Softwarekomposition und Metaprogrammierung

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1 Softwarekomposition und Metaprogrammierung
Einführung Ansätze zur Komposition Subjekt-orientiertes Programmieren SOP Erweiterungen des objekt-orientierten Paradigmas (composition filters) Kalküle für Komponentensysteme (N-Kalkül) Metaobjekt-Komposition Template Metaprogramming Invasive Komposition Konzepte: Webepunkte, Kompositionsschnittstelle Anwendungsbeispiele Werkzeuge und Architekturen (COMPOST)

2 Literatur /ben/papers/unpacked/Metaprogramming
SOP: LambdaN: Dami, Laurent. Software Composition. Dissertation Universität Genf. 1997 Mulet, P., Malenfant, J., Cointe, P. Towards a Methodology for Explict Composition of MetaObjects. OOPSLA 98. Aksit, M., Bergmans, L., Vural, S. An object-oriented langauge-database integration model: The composition-filters approach. ECOOP 92. LNCS 615, Springer. Template Metaprogramming: GenVoca: Batory, Don. Subjectivity and GenVoca Generators. In Sitaraman, M. (ed.). Proceedings of the Fourth Int. Conference on Software Reuse, April 23-26, 1996, Orlando Florida. IEEE Computer Society Press, pages IPD-Literatur am Ende der Folien

3 Problem und Ziel der Komposition
Nicht alle Systemeigenschaften als separate Komponenten erfassbar Wartbarkeit, Erweiterbarkeit und Wiederverwendbarkeit leiden Ziel Klare Trennung aller Systemeigenschaften in Entwurf und Umsetzung Verwebung in einzelnen Schritten (im Gegensatz zum monolithischen Weber à la AOP) Lösung Komposition (mit Metaoperatoren)

4 Komposition: Ausdrücke statt Weber
Druckaspekt Algorithmus Persistenz Op Op Op Op Op Op Druckaspekt Persistenz- aspekt Druckaspekt

5 Systembau als Kompositionsterm
C1 C1 A A.p1 A A B.p1 A A A A.p1 C3 B.p1 C1 C2 C2 B.p2 C.p2 A A.p1 B B.p2 A.p2 C.p1 A.p2 C.p1 A A A A C2 C2 C C C C C1 C1 C1 B B B B C3

6 Systembau als Kompositionsterm
C1 D=C4 C1 A A.p1 A A B.p1 A A.p1 A A B.p1 C2 C3 C2 C3 A.p2 C.p1 B.p2 C.p2 A.p2 C.p1 B.p2 C.p2 D A A C2 C2 C C C1 C1 B B C3 C2

7 Voraussetzungen zur Komposition
Flexible Komposition von Code und Daten möglich. Kompositionsoperatoren (Kompositoren) sind Programmtransformatoren (Codetransformator, Optimierer, Übersetzer, Metaprogramm, Metaoperator) op: Code  Code Optimierer, Transformator Metaprogramm, Metaoperator code: Code  Code op: SpracheA  SpracheB Übersetzer

8 7.1 Einige Ansätze zur Komposition
Subjekt-orientiertes Programmieren SOP OOP-Erweiterungen (composition filters) Kalküle für Komponentensysteme (N-Kalkül) Metaobjekt-Komposition Template Metaprogramming

9 7.1.1 Subjekt-orientiertes Programmieren
Verfechter: Ossher, Harrision (IBM) Idee Teile von Klassen als Subjekte beschreiben Subjekte durch Mischregeln auf Klassen abbilden Subjekte Operationen (generische Methoden) Klassen und Instanzvariable Umsetzung der Operationen in konkreten Klassen (Realisierung mittels Generator) Beschreibung mit eingebettetem C++ Mischregeln Beschreibung mit einfacher Operatorsprache

10 Beispiel Ein einfaches Subjekt
Subject: PAYROLL Operations: print() Classes : Employee() with InstanceVariables: _emplName; Mapping : Class Employee, Operation Print() implemented by &Employee::Print() // others... Mischen nach Regeln Zielklassen erhalten Operationen der beteiligten Subjekte

11 Mischregeln in SOP Fest vorgegebene Kompositionsoperatoren
Korrespondenzregeln: Equate (Zuweisung Methoden-Implementierung = Subjektteil) Correspond (Delegation) Kombinationsregeln Replace (Überschreiben) Join (Verbinden von Subjektteilen) Korrespondenz- und Kombinationsregeln Merge = Join; Equate Override Anwendungen aus C++ leicht erweiterbar (klar wegen Sichten und Erweiterungsoperatoren) Mischmodell kaum erweiterbar!

12 7.1.2 LambdaN-Kalkül (N) Erster Kalkül zur Codekomposition
Erweiterung des Lambda-Kalküls Benannte Argumente Namensabhängige Reduktionsregeln Zweck Mehrfachdefinition von Funktionen Einfache Vereinigung ihres Codes Mischregeln Umbenennung von Parametern Vereinigung von Ausdrücken

13 Beispiel f = lambda x y z . let r = x+z in let s = y*x in record(r+s)
f = lambda a b . let x = a+b in record(x) . Umbenennung (rename) Vereinigung (union) f = lambda a b . let t = a+b in record(t) . f = lambda x y z a b . let r = x+z in let s = y*x in let t = a+b in record(r+s,t) . f(x=1,y=2,z=3) f(a=1,b=2) LambdaN vereinigte datenunabhängige Slices f(x=1,y=2,z=3,a=1,b=2)

14 7.1.3 Metaobjekt-Komposition
Klasseneigenschaften als Metaobjekt darstellen (tracing, counting, verbose, persistent,..) Kombination durch Aggregation auf Metaebene Der eigentliche Code einer Klasse ergibt sich aus den Methoden dem Code der Metaobjekte (auf irgendeine Weise komponiert; de facto beschränkt auf Prozedurein-/ausgang) Simulation mit LambdaN möglich

15 Beispiel Metaobjekt- Metaobjekt-Klassen Normale Methoden Klasse
Class c { Procedure p() { fetch_from_db(self); print("enter p"); p_counter++; /* algorithm */ // counting: nothing print("exit p"); store_to_db(self); } persistence precode postcode c composing verbosity precode postcode counting precode postcode p Algorithmus

16 7.1.4 Kompositionsfilter (composition filters)
Älterer Ansatz, ähnelt Metaobjekt-Komposition (Schachtelung von Code um Objekte und Methoden) Idee: Botschaften zwischen Objekten werden gefiltert Beispiele für Filter Botschaften verschlucken Botschaften delegieren (Vererbung, Delegation) Mit anderen Objekten synchronisieren (Synchronisationsprotokolle) Objekt(e) modifizieren (Anpassung) Dynamische Anpassung durch Filtertausch möglich Sehr mächtiges Konzept, besonders zur Anpassung

17 7.1.5 Template Metaprogramming/GenVoca
Templates in C++ Parametrisierte Typausdrücke Auswertung bei Übersetzung Idee: Nutze Templates zur Komposition Nachteil: Unlesbare Programme (Zweckentfremdung!) Umsetzung auch denkbar mit statisch ausgewertetem Lambda-Kalkül offener Programmiersprache (z.B. OpenC++) GenVoca (Batory) Mehrfach-Parametrisierung mit geschachtelten Template-Parametern (Konfiguration in mehreren Dimensionen) Hauptsächlich für innere Anpassung

18 Beispiel // Statisch ausgewerteter SWITCH als Typ
template <int Tag,class aCase> struct SWITCH { typedef aCase::next nextCase; // Statische Berechnung in MS VC++ erzwingen enum { tag = aCase::tag, nextTag = nextCase::tag, found = (tag == Tag || tag == DEFAULT) }; // Statische Auswertung bei Übersetzung typedef IF<(nextTag == intimate::NilValue), intimate::NilCase, SWITCH<Tag,nextCase> > ::RET nextSwitch; typedef IF<(found != 0), aCase::statement, nextSwitch::RET> ::RET RET;

19 Generische Klassen (templates) und Rahmenwerke (frameworks)
Formale Parameterklasse Parameterklasseninstanz Template class Hook class

20 GenVoca: Komposition durch Schachtelung von generischen Klassen
Template T< T1< T2<T3> ,T4<T5> > > T2 T3 T4 T5 T T1 Alle Ti sind unabhängig voneinander austauschbar, d.h. konfigurierbar! (statische Komposition)

21 Komponentensicht T3 T5 T2 T4 T1 T Komponenten werden intern adaptierbar, da innere Einheiten unabhängig von äusseren ausgetauscht werden können

22 7.2. Invasive Softwarekomposition
Invasive Komposition adaptiert und erweitert Komponenten an Webepunkten durch Programmtransformation Allgemeiner Mechanismus Anwendungsgebiete Anpassung Sichtenorientierte Entwicklung Aspektorientierte Entwicklung Webepunkte sind Ansatzpunkte für Adaption und Erweiterung Implizit (z.B. durch Sprachsyntax definiert) Deklariert (explizit als Kompositionsschnittstelle ausgewiesen)

23 Implizite Webepunkte Click to add notes
Beispiel: Methodeneintritt/austritt für Umwicklung (wrapping), z.B. zum Umwickeln eines Test-Aspekts m (){ abc.. cde.. } Method.entry Method.entry Method.exit Method.exit Click to add notes

24 Deklarierte Webepunkte
Die Kompositionsschnittstelle einer Komponente besteht aus ihren explizit deklarierten Webepunkten Deklaration von Webepunkten durch Spracherweiterungen oder z.B. Standardisierte Namenspräfixe Vererbungsbeziehungen Standardisierte Kommentar-Marken Deklarationen Click to add notes

25 Webepunkte für Kommunikation (Tore)
Deklaration durch Aufruf abstrakter Kommunikationsmethoden m (){ // Aufruf e = p(d); } m (){ out(d); in(e); } Ausgabetor Eingabetor m (){ // Ereignis notifyObservers(d); e = listen_to(); } Click to add notes

26 Invasive Komposition mit Kompositoren
Kompositoren sind Transformatoren, Optimierer, Übersetzer, Metaoperatoren, Metaprogramme Erkennen (ungebundener) Webepunkte Konsistentes Transformieren zu gebundenen Webepunkten Kompositor Click to add notes Invasiv transformierter Code

27 Komposition beseitigt die Kompositionsschnittstellen
Funktionale Schnittstelle Kompositionsschnittstelle mit Webepunkten Invasive Komposition

28 Einsatz klassischer Übersetzerbautechnik
Programmanalyse zur Prüfung von Vorbedingungen Attributierte Grammatiken Typprüfungen Datenflußanalyse Abstrakte Interpretation Programmtransformation Globale Musterersetzung (Ersetzungssysteme) Lokale Musterersetzung Elimination

29 7.2.2. Geheimnisprinzip der invasiven Komposition
Kompositon nur auf der Kompositionsschnittstelle Dann kapselt die Schnittstelle die Komponente Austausch gegen eine Variante wird möglich Entspricht dem Geheimnisprinzip in Modulen Rahmenwerken Architektursprachen AOP Aber wesentlich flexibler Click to add notes

30 Konstruktionsprozeß mit invasiver Komposition
Altsystem Auswahl von Webepunkten Deklaration von Webepunkten Komponiertes, verwebtes System System mit Komponenten und Webepunkten Invasive Komposition Click to add notes

31 7.2.3 Invasive Komposition, Code-Vererbung und Delegation
Kunde Buchhandlung CORBA-Kompositor DCOM-Kompositor Kunde Buchhandlung Kunde Buchhandlung CORBA-Verbindung DCOM-Verbindung

32 Beispiel Kunde/Buchhandlung
import Buchhandlung; public class Kunde { public bestelle(String server) { // allocate new server Buchhandlung bh= holeBuchhandlung(server); // call the services bh.sucheAus(); bh.kaufe(); } Buchhandlung public class Buchhandlung { public Buchhandlung() { } public void sucheAus() { System.out.println( "suche aus.." ); } public void kaufe() { "kaufe" );

33 Invasive Anpassung an CORBA
Kunde import Buchhandlung; public class Kunde { public bestelle(String server) { // allocate new server Buchhandlun bh = holeBuchhandlung(server); // call the services bh.sucheAus(); bh.kaufe(); } CORBA Kunde import org.omg.CORBA.* import Buchhandlung; public class Kunde extends CORBA.client { public Kunde(String server) { // Initialisiere CORBA Broker ORB orb = ORB.init( args,new Properties()); // Ermittle den Buchhändler Buchhandlung bh = orb.string_to_object(server); // Bestellung bh.schaueNach(); bh.order(); } Enthaltene Webepunkte

34 Vererbung und Delegation sind Kompositoren
Passe invasiv an Delegiere Vererbe K K-Unterklasse K K-privat

35 Erweiterungsoperatoren für Klassen (z.B. SOP) sind Kompositoren
Physikalische Sicht als Verschmelzung der logischen Sichten K + K + Jede Komponente behält ihre logische Sicht

36 Ziele der Modifikation
Vererbung einsetzen für seiteneffektfreie konsistente Komposition Delegation einsetzen für dynamischen Austausch Invasive Komposition einsetzen für unvorgesehene Erweiterungen (Sichtenkonzept) aspektorientierte Entwicklung (invasives Einmischen wie in AOP) Anpassung ohne Delegation (invasive Anpassung) transparenten Komponentenwechsel (erfordert deklarierte Webepunkte)

37 7.3. Das Kompositionssystem COMPOST
COMPOST ist eine Java-Bibliothek mit Programmtransformationen Komponenten bestehen aus Java-Klassen mit Kompositionsschnittstelle (deklarierte Webepunkte) Kompositoren sind herkömmliche Java-Methoden Meta-Programmierung (Reflektion und Transformation) dient für Erkennung und Manipulation von Webepunkten [Aßmann98] [Aßmann/Ludwig99] statisch mit einem Metamodell der Programmiersprache Komponenten, Kompositoren, Webepunkt existieren als Metaobjekte (Component, Composer, WeavePoint) Click to add notes

38 Der Software-Herstellungsprozeß in COMPOST
Client.coc (Java+Webepunkte) Server.coc (Java+Webepunkte) Kompositionsprogramm in Java und COMPOST Komposition/ Konfiguration Client.java GlueCode.java Server.java Click to add notes Übersetzer Übersetzung

39 Anbindung an Entwicklungsumgebungen
Benutzer Kompositionen COMPOST Werkzeug Interaktive Werkzeuge JBuilder, Together Click to add notes

40 Spezifikation von Weben durch Graphersetzungssysteme
Generierung von Webern mit Hilfe des Generators für Graphersetzungssysteme OPTIMIX (EARS, XGRS) [Aßmann95b, 99]

41 COMPOST und aufbauende Arbeiten
Aspekt-orientierte Programming Unterstützung des Entwurfsprozesses Sanierung (Reengineering) Synchronisations- sprachen Automatisierte Entwurfsmuster Adaptive Programming Entweben von adaptiven Programmen Interaktive Komposition Architektur- sprachen Entwebe- operatoren Normalisierer Kontrollfluß Webe- operatoren Adapter Konnektoren Click to add notes Hilfsschicht COMPOST Datenmodell (Metamodell)

42 Das COMPOST System Click to add notes
Stellt invasive Kompositoren als Java-Programme dar Erlaubt stapelverarbeitende und interaktive Komposition Macht Webeschritte durch Kompositoren explizit Stellt Aspekt-Weber als Graphersetzungssysteme dar COMPOST wird mit sich selbst komponiert Click to add notes

43 7.4 Fortschritte mit invasiver Komposition
Invasive Komposition adaptiert und erweitert Komponenten an Webepunkten durch Programmtransformation Sichtenbasierte Erweiterung von Komponenten Aspektkomposition Flexible Anpassung von Komponenten Modularer Austausch mit Geheimnisprinzip Click to add notes

44 Sprachunabhängige Komposition

45 Fortschritte Click to add notes Methodik ist sprachunabhängig
Übertragung der Techniken aus dem Übersetzerbau Spezifikationstechniken (Graphersetzung, Termersetzung) Analysetechniken Generierungstechniken Methodik zur Aufarbeitung von Altsystemen geeignet Einsatz zur Produktion von Produktfamilien Methodik liefert die Basis zur Entwicklung abstrakterer und ausdrucksstärkerer Kompositionssprachen Kompositoren bilden die Maschinensprache der Komposition Click to add notes

46 Fortschritte gegenüber...
Objektorientierten Systemen Kompositoren verallgemeinern Delegation und Vererbung Invasive Anpassung entfernt überflüssige Schnittstellen Erweiterungsmechanismen ermöglichen Sichtenkonzept Aspekt-orientiertem Programmieren Invasive Komposition benötigt keine Spezialsprachen Invasive Komposition systematisiert den Webeprozeß Graphersetzungssysteme beschreiben Webevorgänge

47 Veröffentlichungen Click to add notes
[Alt/Aßmann/vanSomeren94] Alt, M., Aßmann, U., van Someren, H. Cosy compiler phase embedding with the CoSy compiler system. CC94, LNCS 786 [Aßmann95a] Aßmann, U. On edge eddition rewrite systems and their relevance to program analysis. Graph-grammar Conference 1994, LNCS 1073 [Aßmann95b] Aßmann, U. Generierung von Programmoptimierungen mit Graphersetzungssystemen. Dissertation. Universität Karlsruhe, GMD-Berichte 262, Oldenbourg. [Aßmann96] Aßmann, U. How To Uniformly Specify Program Analysis and Transformation. CC96, LNCS 1060 [Goos/Aßmann98] Goos, G., Aßmann, U. Systematic Software Construction. Workshop Universal Design Theory, Karlsruhe, Shaker Verlag. [Aßmann98] Aßmann, U.: Meta-programming composers in 2nd generation component systems. IFIP WG 2.4 Systems Implementation, Feb. 98, Berlin. [Aßmann99] Aßmann, Ludwig: How to introduce connections into classes with static metaprogramming. Coordination 99, Amsterdam. LNCS. [Aßmann99b] Aßmann, U. How to transform and optimize programs with OPTIMIX. Graph-grammar handbook, Vol. II, ed Rozenberg, Kreowski 1999 [Aßmann99c] Aßmann, U. Graph rewrite systems for program optimization. Under revision by TOPLAS. Click to add notes

48 Literatur Click to add notes Technische Berichte
Aßmann, U., Genssler, T., Bär, H.: Meta-programming grey-box connectors. Aßmann, U., Heberle, A., Ludwig, A., Löwe, W., Neumann, R.: Design patterns and language constructs. Aßmann, U.: Aspect-oriented programming with design patterns as meta-programming operators. Techn. Bericht 17/97 Fak. Informatik Verwandte Arbeiten am Institut Zimmer, W.: Frameworks und Entwurfsmuster. Dissertation. Jan. 1997, Universität Karlsruhe. Schulz, B., Genßler, T., Mohr, B., Zimmer, W.: On the Computer Aided Introduction of Design Patterns into Object-Oriented Systems, Proceedings of the 27th TOOLS, Sept. 1998, IEEE CS Press. Ludwig, A. Behandlung von partieller Konformität bei polymorphen Methodenaufrufen. Diplomarbeit Universität Karlsruhe, 1997. Frigo, J., Neumann, R., Zimmermann, W. Mechanical Generation of robust libraries. TOOLS 97. Click to add notes

49 7.5. Komposition: Was haben wir gelernt?
Was zeichnet Kompositionssysteme als Komponentensysteme aus? Wie erfüllen sie unsere Kriterien aus der Einleitung?

50 Komposition: Ziele erfüllt?
Erhöhung Wiederverwendung Produktqualität Qualitätsverbesserung Effektivität durch Konzentration auf Optimierungen Verlässlichkeit Verlängerung Lebensdauer Flexibilisierung Verbesserungen am Softwareprozess Produktivität Schneller Prototypenbau Simulation von Architekturen Dokumentation Klare Systemstrukturen Ja, sehr stark ja ja, einfache Spezifikationen Ja ja, weil Aspekte, die Effizienz beeinflussen, weggelassen werden können nein

51 Komposition: Mechanismen zur Modularisierung
Neue Art von Modul: Aspekte. Modularisierung in einer neuen Dimension Aspektspezifikationen können alle separat modularisiert werden Saubere Schnittstellen durch Kompositionsschnittstellen mit Webepunkten Die Kompositionsprogramme durchbrechen die Modularisierung der Aspekte nach wohldefinierten Regeln! Daraus ergeben sich effiziente Programme, þüberflüssige Schnittstellen werden aus dem System entfernt keine Standards für anwendungsspezifische und Fachkomponenten Modularisierung ist anwendungsspezifisch

52 Komposition: Mechanismen zur Adaptierbarkeit
Externe Adaption Kleistercode möglich Interne Adaptierbarkeit: Im invasiven Komponieren, in SOP, GenVoca, LambdaN werden Schnittstellen durchbrochen und Adaptionscode in die Komponente eingewebt. Kompositionsmechanismen sind noch fortschrittlicher als AOP, denn sie vereinfachen den Einwebevorgang

53 Mechanismen zur Aspekttrennung
Wie bei AOP, bloss werden oft keine Spezialsprachen benþötigt. Statt dessen: Verwendung von Metaobjekt-Protokollen, Metamodellen, Metaprogrammierung

54 Mechanismen zur Transparenz
Wie bei AOP. Vorteil: Gegenüber allen konventionellen modularen Systemen werden Komponenten echt komponiert, d.h. Während des Zusammensteckens verändert. Damit können wir Bausteine verwenden, aber behauen und vermörteln sie automatisch.

55 Einordnung der Komponenten- und Kompositionstechniken
Aspekt-orientiertes Programmieren EJB Adaptives Programmieren Invasive Komposition Architektur- sprachen Corba DCOM Beans SOP N-Kalkül Template MP Komposition

56 Fazit Viel Spass beim Erforschen der weissen Flecken!
Softwarekompositionsmechanismen bilden das Rückgrat der zukünftigen Komponentensysteme der 2. Generation. Invasive Komposition ist der allgemeinste Mechanismus und kann sehr flexibel Komponenten miteinander kombinieren Komposition wird Teile des Programmierens ablösen, insbesondere sobald visuelle Kompositionswerkzeuge vorhanden sind. Viel Spass beim Erforschen der weissen Flecken!

57 Arbeiten in COMPOST HiWis Studienarbeiten Diplomarbeiten
Implementierung der SOP Operatoren Weiterentwicklung eines visuellen Kompositionswerkzeuges Implementierung von Konnektoren Diplomarbeiten Reflexive Beschreibung von Workflows in COMPOST Ein Vererbungskalkül in COMPOST Reengineering mit Kompositoren Dynamische Rekonfiguration