复杂系统的层级原理与模型驱动软件体系结构

写在前面

　　最近看到模型驱动在国内渐渐被更多的人注意，前几天又看到一些关于UML优劣和应用方面的争论。作为繁忙工作中的一种休息，从过往的研究笔记中整理一点东西放在这里，与大家交流。

层级理论是构建复杂软件体系的基本原则

　　诺贝尔奖获得者赫伯特 A. 西蒙曾论述到：“要构造一门关于复杂系统的比较正规的理论，有一条路就是求助于层级理论……我们可以期望，在一个复杂性必然是从简单性进化而来的世界中，复杂系统是层级结构的”。对于软件这样复杂的人造事务，发现层级和运用层级，是分析和构建的基本原则。

软件的体系结构是层级的

　　粗略地观察一下软件表述方式（语言）的发展：从穿孔纸带（机器的语言）开始，首先是汇编语言，然后是高级语言，再往后有面向对象语言和所谓第四代语言（FGL）出现……应当留意：每一代的语言并不是在“取代”前一代语言，而是用上一代语言来“写”下一代语言。在这个自然的进化过程中，西蒙所论述的复杂体系的层级特征清晰地出现了。

　　进一步看，在由简单到复杂的进化道路上，软件的体系结构、软件开发的体系结构、软件开发工具的体系结构等等，都呈现出层级的特征。“好”的软件体系具有更加清晰的层级。

一维语言之后是模型

　　这里不想展开讨论这个问题，只是提出一些思考的结果。与自然语言类似，现有的“程序设计语言”是单维的，它的基本语法是以前后顺序为基础的。当系统的复杂程度提高时，用这样的语言精确描述复杂系统变得越发困难，更遑论有效地修改维护；可视化开发平台、代码管理工具（甚至某种意义上共享组件也可包括在内）等的出现对此是一种补充，但仍然不是最终的解决方法。软件描述体系进化到这里，面临着一次突变，将有新的物种出现，这个新物种可能就是模型。笔者认为，模型与程序语言主要的区别不在于图形化，也不在于抽象的程度，而在于表达方式突破了“单一顺序”的限制，最简单的例子就是二维表。模型可以更容易和直接地表达复杂的结构。

模型和语言都是对系统的描述

　　传统的编程语言和模型都是一种表述的体系，前者适合表述顺序过程，后者适合表述复杂结构。模型的必要性可以通过下面这个例子看出来：

　　为了精确地复现，你可以用语言精确地叙述一个立方体，甚至10个立方体组合的形状，但你不会试图用语言描述一栋房子，适当的方式是用工程图纸。

　　建立企业应用系统的情形可以从以上例子得到启发，企业系统要表述的，主要是复杂的结构，过程占的比重很小，因此，模型就变得更加重要乃至必要了。

OMG组织的MDA战略

　　OMG最新的战略，是建立模型驱动体系架构（Model Driven Architecture, MDA），它的意义不是三言两语可以说清楚的，但从软件进化的角度来说，可能带有一种必然性，从上面的讨论，至少可以引申出两个理由：

1. 更有效地描述复杂系统的需要；
2. 系统复杂化带来的层级区分的需要。

关于模型的几个分析要素

　　笔者认为，以下特征对软件体系中模型的运用是十分重要，或者有特殊意义的：

• 模型的时效性（time-effectiveness of model）：关于这一点最重要的区分在于，是“运行期模型”（Run-Time Model），还是开发期模型？这个区别，有点类似于解释的语言和编译的语言间的区别，但其意义却非同一般，笔者认为，“运行期模型”，揭示了模型驱动的本质。
• 模型的可进化性（evolutionableness of model）：是否可以在系统的应用过程中，持续地适应应用环境与需求的变化，不断地由应用者或自适应地对模型进行改进？这是对模型“性能”的一种度量。
• 模型的层级性（hierarchy of model）：正如语言有多个层次一样，没有理由认为模型只有一个层次，当系统足够复杂时，模型的层次划分将会是必要的。

UML和企业模型

　　运用上面的要素分析一下，可以发现：

　　UML是“紧贴”高级软件语言（例如C ）的模型体系，其时效是在软件生命周期的开发期间，而不是运行期间，其描述的层级是在软件的组件、对象一级，典型要素是软件中的对象，软件上一个操作的动作等。

　　企业模型（比如ARIS, CIM-OSA, GERAM），典型的要素是组织，产品，过程等，它们是从企业的业务对象着眼的。二者在层级上有差距，而且企业模型追求的最终结果，是从“开发期模型”到达“运行期模型”，并且，笔者认为它最终应当是一种可进化的模型，这与UML的设计目标并不符合。

　　它们两者间并不相互排斥，而应当考虑它们的“层接”。按照笔者的理解，OMG的MDA即使全面实现，也仍然不能做为或替代企业模型，但有可能成为企业模型的基础，这不是模型好坏或能力的问题，而是层级定位的问题。

写在后面

　　面向对象（Object Oriented, OO）作为软件体系结构方面的一种演进而出现，也曾经被一些人误解为对过程化语言（或面向过程的体系结构）的取代。笔者认为，尽管OO反应了一种世界观，是一种思维的方式，但并不代表一切；且从层级和进化的观点上，也不应当将它看作是对既有东西的一种简单的取代。模型或模型驱动同样如此，它可能是继面向对象之后，软件体系结构的又一个重大的进化，但不是用来取代面向对象或结构化设计。笔者在1998年撰写《迈向21世纪的企业信息技术应用》一文时，对于模型的地位和作用并没有今天这样的认识，现在我坚信，对于企业信息系统这样复杂的系统，要想做到有效、可控制地规划与构建乃至具有“柔性”、可在运行期间不断地调整，“模型”是必须的，而且，表达与构建复杂企业系统时所需的模型，可能是多层次的，所谓“通用企业平台上的专用执行系统”，就应当是一个由运行期模型驱动的系统。（余彤鹰）

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