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