Output file

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM ĐÌNH PHONG NGHIÊN CỨU VỀ KIỂM CHỨNG BẤT BIẾN CỦA ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG LẬP TRÌNH HƯỚNG KHÍA CẠNH Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Công nghệ phần mềm Mã số: 60 48 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Nguyễn Việt Hà Hà Nội – 2010 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ii Lời cảm ơn Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS TS Nguyễn Việt Hà, người trực tiếp định hướng đề tài tận tình hướng dẫn em hồn thành luận văn Em chân thành cảm ơn thầy TS Phạm Ngọc Hùng có nhận xét, đánh giá q trình hồn thiện luận văn Em xin bày tỏ lòng biết ơn thầy giáo, cô giáo Khoa Công nghệ thông tin Trường Đại học Cơng nghệ tận tình bảo, giảng dạy em suốt thời gian học trường việc hoàn thành luận văn Cuối cùng, xin bày tỏ tình cảm tới người thân gia đình, bạn bè tập thể lớp Cao học K15T2, K15T3 K15CNPM động viên, hỗ trợ em mặt Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 09 năm 2010 Phạm Đình Phong TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com iii Lời cam đoan Tôi xin cam đoan rằng, ngoại trừ nội dung trích từ tài liệu tham khảo cơng trình khác ghi rõ luận văn, kết nêu luận văn tơi thực Hà Nội, tháng 09 năm 2010 Phạm Đình Phong TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com iv MỤC LỤC Lời cảm ơn ii Lời cam đoan iii MỤC LỤC iv Danh mục bảng biểu vi Danh mục hình vẽ vii Danh mục ký hiệu, từ viết tắt viii MỞ ĐẦU Chương – Lập trình hướng khía cạnh 1.1 Giới thiệu 1.2 Các vấn đề tồn lập trình hướng đối tượng 1.2.1 Các mối quan tâm hệ thống 1.2.2 Giải mối quan tâm cắt ngang OOP 1.2.3 Các vấn đề gặp phải thực thi mối quan tâm cắt ngang OOP8 1.3 Lập trình hướng khía cạnh 10 1.3.1 Lịch sử hình thành 10 1.3.2 Cú pháp AOP mơ hình lập trình 11 1.3.3 Quản lý mối quan tâm lập trình hướng khía cạnh 12 1.3.4 Đan kết 13 1.3.5 Phương pháp lập trình hướng khía cạnh 14 1.3.6 Lợi ích lập trình hướng khía cạnh 15 1.3.7 Nhược điểm phương pháp lập trình hướng khía cạnh 17 1.3.8 Các cơng cụ AOP 18 1.4 AspectJ 19 1.4.1 Thực thi cắt ngang 19 1.4.2 Joint Point 20 1.4.3 Pointcut 22 1.4.4 Advice 26 1.4.5 Introduction 29 1.4.6 Aspect 30 1.5 Kết luận 33 Chương - Cơng cụ kiểm chứng mơ hình Java PathFinder 34 2.1 Giới thiệu 34 2.2 Cơng cụ kiểm chứng mơ hình Java PathFinder 34 2.2.1 Lịch sử Java PathFinder 35 2.2.2 Các thành phần Java PathFinder 35 2.2.3 Những kiểm chứng Java PathFinder 37 2.2.4 Kiểm chứng mơ hình Java PathFinder 37 2.3 Các đề án mở rộng Java PathFinder 40 2.4 Kết luận 41 Chương – Kiểm chứng bất biến chương trình Java sử dụng lập trình hướng khía cạnh 42 3.1 Đặt vấn đề 42 3.2 Ngơn ngữ mơ hình hóa thống UML 43 3.2.1 Thuộc tính 43 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com v 3.2.2 Liên kết 44 3.2.3 Thao tác 44 3.3 Ngôn ngữ ràng buộc đối tượng OCL 45 3.3.1 Biểu diễn biểu thức OCL 45 3.3.2 Bất biến (invariant) 46 3.4 Ví dụ minh họa 48 3.5 Kiểm chứng bất biến sử dụng AOP 50 3.6 Vấn đề kế thừa bất biến lớp 51 3.7 Kiểm chứng bất biến lớp có ràng buộc thay đổi so với lớp cha 55 3.8 Kiểm chứng bất biến liên quan đến thuộc tính thêm vào lớp 60 3.9 Thực nghiệm 62 3.10 Kết luận 64 Chương – Sinh tự động ca kiểm thử công cụ Java PathFinder 65 4.1 Tổng quan 65 4.2 Thực thi ký hiệu 65 4.3 Sinh tự động ca kiểm thử thực thi ký hiệu 67 4.4 Kiểm chứng bất biến việc chèn khẳng định 71 4.4.1 Khẳng định Java Java PathFinder 71 4.4.2 Xác định bất biến 72 4.4.2.1 Đặt khẳng định đoạn mã 72 4.4.2.2 Kiểm tra bất biến phương thức main 72 4.4.2.3 Bất biến tiến trình (Invariant as a Thread) 74 4.4.3 So sánh phương pháp AOP phương pháp chèn khẳng định 75 4.5 Kết thực nghiệm 76 4.5.1 Kết thực nghiệm sinh ca kiểm thử tự động 76 4.5.2 Kết thực nghiệm kiểm chứng bất biến chèn khẳng định 79 4.6 Kết luận 80 KẾT LUẬN 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com vi Danh mục bảng biểu Bảng 1.1 So sánh aspect lớp Bảng 3.1 Một số kết thực nghiệm TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com vii Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Các mối quan tâm hệ thống Hình 1.2 Thực thi mối quan tâm cắt ngang OOP Hình 1.3 Chồng chéo mã nguồn Hình 1.4 Dàn trải mã nguồn Hình 1.5 Sự khác biên dịch chương trình thơng thường có aspect Hình 1.6 Mối quan hệ thuật ngữ AOP Hình 1.7 Thực thi mối quan tâm cắt ngang AOP Hình 1.8 Các giai đoạn phát triển AOP Hình 1.9 Ví dụ định nghĩa pointcut Hình 2.1 Sự bố trí tầng JPF Hình 2.2 Các thành phần JPF Hình 2.3 Bùng nổ khơng gian trạng thái đan xen luồng Hình 3.1 Biểu diễn ràng buộc sơ đồ UML Hình 3.2 Ví dụ biểu đồ lớp hệ thống card ATM Hình 3.3 Quy trình kiểm chứng bất biến Hình 4.1 Thực thi ký hiệu TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com viii Danh mục ký hiệu, từ viết tắt Từ viết tắt AOP API ASCII Thuật ngữ Aspect-Oriented Programming Application Programming Interface American Standard Code for Information Interchange AWT Abstract Window Toolkit CTW JDK Compile-time Weaving Eclipse International Business Machines Corp Java Development Kit JPF Java PathFinder JVM LTW MJI OCL OOP RTW Java Virtual Machine Load-time Weaving Model Java Interface Object Constraint Language Object-Oriented Programming Run-time Weaving SPIN Simple Promela INterpreter SUT System Under Test IBM Syntropy UML VM XML Unified Modeling Language Virtual Machine eXtensible Markup Language Ý nghĩa Lập trình hướng khía cạnh Giao diện lập trình ứng dụng Bộ mã chuẩn cho trao đổi thông tin Mỹ Bộ công cụ đồ họa độc lập tảng Java Đan kết lúc biên dịch Bộ công cụ phát triển phần mềm Một nhà sản xuất máy tính lớn giới Bộ phát triển ứng dụng Java Bộ công cụ kiểm chứng mơ hình cho ngơn ngữ Java Máy ảo Java Đan kết lúc nạp chương trình Giao diện Java mẫu Ngơn ngữ ràng buộc đối tượng Lập trình hướng đối tượng Đan kết lúc thực thi Công cụ thông dịch ngôn ngữ Promela (trong kiểm chứng mơ hình) Hệ thống kiểm thử Một phương pháp phân tích thiết kế hướng đối tượng hệ thứ hai Ngôn ngữ mô hình hóa thống Máy ảo Ngơn ngữ đánh dấu mở rộng TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com MỞ ĐẦU Những năm gần nay, với phát triển phương pháp lập trình hướng đối tượng (OOP) [1, 2, 12] mang lại nhiều bước tiến cho lập trình nói chung đưa ngành Cơng nghệ phần mềm lên bước phát triển Ưu điểm lớn lập trình hướng đối tượng hệ thống phần mềm xây dựng tập lớp rời rạc Mỗi lớp có nhiệm vụ hồn tồn xác định, nhiệm vụ vạch cách rõ ràng Trong ứng dụng hướng đối tượng, lớp cộng tác với để đạt mục tiêu chung ứng dụng Tuy nhiên, có phần hệ thống không gánh nhiệm vụ giới hạn lớp, chúng cắt ngang toàn hệ thống ảnh hưởng đến nhiều lớp Đó đan phức tạp thành phần bên ứng dụng Bên cạnh đó, tính tĩnh cách tiếp cận hướng đối tượng khơng cho phép phần mềm thích ứng với thay đổi đáp ứng yêu cầu người dùng Một hướng tiếp cận việc phát triển phần mềm lập trình hướng khía cạnh (AOP: Aspect-Oriented Programming) [10, 22, 3] Hướng tiếp cận mẻ hứa hẹn lợi điểm giải u cầu có tính đan xen phức tạp, đồng thời mang lại cho phần mềm khả thay đổi bổ sung yêu cầu sau hồn chỉnh hay chí đưa vào sử dụng Ngơn ngữ mơ hình hóa thống (Unified Modelling Language - UML [4]) chấp nhận rộng rãi chuẩn cho phân tích thiết kế hướng đối tượng Việc biểu diễn mơ hình hóa cấu trúc tĩnh hệ thống hướng đối tượng dùng phổ biến sơ đồ lớp UML Tuy nhiên, khơng phải cấu trúc chi tiết biểu diễn cách dễ dàng sơ đồ lớp Ngôn ngữ ràng buộc đối tượng (Object Constraint Language - OCL [29]), phần UML, ngôn ngữ dùng cho việc mô tả ràng buộc thêm vào mơ hình hướng đối tượng Các ràng buộc OCL sử dụng để mô tả bất biến lớp kiểu, tiền điều kiện hậu điều kiện thao tác Các ràng buộc OCL luôn kết nối tới mơ hình hướng đối tượng UML Một bất biến (invariant) ràng buộc liên quan đến lớp, kiểu hay giao diện mơ hình UML Bất biến biểu diễn biểu thức lôgic giới hạn giá trị thuộc tính hay liên kết hay biểu diễn mối quan hệ giá trị thuộc tính, liên kết Kết biểu thức phải tất thể lớp tham chiếu Giai đoạn đảm bảo chất lượng phần mềm ngày trở nên quan trọng Trong giai đoạn này, đặc tả UML ràng buộc OCL tạo nhà thiết kế phần mềm, chương trình cài đặt nhà phát triển phần mềm dựa đặc tả UML Như làm để kiểm chứng bất biến đối tượng thể ràng buộc OCL có bị vi phạm thời điểm thực thi hay không Sau nghiên cứu phương pháp AOP, chúng tơi thấy sử dụng TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com phương pháp để cài đặt mã kiểm chứng để kiểm chứng bất biến phần mềm thiết kế theo phương pháp hướng đối tượng dựa ràng buộc OCL thiết kế Đã có nghiên cứu trước liên quan đến phương pháp [3, 23] Theo đó, cơng việc kiểm chứng tách biệt hoàn toàn khỏi chương trình cách tạo aspect chứa mã kiểm chứng Các aspect đan tự động vào chương trình chương trình thực thi, công việc kiểm chứng thực tự động Tuy nhiên nghiên cứu chưa xem xét việc kiểm chứng bất biến cho lớp kế thừa bên Chúng quan tâm tới việc xem xét bất biến đối tượng theo quan hệ kế thừa, cụ thể nghiên cứu kiểm chứng bất biến liên quan đến thuộc tính thêm vào lớp bất biến lớp có ràng buộc thay đổi so với lớp cha Việc kiểm thử tính đắn phương thức cần có liệu làm đầu vào cho phương thức cần kiểm thử Một liệu vào gọi ca kiểm thử (test case) Việc chọn liệu để phủ tồn đường thực thi (possible execution path) khó Nếu có cơng cụ sinh tự động ca kiểm thử phủ toàn đường thực thi ta chứng minh tính đắn phương thức thơng qua ca kiểm thử sinh Java PathFinder (JPF) [19, 25, 30, 31] với phần mở rộng thực thi ký hiệu dùng để sinh tự động ca kiểm thử phủ toàn đường thực thi cho phương thức đối tượng chương trình cài đặt ngôn ngữ Java Chúng sử dụng công cụ thực thi ký hiệu để sinh tự động ca kiểm thử nhằm kiểm tra lại phương pháp kiểm chứng bất biến AOP Nội dung nghiên cứu: Tìm hiểu nghiên cứu kiểm chứng phần mềm, lập trình hướng khía cạnh (Aspect Oriented Programming - AOP) sử dụng AOP để kiểm chứng bất biến đối tượng bao gồm: Nghiên cứu lý thuyết kiểm chứng phần mềm, phương pháp, công cụ kiểm chứng phần mềm Nghiên cứu phương pháp lập trình hướng khía cạnh AspectJ - đặc tả ngôn ngữ cho việc cài đặt aspect ngơn ngữ lập trình Java Mở rộng phương pháp sử dụng AOP để kiểm chứng bất biến đối tượng chương trình Java thời điểm thực thi đề xuất [23] bao gồm kiểm chứng bất biến liên quan đến thuộc tính thêm vào lớp bất biến lớp có ràng buộc thay đổi so với lớp cha Để kiểm tra tính đắn phương thức cần có ca kiểm thử làm liệu đầu vào Do chúng tơi nghiên cứu cơng cụ kiểm chứng mơ hình Java PathFinder phần mở rộng thực thi ký hiệu (Symbolic Execution) [15] để sinh tự động ca kiểm thử cho phương thức đối tượng chương trình hướng đối tượng Java TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 70 s.withdrawMoney(2); break; case 2: g.withdrawMoney(3); break; } Verify.endAtomic(); } public static void main(String args[]) { testDriver(); Debug.printPC("Path Condition: "); } } Để thực sinh ca kiểm thử tự động, ta phải sửa tham số chạy JPF Eclipse sau: +vm.insn_factory.class=gov.nasa.jpf.symbc.SymbolicInstructionFactory +jpf.listener=gov.nasa.jpf.symbc.SymbolicListener +symbolic.method=withdrawMoney(sym) +search.multiple_errors=true +jpf.report.console.finished= Test Sau cho JPF thực chương trình, ca kiểm thử sinh bao gồm số tiền cần rút số âm Chúng ta hạn chế miền giá trị ca kiểm thử cách dùng phương thức Verify.ignoreIf() để ép quay lui điều kiện truyền vào hàm ignoreIf() thỏa mãn Trong toán trên, để loại bỏ ca kiểm thử với số tiền lần rút nhỏ 0, ta thêm lệnh Verify.ignoreIf(amount =0 withdrawalAmountPerDay + amount 0 Ca kiểm thử thứ hai ứng với nhánh (balanceAmount – amount) < withdrawalAmountPerDay + amount 0 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 77 Ca kiểm thử thứ ba ứng với nhánh (balanceAmount – amount) >= withdrawalAmountPerDay + amount > 2000 amount >0 Ca kiểm thử thứ tư ứng với (balanceAmount – amount) < withdrawalAmountPerDay + amount > 2000 amount >0 Ca kiểm thử thứ năm ứng với nhánh amount = -5000 withdrawalAmountPerDay + amount 0 Ca kiểm thử thứ hai ứng với nhánh (balanceAmount – amount) < -5000 withdrawalAmountPerDay + amount Ca kiểm thử thứ ba ứng với nhánh (balanceAmount – amount) >= -5000 withdrawalAmountPerDay + amount > 3000 amount > Ca kiểm thử thứ tư ứng với nhánh (balanceAmount – amount) < -5000 withdrawalAmountPerDay + amount > 3000 amount > Ca kiểm thử thứ năm ứng với nhánh amount = -10000 withdrawalAmountPerDay + amount 0 Ca kiểm thử thứ hai ứng với nhánh (balanceAmount – amount) < -10000 withdrawalAmountPerDay + amount Ca kiểm thử thứ ba ứng với nhánh (balanceAmount – amount) >= -10000 withdrawalAmountPerDay + amount > 5000 amount > Ca kiểm thử thứ tư ứng với nhánh (balanceAmount – amount) < -10000 withdrawalAmountPerDay + amount > 5000 amount > Ca kiểm thử thứ năm ứng với nhánh amount 0 balanceAmount>0 withdrawalAmountPerDay >0 cần thêm lệnh Verify.ignoreIf() vào đầu thủ tục withdrawMoney() Ví dụ, thêm ba lệnh sau vào đầu phương thức withdrawMoney() lớp ATMcard public void withdrawMoney(int amount) { Verify.ignoreIf(amount