Programmierung von XML-basierten Anwendungen unter Berücksichtigung der Sprachbeschreibung

211 Pages·2008·1.66 MB·German

Aus dem Institut für Informationssysteme
der Universität zu Lübeck
Direktor:
Prof. Dr. rer. nat. Volker Linnemann
Programmierung von X -basierten
ML
Anwendungen unter Berücksichtigung der
Sprachbeschreibung
Dissertation
zur
Erlangung der Doktorwürde
der Universität zu Lübeck
– Aus der Technisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät –
Vorgelegt von
Sascha Martin Kempa
aus Berlin – Frohnau
Lübeck, Juli 2003
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Zum Geleit
Innerhalbder letzten 10 Jahre hat dasWorld-Wide Web einebeispielloseEntwicklung zu einem
weltweiten Informationssystemvollzogen. Es ist ausvielen Bereichennicht mehr wegzudenken
und hat die tägliche Arbeit wesentlich verändert. Wichtige Informationen müssen nicht mehr
mühsam telefonisch, per Email oder per Post angefordert werden, sondern können direkt inter-
aktivamBildschirmabgefragtwerden.SuchmaschinenerlaubendasAuffindenderfürdieeigene
ArbeitwichtigenInformationen.
ZurinternenDarstellungvonWWW-SeiteninTextformhatsichdieSpracheHTML(Hypertext
Markup Language) als Standard durchgesetzt. XML (Extensible Markup Language) als Verall-
gemeinerungvonHTMLspieltinzunehmendemMaßeeineRollealsDatenaustauschformatund
zurDatenmodellierung.
Um WWW-Seiten schnell und übersichtlich zu entwerfen, werden geeignete Werkzeuge benö-
tigt. Dies gilt insbesondere bei neueren Anwendungen, bei denen WWW-Seiten nicht statisch
sind, sondern dynamisch bei jeder Anforderung durch einen Benutzer neu erzeugt werden. Bei-
spielesindSeitenfürBörsenkurseoderfürWetterdaten.DiesenAnwendungenistesgemeinsam,
dass der Inhalt einer Webseite sich aus aktuellen, häufig veränderlichen Daten ergibt und daher
adhocdynamischerzeugtwerden muss.
Die heute in der Praxis eingesetzten Werkzeuge für dynamische Web-Seiten sind unzureichend,
dadieGültigkeitdergeneriertenSeiten,d.h.dieKorrektheitgemäßeinerSprachbeschreibung,im
Allgemeinen nicht statisch am Generierungsprogramm abgelesen werden kann, sondern durch
dynamische Testläufe überprüft werden muss. Dies gilt sowohl für HTML-Seiten als auch für
XML-Dokumente. Wichtige Vertreter dieser Werkzeuge sind JAVA Servlets und JAVA Server
Pages.
Hier setzt die Arbeit von Martin Kempa an. Es wird in der Arbeit die Sprache XOBE (XML
OBJEKTE)alsErweiterungderimWWW-Kontextinzwischensehrweitverbreitetenobjektori-
entierten Programmiersprache JAVA entwickelt. XOBE erlaubt eine einfache Implementierung
von Anwendungen zur Generierung von XML-Dokumenten. HTML ist hierbei in der Form des
XML-konformenXHTMLeinwichtiger Spezialfall.
In XOBE wird die Gültigkeit der durch ein Programm generierbaren XML-Dokumente wei-
testgehend statisch garantiert. Dies geschieht dadurch, dass eine Sprachbeschreibung für XML-
Dokumente, formuliert in XML Schema, direkt zur Typisierung verwendet wird. XML-Kon-
struktoren erlauben die Generierung neuer XML-Dokumentteile aus bereits vorher generierten
Dokumentteilen. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass ein XML-Konstruktor nur XML-
Dokumentteile erzeugen kann, die dem zugrunde liegenden XML Schema in der Struktur ent-
sprechen.
Für die Analyse der XML-Konstruktoren wird in der Arbeit ein geeignetes Typsystem formal
entwickelt. Zur Typüberprüfung werden die aus der Literatur bekannten Heckengrammatiken
(hedgegrammars)herangezogen.HeckengrammatikeneignensichinbesondererWeisezurMo-
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dellierungvonXML-Sprachbeschreibungen.DerAlgorithmuszurTypüberprüfungstellteineEr-
weiterung und Modifizierung eines von Antimirov entwickelten Algorithmus zur Überprüfung
vonUngleichungenvonregulärenAusdrückendar.
Zur Analyse und Traversierung von XML-Objekten verwendet die Arbeit die Sprache XPATH.
Auchhierwirddie Typinferenzformal definiert.
Die formal beschriebenen Algorithmen wurden implementiert und die Sprache XOBE im Rah-
meneinesPräprozessorsfürJAVAimplementiert.ZweiBeispielanwendungen,nämlichdieWML-
Anbindung eines Medienarchivs und eine Übungsdatenverwaltung zeigen, wie man mit XOBE
programmiert und wie die statische Korrektheit von generierten XML Strukturen gewährleistet
werdenkann.
Die Arbeit von Martin Kempa zeigt in hervorragender Weise, wie das praktische Problem der
gültigen XML-Dokumente gelöst und durch Einsatz einer entsprechenden Theorie untermauert
werdenkann.DieArbeitleisteteinenherausragendenBeitragzursicherenProgrammierungvon
Web-Anwendungen.DiesistvonbesondererBedeutungangesichtsderstürmischenundteilwei-
sewenigsystematischenEntwicklung imBereichderWeb-Programmierung.
Lübeck,imSeptember2003 VolkerLinnemann
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Danksagungen
DieseArbeitistdasResultatmehrererlangwierigerForschungsphasenmeinergutfünfJahrelan-
genTätigkeitalswissenschaftlicherMitarbeiteramInstitutfürInformationssystemederUniver-
sitätzuLübeck.AusgehendvonderThemensucheundderEinarbeitungin dieProblemstellung,
über die Erarbeitung von Lösungsideen und der Implementierung von Prototypen, bis hin zum
ZusammenschreibenderDissertationunddemKorrekturlesenhabeichvielfältigeUnterstützung
erfahren. AndieserStellemöchteich michbei allenBeteiligtendafürbedanken.
Mein besonderer Dank gilt zunächst meinem Betreuer Prof. Dr. Volker Linnemann, in dessen
ArbeitsgruppedieseArbeitentstandenist.MitvieleninhaltlichenDiskussionen,Anregungenund
Einwänden hat er meine Forschungsarbeit stets wohlwollend, aber inhaltlich kritisch begleitet.
Herrn Prof. Dr. Walter Dosch danke ich für die Übernahme des zweiten Gutachtens, das mit
einem nicht unerheblichen Arbeitsaufwand verbunden ist. Bei Prof. Dr. Jürgen Prestin möchte
ich mich ebenfalls bedanken, der so freundlich war, den Vorsitz in der Prüfungskommission zu
übernehmen.
Für anregende Diskussionen zum Inhalt der Arbeit geht mein Dank an meine Kollegen Beda
ChristophHammerschmidtundSönkeMagnussen.FürvieleVerbesserungsvorschlägenachmü-
hevoller Korrekturlesunggebührt der DankAngela König,Henrike Schuhart und TorbenSpieg-
ler.
AbschließendmöchteichmichnochbeimeinerFrauSusannebedanken,ohnederenRückhaltin
allen weiterenBelangen desLebensdieseArbeitnichtmöglichgewesenwäre.
Lübeck,Juli2003 S. MartinKempa
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Zusammenfassung
DieKommunikationüberdas World-Wide Web mitBenutzern, seien esmenschliche Anwender
oder entfernt arbeitende Programme, wird in zunehmendem Maße zum integralen Bestandteil
moderner Informationssysteme. Mit der Extensible-Markup-Language (XML) ist für den Aus-
tauschvonInformationenüberdasInterneteineinheitlichesDatenformatstandardisiertworden,
aufdessenGrundlagespezielleAuszeichnungssprachenfürunterschiedlicheAnwendungsgebie-
te definiert werden können. Heutige Web-Anwendungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie in
großemUmfangDokumenteeinzelnerAuszeichnungssprachenverarbeitenunddynamisch–al-
so zur Laufzeit des Programmes – erzeugen. Die Implementierung dieser Web-Anwendungen
erfolgt dabei in der Regel mit Werkzeugen, die die Korrektheit der erzeugten Dokumente nicht
sicherstellen, was zusätzliche Testläufe notwendig macht. Es ist deshalb wünschenswert, eine
Programmiersprache zur Verfügung zu haben, die die Kenntnis über die in einer Anwendung
verwendetenAuszeichnungssprachenutzt,um fehlerfreieAnwendungenzuentwickeln.
In dieser Arbeit wird die Sprache XOBE (XML-Objekte), eine Erweiterung der objektorientier-
tenProgrammierspracheJava,vorgestellt,dieeineeinfacheImplementierungvonXML-basierten
Anwendungenerlaubt.XML-FragmentekönnendabeinachDeklarationderSprachbeschreibung
einer XML-Auszeichnungssprache im Programm als Instanzen von XML-Objekt-Klassen wie
eingebaute Datentypen eingesetzt werden. Durch neu eingeführte Sprachkonstrukte ist es mög-
lich, XML-Objekte zu erzeugen und Informationen oder Teile aus diesen zu selektieren. Der
VorteilderweitestgehendenÜberprüfungderGültigkeitfürdynamischerzeugteXML-Fragmen-
te zum Zeitpunkt der Programmübersetzung wird bei diesem Ansatz im Gegensatz zu anderen
Erweiterungensichergestellt.
DieAnalysederGültigkeitvonXOBE-ProgrammenerfolgtmitdemaufXML-Typenzugeschnit-
tenenTypsystem.DurchdieausderLiteraturbekanntenHeckengrammatikenistesmöglich,die
durch die Sprachbeschreibung festgelegten XML-Typen, die im XOBE-Programm genutzt wer-
den, zu formalisieren. Auf dieser Basis kommt zur Überprüfung einzelner Programmanweisun-
gen ein neu entwickelter Subtyp-Algorithmus zum Einsatz. Die prototypische Implementierung
der XOBE-Spracherweiterung, die als Präprozessor realisiert wurde, transformiert den XOBE-
QuelltextinreinesJava.ZurRepräsentationder XML-ObjektewirddabeiderSchnittstellenstan-
dardDokument-Objektmodell(DOM) eingesetzt.
Die Programmiersprache XOBE ist besonders gut geeignet, Web-Anwendungen und Web-Ser-
vices zu erstellen, die über das Internet zugreifbar sind. Dies wurde im Rahmen dieser Arbeit
durch die Implementierung zweier prototypischer Web-Anwendungen bestätigt, die zusätzlich
zeigen, dass mit XOBE Quelltexte entstehen, die im Vergleich zu Alternativen verständlicher
undleichterzuwartensind.DamitleistetdieArbeiteinenwichtigenBeitragfürdiestrukturierte
Entwicklungkorrekter XML-basierter Anwendungsprogramme.
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