LUẬN VĂN:MÔ HÌNH HÓA CÁC HỆ THỐNG DỰA TRÊN CÁC THÀNH PHẦN pptx

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
10
vào trong bất kì thời điểm nào mà nó có khả năng truy cập từ các thành
phần khác. Do vậy, Inv
p
được thỏa mãn nhất là bởi Init. Inv
r
đại diện cho
thuộc tính mà yêu cầu giá trị của biến trong FD
r
mà được cung cấp.
• Pro là một giao thức, là tập con của dạng thức
{ ?, !| }* { ?, !| }*
p r
m m m Fd m m m Fd
∈ ∪ ∈
. Chỉ có hành vi của các
phép chiếu trên
{ ?, !| }*
p

m m m Fd
∈
và
{ ?, !| }*
r
m m m Fd
∈
thuộc về
Pro là được chấp nhận.
Hợp đồng của một thành phần biểu diễn cái mà thành phần mong đợi từ môi
trường và cái nó cung cấp cho môi trường.
Các biến trong Fd là chỉ đọc đối với các hợp đồng khác. Inv
p
trong một hợp đồng
biểu diễn một thuộc tính của các biến trong hợp đồng mà nó cung cấp cho môi trường,
và do vậy phải được đảm bảo bởi bất kì phương thức nào của hợp đồng.
Có lẽ nó kém rõ ràng hơn một giao thức, và cách nó quan hệ với đặc tả của các
dịch vụ. Ta cũng làm rõ khái niệm này như là một phần của nghiên cứu. Đối với
phương thức m, kí hiệu ?m và !m như là sự dẫn ra (gán giá trị cho tham số) và kết thúc
(lấy kết quả dịch vụ) của m. Ở đây sử dụng CSP (truyền thông liên tiến trình -
Communicating Sequential Processes
1
). Sau đó nó yêu cầu mỗi ?m phải tương ứng
với chính xác một !m theo sau, và ngược lại mỗi !m phải tương ứng đúng với một yêu
cầu hành động !m. Đối với một phương thức m, nó có thể chấp nhận một vài luồng để
sử dụng m tại cùng một thời điểm (ví dụ như vài bản sao của m). Trong trường hợp
này, đối với một ?m và và tương ứng với !m có thể có vài xuất hiện của ?m giữa
chúng. Số tối đa của các yêu cầu ?m không kết thúc tương ứng tại một thời điểm là độ
đồng thời mà m có thể cung cấp và được chỉ rõ trong giao thức. Bình thường, bất kì
phương thức m chỉ có thể được sử dụng lẫn nhau không bao gồm chính nó và các

phương thức khác trong thành phần. Trong trường hợp này, giao thức có thể được chỉ
ra như là một biểu thức chính quy
{? ! | }*
m m m Md
∈
. Khi tất cả các phương thức m
có thể được sử dụng lẫn nhau không bao gồm chính nó và song song với các phương
thức khác, giao thức có thể được chỉ ra như là một biểu thức chính quy
{? ! }*
m Md m m
∈
với biểu diễn sự chèn vào song song toán tử hợp.
Định nghĩa 4:


1
Wikipedia,
11
Hợp đồng
1 1 1 1 1 1 1 1
( , ), , , , ,
p r p r
Ctr I I MSpec Init Inv Inv Pro
=
được làm mịn của
đồng
2 2 2 2 2 2 2 2
( , ), , , , ,
p r p r
Ctr I I MSpec Init Inv Inv Pro

=
được biểu diễn là
1 2
Ctr Ctr
⊑
nếu và chỉ nếu:
•
1 2
p p
Fd Fd
⊆
,
1 2
r r
Fd Fd
⊆
, và
2 1 1 1
p p
Init Fd Init Fd
=
với hàm f và một
tập hợp A,
f A
biểu diễn cho sự thu hẹp (hạn chế) của f trên A.
•
1 2
p p
MD Md
⊆

và
1 2
r r
MD Md
⊆
.
• Đối với tất cả phương thức op được khai báo trong
1
p
Md
thì
1 2
( ) ( )
MSpec op MSpec op
⊑
và
2 1
p p
Inv Inv
⇒
.
• Đối với tất cả phương thức op được khai báo trong
2
r
Md
thì
2 1
( ) ( )
MSpec op MSpec op
⊑

và
1 2
r r
Inv Inv
⇒
.
•
1 1 2 1
{ ?, !| } { ?, !| }
p p
Pro m m m Fd Pro m m m Fd
∈ ⊆ ∈
và
2 2 1 2
{ ?, !| } { ?, !| }
r r
Pro m m m Fd Pro m m m Fd
∈ ⊆ ∈
.
Ta chứng tỏ định nghĩa này như sau. Ctr
2
cung cấp tất cả các dịch vụ mà Ctr
1

cung cấp, thậm chí còn tốt hơn và có thể cung cấp nhiều hơn, Ctr
2
nên cần ít các dịch
vụ hơn Ctr
1
. Điều kiện

1 2
r r
Inv Inv
⇒
nói lên rằng thuộc tính của các biến đảm bảo
bởi Ctr
2
cũng chắc chắn như bởi Ctr
1
. Trong phần tóm tắt, hợp đồng Ctr
2
cung cấp
nhiều hơn, các dịch vụ tốt hơn và cần ít hơn các dịch vụ từ môi trường so với Ctr
1
. Do
vậy, ta dùng Ctr
2
để thay thế Ctr
1
mà không mất bất kì dịch vụ nào.
3.3. Kết hợp hợp đồng.
Các hợp đồng cáo thể được kết hợp lại theo nhiều cách để hình thành một hợp
đồng mới. Một cách khó khăn hơn cho việc tính toán một hợp đồng đa hợp là tính toán
về giao thức của nó. Điều này đã được loại bỏ trong lí thuyết hợp đồng. Cách đơn giản
nhất để kết hợp hai hợp đồng là đặt chúng cạnh nhau nếu chúng có các tập hợp đặc
tính và các phương thức rời nhau.
Định nghĩa 5
12
Lấy
( , ), , , , , , 1,2

i pi ri i i pi ri i
Ctr I I MSpec Init Inv Inv Pro i= =
, là 2 hợp đồng có
những tập hợp (yêu cầu và cung cấp) thuộc tính, phương thức riêng biệt. Phép kết hợp
của Ctr
1
và Ctr
2
là hợp đồng
1 2 1 2 1 2 1 2 1
1 2
2 1 2
( , ), , ,
, , ( )
p p r r p
p r r 1 2 1 2
I I I I MSpec MSpec Init Init Inv
Ctr Ctr
Inv Inv Inv Pro Pro Pro Pro
∪ ∪ ∪ ∪ ∪
∪ =
∪ ∪ ∪

Chỉ một điều cần thiết để giải thích trong định nghĩa trên là làm thế nào để giao
thức cho hợp các hợp đồng được định nghĩa. Khi đặt các hợp đồng cạnh nhau, bởi vì
chúng được giả định là độc lập, tất cả các phương thức và đặc tính của chúng có thể
được sử dụng song song. Thành phần song song
1 2
Pro Pro
đã xác định chính xác vấn

đề. Tuy nhiên, hợp đồng ghép cũng phải cho phép các phương thức trong một thành
phần độc lập được sử dụng theo cách nguyên bản.
Có một cách khác để kết hợp hợp đồng là kết nối các phương thức được yêu cầu
của một hợp đồng đến với các phương thức cung cấp của hợp đồng khác. Lấy
( , ), , , , , , 1,2
i pi ri i i pi ri i
Ctr I I MSpec Init Inv Inv Pro i= =
là các hợp đồng có các tập
hợp đặc tính và phương thức cung cấp phù hợp, các đặc tính và phương thức yêu cầu
phù hợp, ví dụ như
1 2
( )
p p
f Fd Fd
∈ ∩
suy ra
1 2
( ) ( )
Init f Init f
=
và
1 2 1 2
( ) ( )
p p r r
op Md Md Md Md
∈ ∩ ∪ ∩
suy ra
1 2
( ) ( )
MSpec op MSpec op

⇔
. Giả
định rằng
1 2
r p
I I
⊆
,
2 1
p r
Inv Inv
⇒
,
1 2
( ) ( )
MSpec op MSpec op
⊑
đối với tất cả
1
r
op Md
∈
.
Cắm đầy đủ của
1
Ctr
tới
2
Ctr
được biểu diễn là

1 2
Ctr Ctr
>>
được định nghĩa là:
1 2 2 2
1 2
1 1 2 1 2 2,
( , ), ,
, ,
p p r
r p p r
I I I MSpec
Ctr Ctr
Init Fd Init Inv Inv Inv Pro
∪
>> =
∧
⊎

Ở đây, ta nhận thấy tập các yêu cầu không phải là
1 2
r r
I I
∪
mà chỉ là
2
r
I
bởi vì
do

2
Ctr
được làm mịn từ
1
Ctr
nên
2
Ctr
có đầy đủ tập các yêu cầu của
1
Ctr
. Và vì thế,
1
Ctr
cắm đầy đủ vào
2
Ctr
.
Với
1 2
( )( )
Init Init x
⊎
được định nghĩa là
13
1 2 1 2
1 1 2
2 2 1
( ) ( ) nê'u ( ) ( )
( ) nê'u ( ) \ ( )

( ) nê'u ( ) \ ( )
Init x Init x x dom Init dom Init
Init x x dom Init dom Init
Init x x dom Init dom Init
= ∈ ∩


∈


∈


Ta thảo luận ở đây cách mà giao thức
Pro
được tính toán từ
, 1,2
i
Pro i
=
với
hợp đồng
1 2
Ctr Ctr
>>
.
• Thứ nhất, hợp đồng ghép
1 2
Ctr Ctr
>>

cũng phải cho phép các phương thức
của một thành phần riêng biệt được sử dụng chúng theo cách nguyên bản.
Vậy
1
2
Pro Pro
∪
phải bao gồm
Pro
.
• Các phương thức m từ
2
Ctr
thì không được yêu cầu bởi
1
Ctr
có thể được sử
dụng song song với các phương thức trong
1
Ctr
. Vậy
Pro
phải bao gồm
2 1
( {! ,? | \ }*)
2 p r
Pro Pro m m m Md Md∩ ∈
.
• Câu hỏi ở đây là làm thế nào mà một phương thức m trong
2 1

p r
Md Md
∩
lại
được sử dụng với một phương thức trong
1
p
Md
. Câu trả lời phụ thuộc vào độ
song song của m. Việc tính toán cho trường hợp này rất phức tạp và được để
mở tại đây. Để an toàn, ta không cho phép chúng chạy song song (mặc dù
như vậy thì hiệu quả kém hơn).
Vậy ta định nghĩa
Pro
như sau:
2 2 1
(Pr {! ,? | \ }*)
1 2 1 p r
Pro Pro Pro Pro o m m m Md Md= ∪ ∪ ∩ ∈

Khi
1 2
Ctr Ctr
>>
được định nghĩa, ta nói rằng
1
Ctr
có khả năng kết nối với
2
Ctr

.
Chú ý rằng khi kết hợp hai hợp đồng theo cách này thì thành phần kết quả có thể
không được sử dụng để thay thế
1
Ctr
. Lí do là nó có thể yêu cầu cái gì đó từ môi
trường mà
1
Ctr
không cung cấp.
Định lí 1
Lấy
1
Ctr
là khả kết nối với
2
Ctr
. Nếu
2
Ctr
là đóng (có nghĩa là
2r
I
= ∅
) thì
1 1 2
( )
Ctr Ctr Ctr
>>
⊑

.
Chứng minh:
14
Bằng việc kiểm tra trực tiếp từ định nghĩa của toán tử cắm(plug operator) và định
nghĩa của làm mịn thiết kế. Định nghĩa có thể được chỉnh sửa trong trường hợp phổ
biến là
1 2
r p
I I

và lí thuyết vẫn đúng. Bây giờ hãy hình thức hóa khái niệm của thành
phần. Bằng trực giác, một thành phần bị động là một cài đặt của một giao diện sử dụng
dịch vụ từ các thành phần bị động khác thông qua các hợp đồng của chúng. Với một
trình bày đơn giản, ta sử dụng một kiểu kiến trúc đơn giản với khởi tạo chủ/khách và
truyền thông đồng bộ.
Định nghĩa 6
Một thành phần bị động là một tập hợp hữu hạn
,
Comp Ctr Mcode
=
với
Comp
được xác định với tên của thành phần gồm có:
• Một hợp đồng
( , ), , , , ,
p r p r
Ctr I I MSpec Init Inv Inv Pro
=

•

Mcode
gán mỗi phương thức op trong
p
Md
một thiết kế xây dựng từ các
toán tử cơ bản và phương thức trong
r
I
như là ánh xạ của các vết trong thiết
kế này mà bấy kì
r
op Md
∈
được thay thể bởi
? !
op op
từ bắt đầu và kết thúc
hành động,
{? ! | }
r
m m m Md
∈
được bao gồm trong
Pro
. Điều kiện sau đây
phải được thỏa mãn bởi
Mcode
:
( ( ) ( ))
MSpec op Mcode op

⊑
và
p
Inv
được
giữ bởi bất kì phép toán nào trong
Mcode
.
• Cài đặt của tất cả phương thức m phải tương thích với độ song song của
chúng được mô tả trong
Pro
, nghĩa là hoặc một phương thức m không phải
là một phương thức đặc biệt dùng chung hoặc một số bản sao thích hợp của m
tồn tại.
Thành phần bị động
Comp
được nói là cài đặt bởi
Ctr
.
Vậy một thành phần phải được kiểm chứng bởi thiết kế của nó. Ví dụ như cài đặt
của các phương thức phải được kiểm chứng thông qua các đặc tả của chúng. Tính
đúng đắn của nó có thể được kiểm chứng riêng biệt từ môi trường.
Lấy
, , 1,2
i i i
Comp Ctr Mcode i
= =
là các thành phần, với
1 2
Ctr Ctr

>>
được
định nghĩa. Lấy được
Mcode
′
từ
1
Mcode
bằng việc thay thế mỗi lần xuất hiện của
1 2
( )
r p
op Md Md
∈ ∩
bằng
2
( )
Mcode op
trong dãy của
1
Mcode
. Thật dễ dàng để
15
kiểm tra toàn bộ toán tử cắm định nghĩa trong các hợp đồng được mang theo trên các
thành phần.
Định lí 2:
1 2 1 2 2 1
, \
Ctr Ctr Mcode Mcode Md Md
′

>> ∪
là một thành phần.
Ví dụ: Lấy
_
double quadr
là một thành phần với một dịch vụ
( : , , ; : 1)
dquadr in real a b c out real x
mà đưa ra là một đáp án x1 của phương trình
bậc 2 theo x
2
:
4 2
0
ax bx c
+ + =
. Thành phần
_
double quadr
yêu cầu dịch vụ
( : , , ; : 1)
dquadr in real a b c out real x
từ thành phần khác mà khi được gọi với các
tham số a, b, c thích hợp thì sẽ trả lại đáp án của phương trình
2
0
ax bx c
+ + =
.
Thành phần

_
double quadr
được mô tả bằng đoạn mã bên dưới.
Phần chủ động gồm có vài tiến trình và một giao diện yêu cầu, mà có thể được
gắn và phần bị động. Một tiến trình được mô tả bởi một chương trình sử dụng các dịch
vụ từ phần bị động để phản ứng lại các sự kiện từ môi trường của hệ thống. Các sự
kiện không được điều khiển bởi hệ thống. Vậy các sự kiện thú vị từ môi trường và dịch
vụ hệ thống đi cùng nhau với các đặc tả của nó và giao thức tương tác hình thành hợp
đồng giữa hệ thống và môi trường của nó.
Thực tế, đây là một mô hình thành phần dùng để giải bài toán phương trình bậc 4
dạng đặc biệt. Nếu ta đặt X = x
2
thì phương trình sẽ trở thành dạng bậc 2.
component double_quadr {
provide method {
name { dquadr(in : real a, b, c; out : real x1) },
specification{ ac ≤ 0
•
ax1
4
+ bx1
2
+ c = 0}
}
required method{
name{ quadr(in : real a, b, c; out : real x1)},
specification{ ac ≤ 0
•
ax1
2

+bx1+c = 0∧x1 ≥ 0}
}
protocol{ (?dquadr!dquadr)∗ ⊕ (?quadr!quadr)∗}
16
implementation{
name{ dquadr(real in : a, b, c, real out : x1)},
code{quadr(in : a, b, c; out : x1); x1 := sqrt(x1)}
}
}
Định nghĩa 7
Một giao diện hệ thống là một cặp
( , , )
p
SI E Fd SMd
=
với
p
SMd
là một tập
hợp hữu hạn các phương thức,
Fd
là một tập hợp hữu hạn các đặc tính, và E là tập
hợp hữu hạn các sự kiện.
Định nghĩa 8
Một hợp đồng hệ thống là một tập hợp hữu hạn
ys , , ,
S Ctr SI SMSpec Inv Behav
=

với

•
( , , )
p
SI E Fd SMd
=
là một giao diện hệ thống được định nghĩa ở trên.
•
MSpec
là một đặc tả phương thức kết hợp với mỗi phương thức
( , )
op in out
trong
p
SMd
với một thiết kế
,
FP
α
với
( \ ( ))
d
in out F
α
∪ ⊆
.
•
Behav
là một mô tả hành bi bên ngoài. Nó là một tập con hữu hạn của
{ , | và }*
p

e m e E m SMd
∈ ∈
. Mỗi yếu tố của
Behav
được gọi là một đặc
tả tiến trình.
Một nghĩa không chính thức của dãy
α
trong
Behav
là nếu môi trường hệ
thống cung cấp dãy các sự kiện như là biến cố trong
α
do vậy hệ thống cung cấp dãy
các dịch vụ (phương thức) chỉ rõ bởi
α
theo thức tự. Các phần tử của
Behav
được mô
tả bởi các luồng chương trình đang chạy song song. Một iểu hiện ngữ nghĩa của
Behav
có thể được định nghĩa trong logic thời gian phù hợp cho miền ứng dụng đang
nghiên cứu.
Định nghĩa 9
Một thành phần chủ động
, ,
ActComp Ctr SysCtr Mcode
=
bao gồm
17

• Một hợp đồng
( , ), , , , ,
p r p r
Ctr I I MSpec Init Inv Inv Pro
=
với giao diện
cung cấp rỗng,
( , )
p
I
= ∅ ∅
.
• Một hợp đồng hệ thống
ys , , ,
S Ctr SI SMSpec Inv Behav
=
.
• Một cài đặt tiến trình
Mcode
gán mỗi một phương thức
op
trong
p
SMd

một thiết kế xây dựng từ các toán tử cơ bản và phương thức trong
r
I
như
là phép chiếu vết của thiết kế này trong bất kì phương thức

r
op Md
∈

được thay thế bởi
? !
op op
(tự bắt đầu và kết thúc hành động), trên
{? ,! | }
r
m m m Md
∈
được bao gồm trong
Pro
. Điều kiện sau đây phải
được thỏa mãn bởi
:( ( ) ( ))
Mcode SMspec op Mcode op
⊑
cho tất cả
p
op SMd
∈

Một hệ thống trong mô hình thành phần này là một thành phần chủ động được
gắn vào một thành phần bị động đóng.
Định nghĩa 10
Một hệ thống là một cặp của một thành phần chủ động
, ,
ActComp Ctr SysCtr Mcode

=

và một thành phần bị động đóng
,
Comp Ctr Mcode
′ ′
=
với
Ctr Ctr
′
>>
đã
được định nghĩa.
Vậy một hệ thống thành phần là một hệ thống đóng không yêu cầu bất kì dịch vụ
nào từ môi trường và cung cấp dịch vụ của nó cho môi trường như là phản ứng của nó
đáp sự kiện kích thích từ môi trường. Đặc tả của một hệ thống là hợp đồng hệ thống
ys
S Ctr
. Hai hệ thống là tương đương nhau nếu và chỉ nếu chúng có cùng đặc tả,
nghĩa là chúng có giao diện hệ thống tương đương. Định lí sau đây cho thấy đặc trưng
quan trọng nhất của lập trình dựa trên thành phần.
Định lí 3
Lấy
( , )
S ActComp Comp
′
=
là một hệ thống làm thành từ thành phần chủ động
, ,
ActComp Ctr SysCtr Mcode

=
và thành phần bị động
,
Comp Ctr Mcode
′ ′ ′
=
.
18
Lấy
,
Comp Ctr Mcode
′′ ′′ ′′
=
là một thành phần bị động,
Ctr Ctr
′ ′′
⊑
. Nên
( , )
ActComp Comp
′′
cũng là một hệ thống tương đương với S.
4. MÔ HÌNH THÀNH PHẦN THỜI GIAN THỰC
Các mô hình được trình bày trong phần trước có thể được mở rộng với một số
đặc tính về thời gian để trở thành mô hình thành phần cho hệ thống thời gian thực.
Trong phần này, ta thảo luận về cách thức thực hiện. Phần quan trọng của việc mở
rộng nằm ở các dịch vụ thời gian thực, các giao thức tương tác thời gian thực và các
hợp đồng thời gian thực. Các đặc tả của phương thức phải có thêm ràng buộc về thời
gian.
4.1. Các thiết kế có nhãn ràng buộc về thời gian sử dụng như dịch vụ.

Các hệ thống thời gian thực có một số ràng buộc về mặt thời gian trên các dịch
vụ như là thời gian đáp ứng và ràng buộc về tài nguyên như là yêu cầu bộ nhớ, băng
thông và tiêu thụ điện năng. Sử dụng lí thuyết lập trình thống nhất để xác định các dịch
vụ như thiết kế giúp ta dễ dàng mở rộng nên gọi là “thiết kế có nhãn ràng buộc về thời
gian” mà cũng có thể xác định các yêu cầu tài nguyên và các trường hợp thời gian thực
hiện xấu nhất cho một dịch vụ như là một mối quan hệ giữa tiền và hậu điều kiện cho
các thành phần chức năng của dịch vụ. Tiền điều kiện cho một phương thức là một vị
từ trên các biến chương trình cũng như các biến tài nguyên, và hậu điều kiện cho một
phương thức là một mối quan hệ trên các biến chương trình và các trường hợp thời
gian thực hiện
dur
xấu nhất và các biến tài nguyên. So với cách tiếp cận otomat thì
thiết kế có nhãn ràng buộc về thời gian thể hiện tốt hơn.
Ta có thiết kế có nhãn ràng buộc về thời gian
, ,
D FP FR
α
=
với α là tập các
biến chương trình được sử dụng bởi phương thức, FP biểu diễn đặc tả chức năng và
FR biểu diễn đặc tả phi chức năng. Trong thiết kế trên, FP đã được chỉ ra ở phần
trước. FR là một vị từ của dạng thức q
•
n
S q S
⇒
≙
với q là tài nguyên tiền điều kiện
cho phương thức trong giao diện được đề cập là giả định trên các tài nguyên được sử
dụng bởi phương thức và được đại diện như là vị từ trên các biến trong RES

(
1 n
RES ={res , ,res }
là tập cố định các biến số nguyên). S là hậu điều kiện có ràng
buộc về thời gian cho phương thức mà quan hệ với mỗi lượng thời gian l tiêu tốn cho
việc thực thi phương thức và tài nguyên được sử dụng cho phương thức. S được đại
diện cho một vị từ trên các biến trong RES, α và l. Ta lấy một ví dụ mô tả cho ý nghĩa
của FR. Lấy
, 0
{x,y} FP x
α
≥
≙ ≙
•
f
2
y x
=
và
133 266 1
FR P P
+ =
≙
•
r