Object-oriented graph grammars

• Main Author: Ferreira, Ana Paula Ludtke
• Other Authors: Ribeiro, Leila
• Format: Others
• Language: English
• Published: 2007
• Subjects: Programação orientada : Objetos; Grafos; Gramatica : Grafos; Teoria : Computação; Graph grammars; Object orientation; Formal verification
• Online Access: http://hdl.handle.net/10183/10538

Esta tese apresenta um modelo conceitual para modelagem e vericação de espe- cificações de sistemas orientados a objeto. Mais especificiamente, uma extensão da abordagem algébrica baseada em single-pushouts para gramáticas de grafos tipadas é desenvolvida, onde os morfismos de tipagem são compatíveis com as relações de ordem sobre os nodos e (hiper)arcos de um grafo, e que representam, respectivamente, as relações de herança entre classes e sobrescrita de métodos. O trabalho é dividido em trÊs linhas principais: especificações de sistemas, comportamento dinâmico de programas, e verificaçaõ formal de sistemas orientados a objeto. A hierarquia de classes de um sistema orientado a objetoé modelada por um hipergrafo rotulado chamado grafo de classes, cujos conjuntos de nodos e arcos possuem uma relação de ordem parcial restrita, com o objetivo de modelar herança e sobrescrita de métodos. Restrições adicionais garantem que grafos de classes provÊm um modelo fiel e adequado da maneira como as classes de um sistema orientado a objetos s~ao efetivamente organizadas e combinadas. Grafos orientados a objeto são hipergrafos tipados sobre um grafo de classes. O morfismo de tipagem exige que hiperarcos mapeados preservem as relações existentes entre os seus nodos de origem e destino. Esta característica modela a heran»ca de forma adequada, visto que qualquer objeto pode fazer uso de atributos ou mensagens herdadas. Mor¯smos entre grafos orientados a objeto asseguram que o polimorfismo de subclasses seja uma característica intrínseca do formalismo aqui apresentado. Regras orientadas a objeto respeitam os princípios de encapsulamento e oclusão da informação do paradigma. Uma derivação direta (ou aplicação de regra)é uma soma amalgamada (pushout) na categoria de grafos orientados a objeto e seus morfismos. Gramáticas de grafos orientados a objeto modelam o comportamento dinâmico de sistemas. Uma semântica observacional para gramáticas de grafos orientados a objeto, baseada em sistemas de transição rotulados, é definida. Tal semântica é baseada na noção de entidades visíveis (objetos ou mensagens), e que representam os elementos importantes no processo de verificação de propriedades do sistema especificado pela gramática. Finalmente, uma tradução formal de gramáticas de grafos orientados a objeto para programas na linguagem Promela é definida. Objetos são traduzidos como pro- cessos em Promela, e a troca de mensagens entre objetos é implementada com canais de comunicação. Herança, polimorfismo e ligação dinÂmica são implementados no programa Promela, que originalmente não suporta nenhuma dessas caraterísticas. A verificação de propriedades do programa pode ser efetuada tanto sobre estados como sobre eventos. === This thesis presents a graph-based formal framework to model and verify object- oriented specifications. More specifically, an extension of the algebraic single- pushout approach to (typed) graph grammars is developed, where the typing mor- phisms are compatible with the order relations defined over nodes and edges to represent, respectively, inheritance and overriding of classes and methods. This work is divided in three main lines: static specifications, dynamic behaviour, and formal verification of object-oriented systems. The object-oriented class hierarchy structure is modeled by a graph structure called class-model graph, whose set of nodes and edges have a restricted partial order relation over them, to model inheritance and method overriding. The underlying relations of such sets obey additional restrictions, intended to assure that class- model graphs provide an adequate and faithful model of how object-oriented classes are organized and combined. Object-oriented graph grammars model the dynamics of object-oriented systems. Object-oriented graphs are hypergraphs typed over a class-model graph, but the typing morphism is more flexible than the traditional one, in the sense that mapped hyperedges need to preserve relations between sources and targets. This feature adequately models inheritance, for any object can make use of inherited attributes or messages. Morphisms between object-oriented graphs assure that subclass poly- morphism is a built-in feature of the formalism. Object-oriented rules respect the principles of encapsulation and information hiding of the object-oriented paradigm. A direct derivation (or rule application) is shown to be a pushout in the category of object-oriented graphs and their morphisms. An observational semantics for object-oriented graph grammars, based on a labeled transition system, is presented. This semantics is based on a notion of visible entities (objects or messages), which are the elements we are interested in for verification purposes. Finally, a formal translation from object-oriented graph grammars specifications into Promela programs is defined. Objects in the system graph are translated as Promela processes, and message exchange is implemented with buffered communication channels. The semantics of grammar rule application is preserved by the nondeterminism in the choice of which message to consume. Inheritance, polymorphism and dynamic binding are implemented in the Promela program, which originally does not support it. The translation presented assures that both state and event verification can be performed.