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1 Software ubiquitärer Systeme Software-Produktlinien Olaf Spinczyk Arbeitsgruppe Eingebettete Systemsoftware Lehrstuhl für Informatik 12 TU Dortmund 1

2 Inhalt Motivation Software-Produktlinien Domänenanalyse Domänenentwurf Domänenimplementierung Merkmalgetriebene Produktableitung Zusammenfassung 03.3 Software-Produktlinien 2

3 Inhalt Motivation Software-Produktlinien Domänenanalyse Domänenentwurf Domänenimplementierung Merkmalgetriebene Produktableitung Zusammenfassung 03.3 Software-Produktlinien 3

4 Betriebssystem-Produktlinien Die Idee der Software-Produktlinien ist die organisierte Wiederverwendung [1]. Pro Systemkomponenten sind besser erprobt, d.h. bessere Qualität kürzere Entwicklungszeiten, d.h. geringere Kosten Contra Initialer Mehraufwand Konsistenzwahrung der aus der Produktlinie abgeleiteten Produkte Komplexere Verantwortlichkeiten Änderungen am Entwicklungsprozess 03.3 Software-Produktlinien 4

5 Produktlinien aber wie? Bisheriger Ansatz: ecos Implementierung wiederverwendbarer Systemkomponten mit Hilfe des C-Präprozessors Konfigurierung auf Basis von parametrisierbaren Implementierungskomponenten Da fehlt es noch an allen Ecken und Enden Analyse: Wie drückt man variable Anforderungen aus? Entwurf: Wie sieht eine variable Softwarearchitektur aus? Impl.: Wie realisiert man generische Systemkomponenten? Prozesse: Wie verbindet man alles zu einem durchgängigen Entwicklungsprozess für Software-Produktlinien? 03.3 Software-Produktlinien 5

6 Inhalt Motivation Software-Produktlinien Domänenanalyse Domänenentwurf Domänenimplementierung Merkmalgetriebene Produktableitung Zusammenfassung 03.3 Software-Produktlinien 6

7 Organisierte Wiederverwendung aktive Gestaltung einer gemeinsamen Plattform für aktuelle und künftige Produkte Existierender Code Domain Engineering Im Domain Engineering werden die gemeinsamen und variablen Artefakte, die Bestandteile der Plattform werden, entwickelt. [1] Domänenwissen Produktspezifische Anforderungen Plattform Artefakte (assets) Application Engineering neues Produkt Im Application Engineering werden einzelne Produkte der Produktlinie entwickelt bzw. abgeleitet. Die Produkte werden so weit wie möglich aus den Artefakten der Plattform zusammengefügt (konfiguriert), so dass nur in geringem Maße produktspezifische Softwareentwicklung notwendig wird Software-Produktlinien 7 [1]

8 Was ist eine Domäne? An area of knowledge [2] abgegrenzt Konzepte und eine Terminologie Wissen über Prozesse zum Bau konkreter Systeme definiert durch alle, die ein Interesse an der Domäne haben Manager, Marketing, Entwickler, Hersteller, Vertragspartner, Standardisierungsgremien, Investoren, Kunden, Endnutzer,... Beispiele: Motorsteuerungssoftware für Diesel Motoren Börseninformationssysteme der MONEY MAKER AG Übungsbetriebssysteme für MSP430-Rechner 03.3 Software-Produktlinien 8

9 Software-Produktlinienentwicklung Existierender Code Domänenterminologie Referenzanforderungen Feedback/Anpassungen Reverse Architecting Wiederverwendbare Komponenten Requirements Traceability Traceability Komponenten Applikationsimplement. Domänenwissen Referenzarchitektur Produktspezifische Anforderungen Referenzprozess für die Software-Produktlinienentwicklung [1] Domänenanalyse Domänenentwurf Domänenimplement. Applikationsanalyse Applikationsentwurf : Domain Engineering : Application Engineering 03.3 Software-Produktlinien 9

10 Inhalt Motivation Software-Produktlinien Domänenanalyse Domänenentwurf Domänenimplementierung Merkmalgetriebene Produktableitung Zusammenfassung 03.3 Software-Produktlinien 10

11 Domänenanalyse Existierender Code Domänenanalyse Domänenwissen Domänenmodell Domänenabgrenzung (domain scoping) Auswahl und Aufbereitung von Wissen Festlegung einer im Hinblick auf Wiederverwendung erfolgversprechenden Domänenabgrenzung Domänenmodellierung (domain modeling) Auswertung der Wissenssammlung, Taxonomien Erstellung des Domänenmodells als Ergebnis 03.3 Software-Produktlinien 11

12 Das Domänenmodell (1) A domain model is an explicit representation of the common and the variable properties of the systems in a domain, the semantics of the properties and domain concepts, and the dependencies between the variable properties. [2] 03.3 Software-Produktlinien 12

13 Das Domänenmodell (2)...ist das Ergebnis der Domänenanalyse. Domänendefinition legt den Scope fest: durch Beispiele, Gegenbeispiele durch Regeln, die bestimmte Systeme oder Merkmale ein- oder ausschließen Domänenlexikon definiert das Vokabular der Domäne Konzeptmodelle beschreiben wichtige Konzepte Anwendung geeigneter Formalismen, z.b. Klassen-, Interaktions-, Zustands-, Entity-Relationship-, Datenflussdiagramme,... sonst textuelle Beschreibungen Merkmalmodelle definieren eine Menge wiederverwendbarer und konfigurierbarer Anforderungen an die Systeme der Domäne Software-Produktlinien 13

14 Merkmalmodelle (feature models) [3] erlauben, die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der Systemvarianten explizit zu machen drücken Konfigurierbarkeit aus sind unabhängig von Implementierung und Architektur bestehen aus einem Merkmaldiagramm: Car Car body Transmission Engine Pulls trailer Automatic Manual Electric Gasoline beinhalten noch weitere Informationen: kurze Beschreibung und Begründung jedes Merkmals, Interessenten, Beispielsysteme, Einschränkungen, Verfügbarkeit und Bindung, Open/Closed Attribut, Priorität 03.3 Software-Produktlinien 14

15 Merkmaldiagramme (feature diagrams)...sind gerichtete azyklische Graphen. Man spricht auch bei Merkmaldiagrammen von Eltern- und Kindknoten bzw. -merkmalen. Sie beschreiben die unterschiedlichen möglichen Instanzen eines Konzepts. Konzeptknoten (kurz Konzept ) C Merkmalknoten (kurz Merkmale ) F1 f1 f2 f3 f1 ist ein direktes Untermerkmal (direct subfeature) vom Konzept C. f2 ist ein direktes Untermerkmal von f1 und ein indirektes Untermerkmal (indirect subfeature) von C. Es gibt eine Reihe verschiedener Arten von Merkmalen Software-Produktlinien 15

16 Notwendige Merkmale... (mandatory features) gehören zur Beschreibung eines Konzepts, wenn ihr Elternknoten zur Konzeptbeschreibung gehört. Der Wurzelknoten (das Konzept selbst) gehört immer zur Konzeptbeschreibung. f1 C f2 Eine Kante mit einem ausgemalten Kreis symbolisiert ein notwendiges Merkmal. f3 f4 Da alle Merkmale von C notwendig sind, gibt es hier nur eine Variante: { C, f1, f2, f3, f4 } 03.3 Software-Produktlinien 16

17 Optionale Merkmale... (optional features) können zur Beschreibung eines Konzepts gehören, (nur!) falls auch der Elternknoten zur Konzeptbeschreibung gehört. f1 C f2 Eine Kante mit einem unausgemalten Kreis symbolisiert ein optionales Merkmal. f3 Eine Instanz von C kann folgende Beschreibungen haben: {C}, {C, f1}, {C, f1,f3}, {C, f2}, {C,f1, f2} oder {C,f1,f2,f3}, aber NICHT {C,f3} 03.3 Software-Produktlinien 17

18 Alternative Merkmale... (alternative features) treten immer in Gruppen auf. Wenn der Elternknoten einer Gruppe zur Konzeptbeschreibung gehört, ist genau eines der alternativen Merkmale auch Teil der Beschreibung. C f1 f2 f3 f4 f5 Ein unausgemalter Bogen kennzeichnet eine Gruppe alternativer Merkmale. Eine Instanz von C kann folgende Beschreibungen haben: {C, f1,f3}, {C, f1,f4}, {C, f1,f5}, {C,f2,f3}, {C,f2,f4} oder {C,f2,f5} 03.3 Software-Produktlinien 18

19 Oder-Merkmale... (or-features) treten immer in Gruppen auf. Wenn der Elternknoten einer Gruppe zur Konzeptbeschreibung gehört, ist auch jede nicht leere Untermenge der Gruppe Teil der Beschreibung. C f1 f2 f3 f4 f5 Ein ausgemalter Bogen kennzeichnet eine Gruppe von Oder-Merkmalen. C hat zwei Gruppen mit Oder-Merkmalen (f1,f2 und f3,f4,f5). Damit können (2 2-1)*(2 3-1) oder 21 verschiedene Beschreibungen abgeleitet werden Software-Produktlinien 19

20 Inhalt Motivation Software-Produktlinien Domänenanalyse Domänenentwurf Domänenimplementierung Merkmalgetriebene Produktableitung Zusammenfassung 03.3 Software-Produktlinien 20

21 Domänenentwurf Feedback/Anpassungen Reverse Architecting teuer Domänenmodell Domänenentwurf Referenzarchitektur Analyse Identifikation der Architekturtreiber, Mechanismen und Sichten Modellierung Architekturdokumentation mit Variationspunkten Evaluierung Erkennen von Risiken in den Entwurfsentscheidungen In Anlehnung an das Modell zur Architekturentwicklung aus [1] Software-Produktlinien 21

22 Beispielprojekt Fahrerassistenz durch Short Range Radar (SRR) [1] Merkmaldiagramm: Robert Bosch GmbH, SRR-Plattform SRR-Plattform F1 Parkpilot F5 PreCrash- Sensierung F2 Front F3 Heck F4 Einparkbremse F6 PreFire F7 PreSet F3 und F5 schließen sich aus F8 Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung F9/F10 Anzahl und Position der Sensoren 03.3 Software-Produktlinien 22

23 Analyse: Architekturtreiber architekturrelevante Anforderungen wenige im Vergleich zur Gesamtmenge der Anforderungen häufig nicht-funktionale Eigenschaften Architekturtreiber: Robert Bosch GmbH, SRR-Plattform Konfigurierbarkeit: Bestimmte Ausprägungen und Kombinationen der Assistenzfunktionen Parkpilot und PreCrash-Sensierung sollen als Varianten der SRR-Plattform realisierbar sein. Integrierbarkeit: Produkte der SRR-Plattform sollen kompatibel zu den KFZ-Elektronik-Infrastrukturen im Zielmarkt sein (CAN Bus,..., begrenzter Bauraum). Performanz: Parkpilot und PreCrash-Sensierung sollen gleichzeitig nutzbar sein Software-Produktlinien 23

24 Analyse: Entwurfsmechanismen Ermitteln geeigneter Mechanismen für die Umsetzung der Architekturtreiber Auswahl erprobter Lösungen für Entwurfsprobleme, z.b.: Schichten: Anordnung von Aufgaben unterschiedlichen Abstraktionsebenen Pipes and Filters: Am Datenfluss orientierte Architektur bestehend aus Operationen, die Datenströme bearbeiten Model-View-Controller: Zerlegung interaktiver Systeme in drei Hauptkomponenten: (1) Verwaltung der Daten, (2) Visualisierung, (3) Behandlung der Eingaben Blackboard: Mehrere unabhängige Komponenten arbeiten auf Basis einer zentralen Datenstruktur indirekt zusammen Entwurfsmechanismen/-muster werden unter Beachtung der Architekturtreiber gewählt und ggf. kombiniert Software-Produktlinien 24

25 Analyse: Architektursichten relevante Darstellungen der Architektur definieren Sichten ergeben sich anhand der Architekturtreiber Performanz: Darstellung mit Hilfe von Prozessen und Interprozesskommunikation (dynamischer Gesichtspunkt) Korrektheit, Testbarkeit: Benutzt-Hierarchie Konfigurierbarkeit: funktionale Hierarchie, Visualisierung der Konfigurationspunkte Software-Produktlinien 25

26 Modellierung Treffen von Entwurfsentscheidungen unter Beachtung der Architekturtreiber und anderer Anforderungen Anwendung der Entwurfsmechanismen schrittweise Verfeinerung Bearbeitung in allen relevanten Architektursichten Erstellung der Architekturdokumentation 03.3 Software-Produktlinien 26

27 Beispielprojekt - Architektur Logische Sicht auf die SRR-Plattform Referenzarchitektur: Robert Bosch GmbH, SRR-Plattform Sensor 1 VP4 VP4 VP5 VP4 VP5 VP4 Situationsanalyse VP5 Sensorsteuerung Umfeldbeschreibung Parkpilot PreFire VP1 VP2 Sensor n VP4 CV-Schätzung VP4 PreSet VP3 VP Software-Produktlinien 27

28 Beispielprojekt Treiber-Realisierung Konfigurierbarkeit Minimierung von Abhängigkeiten durch Modularisierung Integrierbarkeit Realisierung der Komponenten mit Standard CAN Schnittstellen Minimierung der Sensoranzahl durch Nutzung für verschiedene Funktionen (Bauraumproblematik, auch Performanz) Performanz Parallelverarbeitung durch Verteilung auf eine Plattform- und n Sensor-ECUs Nutzung von Nebenläufigkeit durch Time Sharing-Betrieb 03.3 Software-Produktlinien 28

29 Beispielprojekt Variationspunkte explizite Dokumentation der Variabilität Variationspunkte: Robert Bosch GmbH, SRR-Plattform Merkmal Variationspunkt Verantwortlichkeit F1 VP1 Einbinden Komponente Parkpilot F6 VP2 Einbinden Komponente PreFire F7 VP3 Einbinden Komponente PreSet F8 VP4 Konfigurierung des CV Modus F9, F10 (F2,F3) VP5 VP4 und VP5 sind besonders interessant Konfigurierung von Sensoranzahl und positionen betreffen den inneren Aufbau der logischen Komponenten wirken sich auf mehrere Komponenten aus ( querschneidend ) 03.3 Software-Produktlinien 29

30 Evaluierung Festlegung von Evaluierungsszenarien unter Beachtung der Architekturtreiber und anderer Anforderungen kritische Anwendungsfälle, z.b. Volllastbetrieb, Fehlerfälle Migrationspfad zur nächsten Produktgeneration Identifikation der betroffenen Komponenten pro Szenario Suche nach nicht umgesetzten Anforderungen Suche nach möglichen Risiken durch szenario- und qualitätsmerkmalspezifische Fragen Welche Bedingungen oder Ereignisse beeinflussen die Systemperformanz? Wie reagiert das System darauf? 03.3 Software-Produktlinien 30

31 Beispielprojekt Produkt 1 Parkpilot Heck: F1, F3 Produktvariante 1: Robert Bosch GmbH, SRR-Plattform Sensor 1 Parkpilot Sensor 2 Sensor 3 Sensorsteuerung Umfeldbeschreibung Sensor Software-Produktlinien 31

32 Beispielprojekt Produkt 2 Parkpilot und PreCrash-Sensierung: F1, F2, F5, F6, F7 Produktvariante 2: Robert Bosch GmbH, SRR-Plattform Sensor 1 Situationsanalyse Sensor 2 Sensor 3 Sensorsteuerung Umfeldbeschreibung Parkpilot PreFire Sensor 4 CV-Schätzung PreSet 03.3 Software-Produktlinien 32

33 Domänenentwurf - Zusammenfassung wichtig ist,... sich über die Architekturtreiber klar zu werden alternative Entwurfsmechanismen bzw. Architekturen abzuwägen (keine Dogmen!) die Variationspunkte explizit zu beschreiben durch geeignete Modularisierung Abhängigkeiten (insbesondere Zyklen) zu minimieren 03.3 Software-Produktlinien 33

34 Inhalt Motivation Software-Produktlinien Domänenanalyse Domänenentwurf Domänenimplementierung Merkmalgetriebene Produktableitung Zusammenfassung 03.3 Software-Produktlinien 34

35 Domänenimplementierung Ziel: Erstellung von Komponenten, die in vielen Produktvarianten eingesetzt werden können Wiederverwendbarkeit Ansatz: Techniken der generischen und generativen Programmierung C #ifdefs Generischer Code mittels Templates (oder Generics) Aspektorientierte Programmierung Merkmalorientierte Programmierung Anpassung mit Hilfe von Frame-Prozessoren Codegenerierung aus Modellen ( Model-Driven Software Development ) Sofern noch nicht geschehen, werden diese Techniken im Verlauf der Veranstaltung noch vertieft Software-Produktlinien 35

36 Inhalt Motivation Software-Produktlinien Domänenanalyse Domänenentwurf Domänenimplementierung Merkmalgetriebene Produktableitung Zusammenfassung 03.3 Software-Produktlinien 36

37 Produktableitung ein mehrstufiger Transformationsprozess Code-Selektion Generierung Auf jeder Ebene werden Konfigurierungsentscheidungen getroffen. user, events state transitions application running platform instance Preprocessing Compilation Linking Loading application-specific code PL platform 03.3 Software-Produktlinien 37

38 Anwendungsgetriebene Produktableitung Traditioneller Ansatz z.b. bei Bibliotheken oder Frameworks Der Anwendungscode beeinflusst die Maßschneiderung direkt, z.b. im laufenden System - objektorientierte und komponentenorientierte Kompositionstechniken - globale Zustandsvariablen zum Bindezeitpunkt - "function-level linking" zum Übersetzungszeitpunkt - Benutzung von "inline functions" - Benutzung bestimmter Teilmengen von Klassenstrukturen - Instanziierung von Templates 03.3 Software-Produktlinien 38

39 Anwendungsgetriebene Produktableitung Einfach und bewährt, aber Komplexe Schnittstellen Niedrige Abstraktionsebene Maßschneiderung der Plattform und Anwendungsentwicklung können nicht getrennt werden - Keine Auslieferung einzelner Produktinstanzen an Kunden! Overhead von Laufzeitselektions und -kompositionsmechanismen Fehlende Fähigkeit Interna maßzuschneidern Einschränkungen durch die Programmiersprache 03.3 Software-Produktlinien 39

40 Merkmalgetriebene Produktableitung... eine weitere Indirektionsstufe concrete problem application-specific code application developer platform customizer f2 f6... required API subset required features features and dependencies concrete solution PL platform instance product derivation techniques solution space PL platform problem space f4 f2 f5 f1 f3 f6 f7 domain expert 03.3 Software-Produktlinien 40

41 Merkmalgetriebene Produktableitung hat viele Vorteile gegenüber der anwendungsgetriebenen Produktableitung ein zusätzlicher Transformationsschritt mit bel. Komplexität - Interna, nicht-funktionale Eigenschaften, bel. Generierung Trennung von Anwendungsentwicklung und Maßschneiderung - z.b. auch Bereitstellung von Lösungen für eine Klassen von Anwendungen Einfachere APIs - kürzere Übersetzungszeiten, kein Overhead (statische Konfigurierung) Trennung der Belange - Konfigurierungslogik getrennt vom Anwendungscode, getrennte Wiederverwendung benötigt ein Merkmalmodell und Werkzeugunterstützung kann mit der anwendungsgetriebenen Produktableitung koexistieren 03.3 Software-Produktlinien 41

42 Produktlinienentwicklung Problemraum Lösungsraum Domänenexperte f2 f1 f3... Aspect Aspect Aspect PL-Architekt / Entwickler Konkretes Problem f4 f5 f6 Merkmale und Abhängigkeiten f2 f6... f7 Prinzipien Methoden Werkzeuge Class Class Class Referenzarchitektur / Merkmalimplemente A B C Konkrete Lösung D Applikationsentwickler gewünschte Eigenschaften tatsächliche Eigenschaften 03.3 Software-Produktlinien 42

43 Inhalt Motivation Software-Produktlinien Domänenanalyse Domänenentwurf Domänenimplementierung Merkmalgetriebene Produktableitung Zusammenfassung 03.3 Software-Produktlinien 43

44 Zusammenfassung Die Entwicklung einer Software-Produktlinie unterscheidet sich von klassischer Softwareentwicklung Variabilität in Anforderungen Entwurf einer flexiblen Architektur mit Variationspunkten Implementierung generischer Komponenten Neue Entwicklungsprozesse Daneben gibt es noch viele weitere Besonderheiten, die nicht behandelt wurden Test von Produktlinien Entwicklerrollen Kalkulation von Entwicklungskosten Software-Produktlinien 44

45 Literatur [1] G. Böckle, P. Knauber, K. Pohl, K. Schmid (Hrsg.). Software-Produktlinien. dpunkt.verlag, ISBN , [2] K. Czarnecki und U.W. Eisenecker. Generative Programming Methods, Tools, and Applications. Addison-Wesley, ISBN , [3] K. Kang, S. Cohen, J. Hess, W. Nowak, and S. Peterson. Feature-oriented Domain Analysis (FODA): Feasibility Study. Technical Report, CMU/SEI-90-TR-2, [4] A. N. Habermann, L. Flon, and L. Cooprider. Modularization and Hierarchy in a Family of Operating Systems. Communications of the ACM, 19(5): , [5] D. L. Parnas. Designing Software for Ease of Extension and Contraction. IEEE Transactions on Software Engineering, SE- 5(2): , [6] W. Schröder-Preikschat. The Logical Design of Parallel Operating Systems. Prentice Hall, ISBN , Software-Produktlinien 45

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