Grundlagen von MOF. Alexander Gepting 1

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1 Grundlagen von MOF Alexander Gepting 1 Kurzfassung Meta-Object Facility (MOF) ist ein Standard der OMG der im Rahmen der Standardisierung von Modellierungstechniken für verteilte Architekturen und Softwaresysteme spezifiziert wurde. Die MOF-Spezifikation definiert eine abstrakte Sprache sowie ein Framework um technologie- und plattformunabhängige Metamodelle zu spezifizieren, konstruieren und zu verwalten[1]. Im Verlauf dieses Dokuments werden die Grundlagen von MOF vermittelt, sowie auf dessen Rolle innerhalb von MDA-Framework eingegangen. Einführung MOF wurde 1997 von der OMG im ratifiziert, noch bevor jemand laut über XML oder Java sprach. Als wichtiges Bestandteil des MDA-Framework wurde MOF seit dem konsequent weiter entwickelt. Seine Entstehung verdankt MOF der Notwendigkeit die unterschiedlichen Modelle und deren Metamodelle einheitlich zu beschreiben. Da eng mit OMG und MDA verbunden wird im Verlauf dieses Dokuments zunächst auf deren grundlegende Konzepte eingegangen. Es werden dann die Grundbegriffe der Modellierung und Metamodellierung erläutern und - darauf aufbauend - das MOF Konzept mit seiner Architektur, Erweiterungen und Bedeutung innerhalb von MDA. OMG und MDA Object Management Group (OMG) ist ein offenes Konsortium aus über 600 Firmen aus aller Welt und unterschiedlichen Branchen und wurde 1989 gegründet. Primäres Ziel der OMG ist es die Erstellung von hersteller- und plattformunabhängigen Spezifikationen zur Verbesserung der Interoperabilität und Portabilität von Softwaresystemen. Bekanntesten Vertreter dieser Spezifikationen sind CORBA, UML, XMI und MOF. Der neuste Standard der OMG heißt MDA (Model Driven Architecture). MDA ist ein Framework für die Softwareentwicklung mit dessen Hilfe die Entwicklungsgeschwindigkeit und Qualität der Software gesteigert werden soll. Erreicht werden soll das durch formal eindeutige Modelle und automatisierte Kodegenerierung. Sind die Modelle formal eindeutig, bzw. wurden sie mit formal eindeutig definierter Modellierungssprache modelliert, so lässt sich durch den Einsatz von Generatoren bzw. Softwareschablonen die Softwarequalität erheblich steigern, da beim Auftreten von Fehlern diese sich leicht direkt in Codegeneratoren beseitigen lassen. Durch die Modellierung auf 1 Universität Paderborn, Institut für Informatik, gepting@upb.de 1

2 einer höheren Abstraktionsebene verspricht man sich außerdem eine einfachere Handhabung von Komplexität und klare Trennung zwischen fachlichen und technischen Anteilen. Erreicht werden sollen diese Ziele durch die Definition der drei Phasen der MDA: PIM, PSM und Code (s. Abbildung 1). PIM (Platform Independent Model) ist eine fachliche Spezifikation des Systems mittels einer formal eindeutigen Modellierungssprache die von der späteren Zielplattform (J2EE,.NET, ) vollständig unabhängig ist. Aus einem PIM werden dann in der Regel vollständig automatisiert eine oder mehrere PSMs (Plattform Specific Model) generiert. Diese plattformabhängigen Modelle enthalten die spezifischen Konzepte der Zielplattform. So könnte zum Beispiel ein PSM für eine relationale Datenbank Konstrukte wie table, column, foreign key usw. enthalten. Im nächsten (und letzten) Schritt werden die PSMs mit Unterstützung weiterer Tools jeweils in Code transformiert. Da ein PSM relativ nah an die Zielplattform anlehnt, ist die Kodegenerierung relativ unproblematisch. Die Transformationen von PIM in PSMs sind weitaus komplexer und können in der Praxis noch nicht zu hundert Prozent automatisch ausgeführt werden. Abbildung 1 Im Großen und Ganzen unterscheidet sich der MDA-Entwicklungsprozess nicht von den traditionellen Ansätzen. Ein wesentlicher Unterschied besteht jedoch darin, dass die Transformation der Modelle im MDA-Kontext vollständig automatisch mit Unterstützung von Transormationstools - abzulaufen. In den traditionellen Entwicklungen werden die Transformationen von Modell zu Modell und Modell zu Code in meisten Fällen noch per Hand ausgeführt. MOF Grundbegriffe: Innerhalb von MDA- Framework ist ein Modell eine Beschreibung des Systems, oder einen Teil davon, in einer wohldefinierten 2 Sprache (Modellierungssprache). Alle Modelle werden in einer Modellierungssprache beschrieben, aber erst die Sprache mit eindeutigen Syntax und Semantik ermöglicht es Modelle zu beschreiben, die reich an Informationen sind um sie automatisch transformieren zu können. In der Regel werden Modelle in UML definiert. Im MDA-Kontext sind die UML-Diagramme jedoch nicht gleich MDA-Modelle, da sie oft semantisch nicht eindeutig sind 3 (z.b. Use Cases). Ein Metamodell ist eine modellhafte Beschreibung einer Modellierungssprache. Beschreibt ein Modell welche Elemente in einem System existieren, dann definiert das Metamodell welche Elemente in dem Modell benutzt werden können. So beschreibt das UML Metamodell 2 Wohldefinierte Sprache hat eine eindeutige Syntax und Semantik (hier im MDA-Kontext) 3 Durch eine Kombination von UML und OCL (Object Constraint Language) oder UML Profile lassen sich jedoch die UML-Diagramme semantisch anreichern. 2

3 welche Konstrukte (z.b. Class, State, Package, ) in einem UML Modell benutzt werden können. Da ein Metamodell wiederum ein Modell ist, kann es seinerseits in einer wohldefinierten Sprache beschrieben werden - die Metasprache (s. Abbildung 2). beschrieben in definiert durch beschrieben in Modell Sprache Metamodell Metasprache Abbildung 2 Weil das Metamodell die Modellierungssprache vollständig definiert, werden im MDA- Kontext beide Begriffe als Synonyme behandelt. In der Theorie könnte man das Verfahren unendlich weit fortsetzen und die Metasprache (die wieder eine Sprache ist) jeweils durch ein - in einer anderen Metasprache beschriebenes - Metamodell definieren. OMG definiert hier für seine Standards jedoch nur vier Schichten. Wir werden später sehen warum. Architektur Für ihre Standards innerhalb der MDA hat OMG Vier-Schichten Architektur eingeführt und sie mit M0, M1, M2 und M3 gekennzeichnet (s. Abbildung 3). M3 Schicht M3 Schicht ist MOF mit seinen Elementen wie MOF-Class, MOF-Attribute, MOF- Associations usw.(s. Abbildung 6 MOF Metamodell (vereinfacht) Anhang), die als Modellierungskonstrukte benutzt werden um Metamodelle zu definieren. Mit anderen Worten, MOF-Schicht spezifiziert eine abstrakte Sprache um andere Modellierungssprachen zu beschreiben 4. Innerhalb von OMG ist MOF die Standard-M3-Sprache. Alle anderen Modellierungssprachen (wie UML, CWM, usw.) sind Instanzen von MOF[1]. M2 Schicht M2 Schicht ist die Metamodell-Schicht. Sie beinhaltet sozusagen die Menge der (MOFkompatiblen) Metamodellen, die mit Hilfe der MOF Modellierungskonstrukten definiert werden. Jede dieser Metamodelle legt wiederum eine abstrakte Syntax und Semantik fest und ist eine Instanz der M3 Schicht. M1 Schicht M1 ist die Modell-Schicht. So wie die M2 Schicht die Menge der MOF-kompatiblen Metamodellen repräsentiert, ist die M1 Schicht die Menge der zu in M2 definiertem Metamodell kompatiblen Modelle. Das heißt jedes Modell (z.b. UML Modell eines Softwaresystems) ist eine Instanz des Metamodells. M0 Schicht Diese Schicht ist die unterste Ebene und repräsentier das laufende System bzw. Programmzustand mit realen Instanzen im Speicher. Auch hier ist jedes Objekt eine Instanz eines Elements aus der M1 Schicht. 4 Oft wird MOF als Meta-Metamodell bezeichnet, was im Wesentlichen richtig ist (MOF ist das Modell des Metamodells) jedoch oft zur Verwirrungen führt. 3

4 Abbildung 3 Weitere Schichten Prinzipiell lassen sich weitere Schichten definieren, was sich jedoch in der Praxis nicht als besonders hilfreich herausgestellt hat. Anstatt eine M4 Schicht zu definieren, hat OMG festgelegt, dass alle Modellierungskonstrukte der M3 Schicht als Instanzen von sich selbst definiert werden. Somit, technisch gesehen, ist MOF selbs beschreibend und wird daher oft als MOF Model bezeichnet. MOF Metamodellierung Für die Beschreibung der abstrakten Syntax von Metamodellen lassen sich die UML Klassenkonstrukte verwenden (s. Abbildung 4: Beispiel: einfaches relationales Metamodell). Daher sehen die MOF Metamodelle den UML- Klassendiagrammen sehr ähnlich, und es lassen sich dementsprechend bereits vorhandene UML-Tools verwenden um die Metamodelle zu definieren. Auch OCLs und UML Profile können benutzt werden um die Metamodelle zu präzisieren. 4

5 Abbildung 4: Beispiel: einfaches relationales Metamodell (M2) MOF und nicht OO-Metamodelle Die Tatsache, dass die UML-Klassenkonstrukte benutzt werden um MOF kompatible Metamodelle zu definieren führt nicht automatisch zur Einschränkung auf OO-Metamodelle. Bei der Benutzung von UML für das Klassenmodell lässt die Verwendung von Vererbung nicht notwendigerweise darauf zurückführen, dass das UML Metamodell MOF kompatibel ist 5. Vielmehr ist das die Konsequenz daraus, dass die Vererbung im UML Metamodell explizit definiert wurde. So wird das Attribut name in der Abbildung 4: Beispiel: einfaches relationales Metamodell (M2) von Table und Column geerbt, jedoch nur weil MOF dafür notwendige Konstrukte bereitstellt. Das zum Metamodell konforme Modell würde z.b. keine Vererbung von Table oder Column konstruieren können, da es im Metamodell nicht expliziert definiert ist. Erweiterungen MOF wird nicht nur benutzt um Modellierungssprachen zu definieren, sondern bieten auch die Möglichkeit Werkzeuge für die Definition bzw. Erzeugung von Modellierungssprachen zu bauen. Hierfür stellt MOF Interfaces zur Verfügung um auf M1 Modelle zuzugreifen (s. Abbildung 5 Quelle: MOF 1.4 Spezifikation). Der bekannteste Vertreter dieser Funktionalität ist JMI (Java Metadata Interchange). Auch den Austausch von Stream- und Dateibasierten M1 Modellen sowie M2 Metamodellen werden von MOF unterstützt. Der Austauschformat ist auf XML basierend und heißt XMI (XML Metadata Interchange). Abbildung 5 Quelle: MOF 1.4 Spezifikation 5 Ab MOF 2.0 ist es geplant auch UML MOF-kompatibel zu machen. 5

6 MOF in MDA MOF spielt eine entscheidende Rolle im MDA-Framework. Erst durch die in MOF definierten Modellierungssprachen (Metamodelle der M2 Schicht) wird es möglich Modell- Transformationen im Sinne von MDA durchzuführen. Ein Transformationstool kann nun die nächst höhere M -Schicht lesen und interpretieren, um die darunter liegende M -Schicht als Modellinput zu verstehen. Zusammenfassung MOF ist eine Art Bausteinkasten für alle möglichen Modellierungssprachen. Anders als bei früheren Ansätzen versucht MOF nicht alle Modelle unter einer Modellierungssprache zu vereinigen, sondern annimmt, dass es unterschiedliche Modellierungssprachen für unterschiedliche Systemarchitekturen mit unterschiedlichen Abstraktionsebenen gibt, und definiert daher eine abstrakte Sprache um diese einheitlich zu beschreiben. Die so definierten Modellierungssprachen sind unabhängig von Informationsformatierungstechnologien (XML- DTD oder XML-Schema), 3/4GL Programmiersprachen (z.b. Java, C++, C#, ) und Middleware (CORBA, J2EE,.NET). Literatur [1] MOF Spezifikation Version [2] Anneke Kleppe, Jos Warmer, Wim Bast. MDA Explained: The Model Driven Architecture : Practice and Promise. Addison Wesley, April 21,

7 Anhang Abbildung 6 MOF Metamodell (vereinfacht) 7