Xây dựng mô hình chuyển đổi ngôn ngữ đặc tả sang ngôn ngữ thực thi

MẪU 14KHCN BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO KHOA HỌC TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI KHCN CẤP TRƯỜNG Tên đề tài Xây dựng mô hình chuyển đổi ngôn ngữ đặc tả sang ngôn ngữ thực thi Mã số đề tài IUH KTT1016 Chủ nhiệm đề tài Tôn Long Phước Đơn vị thực hiện Khoa CNTT TP Hồ Chí Minh, 2017 TP Hồ Chí Minh, Trang 1 PHẦN I THÔNG TIN CHUNG 1 1 Tên đề tài Xây dựng mô hình chuyển đổi ngôn ngữ đặc tả sang ngôn ngữ thực thi 1 2 Mã số IUH KTT1016 1 3 Danh sách chủ trì, thàn.

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO KHOA HỌC TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI KH&CN

CẤP TRƯỜNG

sang ngôn ngữ thực thi

Mã số đề tài: IUH.KTT10/16

Chủ nhiệm đề tài: Tôn Long Phước

Đơn vị thực hiện: Khoa CNTT

TP Hồ Chí Minh, 2017

PHẦN I THÔNG TIN CHUNG

1.1 Tên đề tài: Xây dựng mô hình chuyển đổi ngôn ngữ đặc tả sang ngôn ngữ thực thi.

1.2 Mã số: IUH.KTT10/16

1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

TT Họ và tên

(học hàm, học vị) Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài

1.4 Đơn vị chủ trì: Khoa CNTT

1.5 Thời gian thực hiện:

1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 04 năm 2016 đến tháng 04 năm 2017

1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng… năm…

1.5.3 Thực hiện thực tế: từ tháng 04 năm 2016 đến tháng 12 năm 2017

1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):

(Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứu và tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý

kiến của Cơ quan quản lý)

1.7 Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 18 triệu đồng

PHẦN II KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Mục tiêu:

a Mục tiêu tổng quát

Hiện nay phương pháp luận DSL trong lĩnh vực hẹp là thiết bị di động chưa có một chuẩn chung thống nhất về cách phân loại mô hình, quy trình phát triển, ngôn ngữ đặc tả Ngoài ra các công cụ vẫn chưa được áp dụng nhiều, đặc biệt là công cụ hỗ trợ phát triển ứng dụng một cách tự động cụ vẫn chưa được áp dụng nhiều Đặc biệt đó là công cụ hỗ trợ phát triển ứng dụng một cách tự động còn nhiều hạn chế

b Mục tiêu cụ thể

Phương pháp tiếp cận của chúng tôi là sẽ khảo sát một số các công trình nổi bật trong lĩnh vực DSL trên thiết bị di động và khả năng vận dụng các công trình này để phát triển DSL game trên thiết bị di động Bên cạnh đó sẽ xây dựng một quy trình tiếp cận cải tiến của một DSL thông dụng giúp cho việc thưc thi một ứng dụng sẽ thật sự hiệu quả hơn [Hình 2.1] Chúng tôi sẽ kiểm nghiệm thực tế các phương pháp luận trong khoa học và các kỹ thuật trong công nghiệp hiện hành Dựa vào đó, chúng tôi sẽ phát triển và hoàn thiện thông qua hệ thống hỗ trợ phát triển ứng dụng cho điện thoại di động theo hướng tiếp cận DSL Hệ thống này sẽ áp dụng cho các doanh nghiệp như: Anttek1 Đây cũng là những tổ chức sẽ cùng với chúng tôi kiểm định tính hợp lí và hiệu quả của công cụ này [Hình 2.2] Kết quả cũng được kỳ vọng khả quan hơn khi nhóm đưa ra các lĩnh vực ứng dụng mang tính thực tiễn, đặc biệt là việc thiết kế các ngôn ngữ đặc tả thân thiện với người dùng, tính chặt chẽ trong các ràng buộc của mô hình từ đó ứng dụng tạo ra từ DSL có tính thực thi cao

Trong qui trình này tác giả đã đưa ra các bước để chuyển đổi nội dung từ một kịch bản được tạo ra của DSL (DSL Script) thông qua bộ cú pháp chuyển đổi thành các mô hình (model)

Từ đó, với các mô hình ngữ nghĩa kết hợp với các tùy chọn khác (optional) để phát sinh thành

mã máy (code) cho ngôn ngữ thực thi

Hình 1.2 Qui trình hoạt động của một DSL theo hướng đề xuất

2 Phương pháp nghiên cứu :

Đề tài này được thực hiện qua việc áp dụng nhiều hướng tiếp cận và kỹ thuật khác nhau

để xây dựng một DSL Trong phần này chúng tôi xin trình bày các kỹ thuật đó

a Tiếp cận hướng mô hình MDD & MDA

Từ năm 2000 cho đến nay, hướng tiếp cận xem việc xây dựng chương trình là hoạt động chuyển đổi từ mô hình này sang mô hình khác gọi tắt là MDD (Model-Driven Development) được nghiên cứu và phát triển [5] Ở hướng tiếp cận hướng đối tượng thì tất cả đều quy về đối tượng Trái lại, ở hướng tiếp cận MDD thì tất cả đều quy về mô hình Trước hết vì trong MDD tất cả đều dựa trên mô hình nên trong phần này chúng tôi sẽ trình bày các nội dung, các khái niệm cơ bản về mô hình Tiếp đến sẽ trình bày tư tưởng chính của hướng tiếp cập MDD để có thể thấy được cách tiếp cận MDD có thể áp dụng vào bài toán xây dựng DSL mà mình quan tâm Ngoài ra MDD hiện là hướng tiếp cận còn mới, vẫn còn nghiên cứu và phát triển [6] nên chúng tôi sẽ trình bày về các chuẩn hướng tiếp cận MDD và nội dung hướng tiếp cận kiến trúc MDA (Model-Driven Architecture) mà đề tài quan tâm Hiện nay có nhiều tổ chức tham gia nghiên cứu

và tham vọng thành lập một chuẩn riêng, ví dụ như: Kiến trúc hướng mô hình (MDA) của tổ chức OMG [7, 8], MIC – Model Intergrated Computing của nhóm ISIS đại học Vanderbilt [9],

SF – Software Factories của công ty Microsoft2, và một số chuẩn khác

Trong các chuẩn kể trên, MDA của OMG được công bố rộng rãi, được quan tâm nghiên cứu nhiều Hơn nữa còn được ứng dụng để tạo ra nhiều công cụ hỗ trợ trong quá trình làm phần mềm Ví dụ các công cụ hỗ trợ vẽ mô hình, hỗ trợ chuyển đổi mô hình, hỗ trợ phát sinh mã nguồn được phát triển mạnh trên môi trường Eclipse

Theo tài liệu MDA3 (Model-Driven Architecture), MDA do tổ chức OMG đề xuất năm

2000, hướng tiếp cận MDA định hướng các công cụ hỗ trợ phải có các khả năng: i) Xác định phần độc lập giữa hệ thống và nền tảng (platform); ii) Xác định phần phụ thuộc nền tảng

 Chọn một nền tảng chuyên biệt mà hệ thống phụ thuộc

 Chuyển đổi hệ thống từ đặc tả nền tảng này sang đặc tả ở nền tảng khác

Ngoài ra, các dữ liệu do công cụ hỗ trợ tạo ra phải có cả ba tính chất sau: tính khả chuyển – portability, tương vận – interoperability, tái sử dụng – reusability Để đạt mục tiêu khả chuyển, MDA đề ra kiến trúc Metadata MOF (Meta Object Facility) Để đạt các mục tiêu còn lại MDA phân chia các mức nhìn phụ thuộc trong một hệ thống Để có thể phát triển được công cụ hỗ trợ phát triển hệ thống đạt mục tiêu khả chuyển, MDA định hướng phát triển hệ thống theo kiến trúc Metadata MOF Trong đó, M0 hệ thống cần xây dựng Hệ thống này được mô tả bởi các model ở M1 Mức cao hơn là M2 chứa các meta-model quy định cú pháp (syntax) và ngữ nghĩa (symantic) của các model ở mức M1 Mức trên cùng M3 là meta-metamodel định nghĩa các mô hình của meta-model dựa trên đặc tả MOF

b Xử lý ngữ nghĩa đặc tả

Trong việc xây dựng một công cụ DSL như GmDSL, việc xử lý ngữ nghĩa trở nên cần thiết nhất là khi mô hình khái niệm được tăng cường ngữ nghĩa bởi các đặc tả viết bằng ngôn ngữ chính quy Có nhiều cách xây dựng ngôn ngữ chính quy dùng để đặc tả ngôn ngữ đó như:

i Dựa vào một ontology chuyên biệt [10,11] (liên quan đến xây dựng ontology)

ii Định nghĩa một văn phạm cô động để người phát triển phần mềm khai báo ngữ nghĩa

(văn phạm có thể ở dạng BNF)

iii Dùng những ngôn ng ữ miêu tả các ràng buộc hướng đối tượng như OCL4(Object

Constraint Language), Alloy [12]… để định nghĩa cho ngôn ngữ

Trong đề tài này, chúng tôi sẽ nghiên cứu ba phương án trên và chọn một hướng để tiếp cận

và xây dựng sao cho: Tăng cường ngữ nghĩa cho siêu mô hình, giúp cho việc chuyển đổi từ mô hình sang ngôn ngữ thực thi dễ dàng và hiệu quả Bên cạnh đó, công cụ cũng xây dựng và định nghĩa ngôn ngữ đặc tả cho người xây dựng ứng dụng miêu tả ngữ nghĩa như trên Đây cũng là ngôn ngữ giúp cho việc đặc tả các thành phần cấu trúc cũng như nội dung của ứng dụng trở nên gần gũi với người xây dựng phần mềm Ngôn ngữ đặc tả này cũng mang đầy đủ các tính chất

3 Joaquin Miller and Jishnu Mukerji (2001, July) Model Driven Architecture (MDA) [Online] http://www.omg.org

4 http://www.omg.org/spec/OCL/

chung của một ngôn ngữ đặc tả như: cung cấp những khái niệm trừu tượng hóa phần mềm một cách ngắn gọn và trực tiếp hơn so với ngôn ngữ lập trình Ngôn ngữ cũng mô tả các hành vi theo kiểu khai báo và sử dụng các ràng buộc để hỗ trợ cho việc xử lý các ngữ nghĩa của chương trình Ngữ nghĩa về toán học đơn giản, đồng nhất, phân tích ngữ nghĩa một cách hoàn chỉnh và hiệu quả Ngoài ra, ngôn ngữ đặc tả cũng ánh xạ đặc tả ngữ nghĩa sang các luật và các cấu trúc gần với mã thực thi của chương trình [13] Những luật này góp phần cho tính chặt chẽ và đúng đắn của các xử lý trong một ứng dụng

c Ngôn ngữ đặc tả Alloy

Alloy là ngôn ngữ cho phép đặc tả yêu cầu và mô hình hóa các hệ thống phần mềm ở mức độ trừu tượng cao Ngôn ngữ này được phát triển bởi một nhóm nghiên cứu về trừu tượng hóa phần mềm của MIT Ngôn ngữ Alloy đi kèm với một số thư viện API và đặc biệt là công cụ Alloy Analyzer cho phép thử nghiệm mô hình, tạo mô hình mẫu hay tìm kiếm mâu thuẫn tiềm tàng về mặt ngữ nghĩa trong thiết kế hoặc đặc tả Alloy được tạo cảm hứng từ ngôn ngữ Z[14] và ảnh hưởng nhiều bởi phương pháp mô hình hóa đối tượng bằng ký hiệu như OMT và Syntropy Alloy Analyzer được xây dựng dựa trên công nghệ SAT (Boolean Satisfiability [15]) Nhờ có sự tiến bộ không ngừng của công nghệ này mà Alloy Analyzer có khả năng phân tích được các mô hình cấu trúc phức tạp với tốc độ ngày càng nhanh Đây cũng là lần đầu tiên SAT được ứng dụng vào việc kiểm thử mô hình trong phát triển mô hình phần mềm Với Alloy, những người thiết kế phần mềm có thể kiểm chứng sự đúng đắn của mô hình ngay từ ban đầu của quá trình phát triển phần mềm

d Mô hình kiến trúc đề xuất

Với các cách tiếp cận trên, chúng tôi xin đề nghị kiến trúc cho việc xây dựng GmDSL như sau: Kết hợp mô hình với các ngôn ngữ đặc tả ngữ nghĩa thông qua công cụ phân tích ngữ pháp.Trong đó chúng tôi xin đề nghị phân rã phần nội dung bản thảo của DSL (DSL Script) thành hai thành phần là phần mô tả các nội dung của ưng dụng và các luật (rules) thông qua các khai báo là fact Đồng thời tổ chức lại cấu trúc của phần mã chương trình (code) sau khi được tạo

ra, thành mẫu kiến trúc MVC (Model-View-Controller) [16]

Hình 2.1 Kiến trúc của phần mềm sau khi phát sinh

4 Tổng kết về kết quả nghiên cứu:

Trong phần này, chúng tôi cũng xin trình bày các kết quả của đề tài thông qua các bài báo

và công cụ mà chúng tôi đã đạt được Những kết quả này cũng đã được trình bày một phần trong bài báo báo: “Kiểm chứng dựa vào mô hình cho đặc tả ứng dụng trong giai đoạn đầu bằng ngôn ngữ Alloy” được đăng trên tạp chí Khoa học và Công nghệ số 54 (3A) năm 2016

Chúng tôi đã trình bày các kết quả về việc kiểm chứng sự đúng đắn cũng như những ưu điểm của việc đặc tả ứng dụng trên ngôn ngữ Alloy (Hình 4.2, 4.3, 4.4)

Hình 4.1 Kết quả kiểm chứng trên SAT solver của công cụ Alloy Analyzer 4.2.

Hình 4.2 Kết quả kiểm chứng trên NuSMV.

Riêng công cụ phát sinh cho mà nguồn ứng dụng GmDSL-Editor (Hình 4.5) , chúng tôi

đã hoàn thiện công cụ này cho phép người dùng soạn thảo và thực hiện các chức năng phát sinh

mã nguồn cho các ứng dụng game (Hình 4.6)

Hình 4.4 Giao diện cho công cụ soạn thảo GmDSL

Hình 4.5 Mã nguồn phát sinh từ công cụ GmDSLDSL

5 Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận:

Với đề tài nghiên cứu trên, chúng tôi đã đưa ra một hướng tiếp cận nhằm phát sinh mã nguồn từ một ngôn ngữ đặc tả Alloy Đây là ngôn ngữ đặc tả ứng dụng ở mức khái quát cao gần gũi với người dùng Đồng thời, chúng tôi cũng đã xây dựng mô hình kiểm chứng được tính đúng đắn của nội dung đặc tả ban đầu của ứng dụng với các ràng buộc của chúng trong quá trình phát sinh mã thực thi

Đề tài đã hoàn thành được kết quả đã đưa ra từ đầu với kết quả: Một bài báo đăng trên hội nghị quốc tế và một công cụ ứng dụng cho phép soạn thảo Alloy Công cụ này cho phép người dùng phát sinh mã Java từ ngôn ngữ đặc tả Alloy trên

Tuy nhiên, bên cạnh các kết quả đạt được, đề tài cũng còn một số hạn chế cần hoàn thiện như sau:

 Tiếp tục phát triển bộ Engine nhằm mục đích mở rộng phạm vi của các ứng dụng (hiện chỉ hiện thực cho một số Casual game)

 Xây dựng cơ chế xử lý các luật (rule) cho đồng nhất với mã nguồn phát sinh như thông qua Kodkod API

 Hỗ trợ cơ chế cho phép phát sinh giao diện đồ họa cho các ứng dụng Hiện nay, giao diện phát sinh còn ở mức đơn giản

 Hỗ trợ chức năng cho phép kiểm chứng và phát sinh mã nguồn thực thi cho các lớp trong gói Control, hiện nay chỉ cho phép kiểm chứng thông qua công cụ SAT

Solver của Alloy Analyzer 4.2

6 Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)

Automation generated source code and verifying are essential sector for software engineering There are many ways to generate source code and verify from the specification languages In this paper, we propose an approach that automatically generated code from a specification language Alloy From this specification language, we will describe how to translate from one language to the Java source An application in this paper is a gardening game program Applied after the findings will be organized according to the MVC (Model-View-Controller) architectural pattern Besides, we will also verify the identity of the structure of the application and the content of the Alloy specification To do this, we have tested on an engine named GmDSLDSL The application was created from the tool also shows the correctness of the early constraints

Keywords: MVC, DSL, Alloy, Code Generation

Phát sinh mã nguồn tự động và kiểm chứng chúng là một vấn đề rất cần thiết trong công nghệ phần mềm Có nhiều cách để phát sinh mã nguồn cũng như kiểm chứng chúng dựa vào đặc

tả ứng dụng Trong bài báo này, chúng tôi sẽ giới thiệu một hướng tiếp cận phát sinh mã nguồn

tự động và kiểm chứng chúng bằng việc đặc tả ứng dụng với ngôn ngữ Alloy Từ ngôn ngữ đặc

tả này chúng tôi sẽ mô tả cách tiếp cận để phát sinh mã nguồn tự động và kiểm chứng chúng, mã nguồn phát sinh là mã nguồn ngôn ngữ Java Một ứng dụng được mô tả xuyên suốt trong bài báo này là một ứng dụng trò chơi làm vườn Mã nguồn phát sinh từ cách tiếp cận trên sẽ được tổ chức theo mẫu kiến trúc MVC (Model-View-Controller) Đồng thời chúng tôi cũng kiểm chứng các ràng buộc của các đặc tả ban đầu với mã nguồn phát sinh Để hỗ trợ cách tiếp cận này chúng tôi xây dựng một công cụ có tên là GmDSL Công cụ này sẽ cho phép người dùng đặc tả ứng dụng với các ràng buộc bằng ngôn ngữ Alloy Nó cũng cho phép kiểm chứng sự đúng đắn của chương trình ngay thời điểm ban đầu thông qua qua bộ SAT trong Alloy và NuSMV do chúng tôi tích hợp

Từ khóa: MVC, Ngôn ngữ chuyên biệt hóa, Alloy, Phát sinh mã

Phụ lục: Tài liệu tham khảo

[1] M Frigerio, J Buchli and DG Caldwell, "A Domain Specific Language for kinematic models and fast

implementations of robot dynamics algorithms." arXiv preprint arXiv:1301.7190 (2013).

[2] O Aksoy "Towards a Code Synchronization Mechanism Analysis and Design." The International Conference

on E-Technologies and Business on the Web (EBW2013) The Society of Digital Information and Wireless

Communication, 2013

[3] E Visser "WebDSL: A case study in domain-specific language engineering." Generative and Transformational

Techniques in Software Engineering II Springer Berlin Heidelberg, 2008 291-373.

[4] D Kramer, T Clark, S Oussena, MobDSL: A Domain Specific Language for multiple mobile platform

deployment, Networked Embedded Systems for Enterprise Applications (NESEA), 2010 IEEE International

Conference, E-ISBN 978-1-4244-9176-6 , pp.1,7, 25-26 , Suzhou, China , 2010

[5] Atkinson and T Kühne "Concepts for comparing modeling tool architectures." Model Driven Engineering

Languages and Systems Springer Berlin Heidelberg, 2005 398-413

[6] M Azoff "The Benefits of Model Driven Development, MDD in Modern Web-based Systems." White Paper,

Butler Direct Limited (2008)

[7] J Miller, J Mukerji "Model driven architecture (mda)." Object Management Group, Draft Specification

ormsc/2001-07-01 (2001).

[8] SJ Mellor, ed MDA distilled: principles of model-driven architecture Addison-Wesley Professional, ISBN

0-201-78891-8, 2004

[9] A Agrawal "Graph rewriting and transformation (GReAT): A solution for the model integrated computing

(MIC) bottleneck." Proceedings of 18th IEEE International Conference on Automated Software Engineering IEEE

Computer Society, pp 364-368, Montreal, Canada , October 2003

[10] G Guizzardi "On ontology, ontologies, conceptualizations, modeling languages, and (meta) models." Frontiers

in artificial intelligence and applications 155(18) 2007

[11] N Guarino, ed Formal ontology in information systems: Proceedings of the first international conference

(FOIS'98), June 6-8, Trento, Italy Vol 46 IOS press, 1998

[12] D Jackson - A Comparison of Object Modelling Notations: Alloy, UML and Z Technical report, MIT, August

(1999), 8-14

[13] L P Ton and T M Truong Linking Rules and Conceptual Model in a Domain Specic Language In

Proceedings of 9th International Conference on Advanced Computing and Applications (ACOMP), pages 35-42, Ho

Chi Minh City, Vietnam, 2015 IEEE Computer Society

[14] A Diller Z: An introduction to formal methods Chichester, West Sussex, England: Wiley & Sons, 1994 [15] E Clarke, A Biere, R Raimi, & Y Zhu Bounded model checking using satisfiability solving Formal methods

in system design, 19(1), 7-34, 2001

[16] JM Lucassen and SH Maes "MVC (model-view-controller) based multi-modal authoring tool and

development environment." U.S Patent No 6,996,800 7 Feb 2006