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Titel:Advancing Operating Systems via Aspect-Oriented Programming
Autor:Engel, Michael
Weitere Beteiligte: Freisleben, Bernd (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2005
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2006/0138
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2006-01383
DOI: https://doi.org/10.17192/z2006.0138
DDC: Informatik
Titel(trans.):Entwicklung von Betriebssystemen mit Aspektorientierter Programmierung
Publikationsdatum:2006-08-16
Lizenz:https://rightsstatements.org/vocab/InC-NC/1.0/

Dokument

Schlagwörter:
Softwaretechnologie, Compiler, Aspect-oriented programming, Compilers, Aspektorientierung, Betriebssystem, Operating systems

Summary:
Operating system kernels are among the most complex pieces of software in existence to- day. Maintaining the kernel code and developing new functionality is increasingly compli- cated, since the amount of required features has risen significantly, leading to side ef fects that can be introduced inadvertedly by changing a piece of code that belongs to a completely dif ferent context. Software developers try to modularize their code base into separate functional units. Some of the functionality or “concerns” required in a kernel, however, does not fit into the given modularization structure; this code may then be spread over the code base and its implementation tangled with code implementing dif ferent concerns. These so-called “crosscutting concerns” are especially dif ficult to handle since a change in a crosscutting concern implies that all relevant locations spread throughout the code base have to be modified. Aspect-Oriented Software Development (AOSD) is an approach to handle crosscutting concerns by factoring them out into separate modules. The “advice” code contained in these modules is woven into the original code base according to a pointcut description, a set of interaction points (joinpoints) with the code base. To be used in operating systems, AOSD requires tool support for the prevalent procedu- ral programming style as well as support for weaving aspects. Many interactions in kernel code are dynamic, so in order to implement non-static behavior and improve performance, a dynamic weaver that deploys and undeploys aspects at system runtime is required. This thesis presents an extension of the “C” programming language to support AOSD. Based on this, two dynamic weaving toolkits – TOSKANA and TOSKANA-VM – are presented to permit dynamic aspect weaving in the monolithic NetBSD kernel as well as in a virtual- machine and microkernel-based Linux kernel running on top of L4. Based on TOSKANA, applications for this dynamic aspect technology are discussed and evaluated. The thesis closes with a view on an aspect-oriented kernel structure that maintains coherency and handles crosscutting concerns using dynamic aspects while enhancing de- velopment methods through the use of domain-specific programming languages.

Zusammenfassung:
Betriebssystem-Kernel zählen zu den komplexesten Software-Systemen, die heutzutage verwendet werden. Die Wartung des Kernel-Codes und die Entwicklung neuartiger Funk- tionalität wird zunehmend komplizierter, da die Menge an benötigten Eigenschaften eines Kernels stetig steigt. Dies kann zu unabsichtlich in den Code eingebrachten Nebeneffekten führen, wenn ein Teil des Systems geändert wird, der zu einem anderen Kontext gehört. Software-Entwickler modularisieren ihre Code-Basis in einzelne funktionale Einheiten. Einige Funktionalität – auch “concern” genannt – die im Kernel benötigt wird, gliedert sich nicht sauber in die vorgegebene Modularisierungsstruktur ein; die zugehörigen Codestücke sind dann oft über das gesamte System verteilt und ihre Implementierung ist mit der Imple- mentierung anderer Funktionalit ̈at vermischt. Diese sogenannten “crosscutting concerns” (querschneidende Belange) sind besonders schwierig in der Handhabung, da Änderungen an einem solchen crosscutting concern erfordern, dass alle die über die gesamte Codebasis verteilten relevanten Stellen gefunden und modifiziert werden. Aspekt-orientierte Software-Entwicklung (Aspect Oriented Software Development, AOSD) ist ein Ansatz zur einfacheren Handhabung von crosscutting concerns, der den zugehörigen Code in separate Module herausfaktorisiert. Der in diesen Modulen enthaltene sogenannte ”Advice-Code” wird dann mit der ursprünglichen Code-Basis nach Vorgabe einer sogenan- nten Pointcut-Beschreibung verwoben, die aus einer Menge an Interaktionspunkten mit dem ursprünglichen Code, den sog. “Join Points” besteht. Um AOSD im Rahmen von Betriebssystemen zu verwenden, müssen aspektorientierte Werkzeuge zur Unterstützung für den dort vorherrschenden prozeduralen Programmierstil sowie eine unterstützende Infrastruktur für das Weben von Aspekten zur Verfügung ste- hen. Viele Interaktionen mit dem Kernel sind dynamisch, daher ist ein dynamischer Weber erforderlich, der Aspekte zur Laufzeit in das System einfügen und wieder aus diesem ent- fernen kann. Diese Arbeit stellt eine Erweiterung der Programmiersprache “C” vor, die aspektori- entierte Programmierung unterstützt. Darauf aufbauend werden zwei Werkzeugsätze für dynamisches Weben – TOSKANA und TOSKANA-VM – vorgestellt, die dynamische Aspekte im monolithischen NetBSD-Kernel bzw. in einem Linux-Kernel realisieren, die auf einer In- frastruktur aufbauen, die aus einem L4-Microkernel und einer unterstützenden virtuellen Maschine besteht. Auf der Basis von TOSKANA werden Anwendungen für diese dynami- sche Aspekttechnologie vorgestellt und bewertet. Ein Ausblick auf eine aspekt-orientierte Kernelstruktur, die mit Hilfe von dynamischen Aspekten Kohärenz sicherstellt und crosscutting concerns handhabt und zugleich die Sys- tementwicklung durch den Einsatz domänenspezifischer Programmiersprachen erleichtert, schließt die Arbeit ab.


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