プログラム解析情報のXMLデータベース化ー提案と実

プログラム解析情報のXMLデータベース化
ー提案と実現ー
山中祐介，大畑文明，井上克郎
大阪大学大学院基礎工学研究科
Software Engineering Research Group, Graduate School of Engineering Science, Osaka University
発表内容
背景、目的
データベース化手法の提案
提案手法の実現
評価
関連研究
まとめと今後の課題
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Software Engineering Research Group, Graduate School of Engineering Science, Osaka University
背景（1/2）
ソフトウェアの大規模化、複雑化
プログラミング言語の高級化
プログラムのデバッグ、理解が困難なものになっている
様々なプログラミング言語に対応する、プログラム解析
手法の提案、およびツールの実装が多くされている
2
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背景（2/2）
プログラム解析ツールの問題点
解析情報がメモリ上にのみ記憶される
実行の度に対象プログラムを解析しなければならず
効率が悪い
データベースを構築し、効率化を計るツールも存在する
解析情報の記憶形態が独自形式
APIが特定のプログラミング言語を前提
プログラム解析情報の二次利用が容易でない
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目的
XMLを用いたプログラム解析情報のデータベース化
データベース化による利点
解析結果の再利用による解析効率の向上
情報の保存による解析情報の二次利用
XMLを用いる利点
データ構造の定義が容易に行える
XML文書を扱うための様々なアプリケーションにより二次
利用が容易に行える
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データベース化手法の提案（目次）
プログラム解析情報
意味解析木
XML
意味解析木のデータベース化
方針
XML要素定義
XML属性定義
例
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プログラム解析情報
例
抽象構文木（Abstract Syntax Tree）
意味解析木（Semantic Tree）
手続き呼び出しグラフ（Call Flow Graph）
制御フローグラフ（Control Flow Graph）
‥
意味解析木に注目
多くのプログラム解析手法においてその存在が前提となり、
データベース化による効果が大きい
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意味解析木
抽象構文木と意味情報とを組み合わせたもの
抽象構文木
プログラム言語固有の文法に従い記述されたソースコー
ドを、木構造で表現し構文情報を持たせたもの
構文情報（Syntax Information）
構文木が持つ予約語、識別子、演算子などの情報
意味情報（Semantic Information）
変数名、型名などの識別子に関する宣言と参照間の
関係を表す情報
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XML
SGMLのサブセットで文書構造化言語の一つ
特徴
データ構造とそれが持つ情報を、容易かつ的確に表現
できる
要素（Element）などによる構造化
要素名、属性（Attribute）などの定義の自由さ
要素間の親子関係、属性の情報を厳密に定義できる
文書型定義、XMLスキーマ
XML文書を扱うためのAPI、アプリケーションが数多くある
API：SAX, DOM
アプリケーション：XSLT, XLink
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意味解析木のXMLデータベース化
方針
Javaプログラムの意味解析木に対するXML表記を、定
義することでデータベース化を行う
意味解析木とXML文書は共に木構造
要素に意味解析木の節点を対応させ木構造を表現
意味解析木の各節点に構文情報、意味情報がある
対応する要素の属性が情報を保持
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XML要素定義
Javaプログラムと要素の対応表（一部）
Java構文要素
XML要素名
要素が持つ子のBNF記述
メソッド宣言
Method
type Variable* Exception? Block?
変数宣言
Variable
type Expression_?
ブロック
Block
(Variable | ClassType | InterfaceType |
Statement_)*
演算
Operation
type Expression_ Expression_?
型参照
type
子要素なし
変数参照
variable
子要素なし
リテラル
Literal
子要素なし
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XML属性定義
要素が持つ属性とその役割（一部）
属性名
役割
text
識別子、演算子などの構文情報
modifiers
修飾子情報（public, staticなど）
id
意味情報の宣言側が持つ情報
ref
意味情報の参照側が持つ情報
file
参照先が同一ファイル内でない場合、別ファイルにアクセスする
ための情報
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意味解析木のXML表記の例
<Method modifiers=“public
modifiers="public static“
text="main" id="189b">
<type<?xml
text="void"
ref="4"/>
version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE Java SYSTEM "java.dtd">
<Block>
<Java>
class Sample {
‥ <CompilationUnit>
<Package text=""/>
<Import text="java.lang.*"/>
public static void main(String[]
args)
{
<Variable
text="b" id="18ad">
<ClassType modifiers=""
modifiers="" text="Sam5" id="0x12">
<Extends>
<type
text="java.lang.Object"
text_="Object" ref="0x18" file="java/lang/Object.xml"/>
<type
text="int"
ref="7"/>
int a = 1;
</Extends>
<Variable modifiers="" text="this" id="0x13">
</Variable>
<type text="Sam5" ref="0x12"/>
int b;
</Variable>
<Variable modifiers="protected"
text="super" id="0x14">
<Operation
text="=">
<type text="java.lang.Object" text_="Object" ref="0x18" file="java/lang/Object.xml"/>
b = a + 1;
</Variable>
<type
text="int"
ref="7"/>
<Method
modifiers="public static"
text="main" id="0x189b">
<type text="void" ref="0x4"/>
System.out.println(a + “,” <variable
+ b);<Variable modifiers=""
text="args"ref="18ad"/>
id="0x18a4">
text="b"
<type text="java.lang.String[]" text_="String[]" ref="0x20"/>
</Variable>
}
<Operation
text="+">
<Block>
<Variable modifiers="" text="a" id="0x18a9">
text="int" ref="0x7"/> ref="7"/>
<type<type
text="int"
}
<Literal text="1"/>
</Variable>
<variable
text="a"
ref="18a9"/>
<Variable modifiers=""
text="b" id="0x18ad">
<type text="int" ref="0x7"/>
</Variable>
<Literal
text="1"/>
<Operation text="=">
<type text="int" ref="0x7"/>
</Operation>
<variable text="b" ref="0x18ad"/>
</Operation>
</Block>
</Operation>
</Method>
</ClassType>
‥ </CompilationUnit>
</Java>
</Block>
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Software Engineering Research Group, Graduate
School of Engineering Science, Osaka University
</Method>
Javaプログラム解析フレームワーク
ソースコード
意味解析木
アプリケーション
ユーザ
Java
解析ライブラリ
API
解析ライブラリ
ソースコードを解析し意味解析木をメモリ上に構築
API
意味解析木の参照、更新手段を提供
アプリケーション
GUI、エイリアス解析ツール*
*大畑文明, 近藤和弘, 井上克郎: “エイリアスフローグラフを用いたオブジェクト指向プログラムの
エイリアス解析手法“, 電子情報通信学会論文誌D-1, Vol.J84-D-1, No.5, pp.1--11 13
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XMLデータベースの実装
Javaプログラム解析フレームワークに、意味解析木XML変換ライブラリを用いて、XMLデータベースを実
装
XML文書
XML
意味解析木-XML
変換ライブラリ
ソースコード
意味解析木
<?xml…>
アプリケーション
ユーザ
Java
解析ライブラリ
API
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意味解析木-XML変換ライブラリ
解析によって得られる意味解析木とデータベースで
あるXML文書を相互変換
開発言語：C++（libxml使用）、約4000行
変換手順
意味解析木→XML
意味解析木をたどり各構文木要素に対するタグを出力
XML→意味解析木
XMLパーザによりXML文書を解析しDOMツリーを構築
構築したDOMツリーに対する構文木要素を作成
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評価（目次）
解析効率の改善
実際にソースコードを解析しデータベース化を行い比較
解析情報の二次利用の容易性
応用アプリケーションの実装による二次利用例
1. XML-Java変換
2. XML-HTML変換
3. XML-XML変換
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解析効率の改善
JDK1.3付属ライブラリの全ソースコードを対象
XMLデータベース構築時間：45.6秒
解析時間（意味解析木の構築まで）
ソースプログラム：37秒
XMLデータベース：24秒
データベース構築時間を考慮しても
データベース化による恩恵は大きい
全ファイルサイズ
ソースプログラム：25MB
XMLデータベース：62MB
データベース化によるサイズの
肥大化は少ない
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解析情報の二次利用の容易性
応用アプリケーションの実装
XMLデータベース
XML
<?xml…>
例1：XML-Java Java
変換プログラム
例2：XMLHTML変換プログラム
例3.XML-XML
変換プログラム
ユーザ
ソースコード
テキストエディタ
WEBブラウザ
HTML文書
HTML
<html>
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応用例1：XML-Java変換
Javaプログラムのソースコードへの復元
意味解析木が持つ構文情報を利用
コンパイル、閲覧が十分可能なソースコードへの復元
実装
C++（libxml使用）、約1500行
XSLT（Xalan使用）、約2000行
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応用例1：XML-Java変換（例）
XMLデータベース
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE Java SYSTEM "java.dtd">
復元したJavaソースコード
import java.lang.*;
<Java>
<CompilationUnit>
<Package text=""/>
<Import text="java.lang.*"/>
<ClassType modifiers="" text="Sam5" id="0x12">
<Extends>
<type text="java.lang.Object" text_="Object" ref="0x18" file="java/lang/Object.xml"/>
</Extends>
<Variable modifiers="" text="this" id="0x13">
<type text="Sam5" ref="0x12"/>
</Variable>
<Variable modifiers="protected" text="super" id="0x14">
<type text="java.lang.Object" text_="Object" ref="0x18" file="java/lang/Object.xml"/>
</Variable>
<Method modifiers="public static" text="main" id="0x189b">
<type text="void" ref="0x4"/>
<Variable modifiers="" text="args" id="0x18a4">
<type text="java.lang.String[]" text_="String[]" ref="0x20"/>
</Variable>
<Block>
<Variable modifiers="" text="a" id="0x18a9">
<type text="int" ref="0x7"/>
<Literal text="1"/>
</Variable>
<Variable modifiers="" text="b" id="0x18ad">
<type text="int" ref="0x7"/>
</Variable>
<Operation text="=">
<type text="int" ref="0x7"/>
<variable text="b" ref="0x18ad"/>
</Operation>
</Block>
</Method>
</ClassType>
</CompilationUnit>
</Java>
class Sam5 extends Object {
元のJavaソースコード
class Sam5 {
public static void main(String[] args) {
public static void main(String[]
int a =args)
1;
{
int b;
int a = 1;
b = a + 1;
int b;
System.out.println(a + "," + b);
b = a + 1;
System.out.println(a +} “,” + b);
}
}
}
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応用例2：XML-HTML変換
XML-Java変換プログラムの拡張
Webブラウザで閲覧できるようにソースコードに変換する
際、HTMLタグを埋め込む
意味情報を利用することで、識別子の宣言、及び参照
の関係をリンクを用いて表現
実装
XSLT（Xalan使用）、約2000行
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応用例2：XML-HTML変換（例）
Sam5.html
class Sam5 {
public static void main(String[] args)
{
int a = 1;
int b;
b = a + 1;
System.out.println(a + “,” + b);
}
}
java/lang/System.html
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応用例3：XML-XML変換
XMLデータベースが持つ識別子情報の置換
置換条件に識別子名の他に識別子のidを加えることで、
異なるスコープ上に存在する同一名の識別子を区別
識別子の区別が厳密なため、変換を行ってもプログラム
の整合性を保てる
実装
XSLT（Xalan使用）、約600行
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応用例3：XML-XML変換（例）
変換前のXML文書
java.lang.String
<Variable modifiers="private" text="value" id="34">
<type
text="char[]"
ref="9"/>java.io.Serializable, Comparable {
class
String
implements
</Variable>
変数valueをafter_valueに変換
private char value[];
‥
‥
<Constructor modifiers="public" text="String" id="34e">
public
String(String
{ id="4d17">
<Variable
modifiers="" value)
text="value"
} <type text="java.lang.String" text_="String" ref="22"/>
</Variable> 変換後のXML文書
<Variable modifiers="private" text="after_value" id="34">
<type text="char[]" ref=“9"/>
</Variable>
idが違うため変換されない
‥
<Constructor modifiers="public" text="String" id="34e">
<Variable modifiers="" text="value" id="4d17">
<type text="java.lang.String" text_="String" ref="22"/>
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</Variable>
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関連研究（1/2）
JavaML*
Javaソースコードの代替的な表記を可能にするXMLアプリケー
ション
目的：プログラム変換、プログラム理解
実装
ソースコードに対してXMLタグを埋め込むライブラリをJavaコンパイラに追
加
本研究との相違点
意味情報は十分に含まれず、データベースとしては成り立たない
複数ファイル間におよぶ宣言、参照関係はサポートされていない
*G.J.Badoros: “JavaML:a markup language for JAVA source code”
Computer Networks 33, pp.159-177, 2000.
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関連研究（2/2）
Sapid*
C言語のソースプログラムを管理するためのCASEツールプラット
フォーム
目的：通常のリポジトリが扱えない細かい粒度の構成要
素の管理
構成
ソフトウェアデータベース
アクセスルーチン
ソフトウェア操作言語
本研究との相違点
データベースへの参照、編集はSapid独自のAPI
*福安直樹, 山本晋一郎, 阿草清滋: “細粒度ソフトウェア・リポジトリに基づいたCASEツール・
プラットフォームSapid“情報処理学会論文誌, Vol.39, No.6, pp.1990--1998 (1998/6)
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まとめ
プログラム解析情報のXMLデータベース化
意味解析木をXMLを用いて表現
XMLの要素、属性を定義
XMLデータベースの実装
変換ライブラリを用いたJavaプログラム解析フレームワークへの
組み込み
評価
意味解析木の構築時間を比較し、解析効率の改善を確認
応用アプリケーションを実装し、二次利用の容易性を確認
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今後の課題
意味解析木以外の解析情報のデータベース化
手続き呼び出しグラフ
制御フローグラフ
‥
XML表記の粒度のカスタマイズ
情報量が多いデータベースを構築すると管理コストが増
大
ユーザ目的に応じて最適化されたデータベースを再構築
する機能
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