A Categorical Framework for the Specification and the Verification of Aspect
Oriented Systems

Un objectif principal du génie logiciel est de pouvoir produire des logiciels complexes, de grande taille et fiables en un temps raisonnable. La technologie orientée objet (OO) a fourni de bons concepts et des techniques de modélisation et de programmation qui ont permis de développer des applications complexes tant dans le monde académique que dans le monde industriel. Cette expérience a cependant permis de découvrir les faiblesses du paradigme objet (par exemples, la dispersion de code et le problème de traçabilité). La programmation orientée aspect (OA) apporte une solution simple aux limitations de la programmation OO, telle que le problème des préoccupations transversales. Ces préoccupations transversales se traduisent par la dispersion du même code dans plusieurs modules du système ou l’emmêlement de plusieurs morceaux de code dans un même module. Cette nouvelle méthode de programmer permet d’implémenter chaque problématique indépendamment des autres, puis de les assembler selon des règles bien définies. La programmation OA promet donc une meilleure productivité, une meilleure réutilisation du code et une meilleure adaptation du code aux changements. Très vite, cette nouvelle façon de faire s’est vue s’étendre sur tout le processus de développement de logiciel en ayant pour but de préserver la modularité et la traçabilité, qui sont deux propriétés importantes des logiciels de bonne qualité. Cependant, la technologie OA présente de nombreux défis. Le raisonnement, la spécification, et la vérification des programmes OA présentent des difficultés d’autant plus que ces programmes évoluent dans le temps. Par conséquent, le raisonnement modulaire de ces programmes est requis sinon ils nécessiteraient d’être réexaminés au complet chaque fois qu’un composant est changé ou ajouté. Il est cependant bien connu dans la littérature que le raisonnement modulaire sur les programmes OA est difficile vu que les aspects appliqués changent souvent le comportement de leurs composantes de base [47]. Ces mêmes difficultés sont présentes au niveau des phases de spécification et de vérification du processus de développement des logiciels. Au meilleur de nos connaissances, la spécification modulaire et la vérification modulaire sont faiblement couvertes et constituent un champ de recherche très intéressant. De même, les interactions entre aspects est un sérieux problème dans la communauté des aspects. Pour faire face à ces problèmes, nous avons choisi d’utiliser la théorie des catégories et les techniques des spécifications algébriques. Pour apporter une solution aux problèmes ci-dessus cités, nous avons utilisé les travaux de Wiels [110] et d’autres contributions telles que celles décrites dans le livre [25]. Nous supposons que le système en développement est déjà décomposé en aspects et classes. La première contribution de notre thèse est l’extension des techniques des spécifications algébriques à la notion d’aspect. Deuxièmement, nous avons défini une logique, LA , qui est utilisée dans le corps des spécifications pour décrire le comportement de ces composantes. La troisième contribution consiste en la définition de l’opérateur de tissage qui correspond à la relation d’interconnexion entre les modules d’aspect et les modules de classe. La quatrième contribution concerne le développement d’un mécanisme de prévention qui permet de prévenir les interactions indésirables dans les systèmes orientés aspect. One of the main goals of software engineering is to enable the construction of large, complex and reliable software in timely fashion. Object-oriented (OO) technology has provided modeling and programming principles and techniques that allow developing complex software systems both in academic and industrial areas. In return, experience gained in OO system development has allowed discovering some limitations of object technology (e.g., code scattering and poor traceability problems). Aspect Oriented (AO) Technology is a post-object-oriented technology emerged to overcome limitations of Object Oriented (OO) Technology, such as the crosscutting concern problem. Crosscutting concerns are scattered and tangled concerns. Major goals of Aspect Oriented Programming (AOP) include improving modularity, cohesion, and overall software quality. Aspect Oriented Programming results in the evolution of programming activities to fullblown software engineering processes, to preserve modularity and traceability, which are two important properties of high-quality software. Yet, there are also many challenges in AO Technology. Reasoning, specification, and verification of AO programs present unique challenges especially as such programs evolve over time. Consequently, modular reasoning of such programs is highly attractive as it enables tractable evolution, otherwise necessitating that the entire program be reexamined each time a component is changed or is added. It is well known in the literature, however, that modular reasoning about AO programs is difficult due to the fact that the aspects applied often alter the behavior of the base components [47]. The same modular reasoning difficulties are also present in the specification and verification phases of software development process. To the best of our knowledge, AO modular specification and verification is a weakly covered subject and constitutes an interesting open research field. Also, aspect interaction is a major concern in the aspect-oriented community. To deal with these problems, we choose to use category theory and algebraic specification techniques. To achieve the above thesis goals, we use the work of Wiels [110] and other contributions such as the one described in [25]. We assume at the beginning that the system under development is already decomposed into aspect and class components. The first contribution of our thesis is the extension of the algebraic specification technique to the notion of aspect. Secondly, we define a logic, LA that is used in specification bodies to describe the behavior of these components. The third contribution concerns the defini tion of the weaving operator corresponding to the weaving interconnection relationship between aspect modules and class modules. The fourth contribution consists of the design of a prevention policy that is used to prevent or avoid undesirable aspect interactions in aspect-oriented systems.

Keyphrases: Génie Logiciel, Développement Orienté Aspect, Spécification Formelle, Vérification Formelle, Mécanisme de Prévention, Raisonnement Modulaire, Modularité, Software Engineering, Modular reasoning, Aspect Oriented Development, Formal Specification, Formal Verification, Aspect Interaction, Prevention Policy, Interaction Aspect, Modularity