Consistent Feature-Model Driven Software Product Line Evolution Von der Carl-Friedrich-Gauß-Fakultät der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig zur Erlangung des Grades eines Doktoringenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation von Michael Nieke geboren am 10.06.1989 in Northeim Eingereicht am: 08.01.2021 Disputation am: 18.12.2020 1. Referentin: Prof. Dr.-Ing. Ina Schaefer 2. Referent: Prof. Dr. Bernhard Rumpe 2021 Abstract Software Product Lines (SPLs) are an approach to manage families of closely related software sys- tems in terms of configurable functionality. A feature model captures common and variable func- tionalities of an SPL on a conceptual level in terms of features. Reusable artifacts, such as code, doc- umentation, or tests are related to features using a feature-artifact mapping.A product or variant of an SPL can be derived by selecting features in a configuration which is used in combination with the feature-artifact mapping to collect a set of reusable artifacts. With an automatic generation mech- anism, the set of reusable artifacts are composed to a product. Over the course of time, SPLs and their artifacts are subject to change. As SPLs are particularly complex, their evolution is a challenging task. Consequently, SPL evolution must be thoroughly planned well in advance. However, plans typically do not turn out as expected and, thus, replan- ning is required. Feature models lean themselves for driving SPL evolution as they serve as a main communication artifact and represent functionality on an abstract level without technical details. However, replanning of feature-model evolution can lead to inconsistencies as the basis for already planned subsequent evolution steps changes. Moreover, feature-model anomalies that are an indi- cator for errors may be introduced during evolution. Current feature modeling techniques are not able to ensure feature-model consistency in presence of replanning, and feature-model anomalies that have been introduced during evolution cannot be fixed efficiently. Along with feature-model evolution, other SPL artifacts need to consistently evolve; espe- cially for configurations as changes to an SPL may result in different behavior of a product re- sulting from an existing configuration. As different engineer roles that are responsible for per- forming SPL evolution (domain engineers) and maintaining configurations (application engi- neers) typically cannot communicate with each other, product behavior may even change un- noticed. As a result, products with changed behavior may be deployed which may lead to fail- ures and, consequently, to additional costs. The work of this thesis provides remedy to the aforementioned challenges by presenting an ap- proach for consistent evolution of SPLs. The main contributions of this thesis can be distinguished into three key areas: planning and replanning feature-model evolution, analyzing feature-model evolution, and consistent SPL artifact evolution. As a starting point for SPL evolution, we intro- duce Temporal Feature Models (TFMs) that allow capturing the entire evolution timeline of a feature model in one artifact, i.e., past history, present changes, and planned evolution steps. Furthermore, temporal relations between the changes are modeled as first-class entity such that replanning and introduction of intermediate evolution steps is possible. We provide an execution semantics of feature-model evolution operations that guarantees con- sistency of feature-model evolution timelines. To this end, we formalize feature-model evolu- tion timelines and feature-model evolution operations in terms of Structural Operational Se- mantics (SOS). To keep feature models free from anomalies, we introduce analyses to detect anomalies in feature-model evolution timelines. Additionally, we devise a concept for explain- ing anomalies in terms of causing evolution operations. To enable consistent SPL artifact evolution, we generalize the concept of modeling evolution timelines in TFMs to be applicable for any modeling language. Such a uniform language concept to capture evolution forms the basis to keep all SPL artifacts consistent, i.e., in a compatible state. Moreover, we provide a methodology that enables domain engineers to guide application engineers through configuration evolution by sharing knowledge on SPL evolution and by defining automat- ically applicable configuration update operations with the goal of preserving product behavior. With the presented concepts, SPL evolution can be planned in terms of consistent and anomaly-free TFMs. Consistent evolution of other SPL artifacts can be captured with a partic- ular focus on knowledge transfer from domain engineers to application engineers for updating configurations. All concepts of this thesis are implemented in the tool suite DarwinSPL us- ing a model-driven engineering approach. The concepts and their implementation are evalu- ated using publicly available case studies. Zusammenfassung Mit Hilfe von Softwareproduktlinien (SPLs) kann konfigurierbare Funktionalität von eng verwand- ten Softwaresystemen verwaltet werden. In einem Feature Modell werden gemeinsame und variable Funktionalitäten einer SPL auf Basis abstrakter Features modelliert. Wiederverwendbare Artefakte, wie Code, Dokumentation oder Tests, werden in einem Feature-Artefakt Mapping Features zugeord- net. Ein Produkt oder eine Variante einer SPL kann abgeleitet werden, indem Features in einer Kon- figuration ausgewählt werden, was gemeinsam mit dem Feature-Artefakt Mapping genutzt wird, um eine Menge von Artefakten abzuleiten. Diese Artefaktmenge wird daraufhin in einem automati- schen Generierungsprozess genutzt, um das finale Produkt zu erzeugen. Im Laufe der Zeit müssen sich SPLs und deren Artefakte verändern. Da SPLs ganze Software- familien modellieren, ist deren Evolution eine besonders herausfordernde Aufgabe, die gründlich im Voraus geplant werden muss. Jedoch können Pläne meist nicht wie ursprünglich geplant um- gesetzt werden, und die Evolution muss umgeplant werden. Feature Modelle eignen sich beson- ders als Planungsmittel einer SPL, da sie ein zentrales Kommunikationsartefakt aller Beteiligten sind und Funktionalität auf einem abstrakten Level ohne technische Details darstellen. Umpla- nung von Feature Modell Evolution kann jedoch zu Inkonsistenzen führen, da sich die Basis für bereits geplante zukünftige Änderungsschritte ändert. Außerdem können Feature Modell Anoma- lien im Zuge der Evolution eingeführt werden, welche Indikatoren für Fehler sind. Existierende Techniken zur Feature Modellierung betrachten weder die Umplanung von Evolution, noch die Si- cherstellung der Konsistenz von Feature Modellen. Auch können Anomalien, die durch Evolution eingeführt wurden, nicht effizient repariert werden. Im Anschluss an die Feature Modell Evolution muss die Evolution anderer SPL Artefakte kon- sistent modelliert werden. Konfigurationen sind besonders von SPL Evolution betroffen, da die re- sultierenden Produkte ein anderes Verhalten als vor der Evolution aufweisen können. Domänen- Ingenieure, welche die Evolution einer SPL durchführen, und Applikations-Ingenieure, welche Konfigurationen verwalten, können typischerweise nicht miteinander kommunizieren. Dies kann zu unbemerkten Verhaltensänderungen von Produkten existierender Konfigurationen führen, die in Fehlern und entsprechenden zusätzlichen Kosten resultieren. In dieser Arbeit wird ein Ansatz zur konsistenten Evolution von SPLs vorgestellt, der die zuvor genannten Herausforderungen adressiert. Die Beiträge dieser Arbeit lassen sich in drei Kernberei- che aufteilen: Planung und Umplanung von Feature Modell Evolution, Analyse von Feature Mo- dell Evolution und konsistente Evolution von SPL Artefakten. Temporal Feature Models (TFMs) wer- den als Startpunkt für SPL Evolution eingeführt. In einem TFM wird die gesamte Evolutionszeit- linie eines Feature Modells in einem Artefakt abgebildet, was sowohl vergangene Änderungen, den aktuellen Zustand, als auch geplante Änderungen beinhaltet. Darüber hinaus werden zeitliche Re- lationen von Änderungen als eigenständige Entität modelliert, was die Umplanung und Einfüh- rung von Zwischenevolutionsschritten ermöglicht. Auf Basis einer Ausführungssemantik wird die Konsistenz von Feature Modell Evolutionszeitli- nien sichergestellt. Dazu werden Feature Modell Evolutionszeitlinien und zugehörige Evolutions- operationen mit Hilfe von Structural Operational Semantics (SOS) formalisiert. Um Feature Mo- delle frei von Anomalien zu halten, werden Analysen eingeführt, welche die gesamte Evolutions- zeitlinie eines Feature Modells auf Anomalien untersucht. Um gefundene Anomalien zu erklären, werden die verursachenden Evolutionsoperationen identifiziert. Das Konzept zur Modellierung von Feature Modell Evolutionszeitlinien aus TFMs wird verallge- meinert, um die gesamte Evolution von Modellen beliebiger Modellierungssprachen spezifizieren zu können. Ein entsprechendes einheitliches Konzept zur Modellierung von Evolution stellt die Basis dar, um alle SPL Artefakte konsistent, das heißt in einem kompatiblen Zustand, zu halten. Des Weiteren wird eine Methodik vorgestellt, die es Domänen-Ingenieuren ermöglicht, Applikations- Ingenieure bei der Evolution von Konfigurationen anzuleiten. Dies geschieht, indem Wissen über die SPL Evolution geteilt wird und automatisch anwendbare Aktualisierungsoperationen für Kon- figurationen definiert werden mit dem Ziel, das Verhalten von Produkten stabil zu halten. Die Konzepte, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, erlauben