第二屆大會(huì)回顧第13期 | 以架構(gòu)為中心的開發(fā)者工具的核心技術(shù)與應(yīng)用

演講嘉賓 | 晉武俠

回顧整理 | 廖 濤

排版校對 | 李萍萍

嘉賓介紹

開發(fā)者工具分論壇

晉武俠，西安交通大學(xué)軟件學(xué)院副教授。研究領(lǐng)域包括：代碼分析、軟件架構(gòu)治理、智能軟件工程。獲2022年陜西省優(yōu)博；主持參與多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目等；擔(dān)任多個(gè)國際知名會(huì)議期刊審稿人。

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正文內(nèi)容

在軟件生命周期各個(gè)階段，有不同形態(tài)的工具輔助開發(fā)維護(hù)人員的實(shí)踐活動(dòng)，提高工作效率。應(yīng)對代碼級(jí)問題的方法工具廣泛存在，特別是智能化技術(shù)使得代碼級(jí)問題解決成本越來越低。然而，相比代碼級(jí)問題，架構(gòu)級(jí)問題貫穿軟件生命周期，發(fā)現(xiàn)難、影響廣、代價(jià)高。如何分析、定位、解決這類架構(gòu)級(jí)問題呢？西安交通大學(xué)副教授晉武俠在第二屆OpenHarmony技術(shù)大會(huì)上進(jìn)行了精彩分享。

開發(fā)者工具貫穿了軟件開發(fā)的全生命周期，提供了項(xiàng)目管理、原型設(shè)計(jì)、高效代碼開發(fā)、自動(dòng)化測試與集成以及性能監(jiān)測等能力。隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，軟件開發(fā)者工具從自動(dòng)化向智能化演進(jìn)。傳統(tǒng)的自動(dòng)化工具更傾向于執(zhí)行預(yù)定義的、重復(fù)的任務(wù)，而智能化工具旨在模擬人類的思維過程，做出更復(fù)雜的決策。

尤其，智能化技術(shù)使得代碼級(jí)問題解決成本越來越低。然而，相比于代碼層問題，架構(gòu)層問題可能更加棘手，主要有以下特點(diǎn)：

發(fā)現(xiàn)難：代碼級(jí)問題大部分都是01問題，是顯性的，能夠及時(shí)感知，通常影響功能和性能；而架構(gòu)級(jí)問題大部分為非01問題，是隱性的，影響可維護(hù)性，會(huì)隨著演化過程癥狀逐漸凸顯。

影響廣：代碼級(jí)問題往往影響單一模塊，大部分修復(fù)往往在較小范圍內(nèi)進(jìn)行；而架構(gòu)層問題可能影響整個(gè)系統(tǒng)，修復(fù)經(jīng)常需要重大設(shè)計(jì)調(diào)整或重構(gòu)。

成本高：由于架構(gòu)腐化會(huì)導(dǎo)致維護(hù)困難、性能下降等問題，使開發(fā)團(tuán)隊(duì)需要投入更多的時(shí)間和資源來解決，增加了開發(fā)和維護(hù)的成本。此外，如果架構(gòu)腐化嚴(yán)重到一定程度，可能還需要進(jìn)行大規(guī)模的系統(tǒng)重構(gòu)。

如何解決架構(gòu)層問題？本次報(bào)告提倡以架構(gòu)為中心的開發(fā)者工具的解題思路，從“根”上促進(jìn)軟件系統(tǒng)長期健康演化。怎樣實(shí)施以架構(gòu)為中心？架構(gòu)管理的復(fù)雜性在于依賴的復(fù)雜性，基于代碼依賴的架構(gòu)分析旨在利用代碼依賴彌補(bǔ)底層代碼細(xì)節(jié)和高層架構(gòu)之間的鴻溝，從架構(gòu)視角來分析、定位、解決開發(fā)者日?；顒?dòng)遇到的問題，幫助從“根”上提前預(yù)警、避免、消除軟件的可維護(hù)性問題，促進(jìn)軟件系統(tǒng)長期健康演化，提高軟件研發(fā)效能。

接下來，首先介紹工具底層基礎(chǔ)技術(shù)（即代碼依賴解析）的最新進(jìn)展；再以開發(fā)者日常代碼合入為例，分享如何以架構(gòu)視角定位致使沖突頻發(fā)的根因；最后以代碼重構(gòu)活動(dòng)為應(yīng)用，展示架構(gòu)驅(qū)動(dòng)的思路如何幫助推薦重構(gòu)方案，消除潛在架構(gòu)問題。

核心技術(shù)：代碼依賴解析

代碼依賴解析旨在從軟件制品中提取出代碼結(jié)構(gòu)性實(shí)體或者符號(hào)級(jí)實(shí)體之間的依賴關(guān)系。目前，已有的代碼依賴解析技術(shù)包括：繼承體系分析（CHA）、抽象解釋、模塊摘要分析、深度學(xué)習(xí)、指向分析（PA）、快速類型分析技術(shù)（RTA）、基于中間表示的分析、啟發(fā)式規(guī)則等；已有的代碼依賴解析工具或產(chǎn)品包括：、CodeScene、Doxygen、SCITool Understand等?，F(xiàn)代編程語言的duck typing、first-class function/class /module、object change等特性使得編程靈活高效，但同時(shí)導(dǎo)致代碼行為隱匿，使得代碼依賴難以準(zhǔn)確解析。

為此，作者及其團(tuán)隊(duì)提出了多語言代碼依賴抽取框架——ENRE，解決了隱式依賴難以精準(zhǔn)分析的難題，增強(qiáng)了已有代碼靜態(tài)分析工具的能力。ENRE目前支持C/C++、Java、Python、JavaScript/TypeScript等編程語言的代碼靜態(tài)分析，能夠解析出50余類實(shí)體和50余類依賴?；贓NRE解析的代碼依賴，能夠增強(qiáng)已有開發(fā)者工具代碼度量的準(zhǔn)確性，使已有的質(zhì)量掃描工具減少漏報(bào)。

應(yīng)用一：面向代碼合入沖突的架構(gòu)問題定位

在下游系統(tǒng)基于上游定制開發(fā)過程中，由于各原因無法與上游代碼同步合并、小步基線升級(jí)，下游擴(kuò)展代碼相對于上游代碼形成一個(gè)長期存在大版本分支。當(dāng)大版本升級(jí)時(shí)，勢必兩個(gè)版本分支合并出現(xiàn)代碼“沖突爆炸”?，F(xiàn)有工作提出了基于K-shot學(xué)習(xí)和 GPT等預(yù)訓(xùn)練模型的自動(dòng)合并沖突消解方法，側(cè)重于在代碼層面解決合并沖突問題，可以有效消解當(dāng)次沖突。

作者及其團(tuán)隊(duì)提出了面向代碼沖突的架構(gòu)問題檢測，通過檢測上下游代碼之間的耦合切面，識(shí)別導(dǎo)致沖突頻繁的架構(gòu)反模式。一旦修復(fù)這類架構(gòu)反模式，則可以緩解下次版本升級(jí)沖突量，預(yù)警沖突，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)左移，帶來長遠(yuǎn)效益。

應(yīng)用二：面向架構(gòu)一致性的代碼重構(gòu)推薦

重構(gòu)是在不改變代碼外部行為的情況下改進(jìn)軟件系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的過程。根據(jù)最新文獻(xiàn)調(diào)研，開發(fā)人員在重構(gòu)活動(dòng)上花費(fèi)了大量的時(shí)間和精力?，F(xiàn)有的解決方案主要有：開發(fā)者基于IDEA重構(gòu)工具人工選擇重構(gòu)；基于指標(biāo)識(shí)別消除代碼壞味道的自動(dòng)重構(gòu)；基于多目標(biāo)優(yōu)化算法搜索優(yōu)化代碼質(zhì)量的自動(dòng)重構(gòu)等。上述方法主要集中在解決代碼級(jí)別的問題，如代碼的質(zhì)量、壞味道等，缺乏解決軟件架構(gòu)層面的問題例如架構(gòu)不一致。架構(gòu)不一致性體現(xiàn)在代碼的設(shè)計(jì)架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)架構(gòu)相違背，出現(xiàn)架構(gòu)漂移，導(dǎo)致軟件系統(tǒng)難以維護(hù)和健康演化。

面向架構(gòu)不一致問題，作者及其團(tuán)隊(duì)提出了基于代碼依賴的架構(gòu)逆向幫助定位候選重構(gòu)文件的方法，加速重構(gòu)方案搜索過程的收斂。例如，如果從代碼實(shí)現(xiàn)逆向的架構(gòu)與其包結(jié)構(gòu)之間存在顯著差異，這可能代表了關(guān)鍵的架構(gòu)問題，需要優(yōu)先進(jìn)行重構(gòu)。該方法同時(shí)引入了多類前置條件和后置策略，提升重構(gòu)操作的可行性，減少實(shí)時(shí)重構(gòu)的編譯錯(cuò)誤、運(yùn)行錯(cuò)誤?；谠摲椒ǎ髡呒捌鋱F(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)命名為3ERefactor的VSCode插件，為開發(fā)者在IDE環(huán)境中提供自動(dòng)化重構(gòu)方案推薦，從而消除當(dāng)前代碼與目標(biāo)架構(gòu)相違約的實(shí)現(xiàn)，提升架構(gòu)一致性。

綜上所述，自動(dòng)化、智能化技術(shù)使得代碼級(jí)問題解決成本越來越低。相比代碼級(jí)問題，架構(gòu)級(jí)問題貫穿軟件生命周期，發(fā)現(xiàn)難、影響廣、代價(jià)高。開發(fā)者工具不僅要關(guān)注代碼級(jí)問題，也要關(guān)注架構(gòu)級(jí)問題，利用代碼依賴填補(bǔ)代碼與架構(gòu)間的鴻溝，基于代碼依賴分析、定位、解決軟件架構(gòu)級(jí)問題，實(shí)現(xiàn)全生命周期的軟件架構(gòu)看護(hù)和治理。

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原文標(biāo)題：第二屆大會(huì)回顧第13期 | 以架構(gòu)為中心的開發(fā)者工具的核心技術(shù)與應(yīng)用

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