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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

東芝情報システム（株）殿向けチュートリアル

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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

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ソフトウェア開発手法の変遷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

ＯＯＡＯＯＤパターンフレームワークコンポーネント

ＭＤＡ

アスペクト指向

構造化プログラミング構造化分析構造化設計 ＯＯＰ ＥＡ

プロダクトラインアジャイル , ＸＰ

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１．アスペクト指向の背景

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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

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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

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モジュール化の理想像

問題領域

要求分析 設計 実装

ソフトウェア構造

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 ）

分析時の関心事

設計時の関心事

モジュールの構成

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良いモジュール化

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

機能要件をきれいにモジュール化

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しかし、ログ処理の場合は．．．

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 ）

複数のオブジェクトにまたがる（ Crosscutting Concerns ）

AspectJ. http://eclipse.org/aspectj/ より抜粋

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現実のモジュール化は．．．

（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）

問題領域

要求分析 設計 実装

ソフトウェア構造

分析時の関心事

設計時の関心事

モジュールの構成

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従来手法の問題

＜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

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。

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。

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ソフトウェアの構造

ＨＷ特性

応答性

最適化メモリ容量

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。。。

プラットフォーム

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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

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２．アスペクト指向の概要

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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

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AOP （ Aspect-Oriented Programming ）AOP とは、同期制御、資源共有、性能最適化など複数のオブジェクトにまたがる関心事をアスペクトというモジュール概念を用いて記述するプログラミング方式

weaver

オブジェクト（通常の機能）

アスペクト（オブジェクトにまたがる関心事）

プログラム

・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！

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ＡＯＰのメカニズム　ＪＰＭ（ Join Point Model ）

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

ログ処理コードの埋め込み

（ advice ）

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

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); }}

weaving

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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

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簡単なＡｓｐｅｃｔＪプログラム

「 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

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！” ); }}

HelloWorld.javapublic 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” ); }}

Trace.javaアスペクト

ポイントカット

アドバイス

インタータイプ定義

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例題：　簡易図形エディタ

operations that move elements

Display

*

2Point

getX()getY()setX(int)setY(int)moveBy(int, int)

Line

getP1()getP2()setP1(Point)setP2(Point)moveBy(int, int)

Figure

makePoint(..)makeLine(..)

FigureElement

moveBy(int, int)

AspectJ. http://eclipse.org/aspectj/ より抜粋

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通常の保守、改良class Line { 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; Display.update(this); }}

class Point { private int x = 0, y = 0;

int getX() { return x; } int getY() { return y; }

void setX(int x) { this.x = x; Display.update(this); } void setY(int y) { this.y = y; Display.update(this); }}

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

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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); }}

AspectJ による保守、改良

class Line { 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; }}

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

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DisplayUpdating

Display

*

2Point

getX()getY()setX(int)setY(int)moveBy(int, int)

Line

getP1()getP2()setP1(Point)setP2(Point)moveBy(int, int)

Figure

makePoint(..)makeLine(..)

FigureElement

moveBy(int, int)

クラスを横断するアスペクト

AspectJ. http://eclipse.org/aspectj/ より抜粋

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３．アスペクト指向、ＭＤＡ、　　そしてＭＩＣ

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（１） ＭＤＡ

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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。

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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

UML ２の目玉

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ＭＤＡと従来プロセスの違い

分析

設計

コーディング

CIM

PIM

PSM

ソース・コード

CIM: Computation Independent ModelPIM: Platform Independent ModelPSM: Platform Specific Model

従来の開発 ＭＤＡによる開発

設計フェーズが大きく変化！

モデルコンパイラによる自動変換

29ＰＩＭ ＰＳＭ

ステップ１：　複数ＰＩＭの合成

ステップ２：　アクションフォーム　　　　　　　　Ｂｅａｎへの変換

ステップ３：　アクションクラス　　　　　　　　の新規作成

モデル変換の例（Ｓｔｒｕｔｓの場合）

①PIM クラスのマージ

②Bean規約名に変更③ActionForm を継承④setter/getter を追加

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

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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。

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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）

MOF: Meta Object FacilityOCL: Object Constraint LanguageQVT: Queries, Views, and Transformations

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)) ] }}

QVT の例

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（２）アスペクト指向との接点

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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

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

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ＭＤＡとアスペクト指向

「 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

ＰＩＭモデル（ＵＭＬ）

マッピングルール（ＭＯＦ ＱＶＴ）

アプリケーション

実装環境対応コード

アプリケーション

実装環境対応コード

アスペクト記述言語

ｗｅａｖｉｎｇ

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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

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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( 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( モデル変換モジュールとしてのアスペクト )

UML モデル( クラス図 )

UML モデル( クラス図 )weave

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

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 )

モデルコンパイラＸＭＬ

ＸＭＬ

ＸＭＬ

ＸＭＬ

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！

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モデルレベルのアスペクト指向

classAattributes

operationsclassB

attributes

operationsclassC

attributes

operations

join point

(class) classA || classB)pointcut classA

attributesnew attributes

operationsnew

operations

adviceadd new attributesadd new operations

ＪＰＭの概念を拡張（通常のＡｓｐｅｃｔＪにおけるＪＰＭとは異なる）

classBattributes

new attributesoperations

new operations

join point

(class) join point

(class)

横断的関心事（プラットフォームなど）をモデルに挿入

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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 ）

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モデル変換のためのＪＰＭ（つづき）JPM Join point Pointcut AdvicePA operation

記述例 ① setX || setY ② set* ③ classA ||

classB 　 ④ class*

before,after,around

CM class merge-by-nameNE class-diagram add-class

delete-classOC class add-operation,

delete-operation,add-attribute,delete-attribute

RN class, operation, attribute

rename

RL class add-inheritance,delete-inheritance,add-aggregation,delete-

aggregation,add-relationship,delete-relationship

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<< jpm-type >>aspect-name

pointcut-name : joinpoint-type { pointcut-body } ： ：

advice-name [pointcut-name]: advice-type { advice-body } ： ：

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>

ＡｓｐｅｃｔＭによるモデル記述

ダイアグラム表記 ダイアグラム保存形式（ XMLベース）

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

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AspectM 支援ツール

UML diagramsAspect diagrams

Model Editor (Eclipse UML)

AspectMmetamodel

(EMF)

XMI (PIM)XMI

XSLT style sheet

XMI (PSM)

XSLT style sheet

Java code

Model Compiler

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アスペクト導入のためのメタモデル

Aspect

Class

ＵＭＬメタモデルを拡張

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（３）ＭＤＡからＭＩＣへ

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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 ）

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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。

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Model-integrated approach to software composition

Janos Sztipanovits and Gabor Karsai:Generative Programming for Embedded Systems,GPCE2002, LNCS2487, pp.32--49, 2002

［出典］

47

Meta-modeling language architecture

適用例

Janos Sztipanovits and Gabor Karsai:Generative Programming for Embedded Systems,GPCE2002, LNCS2487, pp.32--49, 2002

［出典］

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４．アスペクト指向の今後

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アスペクト指向の今後

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．．．

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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

要求分析 設計 実装

Early Aspect AODesign Pattern

AO: Aspect-Oriented

AOFramework

AspectMining

AOLanguage

AOComponent

AOModeling

AODatabase

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上流段階のアスペクト研究例Ｓｔｅｉｎ他［ＡＯＳＤ２００２］

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ＡＯ

Ｐ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

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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）

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）

適用範囲が限定される

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アスペクト指向に関する情報源

国際会議

Aspect-Oriented Software Development (AOSD)OOPSLA, ECOOP, GPCE, ICSE, FSE, ICFP など

ポータルサイト

http://aosd.net

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５．研究室の紹介

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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

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現在進行形の研究

Weaving by Contract Contract Generator for AO Refactorings Class-based AOP Language Reflective AOP Language

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おわり