]> git.uio.no Git - ifi-stolz-refaktor.git/blob - thesis/master-thesis-erlenkr.tex
Thesis: adding draft to documentclass
[ifi-stolz-refaktor.git] / thesis / master-thesis-erlenkr.tex
1 \documentclass[USenglish,draft]{ifimaster}
2 \usepackage{import}
3 \usepackage[utf8]{inputenc}
4 \usepackage[T1]{fontenc,url}
5 \usepackage{lmodern} % using Latin Modern to be able to use bold typewriter font
6 \urlstyle{sf}
7 \usepackage{babel,textcomp,csquotes,ifimasterforside,varioref,graphicx}
8 \usepackage[hidelinks]{hyperref}
9 \usepackage{cleveref}
10 \usepackage[style=numeric-comp,backend=bibtex]{biblatex}
11 \usepackage{amsthm}
12 \usepackage[obeyDraft]{todonotes}
13 \usepackage{xspace}
14 \usepackage{he-she}
15 \usepackage{verbatim}
16 \usepackage{minted}
17 \usepackage{multicol}
18 \usemintedstyle{bw}
19 \usepackage{perpage} %the perpage package
20 \MakePerPage{footnote} %the perpage package command
21
22 \theoremstyle{definition}
23 \newtheorem*{wordDef}{Definition}
24
25 \graphicspath{ {./figures/} }
26
27 \newcommand{\citing}[1]{~\cite{#1}}
28 \newcommand{\myref}[1]{\cref{#1} on \cpageref{#1}}
29
30 \newcommand{\definition}[1]{\begin{wordDef}#1\end{wordDef}}
31 \newcommand{\see}[1]{(see \myref{#1})}
32 \newcommand{\See}[1]{(See \myref{#1}.)}
33 \newcommand{\explanation}[3]{\noindent\textbf{\textit{#1}}\\*\emph{When:} 
34 #2\\*\emph{How:} #3\\*[-7px]}
35
36 \newcommand{\type}[1]{\texttt{\textbf{#1}}}
37 \newcommand{\typeref}[1]{\footnote{\type{#1}}}
38 \newcommand{\typewithref}[2]{\type{#2}\typeref{#1.#2}}
39 \newcommand{\method}[1]{\type{#1}}
40 \newcommand{\methodref}[2]{\footnote{\type{#1}\method{\##2()}}}
41 \newcommand{\methodwithref}[2]{\method{#2}\footnote{\type{#1}\method{\##2()}}}
42 \newcommand{\var}[1]{\type{#1}}
43
44 \newcommand{\refactoring}[1]{\emph{#1}}
45 \newcommand{\ExtractMethod}{\refactoring{Extract Method}\xspace}
46 \newcommand{\MoveMethod}{\refactoring{Move Method}\xspace}
47
48 \newcommand\todoin[2][]{\todo[inline, caption={2do}, #1]{
49 \begin{minipage}{\textwidth-4pt}#2\end{minipage}}}
50
51 \title{Refactoring}
52 \subtitle{An essay}
53 \author{Erlend Kristiansen}
54
55 \bibliography{bibliography/master-thesis-erlenkr-bibliography}
56
57 \begin{document}
58 \ififorside
59 \frontmatter{}
60
61
62 \chapter*{Abstract}
63 \todoin{\textbf{Remove all todos (including list) before delivery/printing!!!  
64 Can be done by removing ``draft'' from documentclass.}}
65 \todoin{Write abstract}
66
67 \tableofcontents{}
68 \listoffigures{}
69 \listoftables{}
70
71 \chapter*{Preface}
72
73 The discussions in this report must be seen in the context of object oriented 
74 programming languages, and Java in particular, since that is the language in 
75 which most of the examples will be given. All though the techniques discussed 
76 may be applicable to languages from other paradigms, they will not be the 
77 subject of this report.
78
79 \mainmatter
80
81 \chapter{What is Refactoring?}
82
83 This question is best answered by first defining the concept of a 
84 \emph{refactoring}, what it is to \emph{refactor}, and then discuss what aspects 
85 of programming make people want to refactor their code.
86
87 \section{Defining refactoring}
88 Martin Fowler, in his classic book on refactoring\citing{refactoring}, defines a 
89 refactoring like this:
90
91 \begin{quote}
92   \emph{Refactoring} (noun): a change made to the internal 
93   structure\footnote{The structure observable by the programmer.} of software to 
94   make it easier to understand and cheaper to modify without changing its 
95   observable behavior.~\cite[p.~53]{refactoring}
96 \end{quote}
97
98 \noindent This definition assigns additional meaning to the word 
99 \emph{refactoring}, beyond the composition of the prefix \emph{re-}, usually 
100 meaning something like ``again'' or ``anew'', and the word \emph{factoring}, 
101 that can mean to isolate the \emph{factors} of something. Here a \emph{factor} 
102 would be close to the mathematical definition of something that divides a 
103 quantity, without leaving a remainder. Fowler is mixing the \emph{motivation} 
104 behind refactoring into his definition. Instead it could be more refined, formed 
105 to only consider the \emph{mechanical} and \emph{behavioral} aspects of 
106 refactoring.  That is to factor the program again, putting it together in a 
107 different way than before, while preserving the behavior of the program. An 
108 alternative definition could then be: 
109
110 \definition{A \emph{refactoring} is a transformation
111 done to a program without altering its external behavior.}
112
113 From this we can conclude that a refactoring primarily changes how the 
114 \emph{code} of a program is perceived by the \emph{programmer}, and not the 
115 \emph{behavior} experienced by any user of the program. Although the logical 
116 meaning is preserved, such changes could potentially alter the program's 
117 behavior when it comes to performance gain or -penalties. So any logic depending 
118 on the performance of a program could make the program behave differently after 
119 a refactoring.
120
121 In the extreme case one could argue that such a thing as \emph{software 
122 obfuscation} is to refactor. If we where to define it as a refactoring, it could 
123 be defined as a composite refactoring \see{compositeRefactorings}, consisting 
124 of, for instance, a series of rename refactorings. (But it could of course be 
125 much more complex, and the mechanics of it would not exactly be carved in 
126 stone.) To perform some serious obfuscation one would also take advantage of 
127 techniques not found among established refactorings, such as removing 
128 whitespace. This might not even generate a different syntax tree for languages 
129 not sensitive to whitespace, placing it in the gray area of what kind of 
130 transformations is to be considered refactorings.
131
132 \section{The etymology of 'refactoring'}
133 It is a little difficult to pinpoint the exact origin of the word 
134 ``refactoring'', as it seems to have evolved as part of a colloquial 
135 terminology, more than a scientific term. There is no authoritative source for a 
136 formal definition of it. 
137
138 According to Martin Fowler\citing{etymology-refactoring}, there may also be more 
139 than one origin of the word. The most well-known source, when it comes to the 
140 origin of \emph{refactoring}, is the Smalltalk\footnote{\emph{Smalltalk}, 
141 object-oriented, dynamically typed, reflective programming language. See 
142 \url{http://www.smalltalk.org}} community and their infamous \emph{Refactoring 
143 Browser}\footnote{\url{http://st-www.cs.illinois.edu/users/brant/Refactory/RefactoringBrowser.html}} 
144 described in the article \emph{A Refactoring Tool for 
145 Smalltalk}\citing{refactoringBrowser1997}, published in 1997.  
146 Allegedly\citing{etymology-refactoring}, the metaphor of factoring programs was 
147 also present in the Forth\footnote{\emph{Forth} -- stack-based, extensible 
148 programming language, without type-checking. See \url{http://www.forth.org}} 
149 community, and the word ``refactoring'' is mentioned in a book by Leo Brodie, 
150 called \emph{Thinking Forth}\citing{brodie1984}, first published in 
151 1984\footnote{\emph{Thinking Forth} was first published in 1984 by the 
152 \emph{Forth Interest Group}.  Then it was reprinted in 1994 with minor 
153 typographical corrections, before it was transcribed into an electronic edition 
154 typeset in \LaTeX\ and published under a Creative Commons licence in 2004. The 
155 edition cited here is the 2004 edition, but the content should essentially be as 
156 in 1984.}. The exact word is only printed one place~\cite[p.~232]{brodie1984}, 
157 but the term \emph{factoring} is prominent in the book, that also contains a 
158 whole chapter dedicated to (re)factoring, and how to keep the (Forth) code clean 
159 and maintainable.
160
161 \begin{quote}
162   \ldots good factoring technique is perhaps the most important skill for a 
163   Forth programmer.~\cite[p.~172]{brodie1984}
164 \end{quote}
165
166 \noindent Brodie also express what \emph{factoring} means to him:
167
168 \begin{quote}
169   Factoring means organizing code into useful fragments. To make a fragment 
170   useful, you often must separate reusable parts from non-reusable parts. The  
171   reusable parts become new definitions. The non-reusable parts become arguments 
172   or parameters to the definitions.~\cite[p.~172]{brodie1984}
173 \end{quote}
174
175 Fowler claims that the usage of the word \emph{refactoring} did not pass between 
176 the \emph{Forth} and \emph{Smalltalk} communities, but that it emerged 
177 independently in each of the communities.
178
179 \section{Motivation -- Why people refactor}
180 To get a grasp of what refactoring is all about, we can try to answer this 
181 question: \emph{Why do people refactor?} Possible answers could include: ``To 
182 remove duplication'' or ``to break up long methods''.  Practitioners of the art 
183 of Design Patterns\citing{designPatterns} could say that they do it to introduce 
184 a long-needed pattern into their program's design.  So it is safe to say that 
185 peoples' intentions are to make their programs \emph{better} in some sense. But 
186 what aspects of the programs are becoming improved?
187
188 As already mentioned, people often refactor to get rid of duplication. Moving 
189 identical or similar code into methods, and maybe pushing methods up or down in 
190 their class hierarchies. Making template methods for overlapping 
191 algorithms/functionality and so on. It is all about gathering what belongs 
192 together and putting it all in one place. The resulting code is then easier to 
193 maintain. When removing the implicit coupling\footnote{When duplicating code, 
194 the code might not be coupled in other ways than that it is supposed to 
195 represent the same functionality. So if this functionality is going to change, 
196 it might need to change in more than one place, thus creating an implicit 
197 coupling between the multiple pieces of code.} between code snippets, the 
198 location of a bug is limited to only one place, and new functionality need only 
199 to be added to this one place, instead of a number of places people might not 
200 even remember.
201
202 A problem you often encounter when programming, is that a program contains a lot 
203 of long and hard-to-grasp methods. It can then help to break the methods into 
204 smaller ones, using the \ExtractMethod refactoring\citing{refactoring}. Then you 
205 may discover something about a program that you were not aware of before; 
206 revealing bugs you did not know about or could not find due to the complex 
207 structure of your program. \todo{Proof?} Making the methods smaller and giving 
208 good names to the new ones clarifies the algorithms and enhances the 
209 \emph{understandability} of the program \see{magic_number_seven}. This makes 
210 refactoring an excellent method for exploring unknown program code, or code that 
211 you had forgotten that you wrote.
212
213 Most primitive refactorings are simple. Their true power is first revealed when 
214 they are combined into larger --- higher level --- refactorings, called 
215 \emph{composite refactorings} \see{compositeRefactorings}. Often the goal of 
216 such a series of refactorings is a design pattern. Thus the \emph{design} can be 
217 evolved throughout the lifetime of a program, as opposed to designing up-front.  
218 It is all about being structured and taking small steps to improve a program's 
219 design.
220
221 Many software design pattern are aimed at lowering the coupling between 
222 different classes and different layers of logic. One of the most famous is 
223 perhaps the \emph{Model-View-Controller}\citing{designPatterns} pattern, or 
224 \emph{MVC} for short. It is aimed at lowering the coupling between the user 
225 interface and the business logic and data representation of a program. This also 
226 has the added benefit that the business logic could much easier be the target of 
227 automated tests, increasing the productivity in the software development 
228 process. Refactoring is an important tool on the way to something greater.
229
230 Another effect of refactoring is that with the increased separation of concerns 
231 coming out of many refactorings, the \emph{performance} can be improved. When 
232 profiling programs, the problematic parts are narrowed down to smaller parts of 
233 the code, which are easier to tune, and optimization can be performed only where 
234 needed and in a more effective way.
235
236 Last, but not least, and this should probably be the best reason to refactor, is 
237 to refactor to \emph{facilitate a program change}. If one has managed to keep 
238 one's code clean and tidy, and the code is not bloated with design patterns that 
239 are not ever going to be needed, then some refactoring might be needed to 
240 introduce a design pattern that is appropriate for the change that is going to 
241 happen.
242
243 Refactoring program code --- with a goal in mind --- can give the code itself 
244 more value. That is in the form of robustness to bugs, understandability and 
245 maintainability. Having robust code is an obvious advantage, but 
246 understandability and maintainability are both very important aspects of 
247 software development. By incorporating refactoring in the development process, 
248 bugs are found faster, new functionality is added more easily and code is easier 
249 to understand by the next person exposed to it, which might as well be the 
250 person who wrote it. The consequence of this, is that refactoring can increase 
251 the average productivity of the development process, and thus also add to the 
252 monetary value of a business in the long run. The perspective on productivity 
253 and money should also be able to open the eyes of the many nearsighted managers 
254 that seldom see beyond the next milestone.
255
256 \section{The magical number seven}\label{magic_number_seven}
257 The article \emph{The magical number seven, plus or minus two: some limits on 
258 our capacity for processing information}\citing{miller1956} by George A.  
259 Miller, was published in the journal \emph{Psychological Review} in 1956.  It 
260 presents evidence that support that the capacity of the number of objects a 
261 human being can hold in its working memory is roughly seven, plus or minus two 
262 objects. This number varies a bit depending on the nature and complexity of the 
263 objects, but is according to Miller ``\ldots never changing so much as to be 
264 unrecognizable.''
265
266 Miller's article culminates in the section called \emph{Recoding}, a term he 
267 borrows from communication theory. The central result in this section is that by 
268 recoding information, the capacity of the amount of information that a human can 
269 process at a time is increased. By \emph{recoding}, Miller means to group 
270 objects together in chunks and give each chunk a new name that it can be 
271 remembered by. By organizing objects into patterns of ever growing depth, one 
272 can memorize and process a much larger amount of data than if it were to be 
273 represented as its basic pieces. This grouping and renaming is analogous to how 
274 many refactorings work, by grouping pieces of code and give them a new name.  
275 Examples are the fundamental \ExtractMethod and \refactoring{Extract Class} 
276 refactorings\citing{refactoring}.
277
278 \begin{quote}
279   \ldots recoding is an extremely powerful weapon for increasing the amount of 
280   information that we can deal with.~\cite[p.~95]{miller1956}
281 \end{quote}
282
283 An example from the article addresses the problem of memorizing a sequence of 
284 binary digits. Let us say we have the following sequence\footnote{The example 
285   presented here is slightly modified (and shortened) from what is presented in 
286   the original article\citing{miller1956}, but it is essentially the same.} of 
287 16 binary digits: ``1010001001110011''. Most of us will have a hard time 
288 memorizing this sequence by only reading it once or twice. Imagine if we instead 
289 translate it to this sequence: ``A273''. If you have a background from computer 
290 science, it will be obvious that the latest sequence is the first sequence 
291 recoded to be represented by digits with base 16. Most people should be able to 
292 memorize this last sequence by only looking at it once.
293
294 Another result from the Miller article is that when the amount of information a 
295 human must interpret increases, it is crucial that the translation from one code 
296 to another must be almost automatic for the subject to be able to remember the 
297 translation, before \heshe is presented with new information to recode.  Thus 
298 learning and understanding how to best organize certain kinds of data is 
299 essential to efficiently handle that kind of data in the future. This is much 
300 like when humans learn to read. First they must learn how to recognize letters.  
301 Then they can learn distinct words, and later read sequences of words that form 
302 whole sentences. Eventually, most of them will be able to read whole books and 
303 briefly retell the important parts of its content. This suggest that the use of 
304 design patterns\citing{designPatterns} is a good idea when reasoning about 
305 computer programs. With extensive use of design patterns when creating complex 
306 program structures, one does not always have to read whole classes of code to 
307 comprehend how they function, it may be sufficient to only see the name of a 
308 class to almost fully understand its responsibilities.
309
310 \begin{quote}
311   Our language is tremendously useful for repackaging material into a few chunks 
312   rich in information.~\cite[p.~95]{miller1956}
313 \end{quote}
314
315 Without further evidence, these results at least indicate that refactoring 
316 source code into smaller units with higher cohesion and, when needed, 
317 introducing appropriate design patterns, should aid in the cause of creating 
318 computer programs that are easier to maintain and has code that is easier (and 
319 better) understood.
320
321 \section{Notable contributions to the refactoring literature}
322 \todoin{Update with more contributions}
323
324 \begin{description}
325   \item[1992] William F. Opdyke submits his doctoral dissertation called 
326     \emph{Refactoring Object-Oriented Frameworks}\citing{opdyke1992}. This 
327     work defines a set of refactorings, that are behavior preserving given that 
328     their preconditions are met. The dissertation is focused on the automation 
329     of refactorings.
330   \item[1999] Martin Fowler et al.: \emph{Refactoring: Improving the Design of 
331     Existing Code}\citing{refactoring}. This is maybe the most influential text 
332     on refactoring. It bares similarities with Opdykes thesis\citing{opdyke1992} 
333     in the way that it provides a catalog of refactorings. But Fowler's book is 
334     more about the craft of refactoring, as he focuses on establishing a 
335     vocabulary for refactoring, together with the mechanics of different 
336     refactorings and when to perform them. His methodology is also founded on 
337   the principles of test-driven development.
338   \item[2005] Joshua Kerievsky: \emph{Refactoring to 
339     Patterns}\citing{kerievsky2005}. This book is heavily influenced by Fowler's 
340     \emph{Refactoring}\citing{refactoring} and the ``Gang of Four'' \emph{Design 
341     Patterns}\citing{designPatterns}. It is building on the refactoring 
342     catalogue from Fowler's book, but is trying to bridge the gap between 
343     \emph{refactoring} and \emph{design patterns} by providing a series of 
344     higher-level composite refactorings, that makes code evolve toward or away 
345     from certain design patterns. The book is trying to build up the readers 
346     intuition around \emph{why} one would want to use a particular design 
347     pattern, and not just \emph{how}. The book is encouraging evolutionary 
348     design.  \See{relationToDesignPatterns}
349 \end{description}
350
351 \section{Tool support}\label{toolSupport}
352
353 \subsection{Tool support for Java}
354 This section will briefly compare the refatoring support of the three IDEs 
355 \emph{Eclipse}\footnote{\url{http://www.eclipse.org/}}, \emph{IntelliJ 
356 IDEA}\footnote{The IDE under comparison is the \emph{Community Edition}, 
357 \url{http://www.jetbrains.com/idea/}} and 
358 \emph{NetBeans}\footnote{\url{https://netbeans.org/}}. These are the most 
359 popular Java IDEs\citing{javaReport2011}.
360
361 All three IDEs provide support for the most useful refactorings, like the 
362 different extract, move and rename refactorings. In fact, Java-targeted IDEs are 
363 known for their good refactoring support, so this did not appear as a big 
364 surprise.
365
366 The IDEs seem to have excellent support for the \ExtractMethod refactoring, so 
367 at least they have all passed the first refactoring 
368 rubicon\citing{fowlerRubicon2001,secondRubicon2012}.
369
370 Regarding the \MoveMethod refactoring, the \emph{Eclipse} and \emph{IntelliJ} 
371 IDEs do the job in very similar manners. In most situations they both do a 
372 satisfying job by producing the expected outcome. But they do nothing to check 
373 that the result does not break the semantics of the program \see{correctness}.
374 The \emph{NetBeans} IDE implements this refactoring in a somewhat 
375 unsophisticated way. For starters, its default destination for the move is 
376 itself, although it refuses to perform the refactoring if chosen. But the worst 
377 part is, that if moving the method \method{f} of the class \type{C} to the class 
378 \type{X}, it will break the code. The result is shown in 
379 \myref{lst:moveMethod_NetBeans}.
380
381 \begin{listing}
382 \begin{multicols}{2}
383 \begin{minted}[samepage]{java}
384 public class C {
385     private X x;
386     ...
387     public void f() {
388         x.m();
389         x.n();
390     }
391 }
392 \end{minted}
393
394 \columnbreak
395
396 \begin{minted}[samepage]{java}
397 public class X {
398     ...
399     public void f(C c) {
400         c.x.m();
401         c.x.n();
402     }
403 }
404 \end{minted}
405 \end{multicols}
406 \caption{Moving method \method{f} from \type{C} to \type{X}.}
407 \label{lst:moveMethod_NetBeans}
408 \end{listing}
409
410 NetBeans will try to make code that call the methods \method{m} and \method{n} 
411 of \type{X} by accessing them through \var{c.x}, where \var{c} is a parameter of 
412 type \type{C} that is added the method \method{f} when it is moved. (This is 
413 seldom the desired outcome of this refactoring, but ironically, this ``feature'' 
414 keeps NetBeans from breaking the code in the example from \myref{correctness}.) 
415 If \var{c.x} for some reason is inaccessible to \type{X}, as in this case, the 
416 refactoring breaks the code, and it will not compile. NetBeans presents a 
417 preview of the refactoring outcome, but the preview does not catch it if the IDE 
418 is about break the program. 
419
420 The IDEs under investigation seems to have fairly good support for primitive 
421 refactorings, but what about more complex ones, such as the \refactoring{Extract 
422 Class}\citing{refactoring}? The \refactoring{Extract Class} refactoring works by 
423 creating a class, for then to move members to that class and access them from 
424 the old class via a reference to the new class. \emph{IntelliJ} handles this in 
425 a fairly good manner, although, in the case of private methods, it leaves unused 
426 methods behind. These are methods that delegate to a field with the type of the 
427 new class, but are not used anywhere. \emph{Eclipse} has added (or withdrawn) 
428 its own quirk to the Extract Class refactoring, and only allows for 
429 \emph{fields} to be moved to a new class, \emph{not methods}. This makes it 
430 effectively only extracting a data structure, and calling it 
431 \refactoring{Extract Class} is a little misleading.  One would often be better 
432 off with textual extract and paste than using the Extract Class refactoring in 
433 Eclipse. When it comes to \emph{NetBeans}, it does not even seem to have made an 
434 attempt on providing this refactoring. (Well, it probably has, but it does not 
435 show in the IDE.) 
436
437 \todoin{Visual Studio (C++/C\#), Smalltalk refactoring browser?,
438 second refactoring rubicon?}
439
440 \section{The relation to design patterns}\label{relationToDesignPatterns}
441
442 \emph{Refactoring} and \emph{design patterns} have at least one thing in common, 
443 they are both promoted by advocates of \emph{clean code}\citing{cleanCode} as 
444 fundamental tools on the road to more maintanable and extendable source code.
445
446 \begin{quote}
447   Design patterns help you determine how to reorganize a design, and they can 
448   reduce the amount of refactoring you need to do 
449   later.~\cite[p.~353]{designPatterns}
450 \end{quote}
451
452 Although sometimes associated with 
453 over-engineering\citing{kerievsky2005,refactoring}, design patterns are in 
454 general assumed to be good for maintainability of source code.  That may be 
455 because many of them are designed to support the \emph{open/closed principle} of 
456 object-oriented programming. The principle was first formulated by Bertrand 
457 Meyer, the creator of the Eiffel programming language, like this: ``Modules 
458 should be both open and closed.''\citing{meyer1988} It has been popularized, 
459 with this as a common version: 
460
461 \begin{quote}
462   Software entities (classes, modules, functions, etc.) should be open for 
463   extension, but closed for modification.\footnote{See 
464     \url{http://c2.com/cgi/wiki?OpenClosedPrinciple} or  
465     \url{https://en.wikipedia.org/wiki/Open/closed_principle}}
466 \end{quote} 
467
468 Maintainability is often thought of as the ability to be able to introduce new 
469 functionality without having to change too much of the old code. When 
470 refactoring, the motivation is often to facilitate adding new functionality. It 
471 is about factoring the old code in a way that makes the new functionality being 
472 able to benefit from the functionality already residing in a software system, 
473 without having to copy old code into new. Then, next time someone shall add new 
474 functionality, it is less likely that the old code has to change. Assuming that 
475 a design pattern is the best way to get rid of duplication and assist in 
476 implementing new functionality, it is reasonable to conclude that a design 
477 pattern often is the target of a series of refactorings. Having a repertoire of 
478 design patterns can also help in knowing when and how to refactor a program to 
479 make it reflect certain desired characteristics.
480
481 \begin{quote}
482   There is a natural relation between patterns and refactorings. Patterns are 
483   where you want to be; refactorings are ways to get there from somewhere 
484   else.~\cite[p.~107]{refactoring}
485 \end{quote}
486
487 This quote is wise in many contexts, but it is not always appropriate to say 
488 ``Patterns are where you want to be\ldots''. \emph{Sometimes}, patterns are 
489 where you want to be, but only because it will benefit your design. It is not 
490 true that one should always try to incorporate as many design patterns as 
491 possible into a program. It is not like they have intrinsic value. They only add 
492 value to a system when they support its design. Otherwise, the use of design 
493 patterns may only lead to a program that is more complex than necessary.
494
495 \begin{quote}
496   The overuse of patterns tends to result from being patterns happy. We are 
497   \emph{patterns happy} when we become so enamored of patterns that we simply 
498   must use them in our code.~\cite[p.~24]{kerievsky2005}
499 \end{quote}
500
501 This can easily happen when relying largely on up-front design. Then it is 
502 natural, in the very beginning, to try to build in all the flexibility that one 
503 believes will be necessary throughout the lifetime of a software system.  
504 According to Joshua Kerievsky ``That sounds reasonable --- if you happen to be 
505 psychic.''~\cite[p.~1]{kerievsky2005} He is advocating what he believes is a 
506 better approach: To let software continually evolve. To start with a simple 
507 design that meets today's needs, and tackle future needs by refactoring to 
508 satisfy them. He believes that this is a more economic approach than investing 
509 time and money into a design that inevitably is going to change. By relying on 
510 continuously refactoring a system, its design can be made simpler without 
511 sacrificing flexibility. To be able to fully rely on this approach, it is of 
512 utter importance to have a reliable suit of tests to lean on. \See{testing} This 
513 makes the design process more natural and less characterized by difficult 
514 decisions that has to be made before proceeding in the process, and that is 
515 going to define a project for all of its unforeseeable future.
516
517 \begin{comment}
518
519 \section{Classification of refactorings} 
520 % only interesting refactorings
521 % with 2 detailed examples? One for structured and one for intra-method?
522 % Is replacing Bubblesort with Quick Sort considered a refactoring?
523
524 \subsection{Structural refactorings}
525
526 \subsubsection{Primitive refactorings}
527
528 % Composing Methods
529 \explanation{Extract Method}{You have a code fragment that can be grouped 
530 together.}{Turn the fragment into a method whose name explains the purpose of 
531 the method.}
532
533 \explanation{Inline Method}{A method's body is just as clear as its name.}{Put 
534 the method's body into the body of its callers and remove the method.}
535
536 \explanation{Inline Temp}{You have a temp that is assigned to once with a simple 
537 expression, and the temp is getting in the way of other refactorings.}{Replace 
538 all references to that temp with the expression}
539
540 % Moving Features Between Objects
541 \explanation{Move Method}{A method is, or will be, using or used by more 
542 features of another class than the class on which it is defined.}{Create a new 
543 method with a similar body in the class it uses most. Either turn the old method 
544 into a simple delegation, or remove it altogether.}
545
546 \explanation{Move Field}{A field is, or will be, used by another class more than 
547 the class on which it is defined}{Create a new field in the target class, and 
548 change all its users.}
549
550 % Organizing Data
551 \explanation{Replace Magic Number with Symbolic Constant}{You have a literal 
552 number with a particular meaning.}{Create a constant, name it after the meaning, 
553 and replace the number with it.}
554
555 \explanation{Encapsulate Field}{There is a public field.}{Make it private and 
556 provide accessors.}
557
558 \explanation{Replace Type Code with Class}{A class has a numeric type code that 
559 does not affect its behavior.}{Replace the number with a new class.}
560
561 \explanation{Replace Type Code with Subclasses}{You have an immutable type code 
562 that affects the behavior of a class.}{Replace the type code with subclasses.}
563
564 \explanation{Replace Type Code with State/Strategy}{You have a type code that 
565 affects the behavior of a class, but you cannot use subclassing.}{Replace the 
566 type code with a state object.}
567
568 % Simplifying Conditional Expressions
569 \explanation{Consolidate Duplicate Conditional Fragments}{The same fragment of 
570 code is in all branches of a conditional expression.}{Move it outside of the 
571 expression.}
572
573 \explanation{Remove Control Flag}{You have a variable that is acting as a 
574 control flag fro a series of boolean expressions.}{Use a break or return 
575 instead.}
576
577 \explanation{Replace Nested Conditional with Guard Clauses}{A method has 
578 conditional behavior that does not make clear the normal path of 
579 execution.}{Use guard clauses for all special cases.}
580
581 \explanation{Introduce Null Object}{You have repeated checks for a null 
582 value.}{Replace the null value with a null object.}
583
584 \explanation{Introduce Assertion}{A section of code assumes something about the 
585 state of the program.}{Make the assumption explicit with an assertion.}
586
587 % Making Method Calls Simpler
588 \explanation{Rename Method}{The name of a method does not reveal its 
589 purpose.}{Change the name of the method}
590
591 \explanation{Add Parameter}{A method needs more information from its 
592 caller.}{Add a parameter for an object that can pass on this information.}
593
594 \explanation{Remove Parameter}{A parameter is no longer used by the method 
595 body.}{Remove it.}
596
597 %\explanation{Parameterize Method}{Several methods do similar things but with 
598 %different values contained in the method.}{Create one method that uses a 
599 %parameter for the different values.}
600
601 \explanation{Preserve Whole Object}{You are getting several values from an 
602 object and passing these values as parameters in a method call.}{Send the whole 
603 object instead.}
604
605 \explanation{Remove Setting Method}{A field should be set at creation time and 
606 never altered.}{Remove any setting method for that field.}
607
608 \explanation{Hide Method}{A method is not used by any other class.}{Make the 
609 method private.}
610
611 \explanation{Replace Constructor with Factory Method}{You want to do more than 
612 simple construction when you create an object}{Replace the constructor with a 
613 factory method.}
614
615 % Dealing with Generalization
616 \explanation{Pull Up Field}{Two subclasses have the same field.}{Move the field 
617 to the superclass.}
618
619 \explanation{Pull Up Method}{You have methods with identical results on 
620 subclasses.}{Move them to the superclass.}
621
622 \explanation{Push Down Method}{Behavior on a superclass is relevant only for 
623 some of its subclasses.}{Move it to those subclasses.}
624
625 \explanation{Push Down Field}{A field is used only by some subclasses.}{Move the 
626 field to those subclasses}
627
628 \explanation{Extract Interface}{Several clients use the same subset of a class's 
629 interface, or two classes have part of their interfaces in common.}{Extract the 
630 subset into an interface.}
631
632 \explanation{Replace Inheritance with Delegation}{A subclass uses only part of a 
633 superclasses interface or does not want to inherit data.}{Create a field for the 
634 superclass, adjust methods to delegate to the superclass, and remove the 
635 subclassing.}
636
637 \explanation{Replace Delegation with Inheritance}{You're using delegation and 
638 are often writing many simple delegations for the entire interface}{Make the 
639 delegating class a subclass of the delegate.}
640
641 \subsubsection{Composite refactorings}
642
643 % Composing Methods
644 % \explanation{Replace Method with Method Object}{}{}
645
646 % Moving Features Between Objects
647 \explanation{Extract Class}{You have one class doing work that should be done by 
648 two}{Create a new class and move the relevant fields and methods from the old 
649 class into the new class.}
650
651 \explanation{Inline Class}{A class isn't doing very much.}{Move all its features 
652 into another class and delete it.}
653
654 \explanation{Hide Delegate}{A client is calling a delegate class of an 
655 object.}{Create Methods on the server to hide the delegate.}
656
657 \explanation{Remove Middle Man}{A class is doing to much simple delegation.}{Get 
658 the client to call the delegate directly.}
659
660 % Organizing Data
661 \explanation{Replace Data Value with Object}{You have a data item that needs 
662 additional data or behavior.}{Turn the data item into an object.}
663
664 \explanation{Change Value to Reference}{You have a class with many equal 
665 instances that you want to replace with a single object.}{Turn the object into a 
666 reference object.}
667
668 \explanation{Encapsulate Collection}{A method returns a collection}{Make it 
669 return a read-only view and provide add/remove methods.}
670
671 % \explanation{Replace Array with Object}{}{}
672
673 \explanation{Replace Subclass with Fields}{You have subclasses that vary only in 
674 methods that return constant data.}{Change the methods to superclass fields and 
675 eliminate the subclasses.}
676
677 % Simplifying Conditional Expressions
678 \explanation{Decompose Conditional}{You have a complicated conditional 
679 (if-then-else) statement.}{Extract methods from the condition, then part, an 
680 else part.}
681
682 \explanation{Consolidate Conditional Expression}{You have a sequence of 
683 conditional tests with the same result.}{Combine them into a single conditional 
684 expression and extract it.}
685
686 \explanation{Replace Conditional with Polymorphism}{You have a conditional that 
687 chooses different behavior depending on the type of an object.}{Move each leg 
688 of the conditional to an overriding method in a subclass. Make the original 
689 method abstract.}
690
691 % Making Method Calls Simpler
692 \explanation{Replace Parameter with Method}{An object invokes a method, then 
693 passes the result as a parameter for a method. The receiver can also invoke this 
694 method.}{Remove the parameter and let the receiver invoke the method.}
695
696 \explanation{Introduce Parameter Object}{You have a group of parameters that 
697 naturally go together.}{Replace them with an object.}
698
699 % Dealing with Generalization
700 \explanation{Extract Subclass}{A class has features that are used only in some 
701 instances.}{Create a subclass for that subset of features.}
702
703 \explanation{Extract Superclass}{You have two classes with similar 
704 features.}{Create a superclass and move the common features to the 
705 superclass.}
706
707 \explanation{Collapse Hierarchy}{A superclass and subclass are not very 
708 different.}{Merge them together.}
709
710 \explanation{Form Template Method}{You have two methods in subclasses that 
711 perform similar steps in the same order, yet the steps are different.}{Get the 
712 steps into methods with the same signature, so that the original methods become 
713 the same. Then you can pull them up.}
714
715
716 \subsection{Functional refactorings}
717
718 \explanation{Substitute Algorithm}{You want to replace an algorithm with one 
719 that is clearer.}{Replace the body of the method with the new algorithm.}
720
721 \end{comment}
722
723 \section{The impact on software quality}
724
725 \subsection{What is software quality?}
726 The term \emph{software quality} has many meanings. It all depends on the 
727 context we put it in. If we look at it with the eyes of a software developer, it 
728 usually means that the software is easily maintainable and testable, or in other 
729 words, that it is \emph{well designed}. This often correlates with the 
730 management scale, where \emph{keeping the schedule} and \emph{customer 
731 satisfaction} is at the center. From the customers point of view, in addition to 
732 good usability, \emph{performance} and \emph{lack of bugs} is always 
733 appreciated, measurements that are also shared by the software developer. (In 
734 addition, such things as good documentation could be measured, but this is out 
735 of the scope of this document.)
736
737 \subsection{The impact on performance}
738 \begin{quote}
739   Refactoring certainly will make software go more slowly\footnote{With todays 
740   compiler optimization techniques and performance tuning of e.g. the Java 
741 virtual machine, the penalties of object creation and method calls are 
742 debatable.}, but it also makes the software more amenable to performance 
743 tuning.~\cite[p.~69]{refactoring}
744 \end{quote}
745
746 \noindent There is a common belief that refactoring compromises performance, due 
747 to increased degree of indirection and that polymorphism is slower than 
748 conditionals.
749
750 In a survey, Demeyer\citing{demeyer2002} disproves this view in the case of 
751 polymorphism. He did an experiment on, what he calls, ``Transform Self Type 
752 Checks'' where you introduce a new polymorphic method and a new class hierarchy 
753 to get rid of a class' type checking of a ``type attribute``. He uses this kind 
754 of transformation to represent other ways of replacing conditionals with 
755 polymorphism as well. The experiment is performed on the C++ programming 
756 language and with three different compilers and platforms. Demeyer concludes 
757 that, with compiler optimization turned on, polymorphism beats middle to large 
758 sized if-statements and does as well as case-statements.  (In accordance with 
759 his hypothesis, due to similarities between the way C++ handles polymorphism and 
760 case-statements.)
761
762 \begin{quote}
763   The interesting thing about performance is that if you analyze most programs, 
764   you find that they waste most of their time in a small fraction of the 
765   code.~\cite[p.~70]{refactoring}
766 \end{quote}
767
768 \noindent So, although an increased amount of method calls could potentially 
769 slow down programs, one should avoid premature optimization and sacrificing good 
770 design, leaving the performance tuning until after profiling\footnote{For and 
771   example of a Java profiler, check out VisualVM: 
772   \url{http://visualvm.java.net/}} the software and having isolated the actual 
773   problem areas.
774
775 \section{Composite refactorings}\label{compositeRefactorings}
776 \todo{motivation, examples, manual vs automated?, what about refactoring in a 
777 very large code base?}
778 Generally, when thinking about refactoring, at the mechanical level, there are 
779 essentially two kinds of refactorings. There are the \emph{primitive} 
780 refactorings, and the \emph{composite} refactorings. 
781
782 \definition{A \emph{primitive refactoring} is a refactoring that cannot be 
783 expressed in terms of other refactorings.}
784
785 \noindent Examples are the \refactoring{Pull Up Field} and \refactoring{Pull Up 
786 Method} refactorings\citing{refactoring}, that move members up in their class 
787 hierarchies.
788
789 \definition{A \emph{composite refactoring} is a refactoring that can be 
790 expressed in terms of two or more other refactorings.}
791
792 \noindent An example of a composite refactoring is the \refactoring{Extract 
793 Superclass} refactoring\citing{refactoring}. In its simplest form, it is composed 
794 of the previously described primitive refactorings, in addition to the 
795 \refactoring{Pull Up Constructor Body} refactoring\citing{refactoring}.  It works 
796 by creating an abstract superclass that the target class(es) inherits from, then 
797 by applying \refactoring{Pull Up Field}, \refactoring{Pull Up Method} and 
798 \refactoring{Pull Up Constructor Body} on the members that are to be members of 
799 the new superclass. For an overview of the \refactoring{Extract Superclass} 
800 refactoring, see \myref{fig:extractSuperclass}.
801
802 \begin{figure}[h]
803   \centering
804   \includegraphics[angle=270,width=\linewidth]{extractSuperclassItalic.pdf}
805   \caption{The Extract Superclass refactoring}
806   \label{fig:extractSuperclass}
807 \end{figure}
808
809 \section{Manual vs. automated refactorings}
810 Refactoring is something every programmer does, even if \heshe does not known 
811 the term \emph{refactoring}. Every refinement of source code that does not alter 
812 the program's behavior is a refactoring. For small refactorings, such as 
813 \ExtractMethod, executing it manually is a manageable task, but is still prone 
814 to errors. Getting it right the first time is not easy, considering the method 
815 signature and all the other aspects of the refactoring that has to be in place.  
816
817 Take for instance the renaming of classes, methods and fields. For complex 
818 programs these refactorings are almost impossible to get right.  Attacking them 
819 with textual search and replace, or even regular expressions, will fall short on 
820 these tasks. Then it is crucial to have proper tool support that can perform 
821 them automatically. Tools that can parse source code and thus have semantic 
822 knowledge about which occurrences of which names belong to what construct in the 
823 program. For even trying to perform one of these complex task manually, one 
824 would have to be very confident on the existing test suite \see{testing}.
825
826 \section{Correctness of refactorings}\label{correctness}
827 For automated refactorings to be truly useful, they must show a high degree of 
828 behavior preservation. This last sentence might seem obvious, but there are 
829 examples of refactorings in existing tools that break programs. I will now 
830 present an example of an \ExtractMethod refactoring followed by a \MoveMethod 
831 refactoring that breaks a program in both the \emph{Eclipse} and \emph{IntelliJ} 
832 IDEs\footnote{The NetBeans IDE handles this particular situation without 
833   altering ther program's beavior, mainly because its Move Method refactoring 
834   implementation is a bit rancid in other ways \see{toolSupport}.}. The 
835   following piece of code shows the target for the composed refactoring:
836
837 \begin{minted}[linenos,samepage]{java}
838 public class C {
839     public X x = new X();
840
841     public void f() {
842         x.m(this);
843         x.n();
844     }
845 }
846 \end{minted}
847
848 \noindent The next piece of code shows the destination of the refactoring. Note 
849 that the method \method{m(C c)} of class \type{C} assigns to the field \var{x} 
850 of the argument \var{c} that has type \type{C}:
851
852 \begin{minted}[samepage]{java}
853 public class X {
854     public void m(C c) {
855         c.x = new X();
856     }
857     public void n() {}
858 }
859 \end{minted}
860
861 The refactoring sequence works by extracting line 5 and 6 from the original 
862 class \type{C} into a method \method{f} with the statements from those lines as 
863 its method body. The method is then moved to the class \type{X}. The result is 
864 shown in the following two pieces of code:
865
866 \begin{minted}[linenos,samepage]{java}
867 public class C {
868     public X x = new X();
869
870     public void f() {
871         x.f(this);
872     }
873 }
874 \end{minted}
875
876 \begin{minted}[linenos,samepage]{java}
877 public class X {
878     public void m(C c) {
879         c.x = new X();
880     }
881     public void n() {}
882     public void f(C c) {
883         m(c);
884         n();
885     }
886 }
887 \end{minted}
888
889 After the refactoring, the method \method{f} of class \type{C} is calling the 
890 method \method{f} of class \type{X}, and the program now behaves different than 
891 before. (See line 5 of the version of class \type{C} after the refactoring.) 
892 Before the refactoring, the methods \method{m} and \method{n} of class \type{X} 
893 are called on different object instances (see line 5 and 6 of the original class 
894 \type{C}).  After, they are called on the same object, and the statement on line 
895 3 of class \type{X} (the version after the refactoring) no longer have any 
896   effect in our example.
897
898 The bug introduced in the previous example is of such a nature\footnote{Caused 
899   by aliasing. See \url{https://en.wikipedia.org/wiki/Aliasing_(computing)}} 
900   that it is very difficult to spot if the refactored code is not covered by 
901   tests.  It does not generate compilation errors, and will thus only result in 
902   a runtime error or corrupted data, which might be hard to detect.
903
904 \section{Refactoring and testing}\label{testing}
905 \begin{quote}
906   If you want to refactor, the essential precondition is having solid 
907   tests.\citing{refactoring}
908 \end{quote}
909
910 When refactoring, there are roughly two kinds of errors that can be made. There 
911 are errors that make the code unable to compile, and there are the silent 
912 errors, only popping up at runtime. Compile-time errors are the nice ones. They 
913 flash up at the moment they are made (at least when using an IDE), and are 
914 usually easy to fix. The other kind of error is the dangerous one. It is the 
915 kind of error introduced in the example of \myref{correctness}. It is an error 
916 sneaking into your code without you noticing, maybe. For discovering those kind 
917 of errors when refactoring, it is essential to have good test coverage. It is 
918 not a way to \emph{prove} that the code is correct, but it is a way to make you 
919 confindent that it \emph{probably} works as desired. In the context of test 
920 driven development, the tests are even a way to define how the program is 
921 supposed to work. It is then, by definition, working if the tests are passing.  
922
923 If the test coverage for a code base is perfect, then it should, theoretically, 
924 be risk-free to perform refactorings on it. This is why tests and refactoring 
925 are such a great match.
926
927 \section{Software metrics}
928 \todoin{Is this the appropriate place to have this section?}
929
930 %\part{The project}
931 %\chapter{Planning the project}
932 %\part{Conclusion}
933 %\chapter{Results}                   
934
935
936
937 \chapter{\ldots}
938 \todoin{write}
939 \section{The problem statement}
940 \section{Choosing the target language}
941 Choosing which programming language to use as the target for manipulation is not 
942 a very difficult task. The language has to be an object-oriented programming 
943 language, and it must have existing tool support for refactoring. The 
944 \emph{Java} programming language\footnote{\url{https://www.java.com/}} is the 
945 dominating language when it comes to examples in the literature of refactoring, 
946 and is thus a natural choice. Java is perhaps, currently the most influential 
947 programming language in the world, with its \emph{Java Virtual Machine} that 
948 runs on all of the most popular architectures and also supports\footnote{They 
949 compile to java bytecode.} dozens of other programming languages, with 
950 \emph{Scala}, \emph{Clojure} and \emph{Groovy} as the most prominent ones. Java 
951 is currently the language that every other programming language is compared 
952 against. It is also the primary language of the author of this thesis.
953
954 \section{Choosing the tools}
955 When choosing a tool for manipulating Java, there are certain criterias that 
956 have to be met. First of all, the tool should have some existing refactoring 
957 support that this thesis can build upon. Secondly it should provide some kind of 
958 framework for parsing and analyzing Java source code. Third, it should itself be 
959 open source. This is both because of the need to be able to browse the code for 
960 the existing refactorings that is contained in the tool, and also because open 
961 source projects hold value in them selves. Another important aspect to consider 
962 is that open source projects of a certain size, usually has large communities of 
963 people connected to them, that are commited to answering questions regarding the 
964 use and misuse of the products, that to a large degree is made by the cummunity 
965 itself.
966
967 There is a certain class of tools that meet these criterias, namely the class of 
968 \emph{IDEs}\footnote{\emph{Integrated Development Environment}}. These are 
969 proagrams that is ment to support the whole production cycle of a cumputer 
970 program, and the most popular IDEs that support Java, generally have quite good 
971 refactoring support.
972
973 The main contenders for this thesis is the \emph{Eclipse IDE}, with the 
974 \emph{Java development tools} (JDT), the \emph{IntelliJ IDEA Community Edition} 
975 and the \emph{NetBeans IDE}. \See{toolSupport} Eclipse and NetBeans are both 
976 free, open source and community driven, while the IntelliJ IDEA has an open 
977 sourced community edition that is free of charge, but also offer an 
978 \emph{Ultimate Edition} with an extended set of features, at additional cost.  
979 All three IDEs supports adding plugins to extend their functionality and tools 
980 that can be used to parse and analyze Java source code. But one of the IDEs 
981 stand out as a favorite, and that is the \emph{Eclipse IDE}. This is the most 
982 popular\citing{javaReport2011} among them and seems to be de facto standard IDE 
983 for Java development regardless of platform.
984
985
986 \chapter{Refactorings in Eclipse JDT: Design, Shortcomings and Wishful 
987 Thinking}\label{ch:jdt_refactorings}
988
989 This chapter will deal with some of the design behind refactoring support in 
990 Eclipse, and the JDT in specific. After which it will follow a section about 
991 shortcomings of the refactoring API in terms of composition of refactorings. The 
992 chapter will be concluded with a section telling some of the ways the 
993 implementation of refactorings in the JDT could have worked to facilitate 
994 composition of refactorings.
995
996 \section{Design}
997 The refactoring world of Eclipse can in general be separated into two parts: The 
998 language independent part and the part written for a specific programming 
999 language -- the language that is the target of the supported refactorings.  
1000 \todo{What about the language specific part?}
1001
1002 \subsection{The Language Toolkit}
1003 The Language Toolkit, or LTK for short, is the framework that is used to 
1004 implement refactorings in Eclipse. It is language independent and provides the 
1005 abstractions of a refactoring and the change it generates, in the form of the 
1006 classes \typewithref{org.eclipse.ltk.core.refactoring}{Refactoring} and 
1007 \typewithref{org.eclipse.ltk.core.refactoring}{Change}. (There is also parts of 
1008 the LTK that is concerned with user interaction, but they will not be discussed 
1009 here, since they are of little value to us and our use of the framework.)
1010
1011 \subsubsection{The Refactoring Class}
1012 The abstract class \type{Refactoring} is the core of the LTK framework. Every 
1013 refactoring that is going to be supported by the LTK have to end up creating an 
1014 instance of one of its subclasses. The main responsibilities of subclasses of 
1015 \type{Refactoring} is to implement template methods for condition checking 
1016 (\methodwithref{org.eclipse.ltk.core.refactoring.Refactoring}{checkInitialConditions} 
1017 and 
1018 \methodwithref{org.eclipse.ltk.core.refactoring.Refactoring}{checkFinalConditions}), 
1019 in addition to the 
1020 \methodwithref{org.eclipse.ltk.core.refactoring.Refactoring}{createChange} 
1021 method that creates and returns an instance of the \type{Change} class.
1022
1023 If the refactoring shall support that others participate in it when it is 
1024 executed, the refactoring has to be a processor-based 
1025 refactoring\typeref{org.eclipse.ltk.core.refactoring.participants.ProcessorBasedRefactoring}.  
1026 It then delegates to its given 
1027 \typewithref{org.eclipse.ltk.core.refactoring.participants}{RefactoringProcessor} 
1028 for condition checking and change creation.
1029
1030 \subsubsection{The Change Class}
1031 This class is the base class for objects that is responsible for performing the 
1032 actual workspace transformations in a refactoring. The main responsibilities for 
1033 its subclasses is to implement the 
1034 \methodwithref{org.eclipse.ltk.core.refactoring.Change}{perform} and 
1035 \methodwithref{org.eclipse.ltk.core.refactoring.Change}{isValid} methods. The 
1036 \method{isValid} method verifies that the change object is valid and thus can be 
1037 executed by calling its \method{perform} method. The \method{perform} method 
1038 performs the desired change and returns an undo change that can be executed to 
1039 reverse the effect of the transformation done by its originating change object. 
1040
1041 \subsubsection{Executing a Refactoring}\label{executing_refactoring}
1042 The life cycle of a refactoring generally follows two steps after creation: 
1043 condition checking and change creation. By letting the refactoring object be 
1044 handled by a 
1045 \typewithref{org.eclipse.ltk.core.refactoring}{CheckConditionsOperation} that
1046 in turn is handled by a 
1047 \typewithref{org.eclipse.ltk.core.refactoring}{CreateChangeOperation}, it is 
1048 assured that the change creation process is managed in a proper manner.
1049
1050 The actual execution of a change object has to follow a detailed life cycle.  
1051 This life cycle is honored if the \type{CreateChangeOperation} is handled by a 
1052 \typewithref{org.eclipse.ltk.core.refactoring}{PerformChangeOperation}. If also 
1053 an undo manager\typeref{org.eclipse.ltk.core.refactoring.IUndoManager} is set 
1054 for the \type{PerformChangeOperation}, the undo change is added into the undo 
1055 history.
1056
1057 \section{Shortcomings}
1058 This section is introduced naturally with a conclusion: The JDT refactoring 
1059 implementation does not facilitate composition of refactorings. 
1060 \todo{refine}This section will try to explain why, and also identify other 
1061 shortcomings of both the usability and the readability of the JDT refactoring 
1062 source code.
1063
1064 I will begin at the end and work my way toward the composition part of this 
1065 section.
1066
1067 \subsection{Absence of Generics in Eclipse Source Code}
1068 This section is not only concerning the JDT refactoring API, but also large 
1069 quantities of the Eclipse source code. The code shows a striking absence of the 
1070 Java language feature of generics. It is hard to read a class' interface when 
1071 methods return objects or takes parameters of raw types such as \type{List} or 
1072 \type{Map}. This sometimes results in having to read a lot of source code to 
1073 understand what is going on, instead of relying on the available interfaces. In 
1074 addition, it results in a lot of ugly code, making the use of typecasting more 
1075 of a rule than an exception.
1076
1077 \subsection{Composite Refactorings Will Not Appear as Atomic Actions}
1078
1079 \subsubsection{Missing Flexibility from JDT Refactorings}
1080 The JDT refactorings are not made with composition of refactorings in mind. When 
1081 a JDT refactoring is executed, it assumes that all conditions for it to be 
1082 applied successfully can be found by reading source files that has been 
1083 persisted to disk. They can only operate on the actual source material, and not 
1084 (in-memory) copies thereof. This constitutes a major disadvantage when trying to 
1085 compose refactorings, since if an exception occur in the middle of a sequence of 
1086 refactorings, it can leave the project in a state where the composite 
1087 refactoring was executed only partly. It makes it hard to discard the changes 
1088 done without monitoring and consulting the undo manager, an approach that is not 
1089 bullet proof.
1090
1091 \subsubsection{Broken Undo History}
1092 When designing a composed refactoring that is to be performed as a sequence of 
1093 refactorings, you would like it to appear as a single change to the workspace.  
1094 This implies that you would also like to be able to undo all the changes done by 
1095 the refactoring in a single step. This is not the way it appears when a sequence 
1096 of JDT refactorings is executed. It leaves the undo history filled up with 
1097 individual undo actions corresponding to every single JDT refactoring in the 
1098 sequence. This problem is not trivial to handle in Eclipse.  
1099 \See{hacking_undo_history}
1100
1101 \section{Wishful Thinking}
1102
1103
1104 \chapter{Composite Refactorings in Eclipse}
1105
1106 \section{A Simple Ad Hoc Model}
1107 As pointed out in \myref{ch:jdt_refactorings}, the Eclipse JDT refactoring model 
1108 is not very well suited for making composite refactorings. Therefore a simple 
1109 model using changer objects (of type \type{RefaktorChanger}) is used as an 
1110 abstraction layer on top of the existing Eclipse refactorings.
1111
1112 \section{The Extract and Move Method Refactoring}
1113 %The Extract and Move Method Refactoring is implemented mainly using these 
1114 %classes:
1115 %\begin{itemize}
1116 %  \item \type{ExtractAndMoveMethodChanger}
1117 %  \item \type{ExtractAndMoveMethodPrefixesExtractor}
1118 %  \item \type{Prefix}
1119 %  \item \type{PrefixSet}
1120 %\end{itemize}
1121
1122 \subsection{The Building Blocks}
1123 This is a composite refactoring, and hence is built up using several primitive 
1124 refactorings. These basic building blocks are, as its name implies, the 
1125 \ExtractMethod refactoring\citing{refactoring} and the \MoveMethod 
1126 refactoring\citing{refactoring}. In Eclipse, the implementations of these 
1127 refactorings are found in the classes 
1128 \typewithref{org.eclipse.jdt.internal.corext.refactoring.code}{ExtractMethodRefactoring} 
1129 and 
1130 \typewithref{org.eclipse.jdt.internal.corext.refactoring.structure}{MoveInstanceMethodProcessor}, 
1131 where the last class is designed to be used together with the processor-based 
1132 \typewithref{org.eclipse.ltk.core.refactoring.participants}{MoveRefactoring}.
1133
1134 \subsubsection{The ExtractMethodRefactoring Class}
1135 This class is quite simple in its use. The only parameters it requires for 
1136 construction is a compilation 
1137 unit\typeref{org.eclipse.jdt.core.ICompilationUnit}, the offset into the source 
1138 code where the extraction shall start, and the length of the source to be 
1139 extracted. Then you have to set the method name for the new method together with 
1140 which access modifier that shall be used and some not so interesting parameters.
1141
1142 \subsubsection{The MoveInstanceMethodProcessor Class}
1143 For the Move Method the processor requires a little more advanced input than  
1144 the class for the Extract Method. For construction it requires a method 
1145 handle\typeref{org.eclipse.jdt.core.IMethod} from the Java Model for the method 
1146 that is to be moved. Then the target for the move have to be supplied as the 
1147 variable binding from a chosen variable declaration. In addition to this, one 
1148 have to set some parameters regarding setters/getters and delegation.
1149
1150 To make a whole refactoring from the processor, one have to construct a 
1151 \type{MoveRefactoring} from it.
1152
1153 \subsection{The ExtractAndMoveMethodChanger Class}
1154 The \typewithref{no.uio.ifi.refaktor.changers}{ExtractAndMoveMethodChanger} 
1155 class, that is a subclass of the class 
1156 \typewithref{no.uio.ifi.refaktor.changers}{RefaktorChanger}, is the class 
1157 responsible for composing the \type{ExtractMethodRefactoring} and the 
1158 \type{MoveRefactoring}. Its constructor takes a project 
1159 handle\typeref{org.eclipse.core.resources.IProject}, the method name for the new 
1160 method and a \typewithref{no.uio.ifi.refaktor.utils}{SmartTextSelection}.
1161
1162 A \type{SmartTextSelection} is basically a text 
1163 selection\typeref{org.eclipse.jface.text.ITextSelection} object that enforces 
1164 the providing of the underlying document during creation. I.e. its 
1165 \methodwithref{no.uio.ifi.refaktor.utils.SmartTextSelection}{getDocument} method 
1166 will never return \type{null}.
1167
1168 Before extracting the new method, the possible targets for the move operation is 
1169 found with the help of an
1170 \typewithref{no.uio.ifi.refaktor.extractors}{ExtractAndMoveMethodPrefixesExtractor}.  
1171 The possible targets is computed from the prefixes that the extractor returns 
1172 from its
1173 \methodwithref{no.uio.ifi.refaktor.extractors.ExtractAndMoveMethodPrefixesExtractor}{getSafePrefixes} 
1174 method. The changer then choose the most suitable target by finding the most 
1175 frequent occurring prefix among the safe ones. The target is the type of the 
1176 first part of the prefix.
1177
1178 After finding a suitable target, the \type{ExtractAndMoveMethodChanger} first 
1179 creates an \type{ExtractMethodRefactoring} and performs it as explained in 
1180 \myref{executing_refactoring} about the execution of refactorings. Then it 
1181 creates and performs the \type{MoveRefactoring} in the same way, based on the 
1182 changes done by the Extract Method refactoring.
1183
1184 \subsection{The ExtractAndMoveMethodPrefixesExtractor Class}
1185 This extractor extracts properties needed for building the Extract and Move 
1186 Method refactoring. It searches through the given selection to find safe 
1187 prefixes, and those prefixes form a base that can be used to compute possible 
1188 targets for the move part of the refactoring.  It finds both the candidates, in 
1189 the form of prefixes, and the non-candidates, called unfixes. All prefixes (and 
1190 unfixes) are represented by a 
1191 \typewithref{no.uio.ifi.refaktor.extractors}{Prefix}, and they are collected 
1192 into prefix sets.\typeref{no.uio.ifi.refaktor.extractors.PrefixSet}. 
1193
1194 The prefixes and unfixes are found by property 
1195 collectors\typeref{no.uio.ifi.refaktor.extractors.collectors.PropertyCollector}.  
1196 A property collector follows the visitor pattern\citing{designPatterns} and is 
1197 of the \typewithref{org.eclipse.jdt.core.dom}{ASTVisitor} type.  An 
1198 \type{ASTVisitor} visits nodes in an abstract syntax tree that forms the Java 
1199 document object model. The tree consists of nodes of type 
1200 \typewithref{org.eclipse.jdt.core.do}{ASTNode}.
1201
1202 \subsubsection{The PrefixesCollector}
1203 The \typewithref{no.uio.ifi.refaktor.extractors.collectors}{PrefixesCollector} 
1204 is of type \type{PropertyCollector}. It visits expression 
1205 statements\typeref{org.eclipse.jdt.core.dom.ExpressionStatement} and creates 
1206 prefixes from its expressions in the case of method invocations. The prefixes 
1207 found is registered with a prefix set, together with all its sub-prefixes.
1208 \todo{Rewrite in the case of changes to the way prefixes are found}
1209
1210 \subsubsection{The UnfixesCollector}
1211 The \typewithref{no.uio.ifi.refaktor.extractors.collectors}{UnfixesCollector} 
1212 finds unfixes within the selection. An unfix is a name that is assigned to 
1213 within the selection. The reason that this cannot be allowed, is that the result 
1214 would be an assignment to the \type{this} keyword, which is not valid in Java.
1215
1216 \subsubsection{Computing Safe Prefixes}
1217 A safe prefix is a prefix that does not enclose an unfix. A prefix is enclosing 
1218 an unfix if the unfix is in the set of its sub-prefixes. As an example, 
1219 \texttt{``a.b''} is enclosing \texttt{``a''}, as is \texttt{``a''}. The safe 
1220 prefixes is unified in a \type{PrefixSet} and can be fetched calling the 
1221 \method{getSafePrefixes} method of the 
1222 \type{ExtractAndMoveMethodPrefixesExtractor}.
1223
1224 \subsection{The Prefix Class}
1225 \todo{?}
1226 \subsection{The PrefixSet Class}
1227
1228 \subsection{Hacking the Refactoring Undo 
1229 History}\label{hacking_undo_history}
1230 \todo{Where to put this section?}
1231
1232 As an attempt to make multiple subsequent changes to the workspace appear as a 
1233 single action (i.e. make the undo changes appear as such), I tried to alter 
1234 the undo changes\typeref{org.eclipse.ltk.core.refactoring.Change} in the history 
1235 of the refactorings.  
1236
1237 My first impulse was to remove the, in this case, last two undo changes from the 
1238 undo manager\typeref{org.eclipse.ltk.core.refactoring.IUndoManager} for the 
1239 Eclipse refactorings, and then add them to a composite 
1240 change\typeref{org.eclipse.ltk.core.refactoring.CompositeChange} that could be 
1241 added back to the manager. The interface of the undo manager does not offer a 
1242 way to remove/pop the last added undo change, so a possible solution could be to 
1243 decorate\citing{designPatterns} the undo manager, to intercept and collect the 
1244 undo changes before delegating to the \method{addUndo} 
1245 method\methodref{org.eclipse.ltk.core.refactoring.IUndoManager}{addUndo} of the 
1246 manager. Instead of giving it the intended undo change, a null change could be 
1247 given to prevent it from making any changes if run. Then one could let the 
1248 collected undo changes form a composite change to be added to the manager.
1249
1250 There is a technical challenge with this approach, and it relates to the undo 
1251 manager, and the concrete implementation 
1252 UndoManager2\typeref{org.eclipse.ltk.internal.core.refactoring.UndoManager2}.  
1253 This implementation is designed in a way that it is not possible to just add an 
1254 undo change, you have to do it in the context of an active 
1255 operation\typeref{org.eclipse.core.commands.operations.TriggeredOperations}.  
1256 One could imagine that it might be possible to trick the undo manager into 
1257 believing that you are doing a real change, by executing a refactoring that is 
1258 returning a kind of null change that is returning our composite change of undo 
1259 refactorings when it is performed.
1260
1261 Apart from the technical problems with this solution, there is a functional 
1262 problem: If it all had worked out as planned, this would leave the undo history 
1263 in a dirty state, with multiple empty undo operations corresponding to each of 
1264 the sequentially executed refactoring operations, followed by a composite undo 
1265 change corresponding to an empty change of the workspace for rounding of our 
1266 composite refactoring. The solution to this particular problem could be to 
1267 intercept the registration of the intermediate changes in the undo manager, and 
1268 only register the last empty change.
1269
1270 Unfortunately, not everything works as desired with this solution. The grouping 
1271 of the undo changes into the composite change does not make the undo operation 
1272 appear as an atomic operation. The undo operation is still split up into 
1273 separate undo actions, corresponding to the change done by its originating
1274 refactoring. And in addition, the undo actions has to be performed separate in 
1275 all the editors involved. This makes it no solution at all, but a step toward 
1276 something worse.
1277
1278 There might be a solution to this problem, but it remains to be found. The 
1279 design of the refactoring undo management is partly to be blamed for this, as it 
1280 it is to complex to be easily manipulated.
1281
1282
1283
1284 \chapter{Related Work}
1285
1286 \section{The compositional paradigm of refactoring}
1287 This paradigm builds upon the observation of Vakilian et 
1288 al.\citing{vakilian2012}, that of the many automated refactorings existing in 
1289 modern IDEs, the simplest ones are dominating the usage statistics. The report 
1290 mainly focuses on \emph{Eclipse} as the tool under investigation.
1291
1292 The paradigm is described almost as the opposite of automated composition of 
1293 refactorings \see{compositeRefactorings}. It works by providing the programmer 
1294 with easily accessible primitive refactorings. These refactorings shall be 
1295 accessed via keyboard shortcuts or quick-assist menus\footnote{Think 
1296 quick-assist with Ctrl+1 in Eclipse} and be promptly executed, opposed to in the 
1297 currently dominating wizard-based refactoring paradigm. They are ment to 
1298 stimulate composing smaller refactorings into more complex changes, rather than 
1299 doing a large upfront configuration of a wizard-based refactoring, before 
1300 previewing and executing it. The compositional paradigm of refactoring is 
1301 supposed to give control back to the programmer, by supporting \himher with an 
1302 option of performing small rapid changes instead of large changes with a lesser 
1303 degree of control. The report authors hope this will lead to fewer unsuccessful 
1304 refactorings. It also could lower the bar for understanding the steps of a 
1305 larger composite refactoring and thus also help in figuring out what goes wrong 
1306 if one should choose to op in on a wizard-based refactoring.
1307
1308 Vakilian and his associates have performed a survey of the effectiveness of the 
1309 compositional paradigm versus the wizard-based one. They claim to have found 
1310 evidence of that the \emph{compositional paradigm} outperforms the 
1311 \emph{wizard-based}. It does so by reducing automation, which seem 
1312 counterintuitive. Therefore they ask the question ``What is an appropriate level 
1313 of automation?'', and thus questions what they feel is a rush toward more 
1314 automation in the software engineering community.
1315
1316
1317 \backmatter{}
1318 \printbibliography
1319 \listoftodos
1320 \end{document}