Geant4 的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程

Gabriele Cosmo（歐洲核子研究中心，瑞士日內(nèi)瓦）用于 Geant4 協(xié)作。

摘要：

自其最早的研發(fā) ［1］ 以來(lái)，Geant4 仿真工具包已經(jīng)遵循決定項(xiàng)目整體發(fā)展的軟件過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。所涉及軟件的復(fù)雜性包括，軟件產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用領(lǐng)域、龐大的代碼量和類(lèi)別的復(fù)雜性、規(guī)模和分布式性質(zhì)合作本身的所有要素都涉及并關(guān)聯(lián)了廣泛的各種軟件過(guò)程。

雖然在“生產(chǎn)”中并從1998 年 12 月向公眾開(kāi)放，Geant4 軟件產(chǎn)品 ［2］ 包括所應(yīng)用的類(lèi)別領(lǐng)域，它們?nèi)栽诜e極開(kāi)發(fā)中。因此，關(guān)于改進(jìn)開(kāi)發(fā)周期、系統(tǒng)測(cè)試和用戶支持，他們也需要不同的對(duì)待。這篇文章是旨在描述一些在 Geant4 中應(yīng)用的軟件過(guò)程，涵蓋了軟件的開(kāi)發(fā)、測(cè)試和維護(hù)。關(guān)鍵詞：Geant4、PSS-05、SPICE、Booch、UML

簡(jiǎn)介（Introduction）：

許多軟件過(guò)程在 Geant4 中得到解決，這些過(guò)程來(lái)自不同的過(guò)程類(lèi)別：

軟件開(kāi)發(fā)的主要生命周期

支持生命周期

管理過(guò)程

或組織生命周期

和用戶-供應(yīng)商流程。

由于質(zhì)量、穩(wěn)定性要求或特定領(lǐng)域的進(jìn)化階段，或者為了使過(guò)程適應(yīng)人們的習(xí)慣，有時(shí)需要定制流程。 軟件過(guò)程改進(jìn) （SPI，Software Process Improvement ） 是一個(gè)必須在有關(guān)各方的全力支持下逐步實(shí)施，并確定正確的優(yōu)先事項(xiàng)和目標(biāo) ［8］的過(guò)程。 在本文中我們將提到一組與 Geant4 相關(guān)的軟件流程； 大多數(shù)相關(guān)的程序和應(yīng)用方法是在項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)階段已經(jīng)有效實(shí)施［1］。

主生命周期過(guò)程（Primary life-cycle processes）

Geant4 中大多數(shù)領(lǐng)域采用的生命周期模型是迭代和增量的（也稱(chēng)為螺旋方法）［9］。 需求分析、設(shè)計(jì)、實(shí)施和測(cè)試之間的步驟是重復(fù)的。根據(jù)新要求或性能問(wèn)題，對(duì)設(shè)計(jì)的改進(jìn)和擴(kuò)展。 在目前的生產(chǎn)和維護(hù)階段，生命周期模型對(duì)大多數(shù)領(lǐng)域都是迭代的。

需求獲取過(guò)程（Requirements elicitation process）

在項(xiàng)目的初始階段，領(lǐng)域問(wèn)題和用例分析導(dǎo)致了用戶需求的引出 ［10］。用戶需求已系統(tǒng)化地按照 ESA PSS-05 軟件工程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行審查和更新 ［11］。 用戶需求文檔 （URD） 現(xiàn)在保存在源代碼存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)中，能進(jìn)行自動(dòng)版本控制； 它將在 2001 年進(jìn)行修訂。特定項(xiàng)目領(lǐng)域的 URD 也在存儲(chǔ)庫(kù)中保存和維護(hù)，并且對(duì)協(xié)作組成員可用。

軟件設(shè)計(jì)（Software Design）

Booch （Unified） ［9］ 方法已被用于面向?qū)ο蟮姆治?和軟件的設(shè)計(jì)。 Booch/UML 表示法被選為通用的設(shè)計(jì)文檔和內(nèi)部設(shè)計(jì)審查的語(yǔ)言。 Rational RoseCASE 工具 ［12］ 已廣泛用于設(shè)計(jì)文檔的初始生成。并在需要時(shí)用于逆向工程。 正確的域分解和一組經(jīng)過(guò)深思熟慮的依賴(lài)關(guān)系（避免循環(huán)使用關(guān)系），允許工作在每個(gè)類(lèi)別域相關(guān)聯(lián)的組在很大程度上并行工作，同時(shí)建立交付的層次結(jié)構(gòu)。 為架構(gòu)和詳細(xì)設(shè)計(jì)提供的標(biāo)準(zhǔn)文件有：類(lèi)類(lèi)別圖（Category Diagram）、類(lèi)圖（Class Diagrams）、場(chǎng)景圖（Scenario Diagrams ）和類(lèi)規(guī)格（Class Specifications）。

軟件創(chuàng)建（Software Construction）

從一開(kāi)始就采用了編程和編碼指南 ［13］。 感覺(jué)是——重要的是不要強(qiáng)加太固定的規(guī)則或風(fēng)格慣例，而只是靈活和足夠的指導(dǎo)方針，基本上能處理面向?qū)ο蠓妒降恼掣剑〝?shù)據(jù)隱藏，封裝等）、軟件的性能和可移植性。軟件的打包嚴(yán)格按照領(lǐng)域分解為類(lèi)別和子類(lèi)別，這是設(shè)計(jì)過(guò)程的結(jié)果。 在適用的情況下，定義接口的類(lèi)與實(shí)現(xiàn)此類(lèi)的具體類(lèi)分開(kāi)打包在子類(lèi)別接口中。 通過(guò)這種方式，屬于一個(gè)類(lèi)別的類(lèi)協(xié)作以可重用的方式提供一組服務(wù)。

軟件集成和單元測(cè)試（Software Integration and Unit Testing）

可以一起測(cè)試的系統(tǒng)聚合體根據(jù)依賴(lài)關(guān)系確定類(lèi)別的結(jié)構(gòu)。 作為例行程序的一部分，定期監(jiān)測(cè)相關(guān)測(cè)試測(cè)試程序［17］。 單元測(cè)試在每個(gè)類(lèi)別或子類(lèi)別獨(dú)立執(zhí)行，盡量最大化覆蓋范圍。

系統(tǒng)測(cè)試、驗(yàn)收和發(fā)布（System Testing， Acceptance and Releasing）

系統(tǒng)測(cè)試活動(dòng)由專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)部署，系統(tǒng)測(cè)試團(tuán)隊(duì)（STT）。 測(cè)試 ［17］ 和發(fā)布 ［18］ 的程序被定義并嚴(yán)格應(yīng)用。發(fā)布程序預(yù)見(jiàn)到各種類(lèi)別的標(biāo)簽提交順序遵循每個(gè)類(lèi)別領(lǐng)域的類(lèi)圖（Class Diagrams）定義的依賴(lài)結(jié)構(gòu)圖表。 驗(yàn)收測(cè)試也包含在常規(guī)系統(tǒng)測(cè)試中并在發(fā)布階段由發(fā)布經(jīng)理單獨(dú)運(yùn)行。 公開(kāi)發(fā)布每年在固定日期安排兩次。 收集并定期進(jìn)行錯(cuò)誤修復(fù)可作為公共補(bǔ)丁或次要版本使用。

軟件維護(hù)（Software Maintenance）

為了實(shí)現(xiàn)軟件的可維護(hù)性并保證其質(zhì)量，在可能的情況下，都采用標(biāo)準(zhǔn)。 組件的封裝最大化，相互依賴(lài)性和單元復(fù)雜性被最小化。 我們努力確保軟件的可移植性主要是通過(guò)不斷監(jiān)控編譯器在不同系統(tǒng)架構(gòu)上的演變來(lái)實(shí)現(xiàn)，并避免采用依賴(lài)于系統(tǒng)的解決方案或不可移植的語(yǔ)言特征。 代碼的更新、擴(kuò)展和錯(cuò)誤修復(fù)的可追溯性通過(guò)以下方式得到保證。維護(hù)臨時(shí)歷史文件的方法，定期標(biāo)記代碼并嘗試將常規(guī)開(kāi)發(fā)與錯(cuò)誤修復(fù)更新分開(kāi) ［18］。

用戶支持，分發(fā)（User Support， Distribution）

Geant4 中的用戶支持條款在備忘錄的諒解 （MoU） ［3］ 文件第 2 條中定義。每個(gè)工作組的聯(lián)系人是提名的，負(fù)責(zé)管理和解決報(bào)告用戶通過(guò) WWW 使用 Geant4 問(wèn)題跟蹤系統(tǒng) ［24］提交的問(wèn)題，問(wèn)題跟蹤系統(tǒng)是基于 Bugzilla ［26］ 的定制版本。 Geant4 WWW 站點(diǎn) ［2］ 還提供在線文檔、常見(jiàn)問(wèn)題解答頁(yè)面和每個(gè)工作組域的聯(lián)系人列表。 最近建立了一個(gè)基于 Hypernews ［25］ 的公共用戶論壇。

支持生命周期過(guò)程（Supporting life-cycle processes）

文檔（Documentation）

作為用戶文檔 ［19］，Geant4 提供了六個(gè)文檔（可從WWW） 解決固有的不同主題和專(zhuān)業(yè)知識(shí)水平的問(wèn)題。用戶示例隨工具包分發(fā)的文檔以自學(xué)教程的形式引用，具有從“新手”到“高級(jí)”應(yīng)用程序的不同詳細(xì)程度。 訓(xùn)練套件教程、文檔、論文、出版物等也可從Geant4 WWW 站點(diǎn) ［2］獲得。

配置和變更管理（Configuration and Change Management）

軟件配置管理：軟件和文檔的服務(wù)器存儲(chǔ)庫(kù)已就位； 它基于 CVS ［20］ 作為并發(fā)版本管理的基本工具。 存儲(chǔ)庫(kù)中的代碼和文檔可供通過(guò)歐洲核子研究中心的成員通過(guò) AFS ［21］ 以及“pserver”讀/寫(xiě)訪問(wèn)。

標(biāo)記和版本控制：類(lèi)別工作組協(xié)調(diào)員負(fù)責(zé)管理其類(lèi)別內(nèi)的開(kāi)發(fā)并提供遵循明確規(guī)定的規(guī)則 ［18］的標(biāo)簽，用于測(cè)試和發(fā)布。然后 STT 將運(yùn)行系統(tǒng)支持的架構(gòu)的測(cè)試。 Bonsai ［26］ 工具用作數(shù)據(jù)庫(kù)以自動(dòng)檢測(cè)引入 CVS 的任何新標(biāo)簽。 全局引用標(biāo)記是每月提供，包括所有通過(guò)系統(tǒng)驗(yàn)證測(cè)試的標(biāo)簽。 這標(biāo)簽已公布并提供給開(kāi)發(fā)人員和合作機(jī)構(gòu)繼續(xù)開(kāi)發(fā)。 用戶文檔根據(jù)公開(kāi)發(fā)行版本進(jìn)行標(biāo)記。

質(zhì)量保證和測(cè)量（Quality Assurance and Measurement）

通過(guò)專(zhuān)門(mén)的監(jiān)控工具定期執(zhí)行代碼演練，監(jiān)控違反既定的編碼規(guī)則。使用了 CodeWizard 工具 ［14］； 一個(gè)單元類(lèi)別提交代碼過(guò)濾的自動(dòng)機(jī)制已被引入，可供 Geant4 開(kāi)發(fā)人員使用。 檢查運(yùn)行時(shí)內(nèi)存管理在每次公開(kāi)發(fā)行前定期進(jìn)行； Insure++ ［15］ 和 SUN Workshop 等工具［16］ 用于選定的試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用程序。定期執(zhí)行 檢查是否違反宏觀層面的類(lèi)別依賴(lài)結(jié)構(gòu)，并在與主類(lèi) Category Diagram 的 相關(guān)性被監(jiān)控。 性能監(jiān)控在選定的測(cè)試臺(tái)應(yīng)用程序上應(yīng)用在其中性能很關(guān)鍵的單元級(jí)別的類(lèi)別上加以應(yīng)用。

雙V驗(yàn)證（Verification and Validation）

在宏觀層面，根據(jù)主類(lèi)驗(yàn)證 Categories 的依賴(lài)結(jié)構(gòu)分類(lèi)圖作為參考。 驗(yàn)證工具包在 URD ［10］ 的每個(gè)新修訂版中的一般功能。 功能和覆蓋范圍的單元級(jí)別驗(yàn)證以及單元測(cè)試和驗(yàn)證新的開(kāi)發(fā)或修復(fù)由每個(gè)類(lèi)別協(xié)調(diào)員負(fù)責(zé)。 一旦所有系統(tǒng)集成測(cè)試都成功執(zhí)行，新開(kāi)發(fā)由 STT 驗(yàn)證，前提是，在與類(lèi)別協(xié)調(diào)員合作，系統(tǒng)測(cè)試已擴(kuò)展到涵蓋新引入的功能。

補(bǔ)充雙V

雙V是系統(tǒng)工程最核心的思想，這種思想也可以用來(lái)解釋我們?nèi)粘Ｉ钪忻鎸?duì)的各種各樣的事情。

簡(jiǎn)單的說(shuō)：Verification，中文翻譯叫“驗(yàn)證”，就是把事情做對(duì)（do things right）；Validation，中文翻譯叫“確認(rèn)”，就是做對(duì)的事情（do right things）

提供一副簡(jiǎn)圖，供大家揣摩其中的奧秘

組織生命周期流程

項(xiàng)目任務(wù)管理

項(xiàng)目的管理在指定的 Geant4 Collaboration 的控制之下并在 Geant4 補(bǔ)充備忘錄 ［3］ 中有所規(guī)定。 Geant 4 通過(guò)工作組組織起來(lái)； 每個(gè)工作組負(fù)責(zé)工具包的一個(gè)特定領(lǐng)域，其中明確指定的任務(wù)與其相關(guān)聯(lián)。 每個(gè)工作組在TSB都由其協(xié)調(diào)員代表。 每年都會(huì)確定目標(biāo)，并在 TSB 會(huì)議內(nèi)進(jìn)行討論并提交給 CB。 在 TSB 會(huì)議期間對(duì)它們進(jìn)行一般性審查，聯(lián)合審查或在每年組織一次的合作研討會(huì)上進(jìn)行。

改進(jìn)過(guò)程

SPI ［4］ 計(jì)劃在 TSB 會(huì)議上正式提出并被批準(zhǔn)為2000-2001 年的里程碑。 確定了優(yōu)先事項(xiàng)和目標(biāo)并批準(zhǔn)了目前正在申請(qǐng)SPI程序。基于范例的正式評(píng)估執(zhí)行模型 ISO-15504 （SPICE） ［6］。 SPI 被認(rèn)為是生命周期驅(qū)動(dòng)的，因此既定方案的進(jìn)展不斷得到監(jiān)測(cè)。 達(dá)到項(xiàng)目中既定流程 ［5］ 的能力級(jí)別是 Geant4 的關(guān)鍵目標(biāo)。

編輯：jq