1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Thân Văn Đức KIỂM CHỨNG CÁC GIAO THỨC BẰNG AOP KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin HÀ NỘI - 2010 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Thân Văn Đức KIỂM CHỨNG CÁC GIAO THỨC BẰNG AOP KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin Cán bộ hướng dẫn: Ths.Phạm Thị Kim Dung HÀ NỘI - 2010 3 Lời cảm ơn Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi đã gặp rất nhiều khó khăn và bỡ ngỡ. Nếu không có sự giúp đỡ và lời động viên chân thành của nhiều người có lẽ tôi khó có thể hoàn thành tốt khóa luận này. Đầu tiên tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Cô Phạm Thị Kim Dung đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình viết khóa luận tốt nghiệp. Tôi muốn gửi lời cảm ơn đến các thầy giáo cô giáo trong hội đồng bảo vệ. Những ý kiến đóng góp của cô là vô cùng hữu ích, nó giúp tôi nhận ra các khuyết điểm của khóa luận. Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô và bạn bè trong khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Công Nghệ- Đại học Quốc Gia- Hà Nội đã tận tình truyền đạt kiến thức, sát cánh và trải nghiệm cùng tôi trong suốt 4 năm học tập. Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học không chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu khóa luận mà còn là hành trang quí báu để tôi bước vào đời một cách vững chắc và tự tin. Con xin cảm ơn cha mẹ, những người đã có công sinh thành, dưỡng dục và nuôi dạy con nên người. Cuối cùng tôi kính chúc quý thầy, cô dồi dào sức khỏe, đạt được nhiều thành công trong công việc và cuộc sống. 4 TÓM TẮT NỘI DUNG Kiểm chứng phần mềm có một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính đúng đắn của hệ thống phần mềm trong suốt quá trình thực thi,kiểm chứng giúp phát hiện, tìm ra lỗi và thông báo lỗi cho nhà phát triển. Phương pháp lập trình hướng khía cạnh (AOP) cùng với công nghệ AspectJ ra đời đã tạo ra một hướng phát triển mới cho kiểm chứng phần mềm, giúp nâng cao khả năng dò tìm lỗi, thông báo lỗi mà không ảnh hưởng tới mã nguồn hệ thống. Trong thực tế, biểu đồ UML là sự lựa chọn rất phổ biến cho việc mô hình hóa hệ thống phần mềm ở giai đoạn thiết kế hiện nay. Trong đó, biểu đồ tuần tự (sequence diagram) là một biểu đồ quan trọng, nó miêu tả các cách thức đối tượng tương tác và giao tiếp với nhau. Việc kiểm chứng thiết kế và kiểm chứng các giao thức ràng buộc trong biểu đồ trình tự là rất cần quan trọng vì nếu thiết kế biểu đồ tuần tự sai kéo theo các hoạt động của hệ thống hoặc trình tự hệ thống cần thực hiện sẽ bị sai dẫn tới toàn bộ hệ thống thiết kế sai. Trong phạm vi khóa luận, tôi xin trình bày phương pháp sinh mã aspect phục vụ cho mục đích kiểm chứng phần mềm từ biểu đồ tuần tự kết hợp với máy trạng thái và công cụ tự động sinh mã aspect dựa trên phương pháp này. Mã aspect tạo ra từ công cụ có thể dùng đan vào chương trình để thực hiện nhiệm vụ kiểm chứng các ràng buộc giữa các đối tượng và tính đúng đắn của hệ thống nhằm giảm thiểu tối đa lỗi khi viết mã cài đặt cho hệ thống. 5 MỤC LỤC Chương 1. Mở Đầu 8 1.1. Đặt vấn đề 8 1.2.Bài toán 8 1.3. Tổng quan về phương pháp giải quyết bài toán 9 1.4. Cấu trúc khóa luận 9 Chương 2. Ngôn ngữ UML và biểu diễn biểu đồ trong UML bằng XMI 11 2.1. Giới thiệu chung về UML: 11 2.2. Các loại biểu đồ UML 12 2.2.1. Nhóm biểu đồ về cấu trúc 12 2.2.2. Nhóm biểu đồ hành vi 12 2.3. Biểu đồ tuần tự trong UML2.0(Sequence diagram) 12 2.4. Một số thành phần chính trong biểu đồ tuần tự 14 2.4.1. Đường đời (lifeLine) 14 2.4.2. Thông điệp (Message) 15 2.4.3. Đoạn gộp (Combind Fragment) 16 2.5. Biểu diễn biểu đồ tuần tự : 19 2.5.1. Biểu diễn Đường đời (LifeLine ): 19 2.5.2. Biểu diễn Thông điệp: 19 2.5.3. Lời chú giải (Comment) 19 2.5.4. Các đoạn gộp (CombindedFragment) 19 2.6. Sơ lược về XML 20 2.7. Biểu diễn tài liệu XML 21 2.8. TƯƠNG TÁC VỚI TÀI LIỆU XML 23 2.8.1 DOM 23 2.8.2 XML DOM : 23 2.8.3 XMI: 25 2.9. Máy trạng thái FSM. 25 2.9.1. Tổng quan về các thành phần trong máy trạng thái FSM 25 2.9.2. Xây dựng máy hữu hạn trạng thái từ các thành phần của biểu đồ 26 CHƯƠNG 3 30 Aspect và lập trình hướng khía cạnh 30 3.1 Tổng quan về lập trình hướng khía cạnh 30 3.2 Biên dịch AOP: 31 6 3.3 LỢI ÍCH CỦA AOP : 32 3.4 AspectJ 32 3.4.1. Đặc tả ngôn ngữ: 32 3.4.2. Phần thực thi: 33 3.5. Một số khái niệm cơ bản trong AspectJ: 33 3.5.1. Join point 33 3.5.2. Pointcut 33 3.5.3. Advice 33 3.5.4. Aspect 34 3.6. Cơ chế họa động của AspectJ 35 3.6.1. Compile – time: 35 3.6.2. Link – time: 35 3.6.3. Load – time: 35 3.7. Sử dụng AOP Phát triển ứng dụng và phương pháp kiểm chứng dựa trên AOP 36 CHƯƠNG 4 38 PHƯƠNG PHÁP KIỂM CHỨNG CÁC GIAO THỨC BẰNG AOP 38 4.1 Biểu diễn giao thức 38 4.2. Tiền điều kiện và hậu điều kiện : 39 4.2.1. Tiền điều kiện : 39 4.2.2. Hậu điều kiện : 39 4.2.3 Biểu diễn tiền điều kiện và hậu điều kiện trong biểu đồ trình tự : 39 4.3 Kiểm chứng giao thức: 40 Chương 5 Xây dựng công cụ sinh mã từ máy trạng thái 42 5.1 Tổng quan về xây dựng công cụ sinh mã từ máy trạng thái 42 5.1.1 Lấy các thành phần trong tài liệu XMI. 42 5.1.2. Sinh mã Aspect từ biểu đồ tuần tự UML 45 5.2. Sinh mã kiểm chứng giao thức AnBm 46 Chương 6 Kết luận 49 6.1 Kết luận về khóa luận 49 6.2 Hướng phát triển trong tương lai : 50 7 Danh mục ký hiệu, từ viết tắt UML Unified Modeling Language AOP Aspect-Oriented Programming FSM Finite State Machine OOP Object Oriented Programming XML eXtensible Markup Language XMI XML Metadata Interchange DOM Document Object Model SEQUENCE DIAGRAM BIỂU ĐỒ TUẦN TỰ 8 Chương 1. Mở Đầu 1.1. Đặt vấn đề Trong những năm cuối của thế kỉ XX, nhân loại đã được chứng kiến những tiến bộ vượt bậc của các ngành khoa học công nghệ như: công nghệ điện tử, công nghệ sinh học… và một ngành công nghệ mới không thể không nhắc tới đó là ngành công nghệ thông tin. Những tiến bộ của ngành công nghệ thông tin đã giúp ích được cho con người và những ngành khoa học khác là rất lớn. Ngành công nghệ phần mềm là sự áp dụng một cách tiếp cận có hệ thống, có kỷ luật và định lượng được cho những việc phát triển, hoạt động bảo trì phần mềm. Ngành công nghệ phần mềm bao trùm các kiến thức, các công cụ, và các phương pháp cho việc định nghĩa yêu cầu phần mềm và thực hiện các tác vụ thiết kế phần mềm, xây dựng phần mềm, kiểm thử phần mềm ,bảo trì phần mềm…. Trong các giai đoạn đó, giai đoạn kiểm thử phần mềm với các chức năng kiểm tra, phát hiện và sửa lỗi phần mềm là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng của một phần mềm. Từ thực tế cho thấy, các lỗi của phần mềm gây thiệt hại rất lớn về thời gian, tiền bạc và công sức của con người. Lỗi phần mềm được phát hiện càng muộn càng gây thiệt hại nghiêm trọng, gây tổn thất về thời gian,công sức và có thể phải xây dựng lại toàn bộ hệ thống từ đầu. Vì vậy, việc tìm ra lỗi sớm và sửa lỗi sớm là rất cần thiết khi thiết kế một hệ thống phần mềm. Kiểm chứng phần mềm là kiểm tra phần mềm có được thiết kế đúng và thực thi đúng như đặc tả yêu cầu không. Với vai trò quan trọng như vậy, giai đoạn kiểm thử trong ngành công nghệ phần mềm được sự quan tâm và tìm hiểu của nhiều nhà nghiên cứu. Trên thực tế, đa số các thao tác kiểm chứng phần mềm là dựa trên việc kiểm tra đầu vào và đầu ra của chương trình, việc kiểm tra này được thực hiện nhiều lần thủ công và cố gắng tìm ra tất cả các trường hợp cho đầu vào để xem đầu ra có được kết quả như ý không. Vì vậy, việc kiểm tra như vậy không thể đánh giá hay thẩm định được quá trình hoạt động logic của chương trình theo đúng như đặc tả ban đầu hay không. Quá trình hoạt động logic ở đây có thể là các tương tác tuần tự giữa các đối tượng, các giao thức giữa các đối tượng…. nhằm đảm bảo hơn tính đúng đắn của sản phẩm phần mềm. Trong khóa luận này tôi xin trình bày phương pháp tự động sinh mã aspect kiểm chứng đặc tả giao thức dựa trên lập trình hướng khía cạnh ( Aspect-Oriented Programming). 1.2.Bài toán Hiện nay có nhiều phương pháp để kiểm chứng phần mềm như giả lập hay kiểm chứng mô hình. Trong phạm vi bài toán được đặt ra, tôi muốn đề cập tới phương pháp kiểm chứng phần mềm dựa trên phương pháp lập trình hướng khía cạnh. Việc kiểm chứng cụ 9 thể của bài toán là kiểm chức giao thức đặc tả hoạt động của các đối tượng trong Java. Giao thức có thể được mô tả bằng tay hoặc mô tả bằng biểu đồ trạng thái. 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. Từ biểu đồ trình tự UML sẽ là đầu vào để tạo ra mã kiểm chứng aspect. Mã này được đan vào chương trình bằng công cụ AspectJ để kiểm tra hoạt động của chương trình trong thời gian chạy. Trong quá trình chạy của chương trình, các đoạn mã aspect sẽ tự động kiểm tra các giao thức và đưa ra thông báo lỗi khi có bất kì vi phạm nào xảy ra. Từ một biểu đồ tuần tự UML, xuất ra tài liệu XMI đặc tả của biểu đồ này. Tài liệu XMI này chính là đầu vào cho công cụ cần xây dựng. Dựa vào các kiến thức UML, XML tôi sẽ phân tích tài liệu XMI, sử dụng máy trạng thái (FSM) mô tả biểu đồ tuần tự UML và sinh mã aspect phục vụ kiểm chứng. Mã aspect là kết quả sau cùng của công cụ. 1.3. Tổng quan về phương pháp giải quyết bài toán Bài toán bắt đầu với đầu vào là biểu đồ tuần tự UML, biểu đồ này đã được xuất ra dưới dạng XMI, file XMI này sẽ là đầu vào cho công cụ sinh mã kiểm chứng. Trong báo cáo “Checking implementations of UML 2.0 sequence diagrams”[4] đã xây dựng được công máy trạng thái. Dựa vào máy trạng thái này, tôi đã phát triển máy trạng thái để phù hợp với bài toán đặt ra. Máy trạng thái FSM sẽ duyệt tất cả các trạng thái. Dựa vào các kiến thức về AspectJ [2,3] tôi đã tìm hiểu để xây dựng công cụ tự động sinh mã aspect. Việc xây dựng công cụ tự động sinh aspect của tôi gồm các bước : - Phát triển máy trạng thái để sử dụng theo mục đích kiểm thử. Đầu tiên, tôi sẽ phải tìm hiểu về tài liệu XMI, cách sử dụng XML DOM để đọc tài liệu XMI này để phát triển thêm các yêu cầu về xử lý tiền điều kiện và hậu điều kiện. Phát triển thêm các phương thức để tiện cho việc lấy ra các trạng thái, quản lý các trạng thái và sử lý các String, các hiển thị theo đúng mục đích. - Xây dựng chức năng tự động sinh mã aspect từ FSM : Sử dụng máy trạng thái được sinh ra, duyệt qua từng trạng thái trong FSM, áp dụng cấu trúc cú pháp cài đặt mã aspect để tạo ra mã aspect hoàn chỉnh. 1.4. Cấu trúc khóa luận Chương 1 : Mở đầu. Chương 2 : Trình bày sơ qua các kiến thức về UML,XML,XMI. Trong biểu đồ UML tôi đi tìm hiểu chi tiết về biểu đồ tuần tự và các thành phần của nó. Đây là nền tảng để tìm hiểu cách biểu diễn và hoạt động của biểu đồ. Dựa vào những kiến thức về XML,XMI giúp tôi nắm được cấu trúc tài liệu, cách thao tác, sử lý tài liệu XMI để lấy ra những thông tin cần thiết cho việc phát triển máy trạng thái FSM. 10 Chương 3 : Trình bày về aspect và lập trình hướng khía cạnh. Nêu nên những ưu điểm của AOP, vai trò của nó trong sự phát triển của ngành công nghệ phần mềm. . Những kiến thức về AOP và aspect giúp tôi tạo ra các đoạn mã aspect theo đúng cú pháp phục vụ cho việc kiểm thử. Giới thiệu về AspectJ là một cài đặt của AOP cho ngôn ngữ lập trình Java. Chương 4 : Trình bày phương pháp giải quyết bài toán kiểm chứng các giao thức bằng AOP. Chương 5: Trình bày công cụ sinh mã Aspect và mã kiểm chứng giao thức AnBm. Chương 6 : Kết luận. [...]... tự theo thời gian của các thông điệp.Nó trình bày một một tập hợp các đối tượng và các thông điệp được trao đổi giữa chúng .Các đối tượng là các cá thể có tên hay khuyết danh của các lớp, cũng có thể là các đối tác, các hợp tác, các thành phần, các nút Biểu đồ trình tự được trình bày theo hai chiều - Chiều ngang bố trí các đối tượng, các đối tượng bố trí theo hình chữ nhật, hoặc bằng biểu tượng, dàn... hỗ trợ aspect Với cách này, đầu tiên máy ảo java sẽ nạp các quy tắc đan kết, rồi áp dụng các quy tắc này cho các lớp được nạp sau đó Nói cách khác trình biên dịch thực hiện đan kết các aspect trong khi thực thi AOP tổng hợp hệ thống đi từ các vấn đề đan nhau đến vấn đề chính, còn OOP đi theo hướng ngược lại Tuy nhiên, OOP và AOP không phủ định nhau mà bổ sung cho nhau AOP có thể dùng các kỹ thuật lập... ra khỏi các chức năng chính o Xây dựng các chức năng (Concern Implementation): Cài đặt các chức năng một cách độc lập o Kết hợp các khía cạnh lại để tạo nên hệ thống hoàn chỉnh (Aspectual Recompositon): Trong bước này chúng ta chỉ ra các quy luật kết hợp bằng cách tạo ra các aspect Quá trình này gọi là quá trình dệt mã, sử dụng các thông tin trong aspect để cấu thành hệ thống cuối cùng Hình 12 Các giai... quy định cách các mô-đun khác nhau gắn kết với nhau để hình thành lên hệ thống cuối cùng Nền tảng cơ bản của AOP khác với OOP là cách quản lý các chức năng cắt ngang hệ thống Việc thực thi của từng chức năng cắt ngang AOP bỏ qua các hành vi được tích hợp vào nó AOP có thể xem là một sự bổ sung cho OOP, cho phép chúng ta giải quyết các bài toán phức tạp tốt hơn và hiệu quả hơn Vấn đề cốt lõi của AOP là... Nó có chứa các State, các Transition và các Event - FSMContext: Mỗi phương thức khi thực thi sẽ có các trạng thái khác nhau và quá trình biến đổi các trạng thái cũng khác nhau Quá trình này được đặc trưng bởi một đối tượng FSMContext cho riêng phương thức đó Nói cách khác, lớp FSMContext làm nhiệm vụ điều khiển máy trạng thái và kiểm tra tính hợp lệ của dãy các lời gọi hàm cho một phương thức cần kiểm... được xây dựng trên các phương pháp lập trình hiện tại như lập trình hướng đối tượng, lập trình có cấu trúc, bổ sung thêm các khái niệm và cấu trúc để mô-đun hóa các chức năng cắt ngang hệ thống (crosscutting concern) Với AOP, các quan hệ cơ bản sử dụng các phương pháp cơ bản Nếu sử dụng OOP, sẽ thực thi các quan hệ cơ bản dưới hình thức lớp (class) Các aspect trong hệ thống đóng gói các chức năng cắt... Theo cách này, mã nguồn Java và các aspect được biên dịch ra dạng byte code Quá trình dệt diễn ra khi classloader nạp một class AspectJ 1.5.x sử dụng cách này để dệt chương trình 35 3.7 Sử dụng AOP Phát triển ứng dụng và phương pháp kiểm chứng dựa trên AOP Ngày nay, AOP được ứng dụng rộng rãi trong việc phát triển phần mềm Phát triển hệ thống sử dụng AOP tương tự như phát triển hệ thống sử dụng các. .. ứng dụng AOP có thể thực hiện theo nhiều cách, trong đó có cách dịch mã sang mã Theo cách này, mã nguồn được tiền xử lý các aspect riêng lẻ để tạo ra mã đã được đan kết với nhau Kế tiếp trình biên dịch AOP đưa mã đã được chuyển đổi này sang trình biên dịch ngôn ngữ cơ sở để tạo dạng mã thực thi cuối cùng Ví dụ, theo cách này, các aspect riêng lẻ của ứng dụng AOP dùng ngôn ngữ java trước tiên sẽ được... tại các phương thức o Join point tại các điểm truy cập thuộc tính o Join point tại các điểm điều khiển ngoại lệ: Được điều khiển trong khối điều khiển ngoại lệ 3.5.2 Pointcut Pointcut là một cấu trúc chương trình mà nó ch ọn các join point và ngữ cảnh tại các join point đó [7, 12] Ví dụ một pointcut có thể chọn một join point là lời gọi đến một phương thức và lấy thông tin ngữ cảnh của phương thức. .. hoá các hệ thống sử dụng các khái niệm hướng đối tượng - Thiết lập một kết nối từ nhận thức của con người đến các sự kiện cần mô hình hoá Giải quyết vấn đề về mức độ thừa kế trong các hệ thống phức tạp, có nhiều ràng - buộc khác nhau Tạo một ngôn ngữ mô hình hoá có thể sử dụng được bởi người và máy 2.2 Các loại biểu đồ UML Về biểu đồ UML có tất cả 12 loại biểu đồ được chia ra làm hai nhóm :Nhóm các . time: 35 3.7. Sử dụng AOP Phát triển ứng dụng và phương pháp kiểm chứng dựa trên AOP 36 CHƯƠNG 4 38 PHƯƠNG PHÁP KIỂM CHỨNG CÁC GIAO THỨC BẰNG AOP 38 4.1 Biểu diễn giao thức 38 4.2. Tiền điều. của AOP cho ngôn ngữ lập trình Java. Chương 4 : Trình bày phương pháp giải quyết bài toán kiểm chứng các giao thức bằng AOP. Chương 5: Trình bày công cụ sinh mã Aspect và mã kiểm chứng giao thức. diagram) là một biểu đồ quan trọng, nó miêu tả các cách thức đối tượng tương tác và giao tiếp với nhau. Việc kiểm chứng thiết kế và kiểm chứng các giao thức ràng buộc trong biểu đồ trình tự là rất