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プログラムスライスを用いた アスペクト指向プログラムのデバッグ支援環境

プログラムスライスを用いた アスペクト指向プログラムのデバッグ支援環境. 石尾 隆，楠本 真二，井上 克郎 大阪大学大学院情報科学研究科 {t-isio,kusumoto,inoue}@ist.osaka-u.ac.jp. 発表の概 要. アスペクト指向プログラミング オブジェクト指向プログラミング アスペクト指向の特徴 アスペクト指向の問題点 アスペクト指向プログラムの開発支援 アスペクト干渉の検出 プログラムスライシングの適用 ツールの実装 評価実験 今後の課題. オ ブジェクト指向モデル. オブジェクトの相互通信でシステムをモデル化

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プログラムスライスを用いた アスペクト指向プログラムのデバッグ支援環境

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  1. プログラムスライスを用いたアスペクト指向プログラムのデバッグ支援環境プログラムスライスを用いたアスペクト指向プログラムのデバッグ支援環境 石尾 隆，楠本 真二，井上 克郎 大阪大学大学院情報科学研究科 {t-isio,kusumoto,inoue}@ist.osaka-u.ac.jp

  2. 発表の概要 • アスペクト指向プログラミング • オブジェクト指向プログラミング • アスペクト指向の特徴 • アスペクト指向の問題点 • アスペクト指向プログラムの開発支援 • アスペクト干渉の検出 • プログラムスライシングの適用 • ツールの実装 • 評価実験 • 今後の課題

  3. オブジェクト指向モデル • オブジェクトの相互通信でシステムをモデル化 • システムの機能をオブジェクトが分担して担当 • 横断要素: 複数のオブジェクトが関わる機能 • コードが分散，一貫性の維持が困難 →保守性の悪化 例：エラー処理 Database でエラーが発生したらユーザの指示に従う  GUI, Database にエラー処理コードが分散 ユーザの入力を通知 Database GUI エラーを通知

  4. アスペクト指向モデル • アスペクト: 横断要素のモジュール化 • アスペクト = (動作時点, 処理) の集合で定義 • 動作時点は，メッセージ送受信や例外の発生など • 明示的な呼び出しが不要 Database GUI 2. Database の例外発生に 対応して，GUI を使って ユーザに通知 1. GUI の生成に応じて 参照を記憶 3. 結果を Databaseに反映 エラー処理アスペクト

  5. アスペクト指向の利点と問題点 • 利点：モジュール性の向上 • 保守性の向上 • 横断要素がアスペクトにまとまっているので，変更が容易 • 再利用性の向上 • モジュール間の相互依存性の解消 • 横断要素とオブジェクトの独立した再利用 • 問題点：プログラムの複雑化 • オブジェクトを見ただけでは動作がわからない • アスペクトの干渉 • アスペクトの動作順序で実行結果が変わる • アスペクトの動作中に別のアスペクトが動作する

  6. 本研究の目的 • アスペクトを組み込んだプログラムに対する依存関係解析結果を用いた開発支援手法を提案する． • アスペクト干渉の検出 • アスペクトを組み込む時点での支援 • プログラムスライスの抽出 • アスペクトを組み込んだ後のデバッグ支援 • 対象: AspectJ

  7. アスペクト干渉の検出 • アスペクトを組み込む段階での情報の提示 • Aspect を含めた Call Graph の利用 • 頂点：クラス，アスペクトに含まれるメソッド（手続き）単位 • 辺：メソッドの呼び出し，アスペクトの呼び出し （呼び出し関係はソースコードから解析） • ある時点でアスペクトが作動する＝アスペクトを呼び出している • 「Call Graphでアスペクトの頂点に到達可能」ならば「アスペクトの影響を受ける」

  8. 無限ループ Call Graph 例 凡例 Aspect Class call

  9. プログラムスライシングの適用 • プログラムスライシングとは • プログラム解析手法のひとつ • 開発者が注目する必要があるコードのみを抽出し，提示する技術 • 元々は手続き的プログラム用に開発され，オブジェクト指向プログラムに対して拡張されている • 依存関係が複雑になるアスペクト指向プログラムに対して有効性が期待される

  10. プログラムスライスの定義 • プログラムのある文sのある変数v（スライス基点<s,v>）の値に“影響”を与えうる文の集合 • 影響 = 代入－参照 関係， if 文など制御関係 • プログラム文を頂点，依存関係を辺としたグラフ探索 • プログラマが扱う必要があるコードを提示 • デバッグ作業の効率化 1: a = 5; 2: b = a + a; 3: if (b > 0) { 4: c = a; 5: } 6: d = b; a 1: a = 5; 2: b = a + a; 3: if (b > 0) { 4: c = a; 5: } 6: d = b; a 基点< 6, b > b 制御 b

  11. スライス計算に必要な情報 • データ依存関係 • ローカル変数の 代入 → 参照 • フィールド（メンバ変数）の 代入 → 参照 • 制御依存関係 • 実行制御文の条件節 → 制御される文 • メソッド呼び出し関係 • メソッド呼び出し文 → 呼び出されるメソッドの文 • メソッド呼び出し文の実引数 → 呼び出されるメソッドの仮引数 • アスペクトの連動位置 → 動作するアスペクト • アスペクトの連動位置 → アスペクトが参照する実行時点情報 • 目的をデバッグに限定 • 実行が失敗するテストケースが特定されている状態を想定 • 動的（実行時）情報が利用可能 • オブジェクトの区別，動的束縛の解決によってコード量を減らす

  12. 動的情報収集の実装 • アスペクトとして動的解析処理を記述する • １つのモジュールにカプセル化可能 • 可読性・保守性の向上 • 実現および実行時コストの軽減 • 実用上十分な情報が収集可能 Java を対象とした場合は十分に有効† → AspectJ で書かれたプログラム用に拡張 • † 石尾隆, 楠本真二, 井上克郎: “アスペクト指向プログラミングの動的スライス計算への応用”, 情報処理学会論文誌，Vol.44, No.7 (2003).

  13. スライスツールの実装 • 統合開発環境 Eclipse への統合 • プラグイン形式で機能を追加できる • 開発者がエディタ上でそのまま利用できる • コンパイル時にソースコード情報を収集 • 静的依存情報の収集 • Call Graphの作成，無限ループ等の指摘 • 実行時情報が存在すれば読み込んで利用 • 動的解析モジュールを付加して実行しておく必要あり • 実行時情報がなければ静的情報だけでスライス計算

  14. 3. スライス計算実行を指示 2. スライス基点をエディタ上で選択 4. スライス結果を エディタ上に出力 プロトタイプのスクリーンショット • コンパイル時に静的情報収集

  15. 実験(1) ツールの適用 • 適用対象 • AspectJ サンプルコード ５種類 • プログラムの実行時情報解析アスペクト • 各サンプルコードのサイズは平均500行 • 実験内容 • サンプルコードを実行し，その結果に対してプログラムスライスを計算 • 従来のツールを用いた依存関係の追跡との定性的比較 • AJDE: どこでアスペクトが動作するかをマーカーで表示する

  16. 評価 • プログラムスライシングの有用性 • アスペクトがもたらす複雑さの軽減 • アスペクトが増えた分，考慮すべき依存関係は増加 • ファイルをまたいだ依存関係：手作業の追跡はコスト大 • 「依存関係がなくなる」コードの発見が可能 • アスペクトの動作によって，実行されなくなるような文が発見できる

  17. 実際のスライス結果 void f1() { x = f2(); 　： } int f2() { return doSomething(); } int f3() { return doSomething2(); } aspect redirectMethodCall { int around(): call(f2) { return f3(); } } 「依存関係がなくなる」コードの例 void f1() { x = f2(); 　： } int f2() { return doSomething(); } int f3() { return doSomething2(); } aspect redirectMethodCall { int around(): call(f2) { return f3(); } } 開発者が意識する依存関係 メソッド呼び出しを 置き換えるアスペクト

  18. 計算コスト • 時間コスト • 静的情報の収集＝コンパイラが構築した意味解析木に対する１パス処理 • 動的情報の収集（実行時情報を付加した状態での対象プログラムの実行時間）＝実行するプログラムとテストデータに依存，過去の実験では通常の実行に比べて最大で10倍程度 • 空間コスト • アスペクトの種類によってコストに大きな差 • 多数のクラスを横断して動作するアスペクトは，メモリ消費量が非常に大きくなることがある • 約10000行のコードに，実行時情報解析アスペクト（1000行）を追加した結果，必要メモリが20MBから100MB以上に増加 • AspectJ が生成した意味解析木の肥大化による，解析コストの増大 • 動作回数が多い分，アドバイス呼び出しの頂点と辺の数が増加

  19. 実験(2) 開発への影響の評価 • 大学院の授業での利用 • 大学院生(修士課程) 12名 • 授業で Java 使用経験あり，AspectJ は使用経験なし • 開発環境: Eclipse + AspectJ plug-in • 実験の手順 • Eclipse についての解説 • Eclipse を用いた Javaプログラムのデバッグ演習（事前課題１） • AspectJ についての解説 • Eclipse を用いた AspectJ プログラミング演習（事前課題２） • Eclipse を用いた AspectJ プログラムのデバッグ（実験）

  20. 対象プログラムの概要 • AspectJ プログラムのデバッグ演習 • 対象: 式評価プログラム • 入出力例: (+ 4 3 (* 2 7 ) (* 2 7) )  35 • 一部のノードは共有されていることがある • アスペクトの干渉によって正しい結果が出力できないプログラム • クラス５つ（式構造クラス），アスペクト４つ，合計340行 • 式評価経過の文字列出力，計算結果の共有，グラフのループ検出，評価が終了したグラフの接続解除 • 学生の半数 6名に，プログラムスライスを追加資料として提供 • 時間の都合上，印刷物として提供 • 誤った出力結果を格納している変数をスライス基点として設定 • ４つのアスペクトのうち，２つは関与していないことが明示されている

  21. 提供したスライスの一部 public aspect CachingAspect { // member of this Aspect static private Set workers = new HashSet(); // add a member to Worker class private boolean Worker.isAlreadyCalculated = false; pointcut work_call() : call(void Worker.work()); pointcut first_work_call() : work_call() && !cflowbelow(work_call()); void around(): work_call() { Worker w = (Worker)thisJoinPoint.getTarget(); if (w.isAlreadyCalculated) return; else { proceed(); w.isAlreadyCalculated = true; workers.add(w); } } // clear the flag when calculation process is finished after(): first_work_call() { for (Iterator it = workers.iterator(); it.hasNext(); ) { Worker w = (Worker)it.next(); w.isAlreadyCalculated = false; } workers.clear(); } } 既に計算済みの場合は 計算を省略する この計算省略機能が， 計算経過の文字列出力も 飛ばすことがバグの原因 計算が完全に終了した 時点で，フラグをクリア 出力結果には関係ないので スライスに含まれない

  22. 実験の提出物 • 提出物 （事前の２回の演習課題，実験用の演習） • 問題の原因 • 修正方針 • 変更したソースコード • 作業に要した時間 • スライスを使用した感想 • 提出した結果を分析

  23. 実験結果 • Javaプログラム課題の作業時間との順位相関 • 相関係数 r = 0.54 • AspectJ プログラミングでは Java に関するプログラミング能力が重要な要素となる • スライス使用の効果 • スライス使用者のほうが値は多少良いが，統計的に有意な差は示せなかった 作業時間の平均 (単位: 分)

  24. 考察 スライスを用いた学生の意見を分析した結果： • バグの原因特定について • 作業に取り掛かる段階で，コードを読む指針となる • 「原因の候補」として目をつけた点に対して，その部分がスライスに含まれているかどうかで，候補を絞り込める • バグの修正について • 変更結果が他のアスペクトに影響を及ぼさないことを確認するには，他のアスペクトも読まないといけない  スライスだけで，作業時間を短縮できるとは限らない 影響波及解析など他のデバッグ支援手法と組み合わせる

  25. まとめ • アスペクト指向プログラムの開発支援 • Call Graphを用いた干渉の検出 • アスペクトの動作を，メソッド呼び出しと等価とみなす • ループ等，実行を不可能にするような重大な干渉の提示 • プログラムスライシングの適用 • 従来手法に，「アスペクト呼び出し」を追加 • 静的情報，実行時情報を組み合わせた開発者の支援 • 評価実験 • スライスツールの適用 • アスペクトによる振る舞いの変化を示す • 開発作業への影響の評価 • バグの原因特定には有用 • バグの修正支援には他の手法が必要 • 今後の課題 • 多数のオブジェクトを横断するアスペクトの効率的な扱い • 影響波及解析など，他のデバッグ支援手法との連携

  26. 終

  27. アスペクトを含んだプログラム依存グラフ 呼び出し データ依存 手続き内部頂点 • around(): call (Foo.f1) の例 o, x を 代入したノード 呼び出し 引数: o, x around(): call(Foo.f1) データ o 元の o.f1(x); に対応 する頂点 thisJoinPoint.getThis(); 戻り値 o, x 本来の 呼び出し proceed(); 戻り値を代入する変数 戻り値 引数: x return 文 f1 メソッド本体

  28. プログラムの概要 (1) • “Worker” 階層オブジェクト • それぞれ評価値を持つ • Sumは加算ノード • Prodは乗算ノード • Literalは定数 • ノードは共有可能 • Worker.work() で評価値計算 • Worker.getValue() で結果取得 17 SumWorker 9 5 ProdWorker Literal (5) 3 3 3 Literal (3)

  29. プログラムの概要 (2) • main.Main • Worker ツリー構築 → 計算 → 結果の出力 を実装 • ４つのアスペクトを導入 • Worker ツリーの解体 (CleanupAspect) • 式の構造 出力 (PrintTreeAspect) • 先ほどのツリーの出力: (+ 5 3 (* 3 3 ) ) • 共有ノードの再評価省略 (CachingAspect) • 計算中のループ検出 (LoopDetectAspect)

  30. aspect ErrorNotification { // Databaseでのエラートラップ after throwing(DBException e): call (* Database.*(..) ) { user_input = GUI.notifyError(e); // エラー処理 } // GUI に以下のコードを追加 public int GUI.notifyErorr(DBException e) { // ダイアログを表示 // ユーザの入力を戻り値とする return user_input; } } オブジェクト/アスペクトのコード比較 class GUI { public int notifyError(DBException e) { // ダイアログを生成してユーザに通知 database.processError(e, user_input); } } class Database { private doSomething() { try { ... } catch (DBException e) { gui.notifyError(e); } } private doSomething2() { try { ... } catch (DBException e) { gui.notifyError(e); } } } 一貫性の維持が難しい ・変更の反映を忘れる ・無関係な部分に実装を 追加してしまう DB内でのエラーが起きる場所 すべてで同じ処理が必要

  31. その他のアスペクトの利用例 • アスペクトによるトランザクションの実現† • 種々のトランザクションメカニズムを利用したトランザクションのモジュール化 • GoF デザインパターンのアスペクトによる書き換え‡ • デザインパターン＝オブジェクトの「連携のやりかた」のパターン • 設計レベルでの再利用，使うときは個別のコードを書く • パターンに関連するオブジェクトにコードは分散する • いくつかのパターンは，単独のアスペクトに簡潔に記述することができる • アスペクトとして再利用可能なコードになったパターンも存在 † S. Soares, E. Laureano, P. Borba: `Implementing Distribution and Persistence Aspects with AspectJ'', OOPSLA 2002 ‡ J. Hannemann, G. Kiczales: ”Design Pattern Implementation in Java and AspectJ'‘, OOPSLA 2002

  32. Static Info. Dynamic Info. Architecture and Use Case of ADAS 1.edit program slice slice criteria 4.slice calculation Dynamic Analysis Aspect Java Source Slice Calculation Tool Static Analyzer 2.compile Java VM AspectJ Java Bytecode 3.execute a test case

  33. 情報収集の従来の実現方法 「監視」処理は対象ソフトウェア全体に影響する 単純な実装：対象ソフトウェアの各所でログを生成する → アスペクトでモジュール化するべき Java を対象とした場合のその他の実現方法 • Java Virtual Machine (JVM)の改造 移植性がない，実現に必要なコストが高い • JVMの持つ Profiler Interface の利用 実行時のコストが高い，バイトコード最適化で結果が変わる • プリプロセッサによるソースコード変換 構文木の変換ルールが複雑，保守性が低い

  34. アスペクトによる実装の利点 アスペクトとして動的解析処理を記述 • １つのモジュールにカプセル化可能 • 可読性・保守性の向上 • 実現および実行時に要するコストの軽減 • 実用上十分な情報が収集可能 成果については論文投稿中† • †: 石尾 隆，楠本 真二，井上 克郎: アスペクト指向プログラミングの • 動的プログラムスライスへの応用，情報処理学会論文誌，投稿中

  35. 関連研究 • AspectJ† IDE for JBuilder, Forte, Emacs • ソースコードエディタで，オブジェクトのコード上にアスペクトの連動位置を表示する • アスペクト干渉の検出は行わない • アスペクト指向プログラムに対するプログラムスライス計算の提案‡ • 提案だけ，有効性については評価されていない †: AspectJ Official Site: http://www.eclipse.org/aspectj/ ‡: Jianjun Zhao, “Slicing Aspect-Oriented Software”, In Proc. of the 10th IEEE International Workshop on Programming Comprehension, pp.251--260, 2002

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