Đề tài Nghiên cứu thiết kế theo hợp đồng và xây dựng công cụ hỗ trợ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thế Nam NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THEO HỢP ĐỒNG VÀ XÂY DỰNG CÔNG CỤ HỖ TRỢ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công Nghệ Thông Tin HÀ NỘI - 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thế Nam NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THEO HỢP ĐỒNG VÀ XÂY DỰNG CÔNG CỤ HỖ TRỢ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Chuyên ngành: Công Nghệ Phần Mềm Cán bộ hướng dẫn: TS. Trương Ninh Thuận HÀ NỘI - 2010 LỜI CẢM ƠN Sinh viên thực hiện khoá luận tốt nghiệp đề tài “Nghiên cứu thiết kế theo hợp đồng và xây dựng công cụ hỗ trợ” xin được bày tỏ lòng chân thành biết ơn tới các thầy cô giáo Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội nói chung và thầy cô Bộ môn Công nghệ Phần mềm nói riêng. Trong suốt bốn năm qua thầy cô không những tận tình truyền đạt kiến thức mà còn luôn động viên chúng tôi trong học tập cũng như trong cuộc sống. Đặc biệt, chúng tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, thầy Trương Ninh Thuận, đã tận tình chỉ bảo, tạo mọi điều kiện cơ sở vật chất cũng như tinh thần cho chúng tôi hoàn thành khóa luận và sửa chữa những sai sót trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Chúng tôi cũng xin cảm ơn tới các bạn sinh viên K51 đã cho chúng tôi những ý kiến đóng góp có giá trị khi thực hiện đề tài này. Đề tài “Nghiên cứu thiết kế theo hợp đồng và xây dựng công cụ hỗ trợ” được hoàn thành trong thời gian hạn hẹp nên không tránh khỏi những khiếm khuyết. Chúng tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ thầy cô giáo và các bạn để có thể tiếp tục hoàn thiện hệ thống này hơn. Hà nội ngày 24 tháng 4 năm 2010 Sinh viên Nguyễn Thế Nam TÓM TẮT NỘI DUNG Khóa luận tìm hiểu về công nghệ thiết kế theo hợp đồng (Design by Contract) [3] và trình bày những khái niệm cơ bản. Đây là công nghệ giúp cho chúng ta xây dựng đặc tả giữa các lớp trong một thành phần và xem xét sự kết hợp giữa chúng với nhau. Mở rộng hơn nữa là đặc tả các thành phần trong một phần mềm và các thành phần phải thỏa mãn những điều kiện nào đó mới có thể liên kết với nhau để tạo thành phần mềm có tính tin cậy, tính đúng đắn cao. Bên cạnh đó khóa luận còn đưa ra một số khái niệm và cơ chế cho tính đúng đắn của phần mềm. Các cấu trúc đơn giản thường có tính tin cậy hơn những phần mềm có cấu trúc phức tạp. Nhưng điểm yếu của nó lại không thể phục vụ được nhu cầu ngày càng tăng lên của người phát triển và người sử dụng. Vì thế, một số cơ chế như cố gắng giữ cho cấu trúc của phần mềm càng đơn giản càng tốt. Viết văn bản mô tả phần mềm để người phát triển sau này có thể đọc lại hoặc viết lại. Quản lý bộ nhớ, hay còn được gọi là “kỹ thuật thu gom rác” cũng làm cho phần mềm tối ưu hơn bình thường. Hoặc là việc sử dụng lại những công cụ có sẵn của những phần mềm đáng tin cậy trước đó cũng là một giải pháp thường được các nhà phát triển ứng dụng. Chi tiết hơn nữa là phát triển tất cả các giai đoạn: phân tích, thiết kế, lập trình, kiểm thử, bảo trì trong một dự án phần mềm. Tiếp theo, khóa luận còn đưa ra các mô hình dựa trên CORBA. Khái niệm về kỹ nghệ phần mềm hướng thành phần. Một phần mềm được tạo ra là do sự ghép nối các thành phần độc lập lại với nhau. Các thành phần này sẽ không cần phải biên dịch lại hoặc không cần phải chỉnh sửa lại khi thêm mới một thành phần khác hay là chỉnh sửa một thành phần có sẵn. Mô hình thành phần CORBA là mô hình chính mà chúng tôi nghiên cứu và ứng dụng nó trong việc xây dựng công cụ hỗ trợ. Ngoài ra khóa luận còn đi vào xây dựng công cụ đặc tả và kiếm chứng hỗ trợ người dùng kiểm tra sự phù hợp của các thành phần khi kết nối với nhau một cách trực quan. Công cụ có áp dụng những công nghệ mới hiện nay như mô hình Model – View – Controller (M-V-C) [6] hoặc sử dụng thư viện layer trong lập trình java game, dễ dàng cho việc lập trình công cụ. MỤC LỤC Mở đầu .......................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. Tính đúng đắn, tính tin cậy của phần mềm .......................................3 1.1. Một số cơ chế mang lại tính đúng đắn.............................................................3 1.2. Biểu diễn một đặc tả .......................................................................................4 1.2.1. Những công thức của tính đúng đắn......................................................4 1.2.2. Những điều kiện yếu, mạnh ..................................................................5 1.3. Giao ước cho tính tin cậy của phần mềm ........................................................7 1.3.1. Quyền lợi..............................................................................................8 1.3.2. Nghĩa vụ ...............................................................................................8 CHƯƠNG 2. Giới thiệu về Design by Contract .......................................................9 2.1. Giới thiệu .......................................................................................................9 2.2. Khái niệm về hợp đồng.................................................................................10 2.3. Tiền điều kiện, hậu điều kiện và tính bất biến ...............................................11 2.3.1. Tiền điều kiện và hậu điều kiện...........................................................11 2.3.2. Tính bất biến.......................................................................................12 2.4. Design By Contract trong Eiffel....................................................................12 2.4.1. Biểu diễn Design by Contract trong Eiffel ..........................................13 2.4.2. Ví dụ minh họa ...................................................................................14 CHƯƠNG 3. Mô hình thành phần CORBA...........................................................16 3.1. Khái niệm cơ bản về công nghệ phần mềm hướng thành phần ......................16 3.1.1. Giới thiệu............................................................................................16 3.1.2. Thành phần .........................................................................................17 3.1.3. Đối tượng và thành phần.....................................................................17 3.1.4. Giao diện ............................................................................................18 3.1.5. Hợp đồng ............................................................................................19 3.1.6. Khuôn mẫu .........................................................................................21 3.1.7. Frameworks ........................................................................................21 3.1.8. Frameworks và thành phần .................................................................22 3.2. Khái niệm CORBA.......................................................................................22 3.2.1. Giới thiệu............................................................................................22 3.2.2. Ngôn ngữ đặc tả giao tiếp IDL ............................................................23 3.3. Mô hình thành phần CORBA........................................................................25 3.3.1. Giao diện và sự nối ghép.....................................................................25 3.3.2. Đặc tả CCM bằng ngôn ngữ IDL ........................................................27 3.3.2.1. Thành phần .....................................................................................27 3.3.2.2. Facets..............................................................................................27 3.3.2.3. Receptacles .....................................................................................28 3.3.2.4. Event Sources..................................................................................28 3.3.2.5. Event Sinks .....................................................................................30 3.3.3. Điều kiện kết nối.................................................................................30 CHƯƠNG 4. Xây dựng công cụ đặc tả và kiểm chứng thành phần ......................31 4.1. Mô tả công cụ ...............................................................................................31 4.2. Ngôn ngữ phát triển công cụ .........................................................................31 4.3. Phân tích công cụ đặc tả và kiểm chứng thành phần......................................31 4.3.1. Mô tả công cụ .....................................................................................31 4.3.2. Mô hình hoạt động..............................................................................32 4.3.3. Thiết kế các lớp và đối tượng..............................................................32 4.3.3.1. Sơ đồ tương tác giữa các đối tượng .................................................33 4.3.3.2. Mô tả chi tiết các lớp đối tượng.......................................................35 4.4. Triển khai .....................................................................................................37 4.5. Thử nghiệm ..................................................................................................37 4.5.1. Bài toán ..............................................................................................37 4.5.2. Giao diện khởi động chương trình.......................................................40 4.5.3. Giao diện khi làm việc với các thành phần ..........................................41 4.5.4. Giao diện làm việc với các cổng .........................................................42 4.5.5. Giao diện sau khi kiểm chứng kết nối giữa các thành phần .................45 Kết luận ....................................................................................................................47 Hướng phát triển .....................................................................................................48 Tài liệu tham khảo ...................................................................................................49 Phụ lục......................................................................................................................50 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Giao diện thành phần CORBA và các cổng ...................................................26 Hình 2: Mô hình MVC...............................................................................................32 Hình 3: Sơ đồ lớp thể hiện mối liên hệ giữa các đối tượng trong ứng dụng ................34 Hình 4: Sơ đồ lớp thể hiện mối quan hệ kế thừa của các cổng....................................34 Hình 5: Lớp Component ............................................................................................35 Hình 6: Lớp port ........................................................................................................35 Hình 7: Lớp canvaspanel ...........................................................................................36 Hình 8: Lớp Contract .................................................................................................37 Hình 9: Kiến trúc CCM của hệ thống Stock Quoter. ..................................................38 Hình 10: Giao diện thành phần CORBA và các cổng. ................................................38 Hình 11: Giao diện khởi động ứng dụng ....................................................................40 Hình 12: Giao diện điền thông tin khi thêm mới 1 thành phần ...................................41 Hình 13: Giao diện kết quả sau khi thêm một thành phần thành công ........................42 Hình 14: Giao diện điền thông tin khi thêm một cổng mới .........................................43 Hình 15: Giao diện kết quả khi thêm mới cổng thành công ........................................44 Hình 16: Giao diện khi kết nối thành công các cổng ..................................................45 Hình 17: Giao diện khi kết nối không thành công các cổng........................................46 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Hợp đồng giữa một hãng hàng không và khành hàng....................................10 Bảng 2: Hợp đồng chèn một từ vào từ điển ................................................................11 Bảng 3: Bảng ánh xạ từ IDL sang java .......................................................................24 Bảng 4: Các lớp đối tượng trong ứng dụng ................................................................33 Bảng 5: Chi tiết lớp component .................................................................................35 Bảng 6: Chi tiết lớp port ............................................................................................36 Bảng 7: Chi tiết lớp canvaspanel ................................................................................36 Bảng 8: Chi tiết lớp Contract .....................................................................................37 DANH MỤC CÔNG THỨC Công thức 1: Công thức tính đúng đắn.........................................................................4 Công thức 2: Tiền điều kiện mạnh, hậu điều kiện không cần phải quan tâm.................5 Công thức 3: Hậu điều kiện mạnh, tiền điều kiện không cần phải quan tâm. ................6 Công thức 4: Điều kiện bất biến trong công thức tính đúng đắn .................................12 BẢNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Viết đầy đủ Giải nghĩa DbC Design by Contract Thiết kế theo hợp đồng CBSE Component-Based Software Engineering Kĩ nghệ phần mềm hướng thành phần CBD Component-Based Development Phát triển hướng thành phần CORBA Common Object Request Broker Architecture Kiến trúc môi giới gọi các đối tượng phân tán CCM CORBA component Model Mô hình thành phần CORBA API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng 1 Mở đầu Trong phát triển phần mềm, thay đổi yêu cầu là một tất yếu diễn ra hết sức thường xuyên mà những nhà phát triển phải chấp nhận và cố gắng điều chỉnh nó. Phần mềm này ra đời thay thế phần mềm khác là một điều vô cùng bình thường, dễ hiểu. Tại sao lại như thế? Bởi vì người sử dụng luôn mong muốn có được một phần mềm hữu ích hơn, tiện lợi hơn và hoạt động tốt hơn. Tuy nhiên, dù phần mềm có thể đáp ứng những nhu cầu của người sử dụng trong thời gian hiện tại thì cũng không thể đảm bảo nó sẽ luôn được ưa chuộng. Để có thể tồn tại lâu dài, phần mềm phải thật sự chất lượng. Điều này đồng nghĩa với việc nó phải không ngừng được cập nhật. Mà như chúng ta đã biết, phần mềm càng đúng đắn, đáng tin cậy và rõ ràng bao nhiêu thì công việc nâng cấp và phát triển nó càng dễ dàng bấy nhiêu. Do đó, có thể nói, một trong những tiêu chí của ngành công nghệ phần mềm mà bất kỳ thời đại nào, bất kỳ sản phẩm phần mềm nào cũng đều hướng đến là tính đáng tin cậy và đúng đắn. Xuất phát từ nhu cầu ấy, công nghệ thiết kế theo hợp đồng (Design By Contract) đã ra đời nhằm giúp cho việc đảm bảo cho tính đáng tin cậy của phần mềm. Đó cũng chính là lý do mà chúng tôi đã chọn đề tài này. Với mục đích tìm hiểu công nghệ thiết kế theo hợp đồng một cách khá kỹ lưỡng, chúng tôi đã tiếp cận nó bằng các tài liệu lý thuyết cũng như qua các công cụ có khả năng hỗ trợ Design By Contract cho các ngôn ngữ lập trình hiện đại. Không dừng ở đó, chúng tôi còn xây dựng một công cụ về đặc tả và kiểm chứng cho các thành phần trong ngôn ngữ Java. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: ý tưởng chính của thiết kế theo hợp đồng là lập một “hợp đồng” giữa các đối tượng cung cấp (supplier) và những khách hàng (client) của nó, tức là những lớp đối tượng khác gọi đến các phương thức của lớp này. Những client này phải bảo đảm một số điều kiện nhất định khi gọi một phương thức của một supplier gọi là tiền điều kiện (precondition); đáp lại, sau khi thực thi thủ tục, supplier phải đáp ứng một số điều kiện tương ứng gọi là hậu điều kiện (postcondition). Những điều kiện của hợp đồng sẽ được kiểm tra bởi trình biên dịch, và bất cứ sự vi phạm nào của phần mềm cũng sẽ được phát hiện. Mở rộng hơn là nghiên cứu thành phần phần mềm. Nó là một trong những nghiên cứu quan trọng trong kỹ nghệ phần mềm hướng thành phần, thể hiện bước đầu tiên hướng tới việc tái sử dụng thành phần, đặc tả thành phần mang lại những thông tin cần thiết để người sử dụng có thể hiểu được vì sao và như thế nào mà thành phần có thể sử dụng được hoặc tái sử dụng. Từ đó nghiên cứu mối quan hệ giữa các thành phần trong một phần mềm và điều kiện để 2 các thành phần đó có thể liên kết được với nhau. Song song với việc nghiên cứu công nghệ thiết kế theo hợp đồng, chúng tôi cũng đã nghiên cứu sâu hơn về ngôn ngữ java, mô hình thiết kế Model – View – Controller (M-V-C) và xây dựng công cụ đặc tả, kiếm chứng giúp cho việc làm sáng rõ thêm công nghệ mà chúng tôi đã nghiên cứu. 3 CHƯƠNG 1. Tính đúng đắn, tính tin cậy của phần mềm 1.1. Một số cơ chế mang lại tính đúng đắn Trước hết, phải nói rằng kỹ thuật định nghĩa thuộc tính của một đối tượng gần như là có liên quan với cấu trúc của những hệ thống phần mềm. Những kiến trúc đơn giản, riêng biệt và có khả năng mở rộng sẽ giúp chúng ta đảm bảo tính đáng tin cậy của phần mềm dễ dàng hơn so với những cấu trúc phức tạp. Đặc biệt, cố gắng giới hạn sự liên quan giữa các môđun với nhau đến mức tối thiểu nhất sẽ là tiêu điểm cho việc thảo luận về tính riêng biệt. Điều này giúp ngăn chặn những rủi ro thông thường của tính đáng tin cậy, ví dụ như những biến toàn cục và việc định nghĩa những cơ chế liên lạc bị giới hạn, client và những mối quan hệ kế thừa. Nói đến chất lượng phần mềm thì không thể bỏ qua tính đáng tin cậy. Chúng ta cố gắng giữ cho những cấu trúc càng đơn giản càng tốt. Tuy rằng điều này vẫn chưa đủ đảm bảo cho tính đáng tin cậy của phần mềm, nhưng dù sao, nó cũng là một điều kiện cần thiết. Một cơ chế khác nữa là làm cho phần mềm của chúng ta tối ưu và dễ đọc. Văn bản mô tả phần mềm không những được viết một lần mà nó còn phải được đọc đi đọc lại và viết đi viết lại nhiều lần. Sự trong sáng và tính đơn giản của các câu chú thích là những yêu cầu cơ bản để nâng cao tính đáng tin cậy của phần mềm. Thêm vào đó, một cơ chế cũng rất cần thiết là việc quản lý bộ nhớ một cách tự động, đặc biệt là kỹ thuật thu gom rác (garbage collection). Đây là cơ chế được sử dụng phổ biến trong việc viết ứng dụng hiện nay. Các ứng dụng một cách tự động có thể thu hồi hoặc xóa đi các mảnh vụn bộ nhớ không còn được sử dụng nữa. Bất kỳ hệ thống nào có khởi tạo và thao tác với cấu trúc dữ liệu động mà lại thực hiện thu hồi bộ nhớ bằng tay (tức là do người lập trình điều khiển) hoặc bộ nhớ không hề được thu hồi thì thật là nguy hiểm. Ngoài ra, việc sử dụng lại những công cụ của những phần mềm đáng tin cậy trước đó cũng tăng thêm tính tin cậy cho phần mềm của chúng ta hơn là khi ta xây dựng một hệ thống mới hoàn toàn. Tóm lại, tất cả những cơ chế này cung cấp một nền tảng cần thiết để ta có cái nhìn gần hơn về một hệ thống phần mềm đúng đắn và bền vững. 4 1.2. Biểu diễn một đặc tả 1.2.1. Những công thức của tính đúng đắn Giả sử A thực hiện một vài thao tác (ví dụ A là một câu lệnh hay thân của một thủ tục). Một công thức của tính đúng đắn là một cách biểu diễn theo dạng sau: {P} A {Q} Công thức 1: Công thức tính đúng đắn Ý nghĩa của công thức tính đúng đắn {P} A {Q} Bất kỳ thi hành nào của A, bắt đầu ở trạng thái P thì sẽ kết thúc với trạng thái Q Những công thức của tính đúng đắn (còn được gọi là bộ ba Hoare [7]) là một ký hiệu toán học, không phải là một khái niệm lập trình; chúng không phải là một trong số những ngôn ngữ phần mềm mà chỉ được thiết kế nhằm giúp cho việc thể hiện những thuộc tính của các thành phần