Nghiên cứu về đặc tả và kiểm chứng ràng buộc thời gian giữa các thành phần trong chương trình tương tranh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Phạm Thanh Hải

NGHIÊN CỨU VỀ ĐẶC TẢ VÀ KIỂM CHỨNG RÀNG
BUỘC THỜI GIAN GIỮA CÁC THÀNH PHẦN TRONG
CHƯƠNG TRÌNH TƯƠNG TRANH

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội - 2015

HÀ NỘI - 2011


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Phạm Thanh Hải

Lời Cam Đoan
NGHIÊN CỨU VỀ ĐẶC TẢ VÀ KIỂM CHỨNG RÀNG
BUỘC THỜI GIAN GIỮA CÁC THÀNH PHẦN TRONG
CHƯƠNG TRÌNH TƯƠNG TRANH
Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành : Kỹ thuật phần mềm
Mã số: 60480103

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Việt Hà

Hà Nội - 2015


i

LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Việt Hà, bộ môn
công nghệ phần mềm, khoa công nghệ thông tin, trường Đại học Công nghệ – Đại học
Quốc Gia Hà Nội người đã định hướng đề tài và tận tình hướng dẫn chỉ bảo tôi trong
suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này.
Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn quý thầy cô trong Khoa Công nghệ thông tin trường
Đại học Công nghệ – Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình giảng dạy, truyền đạt
những kiến thức quý báu trong suốt hai năm học làm nền tảng cho tôi thực hiện luận
văn tốt nghiệp này.
Tôi cũng xin được cảm ơn các tác giả của các công trình nghiên cứu, tài liệu đã được
tôi sử dụng, trích dẫn trong luận văn vì đã cung cấp nguồn tư liệu quý báu và các kiến
thức liên quan để tôi thực hiện luận văn.
Con xin cảm ơn cha mẹ và gia đình đã sinh ra và nuôi dạy con khôn lớn, luôn bên cạnh
động viên và ủng hộ con trên con đường mà con yêu thích và lựa chọn.
Cám ơn các bạn học viên cao học Khoa công nghệ thông tin khóa K19. Các bạn đã
giúp đỡ và ủng hộ tôi rất nhiều cũng như đóng góp nhiều ý kiến quý báu, qua đó giúp
tôi hoàn thiện luận văn tốt hơn.
Mặc dù đã rất nỗ lực, cố gắng nhưng chắc hẳn luận văn của tôi vẫn còn nhiều thiếu sót.
Tôi rất mong nhận được nhiều những ý kiến đánh giá quý, phê bình của quý thầy cô,
của anh chị và các bạn.
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 11 năm 2015
Phạm Thanh Hải

ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu về đặc tả và kiểm chứng ràng buộc
thời gian giữa các thành phần trong chương trình tương tranh” là công trình nghiên
cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Việt Hà. Các số liệu các kết
quả được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố
trong bất kỳ một công trình nào khác.
Tôi đã trích dẫn đầy đủ các tài liệu tham khảo, công trình nghiên cứu liên quan ở trong
nước và quốc tế. Ngoại trừ các tài liệu tham khảo này, luận văn hoàn toàn là công việc
của riêng tôi.
Nếu có phát hiện nào về sự gian lận sao chép tài liệu, công trình nghiên cứu của tác giả
khác mà không được ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo, tôi sẽ chịu hoàn toàn trách
nhiệm về kết quả luận văn của mình.


iii

MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN ...................................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .....................................................v
DANH SÁCH BẢNG.....................................................................................................vi
DANH SÁCH HÌNH VẼ.............................................................................................. vii
Chương 1. Giới thiệu ..................................................... Error! Bookmark not defined.
1.1. Bối cảnh .................................................................. Error! Bookmark not defined.
1.2. Một số nghiên cứu liên quan .................................. Error! Bookmark not defined.

1.3. Nội dung nghiên cứu .............................................. Error! Bookmark not defined.
1.4. Cấu trúc luận văn .................................................... Error! Bookmark not defined.
Chương 2. Kiến thức cơ sở ............................................ Error! Bookmark not defined.
2.1. Kiểm chứng phần mềm........................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.1. Kiểm chứng hình thức ......................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.1.1. Kiểm chứng mô hình ........................................ Error! Bookmark not defined.
2.1.1.2. Chứng minh định lý .......................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.2. Kiểm chứng tại thời điểm thực thi....................... Error! Bookmark not defined.
2.2. Một số vấn đề trong chương trình tương tranh....... Error! Bookmark not defined.
2.3. Sự tương tranh trong Java....................................... Error! Bookmark not defined.
2.4. Lập trình hướng khía cạnh...................................... Error! Bookmark not defined.
2.4.1. Thực thi cắt ngang ............................................... Error! Bookmark not defined.
2.4.2. Điểm nối .............................................................. Error! Bookmark not defined.
2.4.3. Hướng cắt ............................................................ Error! Bookmark not defined.
2.4.4. Mã hành vi ........................................................... Error! Bookmark not defined.
2.4.5. Khía cạnh ............................................................. Error! Bookmark not defined.
2.4.6. Cơ chế hoạt động của AspectJ ............................. Error! Bookmark not defined.
2.5. Kết luận................................................................... Error! Bookmark not defined.


iv
Chương 3. Ràng buộc thời gian giữa các thành phần trong chương trình tương tranh
....................................................................................... Error! Bookmark not defined.
3.1. Giới thiệu ................................................................ Error! Bookmark not defined.
3.2. Bài toán kiểm chứng ràng buộc thời gian giữa các thành phần tương tranh .. Error!
Bookmark not defined.
3.3. Phương pháp đặc tả và kiểm chứng ràng buộc thời gianError!
defined.

Bookmark

not

3.3.1. Mô tả phương pháp .............................................. Error! Bookmark not defined.
3.3.2. Đặc tả ràng buộc thời gian ................................... Error! Bookmark not defined.
3.3.3. Biểu thức chính quy thời gian ............................. Error! Bookmark not defined.
3.3.4. Phương pháp sinh mã aspect ............................... Error! Bookmark not defined.
3.3.4.1. Đọc và phân tích biểu thức chính quy thời gianError!
defined.

Bookmark

not

3.3.4.2. Sinh mã aspect .................................................. Error! Bookmark not defined.
3.4. Kết luận................................................................... Error! Bookmark not defined.
Chương 4. Thực nghiệm ................................................ Error! Bookmark not defined.
4.1. Xây dựng công cụ TVG ......................................... Error! Bookmark not defined.
4.1.1. Đọc và phân tích biểu thức chính quy thời gian .. Error! Bookmark not defined.
4.1.2. Sinh mã aspect ..................................................... Error! Bookmark not defined.
4.2. Kiểm chứng một số chương trình ........................... Error! Bookmark not defined.
4.2.1. Kiểm chứng chương trình tuần tự ....................... Error! Bookmark not defined.
4.2.2. Kiểm chứng chương trình tương tranh ................ Error! Bookmark not defined.
Chương 5. Kết luận........................................................ Error! Bookmark not defined.
Phụ lục ........................................................................... Error! Bookmark not defined.
Phụ lục A. Công cụ sinh mã kiểm chứng TVG ............. Error! Bookmark not defined.
A.1. Giới thiệu ............................................................... Error! Bookmark not defined.
A.2. Hướng dẫn sử dụng................................................ Error! Bookmark not defined.
A.2.1. Các yêu cầu cài đặt ............................................. Error! Bookmark not defined.
A.2.2. Các chức năng chính ........................................... Error! Bookmark not defined.

A.2.3. Hướng dẫn thực hiện .......................................... Error! Bookmark not defined.


v
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................1
Tiếng Việt ........................................................................................................................1
Tiếng Anh ........................................................................................................................1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Dạng viết tắt

Dạng đầy đủ

Diễn giải

AOP

Aspect Oriented Programming

Lập trình hướng khía cạnh

CFG

Context Free Grammar

Văn phạm phi ngữ cảnh

IDE

Integrated Development

Môi trường pháp triển tích hợp

Environment
MCS

Method Call Sequence

Tuần tự gọi phương thức

OOP

Object Oriented Programming

Lập trình hướng đối tượng

TVG

Timed Verify Generator

Công cụ kiểm sinh mã

TC

Timing constraint

Ràng buộc thời gian

TRE

Timed Regular Expressions

Biểu thức chính quy thời gian


vi

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1 - Ánh xạ giữa các loại điểm nối (joinpoint) và hướng cắt (pointcut) tương
ứng ................................................................................. Error! Bookmark not defined.


vii

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 – Kiểm chứng chương trình mức cài đặt sử dụng lập trình AOP. .......... Error!
Bookmark not defined.
Hình 2.1 – Ví dụ sử dụng phương thức run .................. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.2 – Xung đột các tiến trình trong Java ............... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.3 – Sử dụng synchoronized để giải quyết tương tranhError! Bookmark not
defined.
Hình 2.4 – Xử lý cắt ngang trong lập trình OOP........... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.5 – Xử lý cắt ngang trong lập trình AOP........... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.6 – Biểu diễn một khía cạnh với mã hành vi trước và sauError!
not defined.

Bookmark

Hình 2.7 – Cấu trúc cơ bản của một khía cạnh. ............ Error! Bookmark not defined.
Hình 3.1 – Mã nguồn một chương trình bao gồm thành phần tuần tự và tương tranh.

....................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2 – Mô tả quá trình chạy các phương thức. ....... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.3 – Phương pháp kiểm chứng ràng buộc thời gian.Error!
defined.

Bookmark

not

Hình 3.4 – Thuật toán đọc biểu thức chính quy thời gian.Error!
defined.

Bookmark

not

Hình 3.5 – Ví dụ một mẫu aspect. ................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 3.6 – Thuật toán Sinh mã aspect. .......................... Error! Bookmark not defined.
Hình 4.1 – Cài đặt công cụ TVG bằng Netbean 7.0.1 ... Error! Bookmark not defined.
Hình 4.2 – Một đoạn mã aspect sinh ra từ công cụ TVG.Error!
defined.

Bookmark

not

Hình 4.3 – Pattern kiểm tra từng thành phần trong TREError!
defined.

Bookmark

not

Hình 4.4 – Lớp TimingMethod ..................................... Error! Bookmark not defined.


viii
Hình 4.5 – Quá trình đọc và phân tích biểu thức TRE. . Error! Bookmark not defined.
Hình 4.6 – Tạo mã aspect từ các mẫu đã định nghĩa ..... Error! Bookmark not defined.
Hình 4.7 – Template aspectHead................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 4.8 – Template aspectTail..................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 4.9 – Mã nguồn một chương trình tuần tự ............ Error! Bookmark not defined.
Hình 4.10 – Kết quả thực nghiệm ca kiểm thử đúng chương trình tuần tự. .......... Error!
Bookmark not defined.
Hình 4.11 – Kết quả thực nghiệm ca kiểm thử sai chương trình tuần tự. ............. Error!
Bookmark not defined.
Hình 4.12 – Mã nguồn một chương trình tương tranh. . Error! Bookmark not defined.
Hình 4.13 – Kết quả thực nghiệm ca kiểm thử đúng chương trình tương tranh ... Error!
Bookmark not defined.
Hình 4.14 – Kết quả thực nghiệm ca kiểm thử sai chương trình tương tranh ....... Error!
Bookmark not defined.
Hình A.1 – Giao diện chính của công cụ sinh mã TVG Error! Bookmark not defined.
Hình A.2 – Đặc tả ràng buộc thời gian các thành phần bằng TREError!
not defined.

Bookmark

Hình A.3 – Đan mã aspect với mã chương trình Java viết bằng Eclipse .............. Error!
Bookmark not defined.

ix

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Trịnh Thanh Bình, Trương Ninh Thuận, và Nguyễn Việt Hà (2010). Kiểm chứng
sự tuân thủ về ràng buộc thời gian trong các ứng dụng phần mềm. Tạp chí Tin học và
Điều khiển học, Số 2 : 173-184.

Tiếng Anh

[2] A. Colyer and A. Clement., "Aspect-oriented programming with AspectJ," IBM
Syst. J., 44(2), 2005, p. 301–308.
[3] Addison-Wesley (2005), in Aspect-Oriented Software Development, R. Filman, T.
Elrad, S. Clarke and a. M. Ak¸sit, Eds., Boston.
[4] Benveniste A (September 1998), "Safety critical embedded systems design: the
sacres approach," in In Formal Techniques in Real-Time and Fault Tolerant
systems, FTRTFT’98 school, Lyngby, Denmark.
[5] B. Berard, M. Bidoit, A. Finkel, F. Laroussinie, A. Petit, L. Petrucci and a. P.
Schnoebelen (1999), Systems and software verification : model-checking


2
techniques and tools, New York, NY: Springer-Verlag New York, Inc.
[6] B. Long, P. Strooper and a. L. Wildman (2007), "A method for verifying
concurrent Java components based on an analysis of concurrency failures:
Research articles," Concurr. Comput. : Pract. Exper.,19, p. 281–294.
[7] C. Baier and J.-P. Katoen (2008), Principles of Model Checking(Representation
and Mind Series), The MIT Press.
[8] C. Yoonsik and A. Perumandla (2005), "A. Specifying and checking method call

sequences in JML," in In Software Engineering Research and Practice, CSREA
Press.
[9] C. Yoonsik and A. Perumandla (2007), "Specifying and checking method call
sequences of Java programs," in Software Quality Control.
[10] D. Dymek and K. Leszek (2008), "Estimation of system workload time
characteristic using uml timing diagrams," in In Proceedings of the 2008 Third
International Conference on Dependability of Computer Systems, Washington,
DC, USA.
[11] E. Asarin, Maler and P. C. a. Oded, "Timed regular expressions," Journal of the
ACM,, no. 49, Journal of the ACM.
[12] E. Bodden and K. Havelund (2010), "Aspect-oriented race detection in Java,"
IEEE Trans. Softw. Eng., 36(4), p. 509–527.
[13] E. Bodden (2004), A lightweight LTL runtime verification tool for Java, New
York, NY: In Companion to the 19th annual ACM SIGPLAN conference on
Object-oriented programming systems, languages, and applications, OOPSLA
’04.
[14] E. Bodden (2005), J-LO - A tool for runtime-checking temporal assertions,
Diploma thesis.
[15] E. Clarke, O. Grumberg and a. D. Long (1994), "Model checking and
abstraction," ACM Trans. Program. Lang. Syst., 16(5), pp. 1512–1542.
[16] E. Hilsdale and J. Hugunin (2004), "Advice weaving in AspectJ," in In
Proceedings of the 3rd international conference on Aspect-oriented software


3
development, New York, NY, USA.
[17] E. Hajiyev, L. Hendren, O. d. Moor, P. Avgustinov, E. B.-. den, O. Lhotak, N.
Ongkingco, D. Sereni, G. Sittampalam, J. Tibble and a. M. Verbaere (2006),
"Aspects for Trace Monitoring," vol. volume 4262 of Lecture Notes in Computer
Science, Springer, In Klaus Havelund, Manuel Nunez, Grigore Rosu, and

Burkhart Wolff, editors, Formal Approaches to Testing Systems and Runtime
Verification (FATES/RV), p. 20–39.
[18] e. Saddek Bensalem and Doron Peled (2009), Runtime Verification : 9th
International Workshop, Grenoble: Selected Papers. Springer-Verlag, Berlin,
Heidelberg.
[19] G. Andrews (1991), Concurrent Programming : Principles and Practice, AddisonWesley.
[20] G. Hui and J. Woo (2007), "Compositional verification of timing constraints for
embedded real-time systems," in In Proceedings of the 6th Conference on WSEAS
International Conference on Applied Computer Science, USA.
[21] G. Holzmann (2003), Spin model checker, the : primer and reference manual, 1st
ed., Addison-Wesley Professional.
[22] G. Kiczales, E. Hilsdale, J. Hugunin, M. Kersten, J. Palm and a. W. G. Griswold
(2001), "An Overview of AspectJ," in In ECOOP ’01 : Proceedings of the 15th
European Conference on Object-Oriented Programming, London, UK.
[23] G. Kiczales, J. Lamping, A. Mendhekar, C. Maeda, C. Lopes, J. m. Loingtier and
a. J. Irwin (1997), Aspect-oriented programming, SpringerVerlag: In ECOOP.
[24] I. Sommerville (2007), Software Engineering, 9th ed., Addison-Wesley Pulishing
Company, p. 9780321493750.
[25] J.-R. Abrial (2006), "Formal methods in industry : achievements, problems,
future," Swiss Federal Institute of Technology Zurich, In ICSE, p. 761–768.
[26] J.-R. Abrial (2010), Modeling in Event-B : System and Software Engineering,
New York, NY: Cambridge University Press.
[27] J.-R. Abrial (1996), The B-book : assigning programs to meanings, New York,


4
NY: Cambridge Uni- versity Press.
[28] L. Yang (2008), "The Automated Translation of Integrated Formal Specifications
into Concurrent Programs," PhD thesis, University of Southampton,
Southampton.

[29] M. Ben-Ari (2008), Principles of the Spin Model Checker, 1st ed.
[30] Nixon P. and Shi L (1996), "Concurrent semantics for structured design
methods," in In Proceedings of the First IFIP TC10 International Workshop on
Software Engineering for Parallel and Distributed Systems, London, UK, UK.
[31] P. Strooper and L. Wildman (2007), "Testing Concurrent Java Components," in In
Companion to the proceedings of the 29th International Conference on Software
Engineering, Washing- ton, DC, USA.
[32] S. Berezin (2002), Model checking and theorem proving : a unified framework,
Pittsburgh, PA: PhD thesis.
[33] Wegener J and Grochtmann M (1998), "Verifying timing constraints of real-time
systems by meansof evolutionary testing," Real-Time Syst, p. 275–298.
[34] W. Visser, K. Havelund, G. Brat and a. S. Park (2000), "Model checking
programs," in In ASE ’00 : Proceedings of the 15th IEEE international conference
on Automated software engineering, Washington, DC, USA.
[35] Y. Jin (2007), "Formal verification of protocol properties of sequential Java
programs," in In Proceedings of the 31st Annual International Computer Software
and Applications, Washington.