元胞自動機建模的網(wǎng)構(gòu)軟件自適應方法研究

1、元胞自動機建模的網(wǎng)構(gòu)軟件自適應方法研究摘 要：網(wǎng)構(gòu)軟件的自適應性是目前網(wǎng)構(gòu)軟件研究的重要方向之一。本文提出了一種元胞自動機建模的網(wǎng)構(gòu)軟件自適應方法，該方法結(jié)合元胞自動機理論，對軟件體系結(jié)構(gòu)（SA）進行行為建模，反映自適應過程中的變化；設計了適合分布式環(huán)境特點的兩層系統(tǒng)架構(gòu)；同時在以往工作的基礎(chǔ)上進行了改進.在不良模式檢測過程中，為了減少管理員失誤帶來的損失，建立不良模式庫，方便根據(jù)運行時刻的系統(tǒng)信息找到真正的不良模式。關(guān)鍵詞：自適應；軟件體系結(jié)構(gòu)；元胞自動機；網(wǎng)構(gòu)軟件中圖分類號：TP1 引言隨著網(wǎng)絡環(huán)境的開放與動態(tài)性，以及用戶使用方式的個性化要求，要求軟件能感知外部網(wǎng)絡環(huán)境的動態(tài)變化，并隨著這

2、種變化按照功能指標、性能指標和可信性指標等進行靜態(tài)的調(diào)整和動態(tài)的演化，以使系統(tǒng)具有盡可能高的用戶滿意度。這樣一種新的軟件形態(tài)就是網(wǎng)構(gòu)軟件，其具有自主性、協(xié)同性、反應性、演化性和多態(tài)性等特點1。這些特性在技術(shù)上的共性之一可歸結(jié)為自適應性，即，軟件能夠感知環(huán)境的變化，并根據(jù)環(huán)境的變化改變自身行為，采取適應性動作，以適應資源的可變性、用戶需求的變化以及系統(tǒng)錯誤2。簡單來說，是指在系統(tǒng)運行時刻沒有人工參與，完全由軟件來監(jiān)控和調(diào)整自身。近年來，關(guān)于網(wǎng)構(gòu)軟件自適應方面已做了一些研究，主要包括：通過構(gòu)件實體之間的協(xié)同模式以及演化的方式來動態(tài)地適應外部環(huán)境變化3，這里所說的環(huán)境變化是廣義的，包含了資源變化與需

3、求變化的語義。文獻3是這方面的代表工作，提出了一種以服務實體與協(xié)同部分分離、基于第三方面服務實體的協(xié)同聚合、協(xié)同模式的設計與演化適應環(huán)境變化為特征的開放協(xié)同軟件模型作為網(wǎng)構(gòu)軟件的基礎(chǔ)模型。使用智能Agent,從軟件實體協(xié)同方式的動態(tài)調(diào)整角度來構(gòu)建網(wǎng)構(gòu)軟件的自適應性質(zhì)和自演化功能。另外一類重要工作是基于軟件體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)構(gòu)軟件自適應研究。文獻4是這方面的代表工作，提出了一種以體系結(jié)構(gòu)為中心的網(wǎng)構(gòu)軟件自適應方法，即監(jiān)測、分析、規(guī)劃、實施等自適應活動均圍繞軟件體系結(jié)構(gòu)展開，其中，網(wǎng)構(gòu)軟件運行狀態(tài)和行為以運行時軟件體系結(jié)構(gòu)的方式實時展現(xiàn)和在線調(diào)整；自適應相關(guān)知識通過軟件體系結(jié)構(gòu)記錄、組織和加工，以實現(xiàn)系

4、統(tǒng)狀態(tài)和行為的自動分析和調(diào)整規(guī)劃。但是總的來看，目前對于網(wǎng)構(gòu)軟件在自適應過程中自動化水平、復用性方面還存在一定的缺陷。比如：文獻4中要求管理員事先建立不良模式（描述帶來負面影響的模式）和良好模式（描述無影響或帶來正面影響的模式），這個對管理員的要求比較高，并且要有豐富的經(jīng)驗，能夠準確去預測系統(tǒng)中可能存在的不良模式，來指導整個自適應活動；另一方面，將自適應調(diào)整映射為中間件的實際操作，由中間件去實現(xiàn)自適應。但中間件只能針對特定的軟件體系結(jié)構(gòu)去調(diào)整，復用性不是很高。針對以上問題，本文提出了一種元胞自動機建模的網(wǎng)構(gòu)軟件自適應方法。首先，運用軟件體系結(jié)構(gòu)對網(wǎng)構(gòu)軟件基本形態(tài)建模，然后，使用元胞自動機對軟件

5、體系結(jié)構(gòu)的行為建模，實現(xiàn)自適應。同時，本文還在以往的研究基礎(chǔ)之上進行了改進。為了減少因管理員預測失誤導致自適應失敗帶來的損失，采用自動檢測：對系統(tǒng)增加了觸發(fā)設施。并且單獨建立了不良-2-模式庫，事先預存一些不良模式，然后定期由管理員進行維護（修改和更新）。本文余下的部分組織為：第二節(jié)概述整個方法；第三節(jié)介紹關(guān)鍵技術(shù)；第四節(jié)實驗與評估；第五節(jié)結(jié)論。2 方法概述網(wǎng)構(gòu)軟件的自適應能力一般包括兩方面的含義：其一是對外部環(huán)境的變化作出適當?shù)姆磻?；其二是對系統(tǒng)需求的變化作出適當相應的反應；從而使得系統(tǒng)所提供的服務功能或性能等維持在一個令人滿意的、具有一定可信度的水平上5。本文的研究工作就是系統(tǒng)如何能夠應開

6、發(fā)環(huán)境和需求的動態(tài)變化對自身進行動態(tài)調(diào)整以適應變化。本文利用元胞自動機對SA 的行為建模，此時SA 是一個分布共享的對象，作為自適應的驅(qū)動因素（帶來負面影響的SA 形成的不良模式），進行自適應的依據(jù)（根據(jù)不良模式進行合適的適應性動作），以及自適應的載體。具體的自適應系統(tǒng)采用兩層系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示：圖1 自適應系統(tǒng)架構(gòu)用戶層 用戶層是系統(tǒng)的接口，主要包括兩項內(nèi)容：1）監(jiān)測器本系統(tǒng)的監(jiān)控機制，對運行系統(tǒng)進行監(jiān)控，負責應用系統(tǒng)狀態(tài)信息的采集，并在產(chǎn)生變化時拋出事件。2）可視化建模建立不良模式模型。向不良模式庫中添加新的不良模式，由管理員維護，負責對不良模式庫進行定期的更新。系統(tǒng)層 系統(tǒng)層是整個實現(xiàn)

7、自適應的核心，由其完成系統(tǒng)自適應的過程，其中包括庫（不良模式庫、動作庫、規(guī)則庫），以及對SA 建模的元胞自動機總控制程序。管理員更新不良模式庫時，也將該不良模式對應的動作和規(guī)則分別添加到動作庫和規(guī)則庫中。首先監(jiān)測器拋出事件，元胞自動機進行捕獲；然后進行不良模式檢測，根據(jù)采集到的應用系統(tǒng)相關(guān)信息與不良模式庫進行匹配，找到存在的不良模式，也就找到了匹配該事件的規(guī)則；接著，在規(guī)則庫中找到不良模式對應的動作，最后將適應性動作反映到運行時刻體系結(jié)構(gòu)對象中，譬如：增加（Add）構(gòu)件、刪除（Del）構(gòu)件等，完成整個自適應行為。本系統(tǒng)的自適應邏輯在系統(tǒng)中的執(zhí)行流程，也正是自適應的觸發(fā)設施：事件-規(guī)則-動作。-

8、3-其減少了人工參與，從而減少失誤，實現(xiàn)對系統(tǒng)中不良模式的自動檢測。由事件的拋出，引發(fā)元胞自動機總控制程序在規(guī)則庫中找尋匹配該事件的規(guī)則，從規(guī)則中提取出動作，執(zhí)行之，完成一次自適應行為。其中，規(guī)則和動作以元組的形式存放。規(guī)則表示為（事件，不良模式名稱，動作），動作表示為（動作類型，動作名稱，參數(shù)序列，實現(xiàn)變化動作的類）。而元胞自動機總控制程序就是捕獲事件，匹配應用系統(tǒng)中的不良模式，根據(jù)不良模式找到相應的適應規(guī)則，并執(zhí)行規(guī)則中指定的適應性動作，完成系統(tǒng)的適應過程。因此元胞自動機部件是系統(tǒng)的核心部分之一，除此之外，對不良模式庫的管理和不良模式的檢測也是本系統(tǒng)的核心部分，具體細節(jié)見第三節(jié)。3 關(guān)鍵技

9、術(shù)軟件體系結(jié)構(gòu)作為自適應的載體，對于其定義，目前學術(shù)界還未形成統(tǒng)一的意見，根據(jù)本系統(tǒng)模型，采用Garlan&Show 的定義：SA = components, connectors, constrains。其中，構(gòu)件（component）可以是一組代碼，如程序模塊，也可以是一個獨立的程序，如數(shù)據(jù)庫服務器。連接件（connector）可以是過程調(diào)用、管道、遠程過程調(diào)用等，用于構(gòu)件之間的相互作用。約束（constrains）一般為對象連接時的規(guī)則，或指明構(gòu)件連接的勢態(tài)和條件。3.1 不良模式庫為了查詢到應用系統(tǒng)中的不良模式，需要與不良模式庫中的不良模式進行匹配，那么定義不良模式時要有嚴格的規(guī)范標準

10、。具體由管理員進行管理，主要分為兩個步驟：1.建立不良模式：利用用戶層中的可視化建模工具建立不良模式。方便管理員去更新不良模式庫，也便于管理員更直觀地了解不良模式。同時，管理員也要編寫相應的規(guī)則和動作，一起存放到系統(tǒng)層的相應庫中。2.不良模式注冊：要將不良模式存儲在計算機中，那么一個完整的不良模式記錄應該包括：應用系統(tǒng)狀態(tài)（用于識別應用系統(tǒng)中存在的不良模式）、造成該狀態(tài)的原因、該狀態(tài)引發(fā)的不良后果（用于匹配拋出事件）、相應的調(diào)整方案（指導應用系統(tǒng)的調(diào)整）。其中，應用系統(tǒng)狀態(tài)又包含三類信息：1）構(gòu)件信息：包括構(gòu)件類型（如EJB/Servlet等）、構(gòu)件方法（如方法名稱、方法個數(shù)等）、構(gòu)件配置（如

11、實例池大小等）和構(gòu)件操作（如構(gòu)件回調(diào)方法等）。2）構(gòu)件的交互信息：包括方法調(diào)用類型（如同步/異步調(diào)用等）、方法調(diào)用參數(shù)（如參數(shù)大小等）、方法調(diào)用序列。3）境信息：包括中間件服務配置信息與底層硬件信息。在上述信息中，除了某些與應用邏輯相關(guān)的構(gòu)件操作以外，其余信息都是可以由中間件自動獲取，因此，大部分的不良模式都可以自動檢測。這部分也是由監(jiān)測器去完成，監(jiān)測器是一個廣義的概念，完成對系統(tǒng)性能的監(jiān)測以及應用系統(tǒng)信息的采集。3.2 不良模式檢測在進行不良模式檢測之前，需要先采集應用系統(tǒng)相關(guān)的信息，包括靜態(tài)信息和運行時刻的動態(tài)信息。這個由監(jiān)測器拋出事件后開始進行采集。應用系統(tǒng)的靜態(tài)信息，比如構(gòu)件名稱、構(gòu)件

12、類型等可以從部署描述符里得到。而運行時刻信息，可以通過給中間件添加截取器的方式來進行采集。截取器會把用戶關(guān)心的運行時刻信息寫到日志文件中，可以在不被應用感知的情況下添加、刪除，而且可以動態(tài)的觸發(fā)。在采集到應用系統(tǒng)信息之后，就可以進行不良模式的檢測工作：將采集到的應用系統(tǒng)信-4-息與不良模式庫中的不良模式進行匹配，以檢測出當前運行系統(tǒng)中存在的不良模式。其中對于構(gòu)件信息的匹配，可以通過簡單的遍歷來查找與模式匹配的狀態(tài)信息。對于構(gòu)件交互信息匹配，由于一般情況下構(gòu)件之間的調(diào)用數(shù)目都很龐大，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)中的相關(guān)規(guī)則算法6來完成任務，可以查找出符合一定條件的調(diào)用序列，從而完成不良模式的檢測7。3.3

13、元胞自動機的SA 建模為了能夠全面準確地描述所感知的變化和實施的調(diào)整，本文應用元胞自動機對SA 的行為建模，實現(xiàn)SA 的動態(tài)性，并利用面向?qū)ο蟮姆椒ㄍ瓿烧麄€自適應動作。其中，按照SA模型中元素的種類，SA 的動態(tài)性可以分解為實體調(diào)整、實體間關(guān)系調(diào)整和實體屬性調(diào)整。實體包括構(gòu)件和連接件。實體的調(diào)整包括Add 和Delete（增加一個實體、刪除一個實體）兩種操作；實體間關(guān)系調(diào)整可以看成是改變元胞的鄰居；實體屬性調(diào)整就是改變實體的屬性值，例如：實體類型、名稱等。元胞自動機（Cellular Automata，簡稱CA）8由最基本的四部分組成：元胞、元胞空間、鄰居及規(guī)則。其是一類模型的總稱，或者說是一

14、個方法框架。特點是時間、空間、狀態(tài)離散，每個變量按照一定的局部規(guī)則在離散的時間維上演化。正好能很好地描述軟件體系結(jié)構(gòu)在自適應過程中的動態(tài)變化，即，一組離散地分布在系統(tǒng)中的各個構(gòu)件，按照特定的自適應規(guī)則進行動態(tài)演化。要利用元胞自動機建立SA 動態(tài)模型，需要擴展現(xiàn)有的標準元胞自動機模型。根據(jù)Garlan&Show 模型的定義，本文采用了如圖2 所示的SA 簡化模型（假設：一個系統(tǒng)的SA 由4 個構(gòu)件和4 個連接件構(gòu)成）。對該SA 簡化模型形式化后得到一個有向圖G4=(V(G4),E(G4),FG4),其中V(G4)為系統(tǒng)構(gòu)件集合，E(G4)為系統(tǒng)連接件集合，F(xiàn)G4 為V(G4) 到E(G4)上的函

15、數(shù)，即構(gòu)件和連接件之間的關(guān)系。針對該SA 簡化模型圖，可以構(gòu)造對應的元胞自動機模型（CA 模型）M=(L,S,N,F),其中L、S、N 和F 的定義如下：L 為元胞空間：本文將元胞分布的二維空間作為元胞空間，并定義了元胞構(gòu)型（configuration），即在某個時刻元胞空間上所有元胞狀態(tài)的空間分布組合，這里將SA 產(chǎn)生的模型（良好模型和不良模型）等同于該時刻的元胞構(gòu)型。用多維的整數(shù)矩陣來保存，如圖3 所示，為SA 關(guān)系鄰接矩陣圖。每個橢圓關(guān)聯(lián)著兩個具有直接交互方向關(guān)系構(gòu)件，其方向性由行和列分別表示，行為被關(guān)聯(lián)方向的末尾構(gòu)件，列為被關(guān)聯(lián)方向的起始構(gòu)件。三角形表示構(gòu)件的自交互關(guān)系，這種關(guān)系隱藏在

16、構(gòu)件自身內(nèi)部，本系統(tǒng)中不予考慮。將橢圓用1表示，其余用0 表示，便得到了 SA 模型的整數(shù)矩陣。S 為元胞的狀態(tài)：嚴格意義上,元胞自動機的元胞只能有一個狀態(tài)變量，但在本文中進行了擴展，可以擁有多個狀態(tài)變量。N 為元胞鄰居：本文定義與元胞有語義關(guān)系的元胞為該元胞的鄰居。對圖2 所示SA 模型而言，元胞component1 的鄰居是 component2、component3，其他的元胞鄰居依此類推。F為動態(tài)規(guī)則：以上的元胞及元胞空間只表示了系統(tǒng)的靜態(tài)成分，為將“動態(tài)”引入系統(tǒng)，必須加入動態(tài)規(guī)則。本文的動態(tài)規(guī)則將元胞自動機狀態(tài)的變化看成是對數(shù)據(jù)或信息的判斷和處理。-5-圖2 SA 簡化模型圖3 S

17、A 關(guān)系鄰接矩陣根據(jù)上述元胞的特點可以抽象為面向?qū)ο蟮乃枷搿拿嫦驅(qū)ο蟮慕嵌葋碇v，本系統(tǒng)的對象就是元胞，所有的運算都是圍繞著元胞來進行的，元胞有自己的狀態(tài)屬性和動作行為。這完全符合面向?qū)ο蟮乃季S。元胞的狀態(tài)就相當于對象的屬性，元胞的演化規(guī)則就相當于對象的行為，這樣就可以定義一個元胞類。根據(jù)SA 的動態(tài)性調(diào)整，屬性包括鄰居節(jié)點的元胞編號、實體名稱和實體類型。元胞類的動作包括Add 或Delete 實體，改變元胞鄰居編號和更改屬性值。當系統(tǒng)違反了事先的約束，監(jiān)測器就可以檢測到相應的事件，然后匹配不良模式，根據(jù)該不良模式找到所包含的實體，也就是找到需要進行動態(tài)調(diào)整的元胞空間，接著按照規(guī)則查找到相應的

18、動作，最后映射到各個元胞類的動作，完成整個自適應調(diào)整。4 實驗與評估為了展示這種基于元胞自動機建模的網(wǎng)構(gòu)軟件自適應方法，開發(fā)了一個簡單的模擬實驗，并對該系統(tǒng)在不進行自適應動態(tài)調(diào)整和根據(jù)性能約束指標作動態(tài)調(diào)整兩種情況下的性能表現(xiàn)進行了測量和比較。模擬一個網(wǎng)上書店的部分實現(xiàn)，主要是客戶端從服務器端獲取圖書信息，然后將這些信息顯示在web 頁面上?？蛻舳撕头掌鞑渴鹪诓煌臋C器上，當客戶需要獲取多本書的信息包括書名、作者和單價時，需要若干次調(diào)用遠程的CartSesEJB 中的addItem()方法。由于客戶端和服務器部署在不同的機器上，因此函數(shù)調(diào)用都必須通過網(wǎng)絡，調(diào)用參數(shù)與返回值都需要進行序列化與反

19、序列化的操作，而且還花費時間通過網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)。隨著用戶的增多，這種采用多次遠程調(diào)用獲取一組屬性值的方法會增加網(wǎng)絡上的時間消耗，極大地降低性能，是應用中存在的一個性能不良模式。為去除該不良模式帶來的性能影響，需要對系統(tǒng)進行自適應調(diào)整。調(diào)整方案就是，通過-6-一次遠程調(diào)用將需要顯示的書本信息全部發(fā)送給CartSesEJB,而不是每顯示一次書本信息就進行一次遠程調(diào)用。可以在服務器端增加一個會話外觀構(gòu)件，客戶端通過一次遠程調(diào)用將所需要顯示的書本信息全部發(fā)送給會話外觀構(gòu)件，然后再由該構(gòu)件調(diào)用CartSesEJB 中的相應方法，通過一次遠程調(diào)用完成所有的數(shù)據(jù)傳輸。對于上述不良模式， 相應的規(guī)則和動作就是： rule1(event1,fine-grained remotecalls,action1),action1(add,disposepreformance,null,stratage1)?？偪刂瞥绦蚋鶕?jù)stratage1（實現(xiàn)變化動作的類）找到具體的實現(xiàn)變化動作的方法：增加會話外觀構(gòu)件，然后調(diào)整三個構(gòu)件之間的調(diào)用關(guān)系。本實驗以客戶獲取一