Mô hình hóa các hệ thống dựa trên các thành phần

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ


Nguyễn Văn Nghiệp




MÔ HÌNH HÓA
CÁC HỆ THỐNG DỰA TRÊN CÁC THÀNH PHẦN







KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành:
Công nghệ thông tin

HÀ NỘI - 2009


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



Nguyễn Văn Nghiệp



MÔ HÌNH HÓA
CÁC HỆ THỐNG DỰA TRÊN CÁC THÀNH PHẦN

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành:
Công nghệ thông tin



Cán bộ hướng dẫn:
TS. Đặng Văn Hưng














HÀ NỘI - 2009

TÓM TẮT NỘI DUNG KHÓA LUẬN
Mục đích của khóa luận là nghiên cứu và tìm hiểu các khái niệm liên quan đến
thành phần phần mềm, hệ thống dựa trên thành phần và hệ thống dựa trên thành phần
thời gian thực. Đầu tiên tôi sẽ trình bày tổng quan về việc xây dựng hệ thống dựa trên
thành phần và các lợi ích của nó trong việc phân tích, thiết kế các hệ thống thông tin.
Tôi sẽ trình bày việc mô hình hóa hình thức hệ thống dựa trên thành phần dựa trên nền
tảng của UTP (Unifying Theory of Programming). Tôi sẽ trình bày về các khái niệm
trong mô hình hệ thống dựa trên thành phần như: giao diện, hợp đồng, thành phần, kết
hợp thành phần. Các định nghĩa này sẽ đóng vai trò nền tảng cho việc phát triển các
khuôn mẫu cho thành phần. Một hợp đồng được định nghĩa sẽ bao hàm đặc tả của các
phương thức, một thành phần được định nghĩa là một cài đặt của một hợp đồng. Cài
đặt này có thể yêu cầu các dịch vụ từ các thành phần khác với một vài giả thiết về lập
lịch cho việc giải quyết xung đột các phương thức dùng chung và sử dụng các tài
nguyên hiện có trong xử lí song song. Trong khóa luận tôi sẽ trình bày sâu hơn về mô
hình thành phần thời gian thực dựa trên các khái niệm, các định nghĩa đã được nêu ra
trước đó. Với phần này, tôi đưa ra một mô hình giao diện thành phần cho hệ thống dựa
trên thành phần thời gian thực. Cùng với đó, đặc tả phương thức sẽ được mở rộng với
một ràng buộc về thời gian là một quan hệ giữa tài nguyên có sẵn và lượng thời gian
tiêu tốn để thực thi phương thức. Với mô hình đó, nó hỗ trợ sự phân tách giữa yêu cầu
chức năng, yêu cầu phi chức năng và kiểm chứng hợp phần hình thức của hệ thống
dựa trên thành phần thời gian thực. Cuối cùng tôi cho một ví dụ minh họa cho mô hình
được nghiên cứu trong luận văn này.

LỜI CẢM ƠN.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa đã giúp đỡ em trong
thời gian học tập tại khoa để em có những kiến thức nền tảng cho việc nghiên cứu
khoa học để áp dụng vào việc nghiên cứu những lý thuyết, kiến thức liên quan đến đề
tài khóa luận tốt nghiệp. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Đặng Văn
Hưng, người đã luôn quan tâm, giúp đỡ, hướng dẫn em trong suốt quá trình nghiên
cứu và trình bày khóa. Thầy đã giúp em rất nhiều trong việc tiếp cận các vấn đề mà em

còn chưa hiểu rõ, thầy luôn nhiệt tình chỉ dạy cho em những kinh nghiệm quý báu khi
tiếp cận các vấn đề mới. Em cũng xin cảm ơn tới gia đình. Gia đình là nguồn lực động
viên em khi làm khóa luận này.

Sinh viên

Nguyễn Văn Nghiệp


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................1

1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DỰA TRÊN CÁC THÀNH PHẦN ...................3

1.1. Hệ thống dựa trên thành phần là gì?................................................................3

1.1.1. Thành phần phần mềm..........................................................................................3
1.1.2. Hệ thống dựa trên thành phần..............................................................................4
1.2. Hệ thống thời gian thực là gì?...........................................................................6

2. KIẾN TRÚC HỆ THỐNG DỰA TRÊN THÀNH PHẦN......................................7

3. TÌM HIỂU MÔ HÌNH THÀNH PHẦN ..................................................................8

3.1 Thiết kế dưới dạng công thức logic....................................................................8

3.2 Giao diện và hợp đồng ........................................................................................9

3.3. Kết hợp hợp đồng.............................................................................................11

4. MÔ HÌNH THÀNH PHẦN THỜI GIAN THỰC.................................................18

4.1. Các thiết kế có nhãn ràng buộc về thời gian sử dụng như dịch vụ..............18

4.2. Sử dụng các ngôn ngữ hình thức có nhãn ràng buộc về thời gian để đặc các
giao thức tương tác thời gian thực và đặc tả tiến trình. ......................................22

4.3. Các hợp đồng thời gian thực. ..........................................................................23

4.4. Thành phần bị động .........................................................................................25

4.5. Thành phần chủ động ......................................................................................28

5. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG NHÚNG.......30

KẾT LUẬN ..................................................................................................................33



BẢNG KÍ HIỆU, VIẾT TẮT
= Bằng
P Q∧
P và Q
P Q∨
P hoặc Q
P¬
Phủ định P
P Q⇒
Nếu P thì Q
:x T P∃ •

Tồn tại x trong tập T sao cho P
:x T P∀ •
Mọi x trong T sao cho P
∈
Thuộc
∉
Không thuộc
{}
Tập rỗng
{ }a
Tập đơn chứa duy nhất phần tử a
{ : | ( )}x T P x
Tập hợp tất cả x trong T sao cho P(x)
{ ( ): | ( )}f x T P x
Tập hợp giá trị của hàm f(x) sao cho P(x)
S T∪
S hợp T
S T∩
S giao T
\S T
S trừ T
S T⊆
S chứa trong T
S T⊇
S chứa T
Dãy rỗng
a
Dãy chứa duy nhất a
ok
Chương trình đã khởi động

ok
′
Chương trình đạt đến trạng thái ổn định
[ ]
P Q
⇒
P bao hàm Q mọi nơi
P Q⊢
Quan hệ
ok P ok Q
′
∧
⇒
∧


P Q⊒
P là một bản làm mịn của Q có nghĩa là
[ ]
P Q
⇒

( , ) ( )s P t,Q⊑

( , )t Q
được làm mịn từ
( , )s P

||P Q
Phân tách hợp phần song song của P và Q

M
Hợp phần song song với toán tử M
:x e=
Gán giá trị e cho biến x.

1
LỜI MỞ ĐẦU
Từ khi máy tính được phát minh, chế tạo thành công, con người đã được hưởng
những thành quả của khoa học máy tính. Các hệ thống thông tin được xây dựng nhằm
giúp cho việc tính toán trở nên nhanh chóng và hiệu quả hơn. Các chương trình phần
mềm được thiết kế và cài đặt với mục đích hỗ trợ tốt hơn cho con người trong nhu cầu
công việc hàng ngày. Ban đầu, công việc thiết kế, lập trình các hệ thống chưa được hỗ
trợ nhiều. Từ việc lập trình bằng ngôn ngữ máy đến lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao.
Con người tiếp cận lập trình hướng cấu trúc với cách thể hiện phù hợp với kiến trúc
máy tính thời điểm đó. Và sau đó là tiến thêm một bước nữa trong việc phát triển các
hệ thống thông tin, đó là lập trình hướng đối tượng. Bằng việc sử dụng các lớp, các đối
tượng trong lập trình, các hệ thống được xây dựng lên đã trở nên linh hoạt hơn, đáp
ứng được như cầu sử dụng. Trước những phát triển không ngừng của công nghệ phần
mềm, một mô hình hệ thống mới đã được nghiên cứu, phát triển. Đó là mô hình hệ
thống dựa trên thành phần. Ngày nay, kĩ thật sử dụng hướng đối tượng và dựa trên
thành phần ngày càng trở nên phổ biến và sử dụng rộng rãi trong việc mô hình hóa và
thiết kế các hệ thống phần mềm phức tạp. Chúng cung cấp sự hỗ trợ có hiệu quả tới sự
phân hoạch một ứng dụng vào trong những đối tượng và những thành phần, mà có thể
được hiểu rõ bằng việc sử dụng lại và mở rộng những thiết kế và những cài đặt hiện
có. Những phân tích và kiểm chứng các hệ thống đó cũng có thể dễ dàng hơn vì kiến
trúc hợp thành phần hợp thành.
Với sự ra đời của hướng nghiên cứu mới này, các hệ thống được xây dựng dễ
dàng hơn, linh hoạt hơn rất nhiều. Đặc biệt, các hệ thống có tính bảo mật hiệu quả cao
hơn rất nhiều so với các mô hình đã được nghiên cứu và phát triển trước đây. Nguyên
tắc cơ bản của hệ thống dựa trên thành phần là cắm và chạy (plug and play) nên hệ

thống là tổ hợp của rất nhiều thành phẩn. Hệ thống có thể mở rộng, bảo trì một cách dễ
dàng. Hiện có các kĩ thuật hướng đối tượng và dựa trên thành phần đã được phát triển
từ lâu như như CORBA, EJB, J2EE. Nhưng ngày nay, các ngôn ngữ mô hình hóa hình
thức và nửa hình thức đang trở nên phổ biến và hỗ trợ phát triển hệ thống dựa trên mô
hình như UML, JML, Alloy và BIP.
Tiếp cận với xu hướng đó, khóa luận này xin được trình bày một số khái niệm về
hệ thống dựa trên thành phần, các khái niệm cụ thể hơn trong mô hình hệ thống dựa
trên thành phần thời gian thực. Bên cạnh đó, khóa luận sẽ đi sâu tìm hiểu về mô hình
hệ thống dựa trên thành phần từ việc tìm hiểu mô hình thành phần. Sau khi nghiên cứu
2
các khái niệm đó, tôi sẽ trình bày về một ví dụ áp dụng mô hình này vào trong một hệ
thống thực tế.
Do thời gian và trình độ của sinh việc còn hạn chế nên trong khi trình bày và tìm
hiểu các khái niệm chưa được thấu đáo. Khóa luận sẽ không tránh được một số lỗi. Rất
mong nhận được sự đóng góp của đọc giả để sinh viên có được những kinh nghiệm
trong việc nghiên cứu các vấn đề mang tính khoa học sau này.
3
1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG DỰA TRÊN CÁC THÀNH PHẦN
1.1. Hệ thống dựa trên thành phần là gì?
1.1.1. Thành phần phần mềm.
Ngày nay, hầu hết các sản phẩm công nghiệp đều làm từ các thành phần cơ khí.
Ví dụ như ô tô được lắp ráp từ động cơ, bánh xe, ghế ngồi… Còn với máy tính thì lại
được lắp ráp từ bộ vi xử lí, ổ cứng, bộ nhớ trong (RAM), CD-Rom… Việc lắp ráp các
thành phần cơ bản để tạo thành một sản phẩm hay đồ vật đã được loài người sử dụng
từ hàng ngàn năm trước.
Đối với ngành công nghiệp phần mềm, việc xây dựng các sản phẩm phần mềm từ
các thành phần phần mềm (viết tắt là thành phần) cơ bản (Component) được áp dụng
từ khá sớm. Theo G. Goos và C. Szyperski thì thành phần phần mềm là thành phần cơ
bản được chỉ rõ bằng hợp đồng cho phần mềm mà có thể sẵn sàng được triển khai bởi
bên thứ ba không có hiểu biết về cấu trúc bên trong của nó. Ta có thể tham khảo một

mô hình của thành phần UML.

Hình 1. Mô hình thành phần UML
Các đặc trưng chính của thành phần được chỉ ra là:
• Tính đóng gói
• Xác định duy nhất
• Khả năng sử dụng lại
• Sẵn sàng để sử dụng
• Nhiều dạng thể hiện
• Giao diện
• Client anonymity
Bên cạnh đó, thành phần còn có các đặc tính khác như:
• Độc lập về ngôn ngữ
• Độc lập về nền tảng
• Khả năng cấu hình
4

Hình 2: Tính đóng gói của thành phần
Ta có thế có một sự so sánh giữa thành phần và lớp như sau:
Thành phần (Component) Lớp (Class)
• Có khả năng cung cấp dịch vụ trong
quá trình hoạt động của hệ thống
• Có thể chứa nhiều lớp
• Mô tả bằng các giao diện
• Không có mã lệnh (hộp đen)
• Được phát triển riêng rẽ
• Ngữ cảnh phát triển thay đổi sau khi
biên dịch
• Thực thể thời gian thiết kế (Design
- time)

• Mã lệnh có sẵn (Hộp trắng)
• Trong hầu hết các trường hợp được
thiết kế cho một hệ thống
• Ngữ cảnh phát triển không thay đổi
được sau khi biên dịch
Sự khác biệt đã được thể hiện rõ trong bảng so sánh ở trên. Thành phần cho thấy
sự linh động, tính đóng gói của nó. Nó có thể chạy trên nhiều hệ thống, nền tảng mà
không gặp nhiều trở ngại lớn. Trong khi đó, lớp lại trở nên kém hiệu quả hơn, hạn chế
trong nhiều trường hợp.
1.1.2. Hệ thống dựa trên thành phần
Hệ thống dựa trên thành phần được xây dựng cơ bản từ các thành phần thương
mại dựng sẵn (COTS components). Xây dựng hệ thống từ nhiều thành phần COTS
giới thiệu kỹ thuật mới để giải quyết các vấn đề cốt lõi trong sự tiến hóa không đồng
nhất và độc lập của các thành phần này.
Với phát biểu trên, hệ thống dựa trên thành phần đem lại nhiều lợi ích cho người
phát triển hệ thống. Các lợi ích đó được liệt kê dưới đây.
5
• Việc sử dụng các thành phần riêng biệt nên các thành phần được phát triển
độc lập. Điều đó làm cho hình thành một thư viện các thành phần. Từ thư
viện thành phần đó dẫn đến việc phát triển các hệ thống trở nên nhanh
chóng. Bên cạnh đó, các thành phần này được kiểm chứng tính đúng đắn,
kiểm thử các lỗi logic, … nên hạn chế được rủi ro cho hệ thống. Đây là
một thế mạnh mà các hệ thống khác khó đạt được.
• Các thành phần được tái sử dụng một cách hiệu quả. Mỗi lần phát triển
một hệ thống mới không cần phải phát triển lại hoàn toàn mới các thành
phàn mà vẫn có thể sử dụng các thành phần đã có để phát triển tiếp. Kết
thúc quá trình phát triển hệ thống mới, các thành phần mới được đưa vào
thư việc thành phần. Với việc tái sử dụng thanh phần, giá thành sẽ được
giảm đi một cách đáng kể. Không những vậy, chất lượng cũng được nâng
cao, đảm bảo yêu cầu của người sử dụng.

Hình 3. Mô hình tái sử dụng thành phần
• Dễ dàng bảo trì là một lợi ích rất làm cho hệ thống thành phần trở nên linh
hoạt hơn. Các thành phần được phát triển riêng biệt nên khi bảo trì, toàn
bộ hệ thống không bị ảnh hưởng nhiều, vẫn có thể hoạt động gần như bình
thường.
6
• Tính cấu hình được của chương trình đem lại một thế mạnh về khả năng
mở rộng hệ thống dễ dàng. Một hệ thống thông minh đòi hỏi phải có khả
năng thay đổi cấu hình để phù hợp với ngữ cảnh.
• Sự độc lập ngôn ngữ của các bộ phận trong hệ thống mới. Với các phương
pháp phát triển hệ thống truyền thống thì các bộ phận của mộ hệ thống
phải được phát triển trên cùng một ngôn ngữ lập trình. Nhưng với sự ra
đời của phương pháp phát triển hệ thống dựa trên thành phần, các thành
phần có thể được viết bằng các ngôn ngữ khác nhau. Bởi vì các thành
phần tương tác với nhau bằng giao diện và hợp đồng. Vấn đề này sẽ được
đề cập rõ hơn trong các phần sau.
1.2. Hệ thống thời gian thực là gì?
Hệ thống thời gian thực là hệ thống mà các dịch vụ của các thành phần phải thỏa
mãn ràng buộc về thời gian.
Ví dụ Hệ hướng dẫn lái xe.
Hệ thống này sẽ được làm rõ hơn trong phần 5 của khóa luận
7
2. KIẾN TRÚC HỆ THỐNG DỰA TRÊN THÀNH PHẦN
Với định nghĩa của một hệ thống hướng thành phần như trên, kiến trúc của hệ
thống dựa trên thành phần bao gồm các thành phần độc lập và giao tiếp với nhau qua
các giao diện giao tiếp. Sự kết hợp đó sẽ tạo thành một hệ thống lớn. Hệ thống dựa
trên thành phần được chia làm 2 phần: phần bị động và phần chủ động.
Phần bị động: là một tổ hợp các thành phần liên kết với nhau.
Phần chủ động: là một tập hợp các tiến trình phản ứng lại các tác động được gây

ra từ các sự kiện bên ngoài. Chúng sử dụng các dịch vụ từ thành phần bị động để đáp
ứng lại yêu cầu từ các tác nhân bên ngoài hệ thống thông qua giao diện thành phần.
Kiến trúc của hệ thống được mô tả trong hình dưới.

Hình 4: Kiến trúc hệ thống dựa trên thành phần.
Đối với kiến trúc này, ta có thể lấy một ví dụ đối với các chương trình đa luồng
(như chương trình Java). Ở đây, mỗi một tiến trình tương ứng với một luồng trong
Java với thiết lập đa luồng được chập nhận. Điều đó có nghĩa là nhiều luồng được truy
cập đến một dịch vụ của một thành phần con trong phần bị động một cách trực tiếp
hoặc thông qua các dịch vụ khác.
Làm thế nào để xử lý các trường hợp này để tăng hiệu suất và đặc biệt là tránh bế
tắc từ các truy cập đồng thời tới các tài nguyên dùng chung là một vấn đề lớn. Nếu
điều này xảy ra thì ngay cả tiền điều kiện của một dịch vụ được thỏa mãn thì dịch vụ
cũng không thể ngắt vì dịch vụ đã rơi vào trạng thái bế tắc. Vì thế, không phải tất cả
các hành vi truy cập dịch vụ liên tiếp đều được chấp nhận. Ngoài đặc tả với tiền điều
kiện và hậu điều kiện của một dịch vụ ra, một hợp đồng cũng phải được bao gồm trong
8
đặc tả của việc cho phép truy cập dịch vụ liên tục. Đặc tả này cũng đóng vai trò như là
một giả thiết rằng thành phần tạo nên môi trường cho chính nó,được ghi nhận bởi một
giao thức gọi là giao thức tương tác.
3. TÌM HIỂU MÔ HÌNH THÀNH PHẦN
3.1 Thiết kế dưới dạng công thức logic
Như đã nói ở phần trước, một thành phần cung cấp các dịch vụ cho các khách
hàng. Các dịch vụ có thể dữ liệu hoặc các phương thức. Để xác định các chức năng
cho các phương thức, ta sử dụng các kí hiệu UTP (Unified Theories of Programming)
cơ bản, trong đó một phương thức được xác định như là có quan hệ với nhau với các
dấu hiệu của dạng thức
( , )op in out
với
in

và
out
là tập hợp các biến.
Định nghĩa 1
Một thiết kế là một tập hợp hữu hạn
,FP
α
với
α
là biểu thị cho tập hợp các
biến chương trình được sử dụng bới phương thức, FP biểu thị cho đặc tả chức năng
của phương thức trong bảng kí hiệu của UTP.
• FP là một vị từ của dạng thức:

Nếu điều khiển chuyển đến chương trình (ok là true) và tiền điều kiện p được
thỏa mãn thì chương trình sẽ kết thúc tương ứng với ok
’
là true và giá trị của biến
chương trình tại thời điển kết thúc và thời điểm khởi hành thỏa mãn quan hệ R.
Với p là tiền điều kiện của phương thức là giả thiết trên giá trị ban đầu của các
biến trong tập hợp
\ out
α
mà các phương thức có thể dựa vào khi kích hoạt và R là
hậu điều kiện R bài liên quan đến quan sát ban đầu đến quan sát cuối cùng(được đại
diện bởi những biến đầu tiên trong tập hợp
{ | \ ( )}
x x in out
α
′

∈ ∪
và các biến in out).
Biến logic
ok
là biến đặc biệt biểu thị sự kết thúc của phương thức, ví dụ
ok
có giá
trị true nếu và chỉ nếu phương thức bắt đầu chạy và
ok
′
có giá trị true nếu và chỉ nếu
phương thức ngắt.
Làm mịn thiết kế.
Ta gọi lại định nghĩa làm mịn quan hệ cho thiết kế được trình bày trong UTP.
Một thiết kế
1 1
,
D FP
α
=
là được làm mịn từ thiết kế
2 2
,
D FP
α
=
(có nghĩa là
1 2
D D⊑
) nếu và chỉ nếu

9
2 1
( , , , )
ok ok v v FP FP
′ ′
∀ •
⇒

với
,
v v
′
là các vectơ của các biến chương trình.
Dãy thành phần
Lấy
1 1
,
D FP
α
=
và
2 2
,
D FP
α
=
là các thiết kế sau đó
1 2
; ,
D D FP

α
≙

Với
1 2
( ) ( )
FP m FP m FP m
∃ • ∧≙
với giả sử là
1 1
( )
FP FP v
=
và
2 2
( )
FP FP v
=
.
Từ đây về sau, tôi sử dụng
1
[ \ ]
F x x
để biểu diễn biểu thức kết quả từ việc thay thế x
bởi x
1
trong biểu thức F.
3.2 Giao diện và hợp đồng
Chữ kí cho thành phần là giao diện của nó mà chỉ rõ những dịch vụ nào nó cung
cấp và dịch vụ nào nó yêu cầu từ môi trường. Hợp đồng là đặc tả của giao diện. Từ

thảo luận không chính thức trong phần trước, ta đưa ra định nghĩa chính thức của hai
khái niệm trong lập trình dựa trên thành phần sau đây.
Định nghĩa 2:
Một giao diện là một cặp
( , )
p r
I I I
=
với
,
p p p
I Fd Md=
và
,
r r r
I Fd Md
=
. I
p
được gọi là cung cấp giao diện của I và I
r
được gọi là yêu cầu
giao diện của I.
Định nghĩa 3:
Một hợp đồng là một tập hợp hữu hạn
, , , , ,Pr
p r
I Init MSpec Inv Inv o
với
•

( , )
p r
I I I
=
là một giao diện. Lấy
,
r p r p
Md Md Md Fd Fd Fd
= ∪ = ∪

• Init là một khởi tạo mà kết hợp với mỗi biến trong Fd và mỗi biến cục bộ
với một giá trị của cùng kiểu.
• MSpec là đặc tả phương thức kết hợp với mỗi phương thức
( , )op in out

trong
r p
Md Md Md
= ∪
với một thiết kế
, FP
α
với
( \ ( ))
p
in out Md
α
∪ ⊆

• Inv

p
và Inv
r
là vị từ trong cung cấp tính năng và yêu cầu tính năng tương
ứng trong hợp đồng (được gọi là hợp đồng bất biến). Inv
p
đại diện cho
một thuộc tính của giá trị biến trong khai báo đặc tính FD
p
mà có thể dựa