Contexto: Embora diversas técnicas de teste de software tenham sido propostas para o contexto da programação concorrente, as informações sobre elas encontram-se de dispersas na literatura, não oferecendo uma caracterização apropriada e dados relevantes que possam auxiliar a compreensão e consequente aplicação efetiva dessas técnicas, dificultando o processo de transferência de conhecimento entre a academia e a comunidade interessada. Objetivo: Nesse contexto, o principal objetivo deste trabalho é oferecer subsídios, na forma de um framework, que seja capaz de apoiar a caracterização e seleção sistemática de técnicas de teste de software concorrente. Metodologia: Para atender esse objetivo, foi construído um corpo de conhecimento que reúne de maneira integrada informações relevantes ao processo de tomada de decisão sobre qual técnica de teste aplicar a um determinado projeto de software. Um design de experimentos é definido, funcionando como guia para condução de estudos empíricos que podem ser usados para a realimentação, atualização e evolução do corpo de conhecimento. Buscando sistematizar o processo de seleção de técnicas de teste, é definido um esquema de caracterização que considera as principais características da programação concorrente que influenciam a atividade de teste de software e calcula a adequação desses atributos aos atributos do projeto em desenvolvimento. Resultados e Conclusões: A fim de permitir que a comunidade interaja com o framework proposto, foi disponibilizada uma infraestrutura computacional que permite o acesso ao corpo de conhecimento e automatiza o processo de seleção de técnicas de teste de software concorrente. O estudo experimental conduzido para avaliação da proposta, mostrou que a abordagem contribui de maneira efetiva para caracterizar, comparar e quantificar a adequabilidade baseada em atributos, melhorando consideravelmente o processo de seleção de técnicas de teste para software concorrente segundo as expectativas dos usuários. / Background: Although a variety of concurrent software testing techniques have been proposed for the concurrent programming context, the information about them are scattered in the literature, not offering an appropriate characterization and relevant data that can aid the understanding and consequently the effective application of these techniques, hindering the process of knowledge transfer between the academia and the interested community. Objective: In this context, the main objective of this work is to provide subsidies in form of a framework which will be able to support the characterization and systematic selection of concurrent software testing techniques. Methodology: In order to meet this objective, a body of knowledge has been built that brings together, in an integrated way, information relevant for the decision-making process about what testing technique should be applied in a specific software project. A design of experiments is defined as a guide for conducting empirical studies that can be used for feedback, updating, and evolution of the body of knowledge. With the objective of systematizing the process of testing techniques selection is defined a characterization scheme that considers the main characteristics of the concurrent programming that influence the testing activity and calculates the adequacy for these attributes in comparison with the software project in development. Results and Conclusions: In order to allow the community interaction with the proposed framework was provided a computational infrastructure that allows access to the body of knowledge and the automation of the selection process. The empirical study conducted to evaluate the proposal showed that the approach effectively contributes to characterize, compare and quantify the adequacy based on the attributes, improving the selection process of concurrent software testing techniques according to the users expectations.

Concurrent programming has become an essential paradigm for reductions in the computational time in many application domains. However, the validation and testing activity is more complex than the testing for sequential programs due to the non-determinism, synchronization and inter-process communication. Mutation testing is based on mistakes produced by software developers and presents a high effectiveness to reveal faults. However, high computational costs limit its applicability even for sequential code, becoming higher for concurrent programs in which each test has to be executed with different (ideally all) thread schedules. To date, only selective mutation have been applied to reduce the number of mutants in concurrent programs, however, the problem of state explosion of thread schedules still remains. This Ph.D. thesis presents the SBBMuT approach that applies deterministic execution and genetic algorithm for the generation and execution of a set of synchronization sequences during the mutation testing of Java multithreaded programs. An experimental study was conducted, and the results showed that the set of synchronization sequences generated by SBBMuT achieved a higher mutation score in comparison with the use of the Java PathFinder model checking tool. / A programação concorrente tornou-se um paradigma essencial para a redução no tempo computacional em muitos domínios de aplicação. No entanto, as atividades de verificação, validação e teste são mais complexas do que o teste para programas sequenciais devido ao não determinismo, sincronização e comunicação entre processos ou threads. O teste de mutação é baseado em enganos cometidos por desenvolvedores de software e apresenta uma alta eficácia para revelar defeitos. No entanto, o alto custo computacional limita a sua aplicação mesmo para programas sequenciais, e tornando-se maior para programas concorrentes no qual cada teste deve ser executado com diferentes (idealmente todas) sequências de sincronizações. Na literatura, apenas mutação seletiva foi aplicada para reduzir o número de mutantes em programas concorrentes, no entanto, o problema de explosão no número de sequências de sincronização ainda permanece. Esta tese de doutorado apresenta a abordagem SBBMuT que aplica execução determinística e algoritmo genético para a geração e execução de um conjunto de sequências de sincronização durante o teste de mutação para programas Java multithread. Um estudo experimental foi conduzido e os resultados mostram que o conjunto de sequências de sincronização gerada pela SBBMuT conseguiu alcançar um escore de mutação maior em comparação com a utilização da ferramenta de validação de modelos Java PathFinder.

Existem várias linguagens e plataformas que permitem a programação baseada no modelo de atores, uma solução elegante para a programação concorrente proposta há algumas décadas. Segundo esse modelo, implementa-se o programa na forma de uma série de agentes que são executados em paralelo e se comunicam entre si somente por meio da troca de mensagens, sem a necessidade de memória compartilhada ou estruturas tradicionais de sincronização como semáforos e mutexes. Uma das áreas nas quais esse modelo seria particularmente adequado é a programação de aplicações web, isto é, aplicações cujas lógicas de negócios e de dados residem num servidor e que são acessadas pelo usuário por intermédio de um navegador. Porém, existem muitos obstáculos ao desenvolvimento de aplicações desse tipo, entre eles a falta de linguagens e ferramentas que permitam integrar tanto o servidor quanto o cliente (navegador) no modelo de atores, as dificuldades de conversões de dados que se fazem necessárias quando o servidor e o cliente são desenvolvidos em linguagens diferentes, e a necessidade de contornar as dificuldades inerentes aos detalhes do protocolo de comunicação (HTTP). O PAWEB é uma proposta de uma plataforma para o desenvolvimento e execução de aplicações web que fornece a infraestrutura necessária para que tanto o lado cliente quanto o lado servidor do aplicativo hospedado possam ser escritos numa mesma linguagem (Python), e possam criar e gerenciar atores que trocam mensagens entre si,tanto local quanto remotamente, de maneira transparente e sem a necessidade de implementar conversões de dados ou outros detalhes de baixo nível. / There are several programming languages and platforms that allow the development of systems based on the actor model, an elegant solution for concurrent programming proposed a few decades ago. According to this model, the program is implemented in the form of several agents that run concurrently and only communicate amongst themselves through the exchange of messages, without the need for shared memory or traditional synchronization structures such as semaphores and mutexes. One of the areas where this model would be particularly appropriate would be the development of web applications, that is, applications whose business and database logic reside on the server and are accessed by the user by means of a web browser. However, there are several obstacles to the development of this type of application, amongst them the lack of languages and tools that allow for the integration of both the server and the client (browser) into the actor model, data conversion difficulties arising from using different programming languages on the server and the client, and the need to circumvent the inherent difficulties posed by the details of the communications protocol (HTTP). PAWEB is a proposal for an application development and execution platform that supplies the infrastructure needed so that both the server and client sides of the hosted application can be written in the same language (Python) and so that they may create and manage actors that exchange messages with one another, both locally and remotely, in a transparent manner and without the need to implement data conversions or other low-level mechanisms.

This thesis deals with the implementation and application of exclusive access for the ARCOR2 system, which is used for collaborative programming of robots, using augmented reality. The goal of this thesis is an analysis of default state, proposal, and implementation of an exclusive access solution for this system. The implementation is extensive and allows for a number of work scenarios, which require the usage of exclusive access. Scenarios are revealed by the system analysis. Based on the analysis proposal of a solution is created. The problem is resolved by creating a global lock manager, which is applied. Patterns of how the manager should be used, are defined in the work. The benefits of this work are effective and easygoing collaborative programming.

The Swift programming language recently introduced the actor model alongside Swift concurrency as a first-class citizen. Previously, concurrent programming in Swift required importing modules, e.g., Grand Central Dispatch. Grand Central Dispatch is a concurrency framework, often used for implementing shared memory concurrency in Swift. In contrast to Grand Central Dispatch, the Swift actor provides implicit mutual exclusion via message passing concurrency and the notion of actor isolation. This thesis evaluates the performance of the Swift actor and Swift concurrency in comparison to thread-safe objects with Grand Central Dispatch. The study assembled a benchmark suite to measure the performance over central bottlenecks (Chameneos), large counts of independent objects (Dining Philosophers), long-living concurrent objects (Dining Philosophers) and massively parallel messaging (Big). The results indicate the lack of a catch-all solution to concurrent programming in Swift. In comparison to Grand Central Dispatch, a system of actors tends to require more memory to finish execution. By upper bounding concurrency in actors, memory use is effectively limited at the cost of possibly longer execution times. In particular, the results were gathered on a macOS computer. With unique implementations of threads in different operating systems, further studies are needed to evaluate Swift concurrency and the Swift actor on other systems and hardware. In addition, further studies may evaluate the risk of congestion at large numbers of concurrent actors. / Programmeringsspråket Swift introducerade nyligen actor-modellen med Swift concurrency som en förstklassig medborgare. Samtidig programmering i Swift krävde importmoduler innan dess, t.ex. Grand Central Dispatch. Grand Central Dispatch är ett ramverk för samtidighet och används ofta för att implementera samtidighet med delat minne i Swift. I kontrast till Grand Central Dispatch tillhandahåller Swift actors implicit ömsesidig uteslutning via message passing och actor-isolering. Detta examensarbete utvärderar prestandan av Swift actors och Swift concurrency i jämförelse med trådsäkra objekt via Grand Central Dispatch. Studien sammanställde en benchmark suite för att mäta prestandan över centrala flaskhalsar (Chameneos), stora antal oberoende objekt (Dining Philosophers), samtidiga objekt med långa liv (Dining Philosophers) och massivt parallella meddelanden (Big). Resultaten indikerar en avsaknad av en fullständig lösning för samtidig programmering i Swift. I jämförelse med Grand Central Dispatch tenderar ett system av Swift actors att använda mer minne för att slutföra exekvering. Med en övre gräns för samtidighet hos actors begränsas minnesanvändningen effektivt med eventuellt längre exekveringstider. Denna studie samlade resultat med en macOS-dator. Med unika implementeringar av trådar i olika operativsystem behövs ytterligare studier för att utvärdera Swift concurrency och Swift actors på andra system och hårdvaror. Dessutom kan ytterligare studier utvärdera risken av trängsel vid stora antal samtidiga actors.

Diversas pesquisas apoiam e investigam o teste de programas concorrentes, as quais objetivam, principalmente, a proposição de critérios de teste e mecanismos para execução das diferentes sincronizações entre processos ou threads. As características específicas dessas aplicações podem ocasionar diferentes tipos de defeitos, os quais, em sua maioria, não são facilmente identificados. Nesse contexto, a geração automática de dados de teste pode apoiar a atividade de teste atuando na seleção de entradas mais representativas, ou seja, aquelas com maior probabilidade de revelar defeitos. Apesar disso, poucas pesquisas abordam este tema no contexto de programas concorrentes, e as existentes não consideram aspectos importantes desse tipo de aplicação. A geração de dados de teste para programas sequenciais dispõe de uma variedade de técnicas que apoiam a seleção dos dados de teste. Essas técnicas têm sido estendidas para o contexto de programas concorrentes partindo da premissa que esses programas necessitam de abordagens mais complexas para seleção de entradas, em decorrência disso um maior custo é imposto ao teste. Considerando esse contexto, uma lacuna ainda em aberto é a avaliação das técnicas para o cenário de programas concorrentes. Neste trabalho a avaliação das técnicas foi explorada por meio da realização de estudos experimentais, os quais avaliaram diferentes técnicas de geração de dados de teste para o contexto de programas concorrentes, considerando a eficácia em revelar defeitos, cobertura de critérios e custo para atividade de teste. Os resultados obtidos demonstraram que as técnicas empregadas para programas sequenciais não atingem o mínimo esperado para este tipo aplicação. Apesar disso, as técnicas investigadas apresentaram características importantes que podem auxiliar a atividade de teste para programas concorrentes e a proposição de abordagens efetivas de geração de dados para esse contexto. / The concurrent program testing has been largely investigated with propositions of testing criteria and mechanisms, which aim mainly to testing criteria proposition and mechanisms for execution of different synchronizations. The specific characteristics of these applications can lead to the different types of faults, which, in most of cases, are not easily identified. In this context, the automatic test data generation can support the testing activity acting in selecting the most representative data tests, i.e. those most likely to reveal faults. Nevertheless, few studies address this issue in the context of concurrent programs, and the these studies do not consider important aspects of this type of application. In contrast, we can find several techniques proposed to support the test data generation for sequential programs. These techniques have been extended to the context of concurrent programs on the premise that these programs require more complex approaches for selection of test data. As a result, a greater cost for testing activity is enforced. Considering this context, a gap still open is the evaluation of techniques for the scenario of concurrent programs. In this work the evaluation of techniques was explored through experimental studies, which different techniques of test data generatoon were evaluated, considering effectiveness, testing coverage and application cost. The results showed that the generation techniques used for sequential programs used in the experimental study do not reach the minimum expected in terms of effectiveness and cost for concurrent programs. Nevertheless, the techniques investigated showed significant features that can help the proposition of effective approaches for test data generation applied to concurrent programs.

Diversas pesquisas apoiam e investigam o teste de programas concorrentes, as quais objetivam, principalmente, a proposição de critérios de teste e mecanismos para execução das diferentes sincronizações entre processos ou threads. As características específicas dessas aplicações podem ocasionar diferentes tipos de defeitos, os quais, em sua maioria, não são facilmente identificados. Nesse contexto, a geração automática de dados de teste pode apoiar a atividade de teste atuando na seleção de entradas mais representativas, ou seja, aquelas com maior probabilidade de revelar defeitos. Apesar disso, poucas pesquisas abordam este tema no contexto de programas concorrentes, e as existentes não consideram aspectos importantes desse tipo de aplicação. A geração de dados de teste para programas sequenciais dispõe de uma variedade de técnicas que apoiam a seleção dos dados de teste. Essas técnicas têm sido estendidas para o contexto de programas concorrentes partindo da premissa que esses programas necessitam de abordagens mais complexas para seleção de entradas, em decorrência disso um maior custo é imposto ao teste. Considerando esse contexto, uma lacuna ainda em aberto é a avaliação das técnicas para o cenário de programas concorrentes. Neste trabalho a avaliação das técnicas foi explorada por meio da realização de estudos experimentais, os quais avaliaram diferentes técnicas de geração de dados de teste para o contexto de programas concorrentes, considerando a eficácia em revelar defeitos, cobertura de critérios e custo para atividade de teste. Os resultados obtidos demonstraram que as técnicas empregadas para programas sequenciais não atingem o mínimo esperado para este tipo aplicação. Apesar disso, as técnicas investigadas apresentaram características importantes que podem auxiliar a atividade de teste para programas concorrentes e a proposição de abordagens efetivas de geração de dados para esse contexto. / The concurrent program testing has been largely investigated with propositions of testing criteria and mechanisms, which aim mainly to testing criteria proposition and mechanisms for execution of different synchronizations. The specific characteristics of these applications can lead to the different types of faults, which, in most of cases, are not easily identified. In this context, the automatic test data generation can support the testing activity acting in selecting the most representative data tests, i.e. those most likely to reveal faults. Nevertheless, few studies address this issue in the context of concurrent programs, and the these studies do not consider important aspects of this type of application. In contrast, we can find several techniques proposed to support the test data generation for sequential programs. These techniques have been extended to the context of concurrent programs on the premise that these programs require more complex approaches for selection of test data. As a result, a greater cost for testing activity is enforced. Considering this context, a gap still open is the evaluation of techniques for the scenario of concurrent programs. In this work the evaluation of techniques was explored through experimental studies, which different techniques of test data generatoon were evaluated, considering effectiveness, testing coverage and application cost. The results showed that the generation techniques used for sequential programs used in the experimental study do not reach the minimum expected in terms of effectiveness and cost for concurrent programs. Nevertheless, the techniques investigated showed significant features that can help the proposition of effective approaches for test data generation applied to concurrent programs.

Contracts for concurrency describe required atomicity of method sequences in concurrent programs. This work proposes a dynamic analyzer to verify programs written in Java against contracts for concurrency. The analyzer was designed to detect violations of parametric contracts with spoilers. The proposed analyzer was implemented as an extension to the RoadRunner framework. Support for accessing the method arguments and return values was added to RoadRunner as a part of the solution. The analyzer was fully implemented and verified on a set of testing programs.

[pt] Nesse trabalho comparamos o uso da programação reativa estruturada com o uso do ReactiveX no desenvolvimento de aplicações reativas soft real time. Apresentamos implementações de aplicações em Lua que demonstram o uso desses modelos em diferentes situações, destacando as vantagens de cada um. Consideramos também o seu uso combinado em uma mesma aplicação. Além disso, implementamos um módulo que permite utilizar a programação reativa estruturada em Lua e utilizamos o módulo RxLua que implementa o modelo ReactiveX. / [en] In this work we compare the use of structured reactive programming and ReactiveX in the development of reactive soft real time applications. We present application implementations using Lua that demonstrate the use of these models in multiple situations, pointing the advantages of using each one. Another consideration is combining both models in a single application. We also developed a module that allows the use of structured reactive programming in Lua and used the RxLua module which implements the ReactiveX model.

[pt] A maioria das linguagens de programação modernas fornece ferramentas para programação concorrente sem restringir seu uso. Assim, fica a cargo do programador evitar a ocorrência de condições de corrida. Nessa dissertação, revisitamos o modelo de monitores, projetados para prevenir condições de corrida ao limitar o acesso à variáveis compartilhadas, e mostramos que monitores podem ser implementados em linguagens de programação com semântica referencial, dadas as regras de tipagem apropriadas. Nós descrevemos a linguagem de programação Aria, projetada com monitores nativos seguindo a proposta original do modelo. Através da resolução de problemas clássicos de concorrência, nós avaliamos o uso de monitores em Aria para sincronização em diferentes níveis de granularidade, e extendemos a linguagem com novos recursos a fim de contemplar as limitações do modelo envolvendo desempenho e expressividade. / [en] Most current programming languages do not restrict the use of the concurrency primitives they provide, leaving it to the programmer to detect data races. In this dissertation, we revisit the monitor model, which guards against data races by guaranteeing that accesses to shared variables occur only inside monitors, and show that this concept can be implemented in a programming language with referential semantics, given appropriate typing rules. We describe the Aria programming language, designed with native monitors according to these rules. Through the discussion of classic concurrency problems, we evaluate the use of Aria monitors for synchronization at different levels of granularity and extend the language with new features to address the limitations of monitors regarding performance and expressiveness.