ソフトウェア開発手法の最前線 ～ アスペクト指向、ＭＤＡ、ＭＩＣ ～ 東芝情報システム（株）殿向け チュートリアル ソフトウェア開発手法の最前線 ～ アスペクト指向、ＭＤＡ、ＭＩＣ ～ 九州工業大学 情報工学部 知能情報工学科 鵜林尚靖 ２００５年９月１２日

内容 アスペクト指向の背景 アスペクト指向の概要 アスペクト指向、ＭＤＡ、そしてＭＩＣ アスペクト指向の今後 研究室の紹介

ソフトウェア開発手法の変遷 構造化手法 オブジェクト指向手法 ＭＤＡ アスペクト指向 60 年代 70 年代 80 年代 90 年代 2000 年代 構造化手法 オブジェクト指向手法 構造化プログラミング 構造化分析 構造化設計 ＯＯＰ ＯＯＡ ＯＯＤ パターン フレームワーク コンポーネント ＥＡ プロダクトライン アジャイル, ＸＰ ＭＤＡ アスペクト指向

１．アスペクト指向の背景

アスペクト指向とは何？ 一言でいうと 「モジュール化メカニズム」の一つ

モジュール化メカニズムの歴史 構造化 機能中心のため、データの変更に対して脆い データ抽象 データとそれに関連する操作をまとめてしまおう 抽象データ型 データとそれに関連する操作をまとめて型にしよう オブジェクト指向 継承機構も入れて、再利用性を高めよう

モジュール化の理想像 問題領域の構造がソフトウェア構造に対応する ソフトウェア構造を構成する関心事を自然にモジュール化できる 要求分析 設計 実装 問題 領域 分析時の 関心事 設計時の 関心事 モジュールの 構成 問題領域の構造がソフトウェア構造に対応する ソフトウェア構造を構成する関心事を自然にモジュール化できる 　（関心事の分離 “Separation of Concerns” Edsger Wybe Dijkstra ）

良いモジュール化 １箇所にモジュール化されている org.apache.tomcat におけるXML parsing 機能要件を きれいにモジュール化 org.apache.tomcat におけるXML parsing 赤い線はXML parsingを行うコード行を示す １箇所にモジュール化されている AspectJ. http://eclipse.org/aspectj/より抜粋

（Crosscutting Concerns） しかし、ログ処理の場合は．．． 複数のオブジェクトにまたがる （Crosscutting Concerns） org.apache.tomcat におけるログ処理 赤い線はログ処理を行うコード行を示す １箇所ではない しかも、数多くの場所に分散している（tangling and scattering） AspectJ. http://eclipse.org/aspectj/より抜粋

現実のモジュール化は．．． ソフトウェア構造 要求分析 設計 実装 問題 領域 （問題意識） 分析時の 関心事 設計時の 関心事 モジュールの 構成 （問題意識） 　上流の関心事が、下流に行くにしたがって構造的に分散してしまう 　（オブジェクト指向でも解決できない問題がある）

従来手法の問題 オブジェクト指向プログラミングは、機能要件のカプセル化には優れているが、横断的関心事（ Crosscutting Concerns ）の表現には必ずしも向いていない。 ＜横断的関心事の例＞ ・エラーチェック戦略 ・セキュリティ ・デザインパターン ・同期制御 ・資源共有 ・分散にかかわる関心事 ・性能最適化 ・プラットフォーム 性能最適化のためのコードを追加しようとすると、コードが複数のオブジェクトに分散してしまい、見通しの悪いプログラムになってしまう。「分かりやすく性能も良い」プログラムを作るのが難しい。

ソフトウェアの構造 最適化 メモリ容量 ＨＷ特性 プラットフォーム 応答性 きれいなプログラムを作成したい！ でも、プラットフォーム適合、ＨＷ特性、性能向上、例外 のためのコードを追加すると どんどんプログラムが汚くなってしまう。。。

解決方法 MIC (Model-Integrated Computing) AOP (Aspect-Oriented Programming) IP (Itentional Programming) GenVoca 今日はアスペクト指向について紹介 アスペクト指向と絡めて、ＭＤＡ、ＭＩＣについて紹介

２．アスペクト指向の概要

アスペクト指向を実現する 言語処理系、システム AspectJ （Gregor Kiczales, et al.） Hyper/J, CME　（Harold Ossher, et al.） DemeterJ　（Karl J. Lieberherr, et al.） Composition filters　（Mehmet Aksit, et al.） Caesar　（Mira Mezini, et al.） JBoss-AOP AspectWerkz Ｊ２ＥＥ環境への適用が増えている！ ＰＯＪＯ（Plain Old Java Object） 今日はＡｓｐｅｃｔＪベースで紹介

AOP（Aspect-Oriented Programming） オブジェクト （通常の機能） weaver プログラム アスペクト （オブジェクトに またがる関心事） ・複数のオブジェクトにまたがる関心事を見通しよく記述できる！ ・「分かりやすく性能も良い」プログラムが作れる！

ＡＯＰのメカニズム ＪＰＭ（Join Point Model） aspect PublicErrorLogging { static Log log = new Log(); pointcut publicInterface (): target (mypackage..*) && call (public * *(..)); after() returning (Object o): publicInterface() { System.out.println(thisJoinPoint); } after() throwing (Error e): publicInterface() { log.write(e); メソッド呼び出し、 変数参照／更新など の実行点を捕まえる weaving ログ処理コードの埋め込み （advice） プログラム上の様々な実行点 （join point） 実行点の取り出し （pointcut） 実行点の中からログ処理に関わる部分を抽出

ＡｓｐｅｃｔＪの主要概念 振る舞いへの作用 ジョインポイント（ｊｏｉｎ ｐｏｉｎｔ） ポイントカット（ｐｏｉｎｔｃｕｔ） アドバイス（ａｄｖｉｃｅ） 構造への作用 インタータイプ定義 ｄｅｃｌａｒｅ句による宣言

簡単なＡｓｐｅｃｔＪプログラム HelloWorld.java Trace.java アスペクト インタータイプ 定義 HelloWorld.java Trace.java public class HelloWorld { public static void main ( String [], args) { HelloWorld app = new HelloWorld (); app.hello(); } void hello() { System.out.println(“こんにちは！”); public aspect Trace { private String HelloWorld.mes = “トレース”; public pointcut atHello() : call (void HelloWorld.hello()); before(HelloWorld h) : atHello() && target(h) { System.out.println(h.mes + “呼び出し前”); } after(HelloWorld h) : atHello() && target(h) { System.out.println(h.mes + “呼び出し後”); ポイントカット アドバイス 「AspectJによるアスペクト指向プログラミング入門」 長瀬、天野、鷲崎、立堀(著)　より

例題： 簡易図形エディタ * operations that move elements Display Figure 例題：　簡易図形エディタ Display * Figure makePoint(..) makeLine(..) FigureElement moveBy(int, int) operations that move elements Point getX() getY() setX(int) setY(int) moveBy(int, int) Line getP1() getP2() setP1(Point) setP2(Point) moveBy(int, int) 2 AspectJ. http://eclipse.org/aspectj/より抜粋

通常の保守、改良 class Line { class Point { class Line { class Point { 変更が複数の private Point p1, p2; Point getP1() { return p1; } Point getP2() { return p2; } void setP1(Point p1) { this.p1 = p1; } void setP2(Point p2) { this.p2 = p2; class Point { private int x = 0, y = 0; int getX() { return x; } int getY() { return y; } void setX(int x) { this.x = x; void setY(int y) { this.y = y; class Line { private Point p1, p2; Point getP1() { return p1; } Point getP2() { return p2; } void setP1(Point p1) { this.p1 = p1; Display.update(this); } void setP2(Point p2) { this.p2 = p2; class Point { private int x = 0, y = 0; int getX() { return x; } int getY() { return y; } void setX(int x) { this.x = x; void setY(int y) { this.y = y; 変更が複数の クラスに散らば ってしまう！ AspectJ. http://eclipse.org/aspectj/より抜粋

AspectJによる保守、改良 変更が１つのアスペクトに局所化される！ class Line { class Point { private Point p1, p2; Point getP1() { return p1; } Point getP2() { return p2; } void setP1(Point p1) { this.p1 = p1; } void setP2(Point p2) { this.p2 = p2; class Point { private int x = 0, y = 0; int getX() { return x; } int getY() { return y; } void setX(int x) { this.x = x; void setY(int y) { this.y = y; aspect DisplayUpdating { pointcut move(FigureElement figElt): target(figElt) && (call(void FigureElement.moveBy(int, int) || call(void Line.setP1(Point)) || call(void Line.setP2(Point)) || call(void Point.setX(int)) || call(void Point.setY(int))); after(FigureElement fe) returning: move(fe) { Display.update(fe); } 変更が１つのアスペクトに局所化される！ AspectJ. http://eclipse.org/aspectj/より抜粋

クラスを横断するアスペクト * Display Figure makePoint(..) makeLine(..) FigureElement moveBy(int, int) Point getX() getY() setX(int) setY(int) moveBy(int, int) Line getP1() getP2() setP1(Point) setP2(Point) moveBy(int, int) 2 DisplayUpdating AspectJ. http://eclipse.org/aspectj/より抜粋

３．アスペクト指向、ＭＤＡ、 　　そしてＭＩＣ

（１） ＭＤＡ

現状の課題（オブジェクト指向分析、設計） モデルの再利用は限定的：　分析や設計時のモデル資産を蓄積することにより、ある程度の再利用部品化が可能。しかし、オブジェクト指向による設計モデルの多くは実装に依存する部分と依存しない部分が明確に切り分けられていない場合が多く、再利用の範囲は限定的。 人手によるモデル間の変換：　分析モデルから設計モデルへの変換、設計モデルからプログラムコードへの変換は多くの場合人手で行われている。せっかくモデルを作成しても、直接プログラムコードにはつながらない。

MDA（Model-Driven Architecture）とは 実装技術（Ｊ２ＥＥや．ＮＥＴなど）から分析/設計を独立させ、設計情報が実装技術に左右されないようにする技術 分析/設計部分はプラットフォームに 依存しない為、再利用可能 UML２の目玉

ＭＤＡと従来プロセスの違い 従来の開発 ＭＤＡによる開発 設計フェーズが 大きく変化！ CIM 分析 PIM 設計 PSM コーディング モデルコンパイラ による自動変換 PSM コーディング ソース・コード CIM: Computation Independent Model PIM: Platform Independent Model PSM: Platform Specific Model

モデル変換の例（Ｓｔｒｕｔｓの場合） ステップ１： 複数ＰＩＭの合成 ①PIMクラスのマージ ステップ２： アクションフォーム ステップ１：　複数ＰＩＭの合成 ①PIMクラスのマージ ステップ２：　アクションフォーム 　　　　　　　　Ｂｅａｎへの変換 ②Bean規約名に変更 ③ActionFormを継承 ④setter/getterを追加 ステップ３：　アクションクラス 　　　　　　　　の新規作成 ⑤アクションクラスを生成 ⑥Actionを継承 ⑦executeメソッドを追加 ⑧メソッド本体を追加 ＰＩＭ ＰＳＭ

ＭＤＡのメリット コード中心開発からモデル中心開発へパラダイムシフト：　開発者は特定のプラットフォームやプログラミング技術にとらわれることなく、PIMの開発に全力を注ぐことができる。 新しいタイプのコンポーネント化：　PIMモデル部品とモデル変換規則をライブラリ化することにより、様々な機能やプラットフォームに対応したプロダクト群を生成することが可能になり、プロダクトライン型開発の実現につながる。

ＭＤＡ実現のための鍵 厳密なモデル表記 （ＭＯＦ、ＯＣＬ） 厳密なモデル変換定義 （ＱＶＴ） QVTの例 厳密なモデル表記　（ＭＯＦ、ＯＣＬ） 厳密なモデル変換定義　（ＱＶＴ） QVTの例 mapping Simple_Class_To_Java_Class refine Simple_Class_And_Java_Class { domain {(SM.Class)[name = n, attributes = A] } body { (JM.Class)[ name = n, attributes = A->iterate(a as ={} | as + Simple_Attribute_To_Java_Attribute(a)) ] } MOF: Meta Object Facility OCL: Object Constraint Language QVT: Queries, Views, and Transformations

（２）アスペクト指向との接点

何故、アスペクト指向なのか？ プラットフォームに関わる部分は横断的関心事。 → アスペクトが得意とするところ 　　　　　→ アスペクトが得意とするところ モデル変換の対象はプラットフォームのみに留まらない。最適化、等々。 　　　　　→　現状のＭＤＡはモデル変換の一部しか 　　　　　　　 捉えていない 上流段階（ユースケースや設計レベル）でのアスペクト指向サポートが必要。セキュリティなどの横断的関心事はモデリング段階で考える必要がある。　 　　　　　→ Early Aspect

ＭＤＡとアスペクト指向 ＰＩＭモデル（ＵＭＬ） アプリケーション 実装環境対応コード ｗｅａｖｉｎｇ アプリケーション 実装環境対応コード マッピングルール（ＭＯＦ ＱＶＴ） アスペクト記述言語 「AspectJによるアスペクト指向プログラミング入門」 長瀬、天野、鷲崎、立堀(著)　より

我々の研究室での研究事例 アスペクト指向に基づく拡張可能なモデルコンパイラ Naoyasu Ubayashi, Tetsuo Tamai, Shinji Sano, Yusaku Maeno, Satoshi Murakami: Model Compiler Construction Based on Aspect-Oriented Mechanisms, 4th ACM SIGPLAN International Conference on Generative Programming and Component Engineering (GPCE 2005), to appear

当研究室のＡｓｐｅｃｔＭモデルコンパイラ アスペクト (モデル変換モジュール としてのアスペクト) アスペクト図 ＸＭＬ アスペクトを追加することにより様々な変換を可能にする weave UMLモデル (クラス図) UMLモデル (クラス図) ＸＭＬ ＸＭＬ モデルコンパイラ アスペクト図 (システム構成モジュール としてのアスペクト) アスペクト指向メカニズムにより モデルコンパイラを実現！ ＸＭＬ

モデルレベルのアスペクト指向 ＪＰＭの概念を拡張（通常のＡｓｐｅｃｔＪにおけるＪＰＭとは異なる） join point (class) pointcut advice classA classA || classB) add new attributes add new operations classA attributes new attributes attributes operations new operations operations classB classB attributes join point (class) attributes new attributes operations 横断的関心事（プラットフォームなど）をモデルに挿入 classC operations new operations join point (class) attributes operations ＪＰＭの概念を拡張（通常のＡｓｐｅｃｔＪにおけるＪＰＭとは異なる）

モデル変換のためのＪＰＭ モデル変換機能 PA CM NE OC RN RL 操作本体の変更 ○ クラスのマージ クラスの追加/削除 操作の追加/削除 属性の追加/削除 クラス名の変更 操作名の変更 属性名の変更 継承の追加/削除 集約の追加/削除 関連の追加/削除 PA（pointcut & advice），CM（composition），NE（new element），OC（open class），RN（rename），RL（relation）

モデル変換のためのＪＰＭ（つづき） JPM Join point Pointcut Advice PA operation 記述例 ① setX || setY ② set* ③ classA　|| classB　 ④ class* before, after, around CM class merge-by-name NE class-diagram add-class delete-class OC add-operation, delete-operation, add-attribute, delete-attribute RN class, operation, attribute rename RL add-inheritance, delete-inheritance, add-aggregation, delete-aggregation, add-relationship, delete-relationship

<< jpm-type >> ＡｓｐｅｃｔＭによるモデル記述 ６つのＪＰＭをサポート（新たなＪＰＭを追加可能） ３種類のアスペクトをサポート（通常アスペクト、コンポーネントアスペクト、テンプレートアスペクト） ＵＭＬを対象としたＸＭＬベースのＡＯＰ言語 ダイアグラム表記 ダイアグラム保存形式（XMLベース） aspect <aspect name=aspect-name type=jpm-type > { <pointcut name=pointcut-name type=joinpoint-type> pointcut-body </pointcut> } + { <advice name=advice-name type=advice-type ref-pointcut=pointcut-name </advice> <advice-body>advice-body </advice-body> </advice> } + </aspect> << jpm-type >> aspect-name pointcut-name : joinpoint-type { pointcut-body } ： advice-name [pointcut-name]: advice-type { advice-body } ：

Model Editor (Eclipse UML) AspectM 支援ツール Model Editor (Eclipse UML) Model Compiler UML diagrams XMI (PIM) Aspect diagrams XMI XSLT style sheet XMI (PSM) AspectM metamodel XSLT style sheet (EMF) Java code

アスペクト導入のためのメタモデル Class ＵＭＬメタモデル を拡張 Aspect

（３）ＭＤＡからＭＩＣへ

（DSL: Domain-Specific Modeling Language） ＭＤＡの先にあるもの ＭＤＡ：　プラットフォームに関する関心事を分離 アスペクト指向：　プラットフォームのみならず、モデリング段階 　　　　　　　　 　の横断的関心事を分離 ドメイン指向モデリング ドメイン専用モデリング言語 （DSL: Domain-Specific Modeling Language）

Model-Integrating Computing (MIC) Vanderbilt Univ. のISIS（Institute for Software Integrated Systems）で研究開発。 ドメイン専用モデリング環境を提供。 アスペクト指向への応用は、J.Gray (現在、Univ. of Alabama )が研究。ＡＯＤＭ（Aspect-Oriented Domain Modeling）を提案。

Model-integrated approach to software composition ［出典］ Janos Sztipanovits and Gabor Karsai: Generative Programming for Embedded Systems, GPCE2002, LNCS2487, pp.32--49, 2002

Meta-modeling language architecture 適用例 ［出典］ Janos Sztipanovits and Gabor Karsai: Generative Programming for Embedded Systems, GPCE2002, LNCS2487, pp.32--49, 2002

４．アスペクト指向の今後

アスペクト指向の今後 歴史は繰り返す．．． 現在、プログラミング周りで研究が活発（８０年代のＯＯＰ研究を彷彿させる） 今後は、適用事例の拡大、開発方法論の整備、アスペクトコンポーネント・フレームワークの整備に向かって行くと思われる（９０年代のＯＯソフトウェアエンジアリングの発展に類似） 歴史は繰り返す．．．

AOSD ソフト開発工程全体への波及 AOP（Aspect-Oriented Programming） から AOSD（Aspect-Oriented Software Development） へ AO: Aspect-Oriented 要求分析 設計 実装 Early Aspect AO Design Pattern AO Language AO Modeling AO Framework AO Component Aspect Mining AO Database

上流段階のアスペクト研究例 Ｓｔｅｉｎ他［ＡＯＳＤ２００２］ Ｇｒａｙ他［ＧＰＣＥ２００３］ Ｓｉｌｌｉｔｏ他［ＥＣＯＯＰ２００４］ アスペクトをＵＭＬ図として表現する方法を提案 モデリング段階のアスペクトはＡｓｐｅｃｔＪなどのＡＯＰ言語に変換するもので、この方法ではＭＤＡは実現できない ＡｓｐｅｃｔＭのアスペクトはＵＭＬ図自身を操作するもの Ｇｒａｙ他［ＧＰＣＥ２００３］ ＡＯＤＭ（Aspect-Oriented Domain Modeling）を提案 属性や関連などのモデル要素を追加する機能をもつ ＭＤＡなどの一般的なモデル変換を対象にしたものではない Ｓｉｌｌｉｔｏ他［ＥＣＯＯＰ２００４］ ユースケースレベルのポイントカットを提案 上流のモデリング段階においてもＪＰＭの考え方が有効であることを示した

アスペクト指向言語の変遷 ドメイン専用ＡＯＰ言語を個々に開発するアプローチ （１９９７年頃まで） Weaverを開発するのが大変 汎用ＡＯＰ言語（AspectJ等： 「Pointcut＋Advice」メカニズム）のアプローチ （現在） 適用範囲が限定される 拡張可能ドメイン専用ＡＯＰ言語の（Xaspect等）アプローチ （これから）

アスペクト指向に関する情報源 ポータルサイト http://aosd.net 国際会議 Aspect-Oriented Software Development (AOSD) OOPSLA, ECOOP, GPCE, ICSE, FSE, ICFP など

５．研究室の紹介

最近の主な研究 Naoyasu Ubayashi and Tetsuo Tamai: Aspect-Oriented Programming with Model Checking, 1st International Conference on Aspect-Oriented Software Development (AOSD 2002) Kouhei Sakurai, Hidehiko Masuhara, Naoyasu Ubayashi, Saeko Matsuura, and Seiichi Komiya: Association aspects, 3rd International Conference on Aspect-Oriented Software Development (AOSD 2004) Tetsuo Tamai, Naoyasu Ubayashi, and Ryoichi Ichiyama: An Adaptive Object Model with Dynamic Role Binding, 27th IEEE/ACM International Conference on Software Engineering (ICSE 2005) Naoyasu Ubayashi, Tetsuo Tamai, Shinji Sano, Yusaku Maeno, Satoshi Murakami: Model Compiler Construction Based on Aspect-Oriented Mechanisms, 4th ACM SIGPLAN International Conference on Generative Programming and Component Engineering (GPCE 2005), to appear Naoyasu Ubayashi, Genki Moriyama, Hidehiko Masuhara, and Tetsuo Tamai: A Parameterized Interpreter for Modeling Different AOP Mechanisms, 20th IEEE/ACM International Conference on Automated Software Engineering (ASE 2005), to appear

現在進行形の研究 Weaving by Contract Contract Generator for AO Refactorings Class-based AOP Language Reflective AOP Language

おわり