Controlled, systematic, and efficient code replacement for running Java programs

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1 Research Collection Doctoral Thesis Controlled, systematic, and efficient code replacement for running Java programs Author(s): Nicoar, Angela Publication Date: 2007 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 Diss. ETH No Controlled, Systematic, and Efficient Code Replacement for Running Java Programs A dissertation submitted to ETH ZURICH for the degree of Doctar of Seiences presented by ANGELA NICOARA Engineer Diploma, "Politehnica" University of Timisoara born January 6, 1978 citizen of Romania accepted on the reconunendation of Prof. Dr. Gustavo Alonso, cxaminer Prof. Dr. Thomas Gross, co-examiner Prof. Dr. Timothy Roscoe, co-examiner 2007

3 Abstract Dynamic adaptation is one of the greatest challenges for software engineering and is increasingly important, as the computing environments continue to expand and diversify. Applications which execute in such environments need to adapt to changing settings they encounter during their active life time. They should be able to react and modify their behavior dynamical1y in response to changes in their execution environments, without being required to be preprogrammed with the software functionality needed for typical adaptations. The research presented in this dissertation addresses this challenge. The first part of this dissertation presents PROSE, an infrastructure that supports dynamic adaptation by extending applications at runtime. The system performs reversible and systematic changes to running Java applications without requiring them to be shut down. Modifications take the form of replacement method bodies, and can use both type-based and regular expression patterns to select code for replacement. New code can make use of replaced method implementations cleanly, facilitating code evolution. Changes are composable, and may be reordercd or selectively withdrawn at any time. The rnodifications are expressed as Java classes, providing additional development benefits. We describe the architecture of PROSE, the challenges of using aggressive inlining to achieve high performance, and use standard benchmarks to demonstrate code performance comparable with, or better than, compile time systems from the Aspect-Oriented Programming community. There is a growing number of applications which need to run continuously for a long period of time and have long-lived objects which need to be made persistent. The secend part of this dissertation presents the application of PROSE in the implementation of dynamic persistence. That is persistence becomes not only an orthogonal concern but one that can be added to an application at runtime without interrupting its operations. With dynarnic persistence we make the application independent of the container, so it can move from container to container and be made persistent at runtime without having to stop or redeploy the code. Dur approach is a dynamic infrastructure based on PROSE where persistence functionality can be dynamically added or removed from running applications. By using this approach, persistence behavior can be addcd to existing applications without requiring to modify their original code. We prescnt its flexible architecture, which allows the exploration of new forms of persistence extensions, and present performance data on the costs to persist the state of an application statically and dynamically. v

4 Zusammenfassung Dynamische Adaptierung ist eine der grössten Herausforderungen im Software Engineering, welche stetig wichtiger wird, während Rechenumgebungen weiter expandieren und diversifizieren. Applikationen, welche in solchen Umgebungen ausführt werden, müssen sich während der Laufzeit den stetig verändernden Anforderungen anpassen. Sie sollten hierfür in der Lage sein, auf Änderungen in ihrer Ausführungsumgebung zu reagieren und ihr Verhalten dynamisch anzupassen, ohne für Adaptierung vorprogrammiert sein zu müssen. Die in dieser Arbeit präsentierte Forschung befasst sich mit dieser Herausforderung. Der erste Teil dieser Dissertation präsentiert PROSE, eine Infrastruktur, welche dynamische Adaptierung durch die Erweiterung von Applikationen zur Laufzeit unterstützt. Das System nimmt reversible und systematische Änderungen an laufenden Java Applikationen vor, ohne das Herunterfahren dieser Applikationen zu erfordern. Modifikationen haben die Form von Ersatz-Funktionsrümpfen und können sowohl typbasierte als auch auf regulären Ausdrücken basierende Muster verwenden, um Code für die Ersetzung auszuwählen. Neuer Code kann sauber von den ersetzten Methodenaufrufen Gebrauch machen, welches die Code Evolution unterstützt. Änderungen sind zusammensetzbar und können zu jeder Zeit neu geordnet oder selektiv zurückgezogen werden. Modifikationen werden als Java Klassen ausgedrückt, was weitere Vorzüge bei der Entwicklung mit sich bringt. Wir beschreiben die Architektur von PROSE, Herausforderungen der Verwendung von aggressivem Inlining zur Steigerung der Performanz und verwenden standardisierte Benchmarks um Code-Performanz vergleichbar mit oder besser als die von Ansätzen zur Adaption während der Kompilierzeit zu demonstrieren. Eine zunehmende Zahl von Applikationen muss ununterbrochen für eine lange Zeitperiode laufen und besitzt langlebige Objekte, welche persistent gemacht werden müssen. Der zweite Teil dieser Dissertation präsentiert die Anwendung von PROSE in der Implernentation von dynamischer Persistenz. Dies bedeutet, dass Persistenz nicht mehr nur ein orthogonaler Belang ist, sondern ein Anliegen, welches zu einer Applikation zur Laufzeit hinzugefügt werden kann ohne deren Operationen zu Unterbrechen. Mit dynamischer Persistenz machen wir die Applikation unabhängig von ihrem Container, so dass sie sich von Container zu Container bewegen und zur Laufzeit persistent gemacht werden kann, ohne einen Stopp oder ncues Einspielen von Code zu erfordern. Unser Ansatz ist eine auf PROSE basierende dynamische Infrastruktur, mit der Persistenzfunktionalität dynamisch zu laufenden Applikationen hinzugefügt und von diesen entfernt werden kann. Durch den Einsatz dieses Ansatzes kann Persistenzverhalten zu bereits existierenden Applikationen hinzugefügt werden, ohne vii

5 viii deren Code verändern zu müssen. Wir präsentieren dafür eine flexible Architektur, welche die Erforschung neuer Formen von Persistenzerweiterungen erlaubt und präsentieren Performanzdaten über die Kosten der statischen und dynamischen Persistenz einer Applikation.