粒度下的软件系统结构的动态分析 缺乏从不同  
［2］  
［6］  
3
．
量折旧定律等  
项
但他们的工作仅考虑了类粒度级  
．
粒度角度对比分析软件网络的演化规律 潘等人  
虽
．
别的软件网络 一个软件系统可从不同粒度来抽取其  
、 、  
从包 类 方法三个粒度上分析了  
Azure  
，
软件演化情况  
，
网络模型 不同粒度下的软件网络的演化特性是否一  
但并没有进一步对比评价不同粒度下的软件网络演化  
．
致还是一个开放问题 代等人基于进程代数相关理论  
，
，
，
，
效果对软件实际演化特性的反映程度 且实验对象单  
［20］  
，
利用代数分析软件演化过程模型  
依据有关代数理论分析软件演化过程有关特征  
相关概念的提出有力地支持软件演化过程的形式化验  
在该理论框架下  
，
一 结论可能不具一般性  
．
［20，21］  
，
针对一个软件系统 从不同粒度的软件网络模型  
，
分析其演化特性是否会存在明显差异 以及采用哪种  
， ，  
证 这些研究从形式上分析了软件演化规律 但是缺乏  
粒度的软件网络模型进行系统演化分析会更合适的问  
［6，22］  
．
，
总之 已有相关研究普遍仅停留  
实际的实证研究  
， ． ，  
题 至今尚未有答案 因此 本文在前人已有工作的基础  
、 ，  
在对软件系统节点的度分布 节点之间关系的分析 且  
， ，  
上 综合考虑从多粒度视角抽取软件网络模型 并引入  
［23］  
．
多局限于单一粒度的软件网络模型  
Lehman  
，
演化定律为参照 使用多个数据集进行软件网  
、
本文从类 特征和包三个粒度分别构建软件系统  
，
络的演化验证分析 从而丰富软件系统的演化研究  
．
， ，  
的网络模型 结合复杂网络理论与软件工程实践 分析  

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