图转换模型分类与工具评估的研究: 比利时大学实验室成果

理论计算机科学电子笔记152（2006）143-159www.elsevier.com/locate/entcs模型转换分类法在图转换技术中的汤姆男士1软件工程实验室Universit′edeMons-HainautMons，Belgium彼得·范·戈尔普2软件工程中的形式化技术安特卫普大学，比利时D'anielVar'o3布达佩斯技术经济大学测量与信息系统系匈牙利Gabor Karsai4范德比尔特大学软件集成系统研究所美国田纳西州纳什维尔摘要在[18]中介绍了模型转换的分类。其中，这样的分类法可以帮助开发人员决定哪种语言、形式主义、工具或机制最适合执行特定的模型转换活动。在本文中，我们应用的分类图转换技术，我们参考了四个有代表性的图转换工具，它进行了说明。作为我们分析的副产品，我们讨论了每个考虑的工具如何执行模型转换的活动。保留字：模型转换，分类法，图转换，MDA，MDD，MDE1571-0661 © 2006 Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放访问。doi：10.1016/j.entcs.2005.10.022144T. Mens等人理论计算机科学电子笔记152（2006）1431介绍在[18]中介绍了模型转换的分类。通过分类，我们形成了一个“一个系 统 ， 为 一 个 和 一 个 或 多 个 系 统 ， 为 一 个 hin g s [...[intogroupswhichichsharesisimilarualites“（C am b r i d ge D ic t i o n a r i esO n li n e）。 Suchataxonomy可用于各种各样的目的。其中，它可以帮助软件开发人员选择最适合其需求的特定模型转换方法，它可以帮助工具构建者评估其工具与其他工具相比的优势和劣势，并且它可以帮助科学家识别需要通过改进底层技术和形式主义来克服的工具或技术的局限性。本文用分类学的方法对图变换技术进行了研究，目的是找出图变换技术相对于模型变换活动的优缺点。我们通过将分类法应用于依赖于图转换技术的工具的代表性子集来验证这一点作为这种分析的副产品，我们确定了这些工具如何很好地执行模型转换活动正如[27]所指出的，分类法和基准的存在，当被社区接受时，对学科的科学成熟度有很强的积极影响虽然本文将重点关注模型转换分类法在图转换工具中的应用，但相关论文提出了图转换的基准[32]。由于图变换包含了大量不同的理论、语言、技术和工具，我们需要以某种方式将自己限制在一个表示子集上。因此，我们试图根据其主要应用领域对依赖于图转换技术的现有工具进行分类，我们得出了四个重要类别：通用图形转换工具包括AGG5[29]和PRO-GRES [26];基于图转换的再工程工具包括支持UML和Java之间的往返工程的Fujaba6（From UML to Java And Back Again）[2]，以及执行信息系统的VARLET7。1Email：tom. mens@umh. AC. Be2Email：pieter. v a ngo rp@ua. 梭B e3Email：varr o @mit. b me。胡4Email：gabor. 这是一个很好的例子。埃杜乌5http://tfs.cs.tu-berlin.de/agg/http：//www.txtx.com你在哪里？d e/cs/fuja b a/http：//www.txtx.com你在哪里？d e/cs/v arlet/T. Mens等人理论计算机科学电子笔记152（2006）143145基于三元组图文法的再工程使用图转换的模型转换工具包括[28][29][29][29][29]依赖于图转换的模型检查和验证工具包括VIATRA（可视化自动模型转换）[4]，GROOVE9[21]和CheckVML[22]。我们从每个类别中选择了以下工具，因为我们很容易获得它们：AGG，Fujaba，GReAT和VIATRA。在剩下的部分中，我们将使用这四个工具来说明[18]的分类法的使用然而，我们相信分类法是通用的，也适用于其他工具。本文的结构遵循分类法的主要结构，总结如下：什么需要转化成什么？这方面包括以下标准：• 源和目标型号的数量• 转换的技术空间（例如，MDA、XML）• 内源性转化与外源性转化（即，在同一语言内或不同语言之间）• 水平与垂直变换（即，在同一抽象层次上或跨抽象层次）• 句法与语义转换（即，简单的语法重写或考虑语义的复杂转换）转换的重要特征：• 工具提供的自动化水平• 转换的复杂性• 通过变换转型工具的成功标准：• 建议何时应用转换• 定制或重用转换• 保证变换的正确性• 测试和验证转换• 处理不完整或不一致的模型• 转换、合成和分解转换• 转换的泛型• 变换的双向性8http://repo.isis.vanderbilt.edu/tools/9http://groove.sourceforge.net146T. Mens等人理论计算机科学电子笔记152（2006）143• 支持可追溯性和变更传播转换工具的质量要求：• 可用性和有用性• 冗长与简洁• 性能和可扩展性• 扩展性• 互操作• 用户群体的可接受性• 标准化2什么需要转化成什么？图形似乎是模型的自然表示，因为许多模型本质上是基于图形的（例如，状态图、活动图、协作图、类图、Petri网），与树结构可能更合适的源代码（例如，解析树、抽象语法树）。因此，图转换似乎是指定和执行模型转换的自然源和目标模型的数量。图变换理论允许我们将一对一模型变换直接表示为图产生（也称为图变换规则），其中左手侧（LHS）表示源模型，右手侧（RHS）表示目标模型。一对多转换（例如，模型的分支和分裂），多对一变换（例如，模型的合并）和多对多转换也可以被正式定义为图转换，但是这需要更复杂的解决方案。例如，三重图文法[24]允许指定许多-对多模型转换，其同时转换相关模型对，同时保持它们的使用这个想法，可以定义多图重写规则，以一致的方式转换任何数量的（相关的）源模型[15]。技术空间所有考虑的图转换工具都允许我们直接处理XML或MDA技术空间中的模型，或者使用一些转换器。AGG工具使用GXL10，这是一种标准的图形交换格式，10 htt p：//www. 古普河de/G XL/T. Mens等人理论计算机科学电子笔记152（2006）143147元模型但是，由于GXL是基于XML的，因此提供到XML技术空间的映射相对容易。AGG还支持导出到GTXL11，这是一种用于图形转换的标准交换VIATRA模型转换工具使用符合MOF模型的XMI输入/输出它主要支持MDA技术领域，但也针对业务流程模型和XSD模型FujabaCASE工具套件支持UML开发和Java代码的自动生成。表示UML图的底层技术是基于图转换的。Fujaba使用了一个特定于供应商的UML版本，因此它可以被认为是MDA技术空间的一部分。GReAT模型转换工具使用UML和OCL符号来指定元模型和转换。因此，它属于MDA技术领域。内源性与外源性转化。在图变换中，元模型的结构通过类型图来描述[3]。在内生图转换中，源图和目标图是相同类型图的实例。这就是AGG工具中的情况，其中只能为给定的图转换系统指定单个类型的图。然而，可以很容易地在同一类型图中指定两个不同的元模型及其相互关系，如[5]所示。外源转化，其中源和靶在不同的域中表达（即，具有不同的元模型）可以使用图转换来表示，只要可以为源和测试模型指定不同类型的图。也可能需要属于不同类型图的节点之间的非分层（分层）数据（类似于“交叉链接“）。这是由GReAT和VIATRA支持的，其中支持多类型图（以及交叉链接）横向与纵向转换。图形转换技术可以并且已经用于指定水平和垂直模型转换。作为垂直外生模型转换的一个例子，Karsai等人展示了如何使用GReAT 将 平 台 无 关 模 型 （ PIM ） 转 换 为 更 特 定 于 平 台 的 模 型（PSM）[13]。另一个例子是，巴雷西11http://tfs.cs.tu-berlin.de/projekte/gxl-gtxl.html148T. Mens等人理论计算机科学电子笔记152（2006）143等人举例说明了使用图转换来细化软件体系结构[1]。作为水平内生模型转换的一个例子，图转换已经被用来指定程序重构[19，30]，以及AGG和Fujaba[17]中的模型重构。一个典型的例子是状态图扁平化，其中所有复合（嵌套）状态都被递归扩展，直到获得仅包含简单状态的状态图[8]。作为水平外生转换的一个示例，图转换已用于使用GReAT从一种特定领域语言迁移到另一种特定领域语言[28]。最后，Große-Rhode et al. [20]通过将形式细化指定为类型化图变换来说明垂直内生变换。句法和语义的转换。图和图转换可以用来指定和修改模型的语法结构，也可以用来指定模型的动态行为。甚至语法转换也可以考虑语义信息，通过指定需要由转换保留的图约束（不变量）。这在模型重构的情况下尤其需要，其中模型的结构在保持其行为的同时得到改进[19，17]。3转换的重要特征自动化水平图变换理论提供了两种自动化一系列图变换的应用：图文法和编程图变换。图形语法方法由AGG支持。从初始图开始，所有可能适用的图产生被重复地且并行地应用这个迭代过程尽可能长时间地重复通过这个过程得到的结果图的集合被称为由图文法生成的语言。程序化图形转换由Fujaba、VIATRA和GReAT支持。在这种方法中，指定规则来控制图形转换的顺序。 Fujaba使用所谓的故事驱动建模，其中活动图用于指定应应用图形转换的顺序。在VIATRA中，图形转换由抽象状态机驱动，作为规范形式主义。GReAT使用显式测序T. Mens等人理论计算机科学电子笔记152（2006）143149具有输入和输出参数的转换规则，该输入和输出参数指定所选模式变量的初始绑定，以及允许将所选图形节点传递给后续规则。规则参数之间的连接性决定了规则的执行流程。转型的复杂性复杂的转换需要更复杂的控制机制来管理规则的执行顺序。图转换语言在这些控制结构的强度或它们的指定方式上可能会有很大的不同。AGG支持分层图语法，以便对要应用的图产生规则然而，如果只使用AGG的内部图形转换，则可以编写任意复杂的Java程序来控制图形转换的执行顺序。Fujaba使用故事图（一种活动图）来控制图形转换的应用。在GReAT中， 控制 结构是 基于分 层的类 递归 图（也 表示控 制流），但缺少显式的循环控制结构。循环可以表示为流中先前规则的转换。VIATRA使用另一种形式规范语言，即抽象状态机作为控制语言，其结构尽可能长，并行或递归规则应用程序。即使有了这些先进的控制机制，图变换本身是否足以表达复杂的变换仍有待观察从实用的角度来看，结合图形转换语言和文本约束语言优点的混合方法可能更合适。考虑到许多图转换工具都以这样或那样的方式依赖于UML符号，OCL似乎是指定图转换的文本约束的可行替代方案。例如，GReAT使用OCL约束来对匹配过程的结果施加限制。一个OCL计算器可以用来检查转换的结果是否符合约束。保护财产。图变换理论似乎有希望正式指定模型重构，并表明这些重构保持行为属性。然而，初步的可行性研究表明，当前的图变换形式主义缺乏表达能力，无法实现这一目标[19]。150T. Mens等人理论计算机科学电子笔记152（2006）143因此，Van Eetvelde和Janssens [30，11]提出了一些扩展图变换，以提高其表达能力。在图转换工具中实现这些扩展还有待完成。4图形转换工具建议何时应用转换。大多数图转换语言和工具都提供了一种机制和语言来表达需要转换的图上的约束图约束由路径表达式组成，该路径表达式声明特定链接和/或节点值是否应该存在。在AGG中，可以使用图形用户界面将约束定义为负应用条件，但也可以指定可以转换为图变换规则的后置条件的一般图在VIATRA中，图形模式（用作约束）可能包含以任意深度嵌入彼此的负面应用条件。在Fu-jaba中，控制结构可以用来以任意方式组合图约束和在GReAT中，可以使用约束来限制图匹配的结果，并且使用关联端上的零基数来实现负应用条件的受限形式定制或重用转换。自定义图形转换的一个简单但关键的方法是参数化。一个参数化的图产生式表示一个无限可能的图产生式集合，每个图产生式都是通过提供参数的具体值而获得的。参数化机制在所有考虑的图形转换工具中都是可用的。一些图形转换工具被集成到面向对象的开发环境中，从而允许利用众所周知的面向对象的机制，例如继承来实现重用。例如，在Fujaba中，图产生式被用作方法的规范，继承可以用来在子类中重用这些方法。类似地，GReAT通过可视化建模环境（GME）提供的功能支持可重用性：转换规则（或称为块的更高级别的转换序列）可以通过环境支持的类型/实例机制进行重用。在VIATRA中，图形转换可以从预定义的模式中构建，这些模式可以在转换中重用。另一个重要的方法是T. Mens等人理论计算机科学电子笔记152（2006）143151增强转换的可重用性是通过使用通用和Meta转换[31]。并保证转换的正确性。如果模型符合其元模型结构和格式良好性规则，则它在语法上是正确的。在图转换中，通过类型图来加强结构一致性。类型图可以包括基数约束，也可以支持继承（如UML元模型）。类型图机制在所有四个考虑的工具中都得到支持。另一种强制语法正确性的方法是定义一个专用的图形语法，其中包含用于语法指导编辑的规则。AGG可以基于图约束来检查图语法的终止性和一致性。更具体地说，它是实现临界对分析机制以检查图文法的终止和汇合的唯一可用工具[10]。如果两个图产生不保持汇合性质，则它们在冲突的意义上可以形成临界对这个属性是保证重写系统具有功能行为所必需的。VIATRA旨在通过与CheckVML工具的持续集成来提供转换验证[22]。CheckVML将图形转换规则投影到转换系统中，并通过SPIN模型检查器进行验证测试和验证转换。虽然系统测试方法（如单元测试）在传统（面向对象）软件开发中很常见，但图形转换的情况要少得多理想情况下，每个图形产品规范都应该带有一套测试，以验证图形产品具有所需的行为。Geiger等人研究了在Fujaba环境中基于图转换的测试和调试[9，7]。为了准确起见，AGG的关键部分通常可以作为转换的验证，因为它允许开发人员测试给定的一组图转换（即，图语法）是一致的。处理不完整或不一致的模型。在我们研究的所有图转换工具中，模型（即，所考虑的图形）必须格式良好。换句话说，没有一种方法允许不一致的模型。只要保证格式良好的约束，不完整性就不会造成太大152T. Mens等人理论计算机科学电子笔记152（2006）143转换、合成和分解转换。图变换的合成可以通过使用受控或编程的图变换来实现，即， 一组控制机制来管理规则的执行顺序[25]。典型的控制机制是排序、分支和循环 。它们在Fujaba中通过所 谓的故事图得到支持 ，在VIATRA中通过驱动转换的抽象状态机得到支持。此外，在Fujaba中，转换是作为方法体实现的，因此可以通过执行方法调用来实现转换的组合在VIATRA中，图转换可以由更原始的模式组成，尽管还不支持递归模式。已经提出的用于分组和组合图变换的另一种机制是图变换单元的结构化机制[16，14]。在图变换的图语法变体（例如，AGG），人们可以使用分层图文法作为一种原始的结构化机制。这些层确定了应用规则的顺序。 尽可能长时间地应用层0的规则，然后应用层1的规则，依此类推。在GReAT中，可以从顺序转换规则形成块。块封装规则，是分层的，并且可以参与递归调用。一种特殊形式的规则（称为测试）可用于在依赖于输入模型的块内实现转换的通用性唯一支持高阶变换的图形变换工具是VIATRA[31]。高阶转换使得MDA中的某些转换问题能够得到非常紧凑的描述一个可能的缺点是性能下降。但是这个问题是通过自动地从一般的高阶变换中导出有效的一阶变换来为此，使用Meta变换，即，转换，其源模型和目标模型本身就是转换。转换的双向性根据定义，图变换规则是单向的。然而，这并不意味着在图转换工具中不可能支持双向性。一个明显的方法是定义两个图文法，每个方向一个。另一种可能性是依赖于事务回滚机制来撤消（即，（1）早期的转型。T. Mens等人理论计算机科学电子笔记152（2006）143153支持可追溯性和变更传播。大多数被考虑的图转换工具对可追溯性和更改传播没有支持或支持很差，并且不提供增量更新机制。Meta转换对于维护或升级现有的模型转换非常有帮助。5图形转换工具的质量要求可用性和有用性。用GReAT和VIATRA等变换工具进行的实验充分说明了图变换技术对于模型变换的有用性。甚至像AGG和Fujaba这样的通用图形转换工具也被证明支持模型转换。图形转换也是可用的，这更难以评估，因为这取决于几个因素，例如预期的目标受众。为了研究的目的，所有研究的工具都已经很有用了。要在工业环境中使用，大多数工具仍然需要成熟，使它们更具性能和用户友好性，但这只是时间问题。[34]中提出了一些使GReAT冗长与简洁。与基于XML的转换技术相比，图转换似乎可以产生更简洁、可读性更好的代码。这种代码是否也更容易生成和维护尚不清楚，应进一步调查。在图转换工具的领域内，应该区分通用工具和专用模型转换工具。由于其专用性，后者往往会产生更简洁的代码。这是以冗长为代价的，因为它需要引入专门针对模型转换进行调整的额外语法构造。性能和可扩展性。图变换有时被指责生成低效的程序或具有低效的算法。然而，这种糟糕的性能并不是该技术的局限性。对于一个人来说，Var'oeta l。显示如何在中自动转换高阶模型转换154T. Mens等人理论计算机科学电子笔记152（2006）143一阶变换[31]。为了提高图变换的效率，建议采用数据库技术作为图变换的底层引擎。作为另一个示例，Vizhanyo等人已经说明了通过一方面优化传统的图匹配算法以及另一方面通过本地转换代码绕过GReAT的通用转换引擎的显著性能增益[33]。影响性能的图转换工具的重要特性是能够将图转换编译成本机代码或字节码。 这对于Fujaba确实是可能的，它可以从图形转换生成Java字节码，以及对于GReAT，它是一种用于模型元素的最佳编译器。另一方面，AGG和VIATRA使用解释方法，这使得它们本质上性能较差。可扩展性。AGG工具是可扩展的，因为它的内部图形转换引擎，这是在Java中实现的，可以自由扩展，以涵盖各种不同的应用程序。工具Fujaba和VIATRA提供了一个强大的插件机制，用于扩展工具的新功能。在VIATRA的情况下，这种插件机制可以用于为来自其他技术空间而不是MOF/UML的模型编写导入器和导出器。例如，已经有了业务流程模型和XSD的导入程序。在GReAT中，可扩展性是通过使用过程语言来实现属性映射的代码来实现的，属性映射在转换规则中完成所有图形操作之后执行虽然这使得转换程序的正式分析（至少）非常困难，但人们发现它非常实用。该过程源代码被编译成可执行代码，该可执行代码被动态地链接到执行引擎中（或者与编译的转换代码静态地链接用户社区的可接受性。为了被现有的用户社区接受，一种语言不应该与人们习惯的语言有太大的差异。例如，对于接受过过程式编程培训的人来说，过程式风格可能比AGG的声明式语法方法更具可读性。对于习惯于UML符号的人来说，Fujaba故事图提供了一种非常自然的符号来表达图形转换，而用户甚至没有意识到它。GReAT基于元可编程的通用建模环境（GME），并为构建执行以下操作的软件而定制：T. Mens等人理论计算机科学电子笔记152（2006）143155模型上的转换（通常，但不限于在GME中构建它配备了解释引擎，调试器和编译器。它依赖于标准的C++开发工具。标准化另一种使图转换技术被接受的方法是支持现有的标准，如UML和XML。这已经是所考虑的图形转换工具的情况。 它们要么直接支持UML或XML，要么提供一些转换器（例如，XMI出口设施）之间的桥梁技术空间。例如，VIATRA为来自其他技术空间的模型提供了非常灵活的导入/导出机制另一方面，VIATRA使用的元建模符号与MOF标准不同。图转换工具也可以使用MDA标准，如UML，MOF和XMI。类型图可以在UML编辑器中定义为类图所得到的模型可以转换成一个MOF元模型。现有的MDA框架可以用来监视驻留在MOF存储库中的模型上的元模型的OCL格式良好性规则。可以将模型转换开发为UML状态图和类图编辑器中表示的图形转换，这些编辑器将转换模型导出到XMI。转换模型可以转换为可执行的MOF转换代码，该代码可以转换作为原始类型图实例的任何模型[23，6]。特别是对于图形转换语言，有两种标准可用。GXL是图形的交换格式，而GTXL是图形转换的交换格式。这两种标准都得到了AGG的支持。6讨论在本文中，我们使用了模型转换的分类法来评估作为一种支持模型转换活动的方式的图转换技术。建议的分类法有助于确定和评估的适当性的一个代表性的子集的四个工具的基础上图转换技术。我们的初步分析总结见表6。并不是模型转换分类法的所有标准都出现在这个表中，因为我们只显示了那些可以看出差异的标准在未来，我们打算进行更详细的分析，我们也会考虑基于图转换的其他工具。然而，基于我们所进行的分析，我们已经可以得出结论，图变换是一种很有前途的方法来处理模型156T. Mens等人理论计算机科学电子笔记152（2006）143转型首先，对于本质上基于图的许多类型的模型，图转换提供了一种自然和直接的方式来指定模型转换。其次，形式化地建立了图变换方法：人们可以借助于许多定理来证明变换系统的某些性质。最后，图转换技术提供了重用转换的机制，并将较小的转换组合成更复杂的转换。缺点是各种图转换方法并不总是兼容的。在标准化方面，有一种趋势是将图转换技术与XML和UML表示法结合起来。这种倾向有利于用户群体的接受，因为他们熟悉这些语言。与AGG和Fujaba相比，VIA- TRA工具更适合模型转换的活动，因为它是专门为此目的而构建的关于表现力，VIATRA似乎是最先进的工具之一，因为它提供了高阶和元转换等独特的功能。另一方面，GReAT和Fu- jaba为开发转换程序提供了一个完整的环境：一个（可视化）建模工具、带调试器的解释器和一个代码生成器。引用[1] 巴 西 湖 L. 、 R.Heckel ， S.ThéoneandD.Var'o， Style-baseddef inementofdynami csoftwarearchitectures ，in：Proc. 第四届IEEE/IFIP软件体系结构会议（WICSA 4）（2004），pp. 155- 164。[2] Burmester，S.，H. Giese，J.Niere，M.Tichy，J.瓦德萨克河瓦格纳湖，澳-地Wendehals和A. Zündorf，Tolintegrationthemeta-mdelevell：Thefujabaapproach，Int' l J o u r n a l o n S o f t wa r e T o ol s f o r T e c h nology T r a n s f e r 6（2004），pp. 303-318[3] Corradini，A.，联合Montanari和F. Rossi，Graph processes，Fundamenta Informaticae26（1996），pp. 241-265[4] 是的，G。、白藓G. 胡斯泽尔岛 Majzik，Z. Pap，A. PatariczandD. 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