プログラム動作理解支援を目的とした オブジェクトの振舞いの同値分割手法

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1 プログラム動作理解支援を目的とした オブジェクトの振舞いの同値分割手法
平成22年2月15日 プログラム動作理解支援を目的とした オブジェクトの振舞いの同値分割手法 大阪大学 大学院情報科学研究科 コンピュータサイエンス専攻 井上研究室 博士前期課程2年 宗像 聡(Munakata Satoshi) 平成22年2月15日 修士論文発表会 修士論文発表会

2 概要 クラスの動作理解を支援 オブジェクト指向プログラムの動作理解を支援 オブジェクトが多数生成されるクラスの動作理解は困難
平成22年2月15日 概要 オブジェクト指向プログラムの動作理解を支援 クラスの動作理解を支援 クラスの使われ方，クラスのオブジェクトの振舞い プログラム実行時のオブジェクトの振舞いを可視化する手法が有効 オブジェクトが多数生成されるクラスの動作理解は困難 各オブジェクトの振舞いを逐一確認するのは労力が大きい 振舞いの類似性に基づきオブジェクト群を分割する手法を提案 グループごとに振舞いを図として可視化 注目クラスの特徴的な振舞いのみを確認できる オープンソースソフトウェアに適用して，有効性を検証 本発表では，オブジェクト指向プログラムの動作理解支援を目的として，ある1つの注目するクラスについて，その動作の理解を支援する一手法を提案します． クラスの動作理解とは，そのクラスがプログラム中でどのように使われるのか，または，そのクラスのオブジェクトがプログラム中でどのように振舞うのか理解することを指します． これには，プログラム実行時に行われた，そのクラスのオブジェクトの実際の振舞いを確認することが有効であると言われています． しかし，注目するクラスのオブジェクトがプログラム実行時に多数生成された場合には，このようにして，クラスの動作を理解することは困難になります． なぜなら，同じクラスのオブジェクトであっても，その振舞いはそれぞれに異なりますが，各オブジェクトの振舞いを逐一確認するのは労力が大きく，現実的でないためです． そこで，本研究では，注目するクラスのオブジェクト群を，その振舞いの類似性に基づいて分割する手法を提案します この分割により，互いに振舞いが類似するオブジェクトからなるグループが複数得られます．そして，グループごとにその振舞いを図として可視化することで，注目するクラスの特徴的な振舞いのみを提示できると考えました． 提示された図のみを確認することで，多数のオブジェクトを生成するクラスであっても，効率良く動作理解が行える，ということを目指しています． 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

3 クラスの動作理解 プログラムの保守にはクラスの動作理解が不可欠[1,2] 実行時のオブジェクトの振舞いの可視化が有効 o1 o2
平成22年2月15日 クラスの動作理解 プログラムの保守にはクラスの動作理解が不可欠[1,2] 実行時のオブジェクトの振舞いの可視化が有効 プログラム実行時に，動作情報を実行履歴として収集 注目クラスのオブジェクトごとに，関係する動作情報を抽出 呼び出し関係図・UMLシーケンス図，DOPG図として可視化[3,4,5] プログラム 実行履歴 クラス A 近年，多くのプログラムがオブジェクト指向に基づいて，設計および実装されています． オブジェクト指向プログラムは複数の役割の異なるクラスから構成されています． そのため，オブジェクト指向プログラムを適切にメンテナンスするには，使われているクラスの動作，つまりクラスの使われ方やそのオブジェクトの振舞いについて，十分に理解することが不可欠であるといわれています． クラスの動作理解には，プログラム実行時に行われた，そのクラスのオブジェクトの実際の振舞いを可視化して確認することが有効であると言われています． これは，次の手順で行われます． まず，プログラム実行時に，メソッド呼び出しなどの動作情報を収集します． 次に，注目するクラスのオブジェクトごとに，そのオブジェクトと関係する動作情報を抽出します． そして，抽出したオブジェクトごとの動作情報を，目的に応じて，呼び出し関係図や，UMLシーケンス図，DOPG図に変換します． このようにして，注目するクラスのオブジェクトの振舞いが図として可視化されます． 呼び出し関係図 シーケンス図 o1 o2 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

4 振舞いの確認における問題 ？ 注目クラスのオブジェクトが多数生成される場合 クラス A オブジェクトの振舞いはそれぞれ異なる[6]
平成22年2月15日 振舞いの確認における問題 注目クラスのオブジェクトが多数生成される場合 オブジェクトの振舞いはそれぞれ異なる[6] 各オブジェクトの振舞いを逐一確認することは困難 クラス A しかし、実用的なシステムでは、1つのクラスからオブジェクトが、多数生成されることがしばしばあります。 しかし，注目するクラスのオブジェクトがプログラム実行時に多数生成される場合には，適用することが困難になります 同じクラスのオブジェクトであっても，その振舞いはオブジェクトごとにそれぞれ異なります． そのため， ？ 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

5 提案手法 !! 目的 手順 クラス A オブジェクトを多数生成するクラスの動作理解支援 分割） 振舞いが類似するオブジェクト群をグループ化
平成22年2月15日 提案手法 目的 オブジェクトを多数生成するクラスの動作理解支援 手順 分割）　　振舞いが類似するオブジェクト群をグループ化 可視化） グループごとに振舞いを図として可視化 注目クラスのオブジェクトの特徴的な振舞いのみを提示 クラス A !! 1つのクラスから生成された多数のオブジェクトの中には、互いに振舞いの類似しているものが多く存在することが期待できます。 そこで提案手法では、解析対象のオブジェクトを、振舞いの類似しているものが同じグループになるように分類し、グループごとに代表的な振舞いを可視化する、というアプローチをとります。 これにより、確認する振舞いの数を、なるべく実行履歴にある実行時情報を潰すことなく減らすことができ、クラスの動作の全体像を容易に把握できるようになると考えました。 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

6 Step1：オブジェクト群の同値分割 同値関係を1つ選び，オブジェクト群を同値分割 オブジェクト集合O={o1,…,on}上の同値関係を定義
平成22年2月15日 Step1：オブジェクト群の同値分割 オブジェクト集合O={o1,…,on}上の同値関係を定義 E(os,ok) os,ok∈O オブジェクトの振舞いの同値性に基づく同値関係 観点の異なる4つの同値関係を定義 Euse(os,ok) ・・・ os,okの参加した機能が同じ Emethods(os,ok) ・・・ os,okの使われ方が同じ Eused(os,ok)，Ecalled(os,ok)　・・・　本発表では説明を省略 同値関係を1つ選び，オブジェクト群を同値分割 オブジェクト群の分割は，オブジェクトの振舞いに基づく同値関係を定義し，それを用いて同値分割することで行います． このオブジェクトの振舞いの同値関係として，観点の異なる4つの同値関係を定義しました． Euseは，プログラム実行時に参加した機能が同じであるオブジェクトについて，同値関係が成り立ちます． また，Emethodsは，同じ使われ方をされたオブジェクトについて，同値関係が成り立ちます． そして，動作理解の目的に応じて，適用する同値関係を1つ選び，オブジェクト群を同値分割することになります． 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

7 Euse(os,ok) クラス A クラス X クラス Y o1 o2 o3 メソッド呼び出し元のクラスが完全一致
平成22年2月15日 Euse(os,ok) メソッド呼び出し元のクラスが完全一致 o1,o2 ・・・ { クラスＸ }， o3 ・・・ { クラスY } クラスはそれぞれ異なる役割を持つ 複数の役割のクラスが協調動作して，システムの機能が実現[7] 参加した機能の違いからくる，振舞いの差を識別 クラス A o1.print() o1 クラス X o2 o2.input() クラス Y o3 o3.input() 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

8 Emethods(os,ok) クラス A クラス X クラス Y o1 o2 o3 動作したメソッドが完全一致
平成22年2月15日 Emethods(os,ok) 動作したメソッドが完全一致 o1 ・・・ { print() }， o2,o3 ・・・ { input() } 動作したメソッドからは，クラスの使われ方が分析できる[8] 使われ方の違いからくる，振舞いの差を識別 クラス A o1.print() o1 クラス X o2 o2.input() クラス Y o3 o3.input() 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

9 Step2：振舞いの可視化 クラス A 各同値類からオブジェクトを1つランダムに選択 可視化方法を1つ選び，各オブジェクトの振舞いを可視化
平成22年2月15日 Step2：振舞いの可視化 各同値類からオブジェクトを1つランダムに選択 同値関係から，ある観点では振舞いの性質が同じことがわかっている 可視化方法を1つ選び，各オブジェクトの振舞いを可視化 呼び出し関係図 UMLシーケンス図 DOPG図 クラス A Euse Euse 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

10 再帰的な分割 異なる同値関係を用いて，再帰的に分割 複数の観点から，より詳細に振舞いの差を確認できる クラス A Euse Euse
平成22年2月15日 再帰的な分割 異なる同値関係を用いて，再帰的に分割 複数の観点から，より詳細に振舞いの差を確認できる クラス A しかし，各同値関係で識別できる振舞いの差は，限られています． Euse Euse 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

11 実装 提案手法をツールとして実装 Amida-Agent Amida-OGAN Javaプログラムから動作情報を取得するトレーサ
平成22年2月15日 実装 提案手法をツールとして実装 Amida-Agent Javaプログラムから動作情報を取得するトレーサ Amida-OGAN GUIベースの対話的ツール 対話的に，解析対象クラス，同値分割基準，可視化方法を選択 呼び出し関係図・UMLシーケンス図・DOPG図 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

12 適用実験 目的 方法 クラス動作理解に対する有効性を検証
平成22年2月15日 適用実験 目的 クラス動作理解に対する有効性を検証 方法 オープンソースソフトウェアから取得した実行履歴に，提案手法を適用 ケーススタディとして，特定クラスの動作理解を実施 各クラスの分割結果の調査 本発表では，ソフトウェア”Scheduler”に対して行ったケーススタディのみを説明 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

13 Scheduler Javaで実装された，予定管理用カレンダープログラム 実行シナリオ 実行開始から終了までに1974個のオブジェクトが出現
平成22年2月15日 Scheduler Javaで実装された，予定管理用カレンダープログラム 予定を記入したい日付に対応するセルをクリック 登録ダイアログが開き，予定を編集できる 実行シナリオ 異なる日付に計3つの予定を追加 実行開始から終了までに1974個のオブジェクトが出現 適用実験の目的 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

14 クラスCalendarDateの分析 クラスCalendarDate Euseによる分割を適用 日付ごとの予定データを管理する
平成22年2月15日 クラスCalendarDateの分析 クラスCalendarDate 日付ごとの予定データを管理する 実行履歴中には731個のオブジェクトが出現 731個のオブジェクトの振舞いを確認することは困難 Euseによる分割を適用 呼び出し元のクラスに基づく同値分割 参加した機能の違いを識別することが目的 3個の同値類{ s1, s2, s3 }に分割 s1は，オブジェクト数 641 s2は，オブジェクト数 87 s3は，オブジェクト数 3 どのグループが何かを説明． 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

15 {s1,s2,s3}の呼び出し関係図 s1 s2 s3 共通する呼び出し関係 同じ処理を行っていると予測できる 平成22年2月15日
修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

16 s3の呼び出し関係図 s3 登録ダイアグラムと予定データ をCalendarDateが仲介 予定データ追加に関係したと予測
平成22年2月15日 s3の呼び出し関係図 s3 登録ダイアグラムと予定データ をCalendarDateが仲介 予定データ追加に関係したと予測 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

17 s3のUMLシーケンス図の一部 登録ダイアログ上でユーザからのマウス操作 登録ダイアログから予定の追加要求を受ける
平成22年2月15日 s3のUMLシーケンス図の一部 登録ダイアログ上でユーザからのマウス操作 登録ダイアログから予定の追加要求を受ける 予定データベースに予定を追加 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

18 分析結果(1/2) 後に詳細なプログラム理解を実施 クラスCalendarDateが関わった処理
平成22年2月15日 分析結果(1/2) 後に詳細なプログラム理解を実施 クラスCalendarDateが関わった処理 初期化処理 ・・・　s1,s2,s3　 描画処理 ・・・　s2, s3 予定追加処理 ・・・　s3 {s1,s2,s3}は，それぞれ参加した機能が異なる 同値関係 Euse による分割の目的と一致する 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

19 分析結果(2/2) 呼び出し関係図が何パターンあるか調査 ラベル付き有向グラフとみて同型判定 呼び出し関係図は3パターン
平成22年2月15日 分析結果(2/2) 呼び出し関係図が何パターンあるか調査 ラベル付き有向グラフとみて同型判定 呼び出し関係図は3パターン 可視化した3図で網羅している 可視化した以外の図から，新たに得られる知識は少ない 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

20 考察(1/2) 呼び出し関係図では，すべてのパターンを提示 DOPG図では，提示できなかった3パターンがある
平成22年2月15日 考察(1/2) 呼び出し関係図では，すべてのパターンを提示 特徴的な振舞いのみを提示できたと言える 可視化するオブジェクトにより獲得できる知識に違いがある DOPG図では，提示できなかった3パターンがある 実行スレッドの違いなど 描画処理・予定追加処理に関係する呼び出し系列 オブジェクトの振舞いとして，どの程度の動作の違いを識別する必要があるか，調査が必要 同値類ごとの振舞いの比較することで，共通の振舞いと，限定的な振舞いとを区別して確認できた 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

21 考察(2/2) 多くのクラスでは，各分割基準で， 10個以下の同値類に分割される 一部のクラスでは Euseで多数の同値類に分割される
平成22年2月15日 考察(2/2) 多くのクラスでは，各分割基準で， 10個以下の同値類に分割される 一部のクラスでは Euseで多数の同値類に分割される MASUのクラスStateChangeEvent 8344個のオブジェクトは，45個の同値類に分割 多数のクラスから横断的に使用されるクラス Emethodsによる分割では，10個前後の同値類 EmethodsからEuseの，再帰的な分割が有効 効果的な分割順序が提示できるか，調査が必要 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

22 まとめ オブジェクト指向プログラムのクラスの動作理解支援 オブジェクトの振舞いを可視化する手法が有効 特徴的な振舞いのみを可視化
平成22年2月15日 まとめ オブジェクト指向プログラムのクラスの動作理解支援 オブジェクトの振舞いを可視化する手法が有効 オブジェクトが多数生成されるクラスには適用困難 特徴的な振舞いのみを可視化 振舞いの同値性に基づいて，オブジェクト群を同値分割 同値類ごとに振舞いを可視化 考察が無い 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

23 その他の適用結果 一部のクラスでは， Euseで多数の同値類に分割される
平成22年2月15日 その他の適用結果 一部のクラスでは， Euseで多数の同値類に分割される MASUのクラスStateChangeEvent 8344個のオブジェクト，45個の同値類 JHotDrawのクラスResourceBundleUtil 959個のオブジェクト，58個の同値類 イベント通知，データ保持，ユーティリティの役割のクラスでは，多数のクラスから横断的に使用されるため 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

24 DOPG(Dynamic Object Process Graph)
平成22年2月15日 DOPG(Dynamic Object Process Graph) 1つのオブジェクトについて注目した制御依存グラフ DOPG図 ClassB # newClassA() Javaプログラム １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ １１ １２ class ClassB { void newClassA() { ClassA a = new ClassA (); for(int i=0; i<a.max(); i++) passClassA( a ); } void passClassA( ClassA a ) { a.call(); System.out.println(); Create o1 ClassA # max() ClassB # passClassA( ClassA ) 暗い オートシェイプで表現 色々と省略 サンプルとして完成させる もっと読みやすく 意味がわからん ClassB # passClassA( ClassA ) ClassA # call() 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

25 実装 提案手法をツールとして実装 Amida-Agent Amida-OGAN Javaプログラムから実行履歴を取得するトレーサー
平成22年2月15日 実装 提案手法をツールとして実装 Amida-Agent Javaプログラムから実行履歴を取得するトレーサー Amida-OGAN GUIベースの対話的ツール ユーザは対話的に，解析したいクラス，分割基準，可視化方法を選べる UMLシーケンス図の可視化には，Amida[9]を使用 注目クラス 分割基準 可視化方法 Amida-Agent Amida-OGAN ＋ 実行履歴 Javaプログラム Amida クラス A シーケンス図 呼び出し関係図 ユーザー 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

26 その他の適用結果からの考察 SchedulerのクラスScheduleList 予定データを保持するクラス Euseでは，1グループに分割
平成22年2月15日 その他の適用結果からの考察 SchedulerのクラスScheduleList 予定データを保持するクラス Euseでは，1グループに分割 Emethodsでは，3グループに分割 日付ごとの予定データ，曜日ごとの予定データ データの使われ方の違いが識別されている 識別したい振舞いの違いに応じて，分割基準を選ぶ必要がある 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

27 生成されたオブジェクト数でクラスをカテゴリ分け
平成22年2月15日 分割数の調査 平均グループ数 生成されたオブジェクト数でクラスをカテゴリ分け 分類規則 Use,Usedは， UseとUsedが完全に一致 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

28 呼び出したメソッドに基づくグループ数が多い
平成22年2月15日 Methods グループ数 データ保持用のクラスで 呼び出したメソッドに基づくグループ数が多い クラス 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

29 平成22年2月15日 Methods グループ数 オブジェクト数 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

30 呼び出し元クラスに基づくグループ数が多い
平成22年2月15日 Use グループ数 イベント通知用クラスで 呼び出し元クラスに基づくグループ数が多い クラス 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

31 平成22年2月15日 Use グループ数 オブジェクト数 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

32 平成22年2月15日 DOPG グループ数 クラス 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会

33 平成22年2月15日 DOPG グループ数 オブジェクト数 修士論文発表会 平成22年2月15日 修士論文発表会