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

Foundations of Software Science and Computation Structures

This open access book constitutes the proceedings of the 23rd International Conference on Foundations of Software Science and Computational Structures, FOSSACS 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 31 regular papers presented in this volume were carefully reviewed and selected from 98 submissions. The papers cover topics such as categorical models and logics; language theory, automata, and games; modal, spatial, and temporal logics; type theory and proof theory; concurrency theory and process calculi; rewriting theory; semantics of programming languages; program analysis, correctness, transformation, and verification; logics of programming; software specification and refinement; models of concurrent, reactive, stochastic, distributed, hybrid, and mobile systems; emerging models of computation; logical aspects of computational complexity; models of software security; and logical foundations of data bases.

Foundations of Software Science and Computation Structures

This open access book constitutes the proceedings of the 23rd International Conference on Foundations of Software Science and Computational Structures, FOSSACS 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 31 regular papers presented in this volume were carefully reviewed and selected from 98 submissions. The papers cover topics such as categorical models and logics; language theory, automata, and games; modal, spatial, and temporal logics; type theory and proof theory; concurrency theory and process calculi; rewriting theory; semantics of programming languages; program analysis, correctness, transformation, and verification; logics of programming; software specification and refinement; models of concurrent, reactive, stochastic, distributed, hybrid, and mobile systems; emerging models of computation; logical aspects of computational complexity; models of software security; and logical foundations of data bases.