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Experimentieren in der vorliegenden Arbeit bedeutet, Experimente auf der Basis von computerbasierten Modellen durchzuführen, wobei diese Modelle Struktur, Verhalten und Umgebung eines Systems abstrahiert beschreiben. Aus verschiedenen Gründen untersucht man stellvertretend für das System ein Modell dieses Systems. Systematisches Experimentieren bei Variation der Modelleingabeparameterbelegung führt in der Regel zu sehr vielen, potentiell lang andauernden Experimenten, die geplant, dokumentiert, automatisiert ausgeführt, überwacht und ausgewertet werden müssen. Häufig besteht dabei das Problem, dass dem Experimentator (der üblicherweise kein Informatiker ist) adäquate Ausdrucksmittel fehlen, um seine Experimentier-Prozesse formal zu beschreiben, so dass sie von einem Computersystem automatisiert ausgeführt werden können. Dabei müssen Verständlichkeit, Nachnutzbarkeit und Reproduzierbarkeit gewahrt werden. Der neue Ansatz besteht darin, generelle Experimentier-Workflow-Konzepte als Spezialisierung von Scientific-Workflows zu identifizieren und diese als eine metamodellbasierte Domain-Specific-Language (DSL) zu formalisieren, die hier als Experimentation-Language (ExpL) bezeichnet wird. ExpL beinhaltet allgemeine Workflow-Konzepte und erlaubt das Modellieren von Experimentier-Workflows auf einer frameworkunabhängigen, konzeptuellen Ebene. Dadurch werden die Nachnutzbarkeit und das Publizieren von Experimentier-Workflows nicht mehr durch die Gebundenheit an ein spezielles Framework behindert. ExpL wird immer in einer konkreten Experimentierdomäne benutzt, die spezifische Anforderungen an Konfigurations- und Auswertemethoden aufweist. Um mit dieser Domänenspezifik umzugehen, wird in dieser Arbeit gezeigt, diese beiden Aspekte separat in zwei weiteren, abhängigen Domain-Specific-Languages (DSLs) zu behandeln: für Konfiguration und Auswertung., Experimentation in my work means performing experiments based on computer-based models, which describe system structure and behaviour abstractly. Instead of the system itself models of the system will be explored due to several reasons. Systematic experimentation using model input parameter variation assignments leads to lots of possibly long-running experiments that must be planned, documented, automated executed, monitored and evaluated. The problem is, that experimenters (who are usually not computer scientists) miss the proper means of expressions (e. g., to express variations of parameter assignments) to describe experimentation processes formally in a way, that allows their automatic execution by a computer system while preserving reproducibility, re-usability and comprehension. My approach is to identify general experimentation workflow concepts as a specialization of a scientific workflow and formalize them as a meta-model-based domain-specific language (DSL) that I call experimentation language (ExpL). experimentation language (ExpL) includes general workflow concepts like control flow and the composition of activities, and some new declarative language elements. It allows modeling of experimentation workflows on a framework-independent, conceptional level. Hence, re-using and sharing the experimentation workflow with other scientists is not limited to a particular framework anymore. ExpL is always being used in a specific experimentation domain that has certain specifics in configuration and evaluation methods. Addressing this, I propose to separate the concerns and use two other, dependent domain-specific languages (DSLs) additionally for configuration and evaluation.

Die im Bauwesen Einzug gehaltene, modellbasierte Arbeitsweise in der Planung baulicher Anlagen ermöglicht den Zugriff auf immer mehr Daten in digitaler Form. Diese Daten liegen dabei nicht nur in einem einzigen Modell vor, sondern sind, je nach Fachsparte und Entstehungsgeschichte, in unterschiedlichen Modellen hinterlegt. Durch Anwendung hoch spezialisierter Softwarewerkzeuge können jeweils die Daten innerhalb einer Fachdomäne effizient erzeugt und manipuliert werden. Die Bearbeitung von Aufgaben, die Informationen aus unterschiedlichen Fachdomänen nutzen, steht vor der Herausforderung, die vorhandenen Informationen aus den unterschiedlichen Modellen zu integrieren und zu nutzbaren Einheiten zusammenzufassen. Diese Einheiten werden dann durch den Bearbeiter mittels Informationsanreicherung, zielgerichteter Kombination und Anwendung von Algorithmen zu einem neuen Modell verknüpft. Der iterative Charakter der Planung im Bauwesen führt zu häufigen Änderungen in den Ausgangsmodellen solch nachgelagerter Bearbeitungsschritte. Für eine konsistente Planung ist daher die Wiederholbarkeit der Ableitung von Informationen aus den Ausgangsmodellen in jedem Iterationsschritt vorteilhaft. Damit die Informationsanreicherung, Kombination und Anwendung von Algorithmen nicht in jedem Iterationsschritt vollständig neu durchgeführt werden müssen, ist ein Verfahren notwendig, das mit wenigen gezielten Änderungen an die neue Datenlage angepasst werden kann. Die vorliegende Arbeit schlägt die Verarbeitung der für eine Aufgabe relevanten Daten auf Basis einer einheitlichen Meta-Modellsprache vor. Durch Anwendung einer standardisierten Transformationssprache können die Beziehungen der Elemente aus unterschiedlichen Fachmodellen nachvollziehbar und wiederholbar ausgedrückt werden. Es wird gezeigt, wie die Elemente aus unabhängigen Datenmodellen in ein Netzwerk sich gegenseitig referenzierender Modelle überführt werden können. Die Bearbeitung durch den Fachplaner geschieht anschließend auf der Grundlage dieses Modell-Netzwerkes. Durch die Einführung einer textuellen domänenspezifischen Sprache (Domain-Specific Language DSL) mit zugeordneten Algorithmen kann die Funktionalität, die ein Fachplaner benötigt, um seine Aufgabe zu erfüllen, bereitgestellt werden. Eine nach solch einem Verfahren durchgeführte Bearbeitung ist wiederholt ausführbar. Auf Änderungen in den Ausgangsmodellen kann durch gezielte Manipulation der niedergeschriebenen Arbeitsschritte in der DSL eingegangen werden. In der vorliegenden Arbeit wird dieses Vorgehen am Beispiel der Prozessspezifikation für die Ausführungsplanung im Bauwesen aufgezeigt. Zur Metamodellierung wird die von der Object Management Group (OMG) standardisierte Essential Meta Object Facility (EMOF) Sprache mit der zugehörigen Query/View/Transform (QVT) Transformationssprache eingesetzt. Die eigens entwickelte domänenspezifische Sprache zur Bauprozessspezifikation wird mittels des Xtext-Frameworks in einer Pilotimplementierung auf Basis der Eclipse-Plattform realisiert. An einem Planungsbeispiel wird die Anwendung, der so geschaffenen Softwarelösung, demonstriert., The adoption of a model-based approach in the design of buildings provides access to digital data to a greater extent. These data are not only stored in a single model, but are, according to their domain and origination, persisted in different models. For each domain specialized software tools exist, whose applications efficiently generate and manipulate such data respectively. The processing of tasks depending on information from different technical domains faces the challenge to integrate the available information from the different models into usable units. These units are then linked by the planning personal along with information enrichment and application of algorithms to a new model. The iterative nature of the design of buildings leads to frequent changes in the input models of such downstream processing steps. To achieve a consistent design therefore the repeatability of the derivation of information from the input models in each iteration step is advantageous. In order that information enrichment and specification of how algorithms need to be applied do not have to be completely re- done with each iteration, a procedure is required, which can be easily adjusted with a few purposeful changes. The presented work proposes the processing of relevant data for a specific task based on a common meta-model language. By applying a standardized transformation language, relationships between the elements of models from different disciplines can be established in a traceable and repeatable way. It will be shown how the elements of independent data models can be transformed into elements of a network of models, where elements are mutually referencing each other. Subsequent specification by the planners is then carried out on the basis of this model network. The functionality required by professional planners is provided by introducing a textual domain-specific language (DSL) with associated algorithms. Hence, the planners are enabled to express their intentions in this language. A specification conducted in such a way can be repeatedly executed. Changes in the input models can be addressed through well-directed manipulation of specific written steps in the DSL. As an example this approach is demonstrated for the process specification of the execution of structural work. The Essential Meta Object Facility (EMOF) as a meta-modeling language as well as its associated transformation language, the Query/View/Transform (QVT), both standardized by the Object Management Group (OMG),are used. The domain-specific language, developed especially for the specification of construction-processes, is realized by means of the Xtext framework in a pilot implementation based on the Eclipse platform. The application of the resulting software solution is then demonstrated by creating the construction process model of a designed building.

Die meisten Programmiersprachen werden als Universalsprachen entworfen. Unabhängig von der zu entwickelnden Anwendung, stellen sie die gleichen Sprachfeatures und Sprachkonstrukte zur Verfügung. Solch universelle Sprachfeatures ignorieren jedoch die spezifischen Anforderungen, die viele Softwareprojekte mit sich bringen. Als Gegenkraft zu Universalsprachen fördern domänenspezifische Programmiersprachen, modellgetriebene Softwareentwicklung und sprachorientierte Programmierung die Verwendung von Domänenabstraktion, welche den Einsatz von domänenspezifischen Sprachfeatures und Sprachkonstrukten ermöglicht. Insbesondere erlaubt Domänenabstraktion Programmieren auf dem selben Abstraktionsniveau zu programmieren wie zu denken und vermeidet dadurch die Notwendigkeit Domänenkonzepte mit universalsprachlichen Features zu kodieren. Leider ermöglichen aktuelle Ansätze zur Domänenabstraktion nicht die Entfaltung ihres ganzen Potentials. Einerseits mangelt es den Ansätzen für interne domänenspezifische Sprachen an Flexibilität bezüglich der Syntax, statischer Analysen, und Werkzeugunterstützung, was das tatsächlich erreichte Abstraktionsniveau beschränkt. Andererseits mangelt es den Ansätzen für externe domänenspezifische Sprachen an wichtigen Prinzipien, wie beispielsweise modularem Schließen oder Komposition von Domänenabstraktionen, was die Anwendbarkeit dieser Ansätze in der Entwicklung größerer Softwaresysteme einschränkt. Wir verfolgen in der vorliegenden Doktorarbeit einen neuartigen Ansatz, welcher die Vorteile von internen und externen domänenspezifischen Sprachen vereint um flexible und prinzipientreue Domänenabstraktion zu unterstützen. Wir schlagen bibliotheksbasierte erweiterbare Programmiersprachen als Grundlage für Domänenabstraktion vor. In einer erweiterbaren Sprache kann Domänenabstraktion durch die Erweiterung der Sprache mit domänenspezifischer Syntax, statischer Analyse, und Werkzeugunterstützung erreicht werden . Dies ermöglicht Domänenabstraktionen die selbe Flexibilität wie externe domänenspezifische Sprachen. Um die Einhaltung üblicher Prinzipien zu gewährleisten, organisieren wir Spracherweiterungen als Bibliotheken und verwenden einfache Import-Anweisungen zur Aktivierung von Erweiterungen. Dies erlaubt modulares Schließen (durch die Inspektion der Import-Anweisungen), unterstützt die Komposition von Domänenabstraktionen (durch das Importieren mehrerer Erweiterungen), und ermöglicht die uniforme Selbstanwendbarkeit von Spracherweiterungen in der Entwicklung zukünftiger Erweiterungen (durch das Importieren von Erweiterungen in einer Erweiterungsdefinition). Die Organisation von Erweiterungen in Form von Bibliotheken ermöglicht Domänenabstraktionen die selbe Prinzipientreue wie interne domänenspezifische Sprachen. Wir haben die bibliotheksbasierte erweiterbare Programmiersprache SugarJ entworfen und implementiert. SugarJ Bibliotheken können Erweiterungen der Syntax, der statischen Analyse, und der Werkzeugunterstützung von SugarJ deklarieren. Eine syntaktische Erweiterung besteht dabei aus einer erweiterten Syntax und einer Transformation der erweiterten Syntax in die Basissyntax von SugarJ. Eine Erweiterung der Analyse testet Teile des abstrakten Syntaxbaums der aktuellen Datei und produziert eine Liste von Fehlern. Eine Erweiterung der Werkzeugunterstützung deklariert Dienste wie Syntaxfärbung oder Codevervollständigung für bestimmte Sprachkonstrukte. SugarJ Erweiterungen sind vollkommen selbstanwendbar: Eine erweiterte Syntax kann in eine Erweiterungsdefinition transformiert werden, eine erweiterte Analyse kann Erweiterungsdefinitionen testen, und eine erweiterte Werkzeugunterstützung kann Entwicklern beim Definieren von Erweiterungen assistieren. Um eine Quelldatei mit Erweiterungen zu verarbeiten, inspizieren der SugarJ Compiler und die SugarJ IDE die importierten Bibliotheken um die aktiven Erweiterungen zu bestimmen. Der Compiler und die IDE adaptieren den Parser, den Codegenerator, die Analyseroutine und die Werkzeugunterstützung der Quelldatei entsprechend der aktiven Erweiterungen. Wir beschreiben in der vorliegenden Doktorarbeit nicht nur das Design und die Implementierung von SugarJ, sondern berichten darüber hinaus über Erweiterungen unseres ursprünglich Designs. Insbesondere haben wir eine Generalisierung des SugarJ Compilers entworfen und implementiert, die neben Java alternative Basissprachen unterstützt. Wir haben diese Generalisierung verwendet um die bibliotheksbasierten erweiterbaren Programmiersprachen SugarHaskell, SugarProlog, und SugarFomega zu entwickeln. Weiterhin haben wir SugarJ ergänzt um polymorphe Domänenabstraktion und Kommunikationsintegrität zu unterstützen. Polymorphe Domänenabstraktion ermöglicht Programmierern mehrere Transformationen für die selbe domänenspezifische Syntax bereitzustellen. Dies erhöht die Flexibilität von SugarJ und unterstützt bekannte Szenarien aus der modellgetriebenen Entwicklung. Kommunikationsintegrität spezifiziert, dass die Komponenten eines Softwaresystems nur über explizite Kanäle kommunizieren dürfen. Im Kontext von Codegenerierung stellt dies eine interessante Eigenschaft dar, welche die Generierung von impliziten Modulabhängigkeiten untersagt. Wir haben Kommunikationsintegrität als weiteres Prinzip zu SugarJ hinzugefügt. Basierend auf SugarJ und zahlreicher Fallstudien argumentieren wir, dass flexible und prinzipientreue Domänenabstraktion ein skalierbares Programmiermodell für die Entwicklung komplexer Softwaresysteme darstellt.

Die meisten Programmiersprachen werden als Universalsprachen entworfen. Unabhängig von der zu entwickelnden Anwendung, stellen sie die gleichen Sprachfeatures und Sprachkonstrukte zur Verfügung. Solch universelle Sprachfeatures ignorieren jedoch die spezifischen Anforderungen, die viele Softwareprojekte mit sich bringen. Als Gegenkraft zu Universalsprachen fördern domänenspezifische Programmiersprachen, modellgetriebene Softwareentwicklung und sprachorientierte Programmierung die Verwendung von Domänenabstraktion, welche den Einsatz von domänenspezifischen Sprachfeatures und Sprachkonstrukten ermöglicht. Insbesondere erlaubt Domänenabstraktion Programmieren auf dem selben Abstraktionsniveau zu programmieren wie zu denken und vermeidet dadurch die Notwendigkeit Domänenkonzepte mit universalsprachlichen Features zu kodieren. Leider ermöglichen aktuelle Ansätze zur Domänenabstraktion nicht die Entfaltung ihres ganzen Potentials. Einerseits mangelt es den Ansätzen für interne domänenspezifische Sprachen an Flexibilität bezüglich der Syntax, statischer Analysen, und Werkzeugunterstützung, was das tatsächlich erreichte Abstraktionsniveau beschränkt. Andererseits mangelt es den Ansätzen für externe domänenspezifische Sprachen an wichtigen Prinzipien, wie beispielsweise modularem Schließen oder Komposition von Domänenabstraktionen, was die Anwendbarkeit dieser Ansätze in der Entwicklung größerer Softwaresysteme einschränkt. Wir verfolgen in der vorliegenden Doktorarbeit einen neuartigen Ansatz, welcher die Vorteile von internen und externen domänenspezifischen Sprachen vereint um flexible und prinzipientreue Domänenabstraktion zu unterstützen. Wir schlagen bibliotheksbasierte erweiterbare Programmiersprachen als Grundlage für Domänenabstraktion vor. In einer erweiterbaren Sprache kann Domänenabstraktion durch die Erweiterung der Sprache mit domänenspezifischer Syntax, statischer Analyse, und Werkzeugunterstützung erreicht werden . Dies ermöglicht Domänenabstraktionen die selbe Flexibilität wie externe domänenspezifische Sprachen. Um die Einhaltung üblicher Prinzipien zu gewährleisten, organisieren wir Spracherweiterungen als Bibliotheken und verwenden einfache Import-Anweisungen zur Aktivierung von Erweiterungen. Dies erlaubt modulares Schließen (durch die Inspektion der Import-Anweisungen), unterstützt die Komposition von Domänenabstraktionen (durch das Importieren mehrerer Erweiterungen), und ermöglicht die uniforme Selbstanwendbarkeit von Spracherweiterungen in der Entwicklung zukünftiger Erweiterungen (durch das Importieren von Erweiterungen in einer Erweiterungsdefinition). Die Organisation von Erweiterungen in Form von Bibliotheken ermöglicht Domänenabstraktionen die selbe Prinzipientreue wie interne domänenspezifische Sprachen. Wir haben die bibliotheksbasierte erweiterbare Programmiersprache SugarJ entworfen und implementiert. SugarJ Bibliotheken können Erweiterungen der Syntax, der statischen Analyse, und der Werkzeugunterstützung von SugarJ deklarieren. Eine syntaktische Erweiterung besteht dabei aus einer erweiterten Syntax und einer Transformation der erweiterten Syntax in die Basissyntax von SugarJ. Eine Erweiterung der Analyse testet Teile des abstrakten Syntaxbaums der aktuellen Datei und produziert eine Liste von Fehlern. Eine Erweiterung der Werkzeugunterstützung deklariert Dienste wie Syntaxfärbung oder Codevervollständigung für bestimmte Sprachkonstrukte. SugarJ Erweiterungen sind vollkommen selbstanwendbar: Eine erweiterte Syntax kann in eine Erweiterungsdefinition transformiert werden, eine erweiterte Analyse kann Erweiterungsdefinitionen testen, und eine erweiterte Werkzeugunterstützung kann Entwicklern beim Definieren von Erweiterungen assistieren. Um eine Quelldatei mit Erweiterungen zu verarbeiten, inspizieren der SugarJ Compiler und die SugarJ IDE die importierten Bibliotheken um die aktiven Erweiterungen zu bestimmen. Der Compiler und die IDE adaptieren den Parser, den Codegenerator, die Analyseroutine und die Werkzeugunterstützung der Quelldatei entsprechend der aktiven Erweiterungen. Wir beschreiben in der vorliegenden Doktorarbeit nicht nur das Design und die Implementierung von SugarJ, sondern berichten darüber hinaus über Erweiterungen unseres ursprünglich Designs. Insbesondere haben wir eine Generalisierung des SugarJ Compilers entworfen und implementiert, die neben Java alternative Basissprachen unterstützt. Wir haben diese Generalisierung verwendet um die bibliotheksbasierten erweiterbaren Programmiersprachen SugarHaskell, SugarProlog, und SugarFomega zu entwickeln. Weiterhin haben wir SugarJ ergänzt um polymorphe Domänenabstraktion und Kommunikationsintegrität zu unterstützen. Polymorphe Domänenabstraktion ermöglicht Programmierern mehrere Transformationen für die selbe domänenspezifische Syntax bereitzustellen. Dies erhöht die Flexibilität von SugarJ und unterstützt bekannte Szenarien aus der modellgetriebenen Entwicklung. Kommunikationsintegrität spezifiziert, dass die Komponenten eines Softwaresystems nur über explizite Kanäle kommunizieren dürfen. Im Kontext von Codegenerierung stellt dies eine interessante Eigenschaft dar, welche die Generierung von impliziten Modulabhängigkeiten untersagt. Wir haben Kommunikationsintegrität als weiteres Prinzip zu SugarJ hinzugefügt. Basierend auf SugarJ und zahlreicher Fallstudien argumentieren wir, dass flexible und prinzipientreue Domänenabstraktion ein skalierbares Programmiermodell für die Entwicklung komplexer Softwaresysteme darstellt., Most programming languages are designed for general-purpose software development in a one-size-fits-all fashion: They provide the same set of language features and constructs for all possible applications programmers ever may want to develop. As with shoes, the one-size-fits-all solution grants a good fit to few applications only. The trend toward domain-specific languages, model-driven development, and language-oriented programming counters general-purpose languages by promoting the use of domain abstractions that facilitate domain-specific language features and constructs tailored to certain application domains. In particular, domain abstraction avoids the need for encoding domain concepts with general-purpose language features and thus allows programmers to program at the same abstraction level as they think. Unfortunately, current approaches to domain abstraction cannot deliver on the promises of domain abstraction. On the one hand, approaches that target internal domain-specific languages lack flexibility regarding the syntax, static checking, and tool support of domain abstractions, which limits the level of actually achieved domain abstraction. On the other hand, approaches that target external domain-specific languages lack important principles, such as modular reasoning and composition of domain abstractions, which inhibits the applicability of these approaches in the development of larger software systems. In this thesis, we pursue a novel approach that unifies the advantages of internal and external domain-specific languages to support flexible and principled domain abstraction. We propose library-based extensible programming languages as a basis for domain abstraction. In an extensible language, domain abstraction can be realized by extending the language with domain-specific syntax, static analysis, and tool support. This enables domain abstractions as flexible as external domain-specific languages. To ensure the compliance with important software-development principles, we organize language extensions as libraries and use simple import statements to activate extensions. This facilitates modular reasoning (by inspecting import statements), supports the composition of domain abstractions (by importing multiple extensions), and allows uniform self-application of language extensions in the development of further extensions (by importing extensions in an extension definition). A library-based organization of extensions enables domain abstractions as principled as internal domain-specific languages. We designed and implemented SugarJ, a library-based extensible programming language on top of Java. SugarJ libraries can declare and export extensions of SugarJ's syntax, static analysis, and editor support. Thereby, a syntactic extension consists of an extended syntax and a desugaring transformation from the extended syntax into SugarJ base syntax, an analysis extension matches on part of the current file's abstract syntax tree and produces a list of errors, and an editor extension declares editor services such as coloring or code completion for certain language constructs. SugarJ extensions are fully self-applicable: An extended syntax can desugar into the declaration of another extensions, an extended analysis can check the declaration of an extension, and an extended editor can assist developers in writing extensions. To process a source file with extensions, the SugarJ compiler and IDE inspect the imported libraries to determine active extensions. The compiler and IDE adapt the parser, code generator, analyzer, and editor of the source file according to the active extensions. In this thesis, we do not only describe the design and implementation of SugarJ, but also report on extensions of the original design. In particular, we designed and implemented a generalization of the SugarJ compiler that supports alternative base languages besides Java. Using this generalization, we developed the library-based extensible programming languages SugarHaskell, SugarProlog, and SugarFomega. Furthermore, we developed an extension of SugarJ that supports polymorphic domain abstraction and ensures communication integrity. Polymorphic domain abstraction enables programmers to provide multiple desugarings for the same domain-specific syntax. This increases the flexibility of SugarJ and supports scenarios known from model-driven development. Communication integrity specifies that components of a software system may communicate over explicit channels only. This is interesting in the context of code generation where it effectively prohibits the generation of implicit module dependencies. We augmented SugarJ's principles by enforcing communication integrity. On the basis of SugarJ and numerous case studies, we argue that flexible and principled domain abstraction constitutes a scalable programming model for the development of complex software systems.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden die Konzepte zur Unterstützung von datenbankorientierten Software-Produktlinien durch domänenspezifische Sprachen am Beispiel von Versionierungssystemen untersucht. Ziel dieser Arbeit ist es, die zeitlichen Kosten, die durch die Nutzung einer domänenspezifischen Sprache entstehen, zu bestimmen. Dabei werden unterschiedliche Datenbankschemata verwendet, um zu untersuchen, welcher Zusammenhang zwischen der Komplexität des Datenbankschemas und der Übersetzung einer domänenspezifischen Anweisung in eine Reihe von herkömmlichen SQL-Anweisungen besteht. Um die zeitlichen Kosten für die Reduktion zu bestimmen, werden Leistungsuntersuchungen durchgeführt. Grundlage für diese Leistungsuntersuchungen sind domänenspezifische Anweisungen, die von einem speziell für diesen Zweck entwickelten Generator erzeugt wurden. Diese generierten domänenspezifischen Anweisungen werden mit den unterschiedlichen Datenbanktreibern auf dem passenden Datenbankschema ausgeführt.