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FO开发,一种解决软件危机的创新方法

中国电子学会云计算专家委员会委员 赵文银

一、软件危机,云计算时代无法回避的问题

1背景介绍

60年代中期,大容量、高速度计算机的出现,使计算机的应用范围迅速扩大,软件开发急剧增长。高级语言开始出现;操作系统的发展引起了计算机应用方式的变化;大量数据处理导致第一代数据库管理系统的诞生。软件系统的规模越来越大,复杂程度越来越高,软件可靠性问题也越来越突出。原来的个人设计、个人使用的方式不再能满足要求,迫切需要改变软件生产方式,提高软件生产率,软件危机开始爆发。

1968北大西洋公约组织的计算机科学家在联邦德国召开国际会议,第一次讨论软件危机问题,并正式提出一个新的名词:软件工程从此出现了一门新兴的工程学科——软件工程学,目的就是研究和克服软件危机。

2、软件工程不能解决软件危机

刚开始的时候,软件工程的确解决了一些问题。

然而进入上世纪80年代以后,尽管软件工程研究与实践取得了较大的成就,软件技术水平有了长足的进展,但是软件生产水平依然远远落后于硬件生产水平的发展速度。

当需求比较复杂的时候,软件工程本身也出现了危机。比如当一个需求需要1亿个模块的时候,缺乏必要的文档资料或者文档资料不合格,将给软件开发和维护带来许多严重的困难和问题。

3、云计算必须面对“软件危机”

软件开发商很少提“软件危机”的事情,架构设计师根据用户的需求,制定出开发方案后,软件人员只需要按照要求编写代码就可以了。事实上国内的很多软件人员好象不知道有“软件危机”这回事。

传统的软件开发可以回避谈论“软件危机”,毕竟是一个简单的系统,比如ERP,也只是一个简单系统,即便出现软件危机,影响也不会太大,最多是影响一个大型企业。

然而开发云计算产品的时候,软件危机就成了绕不过去的坎了。同样是提供企业资源管理服务,影响的就不是一个企业,也是很多的企业,以及和这些企业相关联的政府部门,比如税务局、工商局、商业局、统计局等,因为这些部门从企业的“数据云”里获得相关的信息。

二、软件危机的本质难题

图灵奖获得者Fred Brooks1987年所发表一篇关于软件工程的经典论文——《没有银弹》。认为没有任何一项技术或方法可以能让软件工程的生产力在十年内提高十倍。这篇经典论文的核心论述通常被解释为复杂的软件工程问题无法靠简单的答案来解决。而他的结论到目前为止是对的。

软件危机的本质难题在于软件的体系结构和软件的程序代码数量。

1、体系结构是指数据、算法、功能在软件系统中的连接形式,尽管数据、算法、功能本身是精确的,但是其连接形式是多样的,也就是说每个构成成员,是通过多条路径和其它成员连接的。比如ERP中库存管理里的家电产品信息,会关联到商业销售、物流运输等。

2、程序是完成一个功能所需要的逻辑过程的集合。程序代码是记录逻辑过程的符号。由于程序员自身的问题,逻辑不清晰或者所使用符号的不准确,将导致程序存在“BUG”。代码的数量越多,隐藏的“BUG”就越多。

三、只有采用革命性的方法才有解决软件危机的可能

以软件工程为核心的传统软件开发方法,经过几十年的发展,已经达到了一定的高度,而且也出现了大量的创新方法和思想。比如高级语言的出现,面向对象编程,图形化编程,程序验证,构件技术,UMLMDASOA,敏捷开发等等。

1Model Driven Architecture 模型驱动架构

UMLMDA所使用的关键技术,任何使用MDA创建的应用程序都基于标准化的,平台无关的UML模型。这样,就意味着应用程序被定义为平台无关,所以这样应用程序就是可移植的。这很容易让人想到Java所宣称的“write once run anywhere”,试图去构建一个平台无关的框架,如Swing UI。但是这种想法必须在性能和平台集成上作出折衷,在过去这种折衷是很多产品失败的根源,由于这些失败,业界仍然非常怀疑MDA的宣言。

2、敏捷开发

AM是一种态度,而不是一个说明性的过程。AM是敏捷建模者们坚持的价值观、敏捷建模者们相信的原则、敏捷建模者们应用的实践组成的集合。 AM描述了一种建模的风格。当它应用于敏捷的环境中时,能够提高开发的质量和速度,同时能够避免过度简化和不切实际的期望。

AM是对已有方法的补充,而不是一个完整的方法论。

AM并不是要反对文档。文档的创建和维护都会增大项目涉众的投资。敏捷文档尽可能的简单,尽可能的小,目的只集中在和目前开发的系统有直接关系的事情上,充分了解受众的需要。

AM也不是要反对CASE工具。敏捷建模者使用那些能够帮助开发人员提高效果,提升价值的工具。而且,他们还尽力使用那些能够胜任工作的最简单的工具。

一直以来,国外优秀的软件工程师和软件研究人员殚尽竭虑,寻找提高软件开发效率的方法和思想。然而这些优秀的方法仍然无法解决软件危机难题。由此可见,如果只在传统的软件开发思想上进行创新,将很难找到解决软件危机的“银弹”。只有在思想上发生革命性的改变,才有可能寻找到解决“软件危机”的根本方法。

四、FO方法的几个假设条件

FO软件编程思想是北京乾坤化物数字技术有限公司经过8年的探索实践提出来的。这是一个哲学和技术相结合的范例。FO软件开发方法是建立在以下的几个假设之上的:

1、软件的复杂度是可以通过软件的体系架构来描述的,任何体系架构是可以通过维来构建的。

2、任何一个复杂的用户需求都是分解的,我们把不能再分解的构成部分叫“对象”

3、任何一个对象包含而且必须包含两个部分,即对象的外部属性和对象的内部属性。

4、对象的连接方式即结构,就是该用户需求的体系架构。

五、FO软件开发方法

1、什么是FO软件开发方法

FO软件开发方法是以哲学方法论为指导的新一代软件开发方法。包含三个部分,即面向事实的分析(Fact-Oriented Analysis)、面向结构的设计(Frame-Oriented Design)、面向形式的编程(Form-Oriented Programming)

(1)面向事实的分析。把客户需求当成存在的事实,采用哲学的方法进行分析。比如“教育云”的客户需求就是把现实中的教育体系模拟出来,我们采用哲学的方法来进行分析,首先按照行政区域分解,全球,中国,省,地级城市,县、乡镇、村。然后以一个具体的地区来分析,比如东莞市,包含教育门户,教育软件功能服务,教育工具等。不能再进行分解的实体就是对象。对象包含内部特性——形式,和外部特性——配置两部分。

(2)面向结构的设计。把上述分析过程中得到的对象的连接形式整理出来,并采用维的方式表述。这样就得到了软件的体系结构。比如地名维,栏目维,分类维等。

(3)面向形式的编程。对形式部分编写程序代码,即得到一个无具体含义的功能模块。该模块和配置(描述参数)结合,就得到一个对象。

2软件产品的构成

按照FO软件开发方法的规则,软件包括四部分:数据,功能模块,表现程序,连接方式(体系结构)。

在传统的软件开发方法里,软件由数据、程序两部分组成,广义上讲,相关文档也可以作为软件的一部分。

比较这两个方法,在FO方法里,软件=功能模块+表现程序+连接方式(体系结构),变为三个独立的部分。

六、在教育云CMS系统中的应用

目前在教育云的CMS系统里,已经完成了10个功能系统的开发,未来将扩充到几十个甚至几百个系统。

教育云里的CMS系统是采用FO方法开发的,数据、功能模块的设计和行业应用类型无关,也与平台无关。是按照软件工厂的标准来设计的。

这种方式的最大特点是系统开发效率高,维护效率高。比如在内容发布管理系统里,10个不同系统使用的是同样的功能模块,也就是说只使用了几百行代码,就开发了10个不同需求的内容管理系统。未来增加的几百个系统,使用的代码仍然是这几百行,而采用传统的软件开发方法,这几百个系统则可能需要几十万行代码。

代码减少的原因如下:

1、数据表设计的规范化。按照同构群的方式来设计数据表,把表里的字段分为文本类、数字类、日期类、逻辑类等。每种类是由包含0个以上字段构成的集合。利用同构群的特性,只要是内容发布管理,就属于同构群的一个,其处理方法是完全相同的。

集合S={文本类、数字类、日期类、逻辑类}和对这些字段的处理运算构成了一个群G

2、采用非线性逻辑单元构造方式来设计功能模块。一个功能模块是有一系列逻辑单元按照一定的排列顺序构成的。如下图所示,对于一个指定的功能模块来说,存在至少一个以上的独立逻辑单元入口,每个逻辑单元入口就规定了一个运算路径。同一层面的逻辑结点的排列顺序可能有时序要求或者没有时序要求。

采用传统的软件开发方法开发下图所示的功能模块时,开发商无法预先知道功能模块的实际模样,因为不同的软件工程师,或者同一个软件工程师在不同的时间段,编写的软件代码是不同的。也就是说无法得到一个基本规范的软件程序。

FO软件开发方法采用非线性方式,对功能模块的逻辑单元进行分析处理,沿逻辑单元的路径独立编写代码,最后根据需要排列第一层逻辑结点位置,就得到了功能模块。

按照FO开发方法,如果最小逻辑单元所完成的功能相同,那么其代码也是一样的,也就是说在最小的逻辑单元层面,代码是完全共用的。

七、FO软件开发方法的意义

8年的实践应用里,通过不断摸索调整,FO软件开发方法已经基本成型,并在一些具体应用中得到验证。在云计算时代,面对社会需求的重大改变以及更加残酷的IT技术竞争,FO方法的推广应用将具有一定的积极意义。

1、在基本上由国外控制核心技术的IT领域,出现了具有完全自主知识产权的软件开发方法,对提高国内企业的竞争力具有积极地推动意义。

2、由于解决了软件危机的本质难题,极大地提高了软件开发速度,为解决巨复杂软件需求提供了保证,因此为加快“复杂系统”的应用起到一定的推动作用。

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