Диссертация (Методы и средства разработки графических предметно-ориентированных языков), страница 2

Подтверждение этим фактамможно найти в относительно недавних исследованиях [10, 54]. Наличие заранееподготовленных библиотек, шаблонов и генераторов кода может существенноулучшить ситуацию, как показано, например, в [6] и в [66], но подобныетехнологии оказываются применимы только для той предметной области, длякоторой они создавались.Существует принципиально другой подход к использованию визуального моделирования, называемый предметно-ориентированным моделированием(DSM2 , [36]).

Он основан на том наблюдении, что иногда создать новый язык длякакой-то узкой предметной области или даже для конкретной задачи и решитьзадачу на нём оказывается быстрее и эффективнее, чем решать эту задачу на языкеобщего назначения. В таком случае наличие у средств поддержки создаваемогоязыка знаний о предметной области позволяет добиться полной автоматическойгенерации программ по визуальным моделям.Существует много широко известных текстовых предметно-ориентированныхязыков, например, язык для работы с данными SQL3 , язык для работы с текстамиawk [84], средства описания контекстно-свободных грамматик для генераторов синтаксических анализаторов.

В каждом из этих примеров программа напредметно-ориентированном языке работает в терминах той предметной области,для которой этот язык создан, что даёт возможность не задумываясь о деталях реализации решать требуемую задачу. Например, современные генераторысинтаксических анализаторов позволяют задавать грамматику в виде, очень23Domain Specific ModelingStructured Query Language8похожем на формы Бэкуса-Наура, при этом программист может не думать отом, как будет реализован синтаксический анализатор для этой грамматики:каким-либо из автоматных методов или рекурсивным спуском. Как правило,допускаются и некоторые неоднозначности грамматики, и грамматики, плохиес точки зрения метода разбора, который реализует синтаксический анализатор(например, леворекурсивные грамматики для метода рекурсивного спуска).

Всёэто позволяет реализовывать синтаксические анализаторы даже людям, весьмаповерхностно представляющим себе алгоритмы синтаксического анализа. Этообщее свойство предметно-ориентированных языков — знания о предметнойобласти «спрятаны» в инструментальные средства, что позволяет существенно расширить круг пользователей языка, вплоть до того, что на нём смогутпрограммировать люди, далёкие от программирования. Исследования [23, 35,107] показывают, что продуктивность труда программистов при использованиипредметно-ориентированных языков вырастает в 3-10 раз по сравнению с использованием языков общего назначения, поэтому такой подход представляетсявесьма перспективным.Разумеется, создавать новый предметно-ориентированный визуальный языки инструментальные средства его поддержки «с нуля» для каждой узкой предметной области или конкретной задачи было бы неоправданно трудозатратно.Поэтому существуют специальные средства для автоматизации этой задачи,называемые «DSM-платформа», или «MetaCASE-средство».

Такие средства позволяют задать синтаксис визуального языка, используя какой-либо формализм(как правило, это метамодели) и автоматически сгенерировать редактор дляэтого языка и другие средства инструментальной поддержки4 . Это позволяетреализовывать технологии программирования, использующие новые предметноориентированные языки, за время порядка дней, что делает предметноориентированное моделирование оправданным даже для небольших проектов.Существуют зрелые исследовательские и промышленные DSM-платформы, такиекак Eclipse Modeling Project [79], MetaEdit+ [48] и другие.

Однако же, несмотряна значительные преимущества предметно-ориентированного моделирования,применяется оно довольно редко. Связано это, в частности, с недостатками4Далее мы будем именовать визуальный редактор и инструментальные средства для работы с предметно-ориентированным языком «DSM-решение»9существующих платформ и отсутствием развитой методологической базы дляих применения. Во многих случаях для создания предметно-ориентированногорешения требуется привлекать экспертов в создании языков, которыми зачастуюоказываются авторы выбранной для реализации этого решения DSM-платформы,что могут позволить себе лишь крупные компании. Такая ситуация указываетна необходимость продолжения исследований в этой области с целью упроститьпроцесс создания предметно-ориентированных решений и снизить требования кквалификации специалистов, которые могли бы этим заниматься.Степеньразработанноститемы.Методическиевопросысозданияпредметно-ориентированных языков хорошо проработаны в случае, если языкитекстовые (заслуживают упоминания работы A.

Van Deursen, M. Mernik), длявизуальных языков сейчас существует лишь набор слабо структурированныхрекомендаций и наблюдений (наиболее обстоятельно этим вопросом занималасьисследовательская группа во главе со S. Kelly и J.-P. Tolvanen, заслуживаютупоминания работы M. Voelter).

Тем не менее, существует довольно много DSMплатформ, многие из которых хорошо описаны в литературе (MetaEdit+, EclipseModeling Project, Generic Modeling Environment, PSL/PSA, AToM3 , MicrosoftModeling SDK, Pounamu, DOME, MetaLanguage). Подавляющее большинствонаучных работ, связанных с этими DSM-платформами, сфокусировано натехнических подробностях их реализации и обходят стороной вопросыметодической поддержки, при этом часто внимание уделяется только самойреализации визуального языка.Исследования в области графических языков также ведутся на кафедре системного программирования Санкт-Петербургского государственного университета под руководством проф.

А.Н. Терехова. Кафедра имеет более чем двадцатилетний опыт в создании инструментов и методик графического программирования (технологии RTST, RTST++, REAL, работы Д.В. Кознова). Данная работавыполнялась в рамках проекта по разработке DSM-платформы QReal, являющегося продолжением работ кафедры по этой теме. Проект QReal имеет открытыйисходный код5 , разрабатывается на языке C++ с использованием библиотеки Qt5Страница проекта и репозиторий с исходным кодом на GitHub, URL: https://github.com/qreal/qreal (дата обраще-ния: 19.01.2016)10силами студентов и преподавателей кафедры, автор данной диссертации — одиниз руководителей проекта.Целью диссертационной работы является уменьшение трудозатрат и требований к квалификации при создании визуальных предметно-ориентированныхязыков и инструментальных средств для их поддержки (редакторов диаграмм,генераторов кода, средств проверки ограничений на диаграммы, интерпретаторовдиаграмм) до уровня, при котором их было бы возможно создать даже безспециальной подготовки и опыта.Для достижения поставленной цели достаточно решить следующие задачи.1.

Разработать методику создания предметно-ориентированных графическихязыков и инструментальных средств для них, использующую визуальныеязыки для их спецификации.2. Разработать метод прототипирования визуального языка, позволяющийспецифицировать 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 DSMрешений с её помощью.Цель и задачи диссертационной работы соответствуют области исследованийпаспорта специальности 05.13.11 — «Математическое и программное обеспечение вычислительных 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(Языки программирования и системы программирования, семантика программ).Объектом исследования являются визуальные языки, предметом исследования являются методы их создания и технологии для разработки инструментальных средств визуальных языков.В качестве методологии используется методология, типичная для исследований в области программной инженерии: исследование существующей литературы, формулирование задачи и поиск её возможного решения, реализация11решения в виде набора инструментов, апробация и анализ результатов.

При этомв качестве методов исследования используются методы теории формальныхязыков и теории графов, 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 языковс помощью графического языка метамоделирования и сопутствующихвизуальных языков превосходит известные аналоги по объёму функциональных возможностей инструментальных средств, которые можно специфицировать с помощью визуальных языков. Методика самоприменима, тоесть предметно-ориентированные языки используются для описания всейфункциональности разрабатываемых инструментальных средств для нового языка: редактора диаграмм, генераторов текстового кода по диаграммам,интерпретаторов, средств проверки ограничений на диаграммы, средствподдержки рефакторингов.2.

Предложенный метод создания предметно-ориентированного языка («метамоделирование на лету») является оригинальным. Способ предполагаетизменение и дополнение визуального языка прямо в процессе создания диаграммы на нём, без использования отдельного метаредактора. В процессеразработки языка при таком подходе не требуется оперировать понятиями«метамодель» и «метаредактор», что снижает требования к квалификациипользователей.3. Разработанные с использованием предложенных методик визуальный языкпрограммирования роботов и среда QReal:Robots, предоставляющая длянего средства инструментальной поддержки, превосходит известные аналоги по функциональным возможностям.Теоретическая и практическая значимость данной работы определяетсяразработанными методами создания визуальных предметно-ориентированныхязыков и использованием полученных результатов при разработке DSMплатформы QReal [109, 136], в ряде DSM-решений, созданных с её помощью, самым зрелым из которых стала среда программирования роботов12QReal:Robots [110], предназначенная для обучения школьников основам информатики и кибернетики с использованием робототехнического конструктора LegoMindstorms NXT [108].Система QReal, куда интегрированы созданные в диссертационной работесредства, создаётся как средство визуального моделирования, поддерживающееряд широкоизвестных визуальных языков (UML 2.0, BPMN6 , блок-схемы), иодновременно как DSM-платформа, позволяющая быстро и без специальныхзнаний создавать свои собственные визуальные языки и DSM-решения на ихоснове.