Modelado de sistemas software: Introducción Diciembre 2006 Miguel A. Laguna Fuentes: Bran Selic, ICSE’03 UML2.0 Tutorial y número especial sobre MDD, IEEE Software, September 2003, pag. 19-25

Modelado de ... Sistemas... Familias de sistemas Sistemas web Sistemas de control/tiempo real Familias de sistemas Variabilidad Patrones de alto nivel Restricciones Requisitos Procesos ...Modelos ¿ejecutables?

La importancia de los modelos

Modelos de ingeniería Modelo de ingeniería: Propósito: Representación reducida de un sistema Propósito: Ayudar a comprender un problema complejo (o solución) Comunicar ideas acerca de un problema o solución Guiar la implementación

Características de los modelos Abstracto Enfatiza los elementos importantes y oculta los irrelevantes Comprensible Fácil de comprender por los observadores Preciso Representa de forma fiel el sistema que modela Predictivo Se pueden usar para deducir conclusiones sobre el sistema que modela Barato Mucho más barato y sencillo de construir que el sistema que modela Los modelos de ingeniería eficaces deben satisfacer todas estas características

Cómo se usan Para detectar errores u omisiones en el diseño antes de comprometer recursos para la implementación Analizar y experimentar Investigar y comparar soluciones alternativas Minimizar riesgos Para comunicarse con los “stakeholders” Clientes, usuarios, implementadores, encargados de pruebas, documentadores, etc. Para guiar la implementación

Desarrollo guiado por modelos (“Model-Driven development” o MDD) Una aproximación al desarrollo de software en el que el enfoque y los artefactos fundamentales son modelos (y no programas) Implica la generación automática de programas a partir de modelos Utilizando lenguajes de modelado directamente como herramientas de implementación “El modelo es la implementación”

Lo esencial en MDD En MDD el enfoque y los artefactos fundamentales son modelos (y no programas) La mayor ventaja es que los conceptos de modelado están mucho menos ligados a la tecnología de implementación y más cerca del dominio del problema Los modelos son más fáciles de especificar, comprender y mantener

Tecnología Se generan automáticamente programas completos a partir de modelos (y no sólo esqueletos o fragmentos de código ) Se “verifican” automáticamente modelos en una computadora (por ejemplo, ejecutándolos)

Estándares: Model-Driven Architecture Iniciativa MDA de OMG Es un marco para definir estándares: MOF UML XML SOAP SPEM RAS....

La práctica Modelos Observables Es necesario que las herramientas nos den información sobre errores, al igual que lo hacen los compiladores (o los depuradores)

...La práctica Modelos ejecutables Eficiencia del sistema generado El “hola_mundo” Debe ser posible trabajar con modelos incompletos (pero bien formados) Eficiencia del sistema generado 15 % de diferencia con las herramientas actuales

...La práctica Escalabilidad Integración con sistemas legados Grandes sistemas: Tiempo de generación/compilación del sistema Tiempo de generación/compilación de cada incremento En realidad el tiempo de generación representa un 10 % Integración con sistemas legados

Modelado y lenguajes

Lenguajes para MDA/MDD

Evolución de UML UML 2.0 UML 1.5 UML 1.4 UML 1.3 UML 1.1 UML 1.0 2005? UML 1.5 septiembre de 2001 UML 1.4 Abril 1999: UML 1.3 Otros métodos Booch’91 OMT-1 OOSE Booch’93 OMT-2 OOPSLA’95 Método Unificado 0.8 Junio 96 y Octubre 1996 UML 0.9 & 0.91 UML 1.0 Publicación de UML 1.0 Enero 1997 UML 1.1 Publicación de UML 1.1 Septiembre 1997 Colaboradores y expertos Documentos públicos Fragmentación Unificación Estandarización

Críticas a UML 1.X excesivo tamaño, complejidad gratuita, semántica imprecisa, personalización limitada, Soporte inadecuado para desarrollos basados en componentes, implementaciones no estándar falta de soporte para intercambio de diagramas.

Qué ha ido mal en UML 1.X Does not fully exploit MDD potential of models, E.g., “C++ in pictures” Inadequate modeling capabilities Business and similar processes modeling Large-scale systems Non-functional aspects (quality of service specifications) Too complex Too many concepts Overlapping concepts Inadequate semantics definition Vague or missing (e.g., inheritance, dynamic semantics) Informal definition (not suitable for code generation or executable models) No diagram interchange capability Not fully aligned with MOF Leads to model interchange problems (XMI)

Requisitos para UML 2.0 Requisitos de la infraestructura: se refieren a la arquitectura, reestructuración y mecanismos de extensión. Indican cómo UML 2.0 es definido y estructurado como un metamodelo. Requisitos de la superestructura: se refieren al refinamiento y extensión de la notación y la semántica de UML 1.x. Requisitos generales: afectan tanto a los cambios en la infraestructura como a los de la superestructura.

Qué se le pide a UML 2.0 Se ha dividido la petición en varios RPF (peticiones de propuestas)

UML 2.0 RPF "UML 2.0 Infrastructure RFP". Documento OMG ad/2000-09-01. UML interno base conceptual precisa para soporte de MDA "UML 2.0 Superstructure RFP". Documento OMG ad/2000-09-02. Características para el usuario Capacidades nuevas para sistemas grandes Consolidación

...UML 2.0 RPF "UML 2.0 OCL RPF". Documento OMG ad/2000-09-03. Lenguaje de restricciones Alineamiento con UML "UML 2.0 Diagram Interchange RFP". Documento OMG ad/2001-02-39. Estándar de intercambio de diagramas Incluye información gráfica

UML 2.0 Infrastructure RFP Solicitaba propuestas que mejorasen las bases arquitectónicas de UML, incluyendo su núcleo y sus mecanismos de extensión: - Mejorar la alineación arquitectónica con otros estándares de modelado del OMG, como MOF (Meta Object Facility) y XMI (XML Metadata Interchange). - Reestructurar la arquitectura del lenguaje, para que fuera más sencillo de entender, implementar y extender, manteniendo la semántica que ya había sido contrastada. - Proporcionar perfiles y mecanismos de extensión de primera clase (metaclases) que fueran consistentes con la arquitectura del metamodelo.

UML 2.0 Superstructure RFP Solicitaba propuestas que actualizasen y mejorasen el soporte que UML proporciona al desarrollo del software, en áreas tales como desarrollo basado en componentes, modelado de procesos de negocios, modelado arquitectónico modelos ejecutables Requería la revisión de ciertos aspectos estructurales y de comportamiento.

Componentes y arquitectura Mejorar el soporte para desarrollos basados en componentes. Era necesario demostrar que se podían especificar contenedores de ejecución y perfiles para las principales arquitecturas de componentes, como EJB y COM+ Aumentar el soporte para arquitecturas de tiempo de ejecución (comparar modelos ejecutables) incluyendo la especificación de estructuras jerárquicas y comportamientos dinámicos.

Revisión de ciertos aspectos... Refinar la semántica de las relaciones, incluyendo generalización, asociación y dependencia. Mejorar el encapsulamiento y la escalabilidad en los modelos de comportamiento, especialmente en los diagramas de estado y en los diagramas de interacción. Refinar la semántica gráfica de las actividades, centrándose en la gestión de eventos y el flujo de control y de objetos.

UML 2.0 OCL RFP Solicitaba propuestas que definiesen un metamodelo de Lenguaje de Restricciones de Objetos (OCL) acorde al metamodelo de UML. Esto incrementaría la precisión y consistencia de las implementaciones OCL y facilitaría el intercambio de constructores OCL entre distintas herramientas. Aunque se la Infraestructura como la Superestructura utilizan OCL para especificar sus reglas, ninguno de sus respectivos RFP dependen de éste.

UML 2.0 Diagram Interchange RFP Solicitaba propuestas que definieran un metamodelo para el intercambio de elementos de diagramas entre herramientas UML. Este metamodelo necesitaría soportar el intercambio de características tales como la posición de los elementos, el agrupamiento de elementos, la alineación de elementos, las configuraciones de las fuentes, los caracteres y los colores.

Facilidad Meta-Objetos (MOF) MOF, Meta-Object Facility es un lenguaje para definir lenguajes de modelado Permite a los usuarios definir totalmente nuevos lenguajes a partir de metamodelos Fue también definido por el OMG y actualmente se encuentra en su versión 2.0 La alineación del metamodelo UML 2.0 con el metamodelo MOF simplificará el intercambio de modelos vía XMI y la interoperabilidad cruzada entre herramientas. La especificación del núcleo unificado MOF 2.0 debe estar arquitectónicamente alineada con la Infraestructura de UML

Arquitectura de Lenguajes de Modelado MOF define una Arquitectura de Lenguajes de Modelado en la que existen 4 capas o niveles: – Nivel M3: MOF. – Nivel M2: UML. – Nivel M1: Modelo del usuario. – Nivel M0: Instancias en tiempo de ejecución.

Arquitectura de UML/MOF Figura de [Rivas et al., 1997] Los conceptos utilizandos durante el modelado son varios, que potencialmente pueden provenir de diferentes disciplinas, pero cuando se modela, se quiere crear un modelo de un sistema, en lugar de muchas piezas que no está muy claro como relacionarlas. Para conseguir integrar modelos, el metamodelo subyacente debe estar integrado a través de las disciplinas también. Un ejemplo simple: considérese el concepto de un requisito. Independientemente de que se esté haciendo un diseño estructurado, OO o hardware, es el mismo concepto. Un metamodelo integrado permitirá representar los mismo conceptos a través de dominios diferentes utiilizando los mismos metaobjetos, una colección de fragmentos de metamodelos no integrados requerirán un esfuerzo adicional del vendedor de herramientas para integrar lo que el metamodelo no hace [Metamodel, 1997]

Situación actual: finalización UML 2.0 Infrastructure RFP: adoptado en agosto de 2003 la especificación final UML 2.0 Superstructure RFP: adoptada en agosto de 2003 la especificación final UML 2.0 OCL RFP: adoptado en agosto de 2003 el borrador de la especificación, UML 2.0 Diagram Interchange RFP: adoptado en julio de 2003 el borrador de la especificación, Se aprobó en agosto de 2005

Infraestructura a) Alineación arquitectónica y reestructuración b) Extensibilidad

a) Alineación arquitectónica y reestructuración Aunque el metamodelo UML 1.x era compatible con el metamodelo MOF, no se ceñía estrictamente al patrón de metamodelo de 4 niveles, en el que cada metamodelo es una instancia de sólo un meta-metamodelo En UML 2.0 el metamodelo UML está perfectamente alineado con el metamodelo MOF Además, el núcleo de UML y el núcleo de MOF deben compartir los mismos elementos de metamodelo,

UML 2.0 y MOF 2.0

b) Extensibilidad Los perfiles UML incorporan mecanismos de extensión (estereotipos, valores etiquetados y restricciones) que permiten personalizarlo para distintas aplicaciones y tecnologías. En el OMG se está trabajando con ellos, algunos ya han sido adoptados y otros están en proceso de adopción. Por ejemplo existen perfiles para: CORBA IDL, Modelo de Componentes CORBA (CCM), Computación de Empresa de Objetos Distribuidos (EDOC). Se ha incluido un mecanismo de extensibilidad de primera clase, que permite a los desarrolladores definir y añadir sus propias metaclases (que serán instancias de las meta-metaclases MOF), dando así soporte a la "familia de lenguajes“ basada en UML.

Superestructura Pensada para el modelado arquitectónico Objetos con estructura externa e interna (objetos arquitectónicos) Modelado de sistemas complejos La estructura deseada es declarada (asserted) más que construida Constructor de clase crea la estructura deseada automáticamente El destructor de la clase hace la limpieza automáticamente Expresividad, fiabilidad y productividad Basado en lenguajes de descripción arquitectónica (ADLs) UML-RT profile: Selic and Rumbaugh (1998) ACME: Garlan et al. SDL (ITU-T standard Z.100)

Nuevos elementos Clases estructuradas Puertos Protocolos Componentes ...

Clases estructuradas

Puertos

Protocolos

Componentes

Sumario de UML 2.0 First major revision of UML Original standard had to be adjusted to deal with MDD requirements (precision, code generation, executability) UML 2.0: Small number of new features + consolidation of existing ones Scaleable to large software systems (architectural modeling Modular structure for easier adoption (core + optional) Increased semantic precision and conceptual clarity Suitable foundation for MDA (executable models, full code generation)

Arquitectura de UML/MOF Figura de [Rivas et al., 1997] Los conceptos utilizandos durante el modelado son varios, que potencialmente pueden provenir de diferentes disciplinas, pero cuando se modela, se quiere crear un modelo de un sistema, en lugar de muchas piezas que no está muy claro como relacionarlas. Para conseguir integrar modelos, el metamodelo subyacente debe estar integrado a través de las disciplinas también. Un ejemplo simple: considérese el concepto de un requisito. Independientemente de que se esté haciendo un diseño estructurado, OO o hardware, es el mismo concepto. Un metamodelo integrado permitirá representar los mismo conceptos a través de dominios diferentes utiilizando los mismos metaobjetos, una colección de fragmentos de metamodelos no integrados requerirán un esfuerzo adicional del vendedor de herramientas para integrar lo que el metamodelo no hace [Metamodel, 1997]

Modelado de objetos Descripción de los objetos en términos de sus propiedades y de sus relaciones Idea básica: describir un grupo de objetos similares en términos de clases, que son instanciadas para crear objetos individuales Los objetos se relacionan con las clases de las que son creados por la relación “SerInstanciaDe” (“IsInstanceOf”) (1b) El conjunto de objetos instanciados de las clases tienen todos las mismas propiedades y las relaciones definidas en la clase En este ejemplo, City es una clase y Houston es un objeto generado de City. En otras palabras, Houston es una instancia de City. Nótese que City, en su papel como plantillas de objetos, define los tipos de atributos que sus instancias pueden tener. Houston, como objeto generado de City, tiene valores específicos para estos atributos.

...Modelado de objetos Una situación parecida ocurre con las relaciones. Una clase define los tipos de relaciones que sus instancias pueden tener con instancias de otras clases A similar situation occurs with relationships. A class defines the kinds of relationships which its instance may enter into with instances of other classes. Thus, extending the above example, a given city my have an ‘‘IsIn’’ relationship with a country. For example, Houston ‘‘IsIn’’ the USA. In its role as a template, the class City defines the kinds of relationships which its instances can enter into with instances of other classes. Thus in the above example, ‘‘IsIn’’ between City and Country is a template for ‘‘IsIn’’ relationships between instances of City and County (such as Houston and the USA). Relationships are often shown diagramatically as lines connecting classes, as illustrated above. However, it is also possible to represent them textually. To do so it is necessary to give the names of the related entities as well as the relationship name. Thus ‘‘Houston.IsIn.USA’’ is the full name of the relationship depicted on the right hand side of the above drawing, and ‘‘City.IsIn.Country’’ is the name of the relationship template shown on the left hand side. To reiterate, a class represents a template from which multiple object may be instantiated. These objects are related to the class by the IsInstanceOf relationship. A class also defines attribute templates and relationships templates which its instances may have instances of. These attributes and relationships may also be viewed as defining a membership test for belonging to the set of instances of the class. One common source of confusion in object modeling is that the term attribute is often used to refer both to attribute templates at the class level (eg. Pop) and attribute instances at the object level (e.g. Pop = 2M) . Thus, it would not be uncommon to use a phrase of the kind ‘‘City has attributes Pop and Area’’ and also ‘‘Houston has attributes Pop and Area’’. A similar situation applies to the term ‘‘relationship’’. This is frequently used loosely to mean both relationships templates and relationship instances. In other words, in current modeling methods relationships and attributes are rarely distinguished explicitly from relationship templates and attribute templates. This can be a major source of confusion when extending object modeling to meta-modeling.

Metamodelado... Se basa en la idea de reificar las entidades que forman un cierto tipo de modelo y describir las propiedades comunes del tipo de modelo en forma de un modelo de objetos Cuando se ve la clase como un objeto, la clase es una instancia de otra clase (1a) Ver las entidades de ese nivel como si fueran objetos When viewed as an object, a class itself becomes an instance of another class. Thus, in the diagram fragment below, class City is an instance of the class, Class, which defines an attribute (template), NoOfInstances. Since it is an instance of the class, Class, City has a value for its instance of the attribute NoOfInstances, in this case 1.

Metamodelado... Las clases pueden participar en relaciones con otros objetos As with regular objects, City can participate in relationships with other objects. The example below indicates that City is stored in a file, called CityFile, which has a size attribute with a value of 4 Kb. Naturally, the kind of attributes and relationships which City can have are defined by its class, Class. Notice that the attributes and relationships of City (when viewed as objects), are not passed on to (i.e. have no effect on) its instances (when it plays the role of a class). Thus, Houston, an instance of City, does not have (instances of) the attribute NoOfInstances or the relationship Stores. This is impossible, since NoOfInstances and Store are not templates, but actual attribute and relationship instances.

...Metamodelado La idea fundamental en el metamodelado es que las entidades del modelo (clases) juegan dos papeles: el papel de plantilla (cuando se ve como una clase) y el papel de instancia (cuando se ve como objeto Por lo tanto, una descripción completa de tales entidades deberían tener dos dimensiones como se ilustra en la figura. A full description of a class such as City, therefore involves four elements · attribute values (eg. NoOfInstances = 1) · relationship values (eg. CityFile.Stores.City) · attribute templates (eg. Pop, Area) · relationship templates (eg. City.IsIn.Country)

Terminología de metamodelado... La idea de ver las clases como objetos puede ser aplicada repetidamente para crear una jerarquía de instanciación del clases y objetos En principio está jerarquía podría continuar hasta cualquier profundidad arbitraria, pero en la práctica no se extiende más allá de cuatro niveles de profundidad

Terminología de metamodelado... Si la jerarquía tiene una profundidad fijada, se puede utilizar un esquema de nombres para describir el nivel en que reside una entidad dada en la jerarquía de instanciación This is the approach adopted in this submission. As illustrated below, the label ‘‘meta’’ is used to describe entities defined at the third level in the instantiation hierarchy, and the label ‘‘meta-meta’’ to describe entities defined at the fourth level. All data entities at the bottom level are instances of artifacts at the model level, which in turn are instances of entitities at the meta model level and so on up the IsInstanceOf (or meta) hierarchy. This use of terminology differs from the situation with inheritance hierarchies in which relative terminology is used. Thus, when the term superclass is used, it means the immediate parent of a given class. It is rarely, if ever, used in an absolute sense to mean classes at the second level (from the bottom) of the inheritance hierarchy. Unfortunately, the term meta is sometimes also used to represent a relative IsInstanceOf relationship between two classes, but this submission uses the term ‘‘meta’’ exclusively in an absolute sense.

...Terminología de metamodelado Notice that that the entities at the extremes of the hierarchy can only be viewed from one perspective. Objects, at the bottom of the hierarchy do not have a template perspective (since they cannot be instantiated), while meta-meta-classes at the top of the hierarchy do not have an object perspective (since they have not been instantiated). Only those class in the middle can be viewed from both perspectives. However, this submission borrows a neat trick from CDIF [EIA/IS-107] to side step this problem at the top end. The tick is to make the entities at the top of the meta hierachy instances of other entities at the same level, possibly even themselves. Although this has the flavor of creating something from thin air (like particles in the ‘‘soup’’ of quantum mechanics) it does neatly terminate the meta hiearchy. Note also that because of the absolute naming scheme an entity is said to have values for attributes from the next meta-level. Thus, a class has value for meta-attributes (eg. NoIfInstances = 1), and a meta-class has value for meta-meta-attributes (eg. Shape = rectangle).