A área de gerenciamento de processos de negócio apresenta-se ativa e tem recebido atenção tanto da comunidade de pesquisa como da indústria. Uma das principais preocupações nessa área é a escolha da melhor abordagem para modelagem e implementação de processos de negócio. Atualmente, organizações possuem processos de negócio com complexas estruturas que são reavaliados e ajustados com frequência, exigindo flexibilidade das linguagens para modelagem de processos. Além disso, processos de negócio atuais também exigem ambientes para implementação capazes de garantir confiabilidade na execução de instâncias do processo modelado, especialmente em caso de falhas. Embora diversos modelos transacionais tenham sido propostos com o objetivo de garantir propriedades transacionais adaptadas ao contexto de processos de negócio, a implementação de processos transacionais ainda oferece um cenário com desafios teóricos e práticos. Neste trabalho apresentamos uma implementação da abordagem WED-flow para controle de processos transacionais. A WED-flow é uma abordagem que combina conceitos de modelos transacionais avançados, eventos e estados de dados com o objetivo principal de reduzir a complexidade no tratamento de exceções. A ferramenta de software desenvolvida é capaz de controlar a execução de instâncias de processos de negócio, permite a evolução incremental do modelo projetado e ainda disponibiliza a estrutura necessária para apoiar a implementação de mecanismos de recuperação para tratar interrupções em instâncias causadas por exceções. / Business processes management is an active area which have received increased attention from research and industry communities. A major concern is the selection of the best approach for modeling and implementing business processes. Nowadays, organizations have business processes with complex structures, which are reevaluated and adjusted frequently, requiring flexibility from modeling languages. In addition, current business processes also require implementation environments capable of ensuring execution reliability, especially in case of failures. Although several transactional models have been proposed in order to guarantee transactional properties adapted to the context of business processes, the implementation of transactional processes still offers a scenario with several theoretical and practical challenges. In this work, we present an implementation of WED-flow approach for controlling transactional processes. WED-flow is an approach which combines the concepts of advanced transactional models, events and data states for the purpose of reducing exception handling complexity. The developed software tool is able of controlling the execution of business processes instances, allows incremental evolution of the designed model and also provides the necessary structure to support recovery mechanisms implementation to handle instances interruptions caused by exceptions.

[pt] Mecanismos de tratamento de exceções são modelos comumente usados em linguagens de programação para a estruturação do fluxo de execução excepcional de módulos de software. Tais mecanismos possibilitam a detecção e a sinalização da ocorrência de exceções, permitindo que módulos de software tomem medidas corretivas que recuperem o sistema para um estado correto. Estudos recentes mostram que falhas recorrentes e problemas de desempenho em aplicações de software estão relacionados à má qualidade do código que implementa o tratamento de exceções. Os estudos preliminares realizados no contexto desta dissertação não apenas corroboram esses resultados, como também evidenciam uma série de outros fatos interessantes que ocorrem durante a evolução de sistemas de software. Em especial, percebeu-se que é bastante comum nas versões preliminares de um sistema a implementação de ações de tratamento de exceções ineficazes. Também se percebeu que pouco (ou nenhum) esforço é realizado em termos de melhorar o tratamento de exceções durante a evolução do sistema de software. Os trabalhos recentes que se propõem a auxiliar desenvolvedores de software a lidar com código de tratamento de exceções falham em auxiliá-los em uma tarefa primordial: implementar código de tratamento de exceções bem estruturado desde as primeiras versões de um sistema. Neste contexto, o presente trabalho propõe um sistema de recomendação capaz de prover exemplos de código tratando exceções de modo a auxiliar desenvolvedores a implementarem seu próprio código em suas aplicações. O sistema extrai informações estruturais do código sob desenvolvimento para buscar por exemplos em um repositório local a fim de recomendar exemplos de código com contexto parecido ao que o desenvolvedor está trabalhando. O sistema implementado neste trabalho recomenda exemplos de código implementados em Java. / [en] Exception handling mechanisms are models commonly used in programming languages to structure the exceptional execution flow of software modules. These mechanisms enable the detection and signaling of exception occurrences, allowing these modules to take corrective actions to recover a module to a correct state. Recent studies show that recurrent failures and performance issues in software applications are related to the poor structuring of exception handling code. The preliminary studies performed in the context of this dissertation not only confirm these results, but also show other interesting facts that occur during software evolution. In particular, it was realized that it is often very common to observe ineffective exception handling actions in the first releases of a system. It was also realized that little (or no) effort was allocated to improve the quality of these action during the software evolution. Recent studies that aim aiding software developers to deal with exception handling elements fail in assisting them in a crucial task: implementing well-structured exception handling code since the first release of a system. In this context, this dissertation proposes a recommender system able to provide code fragments implementing exception handling code. The proposed strategy aims to assist developers in implementing their own code in their applications. The system extracts structural information from the code under development to search for examples in a local repository in order to recommend code examples that share similar structural context with the code that the developer is working on. The system implemented in the context of this dissertation recommends code examples implemented in Java.

The main purpose of exception handling mechanisms is to improve software robustness by handling exceptions when they occur. However, empirical evidence indicates that improper implementation of exception handling code can be a source of faults in software systems. There is still limited empirical knowledge about the relationship between exception handling code and defects. In this dissertation, we present three case studies investigating defect densities of exception handling code. The results show that in every system under study, the defect density of exception handling code was significantly higher than the defect density of overall source code and normal code. The ability to predict the location of faults can assist in directing quality enhancement efforts to modules that are likely to have faults. This information can be used to guide test plans, narrow the test space, and improve software quality. We hypothesize that complicated exception handling structure is a predictive factor that is associated with defects. To the best of our knowledge, no study has addressed the relationship between the attributes of exception handling method call structures and defect occurrence, nor has prior work addressed fault prediction. We extract exception-based software metrics from the structural attributes of exception handling call graphs. To find out whether there are patterns of relationship between exception-based software metrics and fault-proneness, we propose a defect prediction model using exception handling call structures. We apply the J48 algorithm, which is the Java implementation of the C4.5 algorithm, to build exception defect prediction models. In two out of three systems under study, the results reveal that there are logical patterns of relationships between most class level exception metrics and fault-proneness. The accuracy of our prediction models is comparable to the results of defect prediction model studies in the literature. It was observed that our approach has somewhat worse predictive accuracy when a system has low average defects per class.

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<p>Programs have multiple exits in the presence of certain control structures, e.g., exception handling and coroutines. These control structures offer flexible manipulations of control flow. However, their formalizations are overall specialized, which hinders reasoning about combinations of these control structures.</p> <p>In this thesis, we propose a unifying theory of multi-exit programs. We mechanically formalize the semantics of multi-exit programs as indexed predicate transformers, a generalization of predicate transformers by taking the tuple of postconditions on all exits as the parameter. We explore their algebraic properties and verification rules, then define a normal form for monotonic and for conjunctive indexed predicate transformers. We also propose a new notion of fail-safe correctness to model the category of programs that always maintain certain safe conditions when they fail, and a new notion of fail-safe refinement to express partiality in software development.</p> <p>For the indexed predicate transformer formalization, we illustrate its applications in three models of multi-exit control structures: the termination model of exception handling, the retry model of exception handling, and a coroutine model. Additionally, for the fail-safe correctness notion and the fail-safe refinement notion, we illustrate their applications in the termination model. Six design patterns in the termination model and one in the retry model are studied. All the verification rules and design patterns in the thesis have been formally checked by a verification tool.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

Atualmente, diversas empresas e organizações estão cada vez mais empreendendo esforços para transformar rapidamente as suas potenciais ideias em produtos e serviços. Esses esforços também têm estimulado a evolução dos sistemas de informação que passaram a ser apoiados por modelos de alto nível de abstração para descrever a lógica do processo. Neste contexto, destaca-se o sucesso dos Sistemas de Informação cientes de Processos (PAIS, do inglês Process-Aware Information Systems) para o gerenciamento de processos de negócios e automação de processos científicos de larga escala (e-Science). Grande parte do sucesso dos PAIS é devido à capacidade de prover funcionalidades genéricas para modelagem, execução e monitoramento dos processos. Essas características são bem-sucedidas quando os modelos de processos têm um caminho bem-comportado no sentido de atingir os seus objetivos. No entanto, situações anômalas que desviam a execução desse caminho bem-comportado ainda representam um significativo desafio para os PAIS. Por causa dos vários tipos de falhas que desviam a execução do comportamento esperado, prover uma execução robusta e confiável é uma tarefa complexa para os atuais PAIS, uma vez que nem todas as situações de falha podem ser eficientemente descritas dentro da estrutura do fluxo tradicional. Como consequência, o tratamento de tais situações geralmente envolve intervenções manuais nos sistemas por operadores humanos, o que resulta em custos adicionais e significativos para as empresas. Neste trabalho é introduzido um método de composição para recuperação ciente de custos e benefícios que é capaz de encontrar e seguir caminhos alternativos que reduzam os prejuízos financeiros do tratamento de exceções. Do ponto de vista prático, esse método provê o tratamento de exceção automatizado e otimizado ao calcular os custos e benefícios de cada caminho de recuperação e escolher o caminho com a melhor relação custo-benefício disponível. Mais especificamente, o método de recuperação proposto estende a abordagem WED-flow (Workflow, Event processing and Data-flow) para permitir a composição ciente de custos e benefícios de passos de recuperação transacionais backward e forward. Por fim, os experimentos mostram que esse método de recuperação pode ser adequadamente incorporado para manipular exceções em uma ampla variedade de processos. / Nowadays, many corporations and organizations are increasingly making efforts to transform quickly and effectively their potential ideas into products and services. These efforts have also stimulated the evolution of information systems that are now supported by higher-level abstract models to describe the process logic. In this context, several sophisticated Process-Aware Information Systems (PAIS) have successfully been proposed for managing business processes and automating large-scale scientific (e-Science) processes. Much of this success is due to their ability to provide generic functionality for modeling, execution and monitoring processes. These functionalities work well when process models have a well-behaved path towards achieving their objectives. However, anomalous situations that fall outside of the well-behaved execution path still pose a significant challenge to PAIS. Because of the many types of failures that may deviate execution away from expected behaviors, provision of robust and reliable execution is a complex task for current PAIS, since not all failure situations can be efficiently modeled within the traditional flow structure. As a consequence, the treatment for such situations usually involves interventions in systems by human operators, which result in significant additional cost for businesses. In this work, we introduce a cost/benefit-aware recovery composition method that is able to find and follow alternative paths to reduce the financial side effects of exception handling. From a practical point of view, this method provides the automated and optimized exception handling, by calculating the cost and benefits of each recovery path, and choosing the recovery path with the best cost/benefits available. More specifically, our recovery method extends the WED-flow (Workflow, Event processing and Data-flow) approach for enabling cost/benefit-aware composition of forward and/or backward transactional recovery steps. Finally, the experiments point out that this recovery method can be suitably incorporated into exception handling within a wide variety of processes.

A adoção em larga escala de redes de computadores e gerenciadores de banco de dados contribuiu para o surgimento de sistemas de informação complexos. Atualmente, estes sistemas tornaram-se elementos essenciais na vida das pessoas, dando suporte a processos de negócio e serviços corporativos indispensáveis à sociedade, como automação bancária e telefonia. A utilização de componentes na estruturação destes sistemas promove maior qualidade e flexibilidade ao produto e agiliza o processo de desenvolvimento. Entretanto, para que estes benefícios sejam totalmente observados, é fundamental que os provedores de componentes de prateleira projetem especificações precisas, completas e consistentes. Geralmente, as especificações omitem ou negligenciam o comportamento dos componentes nas situações de falha. Desta forma, a utilização de componentes não confiáveis, cujos comportamentos não podem ser inteiramente previstos, compromete seriamente o projeto de sistemas tolerantes a falhas. Uma estratégia para a especificação de componentes tolerantes a falhas é informar a ocorrência de erros através de exceções e realizar a recuperação dos mesmos por rotinas de tratamento correspondentes. A especificação deve separar claramente o comportamento normal do excepcional, destinado à recuperação do erro. Entretanto, em sistemas concorrentes e distribuídos, a especificação apenas deste tratamento local não é suficiente. Uma exceção pode ser lançada em decorrência de erros sistêmicos (i.e. problemas de rede) que afetam todo o sistema. Assim, determinadas exceções devem ser tratadas em nível arquitetural, envolvendo os demais componentes no tratamento. O modelo conceitual de ações Atômicas Coordenadas (ações CA - Coordinated Atomic actions), bastante aplicado na estruturação de sistemas tolerantes a falhas, define um mecanismo geral para a coordenação do tratamento excepcional dos componentes, que cooperam na execução das atividades e competem por recursos compartilhados. Portanto, o modelo de ações CA oferece uma solução potencialmente viável para a especificação do tratamento de exceções em nível arquitetural. Este trabalho propõe um framework para a especificação do tratamento de exceções em nível arquitetural, baseando-se no modelo de aninhamento de ações CA e utilizando a linguagem orientada a eventos CSP (Communicating Sequential Processes). Sua principal característica é prover um protocolo padronizado para a coordenação do tratamento de exceções, que envolve a cooperação dos componentes do sistema. Além disso, é apresentada uma estratégia para a verificação formal dos sistemas na ferramenta FDR (Failure Divergence Refinement), com base no modelo de refinamento por rastros. / The widespread scale adoption of computer networks and database management systems has contributed to the arising of complex information systems. Nowadays, these systems have become essential aspects in the everyday life, supporting business processes and indispensable enterprise services to society such as banking automation and telephony. The usage of components in structuring of these systems promotes higher quality and flexibility to the product and accelerates the software development process. However, in order to fully observe the benefits it is essential that the suppliers of these COTS (commercial off-the-shelf) design precise, complete and consistent specifications. Generally, the specifications omit or neglect the behavior of these components in exceptional situations. Therefore, the usage of untrustworthy components whose behavior cannot be entirely foreseen seriously compromise the design of fault-tolerant systems. One of the strategies used for the specification of fault-tolerant components is to inform the occurrence of errors through exceptions and make its recovering by the correspondent exception handling routines. The specification should separate clearly the normal behavior from the exceptional one, specially designed for error recovery. However, in concurrent and distributed systems, specification of local exception handling is not enough. An exception could be raised as a result of systemic errors (i.e. network errors) which affect the entire system, thus specific types of exceptions should be treated at an architectural level involving all the other components in this handling activity. The conceptual model of Coordinated Atomic (CA) actions, often applied in the structuring of fault-tolerant systems, defines a general mechanism for coordination of exception handling with components that cooperate while executing activities and compete for shared resources. Therefore, the model of CA actions offers a perfectly viable solution for the specification of exception handling at an architectural level. This work proposes a framework for the specification of exception handling at an architectural level, based on the nesting model of CA actions and using the event-oriented language CSP (Communicating Sequential Processes). Its main characteristic is to provide a standardized protocol for coordination of exception handling that involves the cooperation of system components. Moreover, it is presented a formal strategy for system verification using the FDR (Failure Divergence Refinement) tool, based on the traces refinement model.

Workflow Management Systems (WfMSs) are used to support the modelling, analysis, and enactment of business processes. The key benefits WfMSs seek to bring to an organisation include improved efficiency, better process control and improved customer service, which are realised by modelling rigidly structured business processes that in turn derive well-defined workflow process instances. However, the proprietary process definition frameworks imposed by WfMSs make it difficult to support (i) dynamic evolution and adaptation (i.e. modifying process definitions during execution) following unexpected or developmental change in the business processes being modelled; and (ii) exceptions, or deviations from the prescribed process model at runtime, even though it has been shown that such deviations are a common occurrence for almost all processes. These limitations imply that a large subset of business processes do not easily translate to the 'system-centric' modelling frameworks imposed. This research re-examines the fundamental theoretical principles that underpin workflow technologies to derive an approach that moves forward from the productionline paradigm and thereby offers workflow management support for a wider range of work environments. It develops a sound theoretical foundation based on Activity Theory to deliver an implementation of an approach for dynamic and extensible flexibility, evolution and exception handling in workflows, based not on proprietary frameworks, but on accepted ideas of how people actually perform their work activities. The approach produces a framework called worklets to provide an extensible repertoire of self-contained selection and exception-handling processes, coupled with an extensible ripple-down rule set. Using a Service-Oriented Architecture (SOA), a selection service provides workflow flexibility and adaptation by allowing the substitution of a task at runtime with a sub-process, dynamically selected from its repertoire depending on the context of the particular work instance. Additionally, an exceptionhandling service uses the same repertoire and rule set framework to provide targeted and multi-functional exception-handling processes, which may be dynamically invoked at the task, case or specification level, depending on the context of the work instance and the type of exception that has occurred. Seven different types of exception can be handled by the service. Both expected and unexpected exceptions are catered for in real time. The work is formalised through a series of Coloured Petri Nets and validated using two exemplary studies: one involving a structured business environment and the other a more creative setting. It has been deployed as a discrete service for the well-known, open-source workflow environment YAWL, and, having a service orientation, its applicability is in no way limited to that environment, but may be regarded as a case study in service-oriented computing whereby dynamic flexibility and exception handling for workflows, orthogonal to the underlying workflow language, is provided. Also, being open-source, it is freely available for use and extension.

A adoção em larga escala de redes de computadores e gerenciadores de banco de dados contribuiu para o surgimento de sistemas de informação complexos. Atualmente, estes sistemas tornaram-se elementos essenciais na vida das pessoas, dando suporte a processos de negócio e serviços corporativos indispensáveis à sociedade, como automação bancária e telefonia. A utilização de componentes na estruturação destes sistemas promove maior qualidade e flexibilidade ao produto e agiliza o processo de desenvolvimento. Entretanto, para que estes benefícios sejam totalmente observados, é fundamental que os provedores de componentes de prateleira projetem especificações precisas, completas e consistentes. Geralmente, as especificações omitem ou negligenciam o comportamento dos componentes nas situações de falha. Desta forma, a utilização de componentes não confiáveis, cujos comportamentos não podem ser inteiramente previstos, compromete seriamente o projeto de sistemas tolerantes a falhas. Uma estratégia para a especificação de componentes tolerantes a falhas é informar a ocorrência de erros através de exceções e realizar a recuperação dos mesmos por rotinas de tratamento correspondentes. A especificação deve separar claramente o comportamento normal do excepcional, destinado à recuperação do erro. Entretanto, em sistemas concorrentes e distribuídos, a especificação apenas deste tratamento local não é suficiente. Uma exceção pode ser lançada em decorrência de erros sistêmicos (i.e. problemas de rede) que afetam todo o sistema. Assim, determinadas exceções devem ser tratadas em nível arquitetural, envolvendo os demais componentes no tratamento. O modelo conceitual de ações Atômicas Coordenadas (ações CA - Coordinated Atomic actions), bastante aplicado na estruturação de sistemas tolerantes a falhas, define um mecanismo geral para a coordenação do tratamento excepcional dos componentes, que cooperam na execução das atividades e competem por recursos compartilhados. Portanto, o modelo de ações CA oferece uma solução potencialmente viável para a especificação do tratamento de exceções em nível arquitetural. Este trabalho propõe um framework para a especificação do tratamento de exceções em nível arquitetural, baseando-se no modelo de aninhamento de ações CA e utilizando a linguagem orientada a eventos CSP (Communicating Sequential Processes). Sua principal característica é prover um protocolo padronizado para a coordenação do tratamento de exceções, que envolve a cooperação dos componentes do sistema. Além disso, é apresentada uma estratégia para a verificação formal dos sistemas na ferramenta FDR (Failure Divergence Refinement), com base no modelo de refinamento por rastros. / The widespread scale adoption of computer networks and database management systems has contributed to the arising of complex information systems. Nowadays, these systems have become essential aspects in the everyday life, supporting business processes and indispensable enterprise services to society such as banking automation and telephony. The usage of components in structuring of these systems promotes higher quality and flexibility to the product and accelerates the software development process. However, in order to fully observe the benefits it is essential that the suppliers of these COTS (commercial off-the-shelf) design precise, complete and consistent specifications. Generally, the specifications omit or neglect the behavior of these components in exceptional situations. Therefore, the usage of untrustworthy components whose behavior cannot be entirely foreseen seriously compromise the design of fault-tolerant systems. One of the strategies used for the specification of fault-tolerant components is to inform the occurrence of errors through exceptions and make its recovering by the correspondent exception handling routines. The specification should separate clearly the normal behavior from the exceptional one, specially designed for error recovery. However, in concurrent and distributed systems, specification of local exception handling is not enough. An exception could be raised as a result of systemic errors (i.e. network errors) which affect the entire system, thus specific types of exceptions should be treated at an architectural level involving all the other components in this handling activity. The conceptual model of Coordinated Atomic (CA) actions, often applied in the structuring of fault-tolerant systems, defines a general mechanism for coordination of exception handling with components that cooperate while executing activities and compete for shared resources. Therefore, the model of CA actions offers a perfectly viable solution for the specification of exception handling at an architectural level. This work proposes a framework for the specification of exception handling at an architectural level, based on the nesting model of CA actions and using the event-oriented language CSP (Communicating Sequential Processes). Its main characteristic is to provide a standardized protocol for coordination of exception handling that involves the cooperation of system components. Moreover, it is presented a formal strategy for system verification using the FDR (Failure Divergence Refinement) tool, based on the traces refinement model.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / In ubiquitous systems, due to the complexity added by the use of contextual information, the application of context aware exception handling (CAEH) techniques has many challenges and in the literature several approaches have been found to define concepts and abstractions useful for modeling CAEH. However, only one of these approaches proposes a method for specification and verification of models in the field of ubiquitous systems, which provides a tool for specifying the CAEH model using a Java API, and also generates an error report to a text file. The disadvantage of this approach is that the designer should strive to understand programming details that are irrelevant to the analysis process of the exceptional behavior of the system. Then, this work aims to propose a domain specific language for modeling CAEH, which provides abstractions and constructors that allow to express relevant concepts and make the task of designing CAEH models simpler and more intuitive. In addition, the language is integrated with the tool mentioned before that allows automatic model verification. The errors generated by the verifier are now shown directly in the source code making their identification and correction easier for the designer. In order to evaluate the language, a case study is conducted to provide evidence of its viability as an alternative to modeling CAEH. / Em sistemas ubÃquos, devido à complexidade inserida pela utilizaÃÃo de informaÃÃes contextuais, a aplicaÃÃo de tÃcnicas de tratamento de exceÃÃo sensÃvel ao contexto (TESC) tem sido objeto de estudo para muitos pesquisadores. Na literatura sÃo encontradas diversas abordagens que definem conceitos e abstraÃÃes Ãteis para modelagem de TESC. Entretanto, apenas uma dessas abordagens propÃe um mÃtodo para especificaÃÃo e verificaÃÃo de modelos no domÃnio de sistemas ubÃquos o qual fornece uma ferramenta para especificaÃÃo do modelo de TESC atravÃs de uma API Java, e gera ainda um relatÃrio de erros em um arquivo texto. A desvantagem dessa abordagem à que o projetista deve se esforÃar para entender detalhes de programaÃÃo irrelevantes ao processo de anÃlise do comportamento excepcional do sistema. Esta dissertaÃÃo tem portanto como objetivo propor uma linguagem de domÃnio especÃfico para modelagem de TESC, com o intuito de oferecer abstraÃÃes e construtores que permitem expressar conceitos pertinentes e tornar a tarefa de projetar modelos de TESC mais simples e intuitiva. AlÃm disso, a linguagem à integrada com a ferramenta citada anteriormente, o que permite realizar a verificaÃÃo do modelo de forma automÃtica. Os erros gerados pelo verificador sÃo mostrados agora diretamente no cÃdigo do modelo facilitando a identificaÃÃo e correÃÃo dos mesmos pelo projetista. A fim de avaliar a linguagem, um estudo de caso à realizado para fornecer indÃcios de sua viabilidade como alternativa para modelagem de TESC.