Vorlesung Software-Reengineering - Uni Bremen · Statische Programm-Visualisierung Dynamische...

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Vorlesung Software-Reengineering Prof. Dr. Rainer Koschke Arbeitsgruppe Softwaretechnik Fachbereich Mathematik und Informatik Universit¨ at Bremen Wintersemester 2006/07 ¨ Uberblick I 1 Software Visualisierung

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Vorlesung Software-Reengineering

Prof. Dr. Rainer Koschke

Arbeitsgruppe SoftwaretechnikFachbereich Mathematik und Informatik

Universitat Bremen

Wintersemester 2006/07

Uberblick I

1 Software Visualisierung

Software Visualisierung

Software Visualisierung

1 Software VisualisierungUber diese FolienLernzieleReengineering KontextProgramm-VisualisierungStatische Programm-VisualisierungDynamische Programm-VisualisierungVisualisierung von MetrikenKlassenblaupauseEvolutionare AspekteZusammenfassungWiederholungsfragen

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Software Visualisierung

Uber diese Folien

Diese Folien entstammen einer Prasentation von Michele Lanza(Universitat Bern), mit dessen freundlicher Genehmigung.Die Unterschiede zum Original sind:

Ubersetzung ins Deutsche

Kleinere Restrukturierungen und Verkurzungen

Zusatz Spektrograph (Courtesy Jingwei Wu, Richard C. Holt, AhmedHassan, University of Waterloo, Canada)

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Software Visualisierung

Software-Visualisierung I

Lernziele

Software-Visualisierung in einem Reengineering-KontextStatische Code-VisualisierungDynamische Code-VisualisierungVisualisierung von MetrikenVisualisierung der EvolutionLeichtgewichtige Ansatze

Kontext

Reengineering ist meist interaktivGroße Datenmengen mussen verstanden werden

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Software Visualisierung

Software-Visualisierung II

Software Visualization is the use of the crafts of typography,graphic design, animation, and cinematography with modernhuman-computer interaction and computer graphics technologyto facilitate both the human understanding and effective use ofcomputer software.

– Price, Baecker and Small, Introduction to Software Visualization

Software is intangible, having no physical shape or size.Software visualisation tools use graphical techniques to makesoftware visible by displaying programs, program artifacts andprogram behaviour.

– Thomas BallRainer Koschke (Univ. Bremen) Vorlesung Software-Reengineering WS 2006/2007 6 / 45

Software Visualisierung

SV im Reengineering-Kontext

Ziele: Reduktion der Komplexitat

Herausforderungen:

SkalierbarkeitAufgabenabhangigkeit der VisualisierungArt der VisualisierungBegrenzte Ressourcen

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Software Visualisierung

Programm-Visualisierung

Program visualization is the visualization of the actualprogram code or data structures in either static or dynamic form.

– [Price, Baecker und Small]

GebieteStatische Programm-VisualisierungDynamische Programm-Visualisierung

AufgabenVerschiedene Sichten generierenInferenzen ermoglichen

Spezifische Probleme (aktives Forschungsgebiet)Effiziente Ausnutzung des Platzes, Kantenuberschneidungen,Layout-Probleme, Fokus, Human-Computer-Interaction, . . .Keine Konventionen (Farben, Symbole, Interpretation, . . . )

Granularitat?Ganze System, Subsysteme, Module, Klassen, Hierarchien,...

Wofur, wie und wann anzuwenden?

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Software Visualisierung

Statische Programm-Visualisierung

Visualisierung von Information, die statisch abgeleitet ist.

Hangt von Sprache und Sprachparadigma ab:

objektorientierte Sprachen: Klassen, Methoden, Attribute, Vererbung,. . .prozedurale Sprachen: Prozeduren, Aufrufe, . . .. . .

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Software Visualisierung

Klassendiagramme

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Software Visualisierung

Klassendiagramme

(wie von herkommlichen CASE-Werkzeugen dargestellt. . . )

Vorteile:

Stellen objektorientierte Konzepte darGeeignet fur kleine Ausschnitte

Nachteile:

Skalieren nichtBenotigen Filter fur relevante InformationenNur voreingestellte Sichten

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Software Visualisierung

Beispiel 1a: Rigi

Entity-Relationship-Visualisierung

generische Prasentationdurch typisierte Graphen

Probleme:

FilterungNavigationSkalierbarkeit

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Software Visualisierung

Beispiel 1b: Rigi

Entities konnen gruppiertwerden

Vorteile:

Skaliert bessergenerisch

Nachteile:

Wenig Programmier-sprachensemantik

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Software Visualisierung

Beispiel 2: Klassen-Hierarchien

Jun/OpenGL

SmalltalkKlassenhierarchie

Probleme:

Keine weitereBedeutung der FarbeUberladen

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Software Visualisierung

Beispiel 3: Tree Maps

Vorteile:

hierarchisch (m.E.)100% Raumnutzungskaliert

Nachteile:

GrenzenWirres BildInterpretationNur Blatter

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Software Visualisierung

Beispiele 4 und 5

Euklidische KegelVorteile:

Nutzen dritteDimension

Nachteile:

Mangelnde TiefeNavigation

Hyperbolische BaumeVorteile:

Fokus ist wahlbarDynamisch

Nachteile: Copyright

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Software Visualisierung

Dynamische Programm-Visualisierung

Visualisierung dynamischen Verhaltens

Ausfuhrungs-TraceRessourcenverbrauch (Speicher/Laufzeit)Objekt-Interaktion. . .

Schritte:1 Code-Instrumentierung2 Gewinnung der Laufzeitinformation3 Auswertung der Laufzeitinformation4 Visualisierung der Auswertung

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Software Visualisierung

Beispiel 1: JInsight(http://www.research.ibm.com/jinsight)

Visualisierung von Ausfuhrungs-Traces

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Beispiel 1: JInsight(http://www.research.ibm.com/jinsight)

Visualisierung von Ausfuhrungs-Traces

2006-1

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Software Visualisierung

Dynamische Programm-Visualisierung

Beispiel 1: JInsight(http://www.research.ibm.com/jinsight)

Visualisiert Sequenzdiagramme; jeder vertikale Streifen reprasentiert ein Objekt; die Farbe des Streifens kodiert dieKlasse. Die Zeit schreitet von oben nach unten fort. Aufrufe sind durch Kanten zwischen Objekten dargestellt undhaben die aufgerufene Methode als Label. Die zeitlichen Bereiche, in denen ein Objekt tatsachlich aktiv sind (d.h.nicht nur eine andere Methode aufrufen, sondern tatsachlich selbst rechnen), sind im Streifen etwas hellerdargestellt.JInsight erlaubt es auch, wiederkehrende Aufrufmuster automatisch zu erkennen und darzustellen. Ahnliche, aberleicht unterschiedliche Muster konnen dabei ubereinandergelegt werden, um so die Unterschiede darzustellen.

Software Visualisierung

Beispiel 2: Aufrufmatrix fur Klassen

einfach

skaliert

reproduzierbar

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Beispiel 2: Aufrufmatrix fur Klassen

einfach

skaliert

reproduzierbar

2006-1

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3

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Software Visualisierung

Dynamische Programm-Visualisierung

Beispiel 2: Aufrufmatrix fur Klassen

Inter-Class Call Matrix: This view provides an overview of the communication between classes. The matrix plotswhich classes call which other classes. Classes are arranged along both axes in the order they are instantiated. Thecolor of the dots indicate the frequency of that communication.

Software Visualisierung

Dynamische SV: Probleme

Code-Instrumentierungsproblem

Logging, erweiterte Virtual Machines, Method-Wrapping

Skalierbarkeitsproblem

Fulle der DetailsTraces werden sehr schnell enorm groß

Vollstandigkeitsproblem

Information gilt nur fur betrachtete Szenarien

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Software Visualisierung

Visualisierung von Metriken (Lanza 2003; Lanza undDucasse 2003)

Kombination von Metriken undSoftware-Visualisierung

Graph-ReprasentationBis zu funf Metrikenbestimmen die Visualisierungder Knoten:

Große (1+2)Farbe (3)Position (4+5)

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Software Visualisierung

System Complexity View

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Software Visualisierung

Method Efficiency Correlation View

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Software Visualisierung

Inheritance Classification View

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Inheritance Classification View

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Software Visualisierung

Visualisierung von Metriken

Inheritance Classification View

Added: Ganz neue Methoden.Overridden: Ererbt und redefinierte Methoden.Extended: Overridden + Aufruf der gleichen Methode via super (Smalltalk), d.h. Aufruf zur entsprechendenMethode, die uberschrieben wurde.

Software Visualisierung

Data Storage Class Detection View

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Data Storage Class Detection View

2006-1

2-1

3

Vorlesung Software-Reengineering

Software Visualisierung

Visualisierung von Metriken

Data Storage Class Detection View

Von links nach rechts nach Breite (Number of Methods) geordnet.Dieselbe Metrik (Number of Methods) wird hier auf dreifache Weise dargestellt: Breite, Position innerhalb derOrdnung und Farbe. Dadurch kann ein verstarkender Effekt erzeugt werden.

Software Visualisierung

Granularitatsproblem

Hubsch . . . aber was verbirgt sich dahinter?

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Software Visualisierung

Klassenblaupause (Ducasse und Lanza 2005)

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Klassenblaupause (Ducasse und Lanza 2005)

2006-1

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Vorlesung Software-Reengineering

Software Visualisierung

Klassenblaupause

Klassenblaupause (Ducasse und Lanza 2005)

Die Einteilung hangt etwas von der Ausdruckskraft der Programmiersprache ab, auch von dem, was der Benutzertatsachlich sehen mochte: aus Sicht der Spezifikation bzw. aus Sicht der tatsachlichen Verhaltnisse.

• Initialization: Kontruktoren (soweit die Programmiersprache sie explizit darstellt, auch: Methoden, die Init und ahnlicheZeichenketten im Namen enthalten oder solche, die einen new-Operator fur die Klasse enthalten

• Interface: offentliche Methoden; auch: solche, die tatsachlich von außerhalb aufgerufen werden (Accessors sind in eineranderen Kategorie; siehe unten)

• Implementation: versteckte Methoden bzw. solche, die von außerhalb nicht benutzt werden

• Accessors: Offentliche Methoden, die nichts weiter tun als ein Attribut zu setzen bzw. zu lesen

• Attribute: versteckte Attribute

Software Visualisierung

Semantische Information

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Software Visualisierung

Kategorisierung von Klassen

Basiert aufKlassenblaupausen

Zwei Perspektiven:

Einzelne KlasseVererbungskontext

Klassenblaupausefur jede einzelneKlasseSind als Baumangeordnet

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Software Visualisierung

Klassenblaupause: Data Storage

Viele Attribute

Kann vieleZugriffsoperationen haben(Accessors)

Harmloses Verhalten

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Software Visualisierung

Klassenblaupause: Wide Interface

Viele Methoden in derSchnittstelle

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Software Visualisierung

Klassenblaupause: Large Implementation

GeschachtelteAufrufstruktur

Viele Methoden

Hohe Komplexitat

Breite Schnittstelle

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Software Visualisierung

Evolutionare Aspekte (Lanza 2003)

Die Gegenwart ist oft verstandlicher, wenn man die Vergangenheitkennt.

Betrachtung von Aspekten des Systems uber die Zeit.

Metrikwerte konnen besser eingeschatzt werden.Erlaubt, Trends auszumachen.

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Software Visualisierung

Evolutionsmatrix

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Software Visualisierung

Kategorisierung von Klassen anhand der Evolutionsmatrix

Dargestellte Metriken fur Klassen:

NOM (number of methods)NOA (number of attributes)

Kategorisierung anhand der”individuellen Evolution“ und der

”System-Evolution“:

PulsarSupernovaWeißer ZwergRoter RieseDornroschenEintagsfliegeMethusalem

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Software Visualisierung

Pulsar & Supernova

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Software Visualisierung

Weißer Zwerg, Roter Riese, Dornroschen

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Software Visualisierung

Eintagsfliege & Methusalem

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Software Visualisierung

Fallstudie MooseFinder (38 Versionen)

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Software Visualisierung

Spektrograph

x-Achse: Zeit; y-Achse: Softwareeinheit; Farbe: #commits

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Spektrograph

x-Achse: Zeit; y-Achse: Softwareeinheit; Farbe: #commits

2006-1

2-1

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Software Visualisierung

Evolutionare Aspekte

Spektrograph

Courtesy Jingwei Wu, Richard C. Holt, Ahmed Hassan, University of Waterloo, Canada

Software Visualisierung

Farbung im Spektrograph

linearer Gradient

exponentieller Gradient

Stufen

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Software Visualisierung

Software-Visualisierung (SV) I

SV ist unabdingbar im Reengineering-Kontext

Match-Mismatch-Hypothese:

problem-solving performance depends on whether thestructure of a problem is matched by the structure of anotation

– Gilmore und Green

Jede SV betont bestimmte Information und vernachlassigt andereInformation.

Geeignete SV ist abhangig von der zu losenden Aufgabe.

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Software Visualisierung

Software-Visualisierung (SV) II

”‘Alphabetismus”’ der SV

Wie drucke ich es aus?

Wie interpretiere ich es?

Vieles noch in der Forschung, wenig in kommerziellen Werkzeugen

Software-Wahrnehmung: Andere menschliche Sinne werden genutzt

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Software Visualisierung

Wiederholungs- und Vertiefungsfragen I

Wofur eignen sich Tree Maps und wie sind sie zu interpretieren?

Welche Probleme gibt es bei der Visualisierung dynamischer Daten?

Wie lassen sich Metriken visualisieren?

Was ist eine Klassenblaupause?

Wie lassen sich damit Klassen charakterisieren?

Welche zusatzlichen Aspekte lassen sich durch die Visualisierungevolutionarer Daten gewinnen?

Was sagt die Match-Mismatch-Hypothese (Gilmore und Green) aus?

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Software Visualisierung

1 Ducasse und Lanza 2005 Ducasse, Stephane ; Lanza, Michele: TheClass Blueprint: Visually Supporting the Understanding of Classes. In:IEEE Computer Society Transactions on Software Engineering 31(2005), Januar, Nr. 1, S. 75–90

2 Lanza 2003 Lanza, Michele: Object-Oriented Reverse Engineering -Coarse-grained, Fine-grained, and Evolutionary Software Visualization.http://www.inf.unisi.ch/faculty/lanza/Downloads/Lanz03b.pdf,University of Bern, Dissertation, 2003

3 Lanza und Ducasse 2003 Lanza, Michele ; Ducasse, Stephane:Polymetric Views—A Lightweight Visual Approach to ReverseEngineering. In: IEEE Computer Society Transactions on SoftwareEngineering 29 (2003), Nr. 9, S. 782–795

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