Implicit Incremental Model Analyses and Transformations

When models of a system change, analyses based on them have to be reevaluated in order for the results to stay meaningful. In many cases, the time to get updated analysis results is critical. This thesis proposes multiple, combinable approaches and a new formalism based on category theory for implicitly incremental model analyses and transformations. The advantages of the implementation are validated using seven case studies, partially drawn from the Transformation Tool Contest (TTC)

Implicit Incremental Model Analyses and Transformations

In vielen Ingenieursdisziplinen werden Modelle verwendet, um Systeme verschiedenster Art auf einem hohen Abstraktionsgrad zu beschreiben. Auf diesem Abstraktionsgrad ist es häufig einfacher, Aussagen über den Zustand des Systems zu treffen. Wenn sich Modelle eines Systems ändern – beispielsweise, weil sich das System selbst geändert hat – müssen Analysen auf Grundlage dieses Modells jedoch neu berechnet werden, um weiterhin gültig zu sein. In vielen Fällen ist diese Neuberechnung der Analyseergebnisse zeitkritisch. Da sich oft nur kleine Teile des Modells ändern, könnten zwar große Teile des letzten Analysedurchlaufs durch eine inkrementelle Ausführung der Analyse wiederverwendet werden, in der Praxis ist eine solche Inkrementalisierung aber nicht trivial und oft fehleranfällig. Eine Lösungsmöglichkeit für dieses Problem bietet der Ansatz der impliziten Inkrementalisierung, bei der ein inkrementeller Algorithmus für eine gegebene Analyse aus der Batch-Spezifikation abgeleitet wird. Aus der Spezifikation wird ein dynamischer Abhängigkeitsgraph konstruiert, der es erlaubt, nur die Teile einer Analyse neu auszuwerten, die von einer Änderung tatsächlich betroffen sind. Damit lassen sich Vorteile einer Inkrementalisierung nutzen, ohne dass der Code angepasst werden muss und die Lesbarkeit des Analysecodes leidet. Leider unterstützen derzeitige Verfahren für implizite Inkrementalisierung nur eine bestimmte Klasse von Analysen, sind auf eine Inkrementalisierung auf Ebene von einzelnen Instruktionen beschränkt oder benötigen eine explizite Zustandsverwaltung. Auch mit diesen Verbesserungen ist unklar, in welchen Fällen eine Inkrementalisierung Vorteile bringt, da in einigen Szenarien Änderungen Schmetterlingseffekte verursachen können und eine Wiederverwertung des letzten Analysedurchlaufs keinerlei Beschleunigungspotential hat. Diese Dissertation behandelt diese Probleme bei impliziter Inkrementalisierung von Modellanalysen mittels mehrerer Verfahren, die größtenteils kombinierbar sind. Desweiteren wird ein neuer Formalismus vorgestellt, mit dessen Hilfe Inkrementalisierungssysteme auch für uni- oder bidirektionale Modelltransformationen einsetzbar sind. Um die Korrektheit der entstehenden inkrementellen Modellanalysen zu definieren und zu zeigen, wird Inkrementalisierung in Kategorientheorie als Funktor beschrieben. Ein erstes Verfahren ermöglicht als direkte Konsequenz der formalen Darstellung die Inkrementalisierung auf Ebene von Methodenaufrufen, sodass für häufig verwendete Operatoren eine optimierte Inkrementalisierung zur Verfügung gestellt werden kann. Durch Erweiterung des Funktors auf Verteilung lassen sich auf ähnliche Weise auch etwaige Speicherprobleme lösen. Ein zweites Verfahren vereinfacht die entstehenden dynamischen Abhängigkeitsgraphen, indem Teile der Analyse durch eine generalisierte Betrachtung von Modelländerungen mit mehreren Strategien zusammengefasst werden können. Die Auswahl der Strategien ermöglicht dem Entwickler eine Anpassung der Inkrementalisierung auf einen konkreten Anwendungsfall. Alternativ kann für ein gegebenes Szenario auch durch automatische Entwurfsraumexploration eine (Pareto-) optimale Konfiguration hinsichtlich Speicherverbrauch und Antwortzeit der Aktualisierung eines Analyseergebnisses nach einer Modelländerung gefunden werden. Die Kombination dieser Verfahren ermöglicht es, die Performanz von Inkrementalisierungen so zu verbessern, dass diese bis auf einmalige Initialisierung nie schlechter ist als die batchmäßige Wiederholung der Analyse, in vielen Fällen aber teils deutlich schneller sein kann. Generische Operatoren, die in vielen Modellanalysen wiederverwendet werden, können für die Inkrementalisierung durch geeignete Algorithmen spezifisch optimiert werden, während komplexe Domänenlogik durch das System optimiert werden kann. Durch den impliziten Ansatz geschehen diese Verbesserungen vollautomatisch und transparent für den Entwickler der Modellanalyse. Obwohl der so geschaffene Ansatz Turing-mächtig und somit universell einsetzbar ist, gibt es doch gerade in der modellgetriebenen Entwicklung eine Klasse von Artefakten, die eine besondere Betrachtung erfordern, da sie sich im Allgemeinen nur schwer mit gewöhnlichen objekt-orientierten Sprachen beschreiben lassen: Modelltransformationen. Daher wird in dieser Dissertation ein neuer Formalismus und eine darauf aufbauende Sprache vorgestellt, die Modelltransformationen so beschreiben, dass diese leicht mit Hilfe eines Inkrementalisierungssystems inkrementell ausgeführt werden können. Die Synchronisierung einer Modelländerung ist hierbei bewiesen korrekt und hippokratisch. Alle Verfahren wurden implementiert und in das .NET Modeling Framework integriert, welches Entwickler auf der .NET Plattform bei der modellgetriebenen Entwicklung unterstützen soll. Die entstandenen Vorteile aller Verfahren hinsichtlich Performanz werden anhand von sieben Fallstudien in verschiedenen Domänen validiert. Insbesondere werden hierzu fünf Fallstudien des Transformation Tool Contests (TTC) der Jahre 2015 bis 2017 herangezogen, für die auch mit anderen Ansätzen verfasste Lösungen zur Verfügung stehen. Die Ausdrucksmächtigkeit der Modelltransformationssprache wird durch eine Transformation der in der modellgetriebenen Entwicklung weit verbreiteten Transformationssprache ATL in die neu geschaffene Transformationssprache validiert. Mithilfe dieser Transformation wird weiterhin die Ausführungsgeschwindigkeit von Modelltransformationen mit der von ATL in einigen Modelltransformationen verglichen. Die Ergebnisse aus den Fallstudien zeigen gerade bei der Anwendung des Inkrementalisierungssystems auf Modelltransformationen deutliche Performance-Steigerungen im Vergleich zu herkömmlichen Modelltransformationen, aber auch gegenüber anderen inkrementellen Modelltransformationssprachen zeigt der vorgestellte Ansatz deutliche Beschleunigungen, teils um mehrere Größenordnungen. Insbesondere weisen die Fallstudien darauf hin, dass die benötigte Zeit für die Propagation von Änderungen des Eingabemodells in vielen Fällen unabhängig von der Größe des Eingabemodells ist. Gerade bei großen Eingabemodellen kommen so sehr hohe Beschleunigungen zustande. Die Inkrementalisierung einer Analyse ist dabei immer an das Metamodell gebunden. In der Praxis verwenden aber die meisten eingesetzten Metamodelle nur den eingeschränkten Modellierungsstandard EMOF, der teilweise zu einer unnötigen Komplexität des Metamodells führt und viele Analysen überhaupt erst notwendig macht. Eine Erweiterung des Modellierungsstandards kann hier einige Klassen von Modellanalysen komplett überflüssig machen und andere Analysen deutlich vereinfachen, sowie auch die Performance der entsprechenden Analyse beschleunigen

Quantitative Modeling and Verification of Evolving Software

Mit der steigenden Nachfrage nach Innovationen spielt Software in verschiedenenWirtschaftsbereichen eine wichtige Rolle, wie z.B. in der Automobilindustrie, bei intelligenten Systemen als auch bei Kommunikationssystemen. Daher ist die Qualität für die Softwareentwicklung von großer Bedeutung. Allerdings ändern sich die probabilistische Modelle (die Qualitätsbewertungsmodelle) angesichts der dynamischen Natur moderner Softwaresysteme. Dies führt dazu, dass ihre Übergangswahrscheinlichkeiten im Laufe der Zeit schwanken, welches zu erheblichen Problemen führt. Dahingehend werden probabilistische Modelle im Hinblick auf ihre Laufzeit kontinuierlich aktualisiert. Eine fortdauernde Neubewertung komplexer Wahrscheinlichkeitsmodelle ist jedoch teuer. In letzter Zeit haben sich inkrementelle Ansätze als vielversprechend für die Verifikation von adaptiven Systemen erwiesen. Trotzdem wurden bei der Bewertung struktureller Änderungen im Modell noch keine wesentlichen Verbesserungen erzielt. Wahrscheinlichkeitssysteme werden als Automaten modelliert, wie bei Markov-Modellen. Solche Modelle können in Matrixform dargestellt werden, um die Gleichungen basierend auf Zuständen und Übergangswahrscheinlichkeiten zu lösen. Laufzeitmodelle wie Matrizen sind nicht signifikant, um die Auswirkungen von Modellveränderungen erkennen zu können. In dieser Arbeit wird ein Framework unter Verwendung stochastischer Bäume mit regulären Ausdrücken entwickelt, welches modular aufgebaut ist und eine aktionshaltige sowie probabilistische Logik im Kontext der Modellprüfung aufweist. Ein solches modulares Framework ermöglicht dem Menschen die Entwicklung der Änderungsoperationen für die inkrementelle Berechnung lokaler Änderungen, die im Modell auftreten können. Darüber hinaus werden probabilistische Änderungsmuster beschrieben, um eine effiziente inkrementelle Verifizierung, unter Verwendung von Bäumen mit regulären Ausdrücken, anwenden zu können. Durch die Bewertung der Ergebnisse wird der Vorgang abgeschlossen.Software plays an innovative role in many different domains, such as car industry, autonomous and smart systems, and communication. Hence, the quality of the software is of utmost importance and needs to be properly addressed during software evolution. Several approaches have been developed to evaluate systems’ quality attributes, such as reliability, safety, and performance of software. Due to the dynamic nature of modern software systems, probabilistic models representing the quality of the software and their transition probabilities change over time and fluctuate, leading to a significant problem that needs to be solved to obtain correct evaluation results of quantitative properties. Probabilistic models need to be continually updated at run-time to solve this issue. However, continuous re-evaluation of complex probabilistic models is expensive. Recently, incremental approaches have been found to be promising for the verification of evolving and self-adaptive systems. Nevertheless, substantial improvements have not yet been achieved for evaluating structural changes in the model. Probabilistic systems are usually represented in a matrix form to solve the equations based on states and transition probabilities. On the other side, evolutionary changes can create various effects on theese models and force them to re-verify the whole system. Run-time models, such as matrices or graph representations, lack the expressiveness to identify the change effect on the model. In this thesis, we develop a framework using stochastic regular expression trees, which are modular, with action-based probabilistic logic in the model checking context. Such a modular framework enables us to develop change operations for the incremental computation of local changes that can occur in the model. Furthermore, we describe probabilistic change patterns to apply efficient incremental quantitative verification using stochastic regular expression trees and evaluate our results

Contrasting dedicated model transformation languages versus general purpose languages: a historical perspective on ATL versus Java based on complexity and size

Model transformations are among the key concepts of model-driven engineering (MDE), and dedicated model transformation languages (MTLs) emerged with the popularity of the MDE pssaradigm about 15 to 20 years ago. MTLs claim to increase the ease of development of model transformations by abstracting from recurring transformation aspects and hiding complex semantics behind a simple and intuitive syntax. Nonetheless, MTLs are rarely adopted in practice, there is still no empirical evidence for the claim of easier development, and the argument of abstraction deserves a fresh look in the light of modern general purpose languages (GPLs) which have undergone a significant evolution in the last two decades. In this paper, we report about a study in which we compare the complexity and size of model transformations written in three different languages, namely (i) the Atlas Transformation Language (ATL), (ii) Java SE5 (2004–2009), and (iii) Java SE14 (2020); the Java transformations are derived from an ATL specification using a translation schema we developed for our study. In a nutshell, we found that some of the new features in Java SE14 compared to Java SE5 help to significantly reduce the complexity of transformations written in Java by as much as 45%. At the same time, however, the relative amount of complexity that stems from aspects that ATL can hide from the developer, which is about 40% of the total complexity, stays about the same. Furthermore we discovered that while transformation code in Java SE14 requires up to 25% less lines of code, the number of words written in both versions stays about the same. And while the written number of words stays about the same their distribution throughout the code changes significantly. Based on these results, we discuss the concrete advancements in newer Java versions. We also discuss to which extent new language advancements justify writing transformations in a general purpose language rather than a dedicated transformation language. We further indicate potential avenues for future research on the comparison of MTLs and GPLs in a model transformation context.Universität Ulm (1055)Peer Reviewe