Consistency-by-Construction Techniques for Software Models and Model Transformations

A model is consistent with given specifications (specs) if and only if all the specifications are held on the model, i.e., all the specs are true (correct) for the model. Constructing consistent models (e.g., programs or artifacts) is vital during software development, especially in Model-Driven Engineering (MDE), where models are employed throughout the life cycle of software development phases (analysis, design, implementation, and testing). Models are usually written using domain-specific modeling languages (DSMLs) and specified to describe a domain problem or a system from different perspectives and at several levels of abstraction. If a model conforms to the definition of its DSML (denoted usually by a meta-model and integrity constraints), the model is consistent. Model transformations are an essential technology for manipulating models, including, e.g., refactoring and code generation in a (semi)automated way. They are often supposed to have a well-defined behavior in the sense that their resulting models are consistent with regard to a set of constraints. Inconsistent models may affect their applicability and thus the automation becomes untrustworthy and error-prone. The consistency of the models and model transformation results contribute to the quality of the overall modeled system. Although MDE has significantly progressed and become an accepted best practice in many application domains such as automotive and aerospace, there are still several significant challenges that have to be tackled to realize the MDE vision in the industry. Challenges such as handling and resolving inconsistent models (e.g., incomplete models), enabling and enforcing model consistency/correctness during the construction, fostering the trust in and use of model transformations (e.g., by ensuring the resulting models are consistent), developing efficient (automated, standardized and reliable) domain-specific modeling tools, and dealing with large models are continually making the need for more research evident. In this thesis, we contribute four automated interactive techniques for ensuring the consistency of models and model transformation results during the construction process. The first two contributions construct consistent models of a given DSML in an automated and interactive way. The construction can start at a seed model being potentially inconsistent. Since enhancing a set of transformations to satisfy a set of constraints is a tedious and error-prone task and requires high skills related to the theoretical foundation, we present the other contributions. They ensure model consistency by enhancing the behavior of model transformations through automatically constructing application conditions. The resulting application conditions control the applicability of the transformations to respect a set of constraints. Moreover, we provide several optimizing strategies. Specifically, we present the following: First, we present a model repair technique for repairing models in an automated and interactive way. Our approach guides the modeler to repair the whole model by resolving all the cardinalities violations and thereby yields a desired, consistent model. Second, we introduce a model generation technique to efficiently generate large, consistent, and diverse models. Both techniques are DSML-agnostic, i.e., they can deal with any meta-models. We present meta-techniques to instantiate both approaches to a given DSML; namely, we develop meta-tools to generate the corresponding DSML tools (model repair and generation) for a given meta-model automatically. We present the soundness of our techniques and evaluate and discuss their features such as scalability. Third, we develop a tool based on a correct-by-construction technique for translating OCL constraints into semantically equivalent graph constraints and integrating them as guaranteeing application conditions into a transformation rule in a fully automated way. A constraint-guaranteeing application condition ensures that a rule applies successfully to a model if and only if the resulting model after the rule application satisfies the constraint. Fourth, we propose an optimizing-by-construction technique for application conditions for transformation rules that need to be constraint-preserving. A constraint-preserving application condition ensures that a rule applies successfully to a consistent model (w.r.t. the constraint) if and only if the resulting model after the rule application still satisfies the constraint. We show the soundness of our techniques, develop them as ready-to-use tools, evaluate the efficiency (complexity and performance) of both works, and assess the overall approach in general as well. All our four techniques are compliant with the Eclipse Modeling Framework (EMF), which is the realization of the OMG standard specification in practice. Thus, the interoperability and the interchangeability of the techniques are ensured. Our techniques not only improve the quality of the modeled system but also increase software productivity by providing meta-tools for generating the DSML tool supports and automating the tasks

Automated reasoning for attributed graph properties

Graphs are ubiquitous in computer science. Moreover, in various application fields, graphs are equipped with attributes to express additional information such as names of entities or weights of relationships. Due to the pervasiveness of attributed graphs, it is highly important to have the means to express properties on attributed graphs to strengthen modeling capabilities and to enable analysis. Firstly, we introduce a new logic of attributed graph properties, where the graph part and attribution part are neatly separated. The graph part is equivalent to first-order logic on graphs as introduced by Courcelle. It employs graph morphisms to allow the specification of complex graph patterns. The attribution part is added to this graph part by reverting to the symbolic approach to graph attribution, where attributes are represented symbolically by variables whose possible values are specified by a set of constraints making use of algebraic specifications. Secondly, we extend our refutationally complete tableau-based reasoning method as well as our symbolic model generation approach for graph properties to attributed graph properties. Due to the new logic mentioned above, neatly separating the graph and attribution parts, and the categorical constructions employed only on a more abstract level, we can leave the graph part of the algorithms seemingly unchanged. For the integration of the attribution part into the algorithms, we use an oracle, allowing for flexible adoption of different available SMT solvers in the actual implementation. Finally, our automated reasoning approach for attributed graph properties is implemented in the tool AutoGraph integrating in particular the SMT solver Z3 for the attribute part of the properties. We motivate and illustrate our work with a particular application scenario on graph database query validation.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

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

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

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