Análisis y Diseño de Sistemas

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1 Análisis y Diseño de Sistemas Dpto. Ciencias e Ingeniería de la Computación Universidad Nacional del Sur Clase 21 Especificación Formal Lic. María Mercedes Vitturini [mvitturi@cs.uns.edu.ar] 1er. CUATRIMESTRE 2006 Métodos Formales Los métodos formales para desarrollo de software son técnicas de base matemática para describir las propiedades del sistema. Proporcionan el marco de referencia para especificar, desarrollar y verificar los sistemas de manera sistemática. Su uso está difundido en áreas de desarrollo de sistemas críticos con fuertes exigencias de confiabilidad, seguridad y protección. Lenguajes de Especificación Un método formal posee una base matemática estable, generalmente dada por un lenguaje de especificación formal. Especificaciones Formales en el Proceso de Desarrollo de SW COSTOS DE DESARROLLO DE SW Un lenguaje de especificación formal es un lenguaje con vocabulario, sintaxis y semántica formalmente definidos. Costo Especificación Diseño e Implementacion Validación Especificación Formal Especificación Informal Enfoques de Especificación Formal Existen dos enfoques de especificación formal: Algebraico: el sistema se describe en términos de operaciones y sus relaciones. Basado en modelos: se construye un modelo del sistema utilizando elementos matemáticos como conjuntos y sucesiones. Las operaciones del sistema se definen tomando en cuenta cómo modifican el estado del sistema. Lenguajes de Especificación Formal Algebraicos Secuencial Larch (Guttag et al., 1985,1993) OBJ (Futatsugi et al., 1985) Concurrente Lotos (Bolognesi y Brinksma, 1987) Basados en Modelos Secuencial Z (Spivey, 1992) VDM (Jones, 1980) B (Wordsworth, 1996) Concurrente CSP (Hoare, 1985). Petri Nets (Peterson, 1981) 1

2 Especificaciones Algebraicas Se utilizan álgebras como formalismo matemático. Las especificaciones algebraicas definen al sistema como un álgebra heterogénea. Álgebra heterogénea: colección de conjuntos diferentes en los cuales se definen diferentes operaciones. Especificaciones Algebraicas Álgebra homogénea: un solo conjunto y varias operaciones. Las álgebras tradicionales son homogéneas. Ejemplo: números enteros y sus operaciones. Ejemplo de álgebra heterogénea: Las cadenas de caracteres con operaciones de concatenación y longitud. La longitud de la cadena es un número natural. Existe relación entre álgebras heterogéneas y tipos de datos abstractos. Especificaciones Algebraicas La colección de conjuntos que componen el álgebra heterogénea es llamada la signatura del álgebra. Para definir un álgebra heterogénea: Especificar la signatura. Especificar las operaciones involucradas. Especificar dominios y rangos de las operaciones. Esto se denomina la sintaxis del álgebra. Ejemplo - Larch algebra EspecString; introduces sorts String, Char, Nat, Bool; operations nueva: () -> String; concatenar : String, String -> String; agregar: String, Char -> String; longitud: String -> Nat; esvacia: String -> Bool. Ejemplo Escrito en lenguaje similar a Larch. nueva no tiene argumentos, es una manera de representar valores constantes. Falta definir la semántica, el significado de las operaciones. Para definir la semántica se usan ecuaciones, que definen las propiedades esenciales que deben ser siempre verdaderas al aplicar la función. Las ecuaciones muchas veces son llamados axiomas del álgebra. Uso de Especificaciones Algebraicas Un enfoque de desarrollo consiste en definir subsistemas que se desarrollan luego en forma independiente. En estos casos se requiere especificaciones precisas de las interfaces. La especificación de interfaz suministra información sobre los servicios que están disponibles y cómo se pueden acceder a ellos. 2

3 Especificación de Comportamiento Las técnicas algebraicas en general son apropiadas para definir interfaces, donde las operaciones son independientes del estado del objeto. Un enfoque alternativo es la especificación basada en modelos: la especificación del sistema se expresa como un modelo de estados del sistema. Las operaciones se especifican definiendo cómo afectan el estado del modelo del sistema, esto es, se define comportamiento. RAISE Rigurous Approach to Industrial Software Engineering RAISE Métodologías para Desarrollo de Software RAISE: Rigorous Approach to Industrial Software Engineering Ad Hoc: sin métodos. Sistemáticos: AE - AOO y DOO. Ya las estudiamos!! Consiste de : Método para desarrollo de software. Un lenguaje de especificación formal: RSL RAISE Specification Language. Herramientas automáticas. Rigurosos: aplican especificaciones formales pero no tratan de probar todos los pasos RAISE. Formales: prueban todos los pasos. Características de RAISE El método RAISE se basa en un número de principios: Desarrollo por partes. Desarrollo paso a paso. Inventar y verificar. Rigor. Desarrollo por partes Una especificación actúa como un contrato que indica precisamente propiedades esenciales de los elementos especificados. Importancia de las especificaciones: El desarrollo de sistemas es una actividad de descomposición y composición. En la mayoría de los sistemas existen personas trabajando sobre componentes distintas en simultáneo. 3

4 Desarrollo Paso a Paso El desarrollo de software involucra una secuencia de pasos. Usando el método RAISE Encontrar los requerimientos (mayor nivel de abstracción). Iterar: refinar tomando decisiones de diseño (evoluciones en la especificación). Inventar y verificar - Rigor Inventar y verificar Las justificaciones de RAISE usan técnicas de transformación, pero aplicadas a expresiones lógicas (no a programas). Inventar y verificar es un estilo que fuerza a los desarrolladores a inventar un nuevo diseño y luego verificar su correctitud. Rigor Es impractico probar todo. Se requiere de métodos formales para las justificaciones. Método RAISE Requerimientos Especificación n Especificación n n Programa Pasos del Desarrollo Inventar y Verificar RSL, RAISE Spec. Language RSL es el lenguaje de especificación del método RAISE. Características del lenguaje: Es formal. Posee facilidades de estructuración. Es un lenguaje de amplio espectro: Orientado a modelos y a propiedades. Aplicativo e imperativo. Secuencial y concurrente. RAISE... Background: Orientados a Modelos: VDM, Z,... Orientados a Propiedades: Clear,... Concurrentes: CSP,... Modulares: ML,... Herramientas Técnicas de Especificaciones Formales Orientadas a Modelos: El analista construye un único modelo a partir de estructuras de datos y primitivas de construcción, ofrecidas por el lenguaje. Ejemplo: Z, VDM Orientadas a Propiedades: El analista declara una lista de nombres de funciones y por defecto hay muchos modelos que proveen, de diferentes maneras. Ejemplo: Especificaciones algebraicas. 4

5 Objetivos de RSL Soportar grandes especificaciones modulares. Proveer distintos estilos de especificación: Axiomáticas y basadas en modelos. Aplicativas e imperativas. Secuenciales y concurrentes. Soportar un amplio rango de especificación: Abstractas (cercana a los requerimientos). Concretas (cercana a la implementación). Especificación en RSL Modelo Matemático describe Mundo real Especificación RSL Programa Ejemplo (Orientado a modelos) scheme Base_Datos = class Base = Persona-set, Persona = Text vacia : Base = {}, insertar : Persona >< Base -> Base insertar (p, b) b {p}, check: Persona >< Base -> Bool check (p, b) p b Ejemplo (Orientado a propiedades) scheme Base_Datos = class Base, Persona vacia : Base, insertar : Persona >< Base -> Base check: Persona >< Base -> Bool axiom p: Persona check(p, vacia) false, p, p1: Persona, b: Base check(p1, insertar(p,b)) p1 = p check(p1,b) end Verificado adelante end Especificaciones en RSL Una especificación en RSL consiste de definiciones de módulos. Los módulos son el medio para descomponer una especificación en módulos manejables, comprensibles y reusables.. Un módulo puede ser usado para definir otro módulo. En RSL existen dos clases de módulos: objetos y esquemas. Modulo Un módulo contiene definiciones de: Types Value: constantes y funciones Variable Channel: canales de entrada y salida Modules (object, schema) Axioms: propiedades lógicas que siempre se deben mantener. No se requiere un orden especial en las definiciones. 5

6 Ejemplo scheme SISTEMA_DE_COORDENADAS = class Posicion = Real >< Real origen : Posicion, distancia : Posicion >< Posicion -> Real axiom origen (0.0, 0.0) x1,y1,x2,y2: Real distancia((x1,y1),(x2,y2)) ((x2-x1)^2 + (y2-y1) ^2) ^0.5 Abstracción en RSL Qué en lugar de Cómo RSL permite: Abstracción de datos. Abstracción de operaciones. end Ejemplos de Abstracciones de Datos Base = Persona-set Base = Persona* Base Persona = Text Persona = Nat Persona Abstracción de Operaciones Definiciones de Funciones: Explícitas (Ejemplo 1) Axiomáticas (Ejemplo 2) Implícitas (Ejemplo 3) Ejemplo 1 Definición Explícita Definición de funciones explícita: check: Persona >< Base -> Bool check (p, b) p b Ejemplo 2 Definición Axiomática Definición de funciones axiomática: check: Persona >< Base -> Bool axiom p: Persona check(p, vacia) false, p, p1: Persona, b: Base check(p1, insertar(p,b)) p1= p check(p1,b) 6

7 Ejemplo 3 Definición Implicita Definición de funciones implícitas: raiz: Real -~-> Real raiz (r) as s post s * s = r s 0.0 pre r 0.0 Un Paso del Desarrollo Base de Datos Abstracta Base de Datos utilizando Conjuntos Relación de Refinamiento Especificación n Anterior Especificación n Nueva 1. Preserva Signaturas: La nueva signatura incluye la anterior. 2. Preserva Propiedades: Las propiedades anteriores se mantienen en la nueva (condiciones de refinamiento). Validación y Verificación Validación: es el chequeo de que se está creando lo correcto, esto es, lo que piden los requerimientos: resolviendo el problema correcto. Como los requerimientos son en lenguaje natural, la validación es informal. Verificación: chequea que el proceso de desarrollo es correcto. Incluye la formulación y justificación de relaciones formales entre pasos del desarrollo: resolviendo el problema correctamente. Puede tener distintos grados de formalidad Condiciones de Refinamiento p: Persona check(p, vacia) false, p, p1: Persona, b: Base check(p1, insertar(p,b)) p1 = p check(p1,b) Verificación check(p1, insertar(p,b)) p1 = p check(p1,b) unfold insertar: check(p1, b {p}) p1 = p check(p1,b) unfold check: p1 (b {p}) p1 = p p1 b pertenece a la unión: p1 b p1 {p} p1 = p p1 b pertenece al conjunto unitario: p1 b p1 = p p1 = p p1 b conmutativa: p1 = p p1 b p1 = p p1 b reducción: true qed 7

8 Resumen RAISE Desarrollo paso a paso Inventar y verificar Riguroso Herramientas Lenguaje de Especificación (RSL) Formal Amplio Espectro Facilidades de Estructuración Temas de la clase de hoy Especificaciones Formales. Generalidades Especificaciones Algebraicas Especificaciones orientadas a Modelo RAISE RSL Presentación del Método. Bibliografía: Ingeniería de Software Ian Sommerville (6ta Edición). Capítulo 9. The RAISE Method Introducción (Capítulo i) The RAISE Specification Language 8