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

Instance Generation from Type Graphs with Arbitrary Multiplicities

Meta modeling is a wide-spread technique to define visual languages, with the UML being the most prominent one. Despite several advantages of meta modeling such as ease of use, the meta modeling approach has a major disadvantage: It does not offer a direct means for generating its language elements. This disadvantage poses a severe limitation on certain applications. For example, when developing model transformations, it is desirable to have enough valid instance models available for large-scale testing. Producing such a large set by hand is tedious. In the related problem of compiler testing, a string grammar together with a simple generation algorithm is typically used to produce words of the language automatically. In this paper, we formalize a restricted form of meta-models by type graphs with multiplicities and introduce instance-generating graph grammars for creating instance graphs representing the abstract syntax structures of models. Thereby, a further step is taken to overcome the main deficit of the meta-modeling approach

A formal approach to finding inconsistencies in a metamodel

Checking the consistency of a metamodel involves finding a valid metamodel instance that provably meets the set of constraints that are defined over the metamodel. These constraints are often specified in Object Constraint Language. Often, a metamodel is inconsistent due to conflicts among the constraints. Existing approaches and tools are typically incapable of pinpointing the conflicting constraints, and this makes it difficult for users to debug and fix their metamodels. In this paper, we present a formal approach for locating conflicting constraints in inconsistent metamodels. Our approach has four distinct features: (1) users can rank individual metamodel features using their own domain-specific knowledge, (2) we transform these ranked features to a weighted maximum satisfiability modulo theories problem and solve it to compute the set of maximum achievable features, (3) we pinpoint the conflicting constraints by solving the set cover problem using a novel algorithm, and (4) we have implemented our approach into a fully automated tool called MaxUSE. Our evaluation results, using our assembled set of benchmarks, demonstrate the scalability of our work and that it is capable of efficiently finding conflicting constraints

Step 0: An Idea for Automatic OCL Benchmark Generation

Model Driven Engineering (MDE) is an important software development paradigm. Within this paradigm, models and constraints are essential components for expressing specifications of a software artefact. Object Constraint Language (OCL), a specification language that allows users to freely express constraints over different model features. However, one major issue is that the lack of OCL benchmarks makes difficult to evaluate existing and newly created OCL tools. In this paper, we present our initial idea about automatic OCL benchmark generation. The purpose of this paper is to show a developing idea rather than presenting a more formal and complete approach. Our idea is to use an OCL metamodel to sketch abstract syntax trees for OCL expressions, and solve generated typing constraints to produce the concrete OCL expressions. We illustrate this idea by using an example, discuss our work-in-progress and outline challenges to be tackled in the future

A Query-based Approach for Verifying UML Class Diagrams with OCL Invariants.

Verifying whether a UML class diagram is consistent involves finding valid instances that provably meet its constraints defined in Object Constraint Language (OCL). Recent studies have shown that many existing tools and techniques not only can find valid instances but also pinpoint the conflicts among the OCL constraints. However, they do not scale well and are often unable to locate the conflicts when the number of OCL constraints significantly increases. In this paper, we present a novel approach that is capable of verifying UML class diagrams with a large number of OCL constraints. Our approach has two distinct features: (1) it provides a query language that allows users to choose parts of a UML class diagram to be verified. (2) a new algorithm that can handle an extreme size of OCL invariants via concurrent verification. We have implemented a new automated tool called: QMaxUSE. The evaluation results suggest that QMaxUSE has the potential to be adapted by industry and offers up to 30x efficiency improvement in verifying UML class diagrams with a large number of OCL constraints

Specification Languages for Preserving Consistency between Models of Different Languages

In dieser Dissertation stellen wir drei Sprachen für die Entwicklung von Werkzeugen vor, welche Systemrepräsentationen während der Softwareentwicklung konsistent halten. Bei der Entwicklung komplexer informationstechnischer Systeme ist es üblich, mehrere Programmiersprachen und Modellierungssprachen zu nutzen. Dabei werden Teile des Systems mit unterschiedlichen Sprachen konstruiert und dargestellt, um verschiedene Entwurfs- und Entwicklungstätigkeiten zu unterstützen. Die übergreifende Struktur eines Systems wird beispielsweise oft mit Hilfe einer Architekturbeschreibungssprache dargestellt. Für die Spezifikation des detaillierten Verhaltens einzelner Systemteile ist hingegen eine zustandsbasierte Modellierungssprache oder eine Allzweckprogrammiersprache geeigneter. Da die Systemteile und Entwicklungstätigkeiten in Beziehung zueinander stehen, enthalten diese Repräsentationen oftmals auch redundante Informationen. Solche partiell redundanten Repräsentationen werden meist nicht statisch genutzt, sondern evolvieren während der Systementwicklung, was zu Inkonsistenzen und damit zu fehlerhaften Entwürfen und Implementierungen führen kann. Daher sind konsistente Systemrepräsentationen entscheidend für die Entwicklung solcher Systeme. Es gibt verschiedene Ansätze, die konsistente Systemrepräsentationen dadurch erreichen, dass Inkonsistenzen vermieden werden. So ist es beispielsweise möglich, eine zentrale, redundanzfreie Repräsentation zu erstellen, welche alle Informationen enthält, um alle anderen Repräsentationen daraus projizieren zu können. Es ist jedoch nicht immer praktikabel solch eine redundanzfreie Repräsentation und editierbare Projektionen zu erstellen, insbesondere wenn existierende Sprachen und Editoren unterstützt werden müssen. Eine weitere Möglichkeit zur Umgehung von Inkonsistenzen besteht darin Änderungen einzelner Informationen nur an einer eindeutigen Quellrepräsentation zuzulassen, sodass alle anderen Repräsentationen diese Information nur lesen können. Dadurch können solche Informationen in allen lesend zugreifenden Repräsentationen immer überschrieben werden, jedoch müssen dazu alle editierbaren Repräsentationsbereiche komplett voneinander getrennt werden. Falls inkonsistente Repräsentationen während der Systementwicklung nicht völlig vermieden werden können, müssen Entwickler oder Werkzeuge aktiv die Konsistenz erhalten, wenn Repräsentationen modifiziert werden. Die manuelle Konsistenthaltung ist jedoch eine zeitaufwändige und fehleranfällige Tätigkeit. Daher werden in Forschungseinrichtungen und in der Industrie Konsistenthaltungswerkzeuge entwickelt, die teilautomatisiert Modelle während der Systementwicklung aktualisieren. Solche speziellen Software-Entwicklungswerkzeuge können mit Allzweckprogrammiersprachen und mit dedizierten Konsistenthaltungssprachen entwickelt werden. In dieser Dissertation haben wir vier bedeutende Herausforderungen identifiziert, die momentan nur unzureichend von Sprachen zur Entwicklung von Konsistenthaltungswerkzeugen adressiert werden. Erstens kombinieren diese Sprachen spezifische Unterstützung zur Konsistenthaltung nicht mit der Ausdrucksmächtigkeit und Flexibilität etablierter Allzweckprogrammiersprachen. Daher sind Entwickler entweder auf ausgewiesene Anwendungsfälle beschränkt, oder sie müssen wiederholt Lösungen für generische Konsistenthaltungsprobleme entwickeln. Zweitens unterstützen diese Sprachen entweder lösungs- oder problemorientierte Programmierparadigmen, sodass Entwickler gezwungen sind, Erhaltungsinstruktionen auch in Fällen anzugeben, in denen Konsistenzdeklarationen ausreichend wären. Drittens abstrahieren diese Sprachen nicht von genügend Konsistenthaltungsdetails, wodurch Entwickler explizit beispielsweise Erhaltungsrichtungen, Änderungstypen oder Übereinstimmungsprobleme berücksichtigen müssen. Viertens führen diese Sprachen zu Erhaltungsverhalten, das oft vom konkreten Anwendungsfall losgelöst zu sein scheint, wenn Interpreter und Übersetzer Code ausführen oder erzeugen, der zur Realisierung einer spezifischen Konsistenzspezifikation nicht benötigt wird. Um diese Probleme aktueller Ansätze zu adressieren, leistet diese Dissertation die folgenden Beiträge: Erstens stellen wir eine Sammlung und Klassifizierung von Herausforderungen der Konsistenthaltung vor. Dabei diskutieren wir beispielsweise, welche Herausforderungen nicht bereits adressiert werden sollten, wenn Konsistenz spezifiziert wird, sondern erst wenn sie durchgesetzt wird. Zweitens führen wir einen Ansatz zur Erhaltung von Konsistenz gemäß abstrakter Spezifikationen ein und formalisieren ihn mengentheoretisch. Diese Formalisierung ist unabhängig davon wie Konsistenzdurchsetzungen letztendlich realisiert werden. Mit dem vorgestellten Ansatz wird Konsistenz immer anhand von beobachteten Editieroperationen bewahrt, um bekannte Probleme zur Berechnung von Übereinstimmungen und Differenzen zu vermeiden. Schließlich stellen wir drei neue Sprachen zur Entwicklung von Werkzeugen vor, die den vorgestellten, spezifikationsgeleiteten Ansatz verfolgen und welche wir im Folgenden kurz erläutern. Wir präsentieren eine imperative Sprache, die verwendet werden kann, um präzise zu spezifizieren, wie Modelle in Reaktion auf spezifische Änderungen aktualisiert werden müssen, um Konsistenz in eine Richtung zu erhalten. Diese Reaktionssprache stellt Lösungen für häufige Probleme bereit, wie beispielsweise die Identifizierung und das Abrufen geänderter oder korrespondierender Modellelemente. Außerdem erreicht sie eine uneingeschränkte Ausdrucksmächtigkeit, indem sie Entwicklern ermöglicht, auf eine Allzweckprogrammiersprache zurückzugreifen. Eine zweite, bidirektionale Sprache für abstrakte Abbildungen kann für Fälle verwendet werden, in denen verschiedene Änderungsoperationen nicht unterschieden werden müssen und außerdem die Erhaltungsrichtung nicht immer eine Rolle spielt. Mit dieser Abbildungssprache können Entwickler Bedingungen deklarieren, die ausdrücken, wann Modellelemente als konsistent zueinander angesehen werden sollen, ohne sich um Details der Überprüfung oder Durchsetzung von Konsistenz bemühen zu müssen. Dazu leitet der Übersetzer automatisch Durchsetzungscode aus Überprüfungen ab und bidirektionalisiert Bedingungen, die für eine Richtung der Konsistenthaltung spezifiziert wurden. Diese Bidirektionalisierung basiert auf einer erweiterbaren Menge von komponierbaren, operatorspezifischen Invertierern, die verbreitete Round-trip-Anforderungen erfüllen. Infolgedessen können Entwickler häufig vorkommende Konsistenzanforderungen konzise ausdrücken und müssen keinen Quelltext für verschiedene Konsistenthaltungsrichtungen, Änderungstypen oder Eigenschaften von Modellelementen wiederholen. Eine dritte, normative Sprache kann verwendet werden, um die vorherigen Sprachen mit parametrisierbaren Konsistenzinvarianten zu ergänzen. Diese Invariantensprache übernimmt Operatoren und Iteratoren für Elementsammlungen von der Object Constraint Language (OCL). Außerdem nimmt sie Entwicklern das Schreiben von Quelltext zur Suche nach invariantenverletzenden Elementen ab, da Abfragen, welche diese Aufgaben übernehmen, automatisch anhand von Invariantenparametern abgeleitet werden. Die drei Sprachen können in Kombination und einzeln verwendet werden. Sie ermöglichen es Entwicklern, Konsistenz unter Verwendung verschiedener Programmierparadigmen und Sprachabstraktionen zu spezifizieren. Wir stellen auch prototypische Übersetzer und Editoren für die drei Konsistenzspezifikationssprachen vor, welche auf dem Vitruvius-Rahmenwerk für Multi-Sichten-Modellierung basieren. Mit diesem Rahmenwerk werden Änderungen in textuellen und graphischen Editoren automatisch beobachtet, um Reaktionen auszulösen, Abbildungen durchzusetzen und Invarianten zu überprüfen. Dies geschieht indem der von unseren Übersetzern erzeugte Java-Code ausgeführt wird. Außerdem haben wir für alle Sprachen, die in dieser Dissertation vorgestellt werden, folgende theoretischen und praktischen Eigenschaften evaluiert: Vollständigkeit, Korrektheit, Anwendbarkeit, und Nutzen. So zeigen wir, dass die Sprachen ihre vorgesehenen Einsatzbereiche vollständig abdecken und analysieren ihre Berechnungsvollständigkeit. Außerdem diskutieren wir die Korrektheit jeder einzelnen Sprache sowie die Korrektheit einzelner Sprachmerkmale. Die operatorspezifischen Invertierer, die wir zur Bidirektionalisierung von Abbildungsbedingungen entwickelt haben, erfüllen beispielsweise immer das neu eingeführte Konzept bestmöglich erzogener Round-trips. Dieses basiert auf dem bewährten Konzept wohlerzogener Transformationen und garantiert, dass übliche Round-trip-Gesetze erfüllt werden, wann immer dies möglich ist. Wir veranschaulichen die praktische Anwendbarkeit mit Fallstudien, in denen Konsistenz erfolgreich mit Hilfe von Werkzeugen erhalten wurde, die in den von uns vorgestellten Sprachen geschrieben wurden. Zum Schluss diskutieren wir den potenziellen Nutzen unserer Sprachen und vergleichen beispielsweise Konsistenthaltungswerkzeuge die in zwei Fallstudien realisiert wurden. Die Werkzeuge, die mit der Reaktionssprache entwickelt wurden, benötigen zwischen 33% und 71% weniger Zeilen Quelltext als funktional gleichwertige Werkzeuge, die mit in Java oder dem Java-Dialekt Xtend entwickelt wurden

Symbolic model generation for graph properties

Graphs are ubiquitous in Computer Science. For this reason, in many areas, it is very important to have the means to express and reason about graph properties. In particular, we want to be able to check automatically if a given graph property is satisfiable. Actually, in most application scenarios it is desirable to be able to explore graphs satisfying the graph property if they exist or even to get a complete and compact overview of the graphs satisfying the graph property. We show that the tableau-based reasoning method for graph properties as introduced by Lambers and Orejas paves the way for a symbolic model generation algorithm for graph properties. Graph properties are formulated in a dedicated logic making use of graphs and graph morphisms, which is equivalent to first-order logic on graphs as introduced by Courcelle. Our parallelizable algorithm gradually generates a finite set of so-called symbolic models, where each symbolic model describes a set of finite graphs (i.e., finite models) satisfying the graph property. The set of symbolic models jointly describes all finite models for the graph property (complete) and does not describe any finite graph violating the graph property (sound). Moreover, no symbolic model is already covered by another one (compact). Finally, the algorithm is able to generate from each symbolic model a minimal finite model immediately and allows for an exploration of further finite models. The algorithm is implemented in the new tool AutoGraph.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

On Formalizing UML and OCL Features and Their Employment to Runtime Verification

Model-driven development (MDD) has been identified as a promising approach for developing software. By using abstract models of a system and by generating parts of the system out of these models, one tries to improve the efficiency of the overall development process and the quality of the resulting software. In the context of MDD the Unified Modeling Language (UML) and its related textual Object Constraint Language (OCL) have gained a high recognition. To be able to generate systems of high quality and to allow for interoperability between modeling tools, a well-defined semantics for these languages is required. This thesis summarizes published work in this context that employs an endogenous metamodeling approach to define the semantics of newer elements of the UML. While the covered elements are exhaustively used to define relations between elements of the metamodel of the UML, the UML specification leaves out a precise definition of their semantics. Our proposed approach uses models, not only to define the abstract syntax, but also to define the semantics of UML. By using UML and OCL for this, existing modeling tools can be used to validate the definition. The second part of this thesis covers work on the usage of UML and OCL models for runtime verification. It is shown how models can still be used at the end of a software development process, i. e., after an implementation has manually been added to generated parts, even though they are not used as central parts of the development process. This work also influenced the integration of protocol state machines into a modeling tool, which lead to publications about the runtime semantics of state machines and the capabilities to declaratively specify behavior using state machines

Transforming OCL to PVS: Using Theorem Proving Support for Analysing Model Constraints

The Unified Modelling Language (UML) is a de facto standard language for describing software systems. UML models are often supplemented with Object Constraint Language (OCL) constraints, to capture detailed properties of components and systems. Sophisticated tools exist for analysing UML models, e.g., to check that well-formedness rules have been satisfied. As well, tools are becoming available to analyse and reason about OCL constraints. Previous work has been done on analysing OCL constraints by translating them to formal languages and then analysing the translated constraints with tools such as theorem provers. This project contributes a transformation from OCL to the specification language of the Prototype Verification System (PVS). PVS can be used to analyse and reason about translated OCL constraints. A particular novelty of this project is that it carries out the transformation of OCL to PVS by using model transformation, as exemplified by the OMG's Model-Driven Architecture. The project implements and automates model transformations from OCL to PVS using the Epsilon Transformation Language (ETL) and tests the results using the Epsilon Comparison Language (ECL )