Automated Coevolution of Source Code and Software Architecture Models

Zur Entwicklung komplexer Softwaresysteme, werden neben dem Quelltext zusätzliche Artefakte, wie beispielsweise Architekturmodelle, verwendet. Wenn die verwendeten Architekturmodelle während der Entwicklung und Evolution eines Softwaresystems konsistent mit dem Quelltext sind, können Softwarearchitekten und Softwareentwickler bei der Entwicklung der Systeme besser unterstützt werden. Architekturmodelle, die auf dem aktuellem Stand sind, vereinfachen Entwicklungs- und Evolutionssaufgaben, da einfacher beantwortet werden kann wie und wo neue Funktionen implementiert werden sollen. Außerdem ist es möglich, modellbasierte Analysen mit Hilfe der Softwarearchitekturmodelle vorzunehmen. Beispielsweise können mit dem Palladio Komponentenmodell (PCM) Performanzvorhersagen durchgeführt werden, wenn ein Architekturmodell des Softwaresystems vorhanden ist und dieses Verhaltensspezifikationen beinhaltet. Wenn Architekturmodelle bei der Softwareentwicklung und Softwareevolution verwendet werden, können die beiden bekannten Probleme Architekturdrift und Architekturverletzung auftreten. Diese Probleme treten für gewöhnlich auf, wenn bei voranschreitender Entwicklung des Quelltextes die Architektur nicht konsistent zu diesem gehalten wird. Dies führt zu veralteten und schlussendlich nutzlosen Architekturmodellen. Viele existierende Ansätze, zur Vermeidung dieser Probleme, zielen darauf ab, Quelltext und UML-Klassendiagramme konsistent zu halten, oder sie zielen darauf ab, Architekturinformationen in den Quelltext einzubetten. In letzterem Fall wird die Notwendigkeit, die Architektur konsistent mit dem Quelltext zu halten, umgangen, da die Architektur integraler Bestandteil des Quelltextes ist. In der vorliegenden Dissertation beschreiben wir einen neuen Ansatz, um komponentenbasierte Architekturmodelle, welche sich auf einer hohen Abstraktionsebene befinden, konsistent mit dem Quelltext zu halten. Wir beschreiben, wie Instanzen des PCMs konsistent mit Java-Quelltext gehalten werden können. Um Konsistenz zu erreichen, werden Architekturelemente erzeugt, gelöscht oder geändert, sobald ihre entsprechende Quelltextelemente geändert wurden, und umgekehrt. Für die Umsetzung der Konsistenzerhaltung stellen wir einen änderungsgetriebenen Ansatz vor. Dieser verwendet benutzerdefinierte, änderungsgetriebene Abbildungsregeln, um die Konsistenz zwischen den beteiligten Modellen sicherzustellen. In dieser Dissertation stellen wir vier konkrete Mengen von Abbildungsregeln zwischen Architekturmodellen und Quelltext vor. Diese haben wir in einer prototypischen Implementierung des Ansatzes umgesetzt. Wir stellen außerdem einen Mechanismus vor, der mit den Benutzern des Konsistenzerhaltungsansatzes interagiert, wenn die Konsistenz nicht automatisch erhalten werden kann, sondern die Benutzer zuerst ihre Intention, die sie mit einer bestimmten Änderung verfolgen, dem Ansatz mitteilen müssen. In diesem Fall müssen die Benutzer das genaue Vorgehen für die Konsistenzerhaltung spezifizieren. Da der vorgestellte Ansatz änderungsgetrieben funktioniert, ist es notwendig, dass wir alle Änderungen in den beteiligten Architektur- und Quelltexteditoren aufzeichnen können. Um es Benutzern zu erlauben, vorhandene Editoren, mit denen sie sich auskennen, wiederverwenden zu können, haben wir Beobachter für diese Editoren implementiert. Diese Beobachter zeichnen alle Änderungen an einem Modell auf und informieren unseren Ansatz über jede durchgeführte Änderung. Der in dieser Dissertation vorgestellte Ansatz erlaubt es auch, verhaltensbeschreibende Architekturmodelle konsistent mit dem Quelltext zu halten. Um dies zu erreichen, haben wir einen Ansatz implementiert, der es ermöglicht, Service Effect Specifications des PCMs inkrementell aus Methoden zu erstellen, nachdem diese geändert wurden. Die Service Effect Specifications werden innerhalb des PCMs genutzt, um das Verhalten einer Komponente zu spezifizieren. Um bereits bestehende Architekturmodelle und bestehenden Quelltext innerhalb unseres Ansatzes verwenden zu können, stellen wir je eine Integrationsstrategie für die Architektur und den Quelltext vor. Um bestehende Architekturmodelle zu integrieren, simulieren wir deren Erstellung. Während dieses Erstellvorgangs zeichnen wir die Änderungen auf, die nötig sind, um das Architekturmodell zu erstellen. Diese Änderungen werden als Eingabe für den Konsistenzerhaltungsprozess verwendet, um daraus den entsprechenden Quelltext zu erzeugen. Um vorhandenen Quelltext einzubinden, stellen wir einen Ansatz vor, der auf Architekturrekonstruktionsverfahren basiert, d.h., zuerst wird die Architektur eines bestehenden Softwaresystems rekonstruiert. Die erstellte Architektur wird anschließend zusammen mit dem bestehenden Quelltext in unseren Coevolutionsansatz integriert. Oftmals ist bestehender Quelltext jedoch nicht so aufgebaut, wie es die Abbildungsregeln vorschreiben. Innerhalb der Integrationsstrategie für Quelltext stellen wir deshalb einen Ansatz vor, der in der Lage ist, solche Quelltexte dennoch zu integrieren. Dieser Ansatz ermöglicht es, nicht nur diese Art von Quelltext zu integrieren, sondern diesen auch mit speziell definierten Abbildungsregeln automatisch konsistent zu halten. Wir haben unseren Ansatz in verschiedenen Fallstudien evaluiert. Dabei haben wir zunächst gezeigt, dass es möglich ist vorhandene Architekturmodelle zu integrieren, indem ihr Aufbau simuliert wird. In der durchgeführten Fallstudie ist es mit unserem Ansatz und den vorgestellten Abbildungsregeln möglich, zwischen 98% und 100% der unterstützten Elemente zu integrieren. Als nächstes haben wir gezeigt, dass unser Ansatz in der Lage ist, existierenden Quelltext zu integrieren und Änderungen am integrierten Quelltext konsistent mit der Architektur zu halten. Für diese Fallstudie haben wir zunächst den Quelltext von vier quelloffenen Projekten in den Ansatz integriert. Als nächstes haben wir gezeigt, dass es möglich ist, Änderungen am Quelltext konsistent mit der Architektur zu halten. Dazu haben wir eine alte Version des Quelltextes integriert und Änderungen die zwischen einer alten und neueren Version durchgeführt wurden, aus einem Versionskontrollsystem extrahiert und erneut auf den Quelltext angewendet. Im Rahmen dieser Evaluation haben wir auch gezeigt, dass es möglich ist Änderungen, die innerhalb von Methoden durchgeführt werden, mit einem Verhaltensmodell konsistent zu halten. Wir haben außerdem eine Evaluation der Leistungsfähigkeit unseres Ansatzes durchgeführt und gezeigt, dass unser Ansatz in den meisten Fällen in der Lage ist, die Architektur in einer Zeit zwischen einer und fünf Sekunden konsistent zu halten, nachdem eine Änderung am Quelltext durchgeführt wurde. Als letztes haben wir gezeigt, dass es möglich ist, coevolvierte Modelle für die Performanzvorhersage zu verwenden. Dazu haben wir zuerst die Modelle in einem Parametrisierungsschritt mit den nötigen Ressourcenverbräuchen angereichert. Als nächstes konnten wir die Performanzvorhersage durchführen. In unserer Fallstudie zeigte sich, dass der Vorhersagefehler für die Antwortzeit eines Systems bei ca. 10% liegt, und damit die coevolvierten Modelle für die Abschätzung der Performanz eines realen Systems verwendet werden können