Analysis Techniques for Software Maintenance

Abstract

[ES] Vivimos en una sociedad donde la digitalización está presente en nuestro día a día. Nos despertamos con la alarma de nuestro teléfono móvil, apuntamos nuestras reuniones en nuestro calendario digital, guardamos nuestros archivos en el almacenamiento en la nube, y entramos a las redes sociales prácticamente a diario. Cada una de estas acciones se ejecuta sobre un sistema software que asegura su correcto funcionamiento. Esta digitalización masiva ha hecho que el desarrollo de software se dispare en los últimos años. Durante el ciclo de vida de un sistema software, la etapa de mantenimiento supone un gasto de billones de dólares anuales. La razón detrás de este gasto es la aparición de bugs o errores que no fueron detectados durante la fase de producción del software, y que se traducen en un mal funcionamiento del sistema. Por este motivo, las técnicas de detección y localización de errores como el testeo, la verificación o la depuración son un factor clave para asegurar la calidad del software. Aunque son muchas las técnicas que se utilizan para la depuración, testeo y verificación de sistemas software, esta tesis se centra solo en algunas de ellas. En concreto, esta tesis presenta mejoras en la técnica de fragmentación de programas (depuración), una nueva metodología para hacer testeo de regresión (testeo) y una nueva implementación del modelo de verificación de diseño-por-contrato para el lenguaje de programación Erlang (verificación). Las mejoras propuestas para la técnica de fragmentación de programas incluyen diversas propuestas aplicables a diferentes escenarios: (i) mejoras en la representación y fragmentación de programas orientados a objetos, (ii) mejoras en la representación y fragmentación de estructuras de datos complejas (objetos, vectores, listas, tuplas, registros, etc.), (iii) un nuevo modelo de grafo basado en una representación más detallada de programas, aumentando la expresividad del grafo y generando fragmentos de código más precisos como resultado, y (iv) una nueva técnica para calcular fragmentos mínimos de un programa dado un conjunto específico de posibles valores de entrada. Por otro lado, la nueva metodología para hacer testeo de regresión se denomina testeo de punto de interés, e introduce la posibilidad de comparar automáticamente el comportamiento de un punto cualquiera del código dadas dos versiones del mismo sistema software. Por último, la tesis contiene la nueva implementación del modelo de verificación de programas diseño-por-contrato para el lenguaje de programación Erlang, donde se explican en detalle los nuevos tipos de contratos diseñados para las partes secuencial y concurrente de Erlang. Todos los análisis presentados en esta tesis han sido formalmente definidos y su corrección ha sido probada, asegurando de esta manera que los resultados tendrán el grado de fiabilidad necesario para ser aplicados a sistemas reales. Otra contribución de esta tesis es la implementación de dos herramientas de fragmentación de programas para dos lenguajes de programación diferentes (Java y Erlang), una herramienta para realizar testeo de punto de interés para el lenguaje de programación Erlang y un sistema para ejecutar verificación de diseño-por-contrato en Erlang. Es de destacar que todas las herramientas implementadas a lo largo del desarrollo de esta tesis son herramientas de código abierto y públicamente accesibles, de manera que pueden ser usadas o extendidas por cualquier investigador interesado en este area.

[CA] Vivim en una societat on la digitalització està present al nostre dia a dia. Ens alcem amb l'alarma del nostre telèfon mòbil, apuntem les nostres reunions al nostre calendari digital, guardem els nostres arxius al emmagatzematge al núvol, i entrem a las xarxes socials pràcticament a diari. Cadascuna d'aquestes accions s'executa sobre un sistema programari que assegura el seu correcte funcionament. Aquesta digitalizació massiva ha fet que el desenvolupament de programari es dispare en els últims anys. Durant el cicle de vida de un sistema programari, l'etapa de manteniment suposa una despesa de bilions de dòlars anuals. La raó darrere d'aquesta despesa és l'aparició de bugs o errors que no van ser detectats durant la fase de producció del programari, i que es traduïxen en un mal funcionament del sistema Per este motiu, les tècniques de detecció i localització d'errors com el testeig, la verificació o la depuració són un factor clau per a assegurar la qualitat del programari. Encara que són moltes les tècniques utilitzades per a la depuració, testeig i verificació de sistemes programari, esta tesi es centra només en algunes d'elles. En concret, esta tesi presenta millores en la tècnica de fragmentació de programes (depuració), una nova metodologia per a fer testeig de regressió (testeig) i una nova implementació del model de verificació de disseny-per-contracte per al llenguatge de programació Erlang (verificació). Les millores proposades per a la tècnica de fragmentació de programes inclouen diverses propostes aplicables a diferents escenaris: (i) millores en la representació i fragmentació de programes orientats a objectes, (ii) millores en la representació i fragmentació d'estructures de dades complexes (objectes, vectors, llistes, tuples, registres, etc.), (iii) un nou model de graf basat en una representació més detallada de programes, augmentant l'expressivitat del graf i generant fragments de codi més precisos com a resultat, i (iv) una nova tècnica per a calcular fragments mínims d'un programa donat un conjunt específic de possibles valors d'entrada. D'altra banda, la nova metodologia per a fer testeig de regressió es denomina testeig de punt d'interés, i introduïx la possibilitat de comparar automàticament el comportament d'un punt qualsevol del codi donades dos versions del mateix sistema programari. Finalment, la tesi conté la nova implementació del model de verificació de programes disseny-per-contracte per al llenguatge de programació Erlang, on s'expliquen en detall els nous tipus de contractes dissenyats per a les parts seqüencial i concurrent d'Erlang. Totes les anàlisis presentades en aquesta tesi han sigut formalment definides i la seua correcció ha sigut provada, assegurant d'aquesta manera que els resultats tindran el grau de fiabilitat necessari per a ser aplicats a sistemes reals. Una altra contribució d'aquesta tesi és la implementació de dos ferramentes de fragmentació de programes per a dos llenguatges de programació diferents (Java i Erlang), una ferramenta per a realitzar testeig the punt d'interés per al llenguatge de programació Erlang i un sistema per a executar verificació de disseny-per-contracte a Erlang. Cal destacar que totes les ferramentes implementades al llarg del desenvolupament d'aquesta tesi són ferramentes de codi obert i públicament accessibles, de manera que poden ser usades o esteses per qualsevol investigador interessat en el tema.

[EN] We live in a society where digitalisation is present in our everyday life. We wake up with the alarm of our mobile phone, book our meetings in our digital calendar, save all our media in the cloud storage, and spend time in social networks almost daily. Every one of these tasks is run over a software system that ensures its correct functionality. This massive digitalisation has made software development to shoot up in the last years. During the lifetime of software systems, the maintenance process entails a waste of billions of dollars every year. The cause of this waste is the occurrence of bugs or errors undetected during the software production, which result in a malfunction of the system. For this reason, error detection and localisation techniques, such as testing, verification, or debugging, are a key factor to ensure software quality. Although many different techniques are used for the debugging, testing, and verification of software systems, this thesis focus on only some of them. In particular, this thesis presents improvements in the program slicing technique (debugging field), a new approach for regression testing (testing field), and a new implementation of the design-by-contract verification model for the Erlang programming language (verification field). The improvements proposed for the program slicing technique include several enhancements applicable to different scenarios: (i) improvements in the representation and slicing of object-oriented programs, (ii) enhancements in the representation and slicing of (possibly recursive) complex data structures (objects, arrays, lists, tuples, records, etc.), (iii) a new graph model based on a fine-grained representation of programs that augments the expressivity of the graph and provides more accurate slicing results, and (iv) a new technique to compute minimal slices for a program given a set of specific program inputs. On the other side, the new approach for regression testing is called point of interest testing, and it introduces the possibility of automatically comparing the behaviour of any arbitrary point in the code given two versions of the same software system. Finally, the thesis presents a new implementation of the design-by-contract verification model for the Erlang programming language, where new types of contracts are explained in detail for both the sequential and concurrent parts of Erlang. All the analyses presented here have been formally defined and their correctness have been proved, ensuring that the results will have the reliability degree needed for real-life systems. Another contribution of this thesis is the implementation of two program slicers for two different programming languages (Java and Erlang), a tool to perform point of interest testing for the Erlang programming language, and a system to run design-by-contract verification in Erlang. It is worth mentioning that all the tools implemented in this thesis are open source and publicly available, so they can be used or extended by any interested researcher.