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Sistema de verificación de componentes software Tesis Doctoral Agustín Cernuda del Río Universidad de Oviedo, junio de 2002.

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Presentación del tema: "Sistema de verificación de componentes software Tesis Doctoral Agustín Cernuda del Río Universidad de Oviedo, junio de 2002."— Transcripción de la presentación:

1 Sistema de verificación de componentes software Tesis Doctoral Agustín Cernuda del Río Universidad de Oviedo, junio de 2002

2 Agustín Cernuda del Río Programa de la presentación 1. El problema 2. Técnicas relacionadas 3. Solución aportada 4. Estudio práctico y resultados 5. Conclusiones y trabajo futuro

3 Agustín Cernuda del Río Componentes software Componente software (según Szyperski) Unidad de composición con interfaces especificadas contractualmente y dependencias contextuales explícitas Entendido como unidad de despliegue independiente Frecuentemente... Se piensa en ActiveX, CORBA o similares Se equipara componente a objeto empaquetado Beneficios esperados: ahorro de tiempo, mayor fiabilidad

4 Agustín Cernuda del Río Problemas del uso de componentes en la práctica - I Dados ciertos componentes correctos, ¿será correcto el sistema resultante? Errores derivados de la propia combinación Comportamiento emergente Violación de los requisitos de funcionamiento de algún componente Recursos para verificar la conexión entre componentes Frecuentemente, sólo verificación de signaturas En algunos casos, mecanismos de tiempo de ejecución

5 Agustín Cernuda del Río Problemas del uso de componentes en la práctica - II Verificación de signaturas Habitualmente, se limita al tipo y número de los parámetros OK Especificación void f(int x, int y) f(3, 5); Uso Especificación Que x sea siempre mayor que y void f(int x, int y) f(3, 5); Uso ¿OK? void f(int x, int y) {... assert(x <= y);... }

6 Agustín Cernuda del Río Falta de mecanismos de verificación - I Verificación de signaturas Muy limitada Especificación textual Sujeta a ambigüedades No hay garantías de que se aplique No se puede automatizar la verificación Código de salvaguardia Sólo funciona en tiempo de ejecución Puede haber problemas que no se detecten Semántica limitada (ej.: No utilizar en sistemas de tiempo real)

7 Agustín Cernuda del Río Falta de mecanismos de verificación - II Muchos defectos se podrían prever Conocimiento a priori Se pueden conocer propiedades indecidibles Habitualmente se pierde Necesidad de un mecanismo que permita aprovechar el conocimiento a priori Verificación basada en ese conocimiento

8 Agustín Cernuda del Río Falta de mecanismos de verificación - III Se necesitaría un sistema de verificación: Que pudiera utilizarse en tiempo de construcción del software (no de ejecución) Automático (la especificación acompañaría al componente y se tendría en cuenta de forma inmediata) Susceptible de ser utilizado con facilidad en entornos de producción Flexible (un método general aplicable a diversos aspectos y ámbitos del desarrollo, con una semántica abierta)

9 Agustín Cernuda del Río Tesis - I Es posible verificar, de manera estática, automática y asequible que, hasta donde nos es posible asegurar con el conocimiento disponible, al combinar ciertos componentes software no se han violado las condiciones de funcionamiento correcto de ninguno de ellos.

10 Agustín Cernuda del Río Tesis - II Verificación Estática – sin poner el sistema en funcionamiento (detección temprana de los defectos, aprovechamiento del conocimiento disponible) Automática – menor coste, mayor frecuencia, menor ambigüedad Asequible Técnicas conocidas y viables Comprendido y aplicado con facilidad por el personal típico General, flexible (retorno de inversión) Esto exige un modelo sencillo

11 Agustín Cernuda del Río Método de trabajo Proponer un modelo de verificación que cumpla los objetivos marcados Probar la viabilidad técnica de las herramientas desarrollando prototipos con medios limitados Probar la aplicabilidad de ese modelo a problemas prácticos diferentes

12 Agustín Cernuda del Río Técnicas relacionadas 1. El problema 2. Técnicas relacionadas 3. Solución aportada 4. Estudio práctico y resultados 5. Conclusiones y trabajo futuro

13 Agustín Cernuda del Río Métodos formales Especificación formal de la interfaz SDL, Estelle, Lotos / Z, VDM, B... Especificación Refinamiento Prueba de adecuación Problemas: Asequibilidad (o percepción sobre ella). Wing, Bowen & Hinchey, Pressman, Parnas, Meyer, Szyperski... Componentes Conocimiento Automatización y herramientas Flexibilidad

14 Agustín Cernuda del Río Análisis estático e interpretación abstracta Evaluación de código fuente con algoritmos Semántica menos precisa pero computable Valores abstractos de variables Convergencia Cousot & Cousot, PAG, PolySpace... Problemas Componentes Asequibilidad Flexibilidad (alg. específicos, código fuente)

15 Agustín Cernuda del Río Especificación semántica Técnicas para describir formalmente el comportamiento de un lenguaje de programación Posibilidad de trasladarlas al ámbito de componentes Problemas Legibilidad Modularidad (hay trabajos prometedores) Falta de madurez e implementaciones

16 Agustín Cernuda del Río Especificación de procesos CSP (CCS, ACP, otros), -cálculo, L-cálculo, derivados (Piccola, Pict, etc.) Problemas Orientadas a procesos (CSP y similares) Notaciones formales (asequibilidad) Flexibilidad Bajo nivel Orientados a concurrencia (Pict) Orientados a composición y no tanto a verificación (Piccola)

17 Agustín Cernuda del Río Contratos Varios enfoques Unilateral (Meyer) Bilateral (Wirfs-Brock, Reenskaug) Contratos de reutilización (Vrije Universiteit Brussels) Lenguaje Contract Problemas Meyer: estado concreto, verificaciones ejecutables Wirfs-Brock, Reenskaug: centrados en análisis/diseño Contratos de reutilización: poca flexibilidad Lenguaje Contract: no orientado a verificación

18 Agustín Cernuda del Río Estilos arquitectónicos Incoherencias entre estilos arquitectónicos (Carnegie Mellon) ADLs (Wright, Aesop, Darwin, Rapide, UniCon...) Problemas Flexibilidad Automatización Análisis estático (limitado) Asequibilidad (W RIGHT : notaciones basadas en CSP)

19 Agustín Cernuda del Río Metodologías de análisis y diseño OCL (Object Constraint Language) Catalysis Problemas Orientados al modelado, no a la verificación estática Automatización

20 Agustín Cernuda del Río Plataformas de componentes OSF/DCE (IDL) COM, CORBA, JavaBeans Estándares de cableado (Szyperski) Ya funcionan (éxito comercial) Problemas Orientados a la composición, no a la verificación

21 Agustín Cernuda del Río Resumen de tendencias analizadas

22 Agustín Cernuda del Río Solución aportada 1. El problema 2. Técnicas relacionadas 3. Solución aportada 4. Estudio práctico y resultados 5. Conclusiones y trabajo futuro

23 Agustín Cernuda del Río El modelo de componentes Itacio Un modelo de componentes que responda a los requisitos de la tesis Primera consideración: definición abierta de componente Uso del término distinto al habitual Problema de nomenclatura, pero... difícil de evitar ¿Por qué Itacio? Enterré en precioso mármol para la mansión eterna el tierno cuerpo de Itacio

24 Agustín Cernuda del Río Componente - I Entidad que consta de una frontera y un conjunto de expresiones restrictivas Frontera: consta de puntos de conexión Fuentes Sumideros Expresiones restrictivas Requisitos (para los sumideros) Garantías (sobre las fuentes)

25 Agustín Cernuda del Río Componente - II Sumidero1Sumidero2Sumidero3 Fuente1Fuente2 Signaturas - Sumidero1(int) - Sumidero2(int, char) - Sumidero3(char) Código Requisitos - Sumidero1 debe ser menor que Sumidero2 + Sumidero3 Garantías - El valor de Fuente1 siempre estará entre el de Sumidero2 y Sumidero3 Signaturas - Sumidero1(int) - Sumidero2(int, char) - Sumidero3(char) Código

26 Agustín Cernuda del Río Sistema - I Grafo finito Nodos: componentes Arcos: pares fuente/sumidero Predicados auxiliares Corrección topológica de un sistema No hay puntos de conexión aislados No hay arcos repetidos

27 Agustín Cernuda del Río Sistema - II s1 válido s1 positivo s1s2 f1 positivo s1 en [1..5] y s2 positivo s1s2 s1s2 f1 f1 es 5 f1 f1 está en [10..20] f ?OK ¿ válido ?

28 Agustín Cernuda del Río Expresiones restrictivas Requisitos y garantías: lógica de primer orden Cláusula Horn (CLP) Programación lógica Gran flexibilidad para representar conocimiento Ampliamente conocida (asequible) Automatizable (procesos de inferencia definidos) Herramientas disponibles y estables CLP: Gran potencia y eficiencia

29 Agustín Cernuda del Río Generación de la base de conocimientos - I Recopilar las expresiones restrictivas de los componentes del sistema Modificarlas de modo que quede implícita la información sobre topología De este modo, el proceso de inferencia se remonta a los componentes implicados

30 Agustín Cernuda del Río Generación de la base de conocimientos - II s1 válido s1 positivo s1s2 f1 positivo s1 en [1..5] y s2 positivo f1f2 s1s2 f1 f1 es 5 f1 f1 está en [10..20] f AB C es 5 A está en [10..20] B C es positivo si A en [1..5]^ positivo B C es válido si C positivo

31 Agustín Cernuda del Río Proceso de verificación Proceso de inferencia del motor CLP Hipótesis del Mundo Cerrado (CWA) Enfoque exigente: si no se satisface explícitamente un requisito, se da por supuesto que se viola El proceso de inferencia puede señalar qué requisito no se cumple y por qué Con un buen diseño de los predicados, el sistema puede ofrecer explicaciones El sistema y su diagnóstico pueden representarse gráficamente

32 Agustín Cernuda del Río Relación con los objetivos Sistema de verificación Como proceso de inferencia en lógica de primer orden Verificación estática Verificación automática Modelo asequible Gran simplicidad del modelo (mínimo de conceptos) Simplicidad de la implementación (CLP) Verificación basada en el conocimiento disponible Aprovechamiento del conocimiento Gran flexibilidad y potencial de aplicación

33 Agustín Cernuda del Río Estudio práctico y resultados 1. El problema 2. Técnicas relacionadas 3. Solución aportada 4. Estudio práctico y resultados 5. Conclusiones y trabajo futuro

34 Agustín Cernuda del Río Prototipos desarrollados Itacio-SEDA Basado en herramienta gráfica propietaria Motor de inferencia: ECLiPSe Itacio-XJ Datos: ficheros de texto Representación: Internet Explorer / VML Motor de inferencia: ECLiPSe Itacio-XDB Datos: base de datos ODBC Representación: Internet Explorer / VML Motor de inferencia: ECLiPSe

35 Agustín Cernuda del Río Prototipo Itacio-SEDA

36 Agustín Cernuda del Río Prototipo Itacio-XJ

37 Agustín Cernuda del Río Prototipo Itacio-XDB

38 Agustín Cernuda del Río Ejemplos: microcomponentes - I Representar elementos básicos de un lenguaje (operadores, funciones, etc.) Rudimentario sistema de generación de código Dividir op1op2 Leer valor res Leer valor res Imprimir valor val Dividir op1op2 Leer valor res Leer valor res Imprimir valor val #include void main(void) { double val1; scanf(%lf, &val1); double val2; scanf(%lf, &val2); double res=val1/val2; printf(%lf, res); } Denominador puede ser0

39 Agustín Cernuda del Río Ejemplos: microcomponentes - II Dificultades: generación de código (no era objeto de la tesis) Dividir op1op2 Leer valor res Leer valor res Imprimir valor val valido(op2):- not igual_que(op2, 0)....

40 Agustín Cernuda del Río Según Carine Lucas Contrato de reutilización: conjunto de participantes con nombre, cláusula de relación e interfaz. Cláusula de relación: indicación de que un participante conoce a otro. Interfaz: conjunto de descripciones de operaciones (nombre y operaciones invocadas por esta). Verificaciones de consistencia (no invocar operaciones inexistentes, no eliminar operaciones en uso...) Modificaciones a contratos Modeladas como operadores (8 combinaciones) Lucas propone reglas para operadores aplicables Si se modela un sistema como contratos, con este modelo se puede verificar la evolución (usando las reglas establecidas) Ejemplos: Contratos de reutilización - I

41 Agustín Cernuda del Río Modelando contratos en Itacio El contrato es un componente Cada modificación es otro componente La conexión entre contratos y sucesivas modificaciones modela la evolución del sistema Los requisitos y garantías permiten validar las operaciones realizadas Ejemplos: Contratos de reutilización - II

42 Agustín Cernuda del Río Type=smplDrive Sources=res BEGIN_RESTRICTIONS isContract($res$). participant($res$, smplDriver). participant($res$, smplCar). acqRelationship($res$, smplDriver, myCar, smplCar). operation($res$, smplDriver, go). operation($res$, smplDriver, stop).... operationInvocation($res$, smplDriver, go, myCar, startEngine). operationInvocation($res$, smplDriver, go, myCar, pushGasPedal).... END_RESTRICTIONS Ejemplos: Contratos de reutilización - III

43 Agustín Cernuda del Río Ejemplos: Contratos de reutilización - IV

44 Agustín Cernuda del Río Ejemplos: Diagnóstico remoto de equipos - I

45 Agustín Cernuda del Río Ejemplos: Diagnóstico remoto de equipos - II Las expresiones restrictivas realizan comprobaciones reales en el equipo cliente (enlazando CLP con DLLs)

46 Agustín Cernuda del Río Ejemplos: WaveX - I Sistema de procesamiento de sonido en tiempo real Basado en componentes (efectos, transformaciones) Combinaciones no válidas (imposible verificación meramente local) Necesidad de sistema de ayuda al usuario

47 Agustín Cernuda del Río Ejemplos: WaveX - II

48 Agustín Cernuda del Río Ejemplos: WaveX - III

49 Agustín Cernuda del Río Ejemplos: Modelo de Hamlet et al Un modelo de fiabilidad para componentes software Cada componente tiene asociada una hoja de transformación que indica cómo transforma los dominios de entrada en los de salida Cada componente tiene también una tasa de fallos asociada a cada combinación de subdominios Expresando esta información como expresiones restrictivas, se puede reflejar este modelo en Itacio

50 Agustín Cernuda del Río Ejemplos: Compatibilidad entre protocolos - I Verificaciones temporales (ordenación de llamadas) Los contratos de reutilización no lo reflejan Modelo de Yellin y Strom Especificar protocolos indicando las transiciones posibles (es decir, el orden de invocación admitido en cada componente para sus operaciones) Algoritmo para verificar la compatibilidad de los protocolos de dos componentes ¿Susceptible de ser modelado en Itacio?

51 Agustín Cernuda del Río Ejemplos: Compatibilidad entre protocolos - II ys_collaboration($file$). ys_states($file$, initFile, [], [createdFileObj, openingFile, openFile,readingFile, endOfFile, notReadingFile]). ys_sent_message($file$, openFileError). ys_sent_message($file$, openFileOk).... ys_received_message($file$, fileConstructor). ys_received_message($file$, fileDestructor).... ys_transition($file$, initFile, +, fileConstructor, createdFileObj). ys_transition($file$, createdFileObj, +, fileDestructor, initFile)....

52 Agustín Cernuda del Río Ejemplo: Compatibilidad entre protocolos - III ¿Son compatibles componentes con estos protocolos?

53 Agustín Cernuda del Río Ejemplo: Compatibilidad entre protocolos - IV

54 Agustín Cernuda del Río Conclusiones y trabajo futuro 1. El problema 2. Técnicas relacionadas 3. Solución aportada 4. Estudio práctico y resultados 5. Conclusiones y trabajo futuro

55 Agustín Cernuda del Río Conclusiones Basándose en: Interpretación de los resultados obtenidos Análisis del estado del arte Escrutinio público Se concluye que: Es posible verificar, de manera estática, automática y asequible que, hasta donde nos es posible asegurar con el conocimiento disponible, al combinar ciertos componentes software no se han violado las condiciones de funcionamiento correcto de ninguno de ellos.

56 Agustín Cernuda del Río Aportaciones Tecnología de componentes software Estudio específico de alternativas Definición abierta de componente Gestión del conocimiento aplicada Modelo de componente que permite incorporar conocimiento Esquema de generación de la BC para inferencias Ingeniería del software Método de modelado de componentes para verificación y con las restricciones descritas (gran flexibilidad y generalidad) Ejemplos de aplicación de modelo de componentes a campos diversos Sistema de verificación plenamente viable en la práctica Diversos prototipos

57 Agustín Cernuda del Río Trabajo futuro - I Mejoras Gestión del conocimiento Corrección de las especificaciones Razonamiento aproximado / probabilístico Relajación del criterio de corrección topológica Relación con la Ingeniería del Software Herramientas de producción (no prototipos) Integración con procesos de desarrollo Nuevos campos de aplicación del modelo Ingeniería inversa para búsqueda de defectos Búsqueda de componentes Anticipación y ayuda al diseño Relación entre expresiones restrictivas y código fuente

58 Agustín Cernuda del Río Trabajo futuro - II Relación con técnicas formales Especificación de la semántica del modelo mediante semántica monádica reutilizable Modelado de los componentes mediante semántica modular Creación de lenguaje independiente y extensible de propósito específico Adaptación de una técnica de especificación semántica al trabajo con componentes

59 Agustín Cernuda del Río Fin de la presentación


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