As software becomes more important to society, the number, age, and complexity of systems grow. Software organizations require continuous process improvement to maintain the reliability, security, and quality of these software systems. Software organizations can utilize data from manual fault classification to meet their process improvement needs, but organizations lack the expertise or resources to implement them correctly. This dissertation addresses the need for the automation of software fault classification. Validation results show that automated fault classification, as implemented in the MiSFIT tool, can group faults of similar nature. The resulting classifications result in good agreement for common software faults with no manual effort. To evaluate the method and tool, I develop and apply an extended change taxonomy to classify the source code changes that repaired software faults from an open source project. MiSFIT clusters the faults based on the changes. I manually inspect a random sample of faults from each cluster to validate the results. The automatically classified faults are used to analyze the evolution of a software application over seven major releases. The contributions of this dissertation are an extended change taxonomy for software fault analysis, a method to cluster faults by the syntax of the repair, empirical evidence that fault distribution varies according to the purpose of the module, and the identification of project-specific trends from the analysis of the changes.

Many software systems eventually undergo changes to their basic architectural structure. Such changes may be prompted by new feature requests, new quality attribute requirements, changing technology, or other reasons. Whatever the causes, architecture evolution is commonplace in real-world software projects. Today’s software architects, however, have few techniques to help them plan such evolution. In particular, they have little assistance in planning alternatives, making trade-offs among these different alternatives, or applying best practices for particular domains. To address this, we have developed an approach for assisting architects in planning and reasoning about software architecture evolution. Our approach is based on modeling and analyzing potential evolution paths that represent different ways of evolving the system. We represent an evolution path as a sequence of transitional architectural states leading from the initial architecture to the target architecture, along with evolution operators that characterize the transitions among these states. We support analysis of evolution paths through the definition and application of constraints that express rules governing the evolution of the systemand evaluation functions that assess path quality. Finally, a set of these modeling elements may be grouped together into an evolution style that encapsulates a body of knowledge relevant to a particular domain of architecture evolution. We evaluate this approach in three ways. First, we evaluate its applicability to real-world architecture evolution projects. This is accomplished through case studies of two very different software organizations. Second, we undertake a formal evaluation of the computational complexity of verifying evolution constraints. Finally, we evaluate the implementability of the approach based on our experiences developing prototype tools for software architecture evolution.

A significant challenge in understanding the evolution of a software system is coping with the huge amounts of data left behind during the evolution. One strategy for summarizing this data is to visualize its effect on the system’s architecture. Existing tools that implement this strategy often provide mechanisms to filter the data under consideration. However, this filtering is generally limited to showing the evolution over some unbroken sequence of time, for example the changes over the last six months. In this work we present an alternative approach designed to provide a method for examining the net effect of any set of changes on a systems architecture. We also present Motive, a prototype tool that implements this approach, and demonstrate how it can be used to answer questions about software evolution by describing case studies we conducted on two Java systems.

Providing service via theWeb differs from other service provision environments in that it is possible for the unexpected arrival of a massive number of service requests in a small time-frame, a situation commonly referred to as a flash crowd. Events of this nature are beyond the control of the service provider, and have the potential to severely degrade service quality and, in the worst case, to deny service to all clients completely. The occurrence, severity and sought Web content of a flash crowd is beyond the control of service provision software. How this software reacts to such a flash crowd, however, is not. Given the short-lived nature of flash crowds, it is unreasonable to expect such systems to increase the system resources they can apply to a particular flash crowd event. It is also difficult to predict the particular nature of any flash crowd, and subsequently which system resources will bottleneck. The driving hypothesis of this research is that, if we are to reasonably expect to have software react effectively to flash crowd events, we need to alter that software at runtime to remove system bottlenecks, whilst a flash crowd event is in progress. This is a special case of what is usually known as "unanticipated software evolution". This thesis reports on an investigation into how unanticipated software evolution can be applied to running Web service provision software to remove system bottlenecks. It does so by introducing automated dynamic Web content degradation to running software currently subject to simulated flash crowd events. The thesis describes and validates appropriate runtime extensions to allow generative object communication architectures (a promising class of architecture for unanticipated software evolution) to be converted initially into a Web application server, and then later accept further runtime behaviour changes. Such changes could alter system bottlenecks by replacing the key programming logic causing system bottlenecks at runtime.

Refatoração é o processo de melhorar o projeto de sistemas de software sem modificar seu comportamento externamente observável. O processo de refatoração pode auxiliar a incrementalmente melhorar a qualidade de software de um sistema através da aplicação de transformações que preservam comportamento chamadas de padrões de refatoração. O principal objetivo da pesquisa que esta tese descreve é prover um processo detalhado para refatoração, incluindo mecanismos para (i) seleção e criação de modelos de qualidade, padrões de refatoração e funções heurísticas, (ii) a busca e priorização de oportunidades de refatoração, (iii) a avaliação dos efeitos da refatoração na qualidade de software e (iv) a análise de vantagens e desvantagens e a aplicação de padrões de refatoração. Para exemplificar como os mecanismos propostos funcionam e como o processo pode ser usado, diferentes estudos de caso são usados ao longo da tese. A seleção dos padrões de refatoração, dos modelos de qualidade e das funções heurísticas são exemplificados para software orientado a objetos, bem como os mecanismos de busca e priorização. A avaliação dos efeitos da refatoração na qualidade de software, a análise de vantagens e desvantagens e a aplicação de padrões de refatoração são discutidos no contexto de programação orientada a aspectos. Além da definição de um processo de refatoração, um conjunto adicional de contribuições desta tese são: (i) a definição de uma abordagem para a seleção e ranking de padrões de refatoração baseada no AHP (Analytic Hierarchy Process), (ii) uma abordagem para reduzir o espaço de busca para oportunidades de refatoração ao manipular refatorações sucessivas, (iii) a definição de mecanismos de busca para oportunidades de refatoração, (iv) uma abordagem para avaliar os efeitos de refatoração na qualidade de software, (v) um catálogo de problemas encontrados em software orientado a aspectos e seus padrões de refatoração associados, e também um conjunto de recomendações para evitar estes problemas e (vi) um estudo de métricas orientadas a aspectos, incluindo a sua definição formal, avaliação analítica e interpretação de dados. / Refactoring is the process of improving the design of software systems without changing their externally observable behaviour. Refactoring can help to incrementally improve the quality of a software system through the application of behavioural preserving transformations called refactoring patterns. The main goal of the research this thesis reports is to provide a detailed process for refactoring, including mechanism for (i) the selection and creation of quality models, the selection of refactoring patterns, and the creation and use of heuristic rules, (ii) the search for refactoring opportunities and prioritisation, (iii) the assessment of the effects of refactoring on software quality, and (iv) the trade-off analysis and the application of refactoring patterns. To exemplify how the approach works and how the process can be used, different case studies are being used throughout the thesis. The selection of refactoring patterns, quality models and heuristic rules, and the search and prioritisation mechanisms are exemplified for object-oriented software. The assessment of refactoring effects on software quality, the trade-off analysis and the application of refactoring patterns are discussed in the context of aspect-oriented programming. Besides the definition of a refactoring process, a set of additional contributions of this thesis are (i) the definition of an approach for the selection and ranking of refactoring patterns, (ii) an approach for reducing the search space for refactoring opportunities when dealing with successive refactoring, (iii) the definition of search mechanisms for refactoring opportunities, (iv) an approach to evaluate the effects of refactoring on software quality, (v) a catalogue of shortcomings in aspect-oriented software and their related refactoring patterns, and (vi) an study of metrics for aspect-oriented software, including their formal definition, analytical evaluation and data interpretation.

O custo de serviços na Internet tem encorajado o uso de cache a nível de aplicação para suprir as demandas dos usuários e melhorar a escalabilidade e disponibilidade de aplicações. Cache a nível de aplicação, onde desenvolvedores manualmente controlam o conteúdo cacheado, tem sido adotada quando soluções tradicionais de cache não são capazes de atender aos requisitos de desempenho desejados. Apesar de sua crescente popularidade, este tipo de cache é tipicamente endereçado de maneira ad-hoc, uma vez que depende de detalhes específicos da aplicação para ser desenvolvida. Dessa forma, tal cache consiste em uma tarefa que requer tempo e esforço, além de ser altamente suscetível a erros. Esta dissertação avança o trabalho relacionado a cache a nível de aplicação provendo uma compreensão de seu estado de prática e automatizando a identificação de conteúdo cacheável, fornecendo assim suporte substancial aos desenvolvedores para o projeto, implementação e manutenção de soluções de caching. Mais especificamente, este trabalho apresenta três contribuições: a estruturação de conhecimento sobre caching derivado de um estudo qualitativo, um levantamento do estado da arte em abordagens de cache estáticas e adaptativas, e uma técnica que automatiza a difícil tarefa de identificar oportunidades de cache O estudo qualitativo, que envolveu a investigação de dez aplicações web (código aberto e comercial) com características diferentes, permitiu-nos determinar o estado de prática de cache a nível de aplicação, juntamente com orientações práticas aos desenvolvedores na forma de padrões e diretrizes. Com base nesses padrões e diretrizes derivados, também propomos uma abordagem para automatizar a identificação de métodos cacheáveis, que é geralmente realizado manualmente por desenvolvedores. Tal abordagem foi implementada como um framework, que pode ser integrado em aplicações web para identificar automaticamente oportunidades de cache em tempo de execução, com base na monitoração da execução do sistema e gerenciamento adaptativo das decisões de cache. Nós avaliamos a abordagem empiricamente com três aplicações web de código aberto, e os resultados indicam que a abordagem é capaz de identificar oportunidades de cache adequadas, melhorando o desempenho das aplicações em até 12,16%. / Latency and cost of Internet-based services are encouraging the use of application-level caching to continue satisfying users’ demands, and improve the scalability and availability of origin servers. Application-level caching, in which developers manually control cached content, has been adopted when traditional forms of caching are insufficient to meet such requirements. Despite its popularity, this level of caching is typically addressed in an adhoc way, given that it depends on specific details of the application. Furthermore, it forces application developers to reason about a crosscutting concern, which is unrelated to the application business logic. As a result, application-level caching is a time-consuming and error-prone task, becoming a common source of bugs. This dissertation advances work on application-level caching by providing an understanding of its state-of-practice and automating the decision regarding cacheable content, thus providing developers with substantial support to design, implement and maintain application-level caching solutions. More specifically, we provide three key contributions: structured knowledge derived from a qualitative study, a survey of the state-of-the-art on static and adaptive caching approaches, and a technique and framework that automate the challenging task of identifying cache opportunities The qualitative study, which involved the investigation of ten web applications (open-source and commercial) with different characteristics, allowed us to determine the state-of-practice of application-level caching, along with practical guidance to developers as patterns and guidelines to be followed. Based on such patterns and guidelines derived, we also propose an approach to automate the identification of cacheable methods, which is often manually done and is not supported by existing approaches to implement application-level caching. We implemented a caching framework that can be seamlessly integrated into web applications to automatically identify and cache opportunities at runtime, by monitoring system execution and adaptively managing caching decisions. We evaluated our approach empirically with three open-source web applications, and results indicate that we can identify adequate caching opportunities by improving application throughput up to 12.16%. Furthermore, our approach can prevent code tangling and raise the abstraction level of caching.

Refatoração é o processo de melhorar o projeto de sistemas de software sem modificar seu comportamento externamente observável. O processo de refatoração pode auxiliar a incrementalmente melhorar a qualidade de software de um sistema através da aplicação de transformações que preservam comportamento chamadas de padrões de refatoração. O principal objetivo da pesquisa que esta tese descreve é prover um processo detalhado para refatoração, incluindo mecanismos para (i) seleção e criação de modelos de qualidade, padrões de refatoração e funções heurísticas, (ii) a busca e priorização de oportunidades de refatoração, (iii) a avaliação dos efeitos da refatoração na qualidade de software e (iv) a análise de vantagens e desvantagens e a aplicação de padrões de refatoração. Para exemplificar como os mecanismos propostos funcionam e como o processo pode ser usado, diferentes estudos de caso são usados ao longo da tese. A seleção dos padrões de refatoração, dos modelos de qualidade e das funções heurísticas são exemplificados para software orientado a objetos, bem como os mecanismos de busca e priorização. A avaliação dos efeitos da refatoração na qualidade de software, a análise de vantagens e desvantagens e a aplicação de padrões de refatoração são discutidos no contexto de programação orientada a aspectos. Além da definição de um processo de refatoração, um conjunto adicional de contribuições desta tese são: (i) a definição de uma abordagem para a seleção e ranking de padrões de refatoração baseada no AHP (Analytic Hierarchy Process), (ii) uma abordagem para reduzir o espaço de busca para oportunidades de refatoração ao manipular refatorações sucessivas, (iii) a definição de mecanismos de busca para oportunidades de refatoração, (iv) uma abordagem para avaliar os efeitos de refatoração na qualidade de software, (v) um catálogo de problemas encontrados em software orientado a aspectos e seus padrões de refatoração associados, e também um conjunto de recomendações para evitar estes problemas e (vi) um estudo de métricas orientadas a aspectos, incluindo a sua definição formal, avaliação analítica e interpretação de dados. / Refactoring is the process of improving the design of software systems without changing their externally observable behaviour. Refactoring can help to incrementally improve the quality of a software system through the application of behavioural preserving transformations called refactoring patterns. The main goal of the research this thesis reports is to provide a detailed process for refactoring, including mechanism for (i) the selection and creation of quality models, the selection of refactoring patterns, and the creation and use of heuristic rules, (ii) the search for refactoring opportunities and prioritisation, (iii) the assessment of the effects of refactoring on software quality, and (iv) the trade-off analysis and the application of refactoring patterns. To exemplify how the approach works and how the process can be used, different case studies are being used throughout the thesis. The selection of refactoring patterns, quality models and heuristic rules, and the search and prioritisation mechanisms are exemplified for object-oriented software. The assessment of refactoring effects on software quality, the trade-off analysis and the application of refactoring patterns are discussed in the context of aspect-oriented programming. Besides the definition of a refactoring process, a set of additional contributions of this thesis are (i) the definition of an approach for the selection and ranking of refactoring patterns, (ii) an approach for reducing the search space for refactoring opportunities when dealing with successive refactoring, (iii) the definition of search mechanisms for refactoring opportunities, (iv) an approach to evaluate the effects of refactoring on software quality, (v) a catalogue of shortcomings in aspect-oriented software and their related refactoring patterns, and (vi) an study of metrics for aspect-oriented software, including their formal definition, analytical evaluation and data interpretation.

O custo de serviços na Internet tem encorajado o uso de cache a nível de aplicação para suprir as demandas dos usuários e melhorar a escalabilidade e disponibilidade de aplicações. Cache a nível de aplicação, onde desenvolvedores manualmente controlam o conteúdo cacheado, tem sido adotada quando soluções tradicionais de cache não são capazes de atender aos requisitos de desempenho desejados. Apesar de sua crescente popularidade, este tipo de cache é tipicamente endereçado de maneira ad-hoc, uma vez que depende de detalhes específicos da aplicação para ser desenvolvida. Dessa forma, tal cache consiste em uma tarefa que requer tempo e esforço, além de ser altamente suscetível a erros. Esta dissertação avança o trabalho relacionado a cache a nível de aplicação provendo uma compreensão de seu estado de prática e automatizando a identificação de conteúdo cacheável, fornecendo assim suporte substancial aos desenvolvedores para o projeto, implementação e manutenção de soluções de caching. Mais especificamente, este trabalho apresenta três contribuições: a estruturação de conhecimento sobre caching derivado de um estudo qualitativo, um levantamento do estado da arte em abordagens de cache estáticas e adaptativas, e uma técnica que automatiza a difícil tarefa de identificar oportunidades de cache O estudo qualitativo, que envolveu a investigação de dez aplicações web (código aberto e comercial) com características diferentes, permitiu-nos determinar o estado de prática de cache a nível de aplicação, juntamente com orientações práticas aos desenvolvedores na forma de padrões e diretrizes. Com base nesses padrões e diretrizes derivados, também propomos uma abordagem para automatizar a identificação de métodos cacheáveis, que é geralmente realizado manualmente por desenvolvedores. Tal abordagem foi implementada como um framework, que pode ser integrado em aplicações web para identificar automaticamente oportunidades de cache em tempo de execução, com base na monitoração da execução do sistema e gerenciamento adaptativo das decisões de cache. Nós avaliamos a abordagem empiricamente com três aplicações web de código aberto, e os resultados indicam que a abordagem é capaz de identificar oportunidades de cache adequadas, melhorando o desempenho das aplicações em até 12,16%. / Latency and cost of Internet-based services are encouraging the use of application-level caching to continue satisfying users’ demands, and improve the scalability and availability of origin servers. Application-level caching, in which developers manually control cached content, has been adopted when traditional forms of caching are insufficient to meet such requirements. Despite its popularity, this level of caching is typically addressed in an adhoc way, given that it depends on specific details of the application. Furthermore, it forces application developers to reason about a crosscutting concern, which is unrelated to the application business logic. As a result, application-level caching is a time-consuming and error-prone task, becoming a common source of bugs. This dissertation advances work on application-level caching by providing an understanding of its state-of-practice and automating the decision regarding cacheable content, thus providing developers with substantial support to design, implement and maintain application-level caching solutions. More specifically, we provide three key contributions: structured knowledge derived from a qualitative study, a survey of the state-of-the-art on static and adaptive caching approaches, and a technique and framework that automate the challenging task of identifying cache opportunities The qualitative study, which involved the investigation of ten web applications (open-source and commercial) with different characteristics, allowed us to determine the state-of-practice of application-level caching, along with practical guidance to developers as patterns and guidelines to be followed. Based on such patterns and guidelines derived, we also propose an approach to automate the identification of cacheable methods, which is often manually done and is not supported by existing approaches to implement application-level caching. We implemented a caching framework that can be seamlessly integrated into web applications to automatically identify and cache opportunities at runtime, by monitoring system execution and adaptively managing caching decisions. We evaluated our approach empirically with three open-source web applications, and results indicate that we can identify adequate caching opportunities by improving application throughput up to 12.16%. Furthermore, our approach can prevent code tangling and raise the abstraction level of caching.

Refatoração é o processo de melhorar o projeto de sistemas de software sem modificar seu comportamento externamente observável. O processo de refatoração pode auxiliar a incrementalmente melhorar a qualidade de software de um sistema através da aplicação de transformações que preservam comportamento chamadas de padrões de refatoração. O principal objetivo da pesquisa que esta tese descreve é prover um processo detalhado para refatoração, incluindo mecanismos para (i) seleção e criação de modelos de qualidade, padrões de refatoração e funções heurísticas, (ii) a busca e priorização de oportunidades de refatoração, (iii) a avaliação dos efeitos da refatoração na qualidade de software e (iv) a análise de vantagens e desvantagens e a aplicação de padrões de refatoração. Para exemplificar como os mecanismos propostos funcionam e como o processo pode ser usado, diferentes estudos de caso são usados ao longo da tese. A seleção dos padrões de refatoração, dos modelos de qualidade e das funções heurísticas são exemplificados para software orientado a objetos, bem como os mecanismos de busca e priorização. A avaliação dos efeitos da refatoração na qualidade de software, a análise de vantagens e desvantagens e a aplicação de padrões de refatoração são discutidos no contexto de programação orientada a aspectos. Além da definição de um processo de refatoração, um conjunto adicional de contribuições desta tese são: (i) a definição de uma abordagem para a seleção e ranking de padrões de refatoração baseada no AHP (Analytic Hierarchy Process), (ii) uma abordagem para reduzir o espaço de busca para oportunidades de refatoração ao manipular refatorações sucessivas, (iii) a definição de mecanismos de busca para oportunidades de refatoração, (iv) uma abordagem para avaliar os efeitos de refatoração na qualidade de software, (v) um catálogo de problemas encontrados em software orientado a aspectos e seus padrões de refatoração associados, e também um conjunto de recomendações para evitar estes problemas e (vi) um estudo de métricas orientadas a aspectos, incluindo a sua definição formal, avaliação analítica e interpretação de dados. / Refactoring is the process of improving the design of software systems without changing their externally observable behaviour. Refactoring can help to incrementally improve the quality of a software system through the application of behavioural preserving transformations called refactoring patterns. The main goal of the research this thesis reports is to provide a detailed process for refactoring, including mechanism for (i) the selection and creation of quality models, the selection of refactoring patterns, and the creation and use of heuristic rules, (ii) the search for refactoring opportunities and prioritisation, (iii) the assessment of the effects of refactoring on software quality, and (iv) the trade-off analysis and the application of refactoring patterns. To exemplify how the approach works and how the process can be used, different case studies are being used throughout the thesis. The selection of refactoring patterns, quality models and heuristic rules, and the search and prioritisation mechanisms are exemplified for object-oriented software. The assessment of refactoring effects on software quality, the trade-off analysis and the application of refactoring patterns are discussed in the context of aspect-oriented programming. Besides the definition of a refactoring process, a set of additional contributions of this thesis are (i) the definition of an approach for the selection and ranking of refactoring patterns, (ii) an approach for reducing the search space for refactoring opportunities when dealing with successive refactoring, (iii) the definition of search mechanisms for refactoring opportunities, (iv) an approach to evaluate the effects of refactoring on software quality, (v) a catalogue of shortcomings in aspect-oriented software and their related refactoring patterns, and (vi) an study of metrics for aspect-oriented software, including their formal definition, analytical evaluation and data interpretation.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-06-07T15:13:04Z No. of bitstreams: 1 jacimarfernandestavares.pdf: 4117614 bytes, checksum: 6d7763e08f1653c32b20373c9e55ec2b (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-06-24T13:08:28Z (GMT) No. of bitstreams: 1 jacimarfernandestavares.pdf: 4117614 bytes, checksum: 6d7763e08f1653c32b20373c9e55ec2b (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-24T13:08:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 jacimarfernandestavares.pdf: 4117614 bytes, checksum: 6d7763e08f1653c32b20373c9e55ec2b (MD5) Previous issue date: 2015-03-16 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Existem diversas tecnologias desenvolvidas nas áreas de manutenção e evolução colaborativa de software associadas à visualização de software, objetivando resolver problemas de empresas e grupos de usuários. Em muitos casos é necessário integrar soluções dessas áreas visando resolver um dado problema relacionado à evolução do software. Este problema se torna mais intenso quando se trata de equipes geograficamente distribuídas. Neste sentido, foi desenvolvida GiveMe Infra, uma infraestrutura para apoio a realização de atividades de manutenção e evolução de software, realizadas por equipes co-localizadas ou geograficamente distribuídas. Tais atividades são apoiadas por diferentes visualizações de software que permitem ao usuário obter diferentes perspectivas sobre as informações disponibilizadas. Um estudo experimental foi realizado objetivando verificar a viabilidade de uso da solução. Os resultados obtidos são apresentados, bem como os trabalhos futuros em relação à infraestrutura proposta. / There are several technologies developed to support collaborative software maintenance and evolution, as well as software visualization, in order to solve problems of companies and group of users. In many cases is necessary to integrate solutions already available in these areas to solve a given problem. These problems become intense when geographically dispersed groups are involved in software maintenance and evolution activities. In this sense, an infrastructure, named GiveMe Infra, was developed to support these activities when performed by co-located or geographically distributed teams. These activities are supported by different software visualizations that allow the user get different perspectives about the provided information. An experimental study were carried out aiming to verify the feasibility of the solution as well as the hypotheses. The obtained results related to the experiments and future works are presented.