I. Tổng Quan Phương Pháp Tái Cấu Trúc Phần Mềm Hiệu Quả
Tái cấu trúc phần mềm là quá trình cải thiện cấu trúc bên trong của hệ thống mà không làm thay đổi hành vi bên ngoài. Đây là một kỹ thuật quan trọng để nâng cao chất lượng phần mềm, giúp hệ thống dễ bảo trì, mở rộng và tái sử dụng hơn. Tuy nhiên, tái cấu trúc có thể phức tạp và dễ gây ra lỗi nếu không được thực hiện cẩn thận. Các hệ thống phần mềm rất dễ phát sinh lỗi, đặc biệt khi người phát triển không tuân thủ nghiêm ngặt các quy trình và tiêu chuẩn. Do vậy, việc kiểm soát tiến trình này là vô cùng quan trọng. Luận án này đề xuất một số phương pháp bảo toàn các ràng buộc của hệ thống phần mềm sau tiến trình tái cấu trúc, tập trung vào các hệ thống hướng đối tượng với các đặc trưng về bất biến (invariants) và hành vi (behaviors).
1.1. Tầm Quan Trọng của Kiểm Chứng Tái Cấu Trúc
Kiểm chứng tái cấu trúc là quá trình đảm bảo rằng việc tái cấu trúc không gây ra lỗi hoặc thay đổi hành vi của hệ thống. Đây là một bước quan trọng để đảm bảo rằng việc tái cấu trúc thực sự mang lại lợi ích và không gây ra tác động tiêu cực. Các hoạt động tái cấu trúc cần được kiểm soát chặt chẽ đồng thời phải đánh giá ảnh hưởng của tiến trình này trên các đặc trưng về chất lượng và xem xét sự bảo toàn các đặc tính quan trọng của hệ thống phần mềm.
1.2. Các Thách Thức Trong Tái Cấu Trúc Phần Mềm
Tái cấu trúc phần mềm đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm việc đánh giá ảnh hưởng của tái cấu trúc đến chất lượng, đảm bảo bảo toàn hành vi, duy trì tính nhất quán giữa các thành phần và xây dựng công cụ hỗ trợ. Việc xác định và đặc tả hành vi của phần mềm một cách hình thức, sau đó định nghĩa chính xác khái niệm về bảo toàn hành vi là một thách thức lớn. Cần chú ý rằng, các loại hành vi cần bảo toàn thường phụ thuộc vào đặc trưng của mỗi loại phần mềm.
II. Vấn Đề Tại Sao Cần Phương Pháp Kiểm Chứng Tái Cấu Trúc
Tái cấu trúc phần mềm, mặc dù mang lại nhiều lợi ích, lại tiềm ẩn rủi ro lớn nếu không được kiểm soát chặt chẽ. Các hệ thống phần mềm phức tạp, đặc biệt là các hệ thống hướng đối tượng, rất dễ bị ảnh hưởng bởi các thay đổi nhỏ trong quá trình tái cấu trúc. Do đó, việc kiểm chứng tái cấu trúc là vô cùng quan trọng để đảm bảo rằng các thay đổi không gây ra lỗi hoặc làm thay đổi hành vi của hệ thống. Cần phải xem xét, giải quyết các bài toán liên quan như đánh giá ảnh hưởng của tiến trình tái cấu trúc trên các chỉ tiêu về chất lượng, đảm bảo tiến trình tái cấu trúc bảo toàn hành vi, duy trì sự nhất quán giữa các thành phần phần mềm sau tiến trình tái cấu trúc.
2.1. Nguy Cơ Phát Sinh Lỗi Trong Quá Trình Tái Cấu Trúc
Trong quá trình tái cấu trúc, việc thay đổi cấu trúc bên trong có thể vô tình gây ra lỗi nếu không được kiểm tra kỹ lưỡng. Ví dụ, việc thay đổi thứ tự các phương thức hoặc thuộc tính, hoặc việc thay đổi cách các lớp tương tác với nhau, có thể dẫn đến các lỗi khó phát hiện. Hoạt động tái cấu trúc thực hiện trên các hệ thống phần mềm rất dễ phát sinh lỗi đặc biệt trong trường hợp người phát triển không tuân thủ một cách nghiêm ngặt các quy trình và tiêu chuẩn phát triển phần mềm.
2.2. Yêu Cầu Về Tính Đúng Đắn Sau Tái Cấu Trúc
Sau khi tái cấu trúc, hệ thống phải hoạt động đúng như trước, không có lỗi mới và không có hành vi thay đổi. Đây là yêu cầu cơ bản của tái cấu trúc và việc kiểm chứng là cần thiết để đảm bảo yêu cầu này được đáp ứng.Tiến trình tái cấu trúc phải được thực thi một cách thận trọng, đồng thời xem xét, giải quyết các bài toán liên quan.
2.3. Đánh Giá Ảnh Hưởng Của Tái Cấu Trúc Đến Chất Lượng
Tái cấu trúc cần đi kèm với đánh giá tác động đến các thuộc tính chất lượng như độ phức tạp, tính dễ hiểu, khả năng mở rộng, tái sử dụng và hiệu suất. Cần có các kỹ thuật đo lường hoặc ước lượng tác động này, ví dụ như độ đo phần mềm, đo thực nghiệm, kỹ thuật thống kê, hoặc điều khiển thực nghiệm.
III. Phương Pháp Bảo Toàn Bất Biến UML Trong Tái Cấu Trúc
Một phương pháp quan trọng để kiểm chứng tái cấu trúc là bảo toàn các bất biến trong biểu đồ lớp UML. Bất biến là các ràng buộc luôn đúng đối với các đối tượng của một lớp. Bằng cách đảm bảo rằng các bất biến được bảo toàn sau tái cấu trúc, chúng ta có thể đảm bảo rằng các đối tượng vẫn ở trạng thái hợp lệ. Các phần tử của biểu đồ lớp cùng với các ràng buộc bất biến được hình thức hóa bằng các ký pháp toán học. Tái cấu trúc trên biểu đồ lớp được thực hiện thông qua các phép toán Folding, Abstraction, Composition, Factoring và Unfolding.
3.1. Hình Thức Hóa Ràng Buộc và Biểu Đồ Lớp
Để bảo toàn bất biến, cần hình thức hóa các ràng buộc và biểu đồ lớp. Việc sử dụng các ký hiệu toán học giúp đảm bảo tính chính xác và tránh sự mơ hồ. Luận án đề xuất luật tái cấu trúc cho các phép toán đồng thời cũng chứng minh sự đúng đắn của các luật này bằng phương pháp toán học.
3.2. Các Phép Toán Tái Cấu Trúc Trên Biểu Đồ Lớp UML
Việc sử dụng các phép toán tái cấu trúc như Folding, Abstraction, Composition, Factoring và Unfolding cho phép chúng ta thực hiện các thay đổi cấu trúc một cách an toàn và có kiểm soát. Tiến trình tái cấu trúc áp dụng các phép toán trên được khẳng định là bảo toàn bất biến của các lớp của mô hình ban đầu trên mô hình tái cấu trúc.
3.3. Xây Dựng Luật Tái Cấu Trúc
Luận án đề xuất các luật tái cấu trúc (refactoring rules) cho các phép toán đồng thời cũng chứng minh sự đúng đắn của các luật này bằng phương pháp toán học. Cần xây dựng các quy tắc rõ ràng để hướng dẫn quá trình tái cấu trúc và đảm bảo tính chính xác. Các luật này cần được chứng minh tính đúng đắn để đảm bảo rằng chúng không gây ra lỗi.
IV. Phương Pháp Kiểm Chứng Bảo Toàn Hành Vi Với Mẫu Thiết Kế
Một phương pháp khác để kiểm chứng tái cấu trúc là kiểm chứng bảo toàn hành vi. Điều này có nghĩa là đảm bảo rằng các hành vi của hệ thống không thay đổi sau khi tái cấu trúc. Có thể sử dụng các mẫu thiết kế để giúp đảm bảo bảo toàn hành vi.Phần mềm ban đầu cùng với các ràng buộc về hành vi (pre/post-conditions) của các kịch bản (scenarios) tham gia vào tiến trình tái cấu trúc được hình thức hóa.
4.1. Sử Dụng Pre Post Conditions Để Đặc Tả Hành Vi
Pre/post-conditions là các điều kiện trước và sau khi thực hiện một phương thức. Bằng cách đảm bảo rằng các pre/post-conditions được đáp ứng sau tái cấu trúc, chúng ta có thể đảm bảo rằng hành vi của phương thức không thay đổi. Hoạt động tái cấu trúc được thực thi sẽ gây ảnh hưởng trực tiếp đến các thành phần cấu tạo cũng như các ràng buộc hành vi này.
4.2. Hình Thức Hóa Kịch Bản và Ràng Buộc Hành Vi
Các kịch bản (scenarios) và ràng buộc hành vi cần được hình thức hóa để có thể kiểm tra một cách chính xác. Việc sử dụng các ký hiệu toán học giúp đảm bảo tính chính xác và tránh sự mơ hồ. Do vậy, các ràng buộc hành vi được tính toán lại và so sánh với với các ràng buộc của hệ thống ban đầu.
4.3. Ứng Dụng Mẫu Thiết Kế Strategy Trong Tái Cấu Trúc
Luận án đặc biệt quan tâm đến tiến trình tái cấu trúc có sử dụng mẫu thiết kế, cụ thể là mẫu Strategy (một mẫu thuộc về nhóm các mẫu hành vi của nhóm GoF). Mẫu Strategy cho phép chúng ta thay đổi hành vi của một đối tượng mà không cần thay đổi mã của đối tượng đó.
V. Ứng Dụng CVT Công Cụ Kiểm Chứng Tính Nhất Quán
Để hỗ trợ quá trình kiểm chứng tái cấu trúc, một công cụ CVT (ConsistencyValidatorTool) đã được xây dựng. CVT cho phép kiểm tra tính nhất quán về mặt hành vi của mô hình phần mềm trước và sau khi tái cấu trúc. Công cụ này nhận dữ liệu đầu vào là mô hình cùng với ràng buộc hành vi và trả về kết luận về sự nhất quán.
5.1. Chức Năng Của Công Cụ Kiểm Chứng CVT
Công cụ CVT giúp tự động hóa quá trình kiểm chứng tái cấu trúc, giảm thiểu sai sót do con người và tăng tốc quá trình phát triển phần mềm.Công cụ CVT nhận đầu vào các mô hình phần mềm trước và sau khi tái cấu trúc cùng với các ràng buộc về hành vi (biểu diễn bằng biểu thức OCL) và trả lại kết luận về sự nhất quán giữa hai mô hình này.
5.2. Đầu Vào Đầu Ra Của Công Cụ CVT
Đầu vào của CVT là các mô hình phần mềm trước và sau khi tái cấu trúc, cùng với các ràng buộc về hành vi được biểu diễn bằng ngôn ngữ OCL. Đầu ra của CVT là kết luận về sự nhất quán giữa hai mô hình.Sau quá trình thực thi, CVT sẽ trả lại kết luận về khả năng nhất quán giữa các mô hình này.
VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Tương Lai Kiểm Chứng Tái Cấu Trúc
Nghiên cứu này đã đề xuất các phương pháp kiểm chứng tái cấu trúc phần mềm hiệu quả, tập trung vào bảo toàn bất biến và bảo toàn hành vi. Các phương pháp này giúp đảm bảo rằng việc tái cấu trúc không gây ra lỗi và hệ thống vẫn hoạt động đúng sau khi tái cấu trúc. Các kết quả nghiên cứu của luận án góp phần bổ sung và hoàn thiện các giải pháp nâng cao chất lượng của hệ thống phần mềm khi áp dụng kỹ thuật tái cấu trúc.
6.1. Tóm Tắt Đóng Góp Của Nghiên Cứu
Nghiên cứu đã đóng góp vào việc phát triển các phương pháp kiểm chứng tái cấu trúc, bao gồm hình thức hóa ràng buộc, sử dụng phép toán tái cấu trúc, và áp dụng mẫu thiết kế. Đề xuất phương pháp bảo toàn bất biến của lớp trong tái cấu trúc mô hình UML. Các thành phần của biểu đồ lớp cùng với các ràng buộc bất biến được hình thức hóa. Tiến trình tái cấu trúc biểu đồ lớp của UML được thực hiện thông qua năm phép toán liên quan đến quan hệ phân cấp trong kế thừa.
6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Trong Tái Cấu Trúc
Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các công cụ hỗ trợ tái cấu trúc tự động, cũng như việc áp dụng các phương pháp kiểm chứng tái cấu trúc cho các loại phần mềm khác nhau. Việc tự động hóa quy trình kiểm chứng, nâng cao khả năng tích hợp các công cụ, và mở rộng phạm vi áp dụng cho các loại phần mềm khác nhau là những hướng đi đầy tiềm năng.
