修士論文概要書

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修士論文概要書

CD 2008 年 2 月提出学籍番号 3604U062 ‐ 2 専攻名（専門

分野）

情報・ネットワーク

専攻指導

研究指導名

ソフトウェア開発工学

氏名斉藤勇樹

教員

深澤良彰印

研究

題目クラス間依存関係に基づく Java EE アプリケーションの品質特性分析に関する研究

1. はじめに

大規模なJava Enterprise Edition（Java EE）アプリケーション開発において，そのアプリケーションは長期に渡る運用を考え，高い保守性を備える必要がある．層状構造はソフトウェア開発で広く適用されるアーキテクチャパターンであり、アプリケーションをサブシステムに分割する際にそれらの責務に応じた層に分類することで，再利用性，交換可能性といった品質特性を満足する[1]．しかし，アーキテクチャパターンとして記述される層状構造はそれを実現するための詳細なコーディングまでは言及していない．その結果，アプリケーションが再利用性や交換可能性といった層状構造が本来提供する品質特性を保持しているかどうか，保守者が判断することが困難になる．本研究では，層状構造を意図して実装されたJava EEアプリケーションの構造が，層状構造の品質特性である再利用性および交換可能性を満足するのに適した構造になっているかどうかを分析する方法を提案する．

2. パッケージ構造と再利用性、交換可能性

再利用性および交換可能性は，Javaを始めとしたプログラミング言語が提供するパッケージと密接な関係がある．単一のクラスが再利用の単位になることは稀であり，パッケージが再利用の単位になる[2]．以下ではパッケージデザインの特性とシステムの再利用性および交換可能性の関係について述べる．

2.1 再利用性

パッケージ依存グラフ (PDG) は

PDG

= (

N, E

) で定義され，

N

はある抽象レベルにおけるシステム中のパッケージの集合，

E

はパッケージ間のコンパイル依存集合からなる有向辺を表す．再利用性はソフトウェアモジュールが2つ以上のコンピュータプログラムもしくはソフトウェアシステムで使用可能な程度を指し，PDGのトポロジーに大きく依存する．以下にトポロジーの異なるPDGを3つ示す．

図2.1: トポロジーの異なるPDG

図中の箱はパッケージを表し，数字は累積コンポーネント依存数(CCD)と呼ばれ，そのパッケージを再利用する際にコピーしなければならない自身を含めたパッケージの総数を表す．CCD の合計値はcが最小であり，3つのPDGではcが最も再利用に適したパッケージ構造である．再利用に適したパッケージ構造は，(1)循環依存関係がない(2)PDG のクリティカルパスが短いという特性をもつ．提案する分析法は，再利用性に適した構造かどうかを判断する基準として(1)を用いる．

^2.2 ^{交換可能性}

交換可能性は，他のサブシステムに影響を与えず，特定のサブシステムを意味的に等価なサブシステムに置き換えることができる程度を表す．すなわち交換可能性が高いソフトウェアシステムでは，特定のサブシステム S1を意味的に等価なモジュール S2 に交換した場合，他のモジュールが S2 を使用する際にかかるコストが低くなる．以下の図に交換可能性の高いシステムの部位を示す．

図2.2: 交換が容易な依存関係

パッケージ内に描かれている箱はクラスを表す．パッケージ間の依存関係が1つであるため，パッケージ2を意味的に等価なパッケージ3に交換した場，パッケージ1がパッケージ 3を利用する際に発生するコストはパッケージ１のファサードクラス（灰色）を利用することで低く抑えられると考える．

3. 分析法の概要

本研究で提案する分析法は，再利用性，交換可能性を定量的な尺度で測定するための測定法を必要とする．まず再利用性の分析については，再利用に適したパッケージ構造かどうかを判別する既存のクラス到達可能性集合サイズ(CRSS)メトリック[3]を用い，交換可能性については層間結合度(CBL) を用いる．

3.1 Class Reachability Set Size (CRSS)

CRSSはクラス依存グラフ(CDG)に対して適用するメトリックである．CDGは

CDG

= (

C, E

) で表され，

C

はシステム中のクラス集合，

E

はクラス間のコンパイル依存集合からなる有向辺を表す．CRSS値は特定のノードから到達できる自身を含めたノードの総数を示す．システム中の全てのクラスの CRSS 値の分布を示したものが CRSS ヒストグラムである．CRSSヒストグラムの形状から，パッケージ構造に循環依存関係の有無を判別することが可能である．CRSSヒストグラム中で CRSS 値が比較的大きいクラスが多数存在する場合，パッケージ間の循環依存は避けられないことを示す．

3.2 Coupling Between Layers (CBL)

CBLは層間の結合強度を測定するための測定法である．

CBLを

CBL = x / MN

で定義する．ここで

M

は層Aに属するクラスの総数を表し，

N

^は層 Aが依存する層Bの数を表す．

x

は層Aから層 Bへのクラス間依存の数である．CBL 値が大きいほど，層間の結合が強いことを示し，層Bを意味的に等価な層 Cに交換した場合，層 Aにかかる修正コストが大きくなると推定する．

a) b) c)

5 5 5 5 5

5 4 3

3

2 1

2 2

1 1

パッケージ

1

パッケージ2

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3.3 層状構造をもつシステムへのCRSSおよびCBLの適用層状構造をもつシステムに対しCRSSおよびCBLを適用するには，層および層に属するクラスを特定しなければならない．

層優先構築は層状構造を実装するためのガイドラインの1つであり，1 つの層をシステムの最上位パッケージに割り付けるため，層および層のクラスを一意に特定することができる．層優先構築に従ったJava EEアプリケーションにおいて，層内部のクラス間依存をもとにRSSヒストグラムを生成し，層間のクラス間依存をもとにCBL値を算出する．得られたCRSSヒストグラムを再利用性の分析に，CBL値を交換可能性の分析に用いる．

4. 評価・考察

層優先構築に従った2つのJavaEEアプリケーションに対してCRSSおよびCBLを適用した．紙面の都合上，xPetstore[4]

に対する評価結果のみ示す．xPetstore のバージョン 2.0 および3.0の最上位パッケージは，web，services，domainである．

それぞれの層に対応するCRSSヒストグラムを以下に示す．

0 10 20 30

Number of Classes

CRSS Value CRSS Histgram for Web Layer in xPetstore

xpetstore-2.0 27 0 0 0

1‐5 6‐10 11‐15 16‐20

図4.1: web層のCRSSヒストグラム

0 5 10 15 20

Number of Classes

CRSS Value CRSS Histgram for Services Layer in xPetstore

1‐5 6‐10 11‐15 16‐20

図4.2: services層のCRSSヒストグラム

0 10 20 30

Number of Classes

CRSS Value CRSS Histgram for Domain Layer in xPetstore

xpetstore-2.0 27 15 0 2

xpetstore-3.0 26 15 1 2

1‐5 6‐10 11‐15 16‐20

図4.3: domain層のCRSSヒストグラム

web，services，domain各層間のCBL値を以下の表に示す．

表4.1: xPetstore2.0の各層間のCBL値

Web Services Domain

Web - - -

Services 0.0595 - -

Domain 0.0185 0.0422 -

表4.2: xPetstore3.0の各層間のCBL値

Web Services Domain

Web - - -

Services 0.0463 - -

Domain 0.0159 0.0556 -

図4.1，4.2，4.3から，xPetstoreバージョン2.0の各層で循環依存のないパッケージ構造が構築できることを示す．パッケージに内包する要素数の上限をパッケージサイズと呼ぶ．xPetstoreではパッケージサイズが10であった．ここでは，全てのパッケージに10個のクラスが存在すると仮定し，

各パッケージ内のクラスは互いに依存しあっているものとする．web層では27個のクラスが存在し，これらは3個のパッケージに分配される．仮定によれば各パッケージ内のクラスは互いに依存しあっているためCRSSは少なくとも7または 10 であり，3 個のパッケージ間に循環依存を発生させることなく図4.1の分布を満たすことができる．これはweb 層で循環依存のないパッケージ構造を構築できることを意味する．services 層は 28個のクラスが存在し，これらは 3 個のパッケージに分配される．各パッケージ内のクラスの CRSS は少なくとも 8 または 10 を示す．28個のクラスが CRSS 6-10の範囲内に存在することができるため，services 層のパッケージ内で循環依存のないパッケージ構造を構築できることを意味する．domain 層は 44 個のクラスが存在し，これらは5個のパッケージに分配される．各パッケージ内のクラスのCRSSは少なくとも4または10を示す．40個のクラスが CRSS 6-10 の範囲内内に存在するため，CRSS

1-5，6-10 の分布は満たすことができる．ヒストグラムの右

側の2個のクラスは他の16-20個のクラスに推移的に依存しなければならない．そのためにはパッケージサイズ 10の 4 個のパッケージのうち，2個に依存すればよい．そしてCRSS 16-20のクラスは2個なので，domain層の5個のパッケージは循環依存のないパッケージ構造を構築することができる．以上からxPetstore2.0の各層のクラス間依存は循環依存のないパッケージを構築することが可能なことがわかった．

これは再利用を考慮する上で重要な判断基準の1つである．

交換可能性に関して本研究ではコストの増減を裏付けるデータがないためCBLの有用性の検証には不十分であるが，

今後のために CBL値を算出しておくことは重要である．表 4.1，4.2は列に示す層が行に示す層にＣＢＬ値で表される強度で依存することを示す．たとえば表 4.1 から web 層が services 層に強度 0.0595で依存していることがわかる．バージョン2.0から3.0に変更する際，CBL値の減少がみられたのはweb層-services層，web層-domain層であり，増加がみられたのはservices層-domain層である．services層を意味的に等価な層 services’と交換した場合，web 層が services’層を利用するコストはバージョン2.0よりバージョン3.0の方が小さいと推定する．

5. おわりに

各層のCRSSヒストグラムをおよび各層間のCBL値から層優先構築に従ったJava EEアプリケーションの再利用性，

交換可能性を分析する方法を提案し，評価結果から提案した分析法の有用性を示した．今後は，再利用性については再利用に適した構造かどうかを判断する基準(2)を考慮し，交換可能性については CBL と修正コストとの相関性を示すことで CBLの有用性の向上を図ることを課題としたい．

6. 参考文献

[1] Bass,L. et al.

Software Architecture in Practice 2

^nd

Edition

. Addison-Wesley, 2003

[2] Martin, R.C. ’Granularity’,

C++ Report

8(10), 57-62, 1996

[3] Melton, H. et al., “CRSS Metric for Package Design Quality”, in Proc. of 13^th ACSC2007

[4] xPetstore. http://xpetstore.sourceforge.net.

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