廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文基于UML和形式化方法的面向方面實時系統(tǒng)模型劉瑞成二零零六年五月八日分類號：學(xué)校代碼：111911UDC：密級：學(xué)號：2240305243廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文基于UML和形式化方法的面向方面實時系統(tǒng)模型劉瑞成指導(dǎo)教師：張立臣教授廣東工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院學(xué)科門類：工學(xué)專業(yè)名稱：計算機軟件與理論申請學(xué)位級別：碩士論文提交日期：2006年5月論文答辯日期：2006年5月學(xué)位授予單位：廣東工業(yè)大學(xué)ADissertationSubmittedtoGuangdongUniversityofTechnologyfortheDegreeofMasterAspect-OrientedModelforReal-TimesystemsBasedonUMLandFormalMethodsMasterCandidate:LiuRuichengSupervisor:Prof.ZhangLichenMay2006ComputerFacultyGuangdongUniversityofTechnologyGuangzhou,Guangdong,P.R.China,510090摘要I摘要關(guān)注分離在軟件工程上是一種廣泛應(yīng)用的原理，認為難于理解的復(fù)雜問題應(yīng)該被劃分為一系列容易理解的簡單問題，并且能夠容易解決和集成到原處，從而解決原來復(fù)雜的問題。由于問題被分解為人容易理解的小單元，而且適合于各種需求的變化，因此這種方式開發(fā)軟件能夠給程序帶來更好的可理解性、維護性、適應(yīng)性和重用性。實時系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，但是實時系統(tǒng)具有很多非功能需求（例如實時性），且這些非功能需求往往橫切整個系統(tǒng)模塊，引起代碼混亂和代碼分散等問題，導(dǎo)致系統(tǒng)難于設(shè)計、重用和維護，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。面向方面編程作為一種基于關(guān)注分離的新軟件開發(fā)范例，能夠通過引入實現(xiàn)橫切關(guān)注點的方面來獲得更高的功能性和非功能性關(guān)注點的分離，而且系統(tǒng)不同的方面能夠進行單獨的設(shè)計，并織入系統(tǒng)。它不僅能夠解決面向?qū)ο缶幊淘谠O(shè)計橫切關(guān)注點時陷入的“應(yīng)該設(shè)計不足還是寧可過分設(shè)計”的兩難境地，還能夠很好的解決上述遇到的問題。目前面向方面編程的實現(xiàn)語言已經(jīng)不少，例如AspectJ等，但仍然沒有適用面向方面程序設(shè)計的建模語言。因此，我們利用UML和形式化方法來表達面向方面程序，并建立相應(yīng)的面向方面軟件設(shè)計模型來設(shè)計實時系統(tǒng)。本文分析介紹了實時系統(tǒng)、面向方面軟件設(shè)計以及UML等技術(shù)；總結(jié)了UML建模實時系統(tǒng)現(xiàn)有的方法；論述了擴展UML建立的時間模型；提出一種新的基于UML的面向方面軟件設(shè)計模型(AOSDM-UML)，通過擴展UML表達AOP的相關(guān)概念，在UML的元模型層次上設(shè)計AOSD的模型框架，從結(jié)構(gòu)模型、行為模型和方面織入等幾部分建立面向方面的設(shè)計模型，并結(jié)合實例說明整個建模過程，即利用UML的類圖實現(xiàn)方面的結(jié)構(gòu)模型、方面與核心組件以及方面之間的靜態(tài)關(guān)系，協(xié)作圖表達方面與核心組件之間的動態(tài)行為，最后通過狀態(tài)圖細化系統(tǒng)的動態(tài)行為，實現(xiàn)在狀態(tài)圖中表達方面與核心組件以及方面之間的織入關(guān)系。接著進一步結(jié)合形式化語言RTL對AOSDM-UML進行實時擴展，并通過電梯例子來說明實時系統(tǒng)的建模過程。廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文II為了從形式化方法的角度來設(shè)計實時系統(tǒng)，本文根據(jù)AOP技術(shù)把系統(tǒng)不同的方面利用不同的形式化語言來表示，用LOTOS描述實時系統(tǒng)的功能性方面，而實時方面用隨機實時時序邏輯SQTL表達，并通過定義遷移系統(tǒng)LTS和事件調(diào)度器利用時間自動機來實現(xiàn)方面的織入。根據(jù)分布式實時系統(tǒng)的特性，還進一步提出把時間方面劃分為確定的、不確定的和模糊的時間子方面，并且把不同的時間子方面分別利用隨機實時時序邏輯(SQTL)和模糊時間Petri網(wǎng)(FTN)來設(shè)計，然后各個時間子方面都轉(zhuǎn)化為時間自動機組合到系統(tǒng)中，實現(xiàn)系統(tǒng)的實時特性。關(guān)鍵詞：面向方面編程；面向方面軟件開發(fā)；實時系統(tǒng)；UML；形式化方法摘要IAbstractSeparationofConcernsisacommon,widelyusedprincipleinsoftwareengineering.Itsuggeststhatacomplexproblemthatishardtounderstandbedividedintoaseriesofsmallerproblemsthatarelesscomplexandeasiertocomprehend.Thesesmallerproblemsmaythanbesolvedoneatatimeandfinallymaybeputbacktogetheragaintosolvethebigproblem.Developingsoftwarethiswayleadstoagreatercomprehensibility,maintainability,adaptability,andreusabilityofprogramssinceproblemsarecutdowntounitswhosesizeisperceptiblebyhumanmindsandthatmaybegeneralizedtosuitvariousneeds.Real-Timesystemshavebeenappliedineveryareawidely,buttheyhavemanynon-functionalrequirements,suchasthereal-timerequirement,whichcrosscutthewholesystemmodules.Thatmaycausethecodetangleandscatter,makethesystemshardtodesign,reuseandmaintain,andaffectperformanceofsystemsbadly.AOPisanewsoftwaredevelopmentparadigm,whichcouldattainahigherlevelofseparationofconcernsinbothfunctionalandnon-functionalmattersbyintroducingaspect,fortheimplementationofcrosscuttingconcerns.Differentaspectscanbedesignedseparately,andwovenintosystem.Thiswaycannotonlysolvethearchitectsunder/overdesigndilemmaofcrosscuttinginOOP,butalsosolvetheproblemsstatedabove.Therearemanyimplementationsofaspect-orientedprogramsrecently,suchasAspectJ,butnomodelinglanguageisavailableforthedesignofAOP.SoweexpresstheAOPusingUMLandformalmethods,andestablishtheAspect-OrientedSoftwareDesignModelcorrespondinglytomodelreal-timesystems.Firstly,weintroducethetechnologiesofreal-timesystems,aspect-orientedsoftwaredesign,andUML,summarizetheexpressionofreal-timeinUML,anddiscussthetimemodelofUML.Secondly,weproposeanewaspect-orientedsoftwaredesignmodelcalledAOSD-UMLwhichexpressestheAOPbyextendingUML,designsprofileofAOSD廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文IIinthemeta-modelofUML,andmodeltheaspect-orientedsystemsfromseveralpartssuchasstructure,behaviorandaspectweavingandsoon.Fordemonstrationpurposes,asimplesampleapplicationismodeledinthisworkwiththehelpofAOSD-UML.Classdiagramsmodelthestructuremodelofaspects,staticrelationshipbetweenaspectsandcorecomponent,andrelationshipamongaspects.Collaborationdiagramsdesigndynamicbehaviorsofaspectsandcorecomponent,whilestatechartsrefinethosebehaviorsandrealizetheaspectsweaving.Inordertomodelreal-timesystems,weextendtherealtimeintoAOSDM-UMLwithintegratingreal-timelogic,andanelevatorexampleillustratesthemodel.Finally,inordertomodelreal-timesystemswithformalmethods,wedesignthedifferentaspectsofthesystembydifferentformallanguagesaccordingtotheaspect-orientedtechnology.ThefunctionalaspectscanbedescribedbyLOTOS,whilethenon-functionalaspectsbySQTL.Alabeledtransitionsystemandeventschedulercanbedefinedtoweavetheaspectswithtimedautomata.Accordingtocharacteristicofdistributedreal-timesystems,weseparatethetimeaspectintothreesub-aspectsinadvance,whicharedeterministictimesub-aspect,undeterministictimesub-aspectandfuzz