Automated Coevolution of Source Code and Software Architecture Models

Zur Entwicklung komplexer Softwaresysteme, werden neben dem Quelltext zusatzliche Artefakte, wie beispielsweise Architekturmodelle, verwendet. Wenn die verwendeten Architekturmodelle wahrend der Entwicklung und Evolution eines Softwaresystems konsistent mit dem Quelltext sind, konnen Softwarearchitekten und Softwareentwickler bei der Entwicklung der Systeme besser unterstutzt 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. Auserdem ist es moglich, modellbasierte Analysen mit Hilfe der Softwarearchitekturmodelle vorzunehmen. Beispielsweise konnen mit dem Palladio Komponentenmodell (PCM) Performanzvorhersagen durchgefuhrt werden, wenn ein Architekturmodell des Softwaresystems vorhanden ist und dieses Verhaltensspezifikationen beinhaltet. Wenn Architekturmodelle bei der Softwareentwicklung und Softwareevolution verwendet werden, konnen die beiden bekannten Probleme Architekturdrift und Architekturverletzung auftreten. Diese Probleme treten fur gewohnlich auf, wenn bei voranschreitender Entwicklung des Quelltextes die Architektur nicht konsistent zu diesem gehalten wird. Dies fuhrt zu veralteten und schlussendlich nutzlosen Architekturmodellen. Viele existierende Ansatze, 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 konnen. Um Konsistenz zu erreichen, werden Architekturelemente erzeugt, geloscht oder geandert, sobald ihre entsprechende Quelltextelemente geandert wurden, und umgekehrt. Fur die Umsetzung der Konsistenzerhaltung stellen wir einen anderungsgetriebenen Ansatz vor. Dieser verwendet benutzerdefinierte, anderungsgetriebene 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 auserdem 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 Anderung verfolgen, dem Ansatz mitteilen mussen. In diesem Fall mussen die Benutzer das genaue Vorgehen fur die Konsistenzerhaltung spezifizieren. Da der vorgestellte Ansatz anderungsgetrieben funktioniert, ist es notwendig, dass wir alle Anderungen in den beteiligten Architektur- und Quelltexteditoren aufzeichnen konnen. Um es Benutzern zu erlauben, vorhandene Editoren, mit denen sie sich auskennen, wiederverwenden zu konnen, haben wir Beobachter fur diese Editoren implementiert. Diese Beobachter zeichnen alle Anderungen an einem Modell auf und informieren unseren Ansatz uber jede durchgefuhrte Anderung. 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 ermoglicht, Service Effect Specifications des PCMs inkrementell aus Methoden zu erstellen, nachdem diese geandert 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 konnen, stellen wir je eine Integrationsstrategie fur die Architektur und den Quelltext vor. Um bestehende Architekturmodelle zu integrieren, simulieren wir deren Erstellung. Wahrend dieses Erstellvorgangs zeichnen wir die Anderungen auf, die notig sind, um das Architekturmodell zu erstellen. Diese Anderungen werden als Eingabe fur 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 anschliesend 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 fur Quelltext stellen wir deshalb einen Ansatz vor, der in der Lage ist, solche Quelltexte dennoch zu integrieren. Dieser Ansatz ermoglicht 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 zunachst gezeigt, dass es moglich ist vorhandene Architekturmodelle zu integrieren, indem ihr Aufbau simuliert wird. In der durchgefuhrten Fallstudie ist es mit unserem Ansatz und den vorgestellten Abbildungsregeln moglich, zwischen 98% und 100% der unterstutzten Elemente zu integrieren. Als nachstes haben wir gezeigt, dass unser Ansatz in der Lage ist, existierenden Quelltext zu integrieren und Anderungen am integrierten Quelltext konsistent mit der Architektur zu halten. Fur diese Fallstudie haben wir zunachst den Quelltext von vier quelloffenen Projekten in den Ansatz integriert. Als nachstes haben wir gezeigt, dass es moglich ist, Anderungen am Quelltext konsistent mit der Architektur zu halten. Dazu haben wir eine alte Version des Quelltextes integriert und Anderungen die zwischen einer alten und neueren Version durchgefuhrt wurden, aus einem Versionskontrollsystem extrahiert und erneut auf den Quelltext angewendet. Im Rahmen dieser Evaluation haben wir auch gezeigt, dass es moglich ist Anderungen, die innerhalb von Methoden durchgefuhrt werden, mit einem Verhaltensmodell konsistent zu halten. Wir haben auserdem eine Evaluation der Leistungsfahigkeit unseres Ansatzes durchgefuhrt und gezeigt, dass unser Ansatz in den meisten Fallen in der Lage ist, die Architektur in einer Zeit zwischen einer und funf Sekunden konsistent zu halten, nachdem eine Anderung am Quelltext durchgefuhrt wurde. Als letztes haben wir gezeigt, dass es moglich ist, coevolvierte Modelle fur die Performanzvorhersage zu verwenden. Dazu haben wir zuerst die Modelle in einem Parametrisierungsschritt mit den notigen Ressourcenverbrauchen angereichert. Als nachstes konnten wir die Performanzvorhersage durchfuhren. In unserer Fallstudie zeigte sich, dass der Vorhersagefehler fur die Antwortzeit eines Systems bei ca. 10% liegt, und damit die coevolvierten Modelle fur die Abschatzung der Performanz eines realen Systems verwendet werden konnen.