Diversity of graph models and graph generators in mutation testing

When custom modeling tools are used for designing complex safety-critical systems (e.g., critical cyber-physical systems), the tools themselves need to be validated by systematic testing to prevent tool-specific bugs reaching the system. Testing of such modeling tools relies upon an automatically generated set of models as a test suite. While many software testing practices recommend that this test suite should be diverse, model diversity has not been studied systematically for graph models. In the paper, we propose different diversity metrics for models by generalizing and exploiting neighborhood and predicate shapes as abstraction. We evaluate such shape-based diversity metrics using various distance functions in the context of mutation testing of graph constraints and access policies for two separate industrial DSLs. Furthermore, we evaluate the quality (i.e., bug detection capability) of different (random and consistent) model generation techniques for mutation testing purposes

An ontology-driven unifying metamodel of UML Class Diagrams, EER, and ORM2

Software interoperability and application integration can be realized \linebreak through using their respective conceptual data models, which may be represented in different conceptual data modeling languages. Such modeling languages seem similar, yet are known to be distinct. Several translations between subsets of the languages' features exist, but there is no unifying framework that respects most language features of the static structural components and constraints. We aim to fill this gap. To this end, we designed a common and unified ontology-driven metamodel of the static, structural components and constraints in such a way that it unifies ER, EER, UML Class Diagrams v2.4.1, and ORM and ORM2 such that each one is a proper fragment of the consistent metamodel. The paper also presents some notable insights into the relatively few common entities and constraints, an analysis on roles, relationships, and attributes, and other modeling motivations are discussed. We describe two practical use cases of the metamodel, being a quantitative assessment of the entities of 30 models in ER/EER, UML, and ORM/ORM2, and a qualitative evaluation of inter-model assertions

Translating between Alloy specifications and UML class diagrams annotated with OCL

Model-driven engineering (MDE) is a software engineering approach based on model transformations at different abstraction levels. It prescribes the development of software by successively transforming the models from abstract (specifications) to more concrete ones (code). Alloy is an increasingly popular lightweight formal specification language that supports automatic verification. Unfortunately, its widespread industrial adoption is hampered by the lack of an ecosystem of MDE tools, namely code generators. This paper presents a model transformation from Alloy to UML class diagrams annotated with OCL (UML+OCL) and shows how an existing transformation from UML+OCL to Alloy can be improved to handle dynamic issues. The proposed bidirectional transformation enables a smooth integration of Alloy in the current MDE contexts, by allowing UML+OCL specifications to be transformed to Alloy for validation and verification, to correct and possibly refine them inside Alloy, and to translate them back to UML+OCL for sharing with stakeholders or to reuse current model-driven architecture tools to refine them toward code.This work was funded by European Regional Development Fund (ERDF) through the COMPETE Programme (operational program for competitiveness) and by national funds through the FCT (Fundaaco para a Ciencia e a Tecnologia-portuguese Foundation for Science and Technology) within project FCOMP-01-0124-FEDER-020532. Part of the work was done while the first author was visiting the Software Design Group at CSAIL, MIT, USA, funded by FCT sabbatical grant SFRH/BSAB/1187/2011. The second author was also partially supported by QREN (the portuguese National Strategy Reference Chart) project 1621, while visiting the High-Assurance Software Laboratory at Universidade do Minho, Portugal. Finally, we would also like to thank all anonymous reviewers for the valuable comments and suggestions

Specification Languages for Preserving Consistency between Models of Different Languages

In dieser Dissertation stellen wir drei Sprachen für die Entwicklung von Werkzeugen vor, welche Systemrepräsentationen während der Softwareentwicklung konsistent halten. Bei der Entwicklung komplexer informationstechnischer Systeme ist es üblich, mehrere Programmiersprachen und Modellierungssprachen zu nutzen. Dabei werden Teile des Systems mit unterschiedlichen Sprachen konstruiert und dargestellt, um verschiedene Entwurfs- und Entwicklungstätigkeiten zu unterstützen. Die übergreifende Struktur eines Systems wird beispielsweise oft mit Hilfe einer Architekturbeschreibungssprache dargestellt. Für die Spezifikation des detaillierten Verhaltens einzelner Systemteile ist hingegen eine zustandsbasierte Modellierungssprache oder eine Allzweckprogrammiersprache geeigneter. Da die Systemteile und Entwicklungstätigkeiten in Beziehung zueinander stehen, enthalten diese Repräsentationen oftmals auch redundante Informationen. Solche partiell redundanten Repräsentationen werden meist nicht statisch genutzt, sondern evolvieren während der Systementwicklung, was zu Inkonsistenzen und damit zu fehlerhaften Entwürfen und Implementierungen führen kann. Daher sind konsistente Systemrepräsentationen entscheidend für die Entwicklung solcher Systeme. Es gibt verschiedene Ansätze, die konsistente Systemrepräsentationen dadurch erreichen, dass Inkonsistenzen vermieden werden. So ist es beispielsweise möglich, eine zentrale, redundanzfreie Repräsentation zu erstellen, welche alle Informationen enthält, um alle anderen Repräsentationen daraus projizieren zu können. Es ist jedoch nicht immer praktikabel solch eine redundanzfreie Repräsentation und editierbare Projektionen zu erstellen, insbesondere wenn existierende Sprachen und Editoren unterstützt werden müssen. Eine weitere Möglichkeit zur Umgehung von Inkonsistenzen besteht darin Änderungen einzelner Informationen nur an einer eindeutigen Quellrepräsentation zuzulassen, sodass alle anderen Repräsentationen diese Information nur lesen können. Dadurch können solche Informationen in allen lesend zugreifenden Repräsentationen immer überschrieben werden, jedoch müssen dazu alle editierbaren Repräsentationsbereiche komplett voneinander getrennt werden. Falls inkonsistente Repräsentationen während der Systementwicklung nicht völlig vermieden werden können, müssen Entwickler oder Werkzeuge aktiv die Konsistenz erhalten, wenn Repräsentationen modifiziert werden. Die manuelle Konsistenthaltung ist jedoch eine zeitaufwändige und fehleranfällige Tätigkeit. Daher werden in Forschungseinrichtungen und in der Industrie Konsistenthaltungswerkzeuge entwickelt, die teilautomatisiert Modelle während der Systementwicklung aktualisieren. Solche speziellen Software-Entwicklungswerkzeuge können mit Allzweckprogrammiersprachen und mit dedizierten Konsistenthaltungssprachen entwickelt werden. In dieser Dissertation haben wir vier bedeutende Herausforderungen identifiziert, die momentan nur unzureichend von Sprachen zur Entwicklung von Konsistenthaltungswerkzeugen adressiert werden. Erstens kombinieren diese Sprachen spezifische Unterstützung zur Konsistenthaltung nicht mit der Ausdrucksmächtigkeit und Flexibilität etablierter Allzweckprogrammiersprachen. Daher sind Entwickler entweder auf ausgewiesene Anwendungsfälle beschränkt, oder sie müssen wiederholt Lösungen für generische Konsistenthaltungsprobleme entwickeln. Zweitens unterstützen diese Sprachen entweder lösungs- oder problemorientierte Programmierparadigmen, sodass Entwickler gezwungen sind, Erhaltungsinstruktionen auch in Fällen anzugeben, in denen Konsistenzdeklarationen ausreichend wären. Drittens abstrahieren diese Sprachen nicht von genügend Konsistenthaltungsdetails, wodurch Entwickler explizit beispielsweise Erhaltungsrichtungen, Änderungstypen oder Übereinstimmungsprobleme berücksichtigen müssen. Viertens führen diese Sprachen zu Erhaltungsverhalten, das oft vom konkreten Anwendungsfall losgelöst zu sein scheint, wenn Interpreter und Übersetzer Code ausführen oder erzeugen, der zur Realisierung einer spezifischen Konsistenzspezifikation nicht benötigt wird. Um diese Probleme aktueller Ansätze zu adressieren, leistet diese Dissertation die folgenden Beiträge: Erstens stellen wir eine Sammlung und Klassifizierung von Herausforderungen der Konsistenthaltung vor. Dabei diskutieren wir beispielsweise, welche Herausforderungen nicht bereits adressiert werden sollten, wenn Konsistenz spezifiziert wird, sondern erst wenn sie durchgesetzt wird. Zweitens führen wir einen Ansatz zur Erhaltung von Konsistenz gemäß abstrakter Spezifikationen ein und formalisieren ihn mengentheoretisch. Diese Formalisierung ist unabhängig davon wie Konsistenzdurchsetzungen letztendlich realisiert werden. Mit dem vorgestellten Ansatz wird Konsistenz immer anhand von beobachteten Editieroperationen bewahrt, um bekannte Probleme zur Berechnung von Übereinstimmungen und Differenzen zu vermeiden. Schließlich stellen wir drei neue Sprachen zur Entwicklung von Werkzeugen vor, die den vorgestellten, spezifikationsgeleiteten Ansatz verfolgen und welche wir im Folgenden kurz erläutern. Wir präsentieren eine imperative Sprache, die verwendet werden kann, um präzise zu spezifizieren, wie Modelle in Reaktion auf spezifische Änderungen aktualisiert werden müssen, um Konsistenz in eine Richtung zu erhalten. Diese Reaktionssprache stellt Lösungen für häufige Probleme bereit, wie beispielsweise die Identifizierung und das Abrufen geänderter oder korrespondierender Modellelemente. Außerdem erreicht sie eine uneingeschränkte Ausdrucksmächtigkeit, indem sie Entwicklern ermöglicht, auf eine Allzweckprogrammiersprache zurückzugreifen. Eine zweite, bidirektionale Sprache für abstrakte Abbildungen kann für Fälle verwendet werden, in denen verschiedene Änderungsoperationen nicht unterschieden werden müssen und außerdem die Erhaltungsrichtung nicht immer eine Rolle spielt. Mit dieser Abbildungssprache können Entwickler Bedingungen deklarieren, die ausdrücken, wann Modellelemente als konsistent zueinander angesehen werden sollen, ohne sich um Details der Überprüfung oder Durchsetzung von Konsistenz bemühen zu müssen. Dazu leitet der Übersetzer automatisch Durchsetzungscode aus Überprüfungen ab und bidirektionalisiert Bedingungen, die für eine Richtung der Konsistenthaltung spezifiziert wurden. Diese Bidirektionalisierung basiert auf einer erweiterbaren Menge von komponierbaren, operatorspezifischen Invertierern, die verbreitete Round-trip-Anforderungen erfüllen. Infolgedessen können Entwickler häufig vorkommende Konsistenzanforderungen konzise ausdrücken und müssen keinen Quelltext für verschiedene Konsistenthaltungsrichtungen, Änderungstypen oder Eigenschaften von Modellelementen wiederholen. Eine dritte, normative Sprache kann verwendet werden, um die vorherigen Sprachen mit parametrisierbaren Konsistenzinvarianten zu ergänzen. Diese Invariantensprache übernimmt Operatoren und Iteratoren für Elementsammlungen von der Object Constraint Language (OCL). Außerdem nimmt sie Entwicklern das Schreiben von Quelltext zur Suche nach invariantenverletzenden Elementen ab, da Abfragen, welche diese Aufgaben übernehmen, automatisch anhand von Invariantenparametern abgeleitet werden. Die drei Sprachen können in Kombination und einzeln verwendet werden. Sie ermöglichen es Entwicklern, Konsistenz unter Verwendung verschiedener Programmierparadigmen und Sprachabstraktionen zu spezifizieren. Wir stellen auch prototypische Übersetzer und Editoren für die drei Konsistenzspezifikationssprachen vor, welche auf dem Vitruvius-Rahmenwerk für Multi-Sichten-Modellierung basieren. Mit diesem Rahmenwerk werden Änderungen in textuellen und graphischen Editoren automatisch beobachtet, um Reaktionen auszulösen, Abbildungen durchzusetzen und Invarianten zu überprüfen. Dies geschieht indem der von unseren Übersetzern erzeugte Java-Code ausgeführt wird. Außerdem haben wir für alle Sprachen, die in dieser Dissertation vorgestellt werden, folgende theoretischen und praktischen Eigenschaften evaluiert: Vollständigkeit, Korrektheit, Anwendbarkeit, und Nutzen. So zeigen wir, dass die Sprachen ihre vorgesehenen Einsatzbereiche vollständig abdecken und analysieren ihre Berechnungsvollständigkeit. Außerdem diskutieren wir die Korrektheit jeder einzelnen Sprache sowie die Korrektheit einzelner Sprachmerkmale. Die operatorspezifischen Invertierer, die wir zur Bidirektionalisierung von Abbildungsbedingungen entwickelt haben, erfüllen beispielsweise immer das neu eingeführte Konzept bestmöglich erzogener Round-trips. Dieses basiert auf dem bewährten Konzept wohlerzogener Transformationen und garantiert, dass übliche Round-trip-Gesetze erfüllt werden, wann immer dies möglich ist. Wir veranschaulichen die praktische Anwendbarkeit mit Fallstudien, in denen Konsistenz erfolgreich mit Hilfe von Werkzeugen erhalten wurde, die in den von uns vorgestellten Sprachen geschrieben wurden. Zum Schluss diskutieren wir den potenziellen Nutzen unserer Sprachen und vergleichen beispielsweise Konsistenthaltungswerkzeuge die in zwei Fallstudien realisiert wurden. Die Werkzeuge, die mit der Reaktionssprache entwickelt wurden, benötigen zwischen 33% und 71% weniger Zeilen Quelltext als funktional gleichwertige Werkzeuge, die mit in Java oder dem Java-Dialekt Xtend entwickelt wurden

Traduciendo OCL como lenguaje de consultas y restricciones

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Informática, Departamento de Sistemas Informáticos y Computación, leída el 30-06-2017Esta tesis doctoral debe gran parte de su motivación inicial y enfoque final a la discusión muy animada y perspicaz que tuvo lugar durante el seminario “Automated Reasoning on Conceptual Schemas” en Dagstuhl (19-24 Mayo, 2013) [18], en el cual tuvimos la fortuna de participar.Incluso antes de asistir al seminario, sobre la base de nuestra propia experiencia aplicando la metodología de desarrollo dirigida por modelos en el proyecto Action GUI [1],ya estábamos convencidos de la veracidad y la importancia de tres declaraciones claves contenidas en la presentación del mismo, que resumen muy bien las motivaciones finales de esta tesis:“La calidad de un sistema de información se determina en gran medida a principios del ciclo de desarrollo, es decir, durante la especificación de los requisitos y el modelado conceptual, ya que los errores introducidos en estas etapas suelen ser mucho más costosos de corregir que los errores cometidos durante el diseño o la implementación.”“Por lo tanto, es deseable prevenir, detectar y corregir errores tan pronto como sea posible en el proceso de desarrollo evaluando la corrección de los esquemas conceptuales construidos.”“La alta expresividad de los esquemas conceptuales requiere adoptar técnicas de razonamiento automatizadas para apoyar al diseñador en esta importante tarea.”...This doctoral dissertation owes a great deal of its initial motivation and final focusto the very lively and insightful discussion that took place during the Dagstuhl Seminar“Automated Reasoning on Conceptual Schemas” (19-24 May, 2013) [18], which we havethe fortune to participate in.Even before attending the seminar, based on our own experience applying the modeldrivendevelopment methodology within the ActionGUI project [1], we were already convincedof the truthfulness and importance of three key statements contained in the seminar’spresentation, which summarize very well this dissertation’s ultimate motivations:“The quality of an information system is largely determined early in the developmentcycle, i.e., during requirements specification and conceptual modeling, since errorsintroduced at these stages are usually much more expensive to correct than errorsmade during design or implementation.”“Thus, it is desirable to prevent, detect, and correct errors as early as possible in thedevelopment process by assessing the correctness of the conceptual schemas built.”“The high expressivity of conceptual schemas requires to adopt automated reasoningtechniques to support the designer in this important task.”..Depto. de Sistemas Informáticos y ComputaciónFac. de InformáticaTRUEunpu

Flexible Views for View-based Model-driven Development

Modern software development faces the problem of fragmentation of information across heterogeneous artefacts in different modelling and programming languages. In this dissertation, the Vitruvius approach for view-based engineering is presented. Flexible views offer a compact definition of user-specific views on software systems, and can be defined the novel ModelJoin language. The process is supported by a change metamodel for metamodel evolution and change impact analysis

A Framework for Testing Model Composition Engines

National audienceModel composition helps designers managing complexities by modeling different system views separately, and later compose them into an integrated model. In the past years, researchers have focused on the definition of model composition approaches (operators) and the tools supporting them (model composition engines). Testing model composition engines is hard. It requires the synthesis and analysis of complex data structures (models). In this context, synthesis means to assembly complex structures in a coherent way with respect to semantic constraints. In this paper we propose to automatically synthesize input data for model composition engines using a model decomposition operator. Through this operator we synthesize models in a coherent way, satisfying semantic constraints and taking into account the complex mechanics involved in the model composition. Furthermore, such operator enables a straightforward analysis of the composition result

Implicit Incremental Model Analyses and Transformations

When models of a system change, analyses based on them have to be reevaluated in order for the results to stay meaningful. In many cases, the time to get updated analysis results is critical. This thesis proposes multiple, combinable approaches and a new formalism based on category theory for implicitly incremental model analyses and transformations. The advantages of the implementation are validated using seven case studies, partially drawn from the Transformation Tool Contest (TTC)