物理研究中軟件框架的開發(fā)與應(yīng)用.ppt

物理研究中軟件框架的開發(fā)與應(yīng)用,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系 虞孝麒 金 革 王 堅(jiān) 周永釗 蘇春曉 梁昊,物理研究中軟件框架的開發(fā)與應(yīng)用,一、軟件開發(fā)中重用（Reuse）技術(shù) 二、面向?qū)ο蟮能浖蚣?三、大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）中觀測(cè)控制系統(tǒng)（OCS）軟件框架的開發(fā) 四、ROOT系統(tǒng)及其應(yīng)用介紹,一、軟件開發(fā)中重用（Reuse）技術(shù),重用技術(shù)在軟件開發(fā)中重要性 IT產(chǎn)業(yè)： 減小開發(fā)的工作量 縮短軟件開發(fā)周期，產(chǎn)品及早投入市場(chǎng) 可靠性和可維護(hù)性得到保證 增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,一、軟件開發(fā)中重用（Reuse）技術(shù),重用技術(shù)在軟件開發(fā)中重要性 科研領(lǐng)域 長生命期的設(shè)施特別 要求軟件的靈活性、健壯性和可擴(kuò)充性 ，重用技術(shù)是保證軟件這些特性的關(guān)鍵之一 “The risk associated with complex control systems can be great, and there have been recent examples where the utility of scientific facilities has been limited by inflexible system architectures.”,一、軟件開發(fā)中重用（Reuse）技術(shù),重用技術(shù)的發(fā)展 程序和函數(shù)庫傳統(tǒng)的面向過程 類庫（Class Libraries） 面向?qū)ο?，代碼級(jí)的重用 框架（Framework） 面向?qū)ο螅粌H代碼級(jí)的重用，而且分析和設(shè)計(jì)的重用,二、面向?qū)ο蟮能浖蚣?面向?qū)ο蟮目蚣芏x及其與類庫的主要差別 定義：在給定問題領(lǐng)域范圍內(nèi)建立起可重用解決設(shè)計(jì)問題而互相間協(xié)作的一組類的集合（它典型包括了具備缺省行為的大量對(duì)象） 類庫與框架的主要差別： 行為相對(duì)于協(xié)議 “不是訪問我們，而是我們?cè)L問你” 實(shí)現(xiàn)相對(duì)于設(shè)計(jì),二、面向?qū)ο蟮能浖蚣?1.框架與類庫的主要差別,1）行為相對(duì)于協(xié)議 類庫是待開發(fā)程序中要訪問的一個(gè)個(gè)行為的集合； 行為的集合 框架不僅僅是行為的集合，而且包括了支配著把這些行為組合在一起方法的一組規(guī)則，或稱為協(xié)議。 行為的集合組合方法的規(guī)則,二、面向?qū)ο蟮能浖蚣?1.框架與類庫的主要差別,2) “不是訪問我們，而是我們?cè)L問你” 使用類庫時(shí)，用代碼產(chǎn)生對(duì)象實(shí)例并訪問它們的成員函數(shù)，建立對(duì)象實(shí)例之間的聯(lián)系，保證它們協(xié)調(diào)一起工作 。 用框架開發(fā)應(yīng)用軟件，編寫用來劃分軟件各部分之間承擔(dān)任務(wù)的程序，不用規(guī)定不同部分應(yīng)該如何協(xié)調(diào)一起工作，由框架訪問該程序就完成了應(yīng)用軟件的開發(fā)。,二、面向?qū)ο蟮能浖蚣?1.框架與類庫的主要差別,3) 實(shí)現(xiàn)相對(duì)于設(shè)計(jì) 類庫只重用實(shí)現(xiàn)，而框架同時(shí)重用設(shè)計(jì) 框架包含了一組相互關(guān)聯(lián)類一起工作的方法，在一個(gè)給定領(lǐng)域范圍中，解決了大量具體問題通用的設(shè)計(jì),二、面向?qū)ο蟮能浖蚣?框架的主要優(yōu)點(diǎn) 減少編程的代碼 增加代碼的可靠性和健壯性 更能保證一致性和模塊化 提供了通用領(lǐng)域的問題（如用戶接口，圖形界面或網(wǎng)絡(luò)操作等等）服務(wù),二、面向?qū)ο蟮能浖蚣?框架的開發(fā)過程 領(lǐng)域分析 需求捕獲和分析階段 設(shè)計(jì)階段 實(shí)現(xiàn)階段 驗(yàn)證和確認(rèn)階段,二、面向?qū)ο蟮能浖蚣?框架的開發(fā)過程,二、面向?qū)ο蟮能浖蚣?3.框架的開發(fā)過程,領(lǐng)域分析 在給定的領(lǐng)域范圍內(nèi)，確定所有應(yīng)用程序公共的類和對(duì)象 建立描述人們?cè)陬I(lǐng)域中所用概念的領(lǐng)域模型，提供二個(gè)文本： 領(lǐng)域規(guī)模能使開發(fā)者清楚地了解哪些需求在 領(lǐng)域范圍之內(nèi) 靜態(tài)模型確定領(lǐng)域中最重要的對(duì)象和類,二、面向?qū)ο蟮能浖蚣?3.框架的開發(fā)過程,需求捕獲和分析階段 目的 ：捕獲所有真實(shí)的需求，描繪出滿足這些需求的理想系統(tǒng)的輪廓 活動(dòng) ：捕獲和分析 產(chǎn)生 ： 需求模型規(guī)定了加在系統(tǒng)上的需求，提出對(duì)系統(tǒng)的約束或者是系統(tǒng)應(yīng)提供的服務(wù)，產(chǎn)生需求規(guī)范和用例（use case）模型 靜態(tài)對(duì)象模型由真實(shí)世界的抽象、高級(jí)抽象和這些對(duì)象之間關(guān)系組成 數(shù)據(jù)流模型 建立數(shù)據(jù)流圖,二、面向?qū)ο蟮能浖蚣?3.框架的開發(fā)過程,設(shè)計(jì)階段 分析模型是從概念角度來評(píng)述系統(tǒng)，不考慮實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的環(huán)境，用它作為編寫源代碼的基礎(chǔ)是不合適的，因而在分析階段之后，進(jìn)入設(shè)計(jì)階段，在設(shè)計(jì)階段中，為了給實(shí)現(xiàn)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，必須改進(jìn)對(duì)象，擴(kuò)展模型。 包括兩個(gè)子階段 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定義對(duì)象和它們的相互協(xié)作 詳細(xì)設(shè)計(jì)更詳細(xì)地描述類和它們的方法,二、面向?qū)ο蟮能浖蚣?3.框架的開發(fā)過程,實(shí)現(xiàn)階段 框架的實(shí)現(xiàn)是為框架重用者提供所要開發(fā)的應(yīng)用軟件公共部分 框架的實(shí)現(xiàn)是用執(zhí)行語言來確定和描述帶有屬性和方法的所有類，完成在設(shè)計(jì)階段中確認(rèn)的對(duì)象、關(guān)系和它們的互相合作 實(shí)現(xiàn)的輸入是類的詳細(xì)說明、它們的接口和由執(zhí)行語言體系所規(guī)定的外部定義。 實(shí)現(xiàn)過程中對(duì)每一個(gè)類進(jìn)行類外部接口和類內(nèi)部方法的實(shí)現(xiàn)兩步處理。 其輸出是一組已實(shí)現(xiàn)了的類的集合,二、面向?qū)ο蟮能浖蚣?3.框架的開發(fā)過程,驗(yàn)證和確認(rèn)階段 驗(yàn)證的目的是確定正在建立的系統(tǒng)能否滿足領(lǐng)域分析或分析階段中所提出的需求，驗(yàn)證是回答是否在正確地建立產(chǎn)品。 確認(rèn)的目的是檢驗(yàn)建立中的產(chǎn)品是否真正是所需要的產(chǎn)品，確認(rèn)是回答正在建立的產(chǎn)品是否適用。 這個(gè)階段的重要活動(dòng)就是測(cè)試，該活動(dòng)可分為單元測(cè)試、集成測(cè)試和回歸測(cè)試，同時(shí)還包括代碼檢驗(yàn)、評(píng)述和統(tǒng)計(jì)測(cè)試等 采用“用例（Use Case）”作為工具完成集成測(cè)試是一種很好的方法,二、面向?qū)ο蟮能浖蚣?框架的重用 一個(gè)框架的成熟還依賴于基于框架的開發(fā)應(yīng)用軟件的重用過程，在重用過程中，不斷發(fā)現(xiàn)框架不完善之處，對(duì)框架進(jìn)行改進(jìn)，產(chǎn)生新的框架版本。不斷重用不斷地更新，使框架在相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域中完善，同時(shí)也有可能延伸和擴(kuò)展它的應(yīng)用范圍。 框架可以看成是一種具有生產(chǎn)能力的軟件，建立框架的目的就是為了在給定領(lǐng)域中為開發(fā)大量應(yīng)用軟件提供基礎(chǔ)。,二、面向?qū)ο蟮能浖蚣?框架的重用 框架二種重用方法 結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)（或稱為集中于框架繼承）方法，這種方法主要是依靠繼承機(jī)制開發(fā)應(yīng)用軟件 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)（或稱為集中于框架組合）方法，這種方法是通過框架產(chǎn)生對(duì)象的實(shí)例，然后進(jìn)行組合來開發(fā)應(yīng)用軟件,二、面向?qū)ο蟮能浖蚣?傳統(tǒng)的應(yīng)用軟件與基于框架的應(yīng)用軟件開發(fā)過程,三、LAMOST中OCS軟件框架的開發(fā),LAMOST 及其OCS LAMOST是大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡的縮寫，一種大視場(chǎng)和大口徑兼?zhèn)涞姆瓷涫绞┟芴毓鈱W(xué)望遠(yuǎn)鏡，它的有效口徑為4米，視場(chǎng)為5度，能同時(shí)對(duì)4000個(gè)天體目標(biāo)進(jìn)行光譜觀測(cè)，在LAMOST建成之后數(shù)年內(nèi)，天文學(xué)家將利用LAMOST望遠(yuǎn)鏡對(duì)北天區(qū)的2萬平方度中的107個(gè)天體目標(biāo)進(jìn)行巡天光譜觀測(cè),三、LAMOST中OCS軟件框架的開發(fā) LAMOST 及其OCS,LAMOST望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)由望遠(yuǎn)鏡控制子系統(tǒng)（TCS）、焦面儀器控制子系統(tǒng)（ICS）、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)（DHS）、觀測(cè)戰(zhàn)略子系統(tǒng)（SSS）等多個(gè)復(fù)雜的子系統(tǒng)和觀測(cè)控制系統(tǒng)（OCS）組成，只有將各子系統(tǒng)有機(jī)地組織起來，協(xié)調(diào)一致地執(zhí)行觀測(cè)運(yùn)行，才能可靠和有效地完成LAMOST 的觀測(cè)任務(wù)。 OCS是一個(gè)高度自動(dòng)化的、復(fù)雜的巨型望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)， 它的主要任務(wù)是管理、協(xié)調(diào)和控制各子系統(tǒng)操作，使整個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)有條不紊地、按計(jì)劃、有步驟地進(jìn)行天文觀測(cè)。OCS將是一個(gè)通過子系統(tǒng)之間、運(yùn)行模塊之間的軟硬件接口構(gòu)成的多層次的、集中與分散相結(jié)合的觀測(cè)控制系統(tǒng) 。,LAMOST望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,三、LAMOST中OCS軟件框架的開發(fā),LAMOSTOCS的開發(fā) 采用面向?qū)ο罂蚣艿拈_發(fā)方法 實(shí)現(xiàn)OCS的概念模型 完成需求分析通過建立用例模型，捕獲和確定OCS的需求（迭代和漸增的） 建立OCS的分析模型通過設(shè)計(jì)OCS的對(duì)象圖及相應(yīng)交互視圖 建立OCS的設(shè)計(jì)模型通過設(shè)計(jì)OCS的類圖及相應(yīng)的交互視圖，狀態(tài)機(jī)視圖 完成實(shí)現(xiàn)模型和實(shí)施模型 通過建立實(shí)現(xiàn)視圖和實(shí)施視圖 完成測(cè)試模型,三、LAMOST中OCS軟件框架的開發(fā),OCS層次 OCSApp 公共部分 其他應(yīng)用,OCS層次,OCS設(shè)計(jì)步驟,設(shè)計(jì)OCSApp的基本構(gòu)架和功能，如訪問控制，應(yīng)用間的相互通訊，日志記錄等。 設(shè)計(jì)幾種OCS的典型應(yīng)用模塊（基于OCSApp）。在OCS中有三種典型的應(yīng)用模塊：GUI應(yīng)用/控制臺(tái)，可執(zhí)行腳本，中間件。 在1、2的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)OCS應(yīng)用，合成2種設(shè)計(jì)的模塊，增加該有的功能。如基于控制臺(tái)的觀測(cè)，有計(jì)劃的觀測(cè)等。,四、ROOT系統(tǒng)及其應(yīng)用介紹,ROOT系統(tǒng)概況 ROOT系統(tǒng)是基于面向?qū)ο缶幊田L(fēng)格的集數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)模擬為一體的一個(gè)基礎(chǔ)的框架體系。 ROOT系統(tǒng)具有面向?qū)ο缶幊痰乃刑卣?，用面向?qū)ο笳Z言C編寫，由包括310個(gè)類的24種框架集成而成，同時(shí)提供了與PAW和GEANT等已在高能物理界應(yīng)用多年的系統(tǒng)之間接口，可以很方便把原系統(tǒng)中信息轉(zhuǎn)換到ROOT系統(tǒng)中來進(jìn)行處理和操作。 ROOT系統(tǒng)為事例產(chǎn)生、事例重建、探測(cè)器模擬、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)獲取提供一組公共的工具和特性 上世紀(jì)九十年代中葉開始，以NA49實(shí)驗(yàn)面對(duì)大數(shù)據(jù)量（PB量級(jí))和復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為背景開發(fā)的。,ROOT為基礎(chǔ)的框架體系,四、ROOT系統(tǒng)及其應(yīng)用介紹,ROOT系統(tǒng)的主要構(gòu)件（components）有： 層次式面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫 C+解釋器 先進(jìn)的統(tǒng)計(jì)分析工具 可視化工具 一組豐富的有完全清楚定義的I/O的容器類 一組數(shù)量很大的GUI類 自動(dòng)建立HTML文檔設(shè)施 運(yùn)行時(shí)刻對(duì)象檢查能力的設(shè)施 客戶/服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)連接類 支持共享存貯器設(shè)施 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫存取機(jī)制 在UNIX、LINUX和 WINDOWS等操作系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行機(jī)制 等,The ROOT System,四、ROOT系統(tǒng)及其應(yīng)用介紹,ROOT系統(tǒng)發(fā)展概況 ROOT系統(tǒng)最早在CERN重離子實(shí)驗(yàn)NA49中開始建立數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，短短六年期間ROOT系統(tǒng)從0.50版本，經(jīng)過多次更新，目前已推出了3.09版本 從1999年以來，每年舉行一次ROOT國際學(xué)術(shù)會(huì)議，今年10月14日16日在CERN舉行了第四屆ROOT國際會(huì)議，在這次會(huì)議有43篇專題報(bào)告。 其應(yīng)用范圍從數(shù)據(jù)分析拓展到數(shù)據(jù)獲取在線監(jiān)測(cè)、物理和探測(cè)器模擬、事例和數(shù)據(jù)文檔的建立以及數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)中數(shù)據(jù)流的控制等 ；幾乎國際上高能粒子物理實(shí)驗(yàn)和核物理實(shí)驗(yàn)組都在不同程度上應(yīng)用了ROOT系統(tǒng)，它逐步而且必將成為高能粒子物理和核物理研究中軟件主流框架體系。 ROOT系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)拓展到其他物理研究中，甚至也引起非科研領(lǐng)域的興趣。,四、ROOT系統(tǒng)及其應(yīng)用介紹,ROOT系統(tǒng)在慣性約束聚變（ICF）研究中應(yīng)用 以強(qiáng)激光為驅(qū)動(dòng)器的慣性約束聚變（ICF）研究目前已經(jīng)成為當(dāng)今世界上最重要的前沿科學(xué)研究領(lǐng)域之一，ICF研究的對(duì)象是激光打靶產(chǎn)生的高溫高密度等離子體，ICF實(shí)驗(yàn)診斷的目的之一是通過測(cè)量等離子體的狀態(tài)，來揭示靶等離子體的特征和行為，進(jìn)而獲得驅(qū)動(dòng)器-靶最佳耦合設(shè)計(jì)的依據(jù)和選擇實(shí)現(xiàn)熱核點(diǎn)火與自持燃燒的最佳途徑。 由于等離子體現(xiàn)象的復(fù)雜性，獲得正確的測(cè)試結(jié)果必須由理論分析、數(shù)值模擬和診斷技術(shù)的緊密結(jié)合來保證。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)是ICF實(shí)驗(yàn)診斷研究重要組成部分，我們應(yīng)用ROOT框架系統(tǒng)開發(fā)了ICF診斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)處理類庫和一系列數(shù)據(jù)處理應(yīng)用軟件組成。,ICF診斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)類庫和應(yīng)用程序結(jié)構(gòu),四、ROOT系統(tǒng)及其應(yīng)用介紹 4.ROOT系統(tǒng)在ICF研究中應(yīng)用,四個(gè)層次，按照豎虛線分割的區(qū)域看 最左邊的一列是基礎(chǔ)類。其中主要部分是ROOT基礎(chǔ)類，整個(gè)ICF數(shù)據(jù)處理類庫都是建立在ROOT提供的框架和系統(tǒng)資源之上的。數(shù)學(xué)處理擴(kuò)充類實(shí)現(xiàn)ROOT沒有提供的部分資源；ICF圖象處理基礎(chǔ)類是通過對(duì)ROOT圖象處理類繼承和擴(kuò)充得到的；靶參數(shù)和激光參數(shù)管理類放入基礎(chǔ)類中。 緊接著的一列是ICF數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)類，由單探