Luận văn Kiểm chứng đặt tả UML cho tác tử phần mềm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Vũ Sỹ Vương KIỂM CHỨNG ĐẶT TẢ UML CHO TÁC TỬ PHẦN MỀM KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ phần mềm HÀ NỘI - 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Vũ Sỹ Vương KIỂM CHỨNG ĐẶT TẢ UML CHO TÁC TỬ PHẦN MỀM KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ phần mềm Cán bộ hướng dẫn: Tiến sỹ Trương Anh Hoàng HÀ NỘI - 2009 Lời cám ơn Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Trương Anh Hoàng, Bộ môn Công nghệ phần mềm, Khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội – người đã định hướng đề tài và tận tình hướng dẫn chỉ bảo tôi trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn quý th ầy cô trong Khoa Công nghệ thông tin trường Đại học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt bốn năm học làm nền tảng cho tôi thực hiện khóa luận tốt nghiệp này. Con xin cảm ơn cha mẹ và gia đình đã sinh ra và nuôi d ạy con khôn lớn, luôn bên cạnh động viên và ủng hộ con trên con đường mà con đã yêu thích và lựa chọn. Cảm ơn các bạn sinh viên Khoa Công nghệ thông tin khóa 2005 – 2009. Các bạn đã giúp đỡ và ủng hộ tôi rất nhiều cũng như đóng góp nhiều ý kiến quý báu, qua đó, giúp tôi hoàn thiện khóa luận tốt hơn. Mặc dù đã r ất nỗ lực, cố gắng nhưng chắc hẳn khóa luận của tôi vẫn còn nhiều thiếu sót. Tôi rất mong nhận được nhiều những ý kiến đánh giá, phê bình của quý thầy cô, của các anh chị và các bạn. Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn. Hà Nội, tháng 5 năm 2009 Vũ Sỹ Vương Tóm tắt nội dung Trong quy trình phát triển phần mềm, kiểm chứng phần mềm đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính đúng đắn của hệ thống trong suốt quá trình thực thi. Nó có nhiệm vụ phát hiện và dò tìm lỗi cho giai đoạn kiểm thử phần mềm. Phương pháp lập trình hướng khía cạnh (AOP) cùng với công nghệ AspectJ ra đời đã tạo ra hướng phát triển mới cho kiểm chứng phần mềm, giúp nâng cao chức năng dò tìm, s ửa lỗi phần mềm mà không ảnh hưởng tới mã nguồn hệ thống. Từ yêu cầu thực tế, khi mà mô hình UML đang là sự lựa chọn phổ biến cho việc mô hình hóa hệ thống phần mềm ở giai đoạn thiết kế, việc kiểm chứng các giao thức ràng buộc đối tượng, giao thức ràng buộc giữa các tác tử trong hệ đa tác tử được mô tả trong biểu đồ trạng thái và biểu đồ trình tự UML, AUML là rất cần thiết trong thời gian chạy. Dựa vào yêu cầu thực tế đặt ra cùng với việc lựa chọn AOP làm giải pháp giải quyết vấn đề, trong phạm vi khóa luận, tôi xin trình bày phương pháp sinh mã aspect phục vụ cho mục đích kiểm chứng phần mềm và xây dựng công cụ Protocol Verification Generator (PVG) tự động sinh mã aspect dựa trên phương pháp này. Nội dung chính của phương pháp là dựa vào các kiến thức về AOP và UML, XML, AUML, JADE framework để chuyển đổi các giao thức ràng buộc đối tượng được đặc tả bởi biểu đồ UML, giao thức tương tác giữa các tác tử trong hệ đa tác tử được đặc tả bởi biểu đổ AUML sang các mô-đun aspect phục vụ quá trình kiểm chứng. Ý nghĩa thực tiễn của bài toán là việc sử dụng mã aspect vừa được tạo ra đan vào chương trình chính thông qua b ộ đan (aspect weaver) của AspectJ để thực hiện nhiệm vụ kiểm chứng các giao thức ràng buộc giữa các đối tượng, các tác tử trong thời gian chạy. Mục lục Chương 1. Mở đầu .................................................................................................. 1 1.1 Đặt vấn đề ................................................................................................ 1 1.2 Nội dung bài toán ..................................................................................... 2 1.3 Tổng quan phương pháp “Kiểm chứng đặc tả UML cho tác tử phần mềm” ................................................................................................................. 3 1.4 Cấu trúc khóa luận ................................................................................... 4 Chương 2. Giới thiệu lập trình hướng khía cạnh (Aspect-Oriented Programming) và AspectJ ............................................................................................................... 6 2.1 Phương pháp lập trình hướng khía cạnh .................................................. 6 2.1.1 Sự hạn chế của lập trình hướng đối tượng (OOP) ............................... 6 2.1.2 Lập trình hướng khía cạnh (AOP) ....................................................... 9 2.2 AspectJ ................................................................................................... 12 2.2.1 Join point ........................................................................................... 12 2.2.2 Pointcut .............................................................................................. 12 2.2.3 Advice ............................................................................................... 13 2.2.4 Aspect ................................................................................................ 14 2.2.5 Cơ chế họa động của AspectJ ............................................................ 15 2.3 Sử dụng AOP Phát triển ứng dụng và phương pháp kiểm chứng dựa trên AOP ............................................................................................................. 15 2.4 Kết luận .................................................................................................. 17 Chương 3. Agent UML và JADE framework ....................................................... 18 3.1 Ngôn ngữ mô hình hóa UML ................................................................ 18 3.1.1 Khái niệm .......................................................................................... 18 3.1.2 Biểu đồ trạng thái (State Diagram) ................................................... 18 3.1.3 Biểu đồ trình tự (Sequence Diagram) ............................................... 19 3.2 XML (eXtensible Markup Language) ................................................... 20 3.2.1 Cơ bản về XML ................................................................................. 20 3.2.2 XML DOM ........................................................................................ 22 3.3 XMI (XML Metadata Interchange) ....................................................... 24 3.4 AUML (Agent UML) ............................................................................ 25 3.4.1 Tác tử phần mềm là gì? ..................................................................... 25 3.4.2 Phần mềm hướng Agent .................................................................... 26 3.4.3 AUML (Agent Unified Modeling Language) ................................... 28 3.5 Java Agent DEvelopment Framework (JADE) ..................................... 31 3.5.1 Khái niệm về JADE ........................................................................... 31 3.5.2 Cấu trúc của JADE platform ............................................................. 32 3.5.3 Một số lớp quan trọng trong thư viện JADE ..................................... 33 3.6 Kết luận .................................................................................................. 34 Chương 4. Xây dựng máy trạng thái từ biểu đồ UML ......................................... 35 4.1 Biểu đồ trạng thái ................................................................................... 35 4.1.1 Quy tắc biểu diễn giao thức bằng biểu đồ trạng thái ......................... 35 4.1.2 Xây dựng cấu trúc dữ liệu mô tả biểu đồ trạng thái UML ................ 36 4.1.3 Xây dựng FSM mô tả biểu đồ trạng thái UML ................................. 40 4.2 Biểu đồ trình tự UML ............................................................................ 42 4.2.1 Cách biểu diễn giao thức giữa nhiều đối tượng bằng biểu đồ trình tự UML ........................................................................................................... 42 4.2.2 Xây dựng cấu trúc dữ liệu mô tả biểu đồ trình tự UML ................... 43 4.2.3 Xây dựng FSM mô tả biểu đồ trình tự UML .................................... 46 4.3 Kết luận .................................................................................................. 47 Chương 5. Xây dựng công cụ tự động sinh aspect từ máy trạng thái................... 48 5.1 Đặt vấn đề .............................................................................................. 48 5.2 Sinh aspect từ FSM mô tả biểu đồ trạng thái UML ............................... 49 5.3 Sinh aspect từ FSM mô tả biểu đồ trình tự UML .................................. 50 5.4 Mở rộng ................................................................................................. 51 5.5 Sinh mã aspect kiểm chứng giao thức (AB)n ......................................... 52 5.5.1 Giao thức (AB)n là gì? ....................................................................... 52 5.5.2 Thuật toán kiểm chứng giao thức (AB)n ........................................... 53 5.5.3 Sinh mã aspect kiểm chứng giao thức (AB)n .................................... 54 5.6 Kết luận .................................................................................................. 54 Chương 6. Thực nghiệm ....................................................................................... 55 6.1 Xây dựng công cụ PVG ......................................................................... 55 6.2 Kiểm chứng một số giao thức thực tế .................................................... 56 6.2.1 Giao thức của các ứng dụng Applet .................................................. 56 6.2.2 Kiểm chứng giao thức biểu diễn giao thức ghi nợ ở một máy ATM 60 6.2.3 Kiểm chứng giao thức [A*B] n .......................................................... 64 6.2.4 Kiểm chứng giao thức tương tác tác tử ............................................. 66 6.3 Kết luận .................................................................................................. 70 Chương 7. Kết luận ............................................................................................... 71 7.1 Kết luận về khóa luận ............................................................................ 71 7.2 Hướng phát triển trong tương lai ........................................................... 72 Phụ lục .................................................................................................................. 73 Phụ lục A: Tài liệu XMI mô tả biểu đồ trạng thái UML .................................. 73 Phụ lục B: Tài liệu XMI mô tả biểu đồ trình tự UML ...................................... 75 Phụ lục C: Agent Customer (Customer.java) ................................................... 78 Phụ lục D: Agent ShoppingCart (ShoppingCart.java) ...................................... 81 Phụ lục E: Aspect Template ............................................................................. 83 Danh mục ký hiệu, từ viết tắt AOP Aspect-Oriented Programming FSM Finite State Machine JADE Java Agent DEvelopment Framework OOP Object Oriented Programming PVG Protocol Verification Generator XMI XML Metadata Interchange XML eXtensible Markup Language UML Unified Modeling Language 1 Chương 1. Mở đầu 1.1 Đặt vấn đề Ngày nay công nghệ thông tin đã được ứng dụng vào tất cả các lĩnh vực của đời sống xã hội. Nó đã tạo ra một diện mạo mới cho xã hội và nhờ đó nền văn minh nhân loại đã được nâng lên một tầm cao mới. Nói đến công nghệ thông tin là nói đến công nghệ phần mềm – một phần không thể tách rời của công nghệ thông tin. Hiện nay ngành công nghệ phần mềm trên thế giới đã và đang phát triển như vũ bão. Những tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật phần cứng đã tạo điều kiện thuận lợi cho công nghệ phần mềm ngày càng phát triển không ngừng. Phần mềm được coi là sản phẩm chính của công nghệ phần mềm, được phát triển theo các mô hình, quy trình phát triển đặc biệt. Quá trình phát triển phần mềm bao gồm rất nhiều giai đoạn: Thu thập yêu cầu, phân tích, thiết kế, xây dựng, kiểm tra, triển khai và bảo trì phần mềm. Trong các giai đoạn đó giai đoạn kiểm tra, phát hiện, xác định và sửa các lỗi phần mềm là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng của một phần mềm. Các lỗi phần mềm có thể gây thiệt hại to lớn về tiền bạc, thời gian và công sức của con người. Lỗi phần mềm được phát hiện càng muộn thì càng gây hậu quả nghiêm trọng, tốn rất nhiều thời gian và công sức để sửa chữa lỗi, thậm chí có thể phải xây dựng lại toàn bộ hệ thống từ đầu. Chính ví vậy cần có các phương pháp phát hiện lỗi sớm nhằm giảm thiểu công sức để sửa chúng. Để phát hiện ra những lỗi phần mềm, phần mềm cần phải được kiểm chứng (Verification) và thẩm định (Valication) [13]. Kiểm chứng phần mềm là kiểm tra xem phần mềm có được thiết kế đúng và thực thi đúng như đặc tả yêu cầu hay không. Thẩm định phần mềm là giai đoạn có sự hỗ trợ của khách hàng nhằm kiểm tra xem phần mềm có đáp ứng được các yêu cầu của họ hay không. Mục đích chính của kiểm chứng phần mềm là làm giảm thiểu lỗi phần mềm tới mức có thể chấp nhận được. Chính vì vậy, nó có vai trò vô cùng quan trọng trong toàn bộ quy trình phát triển phần mềm và trong ngành công nghệ phần mềm hiện nay. Nó đã và đang thu hút được mối quan tâm của rất nhiều nhà nghiên cứu. Giai đoạn kiểm thử trong quy trình phát triển phần mềm có mục đích kiểm tra tính đúng đắn của sản phầm phần mềm. Trên thực tế, các thao tác kiểm thử đơn vị chỉ đánh giá được tính đúng sai của đầu vào và đầu ra của chương trình, không ki ểm tra được quá trình hoạt động logic của chương trình có theo đúng đ ặc tả ban đầu hay 2 không. Những đơn vị chương trình nhỏ này nếu không được kiểm tra kỹ sẽ có thể gây ra thiệt hại nặng nề khi tích hợp chúng để tạo thành chương trình hoàn ch ỉnh. Vấn đề đặt ra là cần có phương pháp kiểm chứng các đặc tả giao thức giữa các đối tượng, các tác tử ngay trong thời gian chạy, đánh giá xem trong thời gian chạy đối tượng hay tác tử phần mềm có vi phạm các giao thức ràng buộc đã được đặc tả hay không, và từ đó đảm bảo chắc chắn hơn tính đúng đắn của sản phầm phần mềm. Trong khóa luận này, tôi xin giới thiệu phương pháp tự động sinh mã aspect kiểm chứng đặc tả giao thức trong thời gian chạy, dựa trên phương pháp lập trình hư ớng khía cạnh (Aspect – Oriented Programming). 1.2 Nội dung bài toán Hiện nay có rất nhiều phương pháp kiểm chứng phần mềm như giả lập hay kiểm chứng mô hình. Trong phạm vi bài toán được đặt ra ở đây, tôi muốn đề cập tới phương pháp kiểm chứng phần mềm dựa trên phương pháp lập trình hướng khía cạnh (AOP) [7, 12]. Lĩnh vực kiểm chứng cụ thể trong phạm vi bài toán là kiểm chứng giao thức đặc tả hoạt động của các đối tượng Java và kiểm chứng giao thức giữa các tác tử trong hệ đa tác tử (giao thức được mô tả bằng biểu đồ trạng thái và biểu đồ trình tự UML, AUML) trong thời gian chạy. Trong cách tiếp cận này, một ứng dụng hướng đối tượng được đặc tả bằng mô hình UML và được cài đặt bằng ngôn ngữ Java; một hệ đa tác tử được đặc tả bằng các biểu đồ AUML và được cài đặt dựa trên JADE framework. Các aspect sau đó sẽ được đan vào khung mã Java đ ể kiểm tra tại bất kỳ thời điểm nào trong thời gian chạy, các đối tượng Java, các tác tử phần mềm hoạt động vi phạm giao thức đã đặc tả (aspect là mô-đun cắt ngang hệ thống). Bài toán có nhiệm vụ là tạo ra được các aspect từ biểu đồ trạng thái và biểu đồ trình tự UML; dùng công cụ AspectJ để đan các aspect này vào khung chương trình Java chính . Khi đó, trong quá trình ch ạy của chương trình, các đoạn mã aspect sẽ tự động kiểm tra các đặc tả giao thức và đưa ra thông báo lỗi khi có bất kỳ vi phạm nào xảy ra. Trong khi phương pháp kiểm thử đơn vị chỉ xác định được tính đúng đắn của đầu vào và đầu ra của chương trình, không kiểm tra được những lỗi logic thì phương pháp kiểm tra tính đúng đắn ngay tại thời gian chạy của chương trình sẽ đem lại hiệu quả rất lớn. Nhiệm vụ chính của bài toán là xây dựng phương pháp tạo ra các đoạn mã aspect để kiểm chứng, xây dựng công cụ Protocol Verification Generator(PVG) tự động sinh mã aspect kiểm chứng từ đặc tả giao thức bằng biểu đồ trạng thái và biểu đồ trình tự UML, AUML. Tôi xin đề cập hướng nghiên cứu kiểm chứng đặc tả UML cho tác tử 3 phần mềm để kiểm chứng giao thức giữa các đối tượng Java trong thời gian chạy và kiểm chứng giao thức giữa các tác tử trong hệ đa tác tử được xây dựng trên JADE framework. Từ một biểu đồ trạng thái hay biểu đồ trình tự UML, AUML xuất ra tài liệu XMI đặc tả các biểu đồ này. Các tài liệu XMI chính là đầu vào cho công cụ cần xây dựng. Dựa vào các kiến thức về UML, XML tôi sẽ phân tích tài liệu XMI, xây dựng máy trạng thái (FSM) mô tả các biểu đồ UML, AUML. Sử dụng máy trạng thái vừa tạo để sinh ra mã aspect phục vụ cho việc kiểm chứng sau này. Mã aspect chính là đầu ra cuối cùng của công cụ. 1.3 Tổng quan phương pháp “Kiểm chứng đặc tả UML cho tác tử phần mềm” Bài toán bắt đầu với đầu vào là một biểu đồ trạng thái hay biểu đồ trình tự UML, các biểu đồ này sẽ được xuất ra dạng XMI. Sau đó, lấy ra các thông tin cần thiết mô tả các đối tượng của biểu đồ và chuyển thành một máy trạng thái (FSM). Lập trình viên sẽ phát triển các mô-đun nghiệp vụ chính từ hai biểu đồ này và các biểu đồ UML khác còn lại. Song song với nó là quá trình xây dựng các mô-đun cắt ngang hệ thống thành các aspect từ máy trạng thái. Bài báo “Checking Interface Interaction Protocols Using Aspect-oriented Programming” [5] đã xây dựng phương pháp kiểm chứng giao thức xử dụng AOP. Dựa vào nội dung phương pháp này tôi đã xây d ựng công cụ tự động hóa việc sinh các mô-đun aspect với đầu vào là tài liệu XMI mô tả biểu đồ trạng thái hay biểu đồ trình tự UML. Phương pháp xây dựng công cụ Protocol Verification Generator của tôi gồm hai bước: - Bước1: Phân tích tài liệu XMI, lấy các thông tin cần thiết mô tả biểu đồ UML để xây dựng máy trạng thái. Đầu tiên, tôi sẽ phân tích tài liệu XMI, xây dựng các cấu trúc dữ liệu mô tả các thành phần của biểu đồ UML bằng ngôn ngữ Java, sau đó sử dụng thư viện XML DOM đọc tài liệu XMI này, lấy dữ liệu theo cấu trúc đã định nghĩa trước, tạo ra FSM. - Bước 2: Xây dựng bộ sinh tự động aspect từ FSM: Sử dụng FSM vừa được sinh ra, duyệt từng trạng thái trong FSM, áp dụng phương pháp cài đặt aspect trong bài báo nói trên, tôi sẽ tạo ra các join point, pointcut và advice từ các trạng thái đó để hình thành mô-đun aspect. Trong hình minh họa dưới đây, tôi sẽ xây dựng công cụ Protocol Verification Generator. Kết quả thu được là các đoạn mã aspect sẽ được đan vào chương trình Java thông qua trình biên dịch AspectJ. Kết quả cuối cùng của quá trình này chính là hệ 4 thống có chứa những đoạn mã kiểm chứng. Trong quá trình thực thi, kể cả trong thời gian chạy, bất cứ khi nào xảy ra vi phạm ràng buộc đã định nghĩa trong biểu đồ UML thì chương trình đều báo thông báo lỗi cho lập trình viên, chỉ ra vị trí dòng mã nguồn sai đặc tả trong mã nguồn của chương trình. Nhờ đó, lập trình viên có thể kiểm soát được hệ thống và làm cho hệ thống chạy ổn định và đúng đắn hơn. Use Case Diagram Class Diagram Sequence Diagram State Diagram ……. UML XMI File (*.xmi, *.xml) Protocol Specification AspectJ Generator Java code AspectJ codeAspectJ Weaver Bytecode with Protocol checking Hình 1.1: Quy trình kiểm chứng phần mềm dựa vào AOP 1.4 Cấu trúc khóa luận Các phần còn lại của khóa luận được phân bố như sau: Chương 2: Giới thiệu về phương pháp lập trình hướng khía cạnh. Trong chương này tôi sẽ đưa ra những so sánh giữa hai phương pháp OOP và AOP, từ đó nêu bật những ưu điểm của AOP; vai trò và ý nghĩa c ủa AOP đối với công nghệ phần mềm hiện nay. Đồng thời