Tài liệu Nghiên cứu kỹ thuật kiểm thử phần mềm trên cơ sở mô hình UML

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VĂN THỊ HỒNG PHÚC NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT KIỂM THỬ PHẦN MỀM TRÊN CƠ SỞ MÔ HÌNH UML LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2009 MỤC LỤC Chương 1: Giới thiệu ............................................................................................................. 1 1.1. Giới thiệu nhiệm vụ chính của đề tài ....................................................................... 1 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .............................................................. 2 1.3. Mục tiêu của luận văn ............................................................................................. 3 Chương 2: Một số khái niệm cơ bản ....................................................................................... 4 2.1 Phần mềm sử dụng cấu phần ........................................................................................ 5 2.1.1 Chuẩn tương tác [3] ............................................................................................... 6 2.1.2 Chuẩn kết hợp [3] .................................................................................................. 7 2.2 Vòng đời phát triển phần mềm trên cơ sở cấu phần....................................................... 9 2.3 Các mô hình cấu phần và dịch vụ cấu phần................................................................. 12 2.3.1 Mô hình cấu phần ................................................................................................ 12 2.3.2 Sự cài đặt mô hình cấu phần và các dịch vụ ......................................................... 16 2.4 UML trong phát triển phần mềm ................................................................................ 19 2.4.1 Mục tiêu của UML .............................................................................................. 19 2.4.2 Vai trò, vị trí của các lược đồ UML trong vòng đời phần mềm............................. 21 2.4.3 Các công cụ xây dựng UML ................................................................................ 22 2.5 Lý thuyết kiểm thử ..................................................................................................... 24 2.5.1 Tại sao kiểm thử là cần thiết? [2] ......................................................................... 24 2.5.2 Nguyên nhân gây lỗi phần mềm ........................................................................... 25 2.5.3 Vai trò của kiểm thử trong phát triển phần mềm .................................................. 28 Chương 3: Kiểm thử trên cơ sở các mô hình UML ............................................................... 34 3.1. Các thành phần của cấu phần ................................................................................ 34 3.2. UML và kiểm thử ................................................................................................. 35 3.3. Kiểm thử phần mềm trên cơ sở cấu phần .............................................................. 42 3.4. Các khía cạnh kiểm thử ........................................................................................ 46 3.3.1. Khía cạnh cấu trúc của kiểm thử ......................................................................... 47 3.3.2. Khía cạnh hành vi của kiểm thử .......................................................................... 48 3.5. Mô hình kiểm thử trong phần mềm cấu phần [5] ................................................... 50 3.4.1 Mô hình tương tác ............................................................................................... 50 3.4.2 Mô hình hành vi .................................................................................................. 51 3.4.3 Cấu trúc điều khiển .............................................................................................. 52 3.4.4 Các quan hệ về tương tác dữ liệu ......................................................................... 52 3.6. UML trong pha kiểm thử tích hợp......................................................................... 53 3.5.1 Mô hình áp dụng cho kiểm thử tích hợp phần mềm cấu phần ............................... 55 3.5.2. Các tiếp cận kiểm thử tích hợp trên cơ sở UML ............................................ 58 Chương 4: Thực nghiệm kiểm thử phần mềm ....................................................................... 64 4.1 Sử dụng cấu phần Text trong Java .............................................................................. 64 4.2 Bài toán ( Phát biểu) ................................................................................................... 66 4.3 Quy trình xây dựng tài liệu kiểm thử dựa trên mô hình UML ..................................... 67 4.4 Mô hình xây dựng use-case với bài toán thực tế.......................................................... 67 4.4.1 Xây dựng luồng nghiệp vụ trên cơ sở cách tiếp cận mô hình cộng tác/tuần tự ...... 68 4.4.2 Quản lý kho ......................................................................................................... 70 4.4.3 Xây dựng chương trình ........................................................................................ 94 4.4.4 Các bước thực hiện chương trình ......................................................................... 96 4.4.5 Xây dựng các tình huống kiểm thử ...................................................................... 97 Kết luận ............................................................................................................................. 103 Tóm tắt kết quả chính đã đạt được .................................................................................. 103 Tồn tại và hướng phát triển ............................................................................................ 104 Tài liệu tham khảo ............................................................................................................. 106 DANH MỤC HÌNH # Tên danh mục hình Trang Hình 1: Các phần tử cơ bản của một mô hình cấu phần 14 18 4 Hình 2: Chuẩn đặc tả miền Hình 3: Các tình huống phát sinh lỗi trong quá trình phát triển phần mềm Hình 4: Chi phí sửa lỗi qua các giai đoạn phát triển 5 Hình 5: Cấu trúc một cầu phần 34 6 Hình 6: Quy trình kiểm thử cấu phần trong hệ thống 38 7 Hình 7: Lược đồ biểu diễn cấu trúc một ca kiểm thử 39 Hình 8: Lược đồ biểu diễn các use case quản lý giao dịch ATM 40 8 Hình 9: Mô hình biểu diễn cấu trúc của hồ sơ kiểm thử 47 9 Hình 10: Các khái niệm liên quan đến tình huống kiểm thử 48 1 2 3 26 28 10 Hình 11: Các khái niệm liên quan đến hành vi kiểm thử 49 11 Hình 12: Các khái niệm dữ liệu trong hồ sơ kiểm thử 49 12 Hình 13: Tập điều kiện kiểm tra phụ thuộc 57 13 Hình 14: Mô hình cộng tác mô tả hoạt động giao dịch của máy ATM 14 Hình 15: Mô hình tuần tự mô tả giao dịch ATM 59 15 Hình 16: Mô hình trạng thái phục vụ của máy ATM 61 16 Hình 17: Mô hình cấu phần phục vụ giao dịch gửi/rút tiền ATM 63 17 Hình 18: Cây cấu phần JtextComponent 64 18 Hình 19: Ví dụ xây dựng trên nền javabean 64 19 Hình 20: Mô hình use case mô tả bài toán phát biểu 66 20 Hình 21: Mô hình cộng tác - bài toán thực tế 68 21 Hình 22: Mô hình tuần tự - bài toán thực tế 69 60 DANH MỤC BẢNG # Tên danh mục bảng Bảng 2 So sánh vòng đời phát triển phần mềm trên cơ sở cấu phần với vòng đời phát triển phần mềm truyền thống. Các yếu tố cơ bản trong kiểm thử Bảng 3 UML hỗ trợ các loại kiểm thử Bảng 1 Trang 11 32 35 THUẬT NGỮ SỬ DỤNG TRONG TÀI LIỆU Thuật ngữ QTDA CNPM CBSE Từ gốc ADT UML Project manager Software engineering Component-base software engineering Reference Model of Open Distributed Processing Application Programming Interfaces Abstract data type Unified Modeling Language OMG COM CSLC RTE Object Management Group Component Object Model Component Software Life Cycle Real-time and embedded system IDL HTTP XML IDE SUT DF Interface Definition Language HyperText Transfer Protocol eXtensible Markup Language Interactive development environment Quality of Service Operating system Component Interaction graph Commercial components Object management architechture. System under test Developing for reuse DW Developing with reuse RM-ODP APIs QoS HĐH CIG COTs OMA Giải thích Quản trị dự án Công nghệ phần mềm Công nghệ phần mềm trên cơ sở cấu phần Mô hình tham chiếu của quy trình phân tán mở Giao diện lập trình ứng dụng Kiểu dữ liệu trừu tượng Ngôn ngữ mô hình hoá thống nhất Nhóm quản lý đối tượng Mô hình đối tượng cấu phần Vòng đời phần mềm cấu phần Hệ thống nhúng và thời gian thực Ngôn ngữ định nghĩa giao diện Giao thức truyền siêu văn bản Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng Môi trường phát triển tương tác Chất lượng dịch vụ Hệ điều hành Lược đồ tương tác cấu phần Các cấu phần thương mại Nhóm quản lý đối tượng Kiểm thử hệ thống Cấu phần phát triển để sử dụng lại Cấu phần sử dụng lại LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt nhất tới PGS.TS Đặng Văn Đức viện Công nghệ thông tin người đã định hướng đề tài và tận tình hướng dẫn chỉ bảo tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn cao học này. Tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Trung tâm Đào tạo Sau đại học và các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức, những kinh nghiệm quý báu trong suốt 2 năm học Cao học. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới tất cả các bạn bè, các thầy cô giáo, các đồng nghiệp Khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Quốc Gia Hà Nội đã động viên, tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn này. Cuối cùng tôi xin dành một tình cảm biết ơn tới Bố, Mẹ, những người đã luôn luôn ở bên cạnh tôi, động viên, chia sẻ cùng tôi trong suốt thời gian học cao học cũng như quá trình thực hiện luận văn cao học. Hà Nội, ngày 30 tháng 6 năm 2009 Văn Thị Hồng Phúc LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn “Nghiên cứu kỹ thuật kiểm thử phần mềm trên cơ sở mô hình UML” là công trình nghiên cứu riêng của tôi. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, ngày 30 tháng 6 năm 2009 Học viên Văn Thị Hồng Phúc 1 Chương 1: Giới thiệu 1.1. Giới thiệu nhiệm vụ chính của đề tài Kiểm thử là một khâu không thể thiếu trong quá trình phát triển phần mềm. Nhiều hệ thống phần mềm thất bại là do không tìm ra lỗi. Nguồn lực sử dụng cho khâu kiểm thử là một yêu cầu khá lớn trong quá trình phát triển phần mềm. Quá trình kiểm thử yêu cầu một số pha kết hợp gồm: kiểm thử đơn vị, kiểm thử tích hợp, kiểm thử hệ thống, và kiểm thử chấp nhận. Quy trình kiểm thử được xây dựng nhằm đạt các mục tiêu chính như sau:  Xem xét các yêu cầu đưa ra bởi khách hàng, đối chiếu với sản phẩm phần mềm được lập trình bởi lập trình viên.  Phát hiện các sai sót hoặc lỗi trong phần mềm mà ở đó hành vi phần mềm là không đúng, hoặc không tuân theo các đặc tả của nó. Phương pháp hướng đối tượng (Object-Oriented) đã thể hiện rõ tính ưu việt trong phát triển phần mềm. Trong đó, tính đóng gói, trừu tượng hóa và tính sử dụng lại làm tăng chất lượng phần mềm. Theo Paul Allen thì hiện nay có đến hơn 70% hệ thống phần mềm mới được phát triển dựa trên cơ sở cấu phần. Các cấu phần thường được phát triển theo hướng đối tượng và được viết bằng các ngôn ngữ khác nhau, chạy trên các môi trường khác nhau, có thể phân tán khắp nơi và người phát triển phần mềm mới không được cung cấp các mã nguồn. Các đặc tính này là nguyên nhân gây nhiều khó khăn trong việc kiểm thử hệ thống phần mềm. Để tăng tính mềm dẻo khi nhìn nhận các chức năng, đặc điểm phần mềm xây dựng, chúng ta sử dụng ngôn ngữ mô hình hóa chuẩn UML. Ngôn ngữ mô hình hóa thống nhất (UML – Unified Modeling Language) được công nhận là chuẩn công nghiệp cho việc phân tích và thiết kế các hệ thống hướng đối tượng. UML cung cấp các ký pháp biểu đồ thể hiện các thông tin thiết kế dưới các góc độ nhìn hệ thống. Trong những năm gần đây, đã có nhiều nghiên cứu sử dụng mô hình UML như nguồn thông tin đầu vào cho kiểm thử phần mềm. Thí dụ, biểu đồ trạng thái UML được sử dụng biểu diễn hành vi bên trong của các đối tượng thành phần, các biểu đồ tương tác được được ứng dụng trong kiểm thử tương tác các lớp trong cấu phần. Biểu đồ hoạt động biểu diễn quan hệ giữa các thành phần trong cấu phần. Thực tế cho thấy phương pháp Phát triển phần mềm theo cấu phần đã làm giảm chi phí của dự án phát triển phần mềm. So với công nghệ truyền thống chuẩn, công nghệ phần mềm trên cơ sở cấu phần quan tâm đến cách xây dựng phần mềm nhiều hơn. Thông qua việc sử dụng lại các cấu phần, vòng đời phát triển phần mềm được rút ngắn lại, đồng thời tăng tính mềm dẻo khi sử dụng và 2 bảo trì phần mềm. Hơn nữa, phát triển phần mềm có khả năng làm tăng chất lượng phần mềm. Với tầm quan trọng như trên, đã có nhiều kết quả nghiên cứu lý thuyết và sản phẩm công cụ hỗ trợ phát triển phần mềm trên cơ sở cấu phần. Nội dung luận văn này nhằm mục tiêu khảo sát các vấn đề cơ bản và kỹ thuật phát triển phần mềm theo cấu phần. Đặc biệt luận văn tập trung vào kỹ thuật kiểm thử phần mềm phát triển dựa theo cấu phần với mục đích hướng tới ứng dụng thực tế tại Việt Nam. 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Năm 1975 Freed Brooks, một nhà quản lý dự án IBM, viết cuốn The Mythical Man-month. Bài luận ngắn trong trong cuốn sách này mô tả những khó khăn khi phát triển phần mềm phức tạp, Brooks viết một chương với tiêu đề là “No Silver Bullet” giải thích rằng các hệ thống phần mềm là phức tạp. Ông dự đoán sẽ không có kỹ thuật nào là duy nhất – no silver bullet – mà nó có thể cải thiện năng suất theo danh sách yêu cầu cho mọi hệ thống. Trong chương này, Brooker trích dẫn ra các lý do gây nên “khủng hoảng phần mềm”, và khủng hoảng này sẽ còn tiếp tục cho đến khi một kỹ thuật mới như công nghệ phần mềm trên cơ sở cấu phần (CBSE – Component based software engineering) trở nên có tính khoa học và nó thực sự dựa trên tính khoa học. Và như thế, CBSE đã đưa ra được “Những bài học hay nhất” về sản phẩm công nghệ phần mềm trong suốt 30 năm tiếp theo. Brooks trình bày 2 phương pháp khả thi giúp giảm mức độ phức tạp của phần mềm đó là “Buy before Build” và “Reuse before Buy”. Các khái niệm mấu chốt được đưa ra nhằm giúp giảm được chi phí trong công nghệ phát triển phần mềm. Trong hội nghị thảo luận năm 1968, NATO đã tham gia tranh luận về thuật ngữ khủng hoảng phần mềm. Thêm nhiều thuật ngữ khó hiểu như kẽ hở phần mềm, … các thuật ngữ này dần dần được làm rõ khi trong quá trình phát triển công nghệ phần mềm. Theo David và Fraser phát biểu năm 1968, “ Kẽ hở được phát hiện tại thời điểm khi mà hậu quả việc hỏng hóc phần mềm tăng theo mọi mức độ nghiêm trọng”. Để phát triển phần mềm trên cơ sở cấu phần chúng ta phải học cách xây dựng các cấu phần đó dựa vào các yêu cầu, hoặc dựa trên việc thiết kế các module thành phần hay các thiết kế trực tiếp các cấu phần. Các khách hàng đặt hàng (các cấu phần) và việc tích hợp các cấu phần cung cấp bởi nhà sản xuất sẽ đảm bảo rằng nó đáp ứng được yêu cầu khách hàng với các mong muốn họ đưa ra. Khái niệm về mô hình của cấu phần phần mềm được phát triển rộng rãi bởi BradCox và đặt nền móng cho việc tạo một hạ tầng phát triển các cấu phần này 3 dựa trên ngôn ngữ lập trình C (Nội dung được đúc kết trong cuốn sách ObjectOriented Programming – An Evolution Approach 1986) IBM tiên phong mở ra lối nghiên cứu về Mô hình đối tượng hệ thống ngay đầu những năm 1990. Một số các đóng góp được ứng dụng trong phần mềm cấu phần đó là OLE và COM. Mô hình cấu phần phần mềm vẫn tiếp tục thu được những thành quả đáng kể. 1.3. Mục tiêu của luận văn Luận văn này nhằm mục tiêu nghiên cứu khảo sát sơ bộ các kỹ thuật kiểm thử phần mềm, với giải pháp áp dụng các mô hình UML vào kiểm thử phần mềm trên cơ sở cấu phần. Từ đó, áp dụng các kết quả nghiên cứu lý thuyết vào thực nghiệm kiểm thử một thiết kế phần mềm cụ thể mà luận văn đưa ra. Nội dung nghiên cứu tập trung vào một số vấn đề sau: 1) Tổng quan về các vấn đề cơ bản của kiểm thử phần mềm, các nguyên tắc kiểm thử. Tổng quan về phát triển phần mềm dựa trên cấu phần, bao gồm các khái niệm cơ bản như cấu phần, chuẩn tương tác, chuẩn kết hợp, cài đặt mô hình cấu phần, các mô hình cấu phần - dịch vụ cấu phần, tiếp cận UML, và vai trò của UML đặc tả thiết kế, ứng dụng vào kiểm thử. 2) Nghiên cứu phương pháp luận kiểm thử phần mềm trên cơ sở cấu phần, bao gồm mô hình kiểm thử đối với phần mềm dựa trên cấu phần, kiểm thử tích hợp trên cơ sở các mô hình UML đối với phần mềm phát triển trên cấu phần. Xây dựng các biểu đồ UML hỗ trợ ca kiểm thử tích hợp. 3) Phát triển thực nghiệm kiểm thử phần mềm trên cơ sở sử dụng các cấu phần có sẵn dựa trên bài toán ứng dụng được đưa ra; xây dựng các pha phân tích, thiết kế và kiểm thử. 4 Chương 2: Một số khái niệm cơ bản Lập trình hướng cấu phần (COP – Component oriented programming) và công nghệ phần mềm trên cơ sở cấu phần (CBSE – Component based software engineering) đôi khi có thể hiểu là một. Tuy nhiên, CBSE là thuật ngữ rộng hơn, và COP chỉ là một phần trong đó. CBSE = COA + COD + COP + COM Trong đó COA (component oriented analysis), COD (Component oriented design) và COM (Component oriented management) thể hiện các thuật ngữ về phân tích hướng cấu phần, thiết kế hướng cấu phần và quản lý hướng cấu phần. Mục tiêu của CBSE là phát triển phần mềm một cách nhanh chóng, và giảm chi phí bằng cách xây dựng các hệ thống thông qua việc thu thập các cấu phần có sẵn. Thiết kế, phát triển, và duy trì các cấu phần nhằm mục đích sử dụng lại là một quy trình rất phức tạp, với các yêu cầu ở mức cao không chỉ đáp ứng được tính chức năng và mềm dẻo cấu phần mà còn đáp ứng việc phát triển phần mềm một cách có tổ chức. CBSE bao gồm rất nhiều các nguyên tắc công nghệ phần mềm và các kỹ thuật khác nhau. Trong công nghệ phần mềm truyền thống, quy trình phát triển phần mềm bao gồm các hoạt động hoặc các trạng thái tuần tự, cách đặt tên, phân tích, thiết kế, ngôn ngữ lập trình, kiểm thử, và tích hợp. Trong CBSE, các giai đoạn phát triển chính vẫn tuân thủ theo các bước thực hiện như quy trình phát triển truyền thống, và bổ sung thêm bước tập hợp và lắp ghép các cấu phần. Ta có thể nhận thấy rằng, điểm nổi bật trong CBSE so với công nghệ phần mềm truyền thống chính nằm ở hướng thiết kế, bước thu thập và lắp ghép các cấu phần vào việc xây dựng một hệ thống hoàn thiện. Dưới cách nhìn về các cấu phần, có 2 loại hoạt động căn bản đó là: Phát triển cấu phần để sử dụng lại (DF – Developing for reuse) và sử dụng lại các cấu phần đã có sẵn (DW - Developing with reuse). Với việc phát triển cấu phần để sử dụng lại có thể được tổ chức theo cách tiếp cận công nghệ phần mềm truyền thống, nhấn mạnh vào các chuẩn cấu phần. Mỗi cấu phần cung cấp 2 loại giao diện: (1) giao diện cung ứng – định nghĩa các dịch vụ quảng bá cấu phần này sẽ cung ứng và (2) giao diện yêu cầu – đặc tả các dịch vụ mà cấu phần cần đến để thể hiện khả năng làm việc. 5 Theo các nhìn hướng quy trình công nghệ, có 5 cách định nghĩa khác nhau trong CBSE: 1. Đặc tả cấu phần (Component specification): Nó thể hiện đơn vị đặc tả của phần mềm, mô tả hành vi của tập các đối tượng cấu phần và định nghĩa một đơn vị thực hiện. Hành vi được định nghĩa dưới dạng tập các giao diện. Một đặc tả cấu phần được nhận diện dưới dạng một thực thi cấu phần. 2. Giao diện cấu phần (Component interface): Giao diện thể hiện định nghĩa tập các hành vi có thể được cung ứng thông qua một đối tượng cấu phần. 3. Sự thực thi cấu phần (Component implementation): Là một sự nhận diện của đặc tả cấu phần, có khả năng triển khai độc lập. Điều này nghĩa là nó có thể được cài đặt và thay thế một cách độc lập các cấu phần khác. Như thế không có nghĩa là nó độc lập với các cấu phần khác – nó có rất nhiều sự phụ thuộc. 4. Cấu phần được cài đặt (Installed component): Là sự sao chép của một thực thi cấu phần dưới hình thức cài đặt (hoặc triển khai). Một sự thực thi cấu phần được triển khai bằng cách đăng ký nó với môi trường khi chạy thật. Môi trường chạy thật định nghĩa khả năng của cấu phần được cài đặt nhằm tạo một thể hiện khi thực hiện bước vận hành nó. 5. Đối tượng cấu phần (Component object): Một đối tượng cấu phần là một thể hiện của cấu phần được cài đặt. Khái niệm này khá giống với khái niệm trong lập trình hướng đối tượng, một đối tượng cấu phần trong lập trình hướng cấu phần là một đối tượng có dữ liệu riêng và định nghĩa duy nhất, nó thực hiện hành vi thực thi xác định. Một cấu phần cài đặt có thể có các đối tượng cấu phần đa nhiệm hoặc đơn nhiệm. 2.1 Phần mềm sử dụng cấu phần Để tìm hiểu, nghiên cứu về mục tiêu mà luận văn đã đề ra, trước tiên, ta đi vào việc tìm hiểu các thuật ngữ cơ bản được sử dụng trong CBSE, ta đi từ các khái niệm nhỏ nhất, đơn giản nhất về cấu phần. Một phần tử phần mềm chứa chuỗi các lệnh cấp cao, các tính toán được thực hiện bởi máy tính. Phần tử phần mềm là thực thi nếu: (1) máy tính trực tiếp thực thi các lệnh hoặc (2) có một bộ thông dịch chạy trên máy tính dịch các câu lệnh sang dạng máy thực thi được. 6 Mã nguồn phần mềm là tập các file máy có thể đọc được, chứa các câu lệnh chương trình được viết ứng với một ngôn ngữ lập trình. Các câu lệnh này được dịch thành các câu lệnh thực thi được hoặc nhờ vào bộ biên dịch hoặc bộ thông dịch. Một cấu phần phần mềm là một tập các phần tử phần mềm được lập trình. Cấu phần đó được cài đặt, và đưa vào sử dụng. Sự khác nhau giữa phần tử phần mềm và cấu phần phần mềm được thể hiện ở cách sử dụng. Phần mềm bao gồm rất nhiều yếu tố trừu tượng, các đặc trưng chất lượng. Đó là thước đo để đánh giá một cấu phần hay một quy trình có đáp ứng yêu cầu đặc tả hay không (theo chuẩn IEEE 610.12 – 1990). Thuật ngữ phần tử được đặt trong phạm vi mô tả về cấu phần phần mềm như sau:  Một cấu phần phần mềm là một phần tử phần mềm tuân theo một mô hình cấu phần và có thể triển khai độc lập, được kết hợp mà không cần sửa đổi theo một chuẩn kết hợp.  Một mô hình cấu phần định nghĩa các đặc tả tương tác và các chuẩn kết hợp.  Một cài đặt mô hình cấu phần là một tập hợp các phần tử phần mềm xác định cần có để hỗ trợ việc thực thi của các cấu phần tuân theo mô hình.  Hạ tầng của cấu phần phần mềm, là một tập hợp các cấu phần phần mềm tương tác được thiết kế để đảm bảo rằng hệ thống phần mềm được xây dựng sử dụng các cấu phần và giao diện này sẽ thỏa mãn các đặc tả hiệu năng đã định nghĩa. Các định nghĩa này thể hiện mối quan hệ quan trọng giữa hạ tầng của cấu phần phần mềm, các cấu phần phần mềm và mô hình cấu phần. Khả năng của cấu phần và cách dùng nó được đặc tả bởi giao diện. Giao diện là một sự trừu tượng hóa dịch vụ, nó định nghĩa các thao tác mà dịch vụ hỗ trợ, nó độc lập với bất kỳ sự thực thi đặc biệt nào. Một cấu phần phần mềm giao tiếp và tương tác với thế giới bên ngoài thông qua giao diện của nó, với tài liệu đặc tả giao diện và tương tác sẽ cho chúng ta biết được nó làm gì (what), nội dung của mã thực thi trong cấu phần, quy trình xử lý (how) được ẩn hoàn toàn và người sử dụng cấu phần không phải quan tâm tới việc nó làm như thế nào. 2.1.1 Chuẩn tương tác [3] Chuẩn giao diện là các yêu cầu bắt buộc phải sử dụng và tuân theo đối với cấu phần phần mềm để các phần tử phần mềm tương tác trực tiếp với các phần tử khác. Chuẩn giao diện khai báo một giao diện có thể chứa cái gì. 7 Cấu phần cung cấp một giao diện cung ứng nếu cấu phần đó chứa sự cài đặt tất cả các thao tác được định nghĩa bởi giao diện. Một cấu phần cần một giao diện yêu cầu, nếu cấu phần đó đòi hỏi một tương tác được định nghĩa trong giao diện này và nó giả thiết rằng có phần tử phần mềm nào đó sẽ cung cấp giao diện này. Một cấu phần không thể cung cấp một giao diện cung ứng, nếu thiếu một trong số giao diện yêu cầu của nó. Vì vậy, lý tưởng nhất, một cấu phần cần được triển khai với thông tin mô tả đặc tả tất cả các giao diện yêu cầu và giao diện cung ứng của nó. Các phần tử phần mềm tương tác với một cấu phần thông qua việc sử dụng các giao diện được định nghĩa rõ ràng và được tài liệu hóa. Một chuẩn tương tác định nghĩa các phần tử của một giao diện. Nếu cấu phần chỉ có thể thực hiện chức năng của nó bằng cách tương tác với phần tử phần mềm khác, tất cả các phụ thuộc bối cảnh phải được đặc tả tường minh trong tài liệu cấu phần. Chuẩn tương tác bao gồm các tương tác trực tiếp và gián tiếp giữa các cấu phần. Một cấu phần có thể có một phụ thuộc bối cảnh tường minh trên HĐH, một cấu phần phần mềm, hoặc một phần tử phần mềm khác. Một chuẩn tương tác đặc tả dạng các phụ thuộc bối cảnh tường minh mà cấu phần có thể có. Một dạng khác của phụ thuộc bối cảnh tường minh xảy ra khi một cấu phần phải chạy trên một máy tính với một xung nhịp xác định để đạt được hiệu năng mong muốn. Nếu cấu phần phải tương tác với một thiết bị phần cứng, cấu phần đó sử dụng các giao diện lập trình ứng dụng (APIs - Application Programming Interfaces) của HĐH hoặc giao diện của cài đặt mô hình cấu phần. Trong cả hai trường hợp, thông tin mô tả cấu phần phải định nghĩa rõ ràng phụ thuộc bối cảnh tường minh này. Để có thể sử dụng lại và kết nối giữa các cấu phần, nhà sản xuất và người dùng cấu phần phải thống nhất được tập các giao diện trước khi thiết kế. Kết quả của sự thoả thuận này là các giao diện được chuẩn hoá. Mặt khác, các giao diện có thể được mô tả bằng cách sử dụng nhiều ký pháp khác nhau, nó phụ thuộc vào thông tin mà chúng ta muốn chứa đựng, và mức chi tiết của đặt tả. Phần giao diện chỉ mô tả tên của các phương thức, kiểu của các tham số, và giá trị trả về tức là nó chỉ cung cấp các đặc tả của tập các thao tác chứ không phải từng thao tác đơn lẻ. 2.1.2 Chuẩn kết hợp Để có thể triển khai độc lập, cấu phần phải cách ly khỏi HĐH và các cấu phần khác. Do đó, cấu phần phải đóng gói các thuật toán và dữ liệu cần thiết cho việc thực hiện nhiệm vụ của nó [3]. 8 Cách thức một cấu phần được triển khai phụ thuộc mô hình cấu phần của nó, thông thường có ba bước triển khai sau: 1) Cài đặt cấu phần. 2) Cấu hình cấu phần và HĐH, nếu cần. 3) Đưa cấu phần vào sử dụng. Mã nguồn của cấu phần phần mềm là tất cả các file mà máy có thể đọc được (các thủ tục và mô-đun) và máy có thể thực thi (các thư viện lúc thực thi và các mã đối tượng được biên dịch sẵn), được đóng gói thành phần tử phần mềm máy đọc được. Một cấu phần phần mềm được đóng gói dạng nhị phân nhằm:  Bảo vệ các thuộc tính mang đặc trưng riêng của nhà sản xuất cấu phần phần mềm.  Giảm chi phí cài đặt và triển khai.  Giảm các phụ thuộc bối cảnh tường minh (ví dụ: người dùng không cần chương trình dịch Gnu C++ phiên bản 2.81 sử dụng cấu phần được đóng gói dạng nhị phân). Trong quá trình triển khai, có thể khách hàng hoặc bên chứng nhận thứ ba sẽ có yêu cầu đòi quyền truy cập mã nguồn. Khi đó, nhà sản xuất cấu phần sẽ quyết định về việc triển khai mã nguồn của cấu phần đó. Một chuẩn kết hợp định nghĩa cách thức soạn cấu phần để tạo ra một cấu trúc lớn hơn, cách thức mà một nhà sản xuất thay thế cấu phần bằng cấu phần khác theo cấu trúc đã có sẵn. Thêm vào đó, với một mô tả giao diện, nhà sản xuất cấu phần cần cung cấp tài liệu mô tả đầy đủ tới người dùng cấu phần tương lai, để người dùng có khả năng gắn cấu phần đó vào trong một ứng dụng cụ thể. Bên chứng nhận thứ ba cũng sẽ sử dụng tài liệu được cung cấp để kiểm chứng quy trình được sử dụng phát triển cấu phần đó và đảm bảo rằng sản phẩm cuối cùng đáp ứng được đầy đủ đặc tả. Nhà sản xuất cấu phần hoặc tổ chức chứng nhận thứ ba sẽ quyết định dạng thích hợp nhất cho tài liệu, đó là lưu trữ nó cùng với cấu phần theo cả hai dạng mã nguồn hoặc nhị phân, hay cung cấp độc lập. Điểm mạnh của phần mềm phát triển trên cơ sở cấu phần được thể hiện ở:  Quy tắc nghiệp vụ  Quy trình nghiệp vụ  Các yêu cầu chức năng  Các yêu cầu phi chức năng  Các chuỗi tình huống sử dụng  Tài liệu thiết kế sử dụng các lược đồ UML và ngôn ngữ ràng buộc đối tượng 9  Các điều kiện trước  Các điều kiện sau  Các hợp đồng thiết kế 2.2 Vòng đời phát triển phần mềm trên cơ sở cấu phần Mặc dù trong lĩnh vực công nghiệp phần mềm, công nghệ phần mềm trên cơ sở cấu phần (CBSE – component base softwar engineering) được coi là nền tảng vững chắc, nhưng đứng về phương diện là một khoa học công nghệ thì nó vẫn còn khá non nớt. Thực tế cho thấy, các quy trình thành công cần phải được chia sẻ như các bài thực hành tốt nhất để có nhiều tổ chức hơn thành công với CBSE. Vấn đề trước hết là các tổ chức phát triển phần mềm và các phòng dịch vụ thông tin thường có ghanh đua về vấn đề quy trình đã được đăng ký. Ví dụ, nếu một nhà quản lý dịch vụ thông tin thất bại khi chuyển giao một hệ thống phần mềm, họ sẽ có một lựa chọn là sử dụng toàn bộ nguồn lực bên ngoài. Nếu bạn cho rằng nguồn lực sẵn có, nguồn lực bên ngoài và các công cụ phát triển là không có gì mới mẻ so với việc phát triển phần mềm thong thường, thì sự khác nhau chính là ở quy trình được sử dụng để phát triển hệ thống phần mềm. Trọng tâm của quy trình xây dựng giải pháp (Allen và Frost 1998) được đưa ra bởi khách hàng hoặc doanh nghiệp (Eles và Sims, 1998). Trong lĩnh vực công nghệ phần mềm. Điều này luôn đạt được bằng việc mô hình hóa các quy trình nghiệp vụ (Jacobson 1994). Thỏa thuận giữa khách hàng và nhà thiết kế đạt được thông qua việc tài liệu hóa các yêu cầu hoặc xem xét các thiết kế. Mỗi lần việc thiết kế giải pháp được bắt đầu, các cấu phần bắt đầu có một ảnh hưởng nào đó. Nhóm chịu trách nhiệm xây dựng các giải pháp thực sự là thành phần chi phối đến dự án. Một lựa chọn cho thiết kế các cấu phần tương tác là dựa trên mô hình UML. Thách thức cho người xây dựng giải pháp là tập hợp thành hệ thống lớn trên cơ sở các cấu phần. Để làm được điều này ta sẽ cần thông tin về các cấu phần có sẵn, các giao diện yêu cầu, các dịch vụ, sự vận hành, và các phương thức. Quy trình tìm đúng các cấu phần là quan trọng với nhà thiết kế, và thuật ngữ thường được sử dụng trong quá trình thiết kế là lấp đầy khoảng trống. Quá trình lấp khoảng trống có thể đưa đến một trong hai kết luận sau: i) Cấu phần giống như yêu cầu đã được tìm thấy và đưa vào sử dụng. ii) Không có cấu phần nào như thế tồn tại. Điều này dẫn đến đòi hỏi đó là cần có một quy trình lưu trữ các cấu phần có sẵn, đôi khi bạn cũng cần tạo một dự án con để xây dựng một cấu phần theo đặc tả. Điều này có nghĩa là quy trình lưu trữ không chỉ nắm giữ các các cấu phần đã 10 xây dựng sẵn, mà còn kích hoạt quy trình xây dựng cấu phần mới. Lợi ích thực sự của CBSE chỉ được nhận ra bằng cách kích hoạt song song giải pháp và sự phát triển cấu phần, điều này đạt được thông qua việc lập kế hoạch và thiết kế. Với các cấu phần không tìm thấy, quy trình lưu trữ phải cho phép khách hàng đưa ra mong muốn để nhận được sự cung ứng khác. Mỗi lần ta sử dụng một cấu phần cho dù cấu phần đó đã được đóng gói hay đã được gắn vào sản phẩm, ta cũng cần một quy trình quản lý cấu hình cấu phần đó. Bởi vì các phiên bản mới của một cấu phần có thể được cung ứng bất cứ lúc nào, và người xây dựng giải pháp có thể muốn cải tiến nâng cấp, hay khách hàng cần một quy trình thông báo cho họ khi các cấu phần cập nhật, lưu trữ. Người xây dựng giải pháp có thể dễ dàng thay thế một cấu phần tồn tại bằng phiên bản mới hơn. Điều này đạt được nếu người xây dựng giải pháp có xác nhận đăng ký nhận thông báo khi có cấu phần phiên bản mới được lưu trữ. Thêm một định nghĩa nữa ở đây để ta có thể phân biệt sự khác nhau giữa vòng đơi phát triển phần mềm và vòng đời cấu phần đó là: Trong một vòng đời phát triển phần mềm truyền thống, những người phát triển thường là người phân tích, thiết kế và lập trình. Một dự án có một sự khởi đầu tốt, khi các yêu cầu trở nên rõ ràng, và kết thúc tốt đẹp khi hệ thống phần mềm cuối cùng sẽ được chuyển giao. Sản xuất cấu phần thì khác, người ta mất nhiều thời gian hơn để nghiên cứu về các quy tắc nghiệp vụ, mô hình quy trình nghiệp vụ, phân tích và thiết kế. Nhưng thời gian sử dụng để phát triển là ít hơn trong khi kiểm thử phải thực hiện xuyên suốt. Để tìm hiểu một cách chi tiết về vòng đời cấu phần ta đi đến định nghĩa sau: Vòng đời phần mềm cấu phần (CSLC-Component Software Life Cycle)[3] biểu diễn quy trình trọn vẹn để phát triển một phần mềm có sử dụng đến tích hợp cấu phần bên ngoài. CSLC nhấn mạnh vào: các quy tắc nghiệp vụ, mô hình quy trình nghiệp vụ, thiết kế, xây dựng, duy trì kiểm thử, triển khai, mở rộng, duy trì sử dụng lại và bảo trì. Các giai đoạn phân tích và thiết kế cho 1 CSLC là đặc biệt dài hơn so với vòng đời phát triển phần mềm truyền thống. Hoạt động kiểm chứng được thực hiện ít nhất ở cuối mỗi pha trong CSLC. Trong quá trình kiểm thử đơn vị ta sử dụng cách cài đặt và kiểm thử “tối ưu nhất”. Kiểm thử viên phần mềm phối hợp với tất cả các thành viên trong đội tham gia kiểm thử tích hợp và kiểm thử hệ thống. Việc bảo trì được thiết kế cho cấu phần xác định nhằm phát triển trong thời gian dài. Cài đặt mô hình cấu phần hỗ trợ sự tương tác và kết hợp, từ đó các kỹ sư có thể tạo các hạ tầng cấu phần phần mềm, đặc tả miền cho các cấu phần 11 của họ tương tác với các chức năng và hành vi của hệ thống gọi cấu phần trong CSLC. Bảng dưới đây thể hiện so sánh giữa vòng đời phát triển phần mềm truyền thống với vòng đời phát triển CBSE. Bảng 1. So sánh vòng đời phát triển trên cơ sở cấu phần với vòng đời phát triển phần mềm truyền thống [3] Bước Vòng đời phát triển phần mềm Vòng đời phát triển CBSE truyền thống 1 Mô hình quy trình nghiệp vụ Mô hình quy trình nghiệp vụ 2 Quản lý yêu cầu Quản lý yêu cầu 3 Mô hình thiết kế hệ thống Mô hình thiết kế hệ thống (cấu phần) CBSE Lấp đầy khoảng trống (gap fullfilled) CBSE Đặc tả cấu phần mới CBSE Đưa cấu phần vào sử dụng CBSE Lập danh sách thư tín (liên hệ) 4 Lựa chọn môi trường phát triển Lựa chọn môi tường phát triển tương tác (IDE - Interactive development tương tác (IDE - Interactive environment) development environment) 5 Xây dựng cơ sở dữ liệu Xây dựng cơ sở dữ liệu 6 Xây dựng tầng giữa Xây dựng tầng giữa 7 Xây dựng phần mềm khác Xây dựng phần mềm khác 8 Kiểm thử Kiểm thử 9 Đóng gói Đóng gói CBSE Tiếp nhận cảnh báo, cấu phần mới CBSE Xem xét cấu phần mới CBSE Cập nhật thiết kế 10 Bảo trì Bảo trì 11 Mở rộng Mở rộng 12 Kết hợp các hệ thống Kết hợp các hệ thống 12 2.3 Các mô hình cấu phần và dịch vụ cấu phần Cấu phần ở mức ứng dụng có thể được sử dụng, nhưng khả năng sử dụng lại cấu phần phần mềm mức ứng dụng là chưa đủ thích hợp. Thiếu sót của việc sử dụng lại xảy ra bởi vì các ứng dụng là quá thô, chúng thiếu hỗ trợ kết hợp, và hệ điều hành thiếu các chuẩn đặc tả miền. Các thiếu sót đó được thể hiện qua một số đặc điểm: Thiếu tính chất hạt nhân – Lack of granularity – Các ứng dụng là quá thô để có thể cải thiện việc sử dụng lại. Các nhà phát triển ứng dụng thường được yêu cầu thiết kế và cài đặt các chức năng chung chung mà bất kỳ ứng dụng nào cũng có thể có. CBSE tìm ra các nhân tố chung đưa vào các các dịch vụ được cung cấp bởi sự cài đặt mô hình cấu phần hoặc các cấu phần đã được đặt hàng và tích hợp vào hạ tầng cấu phần. Tư tưởng trọng tâm của CBSE là phát triển các công nghệ chi tiết hơn, các cấu phần được làm mịn dần và cho phép sử dụng lại ở mức các ứng dụng thành phần tương tự như tại mức ứng dụng. Thiếu sự hỗ kết hợp – lack of composition support –Trên thực tế, các hệ điều hành đảm bảo rằng các ứng dụng thực thi hoàn toàn độc lập với nhau. Cơ chế như giao tiếp quy trình nội bộ được nói đến là khả năng trao đổi dữ liệu giữa các ứng dụng, nhưng các giao diện ứng dụng thường đặc tả kém và thiếu các chuẩn kết hợp. Trong khi các ứng dụng triển khai trong hệ điều hành xác định và sử dụng các dịch vụ của hệ điều hành đó. Chúng hiếm khi là đơn vị kết hợp. Thiếu các chuẩn đặc tả miền – (Lack of domain - specific standards) – Các dịch vụ của một hệ điều hành là quá chung chung không hỗ trợ được các miền ứng dụng đặc tả. Ví dụ, một hệ thống đồng bộ cần các dịch vụ khác nhau và giao diện lập trình ứng dụng (APIs-Application programming Interfaces) hơn là một hệ thống điều khiển quy trình hoặc một ứng dụng viễn thông. Mục tiêu của CBSE là phát triển các hệ thống phần mềm bằng cách tạo ra các cấu phần có thể sử dụng lại tách biệt thì tốt hơn là các gắn vào ứng dụng. Một cách tự nhiên, các cấu phần thô này cần các chuẩn tương tác và kết hợp, cũng như chuẩn hóa các hạ tầng và các dịch vụ. Sự tham gia của CBSE là để định nghĩa các mô hình cấu phần theo các chuẩn như vậy và để cung cấp các cài đặt mô hình cấu phần kết hợp để kích hoạt các cấu phần và các hạ tầng cấu phần được thiết kế, cài đặt, và triển khai. 2.3.1 Mô hình cấu phần Cấu phần vận hành trên cơ sở các mô hình cấu phần. Có hai mức vận hành cấu phần bao gồm: [3] 13 Mức thứ nhất: Một mô hình cấu phần định nghĩa cách xây dựng từng cấu phần riêng lẻ. Mức thứ hai: Một mô hình cấu phần điều khiển hoạt động chung một tập cấu phần trong hệ thống trên cơ sở cấu phần giao tiếp và tương tác với nhau. Một mô hình cấu phần tạo nên sự kết hợp bằng việc định nghĩa một chuẩn tương tác và nâng lên thành giao diện đặc tả tường minh. Một cấu phần có thể được tạo từ cấu phần khác hoặc phần tử phần mềm khác bằng cách tạo ra các kết nối được tập hợp hoặc tích hợp riêng. Mô hình cấu phần định nghĩa cơ chế cấp phép cho việc tạo các kết nối được tập hợp hoặc tích hợp. Theo D‟Souza và Wills (1999) thì “khả năng lắp ghép” chỉ thành công nếu một cấu phần biểu thị được chính xác yêu cầu của cấu phần khác mà nó kết nối tới. Quy trình đó cần phải đủ phức tạp để thu được kết quả đặc tả chính xác. Chúng ta sử dụng khái niệm gắn kết cho các cấu phần viết ra chẳng hạn như bao gói, liên kết tĩnh - động, “plug-and-play”. Mô hình cấu phần có thể định nghĩa các cơ chế tuỳ biến để mô tả cách mà các cấu phần có thể mở rộng mà không có sự hiệu chỉnh. Chúng ta coi việc hiệu chỉnh như một dạng cải tiến của tương tác. Một mô hình cấu phần có thể cũng định nghĩa các thuộc tính cấu phần bắt buộc như định dạng mã, các chuẩn tài liệu hoặc các giao diện độc lập của nhà sản xuất. [3]Mô hình cấu phần định nghĩa một tập các chuẩn bao gồm: cài đặt cấu phần, đặt tên, khả năng vận hành nội bộ, tuỳ biến, kết hợp, phát triển và triển khai. Một mô hình cấu phần cũng định nghĩa chuẩn cho việc triển khai mô hình liên kết các cấu, tập các đối tượng phần mềm thực thi được yêu cầu hỗ trợ thực thi của các cấu phần tuân theo mô hình. Một số các mô hình cấu phần đang được sử dụng hiện nay là mô hình thành phần CORBA của OMG, COM+/DOM, và SUN -javabean, Enterprise JavaBeans của Microsoft. Không nhất thiết khi phát triển cấu phần phải tuân theo một chuẩn, nhưng tại một thời điểm không nên có quá nhiều chuẩn. Các phần tử cơ bản của một mô hình cấu phần được Weinreich và Sametinger liệt kê chi tiết - 2001. Hình dưới đây tổng hợp lại các phần tử trong mô hình cấu phần, nó chỉ ra rằng các phần tử đã được phân loại theo các giao diện cấu phần, các phần tử liên quan đến thông tin mà bạn cần sử dụng đến cấu phần đó trong một chương trình và các phần tử tập trung vào việc triển khai cấu phần.