Debugging Inputs

When a program fails to process an input, it need not be the program code that is at fault. It can also be that the input data is faulty, for instance as result of data corruption. To get the data processed, one then has to debug the input data—that is, (1) identify which parts of the input data prevent processing, and (2) recover as much of the (valuable) input data as possible. In this paper, we present a general-purpose algorithm called ddmax that addresses these problems automatically. Through experiments, ddmax maximizes the subset of the input that can still be processed by the program, thus recovering and repairing as much data as possible; the difference between the original failing input and the “maximized” passing input includes all input fragments that could not be processed. To the best of our knowledge, ddmax is the first approach that fixes faults in the input data without requiring program analysis. In our evaluation, ddmax repaired about 69% of input files and recovered about 78% of data within one minute per input

Evidence-driven testing and debugging of software systems

Program debugging is the process of testing, exposing, reproducing, diagnosing and fixing software bugs. Many techniques have been proposed to aid developers during software testing and debugging. However, researchers have found that developers hardly use or adopt the proposed techniques in software practice. Evidently, this is because there is a gap between proposed methods and the state of software practice. Most methods fail to address the actual needs of software developers. In this dissertation, we pose the following scientific question: How can we bridge the gap between software practice and the state-of-the-art automated testing and debugging techniques? To address this challenge, we put forward the following thesis: Software testing and debugging should be driven by empirical evidence collected from software practice. In particular, we posit that the feedback from software practice should shape and guide (the automation) of testing and debugging activities. In this thesis, we focus on gathering evidence from software practice by conducting several empirical studies on software testing and debugging activities in the real-world. We then build tools and methods that are well-grounded and driven by the empirical evidence obtained from these experiments. Firstly, we conduct an empirical study on the state of debugging in practice using a survey and a human study. In this study, we ask developers about their debugging needs and observe the tools and strategies employed by developers while testing, diagnosing and repairing real bugs. Secondly, we evaluate the effectiveness of the state-of-the-art automated fault localization (AFL) methods on real bugs and programs. Thirdly, we conducted an experiment to evaluate the causes of invalid inputs in software practice. Lastly, we study how to learn input distributions from real-world sample inputs, using probabilistic grammars. To bridge the gap between software practice and the state of the art in software testing and debugging, we proffer the following empirical results and techniques: (1) We collect evidence on the state of practice in program debugging and indeed, we found that there is a chasm between (available) debugging tools and developer needs. We elicit the actual needs and concerns of developers when testing and diagnosing real faults and provide a benchmark (called DBGBench) to aid the automated evaluation of debugging and repair tools. (2) We provide empirical evidence on the effectiveness of several state-of-the-art AFL techniques (such as statistical debugging formulas and dynamic slicing). Building on the obtained empirical evidence, we provide a hybrid approach that outperforms the state-of-the-art AFL techniques. (3) We evaluate the prevalence and causes of invalid inputs in software practice, and we build on the lessons learned from this experiment to build a general-purpose algorithm (called ddmax) that automatically diagnoses and repairs real-world invalid inputs. (4) We provide a method to learn the distribution of input elements in software practice using probabilistic grammars and we further employ the learned distribution to drive the test generation of inputs that are similar (or dissimilar) to sample inputs found in the wild. In summary, we propose an evidence-driven approach to software testing and debugging, which is based on collecting empirical evidence from software practice to guide and direct software testing and debugging. In our evaluation, we found that our approach is effective in improving the effectiveness of several debugging activities in practice. In particular, using our evidence-driven approach, we elicit the actual debugging needs of developers, improve the effectiveness of several automated fault localization techniques, effectively debug and repair invalid inputs, and generate test inputs that are (dis)similar to real-world inputs. Our proposed methods are built on empirical evidence and they improve over the state-of-the-art techniques in testing and debugging.Software-Debugging bezeichnet das Testen, Aufspüren, Reproduzieren, Diagnostizieren und das Beheben von Fehlern in Programmen. Es wurden bereits viele Debugging-Techniken vorgestellt, die Softwareentwicklern beim Testen und Debuggen unterstützen. Dennoch hat sich in der Forschung gezeigt, dass Entwickler diese Techniken in der Praxis kaum anwenden oder adaptieren. Das könnte daran liegen, dass es einen großen Abstand zwischen den vorgestellten und in der Praxis tatsächlich genutzten Techniken gibt. Die meisten Techniken genügen den Anforderungen der Entwickler nicht. In dieser Dissertation stellen wir die folgende wissenschaftliche Frage: Wie können wir die Kluft zwischen Software-Praxis und den aktuellen wissenschaftlichen Techniken für automatisiertes Testen und Debugging schließen? Um diese Herausforderung anzugehen, stellen wir die folgende These auf: Das Testen und Debuggen von Software sollte von empirischen Daten, die in der Software-Praxis gesammelt wurden, vorangetrieben werden. Genauer gesagt postulieren wir, dass das Feedback aus der Software-Praxis die Automation des Testens und Debuggens formen und bestimmen sollte. In dieser Arbeit fokussieren wir uns auf das Sammeln von Daten aus der Software-Praxis, indem wir einige empirische Studien über das Testen und Debuggen von Software in der echten Welt durchführen. Auf Basis der gesammelten Daten entwickeln wir dann Werkzeuge, die sich auf die Daten der durchgeführten Experimente stützen. Als erstes führen wir eine empirische Studie über den Stand des Debuggens in der Praxis durch, wobei wir eine Umfrage und eine Humanstudie nutzen. In dieser Studie befragen wir Entwickler zu ihren Bedürfnissen, die sie beim Debuggen haben und beobachten die Werkzeuge und Strategien, die sie beim Diagnostizieren, Testen und Aufspüren echter Fehler einsetzen. Als nächstes bewerten wir die Effektivität der aktuellen Automated Fault Localization (AFL)- Methoden zum automatischen Aufspüren von echten Fehlern in echten Programmen. Unser dritter Schritt ist ein Experiment, um die Ursachen von defekten Eingaben in der Software-Praxis zu ermitteln. Zuletzt erforschen wir, wie Häufigkeitsverteilungen von Teileingaben mithilfe einer Grammatik von echten Beispiel-Eingaben aus der Praxis gelernt werden können. Um die Lücke zwischen Software-Praxis und der aktuellen Forschung über Testen und Debuggen von Software zu schließen, bieten wir die folgenden empirischen Ergebnisse und Techniken: (1) Wir sammeln aktuelle Forschungsergebnisse zum Stand des Software-Debuggens und finden in der Tat eine Diskrepanz zwischen (vorhandenen) Debugging-Werkzeugen und dem, was der Entwickler tatsächlich benötigt. Wir sammeln die tatsächlichen Bedürfnisse von Entwicklern beim Testen und Debuggen von Fehlern aus der echten Welt und entwickeln einen Benchmark (DbgBench), um das automatische Evaluieren von Debugging-Werkzeugen zu erleichtern. (2) Wir stellen empirische Daten zur Effektivität einiger aktueller AFL-Techniken vor (z.B. Statistical Debugging-Formeln und Dynamic Slicing). Auf diese Daten aufbauend, stellen wir einen hybriden Algorithmus vor, der die Leistung der aktuellen AFL-Techniken übertrifft. (3) Wir evaluieren die Häufigkeit und Ursachen von ungültigen Eingaben in der Softwarepraxis und stellen einen auf diesen Daten aufbauenden universell einsetzbaren Algorithmus (ddmax) vor, der automatisch defekte Eingaben diagnostiziert und behebt. (4) Wir stellen eine Methode vor, die Verteilung von Schnipseln von Eingaben in der Software-Praxis zu lernen, indem wir Grammatiken mit Wahrscheinlichkeiten nutzen. Die gelernten Verteilungen benutzen wir dann, um den Beispiel-Eingaben ähnliche (oder verschiedene) Eingaben zu erzeugen. Zusammenfassend stellen wir einen auf der Praxis beruhenden Ansatz zum Testen und Debuggen von Software vor, welcher auf empirischen Daten aus der Software-Praxis basiert, um das Testen und Debuggen zu unterstützen. In unserer Evaluierung haben wir festgestellt, dass unser Ansatz effektiv viele Debugging-Disziplinen in der Praxis verbessert. Genauer gesagt finden wir mit unserem Ansatz die genauen Bedürfnisse von Entwicklern, verbessern die Effektivität vieler AFL-Techniken, debuggen und beheben effektiv fehlerhafte Eingaben und generieren Test-Eingaben, die (un)ähnlich zu Eingaben aus der echten Welt sind. Unsere vorgestellten Methoden basieren auf empirischen Daten und verbessern die aktuellen Techniken des Testens und Debuggens

AI-Enhanced Auto-Correction of Programming Exercises: How Effective is GPT-3.5?

Timely formative feedback is considered as one of the most important drivers for effective learning. Delivering timely and individualized feedback is particularly challenging in large classes in higher education. Recently Large Language Models such as GPT-3 became available to the public that showed promising results on various tasks such as code generation and code explanation. This paper investigates the potential of AI in providing personalized code correction and generating feedback. Based on existing student submissions of two different real-world assignments, the correctness of the AI-aided e-assessment as well as the characteristics such as fault localization, correctness of hints, and code style suggestions of the generated feedback are investigated. The results show that 73% of the submissions were correctly identified as either correct or incorrect. In 59% of these cases, GPT-3.5 also successfully generated effective and high-quality feedback. Additionally, GPT-3.5 exhibited weaknesses in its evaluation, including localization of errors that were not the actual errors, or even hallucinated errors. Implications and potential new usage scenarios are discussed

On Language Processors and Software Maintenance

This work investigates declarative transformation tools in the context of software maintenance. Besides maintenance of the language specification, evolution of a software language requires the adaptation of the software written in that language as well as the adaptation of the software that transforms software written in the evolving language. This co-evolution is studied to derive automatic adaptations of artefacts from adaptations of the language specification. Furthermore, AOP for Prolog is introduced to improve maintainability of language specifications and derived tools.Die Arbeit unterstützt deklarative Transformationswerkzeuge im Kontext der Softwarewartung. Neben der Wartung der Sprachbeschreibung erfordert die Evolution einer Sprache sowohl die Anpassung der Software, die in dieser Sprache geschrieben ist als auch die Anpassung der Software, die diese Software transformiert. Diese Koevolution wird untersucht, um automatische Anpassungen von Artefakten von Anpassungen der Sprachbeschreibungen abzuleiten. Weiterhin wird AOP für Prolog eingeführt, um die Wartbarkeit von Sprachbeschreibungen und den daraus abgeleiteten Werkzeugen zu erhöhen

Scalable and Declarative Information Extraction in a Parallel Data Analytics System

Informationsextraktions (IE) auf sehr großen Datenmengen erfordert hochkomplexe, skalierbare und anpassungsfähige Systeme. Obwohl zahlreiche IE-Algorithmen existieren, ist die nahtlose und erweiterbare Kombination dieser Werkzeuge in einem skalierbaren System immer noch eine große Herausforderung. In dieser Arbeit wird ein anfragebasiertes IE-System für eine parallelen Datenanalyseplattform vorgestellt, das für konkrete Anwendungsdomänen konfigurierbar ist und für Textsammlungen im Terabyte-Bereich skaliert. Zunächst werden konfigurierbare Operatoren für grundlegende IE- und Web-Analytics-Aufgaben definiert, mit denen komplexe IE-Aufgaben in Form von deklarativen Anfragen ausgedrückt werden können. Alle Operatoren werden hinsichtlich ihrer Eigenschaften charakterisiert um das Potenzial und die Bedeutung der Optimierung nicht-relationaler, benutzerdefinierter Operatoren (UDFs) für Data Flows hervorzuheben. Anschließend wird der Stand der Technik in der Optimierung nicht-relationaler Data Flows untersucht und herausgearbeitet, dass eine umfassende Optimierung von UDFs immer noch eine Herausforderung ist. Darauf aufbauend wird ein erweiterbarer, logischer Optimierer (SOFA) vorgestellt, der die Semantik von UDFs mit in die Optimierung mit einbezieht. SOFA analysiert eine kompakte Menge von Operator-Eigenschaften und kombiniert eine automatisierte Analyse mit manuellen UDF-Annotationen, um die umfassende Optimierung von Data Flows zu ermöglichen. SOFA ist in der Lage, beliebige Data Flows aus unterschiedlichen Anwendungsbereichen logisch zu optimieren, was zu erheblichen Laufzeitverbesserungen im Vergleich mit anderen Techniken führt. Als Viertes wird die Anwendbarkeit des vorgestellten Systems auf Korpora im Terabyte-Bereich untersucht und systematisch die Skalierbarkeit und Robustheit der eingesetzten Methoden und Werkzeuge beurteilt um schließlich die kritischsten Herausforderungen beim Aufbau eines IE-Systems für sehr große Datenmenge zu charakterisieren.Information extraction (IE) on very large data sets requires highly complex, scalable, and adaptive systems. Although numerous IE algorithms exist, their seamless and extensible combination in a scalable system still is a major challenge. This work presents a query-based IE system for a parallel data analysis platform, which is configurable for specific application domains and scales for terabyte-sized text collections. First, configurable operators are defined for basic IE and Web Analytics tasks, which can be used to express complex IE tasks in the form of declarative queries. All operators are characterized in terms of their properties to highlight the potential and importance of optimizing non-relational, user-defined operators (UDFs) for dataflows. Subsequently, we survey the state of the art in optimizing non-relational dataflows and highlight that a comprehensive optimization of UDFs is still a challenge. Based on this observation, an extensible, logical optimizer (SOFA) is introduced, which incorporates the semantics of UDFs into the optimization process. SOFA analyzes a compact set of operator properties and combines automated analysis with manual UDF annotations to enable a comprehensive optimization of data flows. SOFA is able to logically optimize arbitrary data flows from different application areas, resulting in significant runtime improvements compared to other techniques. Finally, the applicability of the presented system to terabyte-sized corpora is investigated. Hereby, we systematically evaluate scalability and robustness of the employed methods and tools in order to pinpoint the most critical challenges in building an IE system for very large data sets

Model Transformation Languages with Modular Information Hiding

Model transformations, together with models, form the principal artifacts in model-driven software development. Industrial practitioners report that transformations on larger models quickly get sufficiently large and complex themselves. To alleviate entailed maintenance efforts, this thesis presents a modularity concept with explicit interfaces, complemented by software visualization and clustering techniques. All three approaches are tailored to the specific needs of the transformation domain

Programmiersprachen und Rechenkonzepte

Seit 1984 veranstaltet die GI-Fachgruppe "Programmiersprachen und Rechenkonzepte", die aus den ehemaligen Fachgruppen 2.1.3 "Implementierung von Programmiersprachen" und 2.1.4 "Alternative Konzepte für Sprachen und Rechner" hervorgegangen ist, regelmäßig im Frühjahr einen Workshop im Physikzentrum Bad Honnef. Das Treffen dient in erster Linie dem gegenseitigen Kennenlernen, dem Erfahrungsaustausch, der Diskussion und der Vertiefung gegenseitiger Kontakte

Model Transformation Languages with Modular Information Hiding

Model transformations, together with models, form the principal artifacts in model-driven software development. Industrial practitioners report that transformations on larger models quickly get sufficiently large and complex themselves. To alleviate entailed maintenance efforts, this thesis presents a modularity concept with explicit interfaces, complemented by software visualization and clustering techniques. All three approaches are tailored to the specific needs of the transformation domain

Mining and checking object behavior

This thesis introduces a novel approach to modeling the behavior of programs at runtime. We leverage the structure of object-oriented programs to derive models that describe the behavior of individual objects. Our approach mines object behavior models, finite state automata where states correspond to different states of an object, and transitions are caused by method invocations. Such models capture the effects of method invocations on an object\u27;s state. To our knowledge, our approach is the first to combine the control-flow with information about the values of variables. Our ADABU tool is able to mine object behavior models from the executions of large interactive JAVA programs. To investigate the usefulness of our technique, we study two different applications of object behavior models: Mining Specifications Many existing verification techniques are difficult to apply because in practice the necessary specifications are missing. We use ADABU to automatically mine specifications from the execution of test suites. To enrich these specifications, our TAUTOKO tool systematically generates test cases that exercise previously uncovered behavior. Our results show that, when fed into a typestate verifier, such enriched specifications are able to detect more bugs than the original versions. Generating Fixes We present PACHIKA, a tool to automatically generate possible fixes for failing program runs. Our approach uses object behavior models to compare passing and failing runs. Differences in the models both point to anomalies and suggest possible ways to fix the anomaly. In a controlled experiment, PACHIKA was able to synthesize fixes for real bugs mined from the history of two open-source projects.Diese Arbeit stellt einen neuen Ansatz zur Modellierung des Verhaltens eines Programmes zur Laufzeit vor. Wir nutzen die Struktur Objektorientierter Programme aus um Modelle zu erzeugen, die das Verhalten einzelner Objekte beschreiben. Unser Ansatz generiert Objektverhaltensmodelle, endliche Automaten deren Zustände unterschiedlichen Zuständen des Objektes entsprechen. Zustandsübergänge im Automaten werden durch Methodenaufrufe ausgelöst. Diese Modelle erfassen die Auswirkungen von Methodenaufrufen auf den Zustand eines Objektes. Nach unserem Kenntnisstand ist unser Ansatz der Erste, der Informationen über den Kontrollfluss eines Programms mit den Werten von Variablen kombiniert. Unser ADABU Prototyp ist in der Lage, Objektverhaltensmodelle von Ausführungen großer JAVA Programme zu lernen. Um die Anwendbarkeit unseres Ansatzes in der Praxis zu untersuchen, haben wir zwei unterschiedliche Anwendungen von Objektverhaltensmodellen untersucht: Lernen von Spezifikationen: Viele Ansätze zur Programmverifikation sind in der Praxis schwierig zu verwenden, da die notwendigen Spezifikationen fehlen. Wir verwenden ADABU um Spezifikationen von der Ausführung automatischer Tests zu lernen. Um die Spezifikationen zu vervollständigen generiert der TAUTOKO Prototyp systematisch Tests, die gezielt neues Verhalten abtesten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass derart vervollständigte Spezifikationen für ein spezielles Verifikationsverfahren namens \u27;Typestate Verification\u27; wesentlich mehr Fehler finden als die ursprünglichen Spezifikationen. Automatische Programmkorrektur: Wir stellen PACHIKA vor, ein Werkzeug das automatisch mögliche Programmkorrekturen für fehlerhafte Programmläufe vorschlägt. Unser Ansatz verwendet Objektverhaltensmodelle um das Verhalten von normalen und fehlerhaften Läufen zu vergleichen. Unterschiede in den Modellen weisen auf Anomalien hin und zeigen mögliche Korrekturen auf. In einem kontrollierten Experiment war PACHIKA in der Lage, Korrekturen für echte Fehler aus der Versionsgeschichte zweier quelloffener Programme zu generieren