Geant4 的軟件開發(fā)過程

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，Geant4 仿真工具包已經(jīng)遵循決定項目整體發(fā)展的軟件過程標準進行開發(fā)。所涉及軟件的復雜性包括，軟件產(chǎn)品的廣泛應用領(lǐng)域、龐大的代碼量和類別的復雜性、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程。

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

簡介（Introduction）：

許多軟件過程在 Geant4 中得到解決，這些過程來自不同的過程類別：

軟件開發(fā)的主要生命周期

支持生命周期

管理過程

或組織生命周期

和用戶-供應商流程。

由于質(zhì)量、穩(wěn)定性要求或特定領(lǐng)域的進化階段，或者為了使過程適應人們的習慣，有時需要定制流程。 軟件過程改進 （SPI，Software Process Improvement ） 是一個必須在有關(guān)各方的全力支持下逐步實施，并確定正確的優(yōu)先事項和目標 ［8］的過程。 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)的程序和應用方法是在項目的開發(fā)階段已經(jīng)有效實施［1］。

主生命周期過程（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（也稱為螺旋方法）［9］。 需求分析、設(shè)計、實施和測試之間的步驟是重復的。根據(jù)新要求或性能問題，對設(shè)計的改進和擴展。 在目前的生產(chǎn)和維護階段，生命周期模型對大多數(shù)領(lǐng)域都是迭代的。

需求獲取過程（Requirements elicitation process）

在項目的初始階段，領(lǐng)域問題和用例分析導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 軟件工程標準進行審查和更新 ［11］。 用戶需求文檔 （URD） 現(xiàn)在保存在源代碼存儲倉庫中，能進行自動版本控制； 它將在 2001 年進行修訂。特定項目領(lǐng)域的 URD 也在存儲庫中保存和維護，并且對協(xié)作組成員可用。

軟件設(shè)計（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。 Booch/UML 表示法被選為通用的設(shè)計文檔和內(nèi)部設(shè)計審查的語言。 Rational RoseCASE 工具 ［12］ 已廣泛用于設(shè)計文檔的初始生成。并在需要時用于逆向工程。 正確的域分解和一組經(jīng)過深思熟慮的依賴關(guān)系（避免循環(huán)使用關(guān)系），允許工作在每個類別域相關(guān)聯(lián)的組在很大程度上并行工作，同時建立交付的層次結(jié)構(gòu)。 為架構(gòu)和詳細設(shè)計提供的標準文件有：類類別圖（Category Diagram）、類圖（Class Diagrams）、場景圖（Scenario Diagrams ）和類規(guī)格（Class Specifications）。

軟件創(chuàng)建（Software Construction）

從一開始就采用了編程和編碼指南 ［13］。 感覺是——重要的是不要強加太固定的規(guī)則或風格慣例，而只是靈活和足夠的指導方針，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。軟件的打包嚴格按照領(lǐng)域分解為類別和子類別，這是設(shè)計過程的結(jié)果。 在適用的情況下，定義接口的類與實現(xiàn)此類的具體類分開打包在子類別接口中。 通過這種方式，屬于一個類別的類協(xié)作以可重用的方式提供一組服務。

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

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

系統(tǒng)測試、驗收和發(fā)布（System Testing， Acceptance and Releasing）

系統(tǒng)測試活動由專業(yè)團隊部署，系統(tǒng)測試團隊（STT）。 測試 ［17］ 和發(fā)布 ［18］ 的程序被定義并嚴格應用。發(fā)布程序預見到各種類別的標簽提交順序遵循每個類別領(lǐng)域的類圖（Class Diagrams）定義的依賴結(jié)構(gòu)圖表。 驗收測試也包含在常規(guī)系統(tǒng)測試中并在發(fā)布階段由發(fā)布經(jīng)理單獨運行。 公開發(fā)布每年在固定日期安排兩次。 收集并定期進行錯誤修復可作為公共補丁或次要版本使用。

軟件維護（Software Maintenance）

為了實現(xiàn)軟件的可維護性并保證其質(zhì)量，在可能的情況下，都采用標準。 組件的封裝最大化，相互依賴性和單元復雜性被最小化。 我們努力確保軟件的可移植性主要是通過不斷監(jiān)控編譯器在不同系統(tǒng)架構(gòu)上的演變來實現(xiàn)，并避免采用依賴于系統(tǒng)的解決方案或不可移植的語言特征。 代碼的更新、擴展和錯誤修復的可追溯性通過以下方式得到保證。維護臨時歷史文件的方法，定期標記代碼并嘗試將常規(guī)開發(fā)與錯誤修復更新分開 ［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。每個工作組的聯(lián)系人是提名的，負責管理和解決報告用戶通過 WWW 使用 Geant4 問題跟蹤系統(tǒng) ［24］提交的問題，問題跟蹤系統(tǒng)是基于 Bugzilla ［26］ 的定制版本。 Geant4 WWW 站點 ［2］ 還提供在線文檔、常見問題解答頁面和每個工作組域的聯(lián)系人列表。 最近建立了一個基于 Hypernews ［25］ 的公共用戶論壇。

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

文檔（Documentation）

作為用戶文檔 ［19］，Geant4 提供了六個文檔（可從WWW） 解決固有的不同主題和專業(yè)知識水平的問題。用戶示例隨工具包分發(fā)的文檔以自學教程的形式引用，具有從“新手”到“高級”應用程序的不同詳細程度。 訓練套件教程、文檔、論文、出版物等也可從Geant4 WWW 站點 ［2］獲得。

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

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

標記和版本控制：類別工作組協(xié)調(diào)員負責管理其類別內(nèi)的開發(fā)并提供遵循明確規(guī)定的規(guī)則 ［18］的標簽，用于測試和發(fā)布。然后 STT 將運行系統(tǒng)支持的架構(gòu)的測試。 Bonsai ［26］ 工具用作數(shù)據(jù)庫以自動檢測引入 CVS 的任何新標簽。 全局引用標記是每月提供，包括所有通過系統(tǒng)驗證測試的標簽。 這標簽已公布并提供給開發(fā)人員和合作機構(gòu)繼續(xù)開發(fā)。 用戶文檔根據(jù)公開發(fā)行版本進行標記。

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

通過專門的監(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］； 一個單元類別提交代碼過濾的自動機制已被引入，可供 Geant4 開發(fā)人員使用。 檢查運行時內(nèi)存管理在每次公開發(fā)行前定期進行； Insure++ ［15］ 和 SUN Workshop 等工具［16］ 用于選定的試驗臺應用程序。定期執(zhí)行 檢查是否違反宏觀層面的類別依賴結(jié)構(gòu)，并在與主類 Category Diagram 的 相關(guān)性被監(jiān)控。 性能監(jiān)控在選定的測試臺應用程序上應用在其中性能很關(guān)鍵的單元級別的類別上加以應用。

雙V驗證（Verification and Validation）

在宏觀層面，根據(jù)主類驗證 Categories 的依賴結(jié)構(gòu)分類圖作為參考。 驗證工具包在 URD ［10］ 的每個新修訂版中的一般功能。 功能和覆蓋范圍的單元級別驗證以及單元測試和驗證新的開發(fā)或修復由每個類別協(xié)調(diào)員負責。 一旦所有系統(tǒng)集成測試都成功執(zhí)行，新開發(fā)由 STT 驗證，前提是，在與類別協(xié)調(diào)員合作，系統(tǒng)測試已擴展到涵蓋新引入的功能。

補充雙V

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

簡單的說：Verification，中文翻譯叫“驗證”，就是把事情做對（do things right）；Validation，中文翻譯叫“確認”，就是做對的事情（do right things）

提供一副簡圖，供大家揣摩其中的奧秘

組織生命周期流程

項目任務管理

項目的管理在指定的 Geant4 Collaboration 的控制之下并在 Geant4 補充備忘錄 ［3］ 中有所規(guī)定。 Geant 4 通過工作組組織起來； 每個工作組負責工具包的一個特定領(lǐng)域，其中明確指定的任務與其相關(guān)聯(lián)。 每個工作組在TSB都由其協(xié)調(diào)員代表。 每年都會確定目標，并在 TSB 會議內(nèi)進行討論并提交給 CB。 在 TSB 會議期間對它們進行一般性審查，聯(lián)合審查或在每年組織一次的合作研討會上進行。

改進過程

SPI ［4］ 計劃在 TSB 會議上正式提出并被批準為2000-2001 年的里程碑。 確定了優(yōu)先事項和目標并批準了目前正在申請SPI程序?；诜独恼皆u估執(zhí)行模型 ISO-15504 （SPICE） ［6］。 SPI 被認為是生命周期驅(qū)動的，因此既定方案的進展不斷得到監(jiān)測。 達到項目中既定流程 ［5］ 的能力級別是 Geant4 的關(guān)鍵目標。

編輯：jq