Visualizing, Assessing and Re-Modularizing Object-Oriented Architectural Elements

TheseTo cope with the complexity of large object-oriented software systems, developers organize classes into subsystems using the concepts of module or package. Such modular structure helps software systems to evolve when facing new requirements. The organization of classes into packages and/or subsystems represents the software modularization. the software modularization usually follows interrelationships between classes. Ideally, packages should to be loosely coupled and cohesive to a certain extent. However, Studies show that as software evolves to meet requirements and environment changes, the software modularization gradually drifts and looses quality. As a consequence, the software modularization must be maintained. It is thus important to understand, to assess and to optimize the organization of packages and their relationships. Our claim is that the maintenance of large and complex software modularizations needs approaches that help in: (1) understanding package shapes and relationships; (2) assessing the quality of a modularization, as well as the quality of a single package within a given modularization; (3) optimizing the quality of an existing modulariza- tion. In this thesis, we concentrate on three research fields: software visualizations, metrics and algorithms. At first, we define two visualizations that help maintainers: (1) to understand packages structure, usage and relationships; (2) to spot patterns; and (3) to identify misplaced classes and structural anomalies. In addition to visual- izations, we define a suite of metrics that help in assessing the package design quality (i.e., package cohesion and coupling). We also define metrics that assess the quality of a collection of inter-dependent packages from different view points, such as the degree of package coupling and cycles. Finally, we define a search-based algorithm that automatically reduces package coupling and cycles only by moving classes over existing packages. Our optimization approach takes explicitly into account the origi- nal class organization and package structure. It also allows maintainers to control the optimization process by specifying: (1) the maximal number of classes that may change their packages; (2) the classes that are candidate for moving and the classes that should not; (3) the packages that are candidate for restructuring and the packages that should not; and (4) the maximal number of classes that a given package can entail. The approaches presented in this thesis have been applied to real large object- oriented software systems. The results we obtained demonstrate the usefulness of our visualizations and metrics; and the effectiveness of our optimization algorithm.Pour faire face à la complexité des grands systèmes logiciels orientés objets, les programmeurs organisent les classes en sous-systèmes en utilisant les concepts de module ou de package. Une telle structure modulaire permet aux systèmes logiciels d'évoluer face aux nouvelles exigences. L'organisation des classes dans des pack- ages et / ou sous-systèmes, que nous appelons la modularisation du logiciel, suit habituellement les relations entre les classes. Il est de usage de vouloir les packages faiblement couplés et assez cohésifs. Cependant, les études montrent que quand les systèmes logiciels s'adaptent aux exigences et aux modifications de l'environnement, leurs modularisations dérivent et perdent progressivement leur qualité. En con- séquence, la modularisation des systèmes logiciels doit être maintenue. Il est donc important de comprendre, d'évaluer et d'optimiser l'organisation des packages et de leurs relations. Le point défendu dans la thèse est que le maintien des modularisations logiciels de grande taille et complexes requiert des approches qui contribuent à: (1) la com- préhension des packages et de leurs relations; (2) l'évaluation de la qualité d'une modularisation, ainsi que la qualité d'un package dans le contexte d'une modularisa- tion donnée; (3) l'optimisation de la qualité d'une modularisation existante. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur trois domaines de recherche: visu- alisations de programmes, métriques et algorithmes. Dans un premier temps, nous définissons deux visualisations qui aident les mainteneurs à: (1) la compréhension de la structure des packages, et de leurs utilisations et leurs relations; (2) l'identification des modèles; et (3) l'identification des anomalies structurelles. En plus de visualisa- tions, nous définissons un ensemble de métriques qui aident à évaluer la qualité d'un package (i.e., la cohésion et le couplage). Nous définissons également des métriques qui permettent d'évaluer la qualité d'une collection des packages inter-dépendants. Ceci en prenant en compte le degré de couplage et de cycles entre les packages. Enfin, nous définissons une algorithme de recherche qui réduit automatiquement le couplage et les cycles entre les packages, en déplaçant seulement les classes sur les packages existants. Notre approche d'optimisation prend explicitement en compte l'organisation des classes et la structure originale des packages. Il permet également aux mainteneurs de contrôler le processus d'optimisation en spécifiant: (1) le nombre maximal des classes qui peuvent changer leurs packages; (2) les classes qui sont candidates pour se déplacer et celles qui ne doivent pas changer leurs packages; (3) les packages qui sont candidates pour la restructuration et ceux qui ne doivent pas se changer; et (4) le nombre maximal des classes qu'un package donné peut contenir. Les approches présentées dans cette thèse ont été appliquées à des systèmes logi- ciels orienté objets, réels et de grand taille. Les résultats obtenus démontrent l'utilité de nos visualisations et métriques, et l'efficacité de notre algorithme d'optimisation