Formal development and quantitative verification of dependable systems

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A Categorical Framework for the Specification and the Verification of Aspect Oriented Systems

Un objectif principal du génie logiciel est de pouvoir produire des logiciels complexes, de grande taille et fiables en un temps raisonnable. La technologie orientée objet (OO) a fourni de bons concepts et des techniques de modélisation et de programmation qui ont permis de développer des applications complexes tant dans le monde académique que dans le monde industriel. Cette expérience a cependant permis de découvrir les faiblesses du paradigme objet (par exemples, la dispersion de code et le problème de traçabilité). La programmation orientée aspect (OA) apporte une solution simple aux limitations de la programmation OO, telle que le problème des préoccupations transversales. Ces préoccupations transversales se traduisent par la dispersion du même code dans plusieurs modules du système ou l’emmêlement de plusieurs morceaux de code dans un même module. Cette nouvelle méthode de programmer permet d’implémenter chaque problématique indépendamment des autres, puis de les assembler selon des règles bien définies. La programmation OA promet donc une meilleure productivité, une meilleure réutilisation du code et une meilleure adaptation du code aux changements. Très vite, cette nouvelle façon de faire s’est vue s’étendre sur tout le processus de développement de logiciel en ayant pour but de préserver la modularité et la traçabilité, qui sont deux propriétés importantes des logiciels de bonne qualité. Cependant, la technologie OA présente de nombreux défis. Le raisonnement, la spécification, et la vérification des programmes OA présentent des difficultés d’autant plus que ces programmes évoluent dans le temps. Par conséquent, le raisonnement modulaire de ces programmes est requis sinon ils nécessiteraient d’être réexaminés au complet chaque fois qu’un composant est changé ou ajouté. Il est cependant bien connu dans la littérature que le raisonnement modulaire sur les programmes OA est difficile vu que les aspects appliqués changent souvent le comportement de leurs composantes de base [47]. Ces mêmes difficultés sont présentes au niveau des phases de spécification et de vérification du processus de développement des logiciels. Au meilleur de nos connaissances, la spécification modulaire et la vérification modulaire sont faiblement couvertes et constituent un champ de recherche très intéressant. De même, les interactions entre aspects est un sérieux problème dans la communauté des aspects. Pour faire face à ces problèmes, nous avons choisi d’utiliser la théorie des catégories et les techniques des spécifications algébriques. Pour apporter une solution aux problèmes ci-dessus cités, nous avons utilisé les travaux de Wiels [110] et d’autres contributions telles que celles décrites dans le livre [25]. Nous supposons que le système en développement est déjà décomposé en aspects et classes. La première contribution de notre thèse est l’extension des techniques des spécifications algébriques à la notion d’aspect. Deuxièmement, nous avons défini une logique, LA , qui est utilisée dans le corps des spécifications pour décrire le comportement de ces composantes. La troisième contribution consiste en la définition de l’opérateur de tissage qui correspond à la relation d’interconnexion entre les modules d’aspect et les modules de classe. La quatrième contribution concerne le développement d’un mécanisme de prévention qui permet de prévenir les interactions indésirables dans les systèmes orientés aspect.

Evaluating Design Decay during Software Evolution

Les logiciels sont en constante évolution, nécessitant une maintenance et un développement continus. Ils subissent des changements tout au long de leur vie, que ce soit pendant l'ajout de nouvelles fonctionnalités ou la correction de bogues dans le code. Lorsque ces logiciels évoluent, leurs architectures ont tendance à se dégrader avec le temps et deviennent moins adaptables aux nouvelles spécifications des utilisateurs. Elles deviennent plus complexes et plus difficiles à maintenir. Dans certains cas, les développeurs préfèrent refaire la conception de ces architectures à partir du zéro plutôt que de prolonger la durée de leurs vies, ce qui engendre une augmentation importante des coûts de développement et de maintenance. Par conséquent, les développeurs doivent comprendre les facteurs qui conduisent à la dégradation des architectures, pour prendre des mesures proactives qui facilitent les futurs changements et ralentissent leur dégradation. La dégradation des architectures se produit lorsque des développeurs qui ne comprennent pas la conception originale du logiciel apportent des changements au logiciel. D'une part, faire des changements sans comprendre leurs impacts peut conduire à l'introduction de bogues et à la retraite prématurée du logiciel. D'autre part, les développeurs qui manquent de connaissances et–ou d'expérience dans la résolution d'un problème de conception peuvent introduire des défauts de conception. Ces défauts ont pour conséquence de rendre les logiciels plus difficiles à maintenir et évoluer. Par conséquent, les développeurs ont besoin de mécanismes pour comprendre l'impact d'un changement sur le reste du logiciel et d'outils pour détecter les défauts de conception afin de les corriger. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons trois principales contributions. La première contribution concerne l'évaluation de la dégradation des architectures logicielles. Cette évaluation consiste à utiliser une technique d’appariement de diagrammes, tels que les diagrammes de classes, pour identifier les changements structurels entre plusieurs versions d'une architecture logicielle. Cette étape nécessite l'identification des renommages de classes. Par conséquent, la première étape de notre approche consiste à identifier les renommages de classes durant l'évolution de l'architecture logicielle. Ensuite, la deuxième étape consiste à faire l'appariement de plusieurs versions d'une architecture pour identifier ses parties stables et celles qui sont en dégradation. Nous proposons des algorithmes de bit-vecteur et de clustering pour analyser la correspondance entre plusieurs versions d'une architecture. La troisième étape consiste à mesurer la dégradation de l'architecture durant l'évolution du logiciel. Nous proposons un ensemble de m´etriques sur les parties stables du logiciel, pour évaluer cette dégradation. La deuxième contribution est liée à l'analyse de l'impact des changements dans un logiciel. Dans ce contexte, nous présentons une nouvelle métaphore inspirée de la séismologie pour identifier l'impact des changements. Notre approche considère un changement à une classe comme un tremblement de terre qui se propage dans le logiciel à travers une longue chaîne de classes intermédiaires. Notre approche combine l'analyse de dépendances structurelles des classes et l'analyse de leur historique (les relations de co-changement) afin de mesurer l'ampleur de la propagation du changement dans le logiciel, i.e., comment un changement se propage à partir de la classe modifiée è d'autres classes du logiciel. La troisième contribution concerne la détection des défauts de conception. Nous proposons une métaphore inspirée du système immunitaire naturel. Comme toute créature vivante, la conception de systèmes est exposée aux maladies, qui sont des défauts de conception. Les approches de détection sont des mécanismes de défense pour les conception des systèmes. Un système immunitaire naturel peut détecter des pathogènes similaires avec une bonne précision. Cette bonne précision a inspiré une famille d'algorithmes de classification, appelés systèmes immunitaires artificiels (AIS), que nous utilisions pour détecter les défauts de conception. Les différentes contributions ont été évaluées sur des logiciels libres orientés objets et les résultats obtenus nous permettent de formuler les conclusions suivantes: • Les métriques Tunnel Triplets Metric (TTM) et Common Triplets Metric (CTM), fournissent aux développeurs de bons indices sur la dégradation de l'architecture. La d´ecroissance de TTM indique que la conception originale de l'architecture s’est dégradée. La stabilité de TTM indique la stabilité de la conception originale, ce qui signifie que le système est adapté aux nouvelles spécifications des utilisateurs. • La séismologie est une métaphore intéressante pour l'analyse de l'impact des changements. En effet, les changements se propagent dans les systèmes comme les tremblements de terre. L'impact d'un changement est plus important autour de la classe qui change et diminue progressivement avec la distance à cette classe. Notre approche aide les développeurs à identifier l'impact d'un changement. • Le système immunitaire est une métaphore intéressante pour la détection des défauts de conception. Les résultats des expériences ont montré que la précision et le rappel de notre approche sont comparables ou supérieurs à ceux des approches existantes.

A Mono- and Multi-objective Approach for Recommending Software Refactoring

Les systèmes logiciels sont devenus de plus en plus répondus et importants dans notre société. Ainsi, il y a un besoin constant de logiciels de haute qualité. Pour améliorer la qualité de logiciels, l’une des techniques les plus utilisées est le refactoring qui sert à améliorer la structure d'un programme tout en préservant son comportement externe. Le refactoring promet, s'il est appliqué convenablement, à améliorer la compréhensibilité, la maintenabilité et l'extensibilité du logiciel tout en améliorant la productivité des programmeurs. En général, le refactoring pourra s’appliquer au niveau de spécification, conception ou code. Cette thèse porte sur l'automatisation de processus de recommandation de refactoring, au niveau code, s’appliquant en deux étapes principales: 1) la détection des fragments de code qui devraient être améliorés (e.g., les défauts de conception), et 2) l'identification des solutions de refactoring à appliquer. Pour la première étape, nous traduisons des régularités qui peuvent être trouvés dans des exemples de défauts de conception. Nous utilisons un algorithme génétique pour générer automatiquement des règles de détection à partir des exemples de défauts. Pour la deuxième étape, nous introduisons une approche se basant sur une recherche heuristique. Le processus consiste à trouver la séquence optimale d'opérations de refactoring permettant d'améliorer la qualité du logiciel en minimisant le nombre de défauts tout en priorisant les instances les plus critiques. De plus, nous explorons d'autres objectifs à optimiser: le nombre de changements requis pour appliquer la solution de refactoring, la préservation de la sémantique, et la consistance avec l’historique de changements. Ainsi, réduire le nombre de changements permets de garder autant que possible avec la conception initiale. La préservation de la sémantique assure que le programme restructuré est sémantiquement cohérent. De plus, nous utilisons l'historique de changement pour suggérer de nouveaux refactorings dans des contextes similaires. En outre, nous introduisons une approche multi-objective pour améliorer les attributs de qualité du logiciel (la flexibilité, la maintenabilité, etc.), fixer les « mauvaises » pratiques de conception (défauts de conception), tout en introduisant les « bonnes » pratiques de conception (patrons de conception).

A unified framework for the comprehension of software's time dimension

Les logiciels sont de plus en plus complexes et leur développement est souvent fait par des équipes dispersées et changeantes. Par ailleurs, de nos jours, la majorité des logiciels sont recyclés au lieu d’être développés à partir de zéro. La tâche de compréhension, inhérente aux tâches de maintenance, consiste à analyser plusieurs dimensions du logiciel en parallèle. La dimension temps intervient à deux niveaux dans le logiciel : il change durant son évolution et durant son exécution. Ces changements prennent un sens particulier quand ils sont analysés avec d’autres dimensions du logiciel. L’analyse de données multidimensionnelles est un problème difficile à résoudre. Cependant, certaines méthodes permettent de contourner cette difficulté. Ainsi, les approches semi-automatiques, comme la visualisation du logiciel, permettent à l’usager d’intervenir durant l’analyse pour explorer et guider la recherche d’informations. Dans une première étape de la thèse, nous appliquons des techniques de visualisation pour mieux comprendre la dynamique des logiciels pendant l’évolution et l’exécution. Les changements dans le temps sont représentés par des heat maps. Ainsi, nous utilisons la même représentation graphique pour visualiser les changements pendant l’évolution et ceux pendant l’exécution. Une autre catégorie d’approches, qui permettent de comprendre certains aspects dynamiques du logiciel, concerne l’utilisation d’heuristiques. Dans une seconde étape de la thèse, nous nous intéressons à l’identification des phases pendant l’évolution ou pendant l’exécution en utilisant la même approche. Dans ce contexte, la prémisse est qu’il existe une cohérence inhérente dans les évènements, qui permet d’isoler des sous-ensembles comme des phases. Cette hypothèse de cohérence est ensuite définie spécifiquement pour les évènements de changements de code (évolution) ou de changements d’état (exécution). L’objectif de la thèse est d’étudier l’unification de ces deux dimensions du temps que sont l’évolution et l’exécution. Ceci s’inscrit dans notre volonté de rapprocher les deux domaines de recherche qui s’intéressent à une même catégorie de problèmes, mais selon deux perspectives différentes.

Information discovery in distributed systems - A novel concept based on modelling of information elements

This thesis attempts to investigate the problems associated with such schemes and suggests a software architecture, which is aimed towards achieving a meaningful discovery. Usage of information elements as a modelling base for efficient information discovery in distributed systems is demonstrated with the aid of a novel conceptual entity called infotron. The investigations are focused on distributed systems and their associated problems. The study was directed towards identifying suitable software architecture and incorporating the same in an environment where information growth is phenomenal and a proper mechanism for carrying out information discovery becomes feasible. An empirical study undertaken with the aid of an election database of constituencies distributed geographically, provided the insights required. This is manifested in the Election Counting and Reporting Software (ECRS) System. ECRS system is a software system, which is essentially distributed in nature designed to prepare reports to district administrators about the election counting process and to generate other miscellaneous statutory reports.

Discriminative pattern mining in software fault detection

We present a method to enhance fault localization for software systems based on a frequent pattern mining algorithm. Our method is based on a large set of test cases for a given set of programs in which faults can be detected. The test executions are recorded as function call trees. Based on test oracles the tests can be classified into successful and failing tests. A frequent pattern mining algorithm is used to identify frequent subtrees in successful and failing test executions. This information is used to rank functions according to their likelihood of containing a fault. The ranking suggests an order in which to examine the functions during fault analysis. We validate our approach experimentally using a subset of Siemens benchmark programs.

An aspect-oriented reference architecture for Software Engineering Environments

Reusable and evolvable Software Engineering Environments (SEES) are essential to software production and have increasingly become a need. In another perspective, software architectures and reference architectures have played a significant role in determining the success of software systems. In this paper we present a reference architecture for SEEs, named RefASSET, which is based on concepts coming from the aspect-oriented approach. This architecture is specialized to the software testing domain and the development of tools for that domain is discussed. This and other case studies have pointed out that the use of aspects in RefASSET provides a better Separation of Concerns, resulting in reusable and evolvable SEEs. (C) 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

Automating the product derivation process of multi-agent systems product lines

Agent-oriented software engineering and software product lines are two promising software engineering techniques. Recent research work has been exploring their integration, namely multi-agent systems product lines (MAS-PLs), to promote reuse and variability management in the context of complex software systems. However, current product derivation approaches do not provide specific mechanisms to deal with MAS-PLs. This is essential because they typically encompass several concerns (e.g., trust, coordination, transaction, state persistence) that are constructed on the basis of heterogeneous technologies (e.g., object-oriented frameworks and platforms). In this paper, we propose the use of multi-level models to support the configuration knowledge specification and automatic product derivation of MAS-PLs. Our approach provides an agent-specific architecture model that uses abstractions and instantiation rules that are relevant to this application domain. In order to evaluate the feasibility and effectiveness of the proposed approach, we have implemented it as an extension of an existing product derivation tool, called GenArch. The approach has also been evaluated through the automatic instantiation of two MAS-PLs, demonstrating its potential and benefits to product derivation and configuration knowledge specification.

Uma abordagem anotativa para gerência de variabilidade em linhas de processos de software: concepção, implementação e avaliação

Nowadays, the importance of using software processes is already consolidated and is considered fundamental to the success of software development projects. Large and medium software projects demand the definition and continuous improvement of software processes in order to promote the productive development of high-quality software. Customizing and evolving existing software processes to address the variety of scenarios, technologies, culture and scale is a recurrent challenge required by the software industry. It involves the adaptation of software process models for the reality of their projects. Besides, it must also promote the reuse of past experiences in the definition and development of software processes for the new projects. The adequate management and execution of software processes can bring a better quality and productivity to the produced software systems. This work aimed to explore the use and adaptation of consolidated software product lines techniques to promote the management of the variabilities of software process families. In order to achieve this aim: (i) a systematic literature review is conducted to identify and characterize variability management approaches for software processes; (ii) an annotative approach for the variability management of software process lines is proposed and developed; and finally (iii) empirical studies and a controlled experiment assess and compare the proposed annotative approach against a compositional one. One study a comparative qualitative study analyzed the annotative and compositional approaches from different perspectives, such as: modularity, traceability, error detection, granularity, uniformity, adoption, and systematic variability management. Another study a comparative quantitative study has considered internal attributes of the specification of software process lines, such as modularity, size and complexity. Finally, the last study a controlled experiment evaluated the effort to use and the understandability of the investigated approaches when modeling and evolving specifications of software process lines. The studies bring evidences of several benefits of the annotative approach, and the potential of integration with the compositional approach, to assist the variability management of software process lines

Squid impact analyser: uma ferramenta para análise de impacto de mudança em linhas de produto de software

Software Products Lines (SPL) is a software engineering approach to developing software system families that share common features and differ in other features according to the requested software systems. The adoption of the SPL approach can promote several benefits such as cost reduction, product quality, productivity, and time to market. On the other hand, the SPL approach brings new challenges to the software evolution that must be considered. Recent research work has explored and proposed automated approaches based on code analysis and traceability techniques for change impact analysis in the context of SPL development. There are existing limitations concerning these approaches such as the customization of the analysis functionalities to address different strategies for change impact analysis, and the change impact analysis of fine-grained variability. This dissertation proposes a change impact analysis tool for SPL development, called Squid Impact Analyzer. The tool allows the implementation of change impact analysis based on information from variability modeling, mapping of variability to code assets, and existing dependency relationships between code assets. An assessment of the tool is conducted through an experiment that compare the change impact analysis results provided by the tool with real changes applied to several evolution releases from a SPL for media management in mobile devices

Definição de requisitos de software baseada numa arquitetura de modelagem de negócios

Não é uma tarefa fácil definir requisitos para os sistemas de software que darão suporte a um negócio, dada a dinâmica de mudanças nos processos. O levantamento de requisitos tem sido feito de forma empírica, sem o apoio de métodos sistematizados que garantam o desenvolvimento baseado nos reais objetivos do negócio. A engenharia de software carece de métodos que tornem mais ordenadas e metódicas as etapas de modelagem de negócios e de levantamento de requisitos de um sistema. Neste artigo é apresentada uma metodologia de desenvolvimento de software resultante da incorporação de atividades propostas para modelagem de negócios e levantamento de requisitos, baseadas em uma arquitetura de modelagem de negócios. Essas atividades tornam o desenvolvimento de software mais sistemático e alinhado aos objetivos da organização, e podem ser incorporadas em qualquer metodologia de desenvolvimento baseada no UP (Unified Process - Processo Unificado).

Software architecture for web-based project management system

This article presents software architecture for a web-based system to aid project managing, conceptually founded on guidelines of the Project Management Body of Knowledge (PMBoK) and on ISO/IEC 9126, as well as on the result of an empiric study done in Brazil. Based on these guidelines, this study focused on two different points of view about project management: the view of those who develop software systems to aid management and the view of those who use these systems. The designed software architecture is capable of guiding an incremental development of a quality system that will satisfy today's marketing necessities, principally those of small and medium size enterprises.

Computational support for the process of software requirement specification

The software industry has become more and more concerned with the appropriate application of activities that composes requirement engineering as a way to improve the quality of its products. In order to support these activities, several computational tools have been available in the market, although it is still possible to find a lack of resources related to some activities. In this context, this paper proposes the inclusion of a module to aid in the requirements specification to a tool called Requirements Elicitation Support Tool. This module allows to specify requirements in accordance with IEEE 830 standard, thus contributing to the documentation of the requirements established for a software system, besides supporting the learning of concepts related to the requirements specification, which improves the skills of users of the tool. © 2012 IEEE.

Avaliação da ferramenta de visualização de software SoftVisOAH como apoio à depuração de programas: um experimento controlado

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)