Автореферат (Методы и средства разработки графических предметно-ориентированных языков)

На правах рукописиЛитвинов Юрий ВикторовичМетоды и средства разработки графическихпредметно-ориентированных языковСпециальность 05.13.11 —математическое и программное обеспечениевычислительных машин, комплексов и компьютерных сетейАвторефератдиссертации на соискание учёной степеникандидата технических наукСанкт-Петербург2016Работа выполнена на кафедре системного программирования федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Санкт-Петербургский государственныйуниверситет».Научный руководитель:Терехов Андрей Николаевичдоктор физико-математических наук, профессорзаведующий кафедрой системного программирования федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет».Официальные оппоненты:Штейнберг Борис Яковлевич,доктор технических наук, старший научный сотрудник,профессор, заведующий кафедрой алгебры и дискретной математики,федеральное государственное автономное образовательное учреждениевысшего образования «Южный федеральный университет»,Котляров Всеволод Павлович,кандидат технических наук, доцент,профессор кафедры «Информационные и управляющие системы», федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университетПетра Великого».Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институтсистем информатики им.

А.П. Ершова Сибирского отделения Российскойакадемии наук.Защита состоится 14 апреля 2016 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д212.232.51на базе Санкт-Петербургского государственного университета по адресу: 198504, Санкт-Петербург, СтарыйПетергоф, Университетский пр., 28, математико-механический факультет, ауд. 405.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им.

М. Горького Санкт-Петербургскогогосударственного университета по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9 и на сайтеhttp://spbu.ru/science/disser/.Автореферат разослан «»20года.Ученый секретарьдиссертационного советаД212.232.51, д.ф.-м.н., проф.Демьянович Юрий Казимирович3Общая характеристика работыАктуальность темы. Визуальное моделирование — это подход к разработкепрограммного обеспечения (ПО), в котором программа представляется в виденабора графических моделей, каждая из которых описывает её с разных точекзрения.

Благодаря наличию стандартных широко распространённых графическихязыков, визуальное моделирование повышает продуктивность разработки ПО икачество результирующего продукта. При этом по набору визуальных моделейвозможно автоматически генерировать программы целиком или их фрагменты, темсамым переиспользуя результаты анализа и проектирования.Использование визуальных языков общего назначения, таких как UML, беззаранее подготовленного набора библиотек и генераторов, делает задачу разработкипрограммного обеспечения недостаточно эффективной в силу наличия семантического разрыва между кодом и моделями. Такие языки оперируют теми жетерминами, что и традиционные текстовые языки (классы, объекты, компонентыи т.д.), поэтому, чтобы полностью специфицировать поведение системы и сделатьвозможной автоматическую генерацию, модель должна содержать в себе столькоже информации, что и исходный код программы, но это противоречит самомупонятию модели как некоего упрощения моделируемого объекта.

Поэтому UML восновном сейчас используется как средство для анализа и дизайна системы, а самасистема программируется на текстовых языках. Большинство инструментов длясоздания UML-диаграмм позволяют генерировать «заглушки», куда предполагаетсядописывать код вручную, но существенного выигрыша для разработчиков это недаёт. Наличие заранее подготовленных библиотек, шаблонов и генераторов кодаможет существенно улучшить ситуацию, но подобные технологии оказываютсяприменимы только для той предметной области, для которой они создавались.Существует принципиально другой подход к использованию визуального моделирования, называемый предметно-ориентированным моделированием.

Он основанна том наблюдении, что часто создать новый язык для узкой предметной областиили даже для конкретной задачи и решить задачу на нём оказывается быстрее иэффективнее, чем решать эту задачу на языке общего назначения. В таком случаеналичие знаний о предметной области позволяет добиться полной автоматическойгенерации программ по визуальным моделям.

Ряд исследований (проводимых, вчастности, S. Kelly, R. Kieburtz) показывает, что продуктивность труда программистов при использовании предметно-ориентированных языков вырастает в 3-10 разпо сравнению с использованием языков общего назначения, поэтому такой подходпредставляется весьма перспективным.4Разумеется, создавать новый предметно-ориентированный визуальный язык иинструментальные средства его поддержки «с нуля» для каждой узкой предметнойобласти или конкретной задачи было бы неоправданно трудозатратно.

Поэтомусуществуют специальные средства для автоматизации этой задачи, называемыеDSM-платформами или MetaCASE-средствами. Такие средства позволяют задатьсинтаксис визуального языка, используя какой-либо формализм (как правило, этометамодели), и автоматически сгенерировать редактор для этого языка и другиесредства инструментальной поддержки (мы будем называть результат генерацииDSM-решением). Это позволяет реализовывать технологии программирования,использующие новые предметно-ориентированные языки, в рамках приемлемыхтрудозатрат, что позволяет применять предметно-ориентированное моделированиедаже для небольших проектов. Существуют зрелые исследовательские и промышленные DSM-платформы, такие как Eclipse Modeling Project, MetaEdit+ и другие.Однако несмотря на преимущества предметно-ориентированного моделирования,применяется оно довольно редко. Во многих случаях для создания предметноориентированного решения требуется привлекать экспертов в разработке языковмоделирования, которыми зачастую оказываются авторы выбранной для реализации этого решения DSM-платформы, что могут позволить себе лишь крупныекомпании.

Такая ситуация указывает на необходимость продолжения исследованийв этой области с целью упростить процесс создания предметно-ориентированныхрешений и снизить требования к квалификации специалистов, которые могли быэтим заниматься.Степень разработанности темы. Методические вопросы создания предметноориентированных языков хорошо проработаны в случае, если языки текстовые(заслуживают упоминания работы A. Van Deursen, M. Mernik), для визуальныхязыков сейчас существует лишь набор слабо структурированных рекомендаций инаблюдений (наиболее обстоятельно этим вопросом занималась исследовательскаягруппа во главе со S. Kelly и J.-P.

Tolvanen, заслуживают упоминания работыM. Voelter). Тем не менее, существует довольно много DSM-платформ, многие изкоторых хорошо описаны в литературе (MetaEdit+, Eclipse Modeling Project, GenericModeling Environment, PSL/PSA, AToM3 , Microsoft Modeling SDK, Pounamu, DOME,MetaLanguage). Подавляющее большинство научных работ, связанных с этимиDSM-платформами, сфокусировано на технических подробностях их реализациии обходят стороной вопросы методической поддержки, при этом часто вниманиеуделяется только самой реализации визуального языка.Исследования в области графических языков также ведутся на кафедре системного программирования Санкт-Петербургского государственного университета под5руководством проф.

А.Н. Терехова. Кафедра имеет более чем двадцатилетний опытв создании инструментов и методик графического программирования (технологииRTST, RTST++, REAL, работы Д.В. Кознова). Данная работа выполнялась в рамкахпроекта по разработке DSM-платформы QReal, являющегося продолжением работкафедры по этой теме. Проект QReal имеет открытый исходный код1 , разрабатывается на языке C++ с использованием библиотеки Qt силами студентов ипреподавателей кафедры, автор данной диссертации — один из руководителейпроекта.Целью диссертационной работы является уменьшение трудозатрат и требованийк квалификации при создании визуальных предметно-ориентированных языков иинструментальных средств для их поддержки (редакторов диаграмм, генераторовкода, средств проверки ограничений на диаграммы, интерпретаторов диаграмм) доуровня, при котором их было бы возможно создать даже без специальной подготовкии опыта.Для достижения поставленной цели достаточно решить следующие задачи.1.

Разработать методику создания предметно-ориентированных визуальных языков и инструментальных средств для них, использующую визуальные языкидля их спецификации.2. Разработать метод прототипирования визуального языка, позволяющий специфицировать его прямо в процессе создания на нём диаграммы.3. Реализовать в рамках DSM-платформы QReal простую в использовании технологию для создания предметно-ориентированных языков, реализующуюразработанные методики.4. Провести апробацию технологии путём создания нескольких DSM-решений сеё помощью.Цель и задачи диссертационной работы соответствуют области исследованийпаспорта специальности 05.13.11 — «Математическое и программное обеспечениевычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей»: пунктам 1 (Модели,методы и алгоритмы проектирования и анализа программ и программных систем,их эквивалентных преобразований, верификации и тестирования) и 2 (Языкипрограммирования и системы программирования, семантика программ).Объектом исследования являются визуальные языки, предметом исследования являются методы их создания и технологии для разработки инструментальныхсредств визуальных языков.1Страница проекта и репозиторий с исходным кодом на GitHub, URL: https://github.com/qreal/qreal (дата обраще-ния: 19.01.2016г)6В качестве методологии используется методология, типичная для исследованийв области программной инженерии: исследование существующей литературы,формулирование задачи и поиск её возможного решения, реализация решения ввиде набора инструментов, апробация и анализ результатов.

При этом в качествеметодов исследования используются методы теории формальных языков и теорииграфов, методы объектно-ориентированного программирования, эмпирические методы (методы анализа литературы и постановки эксперимента).Научная новизна данной работы заключается в следующем.1. Разработанная методика для создания предметно-ориентированных языков спомощью графического языка метамоделирования и сопутствующих визуальных языков превосходит известные аналоги по объёму функциональныхвозможностей инструментальных средств, которые можно специфицировать спомощью визуальных языков.2. Предложенный метод создания предметно-ориентированного языка («метамоделирование на лету») является оригинальным.3. Разработанные с использованием предложенных методик визуальный языкпрограммирования роботов и среда QReal:Robots, предоставляющая для негосредства инструментальной поддержки, превосходит известные аналоги пофункциональным возможностям.Теоретическая и практическая значимость данной работы определяется разработанными методами создания визуальных предметно-ориентированных языкови использованием полученных результатов при разработке DSM-платформы QReal,а также при создании ряда DSM-решений, самым зрелым из которых стала средапрограммирования роботов QReal:Robots, предназначенная для обучения школьников основам информатики и кибернетики.Система QReal, куда интегрированы созданные в диссертационной работе средства, разрабатывается как среда визуального моделирования и одновременно какDSM-платформа, позволяющая быстро и без специальных знаний создавать своисобственные визуальные языки и DSM-решения на их основе.