A Historical Perspective on Runtime Assertion Checking in Software Development

This report presents initial results in the area of software testing and analysis produced as part of the Software Engineering Impact Project. The report describes the historical development of runtime assertion checking, including a description of the origins of and significant features associated with assertion checking mechanisms, and initial findings about current industrial use. A future report will provide a more comprehensive assessment of development practice, for which we invite readers of this report to contribute information

A heuristic-based approach to code-smell detection

Encapsulation and data hiding are central tenets of the object oriented paradigm. Deciding what data and behaviour to form into a class and where to draw the line between its public and private details can make the difference between a class that is an understandable, flexible and reusable abstraction and one which is not. This decision is a difficult one and may easily result in poor encapsulation which can then have serious implications for a number of system qualities. It is often hard to identify such encapsulation problems within large software systems until they cause a maintenance problem (which is usually too late) and attempting to perform such analysis manually can also be tedious and error prone. Two of the common encapsulation problems that can arise as a consequence of this decomposition process are data classes and god classes. Typically, these two problems occur together – data classes are lacking in functionality that has typically been sucked into an over-complicated and domineering god class. This paper describes the architecture of a tool which automatically detects data and god classes that has been developed as a plug-in for the Eclipse IDE. The technique has been evaluated in a controlled study on two large open source systems which compare the tool results to similar work by Marinescu, who employs a metrics-based approach to detecting such features. The study provides some valuable insights into the strengths and weaknesses of the two approache

Example-driven meta-model development

The final publication is available at Springer via http://dx.doi.org/10.1007/s10270-013-0392-yThe intensive use of models in model-driven engineering (MDE) raises the need to develop meta-models with different aims, such as the construction of textual and visual modelling languages and the specification of source and target ends of model-to-model transformations. While domain experts have the knowledge about the concepts of the domain, they usually lack the skills to build meta-models. Moreover, meta-models typically need to be tailored according to their future usage and specific implementation platform, which demands knowledge available only to engineers with great expertise in specific MDE platforms. These issues hinder a wider adoption of MDE both by domain experts and software engineers. In order to alleviate this situation, we propose an interactive, iterative approach to meta-model construction, enabling the specification of example model fragments by domain experts, with the possibility of using informal drawing tools like Dia or yED. These fragments can be annotated with hints about the intention or needs for certain elements. A meta-model is then automatically induced, which can be refactored in an interactive way, and then compiled into an implementation meta-model using profiles and patterns for different platforms and purposes. Our approach includes the use of a virtual assistant, which provides suggestions for improving the meta-model based on well-known refactorings, and a validation mode, enabling the validation of the meta-model by means of examples.This work has been funded by the Spanish Ministry of Economy and Competitivity with project “Go Lite” (TIN2011-24139), and by the R&D programme of Madrid Region with project “eMadrid” (S2009/TIC-1650)

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

Assessment of IT Infrastructures: A Model Driven Approach

Several approaches to evaluate IT infrastructure architectures have been proposed, mainly by supplier and consulting firms. However, they do not have a unified approach of these architectures where all stakeholders can cement the decision-making process, thus facilitating comparability as well as the verification of best practices adoption. The main goal of this dissertation is the proposal of a model-based approach to mitigate this problem. A metamodel named SDM (System Definition Model) and expressed with the UML (Unified Modeling Language) is used to represent structural and operational knowledge on the infrastructures. This metamodel is automatically instantiated through the capture of infrastructures configurations of existing distributed architectures, using a proprietary tool and a transformation tool that was built in the scope of this dissertation. The quantitative evaluation is performed using the M2DM (Meta-Model Driven Measurement) approach that uses OCL (Object Constraint Language) to formulate the required metrics. This proposal is expected to increase the understandability of IT infrastructures by all stakeholders (IT architects, application developers, testers, operators and maintenance teams) as well as to allow expressing their strategies of management and evolution. To illustrate the use of the proposed approach, we assess the complexity of some real cases in the diachronic and synchronic perspective

VERDICTS: Visual Exploratory Requirements Discovery and Injection for Comprehension and Testing of Software

We introduce a methodology and research tools for visual exploratory software analysis. VERDICTS combines exploratory testing, tracing, visualization, dynamic discovery and injection of requirements specifications into a live quick-feedback cycle, without recompilation or restart of the system under test. This supports discovery and verification of software dynamic behavior, software comprehension, testing, and locating the defect origin. At its core, VERDICTS allows dynamic evolution and testing of hypotheses about requirements and behavior, by using contracts as automated component verifiers. We introduce Semantic Mutation Testing as an approach to evaluate concordance of automated verifiers and the functional specifications they represent with respect to existing implementation. Mutation testing has promise, but also has many known issues. In our tests, both black-box and white-box variants of our Semantic Mutation Testing approach performed better than traditional mutation testing as a measure of quality of automated verifiers

A distributed solution to software reuse

Reuse can be applied to all stages of the software lifecycle to enhance quality and to shorten time of completion for a project. During the phases of design and implementation are some examples of where reuse can be applied, but one frequent obstruction to development is the building of and the identifying of desirable components. This can be costly in the short term but an organisation can gain the profits of applying this scheme if they are seeking long-term goals. Web services are a recent development in distributed computing. This thesis combines the two research areas to produce a distributed solution to software reuse that displays the advantages of distributed computing within a reuse system. This resulted in a web application with access to web services that allowed two different formats of component to be inserted into a reuse repository. These components were searchable by keywords and the results are adjustable by the popularity of a component’s extraction from the system and by user ratings of it; this improved the accuracy of the search. This work displays the accuracy, usability, and speed of this system when tested with five undergraduate and five postgraduate students

Model Transformation as Conservative Theory-Transformation

This is the final version. Available on open access from the Journal of Object Technology via the DOI in this recordModel transformations play a central role in model-driven software development. Hence, logical unsafe model transformation can result in erroneous systems. Still, most model transformations are written in languages that do not provide built-in safeness guarantees. We present a new technique to construct tool support for domain-specific languages (DSLs) inside the interactive theorem prover environment Isabelle. Our approach is based on modeling the DSL formally in higher-order logic (HOL), modeling the API of Isabelle inside it, and defining the transformation between these two. Reflection via the powerful code generators yields code that can be integrated as extension into Isabelle and its user interface. Moreover, we use code generation to produce tactic code which is bound to appropriate command-level syntax. Our approach ensures the logical safeness (conservativity) of the theorem prover extension and, thus, provides a certified tool for the DSL in all aspects: the deductive capacities of theorem prover, code generation, and IDE support. We demonstrate our approach by extending Isabelle/HOL with support for UML/OCL and, more generally, providing support for a formal object-oriented modeling method

Consolidation of Customized Product Copies into Software Product Lines

In software development, project constraints lead to customer-specific variants by copying and adapting the product. During this process, modifications are scattered all over the code. Although this is flexible and efficient in the short term, a Software Product Line (SPL) offers better results in the long term, regarding cost reduction, time-to-market, and quality attributes. This book presents a novel approach named SPLevo, which consolidates customized product copies into an SPL

Consolidation of Customized Product Copies into Software Product Lines

Copy-based customization is a widespread technique to serve individual customer needs with existing software solutions. To cope with long term disadvantages resulting from this practice, this dissertation developed an approach to support the consolidation of such copies into a Software Product Line with a future-compliant product base providing managed variability