Breve Histórico de Linguagens de Modelagem

Breve Histórico de Linguagens e
Metodologias de Modelagem de
Software
Linguagens de Modelagem de SW
• Formais, Informais, Semi-formais
• Algébricas, Visuais
Algumas linguagens/processos
apresentados brevemente
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Fluxograma
Análise Estruturada e suas extensões
IDEFs
Z
VDM
B
Modelica
Alloy
Statecharts
SDL
Álgebra de Processos (ACP, CCS, CSP)
Redes de Petri
SysML
UML
Fluxogramas
• Usado desde a década de 1940 para
especificar software
• Muito usado nas décadas de 1960 e 1970
• Flowchrating techniques (IBM 1969):
http://www.fhjena.de/~kleine/history/software/IBMFlowchartingTechniques-GC20-8152-1.pdf
Fluxogramas
Fluxogramas
• Caiu em desuso com as técnicas estruturadas
– Mas ainda é usado para especificação de
processos e software.
Análise Estruturada
• Diversos autores
– Larry Constantine and Ed Yourdon (1975).
Structured Design. Yourdon Press.
– Chris Gane and Trish Sarson. Structured Systems
Analysis: Tools and Techniques. McDonnell
Douglas Systems Integration Company, 1977
– Tom DeMarco (1979). Structured Analysis and
System Specification. Prentice Hall.
– Edward Yourdon (1989). Modern Structured
Analysis, Yourdon Press Computing Series, 1989
Análise Estruturada
• Idéias estruturadas de 1960 e 1970’s
– Structured program theorem (Böhm-Jacopini theorem
- 1966) – “Flow Diagrams, Turing Machines and
Languages with Only Two Formation Rules" (May
1966). Comm. ACM, 9(5):366-371
• Any algorithm can be expressed using only three control
structures. They are
– Executing one subprogram, and then another subprogram
(sequence)
– Executing one of two subprograms according to the value of a
boolean expression (selection)
– Executing a subprogram until a boolean expression is true
(iteration)
Análise Estruturada
– Programação estruturada
• Go To Statement Considered Harmful (Dijsktra, 1968)
"The go to statement as it stands is just too primitive, it
is too much an invitation to make a mess of one's
program."
– O.-J. Dahl, E. W. Dijkstra, C. A. R. Hoare Structured
Programming, Academic Press, London, 1972
– Algol, Pascal, C
Análise Estruturada para Sistemas de
Tempo de Real
• Inclusão de diagrama de fluxo de controle
• Derek J. Hatley, Imtiaz A. Pirbhai (1988).
Strategies for Real Time System Specification.
John Wiley and Sons Ltd.
• Stephen J. Mellor und Paul T. Ward (1986).
Structured Development for Real-Time
Systems: Implementation Modeling
Techniques: 003. Prentice Hall.
Ferramentas da Análise Estruturada
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•
Diagrama de Fluxo de Dados
Dicionário de Dados
Pseudo-código/Linguagem estruturada
Árvores de decisão
Tabelas de Decisão
Diagrama Entidade-Relacionamento
Diagrama de Fluxo de Dados
• Modelo lógico do software
– Independente de hardware, software, estrutura de
dados...
• Pode ser particionado em diversos níveis de
abstração (Contexto ou nível 0, nível 1, ...)
• 4 elementos básicos
–
–
–
–
Entidade externa (origem/destino)
Processo
Depósito de dados
Fluxo de dados
Entidade Externa
• Define a origem ou o destino dos dados
• Normalmente é uma pessoa ou grupo de
pessoas, uma organização, ou parte dela, um
hardware ou software
• Produz e recebe informação
Processo
• Transforma dados
• Pode representar um software, vários softwares, um
módulo, ...
• Geralmente provoca mudança de estado, estrutura
ou conteúdo
• A numeração não indica sequência de ações
• Geralmente são verbos na especificação
Depósito de dados
• Pode ser um arquivo, uma tabela, ou parte de
um banco de dados
• Independente de unidade de armazenamento
• Pode receber o nome do fluxo de dados
• Normalmente está no plural
Fluxo de Dados
• Insere e retira dados de processos, depósitos
de dados e entidades externas
• Deve ter um nome único
• Deve ser descrito no dicionário de dados
DFD de Contexto
• DFD de nível mais alto (DFD de nível 0)
• Apresenta a visão das principais funções do
sistema
• Contém um processo, entidades externas e
fluxos de dados
Níveis de DFD
• Seguem DFD's de nível 1, 2, ...
• A quantidade de níveis depende da
complexidade do software
• Quantos níveis são necessários?
– O suficiente :)
• Experiência dos desenvolvedores
• Numerações: 1 -> 1.1 -> 1.1.1 -> ...
Explosão de DFD’s
• Uma vez identificadas as funções principais,
pode-se explodir cada função para níveis mais
detalhados
• A explosão é uma decomposição hierárquica
• 7+-2 processos por nível
Dicionário de dados
• Descrição de dados do software
• Ajuda a melhorar a comunicação
usuário/analista
• Usado na base de dados
• Significado de fluxos e depósitos de dados
• Composição de dados agregados (endereço,
identificação, ...)
Dicionário de Dados – Esquema de
Documentação
•
•
•
•
•
•
= é composto de
+ Concatenação
{}n repetição
[ | | | ] escolha de alternativas
() opcional
Ex.: nome = [Sr.| Sra.|Srta.] + família + nome
Linguagem Estruturada
• Notação algoritmica para especificar o
comportamento dos processos
• Sequência:
– fazer, calcular, ler, gravar, ...
• Decisão:
– se então
– se então senão
• Repetição:
– repetir até
– enquanto faça
Criação de DFD’s a partir de
especificações
• Verbos geralmente originam processos
• Substantivos são entidades externas, dados
ou depósitos de dados
• O refinamento deve seguir até o processo
realizar uma única função
Diagrama Entidade-Relacionamento
• Modela os dados identificados, juntamente
com seus atributos e relacionamentos
• Foco da disciplina Banco de Dados
Árvores de Decisão
Tabelas de Decisão
TABELA-CASACO
R1
R2
R3
R4
C1
C2
Chovendo
frio
Y
Y
Y
N
N
Y
N
N
A1
usar capa forrada
X
A2
usar capa sem forro
A3
usar pulover de lã
A4
prossiga para a garagem
X
X
X
X
X1
retorne à tabela mestra
X
X
X
X
X
X
Vantagens
• Análise top-down
• Múltiplos níveis de detalhe
• Múltiplas visões (fluxo de dados, pseudocódigo, dados, tabelas de decisão)
Problemas
• “Bolhas não travam”
• Não mostra
–
–
–
–
Tempo de execução de processos
Tempo de transferência de dados nos fluxos
Paralelismo de execução de processos
Necessariamente sequencia
• Caiu em desuso com a orientação a objetos e os
sistemas on-line
– Ainda é usada em novos sistemas
– Existe muita documentação em sistemas legados
IDEF
•
Família de linguagens de modelagem (Algumas ainda em desenvolvimento)
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
IDEF0 : Function modeling
IDEF1 : Information Modeling
IDEF1X : Data Modeling
IDEF2 : Simulation Model Design
IDEF3 : Process Description Capture
IDEF4 : Object-Oriented Design
IDEF5 : Ontology Description Capture
IDEF6 : Design Rationale Capture
IDEF7 : Information System Auditing
IDEF8 : User Interface Modeling
IDEF9 : Business Constraint Discovery
IDEF10 : Implementation Architecture Modeling
IDEF11 : Information Artifact Modeling
IDEF12 : Organization Modeling
IDEF13 : Three Schema Mapping Design
IDEF14 : Network Design
• http://www.idef.com/Home.htm
IDEF0
• Linguagem de modelagem funcional para
– Análise
– Desenvolvimento
– Reengenharia
– Integração
IDEF0
IDEF1X
• Modelagem de dados
Notação Z
• Baseado na teoria de Zermelo–Fraenkel e na
lógica de predicados
• Final da década de 1970, em Oxford
– Jean-Raymond Abrial
• Z usa muitos símbolos não ASCII
– uso de ferramentas/LATEX
Z na prática
• IBM CICS
– servidor de transações
– Middleware que suporta alto volume de
transações
– Criado para possibilitar processamento on-line
•
•
•
•
•
30 billion+ transactions a day
$1 trillion in transactions each day
30 million users worldwide
900,000 concurrent users supported
90% + of the Fortune 500
Z na prática
• Parte do IBM CICS foi formalizado usando Z
nas décadas de 1980s e 1990s em colaboração
com o Oxford University Computing
Laboratory
• Sir Tony Hoare
– Quicksort
– Hoare Logic
– CSP (Communicating Sequential Processes)
Z e Orientação a objetos
• Z++
– Lano, K.C., Z++, an Object-Oriented Extension to Z. Z
User Workshop, Oxford 1990
• Object Z
– Graeme Smith. The Object-Z Specification Language.
Kluwer Academic Publishers, 2000
– Roger Duke and Gordon Rose. Formal Object-Oriented
Specification Using Object-Z. MacMillan, 2000.
Vienna Development Method (VDM)
• Originado na IBM de Vienna, na década de
1970. Envolve:
– Técnicas
– Ferramentas
– Linguagem
• "Systematic Software Development using
VDM" by Cliff Jones, 2nd edn., Prentice Hall
1990.
• VDM++
B method
• Jean-Raymond Abrial
• The B-Book: Assigning Programs to Meanings,
Jean-Raymond Abrial, Cambridge University
Press, 1996
• Usado em sistemas de missão crítica
• Menor abstração que Z
Modelica
• Linguagem de modelagem para sistemas
complexos (1997)
– componentes eletrônicos, mecânicos, hidráulicos,
de controle, ...
– Modelo parecido com POO
– equações diferenciais, algébricas e discretas
– Chamadas de C, FORTRAN, Java
– Engine de simulação
– https://www.modelica.org/
Modelica
• https://www.modelica.org/documents/Model
icaSpec33.pdf
• Usada por: Audi, BMW, Daimler, Ford, Toyota, VW
ABB, EDF, Siemens.
Alloy
• Software Design Group at MIT lead by
Professor Daniel Jackson (1997)
• Linguagem de especificação declarativa
• Comportamento estrutural e dinâmico
• Baseado em lógica de predicados
• Sintaxe baseada em Z
• Alloy Analyzer
Statecharts
• Harel, D. (1987). A Visual Formalism for
Complex Systems. Science of Computer
Programming , 231–274.
• Extensão das máquinas de estado
• Foco: especificação de sistemas complexos a
eventos discretos
• Base para o diagrama de estados da UML
Statecharts - Características
• Extensão das máquinas de estado
– noção de hierarquia
– concorrência e paralelismo
– comunicação
•
•
•
•
Compactos
Possibilidade de composição
Modular
Descrição em diferentes níveis de abstração
Statecharts
• statecharts = state-diagrams + depth +
orthogonality + broadcast-communication
SDL
• Specification and Description Language (SDL)
• Foco: especificação não ambigua e descrição
do comportamento de sistemas distribuídos
de tempo real
• Origem nos sistemas de telecomunicações
• Gráfica e algébrica
• http://www.sdl-forum.org/
Álgebra de Processos
• Process Algebra
• Process Calculus
• Família de linguagens para modelar
formalmente sistemas concorrentes
– Principais: CSP, CCS, ACP
• Histórico: http://www.informatik.hsmannheim.de/~schramm/CSP/files/historyPro
cessAlgebra.pdf
Conceitos
• Processo: comportamento de um sistema
• Algebra: conceitos algébricos para modelar
comportamento
• Process algebra: the study of the behaviour of
parallel or distributed systems by algebraic
means
• Possibilidades de verificação:
– Estabelecer se um sistema satisfaz determinada
propriedade.
CCS
• CCS - Calculus of Communicating Systems
• Robin Milner: A Calculus of Communicating
Systems, Springer Verlag, 1980.
• Desenvolvido entre 1973 e 1980
CSP
• CSP - Communicating Sequential Processes
• Tony Hoare - Communicating sequential processes.
Communications of the ACM, 21(8):666–677, 1978
• Knighthood (for services to Computing Science).
March 7, 2000.
ACP
• ACP - Algebra of Communicating Processes
• 1982
• Jan Bergstra e Jan Willem Klop. Fixed point
semantics in process algebra. Technical Report
IW 208, Mathematical Centre, Amsterdam
Redes de Petri
• Linguagem gráfica e matemática para
modelagem de sistemas
• Tese de Carl Petri, 1962
• Teoria básica desenvolvida na década de 1970
– A.W. Holt (MIT )
Redes de Petri - Aplicação
• Modelagem e análise de
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
sistemas distribuídos
banco de dados distribuídos
paralelismo e concorrência em software
manufatura
sistemas de controle
sistemas operacionais
workflow organizacional
logística
redes neurais
sistemas de apoio a decisão
Redes de Petri – Forma de
apresentação
• Gráfica
• Matriz
• Relações
Redes de Petri - Modelagem
•
•
•
•
•
•
•
Sequência
Paralelismo
Sincronismo/Assincronismo
Recursos
Repetição
Competição/Conflitos
Buffer
Redes de Petri - Análise
• Avaliação de propriedades:
– Alcançabilidade de estados
– Limitabilidade
– Análise de deadlocks/livelocks
– Reversibilidade
Redes de Petri – Métodos de análise
• Árvore de cobertura
• Invariantes de lugar e transição
• Lógica linear
Extensões
• Tempo associado a lugares, transições, fichas
– Timed
– Time
•
•
•
•
•
•
•
•
Fuzzy
Estocástica
Orientada a Objetos
Colorida
Arco inibidor
Reset Arc
Contínua
Híbrida
SysML
• Linguagem gráfica para modelagem de
sistemas que incluem hardware, software,
dados, pessoas, procedimentos
• Profile da UML
Relação UML-SysML
UML 2
SysML
UML
UML
reused
by 2
Reuse
SysML
(1, 2)
UML
not required
by SysML
(UML UML4SysML)
SysML
extensions to
UML
Relação UML-SysML
SysML
Diagrams
Behavior
Diagrams
Activity
Diagram
Sequence
Diagram
Requirements
Diagrams
State
Machine
Diagram
Modified from UML2
New diagram
Same as UML2
Use Case
Diagram
Structure
Diagrams
Block
Definition
Diagram
Internal
Block
Diagram
Parametric
Diagram
Package
Diagram
UML
• Evolução de outros métodos/linguagens
• “A UML é a linguagem padrão para visualizar,
especificar, construir e documentar os artefatos
de software de um sistema.”
UML
• UML é...
•uma linguagem visual.
•independente de linguagem de programação.
•independente de processo de desenvolvimento.
• UML não é...
•uma linguagem programação
•um processo de desenvolvimento.
• Os artefatos gráficos produzidos de um sistema OO
são definidos através dos diagramas da UML.
Diagramas da UML
O que dizem sobre a UML?
• It contains many diagrams and constructs that are
redundant or infrequently used.
• The standards have been cited as being
ambiguous and inconsistent.
• While the XMI (XML Metadata Interchange)
standard is designed to facilitate the interchange
of UML models, it has been largely ineffective in
the practical interchange of UML 2.x models.
• UML is not enough for the modeling of
embedded and real-time systems.
O que dizem sobre a UML?
• The UML specification, in general, is semiformal.
This lack of precise semantics can lead to severe
problems, as different or ambiguous
interpretations.
• If UML is nothing else it is for documentation and
communication.
• UML is not perfect, but it is the most common, is
good enough, and not trivially replaceable
• A UML não é perfeita, mas é o que temos de
melhor em termos de modelagem de SW
atualmente
Leitura
• Art 9 - Seven myths of formal methods
• Art 10 - Seven more myths of formal methods
– 2 páginas no total