Modeling and predicting evolution of object-oriented software quality internal attributes

Abstract

Evolução do software é um processo natural do ciclo de vida do software que consiste em adaptar, manter e atualizá-lo. Conhecer e compreender como os sistemas de software evoluem pode contribuir para sua gestão e controle de qualidade. Esta tese de doutorado investiga como os sistemas de software evoluem, especificamente em seus atributos internos de qualidade, como coesão e acoplamento. Embora muitos estudos tenham sido realizados sobre a evolução de software, não havia até agora uma visão geral e consolidada do estado da arte sobre modelos para evolução de software. Assim, nosso primeiro passo foi realizar um Mapeamento Sistemático da Literatura (MSL) para identificar o que tem sido produzido a respeito de modelos para evolução de software. Nosso MSL identificou 71 artigos publicados de 1979 a 2022. A análise desses estudos revelou que: (i) os modelos de evolução de software têm sido construídos com base em três categorias: caracterização, descrição e predição; (ii) os principais focos dos modelos têm sido predição de defeitos e mudanças, caracterização da evolução da estrutura interna do software e detalhamento de como propriedades intrínsecas dos sistemas de software evoluem; (iii) pesquisadores têm preferido construir datasets próprios para condução de estudos em evolução de software ao invés de utilizar datasets existentes; (iv) existem alguns importantes datasets disponibilizados publicamente na literatura, porém eles não contêm uma grande quantidade e variedade de sistemas e estão desatualizados; e (v) as principais técnicas usadas para criar modelos são Aprendizado de máquina, técnicas de Regressão, ARIMA e técnicas Baseada em Grafos. Esta tese de doutorado avança no estado da arte ao propor um modelo para análise e predição da evolução de atributos internos de qualidade de software. Consideramos quatro características internas de sistemas de software orientado por objetos: acoplamento, coesão, hierarquia de herança e tamanho de classe. Extraímos e analisamos dados de 46 softwares de código aberto baseados em Java. Esses dados referem-se a oito métricas de software correspondentes aos atributos internos de qualidade considerados neste estudo. Definimos um novo método para analisar e prever a evolução de software. Nosso método usa análise de séries temporais, técnicas de regressão linear e testes de tendência. Neste estudo, aplicamos o método proposto para investigar como a estrutura interna de sistemas de software orientados por objetos evolui em termos dos atributos internos analisadas e neste processo identificamos os modelos que melhor explicam a evolução dos atributos internos analisadas. Além disso, investigamos como se comportam as relações entre as métricas dos atributos internos ao longo da evolução dos softwares e analisamos o conjunto de classes existente nos sistemas que afetam a evolução desses atributos internos. Os principais resultados deste estudo revelaram dez propriedades de evolução de software, entre elas: acoplamento, coesão e herança evoluem linearmente; um percentual relevante de classes contribui para a evolução do acoplamento e do tamanho; uma pequena percentagem de classes contribui para a evolução da coesão. Os resultados também indicam que nosso método pode prever com precisão como um software evoluirá em previsões de curto e longo prazo. Em cenários reais de Engenharia de Software, os resultados desta tese de doutorado podem auxiliar os desenvolvedores no planejamento de suas estratégias para acomodar mudanças e novas funcionalidades no software de forma que a degradação da arquitetura de software possa ser mitigada ou evitada.