Avoiding Unnecessary Information Loss: Correct and Efficient Model Synchronization Based on Triple Graph Grammars

Model synchronization, i.e., the task of restoring consistency between two interrelated models after a model change, is a challenging task. Triple Graph Grammars (TGGs) specify model consistency by means of rules that describe how to create consistent pairs of models. These rules can be used to automatically derive further rules, which describe how to propagate changes from one model to the other or how to change one model in such a way that propagation is guaranteed to be possible. Restricting model synchronization to these derived rules, however, may lead to unnecessary deletion and recreation of model elements during change propagation. This is inefficient and may cause unnecessary information loss, i.e., when deleted elements contain information that is not represented in the second model, this information cannot be recovered easily. Short-cut rules have recently been developed to avoid unnecessary information loss by reusing existing model elements. In this paper, we show how to automatically derive (short-cut) repair rules from short-cut rules to propagate changes such that information loss is avoided and model synchronization is accelerated. The key ingredients of our rule-based model synchronization process are these repair rules and an incremental pattern matcher informing about suitable applications of them. We prove the termination and the correctness of this synchronization process and discuss its completeness. As a proof of concept, we have implemented this synchronization process in eMoflon, a state-of-the-art model transformation tool with inherent support of bidirectionality. Our evaluation shows that repair processes based on (short-cut) repair rules have considerably decreased information loss and improved performance compared to former model synchronization processes based on TGGs.Comment: 33 pages, 20 figures, 3 table

A Comparison of Incremental Triple Graph Grammar Tools

Triple Graph Grammars (TGGs) are a graph-based and visual technique for specifying bidirectional model transformation. TGGs can be used to transform models from scratch (in the batch mode), but the real potential of TGGs lies in propagating updates incrementally. Existing TGG tools differ considerably in their incremental mode concerning underlying algorithms, user-oriented aspects, incremental update capabilities, and formal properties. Indeed, the different foci, strengths, and weaknesses of current TGG tools in the incremental mode are difficult to discern, especially for non-developers. In this paper, we close this gap by (i) identifying a set of criteria for a qualitative comparison of TGG tools in the incremental mode, (ii) comparing three prominent incremental TGG tools with regard to these criteria, and (iii) conducting a quantitative comparison by means of runtime measurements

Model consistency management for systems engineering

Um der Komplexität der interdisziplinären Entwicklung moderner technischer Systeme Herr zu werden, findet die Entwicklung heutzutage meist modellbasiert statt. Dabei werden zahlreiche verschiedene Modelle genutzt, die jeweils unterschiedliche Gesichtspunkte berücksichtigen und sich auf verschiedenen Abstraktionsebenen befinden. Wenn die hierbei auftretenden Inkonsistenzen zwischen den Modellen ungelöst bleiben, kann dies zu Fehlern im fertigen System führen. Modelltransformations- und -synchronisationstechniken sind ein vielversprechender Ansatz, um solche Inkonsistenzen zu erkennen und aufzulösen. Existierende Modellsynchronisationstechniken sind allerdings nicht mächtig genug, um die komplexen Beziehungen in so einem Entwicklungsszenario zu unterstützen. In dieser Arbeit wird eine neue Modellsynchronisationstechnik präsentiert, die es erlaubt, Modelle verschiedener Sichten und Abstraktionsebenen zu synchronisieren. Dabei werden Metriken zur Erhöhung des Automatisierungsgrads eingesetzt, die Expertenwissen abbilden. Der Ansatz erlaubt unterschiedliche Grade an Benutzerinteraktion, von vollautomatischer Funktionsweise bis zu feingranularen manuellen Entscheidungen.The development of complex mechatronic systems requires the close collaboration of different disciplines, like mechanical engineering, electrical engineering, control engineering, and software engineering. To tackle the complexity of such systems, such a development is heavily based on models. Engineers use several models on different abstraction levels, for different purposes and with different view-points. Usually, a discipline-spanning system model is developed during the first, interdisciplinary system design phase. For the implementation phase, the disciplines use different models and tools to develop the discipline-specific aspects of the system. During such a model-based development, inconsistencies between the different discipline-specific models and the discipline-spanning system model are likely to occur, because changes to discipline-specific models may affect the discipline-spanning system model and models of other disciplines. These inconsistencies lead to increased development time and costs if they remain unresolved. Model transformation and synchronization are promising techniques to detect and resolve such inconsistencies. However, existing model synchronization solutions are not powerful enough to support the complex consistency relations of such an application scenario. In this thesis, we present a novel model synchronization technique that allows for synchronized models with multiple views and abstraction levels. To minimize the information loss and improve automation during the synchronization, it employs metrics to encode expert knowledge. The approach can be customized to allow different amounts of user interaction, from full automation to fine-grained manual decisions.Tag der Verteidigung: 24.10.2014Paderborn, Univ., Diss., 201

Linked Data for Transaction Based Enterprise Interoperability

Interoperability is of major importance in B2B environments. Starting with EDI in the ‘80s, currently interoperability relies heavily on XML-based standards. Although having great impact, still issues remain to be solved for improving B2B interoperability. These issues include lack of dynamics, cost of implementations, adoption and cross-industry exchange. Linked Data (part of the Semantic Web) technology, although originally not intended for the B2B domain, holds the promise of overcoming some of these issues. This paper explores the potential of linked data technology within a B2B context by introducing and studying six scenarios for combining from light to heavy weight ‘traditional’ standards with Linked Data technology. This research shows that using Linked Data technology has most potential for specifying semantics formally. This provides the ‘best of both worlds’ solution, in which legacy systems remain unaltered, and developers are supported in (semi) automated generation of transformation schema’s to overcome different standards

Incremental parallel and distributed systems

Incremental computation strives for efficient successive runs of applications by re-executing only those parts of the computation that are affected by a given input change instead of recomputing everything from scratch. To realize the benefits of incremental computation, researchers and practitioners are developing new systems where the application programmer can provide an efficient update mechanism for changing application data. Unfortunately, most of the existing solutions are limiting because they not only depart from existing programming models, but also require programmers to devise an incremental update mechanism (or a dynamic algorithm) on a per-application basis. In this thesis, we present incremental parallel and distributed systems that enable existing real-world applications to automatically benefit from efficient incremental updates. Our approach neither requires departure from current models of programming, nor the design and implementation of dynamic algorithms. To achieve these goals, we have designed and built the following incremental systems: (i) Incoop — a system for incremental MapReduce computation; (ii) Shredder — a GPU-accelerated system for incremental storage; (iii) Slider — a stream processing platform for incremental sliding window analytics; and (iv) iThreads — a threading library for parallel incremental computation. Our experience with these systems shows that significant performance can be achieved for existing applications without requiring any additional effort from programmers.Inkrementelle Berechnungen ermöglichen die effizientere Ausführung aufeinanderfolgender Anwendungsaufrufe, indem nur die Teilbereiche der Anwendung erneut ausgefürt werden, die von den Änderungen der Eingabedaten betroffen sind. Dieses Berechnungsverfahren steht dem konventionellen und vollständig neu berechnenden Verfahren gegenüber. Um den Vorteil inkrementeller Berechnungen auszunutzen, entwickeln sowohl Wissenschaft als auch Industrie neue Systeme, bei denen der Anwendungsprogrammierer den effizienten Aktualisierungsmechanismus für die Änderung der Anwendungsdaten bereitstellt. Bedauerlicherweise lassen sich existierende Lösungen meist nur eingeschränkt anwenden, da sie das konventionelle Programmierungsmodel beibehalten und dadurch die erneute Entwicklung vom Programmierer des inkrementellen Aktualisierungsmechanismus (oder einen dynamischen Algorithmus) für jede Anwendung verlangen. Diese Doktorarbeit stellt inkrementelle Parallele- und Verteiltesysteme vor, die es existierenden Real-World-Anwendungen ermöglichen vom Vorteil der inkre- mentellen Berechnung automatisch zu profitieren. Unser Ansatz erfordert weder eine Abkehr von gegenwärtigen Programmiermodellen, noch Design und Implementierung von anwendungsspezifischen dynamischen Algorithmen. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir die folgenden Systeme zur inkrementellen parallelen und verteilten Berechnung entworfen und implementiert: (i) Incoop — ein System für inkrementelle Map-Reduce-Programme; (ii) Shredder — ein GPU- beschleunigtes System zur inkrementellen Speicherung; (iii) Slider — eine Plat- tform zur Batch-basierten Streamverarbeitung via inkrementeller Sliding-Window- Berechnung; und (iv) iThreads — eine Threading-Bibliothek zur parallelen inkre- mentellen Berechnung. Unsere Erfahrungen mit diesen Systemen zeigen, dass unsere Methoden sehr gute Performanz liefern können, und dies ohne weiteren Aufwand des Programmierers

Incremental parallel and distributed systems

Incremental computation strives for efficient successive runs of applications by re-executing only those parts of the computation that are affected by a given input change instead of recomputing everything from scratch. To realize the benefits of incremental computation, researchers and practitioners are developing new systems where the application programmer can provide an efficient update mechanism for changing application data. Unfortunately, most of the existing solutions are limiting because they not only depart from existing programming models, but also require programmers to devise an incremental update mechanism (or a dynamic algorithm) on a per-application basis. In this thesis, we present incremental parallel and distributed systems that enable existing real-world applications to automatically benefit from efficient incremental updates. Our approach neither requires departure from current models of programming, nor the design and implementation of dynamic algorithms. To achieve these goals, we have designed and built the following incremental systems: (i) Incoop — a system for incremental MapReduce computation; (ii) Shredder — a GPU-accelerated system for incremental storage; (iii) Slider — a stream processing platform for incremental sliding window analytics; and (iv) iThreads — a threading library for parallel incremental computation. Our experience with these systems shows that significant performance can be achieved for existing applications without requiring any additional effort from programmers.Inkrementelle Berechnungen ermöglichen die effizientere Ausführung aufeinanderfolgender Anwendungsaufrufe, indem nur die Teilbereiche der Anwendung erneut ausgefürt werden, die von den Änderungen der Eingabedaten betroffen sind. Dieses Berechnungsverfahren steht dem konventionellen und vollständig neu berechnenden Verfahren gegenüber. Um den Vorteil inkrementeller Berechnungen auszunutzen, entwickeln sowohl Wissenschaft als auch Industrie neue Systeme, bei denen der Anwendungsprogrammierer den effizienten Aktualisierungsmechanismus für die Änderung der Anwendungsdaten bereitstellt. Bedauerlicherweise lassen sich existierende Lösungen meist nur eingeschränkt anwenden, da sie das konventionelle Programmierungsmodel beibehalten und dadurch die erneute Entwicklung vom Programmierer des inkrementellen Aktualisierungsmechanismus (oder einen dynamischen Algorithmus) für jede Anwendung verlangen. Diese Doktorarbeit stellt inkrementelle Parallele- und Verteiltesysteme vor, die es existierenden Real-World-Anwendungen ermöglichen vom Vorteil der inkre- mentellen Berechnung automatisch zu profitieren. Unser Ansatz erfordert weder eine Abkehr von gegenwärtigen Programmiermodellen, noch Design und Implementierung von anwendungsspezifischen dynamischen Algorithmen. Um dieses Ziel zu erreichen, haben wir die folgenden Systeme zur inkrementellen parallelen und verteilten Berechnung entworfen und implementiert: (i) Incoop — ein System für inkrementelle Map-Reduce-Programme; (ii) Shredder — ein GPU- beschleunigtes System zur inkrementellen Speicherung; (iii) Slider — eine Plat- tform zur Batch-basierten Streamverarbeitung via inkrementeller Sliding-Window- Berechnung; und (iv) iThreads — eine Threading-Bibliothek zur parallelen inkre- mentellen Berechnung. Unsere Erfahrungen mit diesen Systemen zeigen, dass unsere Methoden sehr gute Performanz liefern können, und dies ohne weiteren Aufwand des Programmierers

Formal Foundations for Information-Preserving Model Synchronization Processes Based on Triple Graph Grammars

Zwischen verschiedenen Artefakten, die Informationen teilen, wieder Konsistenz herzustellen, nachdem eines von ihnen geändert wurde, ist ein wichtiges Problem, das in verschiedenen Bereichen der Informatik auftaucht. Mit dieser Dissertation legen wir eine Lösung für das grundlegende Modellsynchronisationsproblem vor. Bei diesem Problem ist ein Paar solcher Artefakte (Modelle) gegeben, von denen eines geändert wurde; Aufgabe ist die Wiederherstellung der Konsistenz. Tripelgraphgrammatiken (TGGs) sind ein etablierter und geeigneter Formalismus, um dieses und verwandte Probleme anzugehen. Da sie auf der algebraischen Theorie der Graphtransformation und dem (Double-)Pushout Zugang zu Ersetzungssystemen basieren, sind sie besonders geeignet, um Lösungen zu entwickeln, deren Eigenschaften formal bewiesen werden können. Doch obwohl TGG-basierte Ansätze etabliert sind, leiden viele von ihnen unter dem Problem des Informationsverlustes. Wenn ein Modell geändert wurde, können während eines Synchronisationsprozesses Informationen verloren gehen, die nur im zweiten Modell vorliegen. Das liegt daran, dass solche Synchronisationsprozesse darauf zurückfallen Konsistenz dadurch wiederherzustellen, dass sie das geänderte Modell (bzw. große Teile von ihm) neu übersetzen. Wir schlagen einen TGG-basierten Ansatz vor, der fortgeschrittene Features von TGGs unterstützt (Attribute und negative Constraints), durchgängig formalisiert ist, implementiert und inkrementell in dem Sinne ist, dass er den Informationsverlust im Vergleich mit vorherigen Ansätzen drastisch reduziert. Bisher gibt es keinen TGG-basierten Ansatz mit vergleichbaren Eigenschaften. Zentraler Beitrag dieser Dissertation ist es, diesen Ansatz formal auszuarbeiten und seine wesentlichen Eigenschaften, nämlich Korrektheit, Vollständigkeit und Termination, zu beweisen. Die entscheidende neue Idee unseres Ansatzes ist es, Reparaturregeln anzuwenden. Dies sind spezielle Regeln, die es erlauben, Änderungen an einem Modell direkt zu propagieren anstatt auf Neuübersetzung zurückzugreifen. Um diese Reparaturregeln erstellen und anwenden zu können, entwickeln wir grundlegende Beiträge zur Theorie der algebraischen Graphtransformation. Zunächst entwickeln wir eine neue Art der sequentiellen Komposition von Regeln. Im Gegensatz zur gewöhnlichen Komposition, die zu Regeln führt, die Elemente löschen und dann wieder neu erzeugen, können wir Regeln herleiten, die solche Elemente stattdessen bewahren. Technisch gesehen findet der Synchronisationsprozess, den wir entwickeln, außerdem in der Kategorie der partiellen Tripelgraphen statt und nicht in der der normalen Tripelgraphen. Daher müssen wir sicherstellen, dass die für Double-Pushout-Ersetzungssysteme ausgearbeitete Theorie immer noch gültig ist. Dazu entwickeln wir eine (kategorientheoretische) Konstruktion neuer Kategorien aus gegebenen und zeigen, dass (i) diese Konstruktion die Axiome erhält, die nötig sind, um die Theorie für Double-Pushout-Ersetzungssysteme zu entwickeln, und (ii) partielle Tripelgraphen als eine solche Kategorie konstruiert werden können. Zusammen ermöglichen diese beiden grundsätzlichen Beiträge es uns, unsere Lösung für das grundlegende Modellsynchronisationsproblem vollständig formal auszuarbeiten und ihre zentralen Eigenschaften zu beweisen.Restoring consistency between different information-sharing artifacts after one of them has been changed is an important problem that arises in several areas of computer science. In this thesis, we provide a solution to the basic model synchronization problem. There, a pair of such artifacts (models), one of which has been changed, is given and consistency shall be restored. Triple graph grammars (TGGs) are an established and suitable formalism to address this and related problems. Being based on the algebraic theory of graph transformation and (double-)pushout rewriting, they are especially suited to develop solutions whose properties can be formally proven. Despite being established, many TGG-based solutions do not satisfactorily deal with the problem of information loss. When one model is changed, in the process of restoring consistency such solutions may lose information that is only present in the second model because the synchronization process resorts to restoring consistency by re-translating (large parts of) the updated model. We introduce a TGG-based approach that supports advanced features of TGGs (attributes and negative constraints), is comprehensively formalized, implemented, and is incremental in the sense that it drastically reduces the amount of information loss compared to former approaches. Up to now, a TGG-based approach with these characteristics is not available. The central contribution of this thesis is to formally develop that approach and to prove its essential properties, namely correctness, completeness, and termination. The crucial new idea in our approach is the use of repair rules, which are special rules that allow one to directly propagate changes from one model to the other instead of resorting to re-translation. To be able to construct and apply these repair rules, we contribute more fundamentally to the theory of algebraic graph transformation. First, we develop a new kind of sequential rule composition. Whereas the conventional composition of rules leads to rules that delete and re-create elements, we can compute rules that preserve such elements instead. Furthermore, technically the setting in which the synchronization process we develop takes place is the category of partial triple graphs and not the one of ordinary triple graphs. Hence, we have to ensure that the elaborate theory of double-pushout rewriting still applies. Therefore, we develop a (category-theoretic) construction of new categories from given ones and show that (i) this construction preserves the axioms that are necessary to develop the theory of double-pushout rewriting and (ii) partial triple graphs can be constructed as such a category. Together, those two more fundamental contributions enable us to develop our solution to the basic model synchronization problem in a fully formal manner and to prove its central properties

Fundamental Approaches to Software Engineering

This open access book constitutes the proceedings of the 23rd International Conference on Fundamental Approaches to Software Engineering, FASE 2020, which took place in Dublin, Ireland, in April 2020, and was held as Part of the European Joint Conferences on Theory and Practice of Software, ETAPS 2020. The 23 full papers, 1 tool paper and 6 testing competition papers presented in this volume were carefully reviewed and selected from 81 submissions. The papers cover topics such as requirements engineering, software architectures, specification, software quality, validation, verification of functional and non-functional properties, model-driven development and model transformation, software processes, security and software evolution