Khung hình thức hỗ trợ Đảm bảo chất lượng chuyển Đổi mô hình chất lượng chuyển Đổi mô hình

KHUNG HÌNH THỨC HỖ TRỢ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG CHUYỂN ĐỔI MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG ĐƯA RA CÁC HÌNH THỨC VÀ PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐÔI CHẤT LƯƠNGJ CAO

ĐẠI HỌC HÀ NỘI THIÊN

KHUNG HÌNH THỨC HỖ TRỢ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG CHUYỂN ĐỔI MÔ HÌNH

LUẬN ÁN TIỄN SĨ KỸ THUẬT PHẦN MỀM

Hà Nội - 2024

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Công nghệ THIÊN

Người hướng dẫn khoa học: 1 PGS.TS Hồ Sĩ Đàm

2 TS Đặng Đức Hạnh

Phản biện 1: PGS.TS Lê Hồng Anh

Phản biện 2: TS Lê Quang Minh

Phản biện 3: TS Nguyễn Thanh Hùng

Luận án sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án cấp Đại học QuốcGia họp tại: Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nộivào hồi 14 giờ ngày 18 tháng 03 năm 2023

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam,

TÓM TẮT

Kỹ nghệ hướng mô hình (Model-Driven Engineering - MDE ) đang trởthành một phương pháp phổ biến để phát triển các ứng dụng phần mềmquy mô lớn, phức tạp, trong đó các bộ chuyển đổi mô hình đóng vai trò thenchốt để hiện thực hóa các tác vụ của quy trình phát triển Nhằm giải quyếtcác thách thức trong việc đảm bảo chất lượng các bộ chuyển đổi mô hình,luận án đề xuất phát triển một khung hình thức hỗ trợ kiểm thử hướng đặc

tả các bộ chuyển đổi mô hình Các đóng góp chính của luận án như sau

Đề xuất ngôn ngữ TC4MT (Test Cases for Model Transformations TC4MT ) cho phép đặc tả mức cao các loại cam kết khác nhau của bộchuyển đổi mô hình như cam kết kiểu, cam kết hành vi và cam kết thể thứcchuyển Cam kết kiểu gồm siêu mô hình nguồn và siêu mô hình đích mô tảkiểu của dữ liệu được thao tác bởi chuyển đổi mô hình sẽ được đặc tả bởicác đồ thị kiểu Cam kết hành vi đặt ra thêm các ràng buộc trên các môhình đầu vào, đầu ra, quan hệ giữa chúng được đặc tả bởi các mẫu đồ thịbiểu diễn các tập tiền điều kiện, hậu điều kiện và bất biến của bộ chuyểnđổi mô hình Cam kết thể thức diễn đạt sự thay đổi đồng bộ của các phần

-tử mô hình nguồn và mô hình đích tại mỗi bước chuyển và được diễn đạtbởi các luật chuyển tam đồ thị

Sử dụng đặc tả làm cơ sở kiểm thử, luận án đề xuất hai hướng tiếp cậnchính để kiểm thử các bộ chuyển đổi mô hình: (1) Kết hợp phân vùng dựatrên cam kết kiểu và cam kết hành vi để thiết kế bộ ca kiểm thử kiểm chứngtính đúng đắn về ngữ pháp, tính bảo toàn thông tin và tính đầy đủ của bộchuyển đổi mô hình; (2) Phân tích quan hệ phụ thuộc giữa các luật diễnđạt cam kết thể thức để thiết kế bộ ca kiểm thử, kiểm chứng một cách có

hệ thống các tính chất của bộ chuyển đổi mô hình

Để đánh giá hiệu quả của các phương pháp đề xuất, luận án cài đặt một

số ví dụ chuyển đổi mô hình cùng các công cụ hỗ trợ Tiến hành phân tíchkết quả kiểm thử trên các ví dụ chuyển, luận án thảo luận về tính ứng dụngcủa phương pháp kiểm thử đề xuất và đánh giá hiệu quả phát hiện lỗi củacác tập ca kiểm thử được sinh ra từ các phương pháp đó

Từ khóa: Chuyển đổi mô hình, Kiểm thử chuyển đổi mô hình, Kiểmthử hướng đặc tả, Văn phạm tam đồ thị, TC4MT

mô hình là nguyên tắc kỹ nghệ chính để hiện thực hóa quy trình phát triểnphần mềm.

Kiểm thử là kỹ thuật phổ biến nhất để kiểm tra chất lượng các chuyểnđổi mô hình Các nỗ lực kiểm thử tập trung vào hai nhiệm vụ chính: sinh

tự động tập mô hình kiểm thử đầu vào và cấu trúc hàm phán xét kiểm thửđánh giá tập mô hình đầu ra Kiểm thử chuyển đổi mô hình hiện vẫn cònmột số thách thức chưa được giải quyết triệt để như sau

1 Hầu hết các chuyển đổi mô hình chưa được phát triển theo một quytrình kỹ nghệ đầy đủ Các nỗ lực phát triển chuyển đổi mô hình hiệntại thường chỉ tập trung vào giải đoạn cài đặt trong khi chưa chú trọngtới đặc tả chuyển ở mức cao

2 Các nỗ lực kiểm thử chuyển thường tập trung vào khai thác siêu môhình và một vài ràng buộc trên siêu mô hình để thiết kế ca kiểm thử.Cần có một cách tiếp cận có hệ thống hơn để tạo tập ca kiểm thử có

độ bao phủ cao các thành phần của đặc tả chuyển đổi mô hình

3 Các đánh giá đầu ra kiểm thử hầu hết tập trung vào kiểm tra tínhđúng đắn về ngữ pháp và bảo toàn thông tin Việc cấu trúc hàm phán

1

Chương 1 Mở đầu 2

xét kiểm thử đánh giá kết quả đầu ra của chuyển đổi mô hình nhằmkiểm chứng những thuộc tính chất lượng khác còn là một khoảng trốngtrong nghiên cứu

1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Luận án tập trung vào các mục tiêu nghiên cứu sau

Mục tiêu 1 Thiết kế ngôn ngữ đặc tả cho phép biểu diễn tập yêu cầuchính thức bởi các cam kết chuyển đổi mô hình trực quan, dễ thẩm định và

hỗ trợ cho việc áp dụng các kỹ thuật thiết kế kiểm thử

Mục tiêu 2 Đề xuất phương pháp phân tích các loại cam kết khác nhaucủa đặc tả để thiết kế ca kiểm thử

Mục tiêu 3 Phát triển các công cụ hỗ trợ cho việc đặc tả và kiểm thử

tự động chuyển đổi mô hình

1.3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của luận án tập trung vào việc phát triển khunghình thức hỗ trợ kiểm thử các bộ chuyển đổi mô hình sang mô hình Cácthành phần của khung kiểm thử hướng đặc tả được mô tả trong Hình 1.1

1.4 Cấu trúc luận án

Luận án “Khung hình thức hỗ trợ đảm bảo chất lượng chuyển đổi môhình ” bao gồm bảy chương Trong đó, Chương Mở đầu trình bày về lý dochọn đề tài, mục đích, nội dung, đối tượng nghiên cứu và đóng góp của luận

án Các chương còn lại được tổ chức như trong Hình 1.2, cụ thể như sau

Chương 1 Mở đầu 3

Hình 1.1 : Tổng quan phương pháp đề xuất cho đảm bảo chất lượng

chuyển đổi mô hình

Hình 1.2 : Cấu trúc luận án

2.1 Phát triển bộ chuyển đổi mô hình

Mô hình và chuyển đổi mô hình là các chế tác chính trong kỹ nghệ phầnmềm hướng mô hình

Các hướng tiếp cận cài đặt chuyển đổi mô hình có thể được phân rathành các nhóm chính: cách tiếp cận dựa trên quan hệ/khai báo, cách tiếpcận dựa trên mệnh lệnh/thực thi, cách tiếp cận dựa trên chuyển đổi đồ thị

và cách tiếp cận lai

Các thuộc tính chất lượng của chuyển đổi mô hình: đúng đắn về ngữpháp, bảo toàn thông tin, bảo toàn hành vi, đầy đủ, kết thúc và hội tụ

4

Chương 2 Kiến thức cơ sở và hiện trạng nghiên cứu 5

2.2 Ví dụ chuyển đổi từ biểu đồ lớp UML sang

lược đồ cơ sở dữ liệu quan hệ

Luận án sử dụng chuyển đổi mô hình CD2RDBM từ biểu đồ lớp UML(UML Class Diagram - CD ) sang mô hình cơ sở dữ liệu quan hệ (RelationalDatabase Models - RDBM ) làm ví dụ minh họa

Hình 2.1 : Minh họa chuyển đổi mô hình CD2RDBM

Chương 2 Kiến thức cơ sở và hiện trạng nghiên cứu 6

2.3 Kiểm thử bộ chuyển đổi mô hình

Hình 2.2 : Khung công việc của kiểm thử chuyển đổi mô hình

2.4 Văn phạm tam đồ thị

Văn phạm tam đồ thị (Triple Graph Grammar - TGG ) được thiết kế dựatrên khái niệm của văn phạm đồ thị thao tác trên tập luật tam đồ thị

TGG là một khái niệm đã được thiết lập tốt để đặc tả và thực thi chuyểnđổi mô hình hai chiều trong MDE

2.5 Tổng kết chương

Chương 3

NGÔN NGỮ ĐẶC TẢ CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI MÔ HÌNH TC4MT

Trong chương này luận án đề xuất một ngôn ngữ đặc tả chuyển đổi môhình dựa trên cam kết TC4MT

3.1 Giới thiệu

Hình 3.1 : Các thành phần của đặc tả bộ chuyển đổi mô hình

3.2 Các nghiên cứu liên quan

Một đề xuất ngôn ngữ đặc tả chuyển đổi mô hình liên quan tới ba vấn

đề chính là phương pháp đặc tả, nội dung đặc tả và mục đích đặc tả

7

Chương 3 Ngôn ngữ đặc tả bộ chuyển đổi mô hình TC4MT 8

Chương 3 Ngôn ngữ đặc tả bộ chuyển đổi mô hình TC4MT 9

Để diễn đạt cam kết thủ tục chuyển, đặc tả TC4MT sử dụng thuộc tínhđánh dấu isTranslated và thuộc tính diễn đạt hành vi (khớp nối, thêm, sửa,xóa) của luật trên tất cả các phần tử mẫu đồ thị diễn đạt cam kết Hình 3.3

biểu diễn cú pháp cụ thể dạng đồ thị trực quan của luật tam đồ thị dạngkhai báo trong đặc tả TC4MT

Hình 3.3 : Luật PriAttribute2Column khai báo trong đặc tả

TC4MT

Luận án phân tích ngữ nghĩa thực thi của luật chuyển đổi bằng cách ánh

xạ tập luật trong đặc tả TC4MT sang tập luật tam đồ thị

3.4 Thực thi các cam kết của đặc tả chuyển đổi

TC4MT

Để sử dụng các cam kết như là xác nhận về chất lượng kiểm tra của bộchuyển đổi mô hình, các thành phần của đặc tả TC4MT cần phải được thựcthi bằng cách đưa vào các cài đặt chuyển cụ thể

Chương 3 Ngôn ngữ đặc tả bộ chuyển đổi mô hình TC4MT 10

Cách tiếp cận đặc tả dựa trên cam kết của TC4MT cho phép biện giải

về chất lượng đặc tả ở các khía cạnh: (1) bao phủ siêu mô hình; (2) dư thừa;(3) xung đột; và (4) thỏa mãn cam kết

3.4.2 Biên dịch tiền điều kiện, hậu điều kiện và bất biến

sang ngôn ngữ OCL

Việc biên dịch các cam kết sang biểu thức boolean OCL cho phép kếthợp các biểu thức này như là các điều kiện ràng buộc nguồn giới hạn khônggian mô hình hóa của siêu mô hình

3.5 Kiểm thử bộ chuyển đổi mô hình theo hướng

đặc tả

Các cam kết của đặc tả TC4MT có thể được ánh xạ sang ngữ nghĩa hìnhthức của chuyển đổi đồ thị sử dụng TGGs tạo điều kiện thuận lợi cho việcphân tích đặc tả để kiểm chứng các thuộc tính chất lượng

3.6 Đánh giá ngôn ngữ đặc tả TC4MT

Luận án đánh giá ngôn ngữ TC4MT thông qua việc so sánh với cácngôn ngữ đặc tả mức cao khác về ba phương diện: (1) Tính dễ sử dụng;(2) Năng lực diễn đạt; (3) Khả năng thẩm định được

3.7 Tổng kết chương

Kết quả nghiên cứu của chương được xuất bản trong hai bài báo NICS

2021 [hanh3] và JCSCE 2023 [hanh5]

Chương 4

PHƯƠNG PHÁP KIỂM THỬ

CHUYỂN ĐỔI MÔ HÌNH DỰA TRÊN SIÊU MÔ HÌNH VÀ CAM KẾT HÀNH VI CHUYỂN

Trong chương này, luận án đề xuất cách tiếp cận phân tích phân vùng

tự động trên cam kết kiểu diễn đạt bởi siêu mô hình cũng như phân vùngdựa trên cam kết hành vi chuyển diễn đạt bởi các tập tiền điều kiện, bấtbiến và hậu điều kiện

4.1 Giới thiệu

Kiểm thử dựa trên phân vùng siêu mô hình và cam kết hành vi giúpgiảm sự trùng lặp của tập mô hình kiểm thử và thỏa mãn tiêu chí bao phủcác thành phần chính của đặc tả

4.2 Các nghiên cứu liên quan

Kiểm thử chuyển đổi mô hình dựa trên siêu mô hình và cam kết hành vichuyển liên quan tới vấn đề chính: thiết kế kiểm thử hộp đen; kết hợp cácràng buộc miền khác nhau để sinh tập mô hình kiểm thử sử dụng kỹ thuậtphân vùng tương đương; giải ràng buộc sinh mô hình kiểm thử tự động

11

Chương 4 Phương pháp kiểm thử dựa trên siêu mô hình và cam kết 12

4.3 Tổng quan về phương pháp đề xuất

Đề xuất của luận án về phương pháp kiểm thử phân vùng trên siêu môhình và cam kết hành vi chuyển được mô tả trong Hình 4.1

Hình 4.1 : Kết hợp kiểm thử phân vùng trên siêu mô hình và cam

kết hành vi chuyển

4.4 Phân vùng trên siêu mô hình và cam kết

hành vi chuyển

Để sinh tập mô hình kiểm thử sử dụng khái niệm bao phủ siêu mô hình,luận án sử dụng cách tiếp cận phân tích phân vùng dựa trên kiểu dữ liệu

Chương 4 Phương pháp kiểm thử dựa trên siêu mô hình và cam kết 13

của thuộc tính mô tả và giá trị bản số liên kết trong siêu mô hình nguồn,sau đó sử dụng lược đồ OCL để dịch các điều kiện phân vùng về dạng biểuthức phân loại logic (CT) Lược đồ OCL để dịch các điều kiện phân vùngdựa trên bản số liên kết và kiểu dữ liệu thuộc tính mô tả lớp trong siêu môhình như sau

Cam kết tiền điều kiện, hậu điều biện và bất biến có thể được biên dịchsang cấu trúc biểu thức phân loại (CT) để diễn đạt các điều kiện ràng buộc.Hình 4.2 minh họa kết quả phân vùng không gian dữ liệu đầu vào dựa trêntiền điều kiện

Hình 4.2 : Phân tích phân vùng dựa trên tiền điều kiện

Chương 4 Phương pháp kiểm thử dựa trên siêu mô hình và cam kết 14

4.5 Phương pháp kết hợp phân vùng để kiểm

thử các bộ chuyển đổi mô hình

Phân vùng trên siêu mô hình và trên tập cam kết hành vi có thể đượcmột cách đồng nhất dưới dạng CT (boolean OCL expressions) Việc kết hợpcác điều kiện phân vùng cho phép thiết kế kiểm thử theo hai chiến lược kiểmthử khẳng định và phủ định như minh họa trong Hình 4.3

Hình 4.3 : Chiến lược kiểm thử khẳng định và kiểm thử phủ định

dựa trên kết hợp phân vùng

Kiểm thử phủ định nhằm đảm bảo hệ thống có phản ứng một cách thíchhợp với các trường hợp đầu vào không hợp lệ hay không Luận án đề xuấtmột số tiêu chí kiểm thử phủ định như sau

Phủ NP (NP coverage) Mỗi giá trị false của tiền điều kiện phủ địnhphải được cài đặt trong ít nhất một mô hình kiểm thử

Phủ 2NP (2NP coverage) Mỗi giá trị false của một tiền điều kiệnphủ định hoặc giá trị false của kết hợp cặp đôi tiền điều kiện phủ định phảiđược cài đặt trong ít nhất một mô hình kiểm thử

Phủ kết hợp NP (Combinatorial NP coverage) Với một giá trị t > 2 bất

kỳ, mỗi giá trị false của kết hợp 1, 2, 3, t tiền điều kiện phủ định phải đượccài đặt trong ít nhất một mô hình kiểm thử

Chương 4 Phương pháp kiểm thử dựa trên siêu mô hình và cam kết 15

Kiểm thử khẳng định tập trung vào kiểm thử hệ thống có thực thi đúngnhư dự định (yêu cầu chức năng) với đầu vào hợp lệ hay không Trong kiểmthử khẳng định, kiểm thử viên thường cố gắng sinh ra các dữ liệu kiểm thửhợp lệ dựa trên phân vùng tương đương hợp lệ hoặc phân tích giá trị biênhợp lệ

Phủ range (AllRanges coverage) Giá trị đại diện của mỗi range phảiđược cài đặt ít nhất trong một mô hình kiểm thử

Phủ tập kết hợp thuộc tính lớp (AllClassProperties coverage)Mỗi giá trị đại diện cho các range của các phân vùng dựa trên kiểu dữ liệuthuộc tính mô tả lớp và bản số liên kết giữa các lớp phải được cài đặt cùngnhau trong ít nhất một ca kiểm thử

Phủ bất biến (Invariant Coverage) Mỗi mẫu đồ thị nguồn của mộtbất biến (bao gồm cả bất biến khẳng định và bất biến phủ định) phải đượccài đặt trong ít nhất một mô hình kiểm thử

Để đánh giá đầu ra kiểm thử, các hàm phán xét kiểm thử đánh giá cáctính chất mong đợi trên mô hình đầu ra, nhằm kiểm tra các thuộc tính chấtlượng khác nhau được đề xuất Các hàm phán xét kiểm thử sử dụng cáchtiếp cận phán xét bộ phận, đánh giá mô hình đầu ra dựa trên các xác nhậnOCL Nhiệm vụ này được hỗ trợ tự động bởi công cụ thẩm định mô hình

5.2 Các nghiên cứu liên quan

Cách tiếp cận kiểm thử dựa trên tập luật của đặc tả TC4MT liên quantới các vấn đề sau: phân tích quan hệ phụ thuộc luật; kiểm chứng các thuộctính dựa trên quan hệ giữa các luật

16

Chương 5 Phương pháp kiểm thử dựa trên tập luật chuyển 17

Hình 5.1 : Tổng quan phương pháp kiểm thử dựa trên phân tích

luật chuyển

5.3 Tổng quan về phương pháp đề xuất

5.4 Phân tích quan hệ phụ thuộc luật

Luận án đề xuất việc phân tích bốn loại quan hệ phụ thuộc giữa các luậttrong đặc tả TC4MT để thiết kế kiểm thử gồm: Tạo-Sử dụng; Tạo-Cấm;Xóa-Sử dụng; Xóa-Cấm

5.5 Sinh mô hình kiểm thử dựa trên quan hệ phụ

thuộc luật

Chiến lược tạo mô tả ca kiểm thử được thực hiện dựa trên các tiêuchí bao phủ: Rules (bao phủ luật), Closed-rules (bao phủ luật đóng), Ruledependencies (bao phủ phụ thuộc luật), và t-way (t > 2)

Việc cấu trúc mô tả ca kiểm thử dựa trên chuỗi luật được mô tả trongthuật toán 5.2

Các mô tả ca kiểm thử TCD được sinh ra là các tam đồ thị làm phẳngTCD = (GS ,GC ,GT ,LinkS,LinkT) với các đồ thị thành phần được biểudiễn trong một cấu trúc đóng gói duy nhất Các mô tả ca kiểm thử TCDđược xem như là mẫu để tạo ra các ca kiểm thử cụ thể hoặc được dịch sangcác biểu thức phân loại nhị phân để hỗ trợ kiểm thử tự động

Chương 5 Phương pháp kiểm thử dựa trên tập luật chuyển 18

Thuật toán 5.1 Tìm kiếm chuỗi luật tiềm năng có khả năng áp dụng Đầu vào: TR = (tr1F, tr F

2 , , tr F

n ) tập các luật chuyển đổi tiến

t (t > 2) biến số nguyên chỉ định chiều dài chuỗi luật

SI tập các chuỗi luật thỏa mãn bao phủ (t − 1), mỗi chuỗi luật si ∈ SI bao gồm (t − 1) luật có thứ tự.

PI : một tập các cặp luật độc lập song song

SD : tập các cặp luật phụ thuộc tuần tự

Đầu ra : SO : tập chuỗi áp dụng luật tiềm năng có khả năng áp dụng, mỗi chuỗi luật bao gồm

Thuật toán 5.2 Sinh mô tả ca kiểm thử từ chuỗi luật bao phủ t − way

Đầu vào: RSs = Tập các chuỗi luật chuyển tiến có thứ tự rs F = (tr F