D.2 SOFTWARE ENGINEERING (K.6.3)
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As the usage of concurrency in software has gained importance in the last years, and is still rising, new types of defects increasingly appeared in software. One of the most prominent and critical types of such new defect types are data races. Although research resulted in an increased effectiveness of dynamic quality assurance regarding data races, the efficiency in the quality assurance process still is a factor preventing widespread practical application. First, dynamic quality assurance techniques used for the detection of data races are inefficient. Too much effort is needed for conducting dynamic quality assurance. Second, dynamic quality assurance techniques used for the analysis of reported data races are inefficient. Too much effort is needed for analyzing reported data races and identifying issues in the source code.
The goal of this thesis is to enable efficiency improvements in the process of quality assurance for data races by: (1) analyzing the representation of the dynamic behavior of a system under test. The results are used to focus instrumentation of this system, resulting in a lower runtime overhead during test execution compared to a full instrumentation of this system. (2) Analyzing characteristics and preprocessing of reported data races. The results of the preprocessing are then provided to developers and quality assurance personnel, enabling an analysis and debugging process, which is more efficient than traditional analysis of data race reports. Besides dynamic data race detection, which is complemented by the solution, all steps in the process of dynamic quality assurance for data races are discussed in this thesis.
The solution for analyzing UML Activities for nodes possibly executing in parallel to other nodes or themselves is based on a formal foundation using graph theory. A major problem that has been solved in this thesis was the handling of cycles within UML Activities. This thesis provides a dynamic limit for the number of cycle traversals, based on the elements of each UML Activity to be analyzed and their semantics. Formal proofs are provided with regard to the creation of directed acyclic graphs and with regard to their analysis concerning the identification of elements that may be executed in parallel to other elements. Based on an examination of the characteristics of data races and data race reports, the results of dynamic data race detection are preprocessed and the outcome of this preprocessing is presented to users for further analysis.
This thesis further provides an exemplary application of the solution idea, of the results of analyzing UML Activities, and an exemplary examination of the efficiency improvement of the dynamic data race detection, which showed a reduction in the runtime overhead of 44% when using the focused instrumentation compared to full instrumentation. Finally, a controlled experiment has been set up and conducted to examine the effects of the preprocessing of reported data races on the efficiency of analyzing data race reports. The results show that the solution presented in this thesis enables efficiency improvements in the analysis of data race reports between 190% and 660% compared to using traditional approaches.
Finally, opportunities for future work are shown, which may enable a broader usage of the results of this thesis and further improvements in the efficiency of quality assurance for data races.
Software stellt ein komplexes Werkzeug dar, das durch seine umfassenden Möglichkeiten die moderne Gesellschaft entscheidend geprägt hat. Daraus ergibt sich eine Abhängigkeit von Funktion und Fehlfunktion der Software, die eine an den funktionalen Anforderungen orientierte Entwicklung und Qualitätssicherung der Software notwendig macht. Die vorliegende Arbeit schafft durch Formalisierung und Systematisierung der Verfahren im funktionsorientierten Test eine fundierte Basis für eine Hinwendung zu den funktionsorientierten Techniken in Softwareentwicklung und –qualitätssicherung. Hierzu wird in der Arbeit zunächst ein formales Modell für das Vorgehen im dynamischen Test beschrieben, das sich an der Begriffsbildung der Literatur und dem Verständnis der Praxis orientiert. Das Modell beruht auf wenigen zentralen Annahmen, eignet sich für formale Untersuchungen und Nachweise und ist wegen seiner sehr allgemein gehaltenen Definitionen breit anwendbar und einfach erweiterbar. Auf dieser Basis werden Vorgehen und Verfahren zum funktionsorientierten Test analysiert. Zunächst wird dazu das Vorgehen im funktionsorientierten Test im Rahmen des Modells dargestellt. Darauf aufbauend werden zentrale Verfahren des funktionsorientierten Tests analysiert, die zum Gegenstand die systematische Prüfung der Umsetzung von weitgehend informal beschriebenen Anforderungen in einem Softwareprodukt haben. Betrachtet werden Verfahren der funktionalen Partitionierung, der funktionalen Äquivalenzklassenanalyse und Grenzwertbildung, Verfahren zur Prüfung von kausalen Zusammenhängen zwischen Ursachen und Wirkungen, Verfahren zur Prüfung von graphisch spezifizierter Funktionalität in Syntaxdiagrammen, Aktivitätsdiagrammen, Sequenz- und Kollaborationsdiagrammen und Petrinetzen, Verfahren zum Test zustandsbasierter Systeme sowie Ansätze einer funktionalen Dekomposition. Die Analyse und Diskussion der bekannten Verfahren im formalisierten Rahmenwerk führt zu zahlreichen Ergebnissen und Verfahrensergänzungen. So zeigt sich, dass in den klassischen, informalen Beschreibungen häufig Unklarheiten bestehen. Diese werden hier adressiert und durch Angabe von Kriterien präzisiert, Optimierungsmöglichkeiten werden aufgezeigt. Darüber hinaus wird an der einheitlichen formalen Darstellung der in der Literatur meist separat betrachteten Verfahren deutlich, welche Vergleichbarkeit zwischen den Verfahren besteht, welche Verfahrenskombinationen sinnvoll sind und wie durch ein kombiniert funktions- und strukturorientiertes Vorgehen eine hohe Aussagekraft in der analytischen Qualitätssicherung erreicht werden kann. Bei der Formulierung der Verfahren im Rahmen des Modells wird herausgearbeitet, wo zur Verfahrensdurchführung die kreative Leistung des Testers notwendig ist und welche Anteile formalisiert und damit automatisiert unterstützt werden können. Diese Betrachtungen bilden die Grundlage für die Skizzierung einer integrierten Entwicklungsumgebung, in der ein funktionsorientiertes Vorgehen in Entwicklung und Qualitätssicherung umgesetzt wird: Hier helfen funktionsorientierte Beschreibungsformen bei der Angabe der Spezifikation, ihrer Verfeinerung und ihrer Vervollständigung, sie unterstützen die Entwicklung durch Modellbildung, sie liefern die Basis für eine funktionsorientierte Testdatenselektion mit Adäquatheitsprüfung, sie können bei geeigneter Interpretierbarkeit über den Datenbereichen zur automatisierten Testfallgenerierung genutzt werden und unterstützen als suboptimale Testorakel eine automatisierte Auswertung des dynamischen Tests. Diese Skizze zeigt die praktische Umsetzbarkeit der vorwiegend theoretischen Ergebnisse dieser Arbeit und setzt einen Impuls für ein verstärktes Aufgreifen funktionsorientierter Techniken in Wissenschaft und Praxis.
Embedded systems are becoming more and more important in today’s life in many ways. They can be found in dishwashers, mobile phones, coffee machines, PDAs, etc. Although there is no common definition of what an embedded system is, it can be generally defined as a special-purpose information processing system, containing both: software and hardware. Embedded systems are integrated in a larger systems which interact with environment for achieving a set of predefined tasks or applications. In general, embedded systems are characterized by resources scarcity, among which energy is becoming more and more important (especially the energy consumed by the processor). The energy consumed by an embedded system is strongly influenced by the software running on it (the embedded software). That is why it is crucial to explore the software characteristics that have an influence on the energy consumption, and to understand how this influence could be represented. In order to realize this task, there is a need for the construction of a reliable measurement platform for energy consumption by embedded devices. The target of this work is to design and implement a framework for measuring energy consumption of embedded software. This framework is based on the XScale architecture, a popular Intel platform designed for energy aware applications. The framework has a software repository which contains a number of programs (user-defined) that are supposed to run on the mentioned platform. These program codes are the input of the framework. Automated measurements for energy consumption are performed on all programs for gathering the required information. In the context of this work, a first evaluation of the framework was performed to make an initial check its quality.