類庫是程序員用來實現(xiàn)各種功能的類的集合。在程序設(shè)計里面是一個基本概念。所謂類，可以理解為是一組語句的集合，用來描述一組具有共同屬性和功能的對象。也可以簡單的理解為FRAMEWORK.類庫主要的好處是它們將Win32 API的常用的功能和外掛SDK的功能封裝到了一個統(tǒng)一的包中。采用清晰而有條理的方式對類庫進行了分組和描述，這樣開發(fā)者能更容易地找到他們的應(yīng)用程序所需的大多數(shù)功能。相反，在過去幾年中，新功能要么被"綁縛"到Win32 API上，要由通過獨立的API（例如用于圖形的Directx,或者用于XML和SOAP的不同的SDK）來提供。對它們能做的邏輯分組就是按照字母順序進行排序。結(jié)果，使用Win32 API和各種SDK經(jīng)常使人暈頭轉(zhuǎn)向，而開發(fā)者必須判斷幾個類似的API中哪一個適合他們特定的要求。

　　本文介紹一個結(jié)合刻面分類描述和本體語義的類庫管理和檢索方法，通過刻面分類描述機制和本體的語義擴展及推理能力，有效地對類進行存儲和管理，方便用戶快捷準確地從類庫中尋找適合自己需要的類，從而更好地達到軟件復(fù)用的目的。主要內(nèi)容有：給出一個合適的刻面模型對類進行不同維度的描述；XML在刻面分類描述中的應(yīng)用；在刻面分類的基礎(chǔ)上建立本體庫，用來表示類的整個分類體系，以及基于刻面分類和本體的檢索方法。

　　1 類庫的刻面分類與描述

　　類的整體說明信息包括類的語義信息和類的關(guān)系信息。類的語義信息包括類名、屬性、服務(wù)、所屬類型、所屬開發(fā)階段等信息。類的關(guān)系信息包括類與其他類的關(guān)系信息。

　　在類庫中，每個元素都是一個類，這些類由屬性和作用于屬性之上的操作構(gòu)成。屬性可以分為靜態(tài)屬性和動態(tài)屬性。靜態(tài)屬性屬于所有對象的全體，意味著不存在該類的對象，靜態(tài)屬性也是存在的；動態(tài)屬性隨著對象的存在而存在，隨對象的改變而改變。操作也可以分為靜態(tài)操作和動態(tài)操作。兩者不同之處在于靜態(tài)操作可以不存在操作的主體，而動態(tài)操作必須要有操作的主體，即發(fā)起者。

　　類與其他類之間具有幾種不同的關(guān)系.

　?。?）繼承關(guān)系。在繼承關(guān)系中子類自動繼承父類的屬性和方法，子類依賴父類而存在，如果單獨復(fù)用子類，而忽略了其父類，必然會導致信息的不完整，而出現(xiàn)復(fù)用錯誤。所以，作為依賴方的子類入庫時，需要同時保存父類的信息以及它們之間的繼承關(guān)系。

　　（2）聚合關(guān)系。當整體和部分的關(guān)系緊密時，整體不能缺少部分，所以作為依賴方的整體入庫時，需要同時保存部分類的信息和它們之間的聚合關(guān)系。

　?。?）實例連接關(guān)系。一般通過對象的屬性來表示一個對象與另一個對象之間的依賴關(guān)系。一般來說，該關(guān)系并不影響對象作為獨立存在的類入庫。

　　（4）消息連接。即所謂的類與類之間的合作關(guān)系。消息連接具有很強的依賴性。一方要通過調(diào)用另一方的服務(wù)來實現(xiàn)本身所提供的服務(wù)，如果缺少對方的支持，則本身無法完成相應(yīng)的服務(wù)。因此作為依賴方的調(diào)用類入庫時，需要同時保存被調(diào)用類的復(fù)用信息以及它們之間的合作關(guān)系。

　　通過以上幾種關(guān)系的分析可知，依賴性在各個關(guān)系中普遍存在。如果一個類不能單獨存在，必須依賴其他類存在并得以保持其完整性，則需要將被依賴類和依賴類以及它們之間的關(guān)系同時入庫保存。

　　本系統(tǒng)用刻面分類表示類本身的信息，類與其他類之間的關(guān)系則通過本體描述。

　　根據(jù)刻面分類描述的精簡、一致性、全面性、刻面正交性、易于理解的原則，選擇以下刻面和子刻面：

　　類的基本信息：類的ID、名稱、版本，類的入庫時間等。

　　類的功能：操作、操作對象、操作描述等。

　　類的應(yīng)用環(huán)境：開發(fā)語言、硬件環(huán)境、操作平臺、數(shù)據(jù)庫平臺等。

　　類的應(yīng)用領(lǐng)域：類的具體應(yīng)用范疇。

　　類的刻面分類與術(shù)語示例如表1所示。

　　用類的刻面信息建立類庫的刻面模型，使用XML語言進行描述，同時在類入庫的時候，根據(jù)用戶所提交的信息，自動生成XML文檔。例如DBconnect類的刻面信息：

　　<?xml?version?="1.0"?encoding?="GB2312"?standalone="yes"??>

　　<?XML-stylesheet?type="text/xsl"?href="yxfqust.xsl"??>

　　<!-- class faceted information-->

　　<?xml version="1.0"?>

　　<Class>

　　<!-- basic information -->

　　<BasicInfo>

　　<ID>001</ID>

　　<Name>DBConnect</Name>

　　<Version>1.0</Version>

　　<Provider>sun</Provider>

　　<EnrollTime>2000-01-01</EnrollTime>

　　</BasicInfo>

　　<!-- application platform -->

　　<ApplicationPlatform>

　　<DL>Java</DL>

　　<Database>mysql,sqlserver</Database>

　　<system>windows,linux</system>

　　</ApplicationPlatform>

　　<!-- application domain -->

　　<ApplicationDomain>information system</ApplicationDomain>

　　<!-- operation information -->

　　<OperationInfo>

　　<Operation>connect to database </Operation>

　　<OperationOn>database</OperationOn>

　　<OperationDesc>connect to database in different ways</OperationDesc>

　　</OperationInfo>

　　</Class>

　　從具體問題的需求出發(fā)，XML具有如下的突出優(yōu)點[5]:

　　（1）可讀性。用XML描述對于任何用戶或是計算機程序來說，都容易閱讀和處理。

　?。?）XML的自描述性使得客戶端在收到數(shù)據(jù)的同時也能理解數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和含義，從而能直接對這些自描述的XML文件中的數(shù)據(jù)進行操作，增強了檢索的語義和作用。

　　（3）表示的獨立性和內(nèi)容的獨立性帶來的靈活性。內(nèi)容與表示的分離，支持用戶界面?zhèn)€性化。表示和操作的分離，支持不同數(shù)據(jù)源的無縫連接。

　　（4）強大的表達能力。無論是何種數(shù)據(jù)源，新的、老的，是否異構(gòu)，XML都可以用統(tǒng)一的模式進行描述和訪問。

　?。?）可擴展性。XML可以在不破壞現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的情況下增加新的數(shù)據(jù)字段，不影響新老客戶端的使用。

　　XML的這些特點可以為使用者在需要訪問不同的源類庫時提供標準的統(tǒng)一接口。

　　檢索采用XML樹的索引技術(shù)和模型匹配檢索算法.

　　一個刻面描述可以展開成為一棵刻面描述樹，而XML文檔的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是樹狀結(jié)構(gòu)。對一個刻面描述方案，可以將其中的刻面和子刻面分別映射為樹中對應(yīng)的父節(jié)點和子節(jié)點，對采用某個刻面描述方案描述的類，可以將其對應(yīng)的刻面描述術(shù)語映射為對應(yīng)的葉子節(jié)點。

　　對于類的查詢也可以相應(yīng)地表示為一棵查詢樹，即將查詢中出現(xiàn)的刻面名和子刻面名轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的父節(jié)點和子節(jié)點，將查詢刻面的術(shù)語值轉(zhuǎn)化為葉子節(jié)點，并且用一個虛擬的根節(jié)點將它們組合成為一棵查詢樹。因此，對于類的檢索就轉(zhuǎn)化為查詢樹與庫中類的刻面描述樹之間的匹配。

　　用戶在客戶端輸入查詢條件后，由服務(wù)層中的元數(shù)據(jù)服務(wù)組件負責根據(jù)用戶查詢條件生成X-Query查詢語句，并進行同義詞與近義詞處理。然后將生成的X-Query查詢語句通過數(shù)據(jù)訪問接口的查詢解釋器分解查詢請求，按照數(shù)據(jù)映射提供的存儲規(guī)則與對象合成器交互，使用XML數(shù)據(jù)的無序樹匹配的松弛匹配技術(shù)進行檢索。

　　2 建立本體表示類庫中類的依賴性關(guān)系

　　這里引入本體的主要目的為：（1）利用本體描述類之間的關(guān)系；（2）通過本體擴展類庫的刻面分類描述體系，利用本體具有的良好的概念層次結(jié)構(gòu)和對邏輯推理的支持，實現(xiàn)基于語義上的匹配檢索，從而提高查全率和查準率。

　　本體不僅可以描述類與類之間的各種關(guān)系及刻面術(shù)語之間的同義詞和上下文關(guān)系，還可以描述刻面術(shù)語之間所具有的其他各種關(guān)系，從而盡量從語義上來建立類信息的全面描述。

　?。?）概念類。概念類表示特定領(lǐng)域中的一組或一類實體，每個概念的不同特點可以由不同的屬性描述。如工作描述、功能、行為。語義上講，它表示的是對象的集合。

　　（2）公理是表示某一個特定領(lǐng)域內(nèi)的一些永真式，用來描述和解釋元素及其元素之間的關(guān)聯(lián)和約束問題。

　?。?）關(guān)系代表概念類之間的關(guān)系，形式上定義為n維的笛卡爾乘積的子集。基本關(guān)系是類的層次關(guān)系，即所謂的繼承關(guān)系。除此之外，還有連接關(guān)系，連接關(guān)系表示除了上下位關(guān)系之外的其他關(guān)系。具體關(guān)系如表2所示。

　　（4）實例代表元素。從語義上可以理解為對象。

　　OWL（Web Ontology Language）是W3C開發(fā)的一種網(wǎng)絡(luò)本體語言，用于對本體進行語義描述。由于OWL是針對各方面的需求在DAML+0IL 的基礎(chǔ)上改進而開發(fā)的，所以一方面要保持對DAML+0IL/RDFS的兼容性，另一方面又要保證更加強大的語義表達能力，同時還要保證描述邏輯（DL,Description Logic）的可判定推理，因此，W3C的設(shè)計人員針對各類特征的需求制定了三種相應(yīng)的OWL的子語言，即OWL Lite、OWL DL和OWL Full,而且各子語言的表達能力遞增。OWL Lite是表達能力弱的子語言。它是OWL DL的一個子集，但是通過降低OWL DL中的公理約束，保證了迅速高效的推理。它支持基數(shù)約束，但基數(shù)值只能為0或l.因為OWL Lite表達能力較弱，為其開發(fā)支持工具要比其他兩個子語言容易一些。OWL Lite用于提供給那些僅需要一個分類層次和簡單約束的用戶

　　本體的開發(fā)使用由HP實驗室研究開發(fā)的基于Java的開放源代碼Jena.選擇Jena的理由是：它為解析RDF、RDFS、OWL和SPARQL提供了一個編程環(huán)境和一個基于規(guī)則的推理引擎；Jena允許將數(shù)據(jù)保存到硬盤或OWL文件或關(guān)系數(shù)據(jù)庫中；Jena的推理機制支持在創(chuàng)建模型的時候?qū)⑼评頇C與模型相關(guān)聯(lián)，能實現(xiàn)基于規(guī)則的推理。

　　對于類庫檢索，本體庫中關(guān)系的重要意義在于支持語義推理和擴展查詢，以提高查全率和查準率。要進行基于本體的類庫檢索，首先應(yīng)該建立一個本體庫，針對類庫進行分析和抽取概念：類庫、類、類的基本信息、類的刻面信息、類的接口信息、刻面、術(shù)語等。同時分析概念與概念之間的關(guān)系。

　　用OWL語言來描述類庫本體可在描述邏輯的基礎(chǔ)上建立概念分類層次，然后定義概念類的屬性和創(chuàng)建類的實例。

　　首先確定本體所包含的概念和概念的層次，如類庫中出現(xiàn)的概念包括以下幾個實體：Library、Class、Facet、Terms等。

　　可以用OWL語言定義如下：

　?。?）OWL的概念通過owl:Class定義

　　<owl: Class rdf:ID="Library">

　　<rdfs: label>類庫</rdfs:label>

　　</owl: Class>

　?。?）概念之間的繼承關(guān)系可以用<rdfs:subClassOf>表示。如功能刻面是刻面的一個子概念：

　　<owl: Class rdf: ID="OperationFacet">

　　<rdfs: label>功能刻面</rdfs:label>

　　<rdfs: subClassOf rdf resource="#Facet">

　　</owl: Class>

　　（3）定義概念的屬性屬性是一個二元的關(guān)系。OWL定義了兩種屬性，即owl:Datatype Property和owl:Object Property.前者是概念的成員和數(shù)據(jù)類型，后者是不同概念之間的關(guān)系。如定義一個DatatyperProperty屬性的className:

　　<owl: DatatypeProperty rdf: ID="className">

　　<rdfs: domain rdf: resource="Class">

　　<rdfs: range rdf: resource="&xsd;string">

　　</owl: DatatypeProperty>

　　下面定義一個ObjectProperty屬性的containClass:

　　<owl: ObjectProperty rdf: ID="containClass">

　　<rdfs: domain rdf resouce="#Library"/>

　　<rdfs: range rdf:resource="#Class">

　　</owl: ObjectProperty>

　?。?）傳遞性TransitiveProperty

　　對稱性SymmetricProperty、自反性Inverseof、等價傳遞性InverseFunctionalProperty.

　?。?）定義類與類之間的等價關(guān)系

　　<owl:InverseFunctionalProperty rdf:ID="equals">

　　<owl:inverseOf rdf:resoure="#equals"/>

　　<rdfs:domain rdf:resource="#class1">

　　<rdfs:range rdf:resoure="#class2"/>

　　Owl可以用來定義和表示類與類、類與屬性之間豐富的語義關(guān)系。在面向?qū)ο笾蓄惻c類之間的關(guān)系是確定的，如繼承、依賴、聚合等。

　　本體庫的建立是相當麻煩的，如果能夠在軟件設(shè)計過程中抽取本體，則以后本體的建立會節(jié)省不少的時間。目前，將面向?qū)ο蟮乃枷肱c本體建模的思想相結(jié)合得到了一定的研究，這些研究成果對領(lǐng)域本體的構(gòu)建有一定的推進作用。例如參考文獻[9]給出的一種從UML類圖到OWL映射方法。

　　3 加入本體后的類庫檢索

　　在進行檢索時，首先利用本體知識對檢索條件進行預(yù)處理，對檢索條件進行加強與擴展，然后檢索引擎用處理后的條件進行檢索，將得到更符合用戶需求的返回結(jié)果。利用本體含有的語義信息檢索出語義上匹配的類。

　　基于本體描述的類庫，可以分作三層：層為數(shù)據(jù)服務(wù)層，存放刻面描述完畢的類實體，實現(xiàn)對類的存儲，包括本體庫和XML數(shù)據(jù)庫等；中間層為功能應(yīng)用層，包括本體的推理檢索模塊，數(shù)據(jù)訪問等功能，主要采用組件開發(fā)技術(shù)來完成功能；外層是表示層，負責與用戶的交互及為用戶顯示界面和提供一個可視化的瀏覽接口。如圖1所示。

　　實現(xiàn)采用MVC架構(gòu)的Struts.

　　本體的查詢模塊通過Jena提供的推理機接口，利用同義、上下位和語義關(guān)系，或者第三方推理機推理出隱含的語義，從而使得查詢得以擴展。利用Owl本體概念的描述邏輯進行相關(guān)和相近概念的推理運算。

　　（1）用戶通過查詢界面輸入查詢條件。

　?。?）生成初始查詢，如分詞、關(guān)鍵詞匹配。

　?。?）查詢擴展。對初始查詢進行語義擴展，然后把擴展后的術(shù)語集通過查詢界面顯示給用戶。本體擴展包括以下幾種類型：同義擴展、層次擴展、屬性擴展、公理擴展和規(guī)則擴展。返回的術(shù)語集包括術(shù)語之間的關(guān)系以及相應(yīng)的解釋。

　　（4）細化：用戶根據(jù)返回的術(shù)語集進一步明確自己的需求。

　?。?）執(zhí)行查詢和返回查詢結(jié)果，同時考慮將檢索結(jié)果按照查詢匹配度進行排序。

　　4 實驗評測

　　環(huán)境和工具：Tomcat服務(wù)器，Eclipse開發(fā)平臺，Protégé，sql server2000數(shù)據(jù)庫，Jena推理機，Java類庫中的資源。

　　類庫常規(guī)關(guān)鍵詞檢索方法與本系統(tǒng)檢索方法的效率對比，如表3所示。

　　類作為面向?qū)ο笤O(shè)計中的重要元素，為軟件復(fù)用的實現(xiàn)提供了良好的條件。為了改進現(xiàn)有的類庫檢索不方便、效率低等問題，本系統(tǒng)在刻面描述的基礎(chǔ)上，結(jié)合本體語義檢索的思想，較好地解決了傳統(tǒng)的類庫檢索方法無法真正理解用戶的檢索意圖，以及查全率和查準率相對差的缺點，用戶可方便快捷地從類庫中尋找適合自己需要的類，從而更好地達到軟件復(fù)用的目的。下一步工作將是實現(xiàn)類庫中的類的刻面自動分類和本體信息提取。