Softwareproduktlinien - Komponenten und Frameworks

Christian Kästner (CMU)

Sven Apel (Universität Passau)

Gunter Saake, Thomas Thüm (Universität Magdeburg)

1

Wiederholung: Konfigurationsmanagement und Präprozessoren

Variabilität zur Übersetzungszeit

Versionsverwaltungssysteme

Nur für wenig Varianten geeignet, dafür etabliert

Flexible Kombination von Features nicht möglich

Build-Systeme

Einfacher Mechanismus mit hoher Flexibilität

Entwicklung von Varianten getrennt (keine einzelnen Features)

Änderungen auf Dateiebene (eingeschränkte Wiederverwendbarkeit)

Präprozessoren

Einfaches Muster: „markieren und entfernen“

Standard-Tools, hohe Flexibilität, feine Granularität, Feature-basiert

Fehleranfällig, schwer lesbar, scattering/tangling, …

Wie können Features modular implementiert werden?

2

Do

mai

n E

ng.

A

pp

licat

ion

En

g.

Feature-Auswahl

Feature-Modell Wiederverwendbare Implementierungs- artefakte

Generator Fertiges Program

3

Wie Variabilität modular implementieren?

Komponenten

4

Komponente

Abgeschlossene modulare Implementierungseinheit mit Schnittstelle (black box); bietet einen „Dienst“ an

Wird zusammen mit anderen Komponenten – auch von anderen Herstellern – „zusammengesetzt“ zu Softwaresystemen (Komposition)

Einzeln vermarktbar und lauffähig

Kontext (z. B. JavaEE, CORBA, COM+/DCOM, OSGi) und Abhängigkeiten (imports, exports) explizit spezifiziert

Klein genug für Erzeugung und Wartung in einem Stück, groß genug um sinnvolle Funktion bieten zu können

5

Komponenten vs. Objekte/Klassen

Ähnliche Konzepte: Kapselung, Interfaces, Geheimnisprinzip

Objekte strukturieren ein Problem

Komponenten bieten wiederverwendbare Teilfunktionalität

Objekte sind üblicherweise kleiner als Komponenten: „Komponenten skalieren Objektorientierung“

Objekte haben häufig viele Abhängigkeiten zu anderen Objekten; Komponenten haben wenig Abhängigkeiten

Interfaces von Objekten sind häufig implementierungsnah; Komponenten abstrahieren mehr

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Vision: Märkte für Komponenten

Komponenten können gekauft und in eigene Produkte integriert werden

Best of Breed: Entwickler kann für jedes Teilsystem den besten/billigsten Anbieter auswählen

Anbieter können sich auf Kernkompetenz beschränken und diese als Komponente(n) anbieten

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Komponenten eines Webshops

(UML-Notation)

FinanzbuchhaltungRechnung schreiben

ReportgeneratorRechnung drucken

Webshop

LagerhaltungEinlagern

Entnehmen

GroßhändlerBestellen

KundenverwaltungKunde anlegen

Adresse ändern

Einkäufe

Katalog verwalten

Szenario: Kunde anlegen Einkauf Rechnung schreiben Rechnung drucken

8

Produktlinien aus Komponenten

Features werden in verschiedenen Komponenten implementiert

z. B. die Komponenten Transaktionsverwaltung, Log/Recovery, Pufferverwaltung, Optimierer

Komponenten können ggf. Laufzeitvariabilität enthalten

Durch Feature-Auswahl werden Komponenten ausgewählt (mapping)

Der Entwickler muss Komponenten verbinden (glue code)

9

Produktlinien aus Komponenten

Component1

Component2

Component3

Component4

Component5

Component6

Component7

Component8

Component9

Component10

Component11

Component12

Component2

Component6

Component8

Component9

Feature-Auswahl

Feature-Modell

Komponentensammlung

Komponentenauswahl Fertiges Program

Feature-Auswahl als Eingabe

Mapping von Features zu Komponenten

Menge von Komponenten

Entwickler baut fertiges Programm aus Komponenten

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Wie Komponenten bestimmen?

Markt für beliebige Komponenten funktioniert nicht

Zu kleine Komponenten hoher Aufwand

Zu große Komponenten kaum wiederverwendbar

Produktlinien liefern nötige Domänenanalyse

Welche Teilfunktionalität wird in welcher Granu- larität wiederverwendet

Systematische Wiederverwendung

(Tangram)

12

Bewertung: Produktlinien aus Komponenten

In der Industrie üblich (Beispiel: Heimelektronik mit Koala-Komponenten von Phillips)

Produktlinien zum Domain Engineering, zur Organisation der Entwicklung, …

Systematische (geplante) Wiederverwendung von Komponenten

Keine vollständige Automatisierung, hoher Entwicklungs-aufwand (glue code) im Application Engineering

Keine freie Feature-Auswahl

14

Diskussion: Modularität

15

Komponenten verstecken interne Implementierung

Idealerweise kleine Interfaces

Feature-Kohäsion

aber …

Grobe Granularität Seitenwechselstrategien, Suchalgorithmen, Locking im B-Baum, oder

VARCHAR als Komponente?

Farben oder gewichtete Kanten im Graph als Komponenten?

Funktionalität ggf. schwer als Komponente zu kapseln Transaktionsverwaltungskomponente?

Services

Ähnlich zu Komponenten: kapseln Teilfunktionalität (Dienste)

i.d.R. verteiltes Szenario

Bus-Kommunikation, Web Services, SOAP, REST…

Produktlinien durch Verbinden von Services, i.d.R. mit Orchestrierung (Workflow-Sprachen wie BPEL)

Viele Werkzeuge verfügbar (teils “managementgerecht”)

16

Frameworks

17

Frameworks

Menge abstrakter und konkreter Klassen

Abstrakte Struktur, die für einen bestimmten Zweck angepasst/erweitert werden kann

vgl. Template Method Pattern und Strategy Pattern

Wiederverwendbare Lösung für eine Problemfamilie in einer Domäne

Punkte an denen Erweiterungen vorgesehen sind: hot spots (auch variation points, extension points)

Umkehrung der Kontrolle, das Framework bestimmt die Ausführungsreihenfolge

Hollywood-Prinzip: „Don’t call us, we’ll call you.“

18

Plug-ins

Erweiterung eines Frameworks

Spezielle Funktionen bei Bedarf hinzufügen

Üblicherweise getrennt kompiliert; third-party

Beispiele: Email-Programme, Grafikprogramme, Media-Player, Web browser

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Web Portal

Webapplikation-Frameworks wie Struts, die grundlegende Konzepte vorgeben und vorimplementieren

Entwickler konzentrieren sich auf Anwendungslogik statt Navigation zwischen Webseiten

<?php class WebPage {

function getCSSFiles(); function getModuleTitle(); function hasAccess(User u); function printPage();

} ?>

<?php class ConfigPage extends WebPage {

function getCSSFiles() {…} function getModuleTitle() { return “Configuration”; } function hasAccess(User u) { return user.isAdmin(); } function printPage() { print “<form><div>…”; }

} ?>

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Eclipse

Eclipse als Framework für IDEs

Nur sprachspezifische Erweiterungen (Syntax Highlighting, Compiler) müssen implementiert werden

Der gemeinsame Teil (Editoren, Menüs, Projekte, Verzeichnisbaum, Copy & Paste & Undo Operationen, CVS, uvm.) ist durch das Framework vorgegeben

Framework aus vielen kleineren Frameworks

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Eclipse

Rich Client Platform

OSGiSWT

Core Runtime

JFaceHelp

Workbench

Platform

Ant

IDE

Cheat S

heets

Searc

h

Debug

Team

Help

Update

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Refa

ctor

Launch

Weitere Erweiterungen…

22

Weitere Framework-Beispiele

Frameworks für graphische Benutzeroberflächen, z.B. MacApp, Swing, SWT, MFC

Multimedia-Frameworks, z.B. DirectX

Instant Messenger-Frameworks, z.B. Miranda, Trillian, ...

Compiler-Frameworks, z.B. Polyglot, abc, JastAddJ

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Framework-Implementierung: Mini-Beispiel

Familie von Dialogen, bestehend aus Textfeld und Button

90% des Quelltexts sind gleich

Main Methode

Initialisierung von Fenster, Textfeld und Button

Layout

Schließen des Fensters

…

24

Taschenrechner public class Calc extends JFrame {

private JTextField textfield; public static void main(String[] args) { new Calc().setVisible(true); } public Calc() { init(); } protected void init() { JPanel contentPane = new JPanel(new BorderLayout()); contentPane.setBorder(new BevelBorder(BevelBorder.LOWERED)); JButton button = new JButton(); button.setText("calculate"); contentPane.add(button, BorderLayout.EAST); textfield = new JTextField(""); textfield.setText("10 / 2 + 6"); textfield.setPreferredSize(new Dimension(200, 20)); contentPane.add(textfield, BorderLayout.WEST); button.addActionListener(/* code zum berechnen */); this.setContentPane(contentPane); this.pack(); this.setLocation(100, 100); this.setTitle("My Great Calculator"); // code zum schliessen des fensters }

}

25

White-Box Frameworks

Erweiterung durch Überschreiben und Hinzufügen von Methoden (vgl. Template Method Pattern)

Interna des Framework müssen verstanden werden

schwierig zu lernen

Flexible Erweiterung

Viele Subklassen nötig u.U. unübersichtlich

Status direkt verfügbar durch Superklasse

Keine Plug-ins, nicht getrennt kompilierbar

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Taschenrechner als Whitebox-Framework

27

public abstract class Application extends JFrame { protected abstract String getApplicationTitle(); //Abstrakte Methoden protected abstract String getButtonText(); protected String getInititalText() {return "";} protected void buttonClicked() { } private JTextField textfield; public Application() { init(); } protected void init() {

JPanel contentPane = new JPanel(new BorderLayout()); contentPane.setBorder(new BevelBorder(BevelBorder.LOWERED)); JButton button = new JButton(); button.setText(getButtonText()); contentPane.add(button, BorderLayout.EAST); textfield = new JTextField(""); textfield.setText(getInititalText()); textfield.setPreferredSize(new Dimension(200, 20)); contentPane.add(textfield, BorderLayout.WEST); button.addActionListener(/* … buttonClicked(); … */); this.setContentPane(contentPane); this.pack(); this.setLocation(100, 100); this.setTitle(getApplicationTitle()); // code zum schliessen des fensters

} protected String getInput() { return textfield.getText();} }

public abstract class Application extends JFrame { protected abstract String getApplicationTitle(); //Abstrakte Methoden protected abstract String getButtonText(); protected String getInititalText() {return "";} protected void buttonClicked() { } private JTextField textfield; public Application() { init(); } protected void init() {

JPanel contentPane = new JPanel(new BorderLayout()); contentPane.setBorder(new BevelBorder(BevelBorder.LOWERED)); JButton button = new JButton(); button.setText(getButtonText()); contentPane.add(button, BorderLayout.EAST); textfield = new JTextField(""); textfield.setText(getInititalText()); textfield.setPreferredSize(new Dimension(200, 20)); contentPane.add(textfield, BorderLayout.WEST); button.addActionListener(/* … buttonClicked(); … */); this.setContentPane(contentPane); this.pack(); this.setLocation(100, 100); this.setTitle(getApplicationTitle()); // code zum schliessen des fensters

} protected String getInput() { return textfield.getText();} }

Taschenrechner als Whitebox-Framework

public class Calculator extends Application { protected String getButtonText() { return "calculate"; } protected String getInititalText() { return "(10 – 3) * 6"; } protected void buttonClicked() { JOptionPane.showMessageDialog(this, "The result of "+getInput()+ " is "+calculate(getInput())); } protected String getApplicationTitle() { return "My Great Calculator"; } public static void main(String[] args) { new Calculator().setVisible(true); }

}

public class Ping extends Application { protected String getButtonText() { return "ping"; } protected String getInititalText() { return "127.0.0.1"; } protected void buttonClicked() { /* … */ } protected String getApplicationTitle() { return "Ping"; } public static void main(String[] args) { new Ping().setVisible(true); }

}

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Black-Box Frameworks

Einbinden des anwendungsspezifischen Verhalten durch Komponenten mit speziellem Interface (plug-in)

vgl. Strategy Pattern, Observer Pattern

Nur das Interface muss verstanden werden

einfacher zu lernen, aber aufwendiger zu entwerfen

Flexibilität durch bereitgestellte Hot Spots festgelegt, häufig Design Patterns

Status nur bekannt wenn durch Interface verfügbar

Insgesamt besser wiederverwendbar (?)

29

Taschenrechner public class Application extends JFrame {

private JTextField textfield; private Plugin plugin; public Application(Plugin p) { this.plugin=p; p.setApplication(this); init(); } protected void init() { JPanel contentPane = new JPanel(new BorderLayout()); contentPane.setBorder(new BevelBorder(BevelBorder.LOWERED)); JButton button = new JButton(); if (plugin != null) button.setText(plugin.getButtonText()); else button.setText("ok"); contentPane.add(button, BorderLayout.EAST); textfield = new JTextField(""); if (plugin != null) textfield.setText(plugin.getInititalText()); textfield.setPreferredSize(new Dimension(200, 20)); contentPane.add(textfield, BorderLayout.WEST); if (plugin != null) button.addActionListener(/* … plugin.buttonClicked();… */); this.setContentPane(contentPane);

… } public String getInput() { return textfield.getText();}

}

public interface Plugin { String getApplicationTitle(); String getButtonText(); String getInititalText(); void buttonClicked() ; void setApplication(Application app); }

30

public class Application extends JFrame { private JTextField textfield; private Plugin plugin; public Application(Plugin p) { this.plugin=p; p.setApplication(this); init(); } protected void init() { JPanel contentPane = new JPanel(new BorderLayout()); contentPane.setBorder(new BevelBorder(BevelBorder.LOWERED)); JButton button = new JButton(); if (plugin != null) button.setText(plugin.getButtonText()); else button.setText("ok"); contentPane.add(button, BorderLayout.EAST); textfield = new JTextField(""); if (plugin != null) textfield.setText(plugin.getInititalText()); textfield.setPreferredSize(new Dimension(200, 20)); contentPane.add(textfield, BorderLayout.WEST); if (plugin != null) button.addActionListener(/* … plugin.buttonClicked();… */); this.setContentPane(contentPane);

… } public String getInput() { return textfield.getText();}

}

Taschenrechner

public class CalcPlugin implements Plugin { private Application application; public void setApplication(Application app) { this.application = app; } public String getButtonText() { return "calculate"; } public String getInititalText() { return "10 / 2 + 6"; } public void buttonClicked() { JOptionPane.showMessageDialog(null, "The result of " + application.getInput() + " is " + calculate(application.getText())); } public String getApplicationTitle() { return "My Great Calculator"; }

}

class CalcStarter { public static void main(String[] args) { new Application(new CalcPlugin()).setVisible(true); }}

31

public interface Plugin { String getApplicationTitle(); String getButtonText(); String getInititalText(); void buttonClicked() ; void setApplication(Application app); }

public class Application extends JFrame implements InputProvider { private JTextField textfield; private Plugin plugin; public Application(Plugin p) { this.plugin=p; p.setApplication(this); init(); } protected void init() { JPanel contentPane = new JPanel(new BorderLayout()); contentPane.setBorder(new BevelBorder(BevelBorder.LOWERED)); JButton button = new JButton(); if (plugin != null) button.setText(plugin.getButtonText()); else button.setText("ok"); contentPane.add(button, BorderLayout.EAST); textfield = new JTextField(""); if (plugin != null) textfield.setText(plugin.getInititalText()); textfield.setPreferredSize(new Dimension(200, 20)); contentPane.add(textfield, BorderLayout.WEST); if (plugin != null) button.addActionListener(/* … plugin.buttonClicked();… */); this.setContentPane(contentPane);

… } public String getInput() { return textfield.getText();}

}

Weitere Entkopplung möglich

public class CalcPlugin implements Plugin { private InputProvider application; public void setApplication(InputProvider app) { this.application = app; } public String getButtonText() { return "calculate"; } public String getInititalText() { return "10 / 2 + 6"; } public void buttonClicked() { JOptionPane.showMessageDialog(null, "The result of " + application.getInput() + " is " + calculate(application.getInput())); } public String getApplicationTitle() { return "My Great Calculator"; }

}

public interface Plugin { String getApplicationTitle(); String getButtonText(); String getInititalText(); void buttonClicked() ; void setApplication(InputProvider app); }

class CalcStarter { public static void main(String[] args) { new Application(new CalcPlugin()).setVisible(true); }}

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public interface InputProvider { String getInput(); }

Plug-ins laden

Typisch für viele Frameworks: Plug-in Loader …

… sucht in Verzeichnis nach DLL/Jar/XML Dateien

… testet ob Datei ein Plug-in implementiert

… prüft Abhängigkeiten

… initialisiert Plug-in

Häufig zusätzlich GUI für Plugin-Konfiguration

Beispiele:

Eclipse (plugin-Verzeichnis + Jar)

Miranda (plugins-Verzeichnis + DLL)

Alternativ: Plug-ins in Konfigurationsdatei festlegen oder Starter-Programm generieren

33

Beispiel Plugin Loader (benutzt Java Reflection)

34

public class Starter {

public static void main(String[] args) { if (args.length != 1) System.out.println("Plugin name not specified"); else { String pluginName = args[0]; try { Class<?> pluginClass = Class.forName(pluginName); new Application((Plugin) pluginClass.newInstance()) .setVisible(true); } catch (Exception e) { System.out.println("Cannot load plugin " + pluginName + ", reason: " + e); } } }

}

Mehrere Plug-ins

35

vgl. Observer Pattern

Mehrere Plug-ins laden und registrieren

Bei Ereignis alle Plug-ins informieren

Für unterschiedliche Aufgaben: spezifische Plug-in-Schnittstellen

public class Application { private List<Plugin> plugins; public Application(List<Plugin> plugins) {

this.plugins=plugins; for (Plugin plugin: plugins) plugin.setApplication(this);

} public Message processMsg (Message msg) {

for (Plugin plugin: plugins) msg = plugin.process(msg); ... return msg;

} }

Frameworks für Produktlinien

Feature-Auswahl

Feature-Modell

Framework + Plugins

Plug-in-Auswahl (und ggf. Startkonfiguration

generieren)

Anwendung = Framework mit

passenden Plugins

Feature-Auswahl als Eingabe

Mapping von Features zu Plug-ins

Do

main

En

g.

Ap

pli

cati

on

En

g.

36

Frameworks für Produktlinien – Bewertung

Vollautomatisierung möglich

Modularität

Praxiserprobt

Erstellungsaufwand und Laufzeit-Overhead für Framework/Architektur

Framework-Design erfordert Erfahrung

Schwierige Wartung, Evolution

Preplanning Problem

Grobe Granularität oder riesige Interfaces

Plug-in für Transaktionsverwaltung oder gewichtete Kanten?

Problem der Querschneidenden Belange

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Zusammenfassung

Modularisierung von Features mit Komponenten und Frameworks

Laufzeitoverhead, grobe Granularität

Grenzen bei querschneidenen Belangen und feiner Granularität

Modularität erfordert Planung

Nicht für alle Produktlinien geeignet (z.B. Graph-Bibliothek, eingebettete Datenbanken)

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Ausblick

Neue Programmierkonzepte

Analyse Objekt-Orientierung und deren Grenzen

Feature-Orientierung

Aspekt-Orientierung

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Literatur S. Apel, D. Batory, C. Kästner, and G. Saake. Feature-Oriented

Software Product Lines - Concepts and Implementation. Springer, 2013. Section 4.3: Frameworks Section 4.4: Components and Services

C. Szyperski: Component Software: Beyond Object-Oriented Programming. Addison-Wesley, 1998 [Standardwerk Komponentenorientierte Softwareentwicklung]

R. Johnson and B. Foote, Desiging reusable classes, Journal of Object-Oriented Programming, 1(2):22-35, 1988 [OOP Wiederverwendung, insb. Frameworks]

L. Bass, P. Clements, R. Kazman, Software Architecture in Practice, Addison-Wesley, 2003 [Architekturgetriebene Produktlinien, typischerweise Frameworks]

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