2011 Palestra Arquitetura Software

Software Architecture Conformance andRecovery

Ricardo Terra e Marco Tlio Valente

rterrabh [at] gmail.com mtov [at] dcc.ufmg.br

Ricardo Terra (rterrabh [at] gmail.com) Software Architecture Setembro, 2011 1 / 69

CV

Nome: Ricardo Terra

Email: rterrabh [at] gmail.com

www: ricardoterra.com.br

Twitter: rterrabh

Lattes: lattes.cnpq.br/ 0162081093970868

Ph.D. (UFMG/UWaterloo),Post-Ph.D. (INRIA/Universit Lille 1)

BackgroundAcadmico : UFLA (desde 2014), UFSJ (1 ano ), FUMEC (3 anos ), UNIPAC (1 ano ), FAMINAS (3 anos )

Profissional : DBA Eng. (1 ano ), Synos (2 anos ), Stefanini (1 ano )


Agenda

1 Introduo

2 Sistema Motivador

3 DSM

4 SCQL

5 RM

6 ACL

7 Outras Tcnicas

8 Consideraes Finais


Introduo


Introduo O que arquitetura?

Arquitetura um termo que admite mltiplas definies

Existem duas definies comumente encontradas:uma separao de alto nvel do sistema em suas partes

decises que so difceis de modificar

Assim, definiremos como:Um conjunto de decises de projeto que tem impacto emcada aspecto da construo e evoluo de sistemas. Issoinclui como sistemas so estruturados em componentes erestries sobre como tais componentes devem interagir.


Introduo Qual o papel de um arquiteto de software?

Muitos acreditam se tratar de um desenvolvedor snior,contudo conhecimento tcnico s uma de suashabilidades

Um bom arquiteto de software deve:Limitar as escolhas durante o desenvolvimento:

escolher um padro de como desenvolver aplicaes

definir/criar um framework para ser utilizado na aplicao

Indicar pontos potenciais de reutilizao:possuir uma viso abrangente do sistema e de seu contexto

adotar um design de componentizao

ter conhecimento de outras aplicaes na empresa


Introduo Qual o papel de um arquiteto de software?

Dentre suas atribuies, a necessidade de considerar aaplicao por um ngulo de viso mais abrangentecontempla:

Quebrar a complexidade do desenvolvimento deaplicaes em pedaos menores e mais gerenciveis

Definir as funes de cada componente

Definir as interaes e dependncias entre os componentes

Comunicar esses pontos aos desenvolvedores


Introduo Tipos de Arquitetura

Arquitetura ConcretaTambm conhecida como Arquitetura Implementada

a arquitetura que est representada no cdigo fonte

Arquitetura PlanejadaTambm conhecida como Arquitetura Documentada

a arquitetura definida nos modelos e documentosarquiteturais do sistema, conforme definies do arquiteto


Introduo Problemas Arquiteturais

Apesar de sua inquestionvel importncia, a arquiteturadocumentada de um sistema se disponvel geralmenteno reflete a sua implementao atual

Arquitetura Planejada 6= Arquitetura Concreta

Isso indica que existem decises implementadas no cdigofonte que violam a arquitetura planejada

A isso denomina-se desvio arquitetural

Desvios arquiteturais so comunsDevido ao desconhecimento por parte dos desenvolvedores,requisitos conflitantes, dificuldades tcnicas etc

Geralmente, no so capturados e resolvidos

Levando ao fenmeno conhecido como eroso arquitetural


Introduo Problemas Arquiteturais Desvio Arquitetural

Por exemplo, suponha um sistema organizado estritamenteem camadas

Mdulos: Mn, Mn1, , M0Comunicao: Mi utiliza servios de Mi1


Introduo Problemas Arquiteturais Eroso Arquitetural

Eroso arquitetural tende a crescer com o tempo


Introduo Problemas Arquiteturais

Eroso arquitetural indica que o sistema est sedegenerando

Isso faz com que os benefcios proporcionados por um bomprojeto arquitetural sejam anulados:

Manutenibilidade

Reusabilidade

Escalabilidade

Portabilidade

etc


Introduo Abordagens Arquiteturais

Recuperao Arquitetural consiste de um conjunto demtodos para extrao de informaes arquiteturais apartir de representaes de baixo nvel de um sistema desoftware, como o cdigo fonte

Conformao Arquitetural consiste no processo de verificarse uma representao de baixo nvel de um sistema desoftware como o cdigo fonte ou algo similar est emconformidade com sua arquitetura planejada


Introduo Padres de Projeto x Padres Arquiteturais

Padro de Projeto uma soluo para um problemarecorrente no desenvolvimento de sistemas. Consiste emuma descrio ou modelo de como resolver um problema.Normalmente, mostra relacionamentos e interaes entreclasses e objetos

Exemplo: Abstract Factory, Facade, Singleton etc

Padro Arquitetural tem um escopo mais amplo que umpadro de projeto. Eles so mais amplos, geralmentedescrevendo um padro global seguido por todo o sistema

Exemplo: MVC, Layers, Pipe etc


Sistema Motivador


Sistema Motivador

myAppointments um sistema simples de gerenciamento deinformaes pessoais implementado exclusivamente paraavaliao das solues de recuperao e conformaoarquitetural que sero tratadas neste mini-curso


Sistema Motivador Arquitetura

Padro arquitetural MVC


Sistema Motivador Arquitetura

Diviso clara entre objetos da Viso e do Modelo

Viso est associada a componentes GUI (Frames, Buttons,TextField etc)

Objetos do Modelo so completamente independentes dequalquer framework para construo de interfaces grficas

Interaes entre o Modelo e a Viso so mediadas porobjetos da camada de Controle

Modelo inclui:Objetos de Domnio (Domain Objects) que representamentidades, como Compromissos

Objetos de Acesso a Dados (Data Access Objects ou DAOs)que encapsulam o framework de persistncia subjacente


Sistema Motivador Restries Arquiteturais

RA1 Somente a camada de Viso deve utilizar AWT e Swing

RA2 Somente objetos DAO da camada de Modelo devem dependerde servios SQL

RA3 A camada de Viso somente depende dela mesma, das APIsAWT e Swing, da camada de Controle e de classes utilitrias. Isto, no acessam diretamente o Modelo

RA4 Objetos de Domnio no devem depender de DAOs nem dequalquer objeto das camadas de Viso ou de Controle

RA5 Classes DAO somente devem depender de Objetos de Domnio,de classes utilitrias e de servios SQL

RA6 Classes do pacote util no devem depender de nenhuma classeespecfica do sistema


Sistema Motivador Arquitetura Concreta

Esse sistema nos guiar no entendimento de algumastcnicas existentes para conformao e recuperaoarquitetural

Para cada tcnica, faremos recuperao de modelos econformao arquitetural, sempre levando emconsiderao as RAs descritas para o sistema

Assim, antes de estudarmos essas tcnicas, vamosbisbilhotar o cdigo fonte desse sistema


DSM


DSM Viso Geral

DSMs (Dependency Structure Matrixes) so matrizes deadjacncia utilizadas para representar dependncias entremdulos de um sistema

LDM (Lattix Dependency Manager), uma ferramenta paraconformao e gerenciamento arquitetural baseada noconceito de DSMs

LDM tambm suporta o conceito de regras de projeto(design rules), que podem ser utilizadas para definirdependncias que violam a arquitetura planejada de umsistema


DSM Viso Geral

Uma DSM uma matriz quadrada cujas linhas e colunasdenotam classes ou agrupamento de classes

Um x na linha referente classe A e na coluna referente classe B denota que a classe B depende da classe A, isto ,existem referncias explcitas em B para elementossintticos de A. Uma outra possibilidade representar naclula (A,B) o nmero de referncias que B contm para A


DSM LDM

DSMs foram inicialmente propostas por Baldwin e Clark parademonstrar a importncia de princpios de projeto modularna indstria de hardware

Aps isso, Sullivan et al. demostraram que o conceito deDSMs tambm pode ser utilizado no projeto de software

Neste mini-curso, sero utilizadas DSMs geradas pelaferramenta LDMa (Lattix Dependency Manager) 6.0.5

LDM uma ferramenta de conformao e visualizaoarquitetural que utiliza DSMs para representar e gerenciardependncias inter-classes em sistemas OO

aFerramenta disponvel em: http://www.lattix.com


DSM LDM Objetivos

LDM possui dois objetivos principais:revelar padres arquiteturais

detectar dependncias que indiquem violaes arquiteturais

Para esse propsito, LDM automaticamente extrai a DSM docdigo fonte de sistemas existentes utilizando tcnicas deanlise esttica


DSM LDM Algoritmo de Reordenao

Para auxiliar os arquitetos a descobrir e raciocionar sobreestilos arquiteturais, LDM implementa um algoritmo dereordenao (ou particionamento)

Esse algoritmo decide a ordem de apresentao das linhasem uma DSM, iniciando pelos pacotes que proveem menosservios e finalizando com os pacotes que so maisutilizados pelos outros pacotes

Esse algoritmo tambm agrupa pacotes que somutualmente dependentes


DSM LDM Conformao Arquitetural

LDM inclui uma linguagem simples para declarar regras deprojeto que devem ser seguidas pela implementao dosistema

Regras de projeto possuem duas formas:

A can-use B A cannot-use B

indicando que classes do conjunto A podem (ou no)depender das classes do conjunto B

Violaes em regras de projeto so visualmente exibidas naprpria DSM extrada, com o objetivo de alertar sobrepossveis eroses arquiteturais


DSM Prtica Screen shot

Figura : DSM do myAppointments


SCQL


SCQL Viso Geral

SCQL (Source Code Query Language) contemplalinguagens que realizam consultas a nvel de cdigo fonte

.QL uma linguagem de consulta em cdigo fonte queprov suporte a uma ampla gama de tarefas dedesenvolvimento de software

Tais como verificao de convenes de cdigo, procurapor erros, clculo de mtricas, deteco de oportunidadesde refatorao etc

Apesar de .QL automatizar vrias tarefas dedesenvolvimento, este mini-curso concentra-se na utilizaoda linguagem para gerar visualizaes da arquitetura epara detectar desvios arquiteturais


SCQL .QL

.QL inspirada na linguagem SQL, o que torna sua sintaxefamiliar para a maioria dos desenvolvedores

.QL inclui outras caractersticas que aumentam o seu poderde expresso para a consulta em cdigo fonte

engine Datalog, consultas recursivas em hierarquia deherana, chamada de mtodos etc


SCQL .QL

Conceitos de orientao a objetos tais como classes eherana podem ser usados para estender a linguagemcom novos predicados e construir bibliotecas

Para melhorar seu desempenho e escalabilidade, .QL utilizaum SGBD relacional para armazenar relaes entreelementos do cdigo fonte

Assim, consultas .QL so primeiramente traduzidas paraDatalog (otimizadas) e, em seguida, traduzidas para SQL


SCQL .QL

SemmleCode .QLa um plug-in para a IDE Eclipse quepermite a execuo de consultas .QL sobre sistemas Java

Foi utilizado o Semmlecode Professional Edition, verso 1.0

Basicamente, a ferramenta inclui um editor de consultascuja apresentao de seus resultados pode ser vista emforma de rvores, tabelas, grficos, grafos e warningsreportados pelo ambiente de desenvolvimento

Alm disso, conta com a definio de repositrios deconsultas para armazenar, por exemplo, consultasrealizadas frequentemente

aFerramenta disponvel em: http://semmle.com


SCQL .QL Prtica Consulta

Primeiramente, ser demonstrada uma consulta que retorna asdependncias entre os pacotes do sistema myAppointments eos pacotes AWT, Swing e SQL da API de Java:

1 from RefType r1 , RefType r22 where3 r1 . fromSource ( ) and depends( r1 , r2 ) and4 ( r2 . fromSource ( ) or isSwingApi ( r2 ) or i s Sq lAp i ( r2 ) )5 select r1 . getPackage ( ) , r2 . getPackage ( )



Predicados utilizado:

1 predicate isSwingApi ( RefType r ) {2 r . getPackage ( ) .getName( ) . matches( " java . awt " ) or3 r . getPackage ( ) .getName( ) . matches( " java . awt.% " ) or4 r . getPackage ( ) .getName( ) . matches( " javax . swing " ) or5 r . getPackage ( ) .getName( ) . matches( " javax . swing.% " )6 }7

8 predicate i sSq lApi ( RefType r ) {9 r . getPackage ( ) .getName( ) . matches( " java . sq l " ) or

10 r . getPackage ( ) .getName( ) . matches( " java . sq l .% " )11 }


SCQL .QL Prtica Resultado

Figura : Grafo do myAppointments



Utilizando classes, mtodos e predicados de .QL, foramdefinidas consultas para detectar violaes das restriesarquiteturais definidas para o sistema myAppointments. Porexemplo, a seguinte consulta verifica se a restrio arquiteturalRA1 seguida:

1 from RefType r1 , RefType r22 where3 r1 . fromSource ( )4 and not ( r1 . getPackage ( ) .getName( ) . matches( " myappointments . view " ) )5 and depends( r1 , r2 ) and isSwingApi ( r2 )6 select r1 as Tipo ,7 "RA1 violada : " + r1 . getQualifiedName ( )8 + " ut i l i zando " + r2 . getQualifiedName ( ) as Violacao


SCQL .QL Prtica Resultado

Figura : Exibio de uma violao



De maneira similar, a restrio RA3 definida como a seguir:

1 from RefType view , RefType re f2 where3 view . getPackage ( ) .getName( ) . matches( " myappointments . view " )4 and re f . fromSource ( )5 and not ( re f . getPackage ( ) .getName( ) . matches( " myappointments . view " ) )6 and not i s C o n t r o l l e r ( re f )7 and not i s U t i l ( re f )8 and depends( view , re f )9 select view as Tipo_Visao ,

10 "RA3 violada : " + view . getQualifiedName ( )11 + " ut i l i zando " + re f . getQualifiedName ( ) as Violacao



Nessa consulta so utilizados os predicados isController eisUtil, definidos como a seguir:

1 predicate i sCon t ro l le r ( RefType re f ) {2 re f . getASupertype ( ) . hasQualifiedName3 ( " myappointments . cont ro l le r " , " ICont ro l le r " )4 }5 predicate i s U t i l ( RefType re f ) {6 re f . getPackage ( ) .getName( ) . matches( " myappointments . u t i l " )7 }


RM


RM Viso Geral

Tcnicas baseadas em Modelos de Reflexo (ReflexionModels ou RM) comparam um modelo arquitetural (isto , aarquitetura planejada de um sistema) com o modelo decdigo fonte (isto , a arquitetura concreta desse sistema)

O resultado, chamado modelo de reflexo, destacarelaes convergentes, divergentes e ausentes entre os doismodelos


RM SAVE

SAVE (Software Architecture Visualization and Evaluation) uma ferramenta de conformao arquitetural centrada noconceito de modelo de reflexo de software proposto porMurphy et al.

Desenvolvida pelo Instituto Fraunhofer IESE


RM SAVE

Segundo essa abordagem, arquitetos devemprimeiramente definir um modelo de alto nvel querepresente a arquitetura planejada de um sistema

Esse modelo inclui os principais componentes do sistema e asrelaes entre eles (invocaes, instanciaes, herana etc)

Arquitetos tambm devem definir um mapeamento entre omodelo de cdigo fonte (arquitetura concreta) e aarquitetura planejada


RM SAVE

Uma ferramenta baseada em modelo de reflexo, como SAVE,classifica relaes entre componentes como:

Convergente: quando uma relao prescrita no modelo dealto nvel seguida pelo cdigo fonte

Divergente: quando uma relao no prescrita no modelode alto nvel existe no cdigo fonte

Ausente: quando uma relao prescrita no modelo de altonvel no existe no cdigo fonte


RM SAVE Funcionamento

1 Modelo de Alto NvelSo definidos os componentes de alto nvel e as comunicaesentre eles de acordo com a arquitetura planejada do sistema

2 Modelo de Cdigo Fonte extrado um modelo a partir do cdigo fonte do sistema

3 MapeamentoTarefa na qual os arquitetos devem manualmente associar cadacomponente de alto nvel aos seus componentescorrespondentes no modelo de cdigo fonte

4 Modelo de ReflexoA ferramenta compara os dois modelos e destaca as relaesausentes e divergentes


RM SAVE Prtica Screen shot

Figura : Modelo de Reflexo Computado para o myAppointments


ACL


ACL Viso Geral

ACL (Architectural Constraint Language) contemplasolues que garantem a conformao arquitetural de umsistema por meio de um conjunto de restries

Linguagem DCL (Dependency Constraint Language) visa restringiro espectro de dependncias aceitveis e inaceitveis emum sistema

O objetivo principal impedir a eroso arquitetural, isto ,que a arquitetura concreta (aquela presente no cdigofonte) viole a arquitetura planejada de um sistema

Por exemplo, violaes de camada, no utilizao depadres, m uso de frameworks etc


ACL DCL


ACL DCL Linguagem

Linguagem de domnio especfico, declarativa eestaticamente verificvel

Permite a definio de restries estruturais entre mdulos

Princpio de funcionamento:

Definem-se os mdulos

Definem-se as restries entre eles


ACL DCL Mdulos

Mdulos: conjunto de classes

pacotes, subtipos, expresses regulares etc

Exemplos:

1 module View : org . foo . view .2 module Remote: java . rmi . UnicastRemoteObject+

3 module Frame : " org . foo . [ azAZ09/.]Frame"


ACL DCL Restries

Restries para capturar divergncias e ausncias:

Exemplos:

1 only Factory cancreate Products2 U t i l canonlydepend U t i l , $java3 View cannothandle Model4 Products mustimplement java . io . S e r i a l i z a b l e


ACL DCL Ferramenta dclcheck

Ferramenta dclchecka

Verifica se o cdigo fonte respeita restries DCL

Plug-in para a IDE Eclipse

aFerramenta disponvel em: http://dcc.ufmg.br/terra/dcl


ACL DCL Prtica Screen shot

Figura : Violaes detectadas para o myAppointments


Outras Tcnicas


Outras Tcnicas

Existem uma srie de outras solues que lidam comconformao e recuperao arquitetural


Outras Tcnicas Architectural Constraint Languages (ACL)

Structural Constraint Language (SCL)

Linguagem lgica de primeira ordem que permite expressarintenses arquiteturais e de projeto

Restries definidas sobre a estrutura esttica de sistemasorientados a objetos

Especificaes SCL consistem em uma sequncia dedeclaraes e frmulas lgicas

LogEn

Linguagem lgica de domnio especfico

Permite expressar dependncias estruturais entre gruposlgicos de elementos do cdigo fonte, chamadosensembles


Outras Tcnicas Architectural Description Languages (ADL)

ADLsAlternativa para conformao arquitetural por construo

ADLs no se aplicam em sistemas existentes, pois soextenses de linguagens


Outras Tcnicas Architecture Analysis Tools

Structure101: definio de modelos em termos de camadase dependncias aceitveis entre componentes

Bahaus: RM com decomposio hierrquica

Sotograph: permite realizar consultas de conformaosobre dependncias do cdigo fonte que ficamarmazenadas em um repositrio

Klocwork Insight: prov suporte a visualizao arquiteturalem forma de grafos

JDepend: gera mtricas que podem ser utilizadas paramedir e controlar o processo de eroso arquitetural


Outras Tcnicas Abordagens Dinmicas

DiscoTectUtiliza observaes em tempo de execuo de sistemas paraconstruir uma viso arquitetural do sistema


Consideraes Finais


Consideraes Finais

O curso apresentou quatro solues distintas paraRecuperao e Conformao Arquitetural:

DSM: usando como exemplo a ferramenta LDM

SCQL: usando como exemplo a ferramenta .QL

RM: usando como exemplo a ferramenta SAVE

ACL: usando como exemplo a ferramenta DCL


Consideraes Finais DSM LDM

DSMs representam instrumento simples e poderoso paravisualizar e raciocionar sobre arquiteturas de software, pois:

DSMs so estruturas inerentemente hierrquicas, o que provescalabilidade

Possuem algoritmos de reordenao

Regras de Projeto (Design Rules) no so expressivasNo possuem expresses regulares ou subtipos

Limitao aos tipos de dependncia


Consideraes Finais SCQL .QL

.QL representa uma simples, mas poderosa linguagem deconsulta em cdigo fonte

Poder deve-se sua origem em Datalog

Simplicidade deve-se a sintaxe inspirada em SQL

Dificuldades para visualizar, navegar e raciocinar sobrerepresentaes arquiteturais

Mas, ser esse o foco?


Consideraes Finais RM SAVE

Possui um processo completo e bem definido paraverificao de conformao arquitetural

Controle sobre a granularidade e o nvel de abstrao doscomponentes

Mapeamento uma tarefa rdua e deve ser mantida

A computao do modelo de reflexo pode tomar tempoNo vivel ser continuamente aplicado

Mas, vivel antes de lanamento de verses, aps umainterao do desenvolvimento etc


Consideraes Finais ACL DCL

Restringe o espectro de dependncias que podem serestabelecidas em sistemas orientados a objetos

simples e auto-explicativa

Alto poder de expressoDefinio de mdulos: pacotes, subtipos, expressesregulares etc

Restries: Todos os tipos de restries

No prov mecanismos para raciocinar ou visualizar sobre aarquitetura

Foco na conformao arquitetural


Referncias

L. Passos; R. Terra; R. Diniz; M. T. Valente; N. Mendona. Static ArchitectureConformance Checking: An Illustrative Overview. IEEE Software, 2010

N. Sangal et al. Using dependency models to manage complex softwarearchitecture. OOPSLA, 2005

O. Moor et al. Keynote address: .ql for source code analysis. SCAM, 2007

J. Knodel et al. Static evaluation of software architectures. CSMR, 2006

G. Murphy; D. Notkin; K. Sullivan. Software reflexion models: Bridging thegap between source and high-level models. ACM SIGSOFT FSE, 1995

R. Terra; M. T. Valente. A dependency constraint language to manageobject-oriented software architectures. SPE, 2009


Obrigado!!!


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