Understanding and Improving Collaboration in Distributed Software Development

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1 Diss. ETH No Understanding and Improving Collaboration in Distributed Software Development A thesis submitted to attain the degree of DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH (Dr. sc. ETH Zurich) presented by HANS-CHRISTIAN ESTLER Master of Science, University of Paderborn, Germany Dipl.-Wirt.-Inf., University of Paderborn, Germany born on June 25th, 1983 citizen of Germany accepted on the recommendation of Prof. Dr. Bertrand Meyer, examiner Prof. Dr. Natalia Juristo, co-examiner Dr. Martin Nordio, co-examiner Prof. Dr. David Redmiles, co-examiner 2014

2 Abstract Distributed software development in which developers are located in different geographical locations is common practice in today s software industry. Teams are distributed over different countries, work in different time zones, may speak different languages and have different cultural backgrounds. All these conditions make it a challenge to collaborate effectively and efficiently in a distributed team. This thesis aims to provide new insights on how teams are affected by distribution, what the consequences are for the projects they work on, and how new techniques and tools could help to improve collaboration. The thesis investigates the impact of distribution on the communication amongst team members, showing that a substantial amount of the overall project time is spend on communication between the distributed parties of the development team. It further investigates the impact of different distribution scenarios, in particular, comparing distribution over two locations with distribution over three locations, and the role different time zone ranges have on the communication behavior of developers. The thesis also analyzes if and how the choice of development process affects distributed projects. We study metrics such as the overall success, economic savings, or motivation of the development teams, depending on the type of software development process used. For this, we use data from industry projects developed in Europe, Asia, and the Americas. Our findings suggest that choice of process alone is not a critical factor to succeed in globally distributed development. Another contribution of this thesis adds to our understanding of how often developers in distributed teams are insufficiently aware of the changes performed by other team members, and how often the changes of individual developers conflict with each other. Additionally, this thesis presents novel approaches on how configuration management systems can be combined with tools to detect and prevent conflicts between individual developers changes. It also introduces a debugging technique and an integrated tool, specifically designed to support effective

3 collaboration among developers during shared debugging sessions. We discuss the design of both these tools and evaluate them in case studies, demonstrating their usefulness in collaborative development. Finally, this thesis presents an analysis on how programs are evolved over time. Knowledge on how programs are changed is instrumental when building tools that report changes to developers. In this contribution we focus on programs and languages that support contracts, a form of lightweight formal specifications, and analyze 21 contract-equipped projects written in Eiffel, C#, and Java. Our findings suggest that awareness tools, which monitor and analyze changes from developers, would benefit from adopting contracts as a language element that should be monitored.

4 Zusammenfassung Verteilte Softwareentwicklung bei welcher Entwickler sich an verschiedenen geographischen Orten aufhalten ist in der heutigen Softwareindustrie gängige Praxis. Entwicklerteams sind über verschiedene Länder verteilt, arbeiten in verschiedenen Zeitzonen, sprechen verschiedene Sprachen und haben verschiedene kulturelle Hintergründe. Alle diese Umstände machen eine effektive und effiziente Zusammenarbeit zu einer Herausforderung. Die vorliegende Arbeit liefert neue Erkenntnisse darüber, wie Teams durch Verteilung beeinflusst werden, welche Konsequenzen sich daraus für die Projekte des Teams ergeben und auf welche Weise neue Techniken und Werkzeuge helfen können die Zusammenarbeit zu verbessern. In dieser Arbeit untersuchen wir den Einfluss von Verteilung auf die Kommunikation zwischen Teammitgliedern und zeigen auf, dass ein erheblicher Anteil der Zeit, die in ein Projekt investiert wird, für die Kommunikation zwischen verteilten Mitgliedern verwendet wird. Weiterhin untersucht diese Arbeit den Einfluss von verschiedenen Arten der Verteilung und vergleicht dabei insbesondere eine Verteilung auf zwei Standorte mit einer Verteilung auf drei Standorte und analysiert den Einfluss unterschiedlicher Zeitzonen auf die Kommunikation. Diese Arbeit untersucht weiterhin ob und wie die Wahl des Entwicklungsprozesses verteilte Projekte beeinflusst. Wir vergleichen Metriken wie den Gesamterfolg, Einsparungen oder die Motivation von Entwicklern in Abhängigkeit vom Entwicklungsprozess. Zu diesem Zweck analysieren wir Daten von Industrieprojekten, welche in Europa, Asien und den USA durchgeführt wurden. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Wahl des Entwicklungsprozesses allein kein kritischer Faktor für den Erfolg eines global verteilten Softwareprojekts ist. Ein weiterer Beitrag dieser Arbeit liefert neue Erkenntnisse darüber, wie oft Entwickler in verteilten Teams unzureichend darüber informiert sind, welche Änderungen von anderen Teammitgliedern vorgenommen werden und wie oft die Änderungen von einzelnen Entwicklern miteinander im Konflikt stehen.

5 Weiterhin präsentiert diese Arbeit neue Ansätze wie Configuration Management Systems (CMS) mit Werkzeugen zum frühzeitigen Auffinden und Verhindern von Änderungskonflikten kombiniert werden können. Es wird ebenfalls eine neue Technik sowie ein zugehöriges Werkzeug vorgestellt, welche speziell für eine effiziente Kollaboration zwischen Entwicklern während des Debuggens von Programmen entwickelt wurde. Abschließend präsentiert diese Arbeit eine Analyse darüber, wie Programme über längere Zeiträume hinweg geändert werden. Wissen über solche Änderungsverläufe ist ausschlaggebend für die Entwicklung von Werkzeugen, die Programmierer über Änderungen informieren. Der vorliegende Beitrag konzentriert sich dabei auf Programme und Sprachen, die Verträge eine pragmatische Form von formalen Spezifikationen nutzen, und analysiert 21 Projekte, die in Eiffel, C# oder Java entwickelt wurden. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass Werkzeuge, welche die Änderungen von Entwicklern überwachen, von der Überwachung solcher Verträge profitieren können.