Nous avons commencé la thèse par la littérature d'enquête sur les approches SPLE et CbyC dans l'état de l'art. Sur la base de l'aperçu et des connaissances obtenues, nous avons analysé les problèmes existants et suggéré des moyens de les résoudre pour notre objectif principal. Nous avons proposé dans le chapitre 2 une méthodologie pour développer des lignes de produits afin que les produits générés soient corrects par construction. Notre intention principale est qu'un utilisateur n'a pas besoin de connaître le processus de génération de produit mais peut recevoir un produit final correct en sélectionnant une configuration de fonctionnalité. En utilisant la méthodologie, les produits finaux sont générés automatiquement et leur exactitude est garantie. À la suite de cette proposition, nous sommes passés au chapitre 3 pour définir la langue de FFML qui est utilisé pour l'écriture de modules. Le mécanisme de réutilisation et de modification, défini pour la langue et appliqué à toutes sortes d'artefacts (spécification, code et preuve de précision) réduit l'effort de programmation. Au chapitre 4, nous nous sommes concentrés sur la définition des mécanismes de composition pour la composition des modules FFML et les intégrons à l'outil FFML Product Generator. L'évaluation de notre méthodologie est réalisée par le développement de deux lignes de produits logiciels, le compte bancaire SPL et le SPL de poker, ce dernier étant un peu plus complexe que le premier. Dans l'évaluation, nous avons souligné les avantages et la limitation de notre méthodologie. / We began the thesis by survey literature on SPLE and CbyC approaches in the State of the Art. Based on the overview and the insights obtained, we have analyzed the existing problems and suggested ways to solve them for our main goal. We have proposed in Chapter 2 a methodology to develop product lines such that the generated products are correct-by-construction. Our main intention is that a user does not need to know the product generation process but can receive a correct final product from selecting a configuration of features. Using the methodology, the final products are generated automatically and their correctness is guaranteed. Following this proposal, we have moved in Chapter 3 to define the FFML language that is used for writing modules. The reuse and modification mechanism, defined for the language and applied to all kinds of artifacts (specification, code and correctness proof), reduce the programming effort. In Chapter 4, we have focused on defining the composition mechanisms for composing FFML modules and embedded them into the FFML Product Generator tool. The evaluation of our methodology is performed through the development of two software product lines, the Bank Account SPL and the Poker SPL, the latter being a bit more complex than the former. In the evaluation, we have highlighted the advantages and the limitation of our methodology.

Des familles de logiciels similaires proviennent fréquemment de pratiques de réutilisation de clones de logiciels existants, qui sont ensuite enrichis ou dépouillés de fonctionnalités pour suivre de nouvelles exigences. Avec le temps, ces variantes se multiplient et se complexifient, et il devient difficile de les maintenir, de les faire évoluer. L’ingénierie des lignes de produits logiciels regroupe un ensemble de méthodes visant à faciliter le développement et la gestion de telles collections de logiciels similaires. Documenter la variabilité est le point central de ce paradigme ; on la représente à travers des modèles de variabilité, qui servent de supports à la grande majorité des processus propres à l’ingénierie des lignes de produits. La migration complète ou partielle de ces familles de logiciels vers des approches de type lignes de produits permet la simplification de leur exploitation. La rétro-ingénierie, la modélisation et la gestion de la variabilité sont reconnues comme une phase cruciale et ardue de cette migration. Par conséquent, de nombreuses approches ont été proposées pour étudier des descriptions de familles de logiciels dans ce but. Plusieurs d’entre elles s’appuient sur l’analyse formelle de concepts, un cadre mathématique de groupement hiérarchique qui organise un ensemble d’objets et leurs descriptions dans une structure canonique mettant naturellement en évidence leurs aspects communs et variables.Dans ce manuscrit, nous défendons l'idée que l’analyse formelle de concepts, plus qu’un outil, offre un véritable cadre structurel et réutilisable à l’étude de la variabilité des familles de produits.Dans un premier temps, nous établissons un panorama des informations sur la variabilité qui sont mises en évidence grâce à ce formalisme, et discutons de son spectre d’applicabilité. Nous étudions les points communs entre les structures conceptuelles produites par l’analyse formelle de concepts et les modèles de variabilité. Dans un second temps, nous illustrons l’utilisation originale de ces structures conceptuelles comme support à des opérations de conception et de recherche d’informations. Enfin, nous élargissons notre champ d’étude aux informations plus complexes définies par des modèles de variabilité qui ont été étendus pour en améliorer l’expressivité, et dont la rétro-ingénierie est encore peu étudiée à ce jour. Nous montrons comment certaines propriétés de l’analyse formelle de concepts permettent de généraliser son utilisation à des descriptions de variantes plus complexes, et étudions son application pour la manipulation d’attributs multivalués et de cardinalités, en complément des caractéristiques booléennes traditionnelles. Nous évaluons notre approche sur des données issues de dépôts tels que SPLOT, fork-insight et de matrices de comparaison de produits de wikipedia. / Software families often rise from reuse practices as cloning existing software products which are then enhanced or pruned to fulfill new requirements. With time, these variants grow in number and in complexity, and become more and more complex to maintain. Software product line engineering gathers a set of methods that aims at facilitating the management and development of such collections of existing variants. Documenting variability is the central point of this paradigm; This variability is represented in variability models that support a large part of software product line engineering processes.The partial or complete migration from software families to a product line approach eases their exploitation.Reverse-engineering, modeling and managing variability are known as crucial tasks of the migration: therefore, numerous methods have been proposed to study descriptions of software families for this goal.Some of them are based on formal concept analysis, a mathematical framework for hierarchical clustering which organises set of objects and their descriptions in canonical structures highlighting naturally their commonalities and variability.In this thesis, we defend that formal concept analysis, more than a tool, is a relevant structural, reusable and extensible framework to study variability of software families.First, we propose an overview of variability information which is highlighted thanks to this framework, and we discuss its scope of applicability.We study the common points between the conceptual structures of formal concept analysis and variability models.Then, we show how to use these conceptual structures to support research and modeling operations.Finally, we broaden the scope of this study to take into account more complex information about extended variability.We evaluate our method on data taken from the SPLOT repository, fork-insight and product comparison matrices from wikipedia.

Actuellement, de nombreuses entreprises ont besoin de construire des versions\variantes légèrement différentes d'un même système. Ces versions partagent des points communs et des différences, le tout pouvant être géré à l'aide d'une approche ligne de produits (SPL). L'objectif principal d'une SPL est d'exploiter la personnalisation de masse, dans laquelle les produits sont réalisés pour répondre aux besoins spécifiques de chaque client. Pour répondre à ce besoin de personnalisation, les systèmes doivent être étendus de manière efficace, ou modifiés, configurés pour être utilisé dans un contexte particulier. Une approche encourageante consiste à connecter l'approche MDE (l'ingénierie dirigée par les modèles) à l'approche SPL – les SPL basées sur les modèles (MSPL). L'espace de conception, l'environnement du système logiciel que l'on construit (i.e., l'ingénierie du domaine) d'une MSPL est extrêmement complexe à gérer pour un ingénieur. Tout d'abord, le nombre possible des produits d'une MSPL est exponentielle au nombre d'éléments ou de décisions exprimé dans le modèle de variabilité. Ensuite, les modèles de produits dérivés doivent être conformes à de nombreuses règles liées au domaine métier mais aussi aux langages de modélisation utilisés. Troisièmement, le modèle de réalisation qui relie un modèle de variabilité et un modèle de base peut être très expressif. En plus, il faut ajouter que les ingénieurs système utilisent différents langages de modélisation dédiés dans le cadre de projets pour la réalisation de systèmes critiques. Nos contributions sont basées sur le fait qu'une solution générique, pour tous les domaines, et qui dérive des modèles corrects n'est pas réaliste, surtout si on prend en considération le contexte des systèmes complexes décrits précédemment. Nous proposons une approche indépendante du domaine pour générer des contre-exemples de MSPLs, révélant des erreurs de conceptions de modèles et supportant les parties prenantes à construire de meilleures MSPLs et des mécanismes de dérivation plus efficaces. Plus précisément, la première et principale contribution de la thèse est un processus systématique et automatisé, basé sur CVL (common variability language), pour la recherche aléatoire de contre-exemples de MSPL dans un langage donné. La seconde contribution de la thèse est un étude sur les mécanismes pour étendre la sémantique des moteurs de dérivation, offrant une approche basée sur des modèles à fin de personnaliser leurs sémantique opérationnelle. Dans la troisième contribution de la thèse, nous présentons une étude empirique à large échelle sur le langage Java en utilisant notre approche générative. La quatrième et dernière contribution de la thèse est une méthodologie pour intégrer notre travail dans une organisation qui cherche à mettre en œuvre les lignes de produit logiciels basées sur des modèles pour l'ingénierie des systèmes. / Systems Engineering is a complex and expensive activity in several kinds of companies, it imposes stakeholders to deal with massive pieces of software and their integration with several hardware components. To ease the development of such systems, engineers adopt a divide and conquer approach : each concern of the system is engineered separately, with several domain specific languages (DSL) and stakeholders. The current practice for making DSLs is to rely on the Model-driven Engineering (MDE. On the other hand, systems engineering companies also need to construct slightly different versions/variants of a same system; these variants share commonalities and variabilities that can be managed using a Software Product Line (SPL) approach. A promising approach is to ally MDE with SPL – Model-based SPLs (MSPL) – in a way that the products of the SPL are expressed as models conforming to a metamodel and well-formedness rules. The Common Variability Language (CVL) has recently emerged as an effort to standardize and promote MSPLs. Engineering an MSPL is extremely complex to an engineer: the number of possible products is exponential; the derived product models have to conform to numerous well- formedness and business rules; and the realization model that connects a variability model and a set of design models can be very expressive specially in the case of CVL. Managing variability models and design models is a non-trivial activity. Connecting both parts and therefore managing all the models is a daunting and error-prone task. Added to these challenges, we have the multiple different modeling languages of systems engineering. Each time a new modeling language is used for developing an MSPL, the realization layer should be revised accordingly. The objective of this thesis is to assist the engineering of MSPLs in the systems engineering field, considering the need to support it as earlier as possible and without compromising the existing development process. To achieve this, we provide a systematic and automated process, based on CVL, to randomly search the space of MSPLs for a given language, generating counterexamples that can server as antipatterns. We then provide ways to specialize CVL’s realization layer (and derivation engine) based on the knowledge acquired from the counterexamples. We validate our approach with four modeling languages, being one acquired from industry; the approach generates counterexamples efficiently, and we could make initial progress to increase the safety of the MSPL mechanisms for those languages, by implementing antipattern detection rules. Besides, we also analyse big Java programs, assessing the adequacy of CVL to deal with complex languages; it is also a first step to assess qualitatively the counterexamples. Finally, we provide a methodology to define the processes and roles to leverage MSPL engineering in an organization.

La conception de variété (ou diversité) de produit est un processus essentiel pour atteindre le niveau de flexibilité requis par la personnalisation de masse. Pendant le processus de conception de la variété, les clients et les experts sont impliqués dans la définition de la meilleure solution. Par conséquent, la compréhension des liens entre les connaissances provenant de ces différents domaines, i.e. client, produit, processus est devenue nécessaire. Dans cette thèse, nous nous intéressons en particulier à la formalisation de ces connaissances. En effet, même si plusieurs efforts ont étés accomplis dans le domaine de la représentation de la connaissance, la pensée logiciste (i.e. utilisation de méthode à base de logiques formelles) reste la base de la majeure partie des travaux sur la formalisation de la connaissance. Des réflexions appropriées sur l’utilisation des logiques peuvent montrer les risques d’ambiguïté de la représentation: l’utilisation de la logique conduit souvent à une représentation sujette à plusieurs interprétations, i.e. une représentation ambiguë. Une représentation avec cette caractéristique ne répond pas à l’exigence de bien comprendre les liens entre les différentes connaissances impliquées dans la conception de la variété. Notre travail s’intéresse, donc, au développement d’un cadre de modélisation de la connaissance de conception basé sur l’anti-logicisme. Les travaux sur les systèmes développés à partir des principes de cette école de représentation de la connaissance montrent à travers des applications concrètes dans les domaines de la robotique ou des systèmes multi-agents que les comportements intelligents peuvent être obtenus sans une représentation de la connaissance basée sur les logiques. Ce cadre permet de développer une variété de produit-processus à partir d’une clientèle définie au départ. Finalement, un critère pour comparer les différentes alternatives de variété générées est aussi proposé. Une méthode pour instancier le cadre de modélisation sur un logiciel de CAO 3D a été développée. De plus, un prototype pour utiliser les modèles de connaissance avec un solveur mathématique a été conçu et développé. Les propositions ont été testées sur un cas d’étude industriel, i.e. batterie froide d’un appareil de réfrigération. Ce test a permis de discuter les avantages et les limites de nos propositions / The product variety design is an essential process in order to deal with the flexibility requested by the mass-customisation. During the product variety stage, customers and expert are involved in the definition of the best variety. Therefore a deep understanding of the links between knowledge coming from the customer domain, product domain and process domain is needed. In this thesis the research focus is on the formalisation of this knowledge. Indeed, even if many efforts are present in the knowledge representation literature, logics are always used to build these links. But appropriate reflections about the use of logics can lead to recognise the risk of ambiguity of the representations, i.e. more than one interpretation of the same represented object are possible. This ambiguity would make the represented knowledge not appropriate for the product variety design. In this work, we propose a framework for the knowledge representation based on the anti-logicism. Since the samples of anti-logicist systems (e.g. multi-agents, robots) have shown an intelligent behaviour without a representation based on logics, we use the principles the anti-logicism to propose our knowledge representation framework. A knowledge representation framework that allows to connect the customer requirements to the manufacturing process parameters is proposed. The core feature of the models based on this framework is the non-ambiguity. Indeed, each piece of knowledge that composes the model can be interpreted in one unique way. This feature allows the perfect collaboration between customer, product engineers and process engineering during the variety design stage. Once the pieces of knowledge coming from different domains are integrated in one model, the framework explains how to generate alternatives of product-process variety by starting from a given customer set. Finally a criterion to compare the different generated alternatives of product-process variety is proposed. A method to instantiate the framework on a 3D CAD has been developed. Moreover, a prototype that uses the knowledge model along with a mathematical solver to propose the best variety has been developed. The impact of the framework on the selection process and on the design process of a customisable product (i.e. water coil) is tested. The test of the instantiation and the prototype allows to show the advantages and the limit of the proposals

Le doctorat s'inscrit dans le cadre d'une bourse CIFRE et d'un partenariat entre l'ENSTA Bretagne, l'IRISA et Thales Air Systems. Les préoccupations de ce dernier, et plus particulièrement de l'équipe de rattachement, sont de réaliser des systèmes à logiciels prépondérants embarqués. La complexité de ces systèmes et les besoins de compétitivité associés font émerger la notion de "Model-Based Product Lines(MBPLs)". Celles-ci tendent à réaliser une synergie de l'abstraction de l'Ingénierie Dirigée par les Modèles (IDM) et de la capacité de gestion de la capitalisation et réutilisation des Lignes de Produits (LdPs). La nature irrévocablement dynamique des systèmes réels induit une évolution permanente des LdPs afin de répondre aux nouvelles exigences des clients et pour refléter les changements des artefacts internes de la LdP. L'objectif de cette thèse est unique, maîtriser des incréments d'évolution d'une ligne de produits de systèmes complexes, les contributions pour y parvenir sont duales. La thèse est que 1) une variabilité multidimensionnelle ainsi qu'une modélisation relationnelle est requise dans le cadre de lignes de produits de systèmes complexes pour en améliorer la compréhension et en faciliter l'évolution (proposition d'un cadre générique de décomposition de la modélisation et d'un langage (DSML) nommé PLiMoS, dédié à l'expression relationnelle et intentionnelle dans les MBPLs), et que 2) les efforts de spécialisation lors de la dérivation d'un produit ainsi que l'évolution de la LdP doivent être guidé par une architecture conceptuelle (introduction de motifs architecturaux autour de PLiMoS et du patron ABCDE) et capitalisés dans un processus outillé semi-automatisé d'évolution incrémentale des lignes de produits par extension.

L'ingénierie des lignes de produits est une approche utilisée pour développer une famille de produits. Ces produits partagent un ensemble de points communs et un ensemble de points de variation. Aujourd'hui, la validation est une activité disjointe du processus de développement des lignes de produits. L'effort et les moyens fournis dans les campagnes de tests de chaque produit peuvent être optimisés dans un contexte plus global au niveau de la ligne de produits. Le model-based testing est une technique de génération automatique des cas de test à partir d'un modèle d'états et de transitions construit à partir des exigences fonctionnelles. Dans cette thèse, nous présentons une approche pour tester une ligne de produits logiciels avec le model-based testing. La première contribution consiste à établir un lien entre le modèle de variabilité et le modèle de test, à l'aide des exigences fonctionnelles. La deuxième contribution est un algorithme qui extrait automatiquement un modèle de test spécifique à un produit membre de la famille de produits sous test. L'approche est illustrée par une famille de produits de tableaux de bord d'automobiles et expérimentée par un industriel du domaine aéronautique dans le cadre du projet Européen MBAT. / Software product line engineering is an approach that supports developing products in family. These products are described by common and variable features. Currently, the validation activity is disjointed from the product lines development process. The effort and resources provided in the test campaigns for each product can be optimized in the context of product lines. Model-based testing is a technique for automatically generating a suite of test cases from requirements. In this thesis report, we present an approach to test a software product line with model-based testing. This technique is based on an algorithm that establishes the relationship between the variability model released with OVM and the test model, using traceability of functional requirements present in both formalisms. Our contribution is an algorithm that automatically extracts a product test model. It is illustrated with a real industrial case of automotive dashboards and experimented by an industrial of aeronautic domain in the MBAT European project context.

Le doctorat s'inscrit dans le cadre d'une bourse CIFRE et d'un partenariat entre l'ENSTA Bretagne, l'IRISA et Thales Air Systems. Les préoccupations de ce dernier, et plus particulièrement de l'équipe de rattachement, sont de réaliser des systèmes à logiciels prépondérants embarqués. La complexité de ces systèmes et les besoins de compétitivité associés font émerger la notion de "Model-Based Product Lines(MBPLs)". Celles-ci tendent à réaliser une synergie de l'abstraction de l'Ingénierie Dirigée par les Modèles (IDM) et de la capacité de gestion de la capitalisation et réutilisation des Lignes de Produits (LdPs). La nature irrévocablement dynamique des systèmes réels induit une évolution permanente des LdPs afin de répondre aux nouvelles exigences des clients et pour refléter les changements des artefacts internes de la LdP. L'objectif de cette thèse est unique, maîtriser des incréments d'évolution d'une ligne de produits de systèmes complexes, les contributions pour y parvenir sont duales. La thèse est que 1) une variabilité multidimensionnelle ainsi qu'une modélisation relationnelle est requise dans le cadre de lignes de produits de systèmes complexes pour en améliorer la compréhension et en faciliter l'évolution (proposition d'un cadre générique de décomposition de la modélisation et d'un langage (DSML) nommé PLiMoS, dédié à l'expression relationnelle et intentionnelle dans les MBPLs), et que 2) les efforts de spécialisation lors de la dérivation d'un produit ainsi que l'évolution de la LdP doivent être guidé par une architecture conceptuelle (introduction de motifs architecturaux autour de PLiMoS et du patron ABCDE) et capitalisés dans un processus outillé semi-automatisé d'évolution incrémentale des lignes de produits par extension. / The PhD (CIFRE fundings) was supported by a partnership between three actors: ENSTA Bretagne, IRISA and Thales Air Systems. The latter's concerns, and more precisely the ones from the affiliation team, are to build embedded software-intensive systems. The complexity of these systems, combined to the need of competitivity, reveal the notion of Model-Based Product Lines (MBPLs). They make a synergy of the capabilities of modeling and product line approaches, and enable more efficient solutions for modularization with the distinction of abstraction levels and separation of concerns. Besides, the dynamic nature of real-world systems induces that product line models need to evolve continually to meet new customer requirements and to reflect changes in product line artifacts. The aim of the thesis is to handle the increments of evolution of complex systems product lines, the contributions to achieve it are twofolds. The thesis claims that i) a multidimensional variability and a relational modeling are required within a complex system product line in order to enhance comprehension and ease the PL evolution (Conceptual model modularization framework and PliMoS Domain Specific Modeling Language proposition; the language is dedicated to relational and intentional expressions in MBPLs), and that ii) specialization efforts during product derivation have to be guided by a conceptual architecture (architectural patterns on top of PLiMoS, e.g.~ABCDE) and capitalized within a semi-automatic tooled process allowing the incremental PL evolution by extension.

Le cloud computing a été considéré comme une option pour exécuter des applications de calcul haute performance. Bien que les plateformes traditionnelles de calcul haute performance telles que les grilles et les supercalculateurs offrent un environnement stable du point de vue des défaillances, des performances, et de la taille des ressources, le cloud computing offre des ressources à la demande, généralement avec des performances imprévisibles mais à des coûts financiers abordables. Pour surmonter les limites d’un cloud individuel, plusieurs clouds peuvent être combinés pour former une fédération de clouds, souvent avec des coûts supplémentaires légers pour les utilisateurs. Une fédération de clouds peut aider autant les fournisseurs que les utilisateurs à atteindre leurs objectifs tels la réduction du temps d’exécution, la minimisation des coûts, l’augmentation de la disponibilité, la réduction de la consommation d’énergie, pour ne citer que ceux-Là. Ainsi, la fédération de clouds peut être une solution élégante pour éviter le sur-Approvisionnement, réduisant ainsi les coûts d’exploitation en situation de charge moyenne, et en supprimant des ressources qui, autrement, resteraient inutilisées et gaspilleraient ainsi de énergie. Cependant, la fédération de clouds élargit la gamme des ressources disponibles. En conséquence, pour les utilisateurs, des compétences en cloud computing ou en administration système sont nécessaires, ainsi qu’un temps d’apprentissage considérable pour maîtrises les options disponibles. Dans ce contexte, certaines questions se posent: (a) Quelle ressource du cloud est appropriée pour une application donnée? (b) Comment les utilisateurs peuvent-Ils exécuter leurs applications HPC avec un rendement acceptable et des coûts financiers abordables, sans avoir à reconfigurer les applications pour répondre aux normes et contraintes du cloud ? (c) Comment les non-Spécialistes du cloud peuvent-Ils maximiser l’usage des caractéristiques du cloud, sans être liés au fournisseur du cloud ? et (d) Comment les fournisseurs de cloud peuvent-Ils exploiter la fédération pour réduire la consommation électrique, tout en étant en mesure de fournir un service garantissant les normes de qualité préétablies ? À partir de ces questions, la présente thèse propose une solution de consolidation d’applications pour la fédération de clouds qui garantit le respect des normes de qualité de service. On utilise un système multi-Agents pour négocier la migration des machines virtuelles entre les clouds. En nous basant sur la fédération de clouds, nous avons développé et évalué une approche pour exécuter une énorme application de bioinformatique à coût zéro. En outre, nous avons pu réduire le temps d’exécution de 22,55% par rapport à la meilleure exécution dans un cloud individuel. Cette thèse présente aussi une architecture de cloud baptisée « Excalibur » qui permet l’adaptation automatique des applications standards pour le cloud. Dans l’exécution d’une chaîne de traitements de la génomique, Excalibur a pu parfaitement mettre à l’échelle les applications sur jusqu’à 11 machines virtuelles, ce qui a réduit le temps d’exécution de 63% et le coût de 84% par rapport à la configuration de l’utilisateur. Enfin, cette thèse présente un processus d’ingénierie des lignes de produits (PLE) pour gérer la variabilité de l’infrastructure à la demande du cloud, et une architecture multi-Cloud autonome qui utilise ce processus pour configurer et faire face aux défaillances de manière indépendante. Le processus PLE utilise le modèle étendu de fonction avec des attributs pour décrire les ressources et les sélectionner en fonction des objectifs de l’utilisateur. Les expériences réalisées avec deux fournisseurs de cloud différents montrent qu’en utilisant le modèle proposé, les utilisateurs peuvent exécuter leurs applications dans un environnement de clouds fédérés, sans avoir besoin de connaître les variabilités et contraintes du cloud. / Cloud computing has been seen as an option to execute high performance computing (HPC) applications. While traditional HPC platforms such as grid and supercomputers offer a stable environment in terms of failures, performance, and number of resources, cloud computing offers on-Demand resources generally with unpredictable performance at low financial cost. Furthermore, in cloud environment, failures are part of its normal operation. To overcome the limits of a single cloud, clouds can be combined, forming a cloud federation often with minimal additional costs for the users. A cloud federation can help both cloud providers and cloud users to achieve their goals such as to reduce the execution time, to achieve minimum cost, to increase availability, to reduce power consumption, among others. Hence, cloud federation can be an elegant solution to avoid over provisioning, thus reducing the operational costs in an average load situation, and removing resources that would otherwise remain idle and wasting power consumption, for instance. However, cloud federation increases the range of resources available for the users. As a result, cloud or system administration skills may be demanded from the users, as well as a considerable time to learn about the available options. In this context, some questions arise such as: (a) which cloud resource is appropriate for a given application? (b) how can the users execute their HPC applications with acceptable performance and financial costs, without needing to re-Engineer the applications to fit clouds' constraints? (c) how can non-Cloud specialists maximize the features of the clouds, without being tied to a cloud provider? and (d) how can the cloud providers use the federation to reduce power consumption of the clouds, while still being able to give service-Level agreement (SLA) guarantees to the users? Motivated by these questions, this thesis presents a SLA-Aware application consolidation solution for cloud federation. Using a multi-Agent system (MAS) to negotiate virtual machine (VM) migrations between the clouds, simulation results show that our approach could reduce up to 46% of the power consumption, while trying to meet performance requirements. Using the federation, we developed and evaluated an approach to execute a huge bioinformatics application at zero-Cost. Moreover, we could decrease the execution time in 22.55% over the best single cloud execution. In addition, this thesis presents a cloud architecture called Excalibur to auto-Scale cloud-Unaware application. Executing a genomics workflow, Excalibur could seamlessly scale the applications up to 11 virtual machines, reducing the execution time by 63% and the cost by 84% when compared to a user's configuration. Finally, this thesis presents a product line engineering (PLE) process to handle the variabilities of infrastructure-As-A-Service (IaaS) clouds, and an autonomic multi-Cloud architecture that uses this process to configure and to deal with failures autonomously. The PLE process uses extended feature model (EFM) with attributes to describe the resources and to select them based on users' objectives. Experiments realized with two different cloud providers show that using the proposed model, the users could execute their application in a cloud federation environment, without needing to know the variabilities and constraints of the clouds.