基于搜索的软件设计方法实验教学探索

曾国荪, 丁春玲(同济大学 .电子与信息工程学院；.化学科学与工程学院，上海，200092)

0 引 言

“软件工程”是计算机专业的骨干课程，是应用计算机科学、数学及管理科学等进行软件开发的工程科学，强调思想性、方法论、标准化、实践观为一体。软件工程课程旨在使学生掌握软件项目开发和维护的一般过程，掌握软件开发的传统方法和最新技术，为今后就业打下良好基础，培养高素质人才[1-4]。软件工程是计算机专业的一门必修课程，早在1991年，IEEE-CS/ACM联合工作组就将“软件工程”列为计算机学科的9个知识领域之一。软件工程是一门实践性很强的综合性课程，其他计算机课程，如程序设计语言、数据库、操作系统等都是软件工程的先导课程。在软件开发的各个阶段都会用到有关的知识，可以说软件工程课程与先导课程是相互作用和影响的，并对这些课程起到重要的支撑和引领作用[5-7]。

程序设计方法是软件工程课程主讲的内容。软件工程课程主要内容包括软件工程概述、软件过程模型、软件设计方法、软件项目管理等[8-10]，其中软件设计方法又包含问题定义、可行性分析、需求分析、总体和详细设计、编码测试、软件维护等知识，可见程序设计方法是课程的重点。计算机发展至今，先后出现了面向机器的程序设计、面向过程的程序设计、面向对象的程序设计、面向构件的程序设计、面向方面的程序设计等方法[11]。上述程序设计方法各有特色，理念不同、关注点不一样、也都存在缺陷。随着信息新技术的出现，网络搜索成为一种习惯，有必要讲解基于搜索的程序设计方法。

程序编码效率是软件项目开发的生命。软件项目通常规模大，程序复杂性高，如何在预定时间和预算内完成开发，是项目成败的关键。但是，软件开发效率很低，既跟不上硬件的发展速度，也落后用户的期待。为了解决上述问题，可从程序编码效率上寻求突破。据统计，程序编码在整个软件生命周期中，占据了高达37%的时间成本和40%的人力成本，因而编码效率直接影响着软件的生产率，提高程序编码效率可以大幅度缩短软件项目的开发时间。

开源代码复用是提高软件开发效率的重要手段。软件复用包括知识方法复用、代码复用、标准和文档资料复用等。其中开源代码复用是最有效的形式，开源代码可以来自代码托管平台和开源社区等场所。进行代码复用的好处很多，在应用系统开发中可以充分利用已有的开发成果，消除包括分析、设计、编码、测试等在内的许多重复劳动。程序员使用一个可复用库，其中的源代码和功能都是他们所需要和熟知的。从长远角度讲，有利于明确人员分工和个人的经验积累。代码复用技术还有利于减少培训开销，即雇员在熟悉任务时所需的非正式的开销。软件复用技术的另一个好处在于对快速原型的支持，即可以快速构造软件系统可操作的模型，大大提高项目的开发效率[12-13]。

复用代码依赖精准搜索引擎查找。据统计，SearchCode开源库拥有超过500万个开源项目、180亿行开源代码。为了发现需要的源代码，程序员平均需花费19%的编程时间搜索代码。目前搜索途径大都采用“基于关键词的搜索”，虽然能够搜索所需要的源代码，但是返回结果太多，很难获取真正想要的源代码。因此，本项目进一步探索精准搜索开源代码的新方法。事实上，程序代码之所以能够被计算机编译，必须满足一些规则和要求。例如，代码的语法和语义信息就是可以被利用开展搜索的信息，通过这两方面的信息，可以唯一确定所需的源代码，从而可以设计基于语法和语义结合的精准搜索引擎。

基于智能搜索的程序设计方法呼之欲出。据统计，新软件项目中，约80%的源代码都可在以前的软件项目中找到，并进行复用。因此，应该站在巨人的肩膀上，在程序设计时尽量利用已有的源代码。目前传统的程序设计方法，能够利用同一项目中已经存在的函数、类、构件、库文件等，进行内部调用，但是如果超出了项目的范围，代码则不能复用。此时就需要智能搜索，除了提供快速检索、相关度排序等功能，还能提供用户输入内容的语义理解、智能信息过滤和主动推荐源代码等功能[14]。

在智能搜索的基础上，呼吁一种新的程序设计方法，即一种“基于搜索的程序设计方法”，从程序设计哲学思想、逻辑理念、方法技术、过程实现等方法改善传统程序设计方法，其根本目的是提高软件开发效率。

1 各种程序设计方法演进和比较

纵观软件技术发展历史，程序设计方法从面向机器、面向过程、面向对象，发展到面向组件、面向agent，面向服务等多种方法。针对程序设计方法的哲学思想、关注点、驱动力、逻辑、特色、不足等，可用图1所示进行比较。

2 基于开源搜索编程的新方法

随着互联网技术的飞速发展和源码开放运动的兴起，网络上越来越多的优秀的开源代码可以被人们下载学习和使用。以目前最大的开源社区sourceforge.net为例，该社区共享了179 518个开源工程拥有200万的注册用户，以及数量更为庞大的匿名用户群[5]，其中不乏优秀代码片段。假如能够开发一套先进的开源代码搜索系统，能够根据开发者的搜索需求，精确返回可信的代码以供选择，制作成模板或者库函文件，通过继承(extends)和实现(implements)等手段实现重用。那么在大规模的程序开发中，将大大降低人员的学习成本和劳动成本，编程的效率必将大幅提高。

目前，基于“搜索”的编程方法，最初级的阶段是利用通用搜索引擎来实现。程序设计过程中，当需要实现一个模块的某个功能时，程序员往往希望尽量利用现存的方案，因此需要通过一些搜索渠道查找相关信息，例如百度等通用搜索引擎。由于返回的结果通常是一段或多段源代码，因此这种也被称为“源代码级”的搜索。这种传统的搜索方法明显存在两个严重的不足：①存在大量无关信息的干扰。当搜索引擎返回程序设计方面的结果的同时，难以避免地也会夹杂着一些无关信息，要想得到准确和期望的结果，必须掌握一定的搜索技巧，这无疑给原本单纯的操作增加了障碍。②可信度无法判断。通用搜索引擎的输出结果排序完全取决于通用的排序算法，程序员通常不能在第一时间确定与搜索请求最相符的代码，且代码的质量无从判断，利用这种开放代码编写的软件存在缺陷的可能性非常高。为此，软件开发者需要建立一套更为合理的“基于搜索的编程方法”，提供更专业、高效、多样的搜索功能。根据不同的代码重用需求，提供不同粒度的搜索支持。其中最大粒度的是软件开发的整个架构，尽管软件的功能不尽相同，但是其运行都可以依托于近乎相似的架构，例如“LAMP”的网站架构、TCP/IP 网络协议模型等都可以作为程序开发的参考。中等粒度的是功能模块的搜索，此时的搜索对象大多为构件，这是一种可单独生产、获取、部署的二进制单元，依靠.NET、EJB等框架，它们之间可以互相作用构成一个软件功能系统。最小粒度也是目前最为常用的是源代码的搜索。

图1 程序设计方法演进图

为了迎合程序员的编程习惯，接近企业软件开发实际情况，构建一种支持“即时编程录入，即时代码搜索”的程序设计支撑系统。当程序员编程输入代码时，根据输入预测所需代码，将结果返回到编程界面，程序员可以即时选择使用，并且在编程结束后，对这次匹配进行是否正确的反馈，方便提高今后的匹配准确率。通过这种方法达到共享开源代码的目的，整个过程无需主动搜索，是一种友好快速高效的编程环境，是一种新的编程方法的实践和体验。

3 实验教学建设过程

为了让软件工程课程的教学内容追赶最新的软件技术，让专业学生在实验室中体验最新的软件设计方法，我们开展了基于搜索编程的实验教学建设，同时得到学校实验室与设备管理处的大力支持。主要工作内容如下：

(1) 海量开源代码库的构建。基于搜索编程首先需要源代码库，否则是无米之炊。代码库的构建主要有3个任务：①源代码爬取操作：确定爬取场所为开源代码搜索引擎，例如searchcode，爬取对象为C语言源代码。为了提高效率，采用多台电脑分布式协作，多线程并行抓取。②源代码数据存储操作：采用分布式文件系统HDFS方式，存储对象是以函数为粒度的源代码文件，每个文件只保存一个函数体。③源代码库索引建立操作：利用Lucerne建立倒排索引，源代码属性值除了代码中的关键字外，还包括为了精准搜索的语法和语义信息，将一个Document与一个物理源代码文件相对应。通过构建本地源代码库，为基于搜索的程序设计方法提供了搜索数据源的支持。

(2) 精准代码搜索引擎设计和开发。源代码的搜索主要有两个目标，找全，找准。传统的基于关键词搜索能够满足一定的要求，但难达到精准匹配的效果。因此，本项目设计“基于语法和语义的新型源代码搜索引擎”，旨在找全找准两个目标上有所提高。在语法方面，利用“程序流程图”进行搜索，流程图主要通过三种基本结构(顺序、分支、循环)反映程序的执行顺序和过程。用户在搜索时，可以根据经验预设程序中包括多少循环，多少分支，提高搜索的精度。在语义方面，利用“输入/输出”进行搜索，用户提交对输入/输出变量的数目和类型描述，得到所有符合要求的结果。因此，充分利用语法和语义结合进行搜索和匹配，可以提高搜索的精准度。

(3) 校园网站实验平台构建。本实验环境的特色和用意是实践和锻炼一种新的程序设计方法，新的知识点用传统的软件工程实验教学环境无法支持，不能满足这个目的要求，也无法从现有公司或企业买来产品来帮助本实验的开展。因此，只能通过自主开发和构建新的实验平台。同时，考虑到软件工程课程实验学时少，不能增加课堂授课时间，计算机专业学生学习比较自由自助自主，不需要提供固定的时间和固定的场所，激发学生对新技术的兴趣以及创新意识等，利用校园Internet网，进行开放性实验室的建设。组织研究生采用Java技术设计网站，根据实验任务构建实验平台，例如http://10.60.138.179:8080/SearchEngine/，该网站在我校校园内均可访问，学生可以随时随地随意进行实验。

(4) 代码复用搜索实验内容设计。实验内容建设遵循与理论紧密结合的原则，做到有针对性、层次性、可操作性、趣味性和适当难度性。保证学生都能完成实验而促进学生学习信心的建立；精心设计每部分的上网实验题目，适当限定查找设计范围，为学生指明一条捷径，避免学生无所适从，调动学生的积极性和学习热情；体现寓教于乐，兴趣驱动，使每个学生都有满足感，充分调动学习的主动性和创造性，施展学生的才华，逐渐对课程产生兴趣，大大提高学生的设计欲望和创新动力。另外，适当地附加难度，激发优秀学生进一步钻研的斗志。为此，选择几个代码复用搜索的题目：①快速排序源代码搜索，②求解线性方程组源代码搜索，③求图中两点间最短路径源代码搜索，④根据兴趣学生自选源代码搜索。

(5) 实验操作手册编写。由于是一个全新的网络教育实验环境，操作手册的编制是为了让学生了解和熟悉本次实验的方法、目的、内容、过程等，具体的操作细节包括：注册登录、源代码搜索、代码分类浏览、代码抓取、用户满意度评价、后台管理等。为了使系统功能划分明确，系统运行稳健，将用户分为学生、老师、管理员等，各自具有相应操作分类和权限。

(6) 实验教学效果网络自动评价机制。“学习-实践-反馈”是学生掌握知识、提高能力的一般过程，故应十分重视实验效果反馈评价。为了避免传统考评机制的缺陷，杜绝实验中的克隆现象，做到公正、公平、合理、科学，本实验环境特别设置两个手段进行网络自动考评，①开辟一个用户满意度窗口，学生用户随时可以录入实验感受、问题、意见等，老师用户随时可以进行相应点评交流。②根据学生实验过程中，针对要求的实验内容，即复用搜索源代码的精准度给予学生掌握知识、实验效果好坏的评价，精准越高，成绩越高。上述评价过程完全是网络自动进行的，不掺杂指导老师的任何主观意见。

4 结 语

在人工智能时代，利用前人的智慧开发软件，复用源代码，是一种高效的编程方法。为了将最新的程序设计方法引入到软件工程课程教学中，构建了基于搜

索编程的实验教学环境，提供给学生自由、自助、自主开展教学实验，学生感受新鲜，教学效果良好,为大学专业教学进行了一次大胆改革和有益尝试。

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