Pattern Reification as the Basis for Description-Driven Systems

One of the main factors driving object-oriented software development for information systems is the requirement for systems to be tolerant to change. To address this issue in designing systems, this paper proposes a pattern-based, object-oriented, description-driven system (DDS) architecture as an extension to the standard UML four-layer meta-model. A DDS architecture is proposed in which aspects of both static and dynamic systems behavior can be captured via descriptive models and meta-models. The proposed architecture embodies four main elements - firstly, the adoption of a multi-layered meta-modeling architecture and reflective meta-level architecture, secondly the identification of four data modeling relationships that can be made explicit such that they can be modified dynamically, thirdly the identification of five design patterns which have emerged from practice and have proved essential in providing reusable building blocks for data management, and fourthly the encoding of the structural properties of the five design patterns by means of one fundamental pattern, the Graph pattern. A practical example of this philosophy, the CRISTAL project, is used to demonstrate the use of description-driven data objects to handle system evolution.Comment: 20 pages, 10 figure

A Catalog of Reusable Design Decisions for Developing UML/MOF-based Domain-specific Modeling Languages

In model-driven development (MDD), domain-specific modeling languages (DSMLs) act as a communication vehicle for aligning the requirements of domain experts with the needs of software engineers. With the rise of the UML as a de facto standard, UML/MOF-based DSMLs are now widely used for MDD. This paper documents design decisions collected from 90 UML/MOF-based DSML projects. These recurring design decisions were gained, on the one hand, by performing a systematic literature review (SLR) on the development of UML/MOF-based DSMLs. Via the SLR, we retrieved 80 related DSML projects for review. On the other hand, we collected decisions from developing ten DSML projects by ourselves. The design decisions are presented in the form of reusable decision records, with each decision record corresponding to a decision point in DSML development processes. Furthermore, we also report on frequently observed (combinations of) decision options as well as on associations between options which may occur within a single decision point or between two decision points. This collection of decision-record documents targets decision makers in DSML development (e.g., DSML engineers, software architects, domain experts).Series: Technical Reports / Institute for Information Systems and New Medi

Making object-oriented databases more knowledgeable (From ADAM to ABEL)

Tesis leida en la Universidad de Aberdeen. 178 p.The salient points of this thesis are as follows: • Object-Oriented Databases can help in solving the impedance mismatch problem by introducing methods. However, methods have sometimes been overused in the sense th at the code encapsulated refers not only to how the operation is implemented but also to other kinds of knowledge that are implicit in the code. The disadvantages of this approach for modelling integrity constraints, user-defined relationships and active behaviour are pointed out. • The ADAM Object-Oriented Database has been extended to allow the designer to specify integrity constraints declaratively. A constraint equation approach is implemented th at supports the inheritance of constraints. • A need for semantic-rich user-defined relationships has been identified. In this thesis, relationships are represented as objects. An approach to enhance the semantics of relationships in both its structural and behavioural aspects is presented. The most novel idea of the approach presented is the support of the inferred properties and the operational semantics of relationships. • Active Databases have recently become an im portant area of research. This thesis shows how to extend an Object-Oriented Database with active capabilities. The principal contribution lies in representing as ‘first-class’ objects not only the active rules but also the rule manager itself. Hence, besides handling active rules as any other object in the system, future requirements can be supported just by specialising the current rule manager. • Active rules have been proposed for several purposes. Several examples, are given of the direct use of rules. However, higher level tools can be provided of which rule

A Detailed Comparison of UML and OWL

As models and ontologies assume an increasingly central role in software and information systems engineering, the question of how exactly they compare and how they can sensibly be used together assumes growing importance. However, no study to date has systematically and comprehensively compared the two technology spaces, and a large variety of different bridging and integration ideas have been proposed in recent years without any detailed analysis of whether they are sound or useful. In this paper, we address this problem by providing a detailed and comprehensive comparison of the two technology spaces in terms of their flagship languages – UML and OWL – each a de facto and de jure standard in its respective space. To fully analyze the end user experience, we perform the comparison at two levels – one considering the underlying boundary assumptions and philosophy adopted by each language and the other considering their detailed features. We also consider all relevant auxiliary languages such as OCL. The resulting comparison clarifies the relationship between the two technologies and provides a solid foundation for deciding how to use them together or integrate them

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

The Reification of Patterns in the Design of Description-Driven Systems

To address the issues of reusability and evolvability in designing self- describing systems, this paper proposes a pattern-based, object-oriented, description-driven system architecture. The proposed architecture embodies four pillars - first, the adoption of a multi-layered meta-modeling architecture and reflective meta-level architecture, second, the identification of four data modeling relationships that must be made explicit such that they can be examined and modified dynamically, third, the identification of five design patterns which have emerged from practice and have proved essential in providing reusable building blocks for data management, and fourth, the encoding of the structural properties of the five design patterns by means of one pattern, the Graph pattern. The CRISTAL research project served as the basis onto which the pattern-based meta-object approach has been applied. The proposed architecture allows the realization of reusability and adaptability, and is fundamental in the specification of self-describing data management components.Comment: 10 pages 11 figure