Szoftverparadigmák és metrikák

1. Szoftverparadigmák és metrikák Porkoláb Zoltán ELTE IK Programozási Nyelvek és Fordítóprogramok tszk. http://gsd.web.elte.hu

2. Az előadás vázlata • Paradigmák és metrikák • Új paradigmák • Hogyan és miért csalnak a metrikák? • Egy paradigma-független metrika Szoftvertechnológiai Fórum

3. Köszönet • ELTE Informatikai Kooperációs Kutatási és Oktatási Központ (IKKK) • dr. Balla Katalin • dr. Kovács Attila • Doktoranduszok • Pataki Norbert • Sipos Ádám • … és mások Szoftvertechnológiai Fórum

4. Szoftver metrikák • A fejlesztési folyamat mérése (process) • A termék mérése (product) • Külső mértékek • Megbízhatóság, funkcionalitás, teljesítmény, … • Belső mértékek • Méret • Stílus • Bonyolultság • … Szoftvertechnológiai Fórum

5. Paradigma • Absztrakció • Általános kiemelése • Specifikus elhagyása • Paradigma • Útmutató az absztrakciók létrehozásához • Szabályok és konvenciók • Eszközök • Folyamatos evolúció Szoftvertechnológiai Fórum

6. Assembly • Gépi kód automatikus generálása • Mesterséges redundancia • Fordítóprogram (1952, Mark I. Autocoder) • 1:1 leképezés gépi kódra • Gyengének bizonyult a kód és a programozó hordozhatósága szempontjából Szoftvertechnológiai Fórum

7. Méret metrikák • Forrásfájlok • Modulok • Alprogramok • Sorok (LOC, eLOC) • Utasítások • Szavak • Bájtok Szoftvertechnológiai Fórum

8. Automatikus programozás • Számítások automatikus elvégzése A = B + C * D • Gépfüggetlen magasszintű nyelv • Gépfüggő kód automatikus generálása • Hatékony fordítás (FORTRAN, 9:10) • Gyengének bizonyult a kód megbízhatósága és karbantarthatósága szempontjából Szoftvertechnológiai Fórum

9. Strukturális bonyolultság • Thomas J. McCabe 1976. • FORTRAN programok tesztelési költsége • Modularizáció támogatása • IBM javaslat: • Max 50 sor • 25 IF THEN utasítás 33.5 független végrehajtási ágat jelentene Szoftvertechnológiai Fórum

10. McCabe ciklomatikus szám • Független vezérlési utak száma • Vezérlési gráf G = (E,N) |E|=e |N|=n V(G) = e – n + 2k (k komponens esetén) • Erősen összefüggő gráfban a lineárisan független körök száma V(G) • Összefüggő gráfokra V(G) = p + 1, p a predikátumok száma Szoftvertechnológiai Fórum

11. Példa V(G) = e – n + 2k = 9 – 6 + 2 = p + 1 = 4 + 1 = 5 a b d c e f Szoftvertechnológiai Fórum

12. McCabe ajánlásai • Kódhossz helyett V(G) mérése • Legyen V(G) < 10 • Kivéve • esetszétválasztás • Megfigyelés: • jó programozók 3..7 között • Hibás kódok bonyolultsága gyakran 30..50 • Strukturált programozás, GOTO esetenként megengedhető (Knuth) Szoftvertechnológiai Fórum

13. Strukturált programozás • Szekvenciából, elágazásból és ciklusból felépülő (goto mentes) eljárások • Paraméterátadással és globális változókkal kommunikálnak egymással • Adekvát algoritmusok meghatározása • Magasszintű függvénykönyvtárak • Gyengének bizonyult az adatstruktúrák létrehozásában és kompozíciójában Szoftvertechnológiai Fórum

14. Információ-áramlás • Sallie Henry, Dennis Kafura 1981. • Információ útja: • A hívja B-t (paraméterátadással) • B visszatér értékkel, amit A felhasznál • B output változót használ • fan-in = belépő információ + érintett adat • fan-out = kilépő információ + érintett adat C = méret * (fan-in + fan-out)2 Szoftvertechnológiai Fórum

15. Halstead mérték • Maurice Halsted 1982. • Software–science metrics N1 operátorok összes száma N2 operandusok összes száma n1 egyedi operátorok száma n2 egyedi operandusok száma Szoftvertechnológiai Fórum

16. Halstead mérték 2. • Programszótár n = n1 + n2 • Programhossz N = N1 + N2 = n1 log2n1 + n2 log2n2 • Program tárhely mérete (volume) V = N log2n • Absztrakciós szint V* = LV = konstans L = V*/V • Szükséges erőfeszítés (effort) E = V/L = V2/V* Szoftvertechnológiai Fórum

17. Strukturált programok • Blokkszerkezet, beágyazási mélység • James W. Howatt, Albert L. Baker 1989. Predikátum csomópont hatóköre Utasítás predikáló halmaza ND(G) = a gráf beágyazási mélysége SN(G) = N + ND(G) Nem csak strukturált programokra definiált Szoftvertechnológiai Fórum

18. Moduláris programozás • Niklaus Wirth: Algoritmusok+Adatstruktúrák = Programok • Adatszerkezetek: Pascal • Modul, típus fogalom: Modula-2, Oberon • Adatelrejtés, interfész és implementáció szétválasztása • Gyengének bizonyult a kód újrafelhasználásának szempontjából Szoftvertechnológiai Fórum

19. 80-as évek eleje • Nagy team-ek, >106 kódsor • Nehézkes a kommunikáció az eljárások között • Adatszerkezetek és eljárások elszakadnak • Felülről lefelé építkezik, nehezen újrafelhasználható a kód • Megjelennek a „garázscégek” • Kis fejlesztőkapacitás • Azonnali produkciós kényszer • Kód újrafelhasználás, komponensek igénye • Alulról felfelé építkezés Szoftvertechnológiai Fórum

20. Objektum-orientált programozás • Osztályok = újrafelhasználható modulok • Öröklés • Polimorfizmus • Új nyelvek • Simula 67 • Smalltalk • C++ = Algol68 + Simula67 • Eiffel, Java, C#, … Szoftvertechnológiai Fórum

21. OO metrikák • Shyam R. Chidamber, Chris F. Kemerer • Metódusok súlyozott bonyolultsága • McCabe • Öröklési hierarchia mélysége • Nehezebb a viselkedés jóslása • Közvetlen leszármazottak száma • Rossz absztrakció • Válasz egy üzenetre • Nehezebb tesztelhetőség Szoftvertechnológiai Fórum

22. OO metrikák 2. • Osztályok közötti összefonódás • Rossz absztrakció • Sérülékeny szerkezet • Kohézió hiánya osztályon belül • Rossz absztrakció • eLOC • Smalltalk: 8 eLOC/func • C++ 24 eLOC/func Szoftvertechnológiai Fórum

23. Problémák • McCabe érték alacsonyabb, mint strukturált programok esetében • Függvény túlterhelés • Virtuális függvények • Set/get függvények torzítanak • Öröklési hierarchia • Absztrakt osztályok, interfészek • Konvenciók Szoftvertechnológiai Fórum

24. Problémák 2. • Operátor-túlterhelés torzít • Kivételkezelés torzít String EvaluateSalaryAndReturnName( Employee e ) { if( e.Title() == "CEO" || e.Salary() > 100000 ) { cout << e.First() << " " << e.Last() << " is overpaid" << endl; } return e.First() + " " + e.Last(); } 23 végrehajtási ág! Szoftvertechnológiai Fórum

25. Objektumelvű paradigma kritikája • Minden objektum? • Hatékonyság vs. „elvszerűség” • Pozitív és negatív változások • Kifejezés probléma • Egy osztályhierarchia nehezen bővíthető egyszerre új adatszerkezetekkel és új metódusokkal (Visitor pattern) Szoftvertechnológiai Fórum

26. Új paradigmák • Funkcionális programozás újraéledése • Aspektusorientált programozás • Generikus programozás • (Template) metaprogramozás • Szándékelvű programozás • Multiparadigma elvű rendszerek Az új paradigmák beépítik a korábbi paradigmák tapasztalatait és eszközeit Szoftvertechnológiai Fórum

27. Funkcionális programozás • LISP (1957) • Kompozicionalitás elve, függvénykiértékelés • Lambda kalkulus, gráfátíró rendszerek • Magasabbrendű függvények, típusok • Hivatkozási helyfüggetlenség • Optimalizáció, párhuzamos végrehajtás • Scheme, ML, sML, Miranda, OCaml, Haskell, Clean Szoftvertechnológiai Fórum

28. Funkcionális - Hogyan mérjük? • Nincsen utasítás • Nincsen vezérlőszerkezet • Rekurziós mélység – futási időben derül ki • Fastruktúra • Végtelen adattípusok • Lusta kiértékelés Szoftvertechnológiai Fórum

29. Aspektus-orientált programozás • Motiváció: rossz modularitás OOP-ban • Szétszórt kódrészletek nehéz karbantartása • Program = Osztályok+Aspektusok+Csatolási pontok • AspectJ Szoftvertechnológiai Fórum

30. Szoftvertechnológiai Fórum

31. Szoftvertechnológiai Fórum

32. Szoftvertechnológiai Fórum

33. Szoftvertechnológiai Fórum

34. Szoftvertechnológiai Fórum

35. Szoftvertechnológiai Fórum

36. AOP – Hogyan mérjük? • AOP = OO + csatolási pontok • Példa: void f(int) throws IOException ( void || int f(*) ) throws (A || B) * *(*) throws * • Additív vagy multiplikatív? Szoftvertechnológiai Fórum

37. Generikus programozás • Adatszerkezetek + általános algoritmusok • Fordítási idejű típusellenőrzés • Parametrikus polimorfizmus • Functorok = algoritmusok, mint osztályok • Példa: C++ Standard Template Library • Kiindulunk egy konkrét kódból és a hatékonyság elvesztése nélkül általánosítunk Szoftvertechnológiai Fórum

38. int *find( int *beg, int *end, int x) { while ( beg != end ) { if ( *beg == x ) return beg; ++beg; } return 0; } int t[10] = { 2, 5, 6, …, 88 }; int *p = find( t, t+10, 99); Szoftvertechnológiai Fórum

39. template <typename T> T *find( T *beg, T *end, T x) { while ( beg != end ) { if ( *beg == x ) return beg; ++beg; } return 0; } const double t[10] = {2.1,5.3,6.1, …,88.2}; const double *p = find( t, t+10, 99.9); Szoftvertechnológiai Fórum

40. template <typename It, typename T> It find( It beg, It end, T x) { while ( beg != end ) { if ( *beg == x ) return beg; ++beg; } return end; } vector<double> vd; vd.push_back(3.14); vector<double>::const_iterator vdi = find( vd.begin(), vd.end(), 99.9); Szoftvertechnológiai Fórum

41. template <typename It, typename P> It find_if( It beg, It end, P p) { while ( beg != end ) { if ( p(*beg) ) return beg; ++beg; } return end; } vector<int> vi; vi.push_back(3); … bool div3(int i) { return i%3 == 0; } vector<int>::const_iterator vci = find( vi.begin(), vi.end(), div3); Szoftvertechnológiai Fórum

42. struct divNthX { divNthX(int n,int x):N(n),X(x),cnt(0) {} bool operator()(int i) { if ( i%X == 0) ++cnt; return N == cnt; } int cnt, int N, int X; }; vector<int> vi; vi.push_back(3); … vector<int>::const_iterator vci = find(vi.begin(),vi.end(),divNthX(i,j)); Szoftvertechnológiai Fórum

43. GP – Hogyan mérjük? int main() { string s1, s2; ifstream f1("file1.txt"); ifstream f2("file2.txt"); f1 >> s1; f2 >> s2; while (f1 || f2) { if (f1 && ((s1 <= s2) || !f2)) { cout << s1 << endl; f1 >> s1; } if (f2 && ((s1 >= s2) || !f1)) { cout << s2 << endl; f2 >> s2; } } } • Méret metrika? • McCabe? int main() { ifstream if1("file1.txt"); ifstream if2("file2.txt"); merge( istream_iterator<string>(if1), istream_iterator<string>(), istream_iterator<string>(if2), istream_iterator<string>(), ostream_iterator<string>(cout,"\n") ); } Szoftvertechnológiai Fórum

44. GP – Hogyan mérjük? 2. • Információ-áramlás? find_if( v.begin(),v.end(),pred()); sort( v.begin(),v.end(),greater<int>()); Szoftvertechnológiai Fórum

45. C++ template metaprogramozás • 1994, template-ek szabványosítása unruh.cpp 30: conversion from enum to D<2> requested unruh.cpp 30: conversion from enum to D<3> requested unruh.cpp 30: conversion from enum to D<5> requested unruh.cpp 30: conversion from enum to D<7> requested unruh.cpp 30: conversion from enum to D<11> requested unruh.cpp 30: conversion from enum to D<13> requested unruh.cpp 30: conversion from enum to D<17> requested unruh.cpp 30: conversion from enum to D<19> requested • Fordítási időben Turing-teljes Szoftvertechnológiai Fórum

46. int factorial( int n) { return (n==0) ? 1 : n*factorial(n-1); } int main() { cout << factorial(5) << endl; return 0; } template <int N> struct Factorial { enum { value = N * Factorial<N-1>::value }; }; template <> struct Factorial<1> { enum { value = 1 }; }; int main() { const int fact5 = Factorial<5>::value; std::cout << fact5 << endl; } Szoftvertechnológiai Fórum

47. Template metaprogramozás 2. • Fordítási idejű optimalizálások • Aktív könyvtárak • Döntések elhalasztása • Futási idejű hibák elkerülése • Típusrendszer kiterjesztése • Hogyan mérjük? Szoftvertechnológiai Fórum

48. Szándékalapú programozás • Charles Simonyi • XEROX Palo Alto Bravo • Microsoft Word, Excel • Intentional Software http://www.intentsoft.hu Szoftvertechnológiai Fórum

49. Jelenlegi helyzet Feladat-specifikus tudás Programozó Forráskód Futtatás ? 20 000 oldal 200 oldal 19 800 oldal Szoftverfejlesztői tudás? Szoftvertechnológiai Fórum

50. Szándékalapú programozás 2. Feladat-specifikus tudás Domain kód Forráskód Futtatás 200 oldal 20 000 oldal Generátor Programozó 10 000 oldal Hogyan mérjük? Szoftvertechnológiai Fórum