Lieferung 5.3 Integrierter agiler Prozess zur modellgetriebenen Software-Entwicklung mit Werkzeugunterstützung

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1 Lieferung 5.3 Integrierter agiler Prozess zur modellgetriebenen Software-Entwicklung mit Werkzeugunterstützung für das BMBF-Projekt Modellgetriebene agile Entwicklung für mobile Anwendungen (ModAgile Mobile) Arbeitspaket AP 5 Begriffe und Werkzeuge des agilen MDD Arbeitspaketleitung FZI Förderkennzeichen 01IS11012A-C Projektleitung andrena objects AG Jochen Winzen Partner andrena objects ag arconsis IT-Solutions GmbH FZI Forschungszentrum Informatik Autoren Martin Küster, Klaus Krogmann Lieferdatum M6 Letztes Änderungsdatum Version 0.1 Werkzeugunterstützung 1

2 Werkzeugunterstützung 2

3 1 Einleitung Um agile Entwicklungsprozess zu strukturieren und formalisieren, gibt es diverse Ausprägungen wie Exreme Programming, Crystal oder SCRUM. Den meisten agilen Entwicklungsprozessen ist ihre Leichtgewichtigkeit (wenig Prozess-Overhead), ihre Einfachheit, Betonung von Kommunikation auch mit dem Kunden und Nähe zum Code gemein. Viele Entwicklungsprozess stützen sich dabei auf das Manifest der agilen Entwicklung [1], das insbesondere die Grundprinzipien der agilen Entwicklung pragmatisch zusammenfasst. Im Rahmen von ModAgile Mobile wurde SCRUM [2] als Grundlage für einen agilen Entwicklungsprozess gewählt, da SCRUM eine hohe Verbereitung und Bekanntheit besitzt. Außerdem gibt es generell eine positive Resonanz bei Entwicklern auf die Anwendung von SCRUM, da Entwickler mehr Verantwortung übertragen bekommen (siehe auch [1]). Darüber hinaus ist SCRUM gut geeignet [3] um kleinere und mittelgroße Projekte umzusetzen, wie sie häufig bei mobilen Anwendungen vorzufinden sind. andrena, einer der beteiligten Partner von ModAgile Mobile, besitzt sehr große Erfahrungen und Kompetenzen in der Nutzung von SCRUM. Dazu organisiert andrena beispielsweise Kurse für zertifizierte SCRUM-Entwickler, -Coaches, und -Master. Der weitere Verlauf dieses Dokuments gliedert sich wie folgt: In Kapitel 2 wird die agile modellgetriebene Entwicklung auf der Ebene einzelner Sprints eingeführt. Kapitel 3 ergänzt dann dazu den Rahmenprozess, der über einzelne Sprints hinausgeht. Außerdem wird hier beschrieben, wie eine nahtlose Integration mit klassischer SCRUM-Entwicklung funktioniert. Abschließend beleuchtet Kapitel 4 die Berührungspunkte zu testgetriebener Entwicklung, die eine Grundvoraussetzung für agile Entwicklung darstellt. Werkzeugunterstützung 3

4 2 Entwicklungsprozess eines einzelnen Sprints Abbildung 1 Klassischer SCRUM-Prozess Abbildung 2 Erweiterter SCRUM-Prozess mit Artefakten modellgetriebener Entwicklung In Abbildung 2 sind die gegenüber Abbildung 1 erweiterten Element mit blauen Pfeilen (unterer Bereich der Abbildung) dargestellt. Werkzeugunterstützung 4

5 Der klassische SCRUM-Prozesse (siehe Abbildung 1) adressiert vor allem die Entwicklung von Code- Artefakten wie Quellcode, Test und Dokumentation. In modellgetriebenen Software-Entwicklungsprojekten sind für diesen Prozess Erweiterungen vorzunehmen. Dabei wird der grundsätzliche SCRUM-Prozess bewusst nicht umgebaut, um Schulungsaufwände zu minimieren, da bereits viele Entwickler mit agiler Entwicklung vertraut sind und um die positiven Erfahrungen mit SCRUM übertragbar zu halten. Zur Erweiterung werden die Artefakte, die für die modellgetriebene Entwicklung notwendig sind, in die bestehenden Sprints von SCRUM fest integriert. Dies bedeutet, dass beispielsweise Modelle und Templates in jeder Iteration vollständig mit gepflegt werden müssen. Jeder Sprint umfasst dabei die komplette Umsetzung mindestens eines modellgetriebenen Entwicklungszyklus, bestehend aus (optional) Meta-Modell-Anpassung (optional) Migration bestehender Modell-Instanzen entsprechend der Meta-Modell-Änderungen Modell-Änderungen (optional) Template-Anpassungen Generatorlauf zur Code-Erzeugung Testausführung für modellbasierte Tests und Integrationstests Bei Spezialfällen von Iterationen, die reine Code-Artefakte betreffen, die nicht aus der modellgetriebenen Entwicklung stammen, ist für genau diese Iteration keines der zuvor genannten Artefakte anzupassen. 2.1 Artefakte Um eine gleichmäßige Entwicklung aller Artefakte in einem agilen modellgetriebenen Prozess sicherzustellen, müssen neben den konventionellen Artefakten wie Code auch die spezifisch modellgetriebenen Artefakte kontinuierlich mitentwickelt werden. In jeden Sprint müssen also die folgenden Artefakte eingebunden werden: Templates Modelle Meta-Modelle Generat (Code, Tests, Generierte Dokumentation) Integration Um Konsistenz zwischen Generat und Modellen sicherzustellen, muss in ein jeder Sprint in sich abgeschlossen sein. Jede Meta-Modell-Änderung muss von allen Modellen reflektiert werden und jede Modelländerung muss vom Generat (Code, Test, ggf. Dokumentation) widergespiegelt werden. Analog zu der Abgeschlossenheit von SCRUM Sprints werden die Konsistenzbedinungen auf die modellgetriebene Entwicklung übertragen. Dies ermöglicht kompakte kleinteilige Änderungen, stets lauffähige und potentiell lieferbare Produkte und abgeschlossene Qualitätssicherung am Ende eines jeden Sprints. 2.2 Begleitmaßnahmen Um eine agile Entwicklung zu ermöglichen, müssen die technischen unterstützenden Maßnahmen aus dem klassischen SCRUM adaptiert und erweitert werden. Um eine hohe Agilität mit schnellen Zyklen in modellgetriebenen Projekten zu erlauben, müssen dazu Begleitmaßnahmen operationalisiert (d.h. ohne Overhead direkt anwendbar) zu Verfügung stehen: Änderungen am Meta-Modell müssen verfolgt und versioniert werden um eine Nachvollziehbarkeit und Rückrollbarkeit wie in klassischen Entwicklungsprojekten zu gewährleisten. Meta-Modelländerungen müssen über automatische Modellmigration ( Ko-Evolution von Meta- Modell und Modellen) unterstützt werden. Die Definition und Generierung von Tests muss in Sprints integriert sein. Generierte Test müssen in der gleichen Weise wie handgeschriebene Tests in der Continuous Integration aufgenommen werden. Qualitätssicherung muss sich auch auf Artefakte der modellgetriebenen Entwicklung erstrecken. Für den generierten Code gelten dabei; mit Ausnahme von nach außen gereichten Schnittstellen, relaxierte Anforderungen. Die Qualitätssicherung erfolgt stattdessen auf Ebene der Templates. Diese Begleitmaßnahmen werden in L5.2 Detaillierte Dokumentation und Formalisierung der Entwicklungskette noch einmal ausführlich dargestellt und formalisiert. Werkzeugunterstützung 5

6 3 Entwicklungsprozess über Sprints hinweg Abbildung 3 Modellgetriebene Entwicklung über mehrere Sprints Sprints im SCRUM-Prozess sind jeweils in sich abgeschlossene kurz laufende Entwicklungsiterationen. Am Ende einer jeden Iteration steht ein potentiell lieferbares Produkt. Selbst nach den ersten Sprints eines Projekts ist damit gefordert, dass ein potentiell lieferbares Produkt zur Verfügung steht. In modellgetriebenen Entwicklungsprojekten muss berücksichtigt werden, dass, für den Fall, dass eigene Templates entwickelt werden sollen, hierzu zunächst eine Referenzimplementierung benötigt wird. Grundsätzlich stellt eine Referenzimplementierung erhöhte Initialaufwände dar. Wird eine Referenzimplementierung dann noch nicht agilen Prinzipien folgend erstellt, kollidiert die Anforderung der Erstellung einer Referenzimplementierung mit Entwicklungsprozessen wie SCRUM. Um diesen Konflikt aufzulösen, muss die agile Entwicklung übergreifen betrachtet werden und darf sich weder ausschließlich auf den Teil der Referenzimplementierung noch auf die modellgetriebene Entwicklung erstrecken. Abbildung 3 zeigt einen Ausschnitt aus einem agilen Entwicklungsprozess, der beide Teile gleichermaßen abdeckt. Dieser Prozess wird in den folgenden Kapiteln näher beschrieben. Die Grundsätzliche Idee ist die Überleitung aus klassischen Code-zentrierten Sprints hin zu Sprints mit steigenden Anteilen an modellgetriebener Tätigkeit. Vereinfacht gesagt wird in den ersten Sprints zu 100% von Hand codiert, in späteren Iterationen steigt der Anteil generierten Code immer weiter (bspw. 30%; je nach Projekt). Es werden also zunehmend Aufwände in Sprints für modellgetriebene Tätigkeiten (bspw. Modellerstellung, Template-Erstellung) verwendet. 3.1 Notwendigkeit der Referenzimplementierung Referenzimplementierungen werden grundsätzlich empfohlen, wenn eigene Templates abgeleitet werden müssen (siehe TODO). Dieser Schritt kann also auch in agilen Entwicklungsprojekten nicht entfallen. Durch den kontinuierlichen Übergang von der (Referenz-) Implementierung hin zur Entwicklung, die durch modellgetriebene Techniken unterstützt werden, kann der im vorangehenden Kapitel vorstellte erweiterte SCRUM-Prozess verwendet werden. Trotz Ausdehnung auf die Referenzimplementierung und modellgetriebene Entwicklung bleibt der Entwicklungsprozess damit agil und erlaubt kurze Entwicklungszyklen, schnelles Feedback, eine Reduktion von Risiken und eine Minimierung von Voraus- Aufwänden. Werkzeugunterstützung 6

7 In Projekten (dies liegt im Falle von ModAgile Mobile nicht vor) in denen bereits fertige Templates existieren oder eine Anwendung, die als Referenz genutzt werden kann, existieren, kann auf die dedizierte Entwicklung einer Referenzimplementierung verzichtet werden. 3.2 Agile Referenzimplementierung In einem agilen modellgetriebenen Entwicklungsprozess dient die Referenzimplementierung der Ableitung von Templates. Die Referenzimplementierung (auch Prototyp) wird über mehrere Sprints hinweg agil entwickelt wie ein gewöhnliches Software-Produkt. Dabei können neue Anforderungen schnell und einfach reflektiert werden. Das Ziel der Referenzimplementierung ist eine möglichst vollständige Umsetzung eines vertikalen Prototypen, der ausgewählte exemplarische Features aller Schichten der Architektur enthält. Dabei sind schematische Wiederholungen in der Implementierung zu vermeiden. So sollten beispielsweise keine drei gleichartige GUIs oder zehn Datenhaltungsklassen erstellt werden. Die Ausprägung wiederholter Muster verbleibt im Backlog und wird in modellgetriebene spätere Sprints verlagert. Neben klassischen Refactorings zur Steigerung der Code-Qualität im Hinblick auf klassische OO-Metriken wie Paketzyklen, kommt für spätere Iterationen der Referenzimplementierung die Optimierung auf Generierbarkeit hinzu. Dazu zählt beispielsweise eine starke Modularisierung im Hinblick auf zu generierende Bestandteile und die klare Definition der Architektur mit definierten Schnittstellen. Der Übergang der modellgetriebene Entwicklung kann erfolgen, wenn eine hinreichende Menge von Features in der Referenzimplementierung realisiert wurde. Indikatoren hierfür sind die Abdeckung aller Architekturschichten und die Umsetzung einfacher Funktionalität über alles Ebenen hinweg (bspw. Daten können in der Client-GUI eingegeben werden und finden sich schließlich auf der Server-Datenbank wider). Im Sinne der Risikominimierung stellt die Referenzimplementierung ein ablauffähiges Produkt dar, dessen Zustand stets Rückmeldungen erlaubt. Lediglich die Vorteile modellgetriebener Entwicklung ergeben sich für die Referenzimplementierung nicht, da repetitive schematische Code-Teile manuell umgesetzt werden müssen / müssten. 3.3 Modellgetriebene Entwicklung Ab dem Wechsel auf die modellgetriebene Entwicklung müssen die dazugehörigen Artefakte (Modelle, Templates, etc.) in jedem Sprint mit gepflegt werden. Zunächst kommen sehr statische grobe Templates zum Einsatz, die grundsätzlich den Code der Referenzimplementierung abbilden. Mit jeder weiteren Iteration werden dann Modelle, Templates und der entsprechende Code weiter verfeinert. Die Referenzimplementierung wird dann häufig in den Teilen, die bereits modellgetrieben erzeugt werden können, aufgegeben und nur noch modellgetrieben erzeugt. Dadurch entfällt eine Vermehrung des Wartungsaufwands für Referenzimplementierung und Templates. Änderungen durch bspw. neue Anforderungen werden gleichermaßen in klassischen Artefakten (wie Code, JUnit Testfällen) und modellgetriebenen Artefakten (wie Modellen und Templates) umgesetzt. Auch in modellgetriebenen Iterationen verbleiben die Arbeiten an manuell erzeugtem Code im Entwicklungsprozess. Allerdings nehmen die Aufwände für die manuelle Erzeugung von Code von Iteration zu Iteration ab. Es ist nicht das Ziel manuell erzeugten Code komplett abzulösen und durch generierten Code zu ersetzten. Selbst bei fortgeschrittenen Projekten sollten Code-Teile weiterhin von Hand geschrieben werden. In jeder Iteration sollten wie bei einer klassischen Entwicklung mittels Refactorings der eigene Code kritisch hinterfragt werden. Gibt es manuellen Code der ein repetitives Schema mehrfach (typischerweise > 3x) aufweist, so ist dieser Code ein Kandidat für die Überführung in generativen Code. Sprints, auch nach Abschluss der Referenzimplementierung sollten also die Extraktion weitere Modellelemente und Templates bzw. Template-Parametrisierung adressieren. Werkzeugunterstützung 7

8 3.4 Aufwandsverteilung über die Zeit 100% Aufwand 0% 100% Code-Größe 0% Manuelle Entwicklung 0 Referenzimplementierung Abbildung 4 Anteil von manueller Entwicklung und generiertem Code über die Zeit Anteil der Generierung Code-Größe (Gesamt) Zeit In Abbildung 4 wir der zeitliche Verlauf für Aufwände zur Erstellung von manuell geschriebenem Code und dem Anteil des generierten Code im zeitlichen Verlauf dargestellt. Über den gesamten Entwicklungszeitraum steigt dabei die Code-Größe an. Es ist zu beachten, dass es keine Sprünge gibt, da die Umstellung von manueller auf generativer Entwicklung kontinuierlich erfolgt. In der Mitte des zeitlichen Verlaufs ist der Abschluss der Referenzimplementierung zu sehen, aber der die modellgetriebene Entwicklung startet. 3.5 Merkmale eines agilen modellgetriebenen Entwicklungsprozesses In der Zusammenfassung ergeben sich die folgenden Eigenschaften eines agilen modellgetriebenen Entwicklungsprozesses: Referenzimplementierung / Prototyp notwendig vor der Umstellung auf modellgetriebene Entwicklung Referenzimplementierung immer notwendig wenn eigene Templates erstellt werden sollen Referenzimplementierung sollte vor allem ein vertikaler Prototyp sein Agiler Prozess und Bildung des Sprint Backlog vor allem mit Priorität für vertikalen Feature- Reichtum Kontinuierliche Überleitung zwischen manueller Entwicklung und dem Einsatz modellgetriebenen Techniken Qualitätssicherungsmaßnahmen sind in der Vorbereitung für die Generierung sowie begleitend für modellgetriebene Artefakte notwendig. Die Referenzimplementierung muss im Hinblick auf Generierbarkeit aus Architektur- und Codesicht aufgeräumt werden, um einen sanften Übergang zu generiertem Code mit hoher Qualität und wartbaren Templates zu ermöglichen. Modellgetriebene Artefakte müssen vollständig in Sprints mit modellgetriebenen Anteilen als gleichwertig berücksichtigt werden. 4 Testbasierte modellgetriebene Entwicklung Zur Umsetzung eines agilen Software-Entwicklungsprozesses ist eine testgestützte Entwicklung vorausgesetzt, da ansonsten agile Ansprüche wie häufige Refactorings, Architekturänderungen und der Anspruch auf Rückmeldungen durch die Anwendung selbst nicht erfüllt werden können. Die folgende Tabelle zeigt die Unterschiede zum Testen in der klassischen Software-Entwicklung auf: Schritt Klassisches Testen Modellgetriebenes Testen 1 Erstellung der Testfälle Erstellung von Ankerpunkten auf der ( Test first ) 2 Generierung von Ankerpunkten im Code (Klassen- + Methodendefinitionen) durch Refactorings Modellseite (Def. von Basisstrukturen) Erstellung von Tests auf Basis von Basisstrukturen aus den Ankerpunkten 3 Erstellung der Anwendungslogik / Erstellung der Anwendungslogik / Werkzeugunterstützung 8

9 Implementierung Implementierung Die Schritte 1 und 2 sind bei modellgetriebenem Testen gegenüber klassischer testgetriebener Entwicklung vertauscht. Die Gründe dafür liegen vor allem in technischen Einschränkungen. Während beim klassischen Testen nicht existierende Klassen und Methoden referenziert werden können (der dazu zu erstellende Text darf unvollständig und nicht compilierbar sein) und dann über IDE- Unterstützungen Klassen- und Methodendefinition erzeugt werden, sind bei modellgetriebener Entwicklung diese Referenzen ins Leere derzeit (technisch) nicht möglich. Die Enden von Referenzen (Referenzen auf existierende Modellelemente) sind nur für bestehende Modellelemente möglich, da die Modellintegrität ansonsten nicht sichergestellt wäre. Aus diesem Grunde stellt Schritt 1 im modellgetriebenen Fall eine Art Ramp up -Phase dar, die für die Folgeschritte zwingend notwendig ist. Gleichwohl wird dann im ersten Schritt noch keine Anwendungslogik oder eine andere Form der Implementierungsbeschreibung geliefert. Schritt 1 bezieht sich im modellgetriebenen Fall lediglich auf die Definition von Ankerpunkten. 5 Literaturverzeichnis [1] Beck et al., Manifesto for Agile Software Development, [Online]. Available: [2] J. Sutherland und K. Schwaber, The Scrum Guide, July [Online]. Available: [3] T. Horn, Scrum, [Online]. Available: Werkzeugunterstützung 9

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