A Mono- and Multi-objective Approach for Recommending Software Refactoring

Les systèmes logiciels sont devenus de plus en plus répondus et importants dans notre société. Ainsi, il y a un besoin constant de logiciels de haute qualité. Pour améliorer la qualité de logiciels, l’une des techniques les plus utilisées est le refactoring qui sert à améliorer la structure d'un programme tout en préservant son comportement externe. Le refactoring promet, s'il est appliqué convenablement, à améliorer la compréhensibilité, la maintenabilité et l'extensibilité du logiciel tout en améliorant la productivité des programmeurs. En général, le refactoring pourra s’appliquer au niveau de spécification, conception ou code. Cette thèse porte sur l'automatisation de processus de recommandation de refactoring, au niveau code, s’appliquant en deux étapes principales: 1) la détection des fragments de code qui devraient être améliorés (e.g., les défauts de conception), et 2) l'identification des solutions de refactoring à appliquer.  Pour la première étape, nous traduisons des régularités qui peuvent être trouvés dans des exemples de défauts de conception. Nous utilisons un algorithme génétique pour générer automatiquement des règles de détection à partir des exemples de défauts. Pour la deuxième étape, nous introduisons une approche se basant sur une recherche heuristique. Le processus consiste à trouver la séquence optimale d'opérations de refactoring permettant d'améliorer la qualité du logiciel en minimisant le nombre de défauts tout en priorisant les instances les plus critiques. De plus, nous explorons d'autres objectifs à optimiser: le nombre de changements requis pour appliquer la solution de refactoring, la préservation de la sémantique, et la consistance avec l’historique de changements. Ainsi, réduire le nombre de changements permets de garder autant que possible avec la conception initiale. La préservation de la sémantique assure que le programme restructuré est sémantiquement cohérent. De plus, nous utilisons l'historique de changement pour suggérer de nouveaux refactorings dans des contextes similaires. En outre, nous introduisons une approche multi-objective pour améliorer les attributs de qualité du logiciel (la flexibilité, la maintenabilité, etc.), fixer les « mauvaises » pratiques de conception (défauts de conception), tout en introduisant les « bonnes » pratiques de conception (patrons de conception). Software systems have become prevalent and important in our society. There is a constant need for high-quality software. Hence, to improve software quality, one of the most-used techniques is the refactoring which improves design structure while preserving the external behavior. Refactoring has promised, if applied well, to improve software readability, maintainability and extendibility while increasing the speed at which programmers can write and maintain their code. In general, refactoring can be performed in various levels such as the requirement, design, or code level. In this thesis, we mainly focus on the source code level where automated refactoring recommendation can be performed through two main steps: 1) detection of code fragments that need to be improved/fixed (e.g., code-smells), and 2) identification of refactoring solutions to achieve this goal.  For the code-smells identification step, we translate regularities that can be found in such code-smell examples into detection rules. To this end, we use genetic programming to automatically generate detection rules from examples of code-smells. For the refactoring identification step, a search-based approach is used. The process aims at finding the optimal sequence of refactoring operations that improve software quality by minimizing the number of detected code-smells while prioritizing the most critical ones. In addition, we explore other objectives to optimize using a multi-objective approach: the code changes needed to apply refactorings, semantics preservation, and the consistency with development change history. Hence, reducing code changes allows us to keep as much as possible the initial design. On the other hand, semantics preservation insures that the refactored program is semantically coherent, and that it models correctly the domain-semantics. Indeed, we use knowledge from historical code change to suggest new refactorings in similar contexts. Furthermore, we introduce a novel multi-objective approach to improve software quality attributes (i.e., flexibility, maintainability, etc.), fix “bad” design practices (i.e., code-smells) while promoting “good” design practices (i.e., design patterns).

Keyphrases: Defauts de Conception, Restructuration de logiciel, Maintenance de logiciels, Refactoring, Search-based Software Engineering, Software Maintenance, Code-smells, Refactoring