Автореферат (Методология и инструментарий предметно-ориентированного моделирования)

На правах рукописиКозновДмитрий ВладимировичМЕТОДОЛОГИЯ И ИНСТРУМЕНТАРИЙПРЕДМЕТНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ05.13.11 — Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетейАвтореферат диссертации на соискание учёной степенидоктора технических наукСанкт-Петербург2015Работа выполнена на кафедре системного программирования Санкт-Петербургскогогосударственного университетаНаучный консультант:ТЕРЕХОВ Андрей Николаевич, доктор физико-математических наук, профессорОфициальные оппоненты:ПОЗИН Борис Аронович, доктор технических наук, профессор, ЗАО «ЕС-лизинг», технический директорКАЛЯНОВ Георгий Николаевич, доктор технических наук,профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им.

В. А. Трапезникова Российской академии наук, профессорВОДЯХО Александр Иванович, доктор технических наук,профессор, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им.

В.И. Ульянова (Ленина)", профессорВедущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждениенауки Институт системного программирования Российскойакадемии наукЗащита состоится 21 апреля 2016 года в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.232.51 на базе Санкт-Петербургского государственного университета по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Университетский пр.

28.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета и на сайте СПбГУ: http://spbu.ru/science/disser/.Автореферат разослан ___________ 2016 года.Учёный секретарьдиссертационного советаДемьянович Юрий Казимирович2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования. Идея использовать визуальные модели приразработке программ была высказана ещё Дж.

фон Нейманом (J. von Neumann) вконце 40-х годов. В последние пятьдесят лет аналогия с чертёжным проектированиемв строительстве, машиностроении и других инженерных областях вдохновлялаисследователей в попытках создать надёжный метод разработки программногообеспечения (ПО) на основе чертежей программ — визуальных моделей. В этомнаправлении работали D. Ross, L. Constantine, T. DeMarco, M. Jack-son, E.

Yourdan,P. Coad,D. deChampeaux,G. Booch,I. Jacobson,J. Rumbaugh,B. Se-lic,D. Harel, S. Shlaer, P. Kruchten, M. Fowler, G. Rossi и др. Их усилиями данный подходбыл детально разработан и внедрён в индустрию. В результате был созданунифицированный язык моделирования UML (Unified Modeling Language),являющийся в настоящее время общепринятым стандартом.

Однако в последнеевремя эффективность UML подвергается серьёзной критике (см., например,исследование M. Petre): не вдаваясь в детали можно сказать, что при попыткахиспользования UML в индустриальных компаниях не хватает соответствующегоконтекста. Обзор литературы показывает, что полностью стандартизовать визуальноемоделирование не удаётся: на практике требуется существенная адаптацияконцепций, методов, языков и инструментов.На решение этой проблемы направлено предметно-ориентированноемоделирование (Domain-Specific Modeling, DSM). Данный подход предназначен дляразработки ПО на основе визуальных моделей, ориентированных на потребностиузкой предметной области. При этом визуальные модели приобретают нужныйконтекст, превращаясь в предметно-ориентированные, и в связи с этим допускаютэффективную формальную обработку, в частности, генерацию программного кода.Создание программных средств поддержки для многочисленных предметноориентированных языков в рамках приемлемых затрат стало возможным ввидуактивного развития инструментов поддержки DSM-подхода (MetaEdit+, GMF,Microsoft Modeling SDK и др.), включая средства расширения стандартных системмоделирования (открытые программные интерфейсы, шаблоны и пр.).

К настоящемумоменту разработано большое количество целевых DSM-решений. Предметноориентированное моделирование начинает активно использоваться в различныхприложениях, например, при разработке корпоративных ИТ-архитектур (см. работыH. Agt, S. Ali, I. Alloush, R. Z. Frantz, V. Kovanovic), в робототехнике (см.стартовавший в 2014 году семинар «Workshop on Model-Driven Robot SoftwareEngineering», а также работы Ю. Литвинова, Д.

Мордвинова, Т. Брыксина).Однако для широкого промышленного применения предметно-ориентированногомоделирования важно довести разрозненные исследования проблем разработкиDSM-решений до единой методологии. При этом необходимо выполнить3стандартизацию и унификацию процесса разработки и сопровождения DSM-решенияи анализ рисков, специфицировать итоговую поставку (Final Deliveries, Final WorkProducts) DSM-проекта, предложить методы реализации дополнительныхфункциональных компонент, отсутствующих в инструментах поддержки DSMподхода. Таким образом, встал вопрос о создании новой единой методологии, котораяпозволит эффективно поддерживать промышленные DSM-решения на всех стадияхих жизненного цикла и расширить спектр применения предметно-ориентированногомоделирования.

В контексте разработки данной методологии актуальны следующиезадачи: (i) создание моделей и алгоритмов для реализации дополнительныхфункциональных компонент (обеспечение качества визуальных спецификаций,версионный контроль, работа с большими моделями); (ii) разработка на основе DSMподхода методов анализа и проектирования ПО различных видов; (iii) применениеDSM для отдельных видов деятельности процесса разработки ПО, в частности, дляразработки документации. Также представляют интерес практические примерыиспользования предметно-ориентированного моделирования на основе единойметодологии.Степень разработанности темы работы. Предметно-ориентированное моделирование развито в работах J.–P.

Tolvanen, S. Kelly, J. Greenfield, K. Short,R. C. Gronback, S. Cook, K. Czarnecki, U. Eisenecker, Ö. Turhan, J. Cabot и др. Данныеисследования снижают степень общности проблемы практического применениявизуальных моделей, делая её разрешимой, и обращаются к более технической стороне моделирования. Однако всё ещё сохраняется значительный разрывмежду методами моделирования и инструментарием. При этом существующиеподходы разрозненны и не решают комплексных задач, возникающих припрактическом применении DSM. Большинство из них являются неформальными(исследования J. P.

Tolvanen и S. Kelly), или носят энциклопедический характер(K. Czarnecki и U. Eisenecker), или исходят из соображений, что программныйинструментарий поддержки DSM является вспомогательной задачей (J. Greenfield,K. Short с коллегами). Нехватка концептуальных разработок в данной областикосвенно подтверждается отсутствием современных обзоров, а также смешиваниемDSM с DSLs (Domain Specific Languages, предметно-ориентированные текстовыеязыки программирования) — см., например, обзор 2013 года S. Erdweg с коллегами«The state of the art in language workbenches».Говоря о развитии предметно-ориентированного моделирования в России, следуетобратить внимание на работы Я.

М. Барзиня, А. В. Карабегова, Н. Н. Мансурова,посвящённые языку SDL (Specification and Description Language), и исследованияА. А. Шалыто, изучающего автоматное программирование и его приложения.Необходимо указать на коллектив А. Н. Терехова, который занимается предметноориентированным моделированием с середины 80-х годов (технологии RTST, Real,4Real-IT, QReal, QReal:ROBOTS).

Целесообразно упомянуть о работахФ. А. Новикова, а также об исследованиях межвузовского коллектива в составеЛ. Н. Лядовой, А. О. Сухова и др. Кроме того следует указать на работы «Межвузовского академического центра компетенций по архитектуре предприятия «EA Lab»,использующего DSM при разработке бизнес- и ИТ-архитектур.Одной из центральных задач при разработке DSM-решений является обеспечениекачества моделей. В этой области существует множество исследований (см. обзорыF. Lucas с коллегами и P.

Mohagheghi с коллегами). В них акцентируется проблеманехватки полноценных программных средств, реализующих данные методы,интеграционные сложности и недостаточная масштабируемость. Не менее важнойявляется задача разработки, анализа и контроля качества больших моделей. Даннаязадача частично исследована в работах B. Berenbach, F. Weil с коллегами, Д.

Бабурина с коллегами. Однако в этих работах представлены лишь частные решения.Задача версионного контроля визуальных спецификаций до сих пор не решена, вотличие от версионирования исходного кода. Существует значительное количествоалгоритмов для нахождения разницы (Diff) и слияния (Merge) XML-файлов (3DM,So6, DeltaXML и др.), однако при практическом использовании они нуждаются вмодернизации. Имеется инструмент EMF DiffMerge, однако он поддерживает лишьпростые случаи и ориентирован на создание средств, работающих только с моделями в формате Ecore.

Очевидно, что во всех этих областях требуются дополнитель-ныеисследования.Следует отметить, что в области DSM все ещё существует разрыв между общимиметодами (исследования J. P. Tolvanen и S. Kelly с коллегами, J. Greenfield и K. Shortс коллегами) и исследованиями, ориентированными на конкретные классы задач.Последние разрозненны и зачастую сводятся к изложению опыта отдельных проектов.