Softwareentwicklung mit der UML

Transkript

1 Der Vortrag beschäftigt sich mit den Vorteilen domänenbezogener Modellierung. Es werden Aspekte bei der klassischen Softwareentwicklung und Einschränkungen bei der Abstraktion mit der UML aufgezeigt. Anschließend werden Vorteile und Mehrwerte von domänenbezogenen Sprachen (DSL) erörtert. Außerdem werden Eclipse-Technologien vorgestellt, die beim Erstellen einer DSL und darauf basierenden Editoren unterstützen. Zum Schluss wird ein Forschungsprojekt in diesem Bereich vorgestellt. Softwareentwicklung mit der UML Es hat sich weitgehend das objektorientierte Paradigma im Bereich des Software-Engineering durchgesetzt. Als Beschreibungsmittel wird die Unified Modeling Language (UML) verwendet. Obwohl dieses Vorgehen auch für den Entwurf und die Realisierung eingebetteter System anwendbar ist, erfolgt deren Implementierung noch oft in klassischer Weise in C oder Assembler mit den bekannten Nachteilen (vergleiche [Bik09]). Damit neue Teammitglieder sich in den Quellcode einarbeiten können, muss ein erheblicher Aufwand getrieben werden, um den Code während der Entwicklung zu dokumentieren. Werden UML-Diagramme zur Erstellung der Softwarearchitektur verwendet, erhält der Entwickler bereits eine Abstraktion des Codes, die als (zusätzliche) Dokumentation verwendet werden kann. Anhand der Diagramme kann die zu entwickelnde Software leicht mit Managern oder Kunden besprochen werden, ohne dass diese detaillierte Kenntnisse in der verwendeten Programmiersprache benötigen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Entwickler die Anforderungen an die Software vollständig und korrekt erfasst haben und diese umgesetzt werden. Das Erfassen der Systemarchitektur in Form von UML-Diagrammen unterstützt dabei, den Überblick über große Projekte zu behalten. Dadurch wird die Projektkoordination erleichtert und unnötige Fehler können frühzeitig erkennt und vermieden werden. Die UML bietet in der aktuellen Version 2.2 dreizehn Standard-Diagramme (siehe [UML07]), um die Software aus verschiedenen Blickwinkeln zu beschreiben. Sie alle dienen jedoch nur zur Abstraktion des Quellcodes. Es sind immer noch Grundkenntnisse der Programmierung erforderlich, um alle Diagramme vollständig zu verstehen. Weiterhin bietet die UML mit den verschiedenen Diagrammen so viele Möglichkeiten, dass Anfänger schnell überfordert sind oder nicht wissen, welche Diagramme und Elemente sie sinnvoll für ihr Projekt einsetzen können. Auch gibt es Anwendungsbereiche, wo nur schlecht oder gar nicht mit der UML abstrahiert werden kann. Darüber hinaus wird gerade in den embedded Bereichen, mit domänenspezifischen Diagrammen gearbeitet, z.b. regelungstechnische Blockschaltbildern, die noch weiter als die UML vom Code abstrahieren. Ziel muss es sein, die Vorteile der UML zu nutzen ohne auf die domänenspezifischen Beschreibungen verzichten zu müssen. Domänenspezifische Sprachen (DSL) und zugehörige Diagramme Domänenbezogene Sprachen und darauf basierende Diagramme können speziell auf einen Anwendungsbereich zugeschnitten werden. Es können bestimmte Fachwörter einer Domäne

2 integriert werden, so dass Domänenexperten die Sprache leicht verstehen können. Bewegt man sich aus dem embedded Bereich heraus und bewertet Ansätze aus anderen Domänen, so gibt es nach [Pekk06] beispielsweise bei Versicherungen die Fachbegriffe Risiko, Bonus und Schaden. Die Vorgänge bei einer Versicherung werden durch diese Begriffe wesentlich besser erläutert, als Klassen einer Programmiersprache es könnten. Eine domänenspezifische Sprache speziell für Versicherungen kann außerdem berücksichtigen, dass die modellierten Versicherungsangebote den Regeln des Versicherungswesens entsprechen. Das resultierende Modell kann dadurch viel kompakter ausfallen, als es mit den Mitteln der UML möglich wäre (siehe [TWH]). Ein Beispiel für ein domänenspezifisches Diagramm in der embedded Anwendung ist in Abbildung 1 zu sehen. Es sind einige Komponenten eines Fahrzeugsystems dargestellt und wie diese über einen CAN-Bus kommunizieren können. Das Diagramm kann jeder Fahrzeugtechniker intuitiv verstehen. Abbildung 1: Beispiel für ein domänenspezifisches Diagramm (CAN-Bus) Würde dieses System mithilfe der UML modelliert werden, wäre erheblich mehr Aufwand zu betreiben. Es müssten Klassendiagramme, zugehörigen Zustandsdiagramme und weitere Diagramme modelliert werden, die eine wesentlich höhere Komplexität aufweisen würden. Eine perfekt auf das Diagramm aus Abbildung 1 zugeschnittene Codegenerierung, könnte denselben Code erzeugen wie aus mehreren UML-Diagrammen. Durch die erhebliche Vereinfachung wäre der Gewinn für die Entwicklung immens: Unter anderem kann Entwicklungszeit eingespart und die Qualität erhöht werden. Doch nicht für jede Domäne gibt es ein spezielles Werkzeug, mit denen sich auf die eigenen Bedürfnisse zugeschnittene Diagramme erstellen, simulieren und Code generieren lassen. Ein eigenes Werkzeug zu entwickeln kostet in der Regel zu viel Zeit und Geld. Die Eclipse Technologie kann durch das Plug-In Konzept eine Lösung liefern.

3 Eclipse-Technologien zum Erzeugen von Editoren Das Eclipse Modeling Framework (EMF) ermöglicht das Definieren von Metamodellen in Form von Ecore-Modellen (siehe [Dav09]). Das Ecore-Modell von EMF basiert auf der Essential Meta Object Facility (EMOF). Zu Ecore-Modellen lässt sich mit dem Graphical Modeling Framework (GMF) ein äußerst komfortabler, grafischer Editor erstellen. Nach [Noy09] werden dazu verschiedene GMF- Modelle erstellt und bearbeitet. Aus diesen GMF-Modellen wird anschließend der Quellcode für den grafischen Editor generiert. Durch diesen Arbeitsprozess wird erheblich die Entwicklungszeit für einen grafischen Editor verkürzt und Standard-Funktionen müssen nicht von Hand implementiert werden. Abbildung 2 zeigt exemplarisch einen mit GMF erstellten grafischen Editor zum Modellieren von Workflows. Abbildung 2: Ein mit GMF erstellter Editor zum Modellieren von Workflows Der Editor aus Abbildung 2 ist außerdem um eine Funktion zur Simulation erweitert worden. Mit GMF generierte Editoren lassen sich also auch im Nachhinein gut um andere Funktionen erweitern. Durch Integration von weiteren Eclipse-Technologien wie Xpand lässt sich zusätzlich auf einfache Weise eine Codegenerierung (Modell zu Text Transformation) hinzufügen.

4 Die Autoren haben mit der EMF und GMF Technologie bereits Erfahrungen gesammelt und erste Prototypen entwickelt. Im Vortrag soll unter anderem aufgezeigt werden, welche Möglichkeiten sich ergeben, wenn Werkzeuge auf Basis von Eclipse entwickelt werden. Forschungsprojekt an der Ostfalia Hochschule An der Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften wird derzeit ein Forschungsprojekt unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Gert Bikker durchgeführt, um ein Tool- Framework zur Entwicklung eingebetteter Systeme zu konzipieren. Das Projekt wird gefördert durch das BMBF im Rahmen des Programms IngenieurNachwuchs Informatik 2009 (Förderkennzeichen: 17N0209). Es soll kein abgeschlossenes UML-Tool entstehen, sondern das Werkzeug-Rahmenwerk selbst wird bei der Erzeugung angepasster Systementwicklungswerkzeuge in den Fokus gerückt. In diesem Rahmen sollen die Modellierungsdiagramme domänenspezifsch, d.h. für bestimmte Problemfelder angepasst werden können und die automatische Code-Generierung für embedded Systems möglich sein (siehe [Bik09]). In Abbildung 3 wird das Arbeiten mit dem Werkzeug als Diagramm dargestellt. Abbildung 3: Modellieren statt Programmieren von eingebetteten Systemen Es wird großer Wert darauf gelegt, dass der Anwender beim Entwicklungsprozess unterstützt werden kann. Dazu sollen Entwicklungsmethodiken dem Anwender Schritt für Schritt bei der Entwicklung führen können. Weiterhin soll das Werkzeug Möglichkeiten für das Variantenmanagement zur Verfügung stellen.

5 Ostfalia Cup an der Ostfalia Hochschule und sein Einfluss Der Ostfalia Cup beschäftigt sich mit der Entwicklung autonom fahrender Fahrzeuge. Ein Team von Studenten entwickelt in diesem Rahmen die eingebettete Software für ein Fahrzeug. Dafür werden bereits die Vorteile modellgetriebener Softwareentwicklung in Verbindung mit Code-Generatoren verwendet. Das Team des Ostfalia Cups unterstützt mit seinen praktischen Erfahrungen die Autoren bei der Entwicklung des Tool-Frameworks des Forschungsprojekts. Angaben zu den Autoren: B.Sc. Kevin Barwich Firma: Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften Funktion: Master-Student und wissenschaftlicher Mitarbeiter B.Sc. Arne Noyer Firma: Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften Funktion: Master-Student und wissenschaftlicher Mitarbeiter B.Sc. Mathias Langer Firma: Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften Funktion: Master-Student und wissenschaftlicher Mitarbeiter

6 Die Referenten haben während ihres Bachelor-Studiums ein fundiertes Fachwissen im Bereich modellbasierter Softwareentwicklung und Eclipse-Technologien erworben. Die Kenntnisse wurden konkret in einem Projekt und in ihren Bachelorarbeiten angewandt. Dies qualifizierte sie für das Forschungsprojekt an der Ostfalia Hochschule. Parallel absolvieren sie ein Master-Studium im Fach Informatik. Quellen: [Bik09] Prof. Dr.-Ing. Gert Bikker: Offenes Tool-Framework zur Entwicklung eingebetteter Systeme (Forschungsprojekt-Beschreibung), 2009 [UML07] Rupp, Queins, Zengler: UML 2 glasklar, Hanser Fachbuch, 2007 [Pekk06] [TWH] [Dav09] [Noy09] Dr. Juha Pekka Tolvanen: Domänenspezifische Modellierung für vollständige Code-Generierung, 2006, Terfloth, Wendler, Habiger: Domänenspezifische Editoren für die Entwicklung von Embedded Systems, Steinberg, Budinsky, Paternostro, Merks: EMF Eclipse Modeling Framework, Addison-Wesley, 2. Auflage, 2009 Arne Noyer: Entwurf und Realisierung eines Metamodell-Editors für Anforderungsmanagement (Bachelorarbeit), Ostfalia Hochschule, 2009