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\title{Evaluation von Zustandsverwaltungssystemen für das mobile Cross-Plattform-Framework Flutter}
\subtitle{Kolloquium}
\date{22.~April~2022}
\author{Jonas Franz}
\institute{Hochschule Darmstadt -- Fachbereich Informatik\\Kooperativer Studiengang Informatik\\Referent: Prof. Dr. Kai Renz\\Koreferent: Prof. Dr. Hans-Peter Wiedling}
\begin{document}
\maketitle
\section{Einführung}
\begin{frame}{Ziel der Arbeit}
\begin{itemize}
\item Die Zustandsverwaltung ist ein entscheidender Aspekt einer Flutter-Anwendung
\item Fragestellung: Wie lässt sich der Zustand einer Flutter-Anwendung am besten verwalten?
\item Welcher Lösungsansatz ist am beste für verschiedene Anwendungsfälle geeignet?
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}{Vorgehen}
\begin{enumerate}
\item Recherche zu bestehenden Zustandsverwaltungssystemen
\item Konstruktion von Anforderungen
\item Ableitung von Bewertungskriterien
\item Erstellung eines Versuchsaufbaus
\item Durchführung und Bewertung
\end{enumerate}
\end{frame}
\section{Grundlagen}
\begin{frame}{Grundlagen}
\begin{itemize}
\item Was ist die Aufgabe der Zustandsverwaltung in Flutter?
\item Was ist Flutter?
\item Wie funktioniert Flutter?
\item Welche Zustandsverwaltungssystem werden evaluiert?
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}{Aufgabe der Zustandsverwaltung}
\foreignblockcquote{american}[Kap.8.1.2]{flutterInAction}{State management is a combination of passing data around the app, but also re-rendering pieces of your app at the right time.}
\foreignblockcquote{american}[Kap.1]{managingStateInFlutter}{State management is simply a technique, or multiple techniques, used to take care of the changes that occur in your application.}
\end{frame}
\begin{frame}{Aufgabe der Zustandsverwaltung}
\begin{itemize}
\item Verwaltung von Änderungen in der App
\item Neu Rendern von Widgets zur richtigen Zeit
\item Verteilung von Daten innerhalb der App
\item Aufteilung in verschieden Zustandsebenen \autocite{appState}
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}{Was ist Flutter?}
\begin{itemize}
\item Flutter ist ein Cross-Plattform-Framework zur Entwicklung von Anwendungen für diverse Plattformen wie iOS und Android \autocite{flutterSupportedPlatforms}
\item Ein Quelltext-Basis für alle Plattformen
\item Ziel: Reduzierung des Aufwands bei der Entwicklung
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}{Wie funktioniert Flutter?}
\begin{columns}[onlytextwidth,T]
\column{\dimexpr\linewidth-50mm-3mm}
\begin{itemize}
\item Flutter ist ein deklaratives UI-Toolkit
\item $\Rightarrow$ Es wird nur eine \textquote{Bauanleitung} für verschiedene Zustände definiert
\item Die Benutzeroberfläche wird anhand von sogenannten Widgets zusammengesetzt
\item $\Rightarrow$ Es entsteht eine Baumstruktur aus verschiedenen Widgets
\end{itemize}
\column{50mm}
\begin{figure}
\includegraphics[width=50mm]{../chapters/basics/flutter_tree.png}
\caption{Flutter Widget-Tree (eigene Darstellung)}
\end{figure}
\end{columns}
\end{frame}
\begin{frame}{Widgets in Flutter}
\begin{itemize}
\item \textcquote[Kap.1.9]{flutterInAction}{Everything is a widget}
\item \texttt{StatelessWidget}
\begin{itemize}
\item kein eigener Zustand
\item Zustand wird über Konstruktorparameter übergeben
\end{itemize}
\item \texttt{StatefulWidget}
\begin{itemize}
\item Verwaltet eigenen Zustand
\item kann eigenen Zustand selbstständig verändern
\end{itemize}
\item \texttt{InheritedWidget}
\begin{itemize}
\item andere Widgets können auf den Zustand zugreifen
\item zugreifende Widgets ändern sich, falls sich der Zustand
\item eigener Zustand kann nicht selbstständig verändert werden
\end{itemize}
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}{Zustandsverwaltungssysteme}
\begin{itemize}
\item Mitgelieferte Werkzeuge:
\begin{itemize}
\item setState
\item InheritedWidget
\end{itemize}
\item Pattern:
\begin{itemize}
\item Business Logic Components (BLoC)
\end{itemize}
\item Bibliotheken aufbauend auf dem Provider-Prinzip
\begin{itemize}
\item Provider
\item Riverpod
\end{itemize}
\item Ansätze aus dem React-Ökosystem
\begin{itemize}
\item Redux
\item MobX
\end{itemize}
\end{itemize}
\end{frame}
\section{Bewertungskriterien}
\begin{frame}{Anforderungen und Metriken}
\begin{table}
\centering
\begin{tabular}{c|c}
\hline
\textbf{Anforderung} & \textbf{Metrik} \\
\hline
\hline
Änderbarkeit / Skalierbarkeit & qualitativ \\
\hline
Testbarkeit & qualitativ \\
\hline
Effizienz & Anzahl der Neubauten \\
\hline
Komplexität / Wartbarkeit & Maintainability-Index \\
\hline
Verständlichkeit / Lesbarkeit & qualitativ\\
\hline
Dokumentierung & qualitativ \\
\hline
Strukturbestimmung & qualitativ\\
\end{tabular}
\end{table}
\end{frame}
\section{Versuchsaufbau}
\begin{frame}{Versuchsaufbau}
\begin{itemize}
\item Implementierung einer Beispiel-Anwendung
\item Ziel: Grundlage für die Evaluation anhand der Bewertungskriterien
\item Maintainability Index wird automatisiert erfasst
\item Die Effizienz wird über eine automatisierte Teststrecke gemessen
\begin{itemize}
\item zwei Messstellen: Warenkorb-Button und Anmeldeschalter
\end{itemize}
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}{Beispielanwendung}
\begin{figure}[h]%
\centering
\subfloat[\centering Produktliste]{{\includegraphics[width=.2\linewidth]{../chapters/realisation/product_list.png} }}%
\qquad
\subfloat[\centering Warenkorb]{{\includegraphics[width=.2\linewidth]{../chapters/realisation/cart.png} }}%
\caption{Umsetzung der Wireframes in Flutter unter iOS}%
\label{fig:realisation}%
\end{figure}
\end{frame}
\section{Ergebnisse}
\begin{frame}
\newcommand{\cmark}{\ding{51}}%
\newcommand{\xmark}{\ding{55}}%
\begin{longtable}[]{@{}l|ccccccc@{}}
Zustandsverwaltung & \rot{Änderbarkeit/Skalierbarkeit} & \rot{Testbarkeit} &
\rot{Effizienz} & \rot{Komplexität/Wartbarkeit} & \rot{Verständlichkeit/Lesbarkeit} &
\rot{Dokumentierung} & \rot{Strukturbestimmung} \\
\midrule
\endhead
ohne Zustandsverwaltung & n. a. & n. a. & 1;2 & 83 & n. a. & n. a. & n.a. \\
\tikzmarkin<2>[hl]{a}setState & \multicolumn{7}{c}{nicht umsetzbar}\tikzmarkend{a} \\
Inherited\-Widget & / & \tikzmarkin<4>[hl]{c}/\tikzmarkend{c} & 8;6 & 83 & \tikzmarkin<3-4,7>[hl]{b}\xmark\tikzmarkend{b} & / & \xmark \\
BLoC & \cmark & \cmark & 8;4 & 82 & \tikzmarkin<5-6>[hl]{d}\xmark\tikzmarkend{d} & \cmark & \tikzmarkin<6>[hl]{e}/\tikzmarkend{e} \\
Provider & \tikzmarkin<8>[hl]{g}/\tikzmarkend{g} & \cmark & 3;4 & 83 & \tikzmarkin<7>[hl]{f}/\tikzmarkend{f} & \cmark & \xmark \\
Riverpod & \tikzmarkin<8>[hl]{h}\cmark\tikzmarkend{h} & \cmark & 3;4 & 80 & \cmark & \cmark & \xmark \\
Redux & \tikzmarkin<9-10>[hl]{i}\xmark\tikzmarkend{i} & / & 8;10 & 82 & / & \cmark & \tikzmarkin<10>[hl]{j}\cmark\tikzmarkend{j} \\
MobX & \tikzmarkin<11>[hl]{k}\cmark\tikzmarkend{k} & \cmark & 4;4 & 83 & \cmark & \cmark & / \\
\end{longtable}
\end{frame}
\section{Fazit}
\begin{frame}{Zusammenfassung}
\begin{itemize}
\item Fast alle Systeme konnten evaluiert werden
\item Metriken waren größtenteils aufschlussreich
\item Riverpod und MobX haben die besten Bewertungen erzielt
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}{Empfehlungen}
\begin{itemize}
\item Große Anwendungen: MobX
\item Mittelgroße Anwendungen: Riverpod
\item Kleine Anwendungen: InheritedWidget / Provider
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}[noframenumbering,plain,allowframebreaks]{Quellen}
\AtNextBibliography{\tiny}
\printbibliography[heading=none]
\end{frame}
\backupbegin
\appendix
\begin{frame}{Änderbarkeit / Skalierbarkeit}
\begin{itemize}
\item Umgang mit wachsender Größe von Zuständen
\item Effektive Vernüpfung verschiedener Zustände
\item Metrik: qualitativ (nicht-/teilweise-/vollständig erfüllt)
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}{Testbarkeit}
\begin{itemize}
\item Testbarkeit der Geschäftslogik
\item Widget-Tests von Widgets, die auf Zustände zugreifen
\item Metrik: qualitativ (nicht-/teilweise-/vollständig erfüllt)
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}{Effizienz}
\begin{itemize}
\item Wie effizient orchestriert das System das Neubauen von Widgets?
\item Einbau von Prüfstellen
\item Zählen der Widget-Neubauten an den Prüfstellen
\item Metrik: Anzahl der Neubauten (kleiner ist besser)
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}{Komplexität / Wartbarkeit}
\begin{itemize}
\item Messung anhand von Quelltext-Metriken
\item Verwendung des Maintainability-Index
\item Kombiniert verschiedene Metriken \autocite[133]{mi}
\begin{itemize}
\item Halstead-Volumen
\item Zyklomatische Komplexität
\item Anzahl der Quelltextzeilen
\end{itemize}
\item Ergebnis wird auf eine Skala von 0 bis 100 abgebildet (größer ist besser)
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}{Verständlichkeit / Lesbarkeit}
\begin{itemize}
\item Werden neue Flutter-fremde Konzepte eingeführt?
\item Gibt es eine nachvollziehbare Struktur?
\item Wird der tiefen Verschachtelung von Widgets entgegengewirkt? (Nesting)
\item Metrik: qualitativ (nicht-/teilweise-/vollständig erfüllt)
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}{Dokumentierung}
\begin{itemize}
\item Gibt es eine Entwickler*innen-Dokumentation?
\item Werden die Grundkonzepte erläutert?
\item Gibt es umfangreiche Beispiele?
\item Metrik: qualitativ (nicht-/teilweise-/vollständig erfüllt)
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}{Strukturbestimmung}
\begin{itemize}
\item Macht das System Vorgaben an die Struktur / Architektur der Anwendung?
\item Werden diese technisch forciert?
\item Metrik: qualitativ (nicht-/teilweise-/vollständig erfüllt)
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}{setState}
\begin{itemize}
\item Verwendung des \texttt{StatefulWidget} zum Speichern des Zustands
\item Umsetzung der Beispielanwendung war nicht möglich, da ein Zustand nicht über mehrere Seiten hinweg konsistent gehalten werden konnte
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}{InheritedWidget}
\begin{itemize}
\item Verwendung des \texttt{InheritedWidget} zum Speichern des Zustands
\item Verwendung von \texttt{StatefulWidget}s zum aktualiseren des \texttt{InheritedWidget}
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}{Ergebnisse: InheritedWidget}
\begin{table}
\centering
\begin{tabular}{cc}
\hline
Metrik & Ergebnis \\
\hline
Änderbarkeit/Skalierbarkeit & teilweise erfüllt \\
Testbarkeit & teilweise erfüllt \\
Effizienz & Warenkorb-Button: 8; Anmeldeschalter: 6 \\
Komplexität/Wartbarkeit & 83 \\
Verständlichkeit/Lesbarkeit & nicht erfüllt \\
Dokumentierung & teilweise erfüllt \\
Strukturbestimmung & nicht erfüllt\\
\hline
\end{tabular}
\end{table}
\end{frame}
\begin{frame}{Business Logic Components (BLoC)}
\begin{itemize}
\item Komplette Trennung von Geschäftslogik und Benutzeroberfläche \autocite[17]{Faust}
\item Änderungen und Lesen eines Zustands nur über Streams und Sinks
\item Keine Abhängigkeiten zur Benutzeroberfläche
\item Kein Plattformabhängiger Quelltext in den Zuständen (BLoCs) \autocite{blocTalk}
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}{Ergebnisse: BLoC}
\begin{table}
\centering
\begin{tabular}{cc}
\hline
Metrik & Ergebnis \\
\hline
Änderbarkeit/Skalierbarkeit & vollständig erfüllt \\
Testbarkeit & vollständig erfüllt \\
Effizienz & Warenkorb-Button: 8; Anmeldeschalter: 4 \\
Komplexität/Wartbarkeit & 82 \\
Verständlichkeit/Lesbarkeit & nicht erfüllt \\
Dokumentierung & vollständig erfüllt \\
Strukturbestimmung & teilweise erfüllt\\
\hline
\end{tabular}
\end{table}
\end{frame}
\begin{frame}{Provider}
\begin{itemize}
\item Bibliothek basierend auf InheritedWidgets
\item Nutzung von u.a. ChangeNotifier für Zustandsklassen \autocite{stateManagementThesis}
\item Vereinfachung der Erstellung und Benutzung von Zustandsklassen
\item Zugriff auf Zustände via Generic (z.B. \texttt{Provider.of<UserStore>(context)})
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}{Ergebnisse: Provider}
\begin{table}
\centering
\begin{tabular}{cc}
\hline
Metrik & Ergebnis \\
\hline
Änderbarkeit/Skalierbarkeit & teilweise erfüllt \\
Testbarkeit & vollständig erfüllt \\
Effizienz & Warenkorb-Button: 3; Anmeldeschalter: 4 \\
Komplexität/Wartbarkeit & 83 \\
Verständlichkeit/Lesbarkeit & teilweise erfüllt \\
Dokumentierung & vollständig erfüllt \\
Strukturbestimmung & nicht erfüllt\\
\hline
\end{tabular}
\end{table}
\end{frame}
\begin{frame}{Riverpod}
\begin{itemize}
\item Bibliothek erweitert den Provider-Ansatz
\item Einführung des StateNotifier für die Zustandsklassen
\begin{itemize}
\item Trennung von Zustandsdaten und Zustandslogik
\end{itemize}
\item Zugriff auf Zustände über globale Variablen
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}{Ergebnisse: Riverpod}
\begin{table}
\centering
\begin{tabular}{cc}
\hline
Metrik & Ergebnis \\
\hline
Änderbarkeit/Skalierbarkeit & vollständig erfüllt \\
Testbarkeit & vollständig erfüllt \\
Effizienz & Warenkorb-Button: 3; Anmeldeschalter: 4 \\
Komplexität/Wartbarkeit & 80 \\
Verständlichkeit/Lesbarkeit & vollständig erfüllt \\
Dokumentierung & vollständig erfüllt \\
Strukturbestimmung & nicht erfüllt\\
\hline
\end{tabular}
\end{table}
\end{frame}
\begin{frame}{Redux}
\begin{itemize}
\item Ansatz stammt aus dem React-Ökosystem
\item Ein Zustand für die gesamte Anwendung
\item Der Gesamtzustand (Store) ist unveränderlich
\item Der Store kann nur durch Reducer ersetzt werden \autocite[Kap.1.3.2f]{redux}
\end{itemize}
\begin{figure}
\includegraphics[width=\textwidth]{../chapters/basics/reduxflow.jpg}
\caption{Datenfluss in Redux \autocite[Kap.1.3.3]{redux}}
\end{figure}
\end{frame}
\begin{frame}{Ergebnisse: Redux}
\begin{table}
\centering
\begin{tabular}{cc}
\hline
Metrik & Ergebnis \\
\hline
Änderbarkeit/Skalierbarkeit & nicht erfüllt \\
Testbarkeit & teilweise erfüllt \\
Effizienz & Warenkorb-Button: 8; Anmeldeschalter: 10 \\
Komplexität/Wartbarkeit & 82 \\
Verständlichkeit/Lesbarkeit & teilweise erfüllt \\
Dokumentierung & vollständig erfüllt \\
Strukturbestimmung & vollständig erfüllt\\
\hline
\end{tabular}
\end{table}
\end{frame}
\begin{frame}{MobX}
\begin{itemize}
\item Ansatz stammt ebenfalls aus dem React-Ökosystem
\item Ziel: Vereinfachung von Ableitungen von Informationen aus dem Anwendungs-Zustand
\end{itemize}
\end{frame}
\begin{frame}{MobX: Grundkonzepte}
\begin{columns}
\column{\dimexpr\linewidth-80mm-18mm}
\blockcquote[130]{mobx}{\begin{itemize}\item Observables [...]
\item Computed Values [...]
\item Reactions [...]
\item Actions [...]
\end{itemize}}
\column{80mm}
\begin{figure}
\includegraphics[width=80mm]{mobx.png}
\caption{Ablaufdiagramm \autocite{mobxDocs}}
\end{figure}
\end{columns}
\end{frame}
\begin{frame}{Ergebnisse: MobX}
\begin{table}
\centering
\begin{tabular}{cc}
\hline
Metrik & Ergebnis \\
\hline
Änderbarkeit/Skalierbarkeit & vollständig erfüllt \\
Testbarkeit & vollständig erfüllt \\
Effizienz & Warenkorb-Button: 4; Anmeldeschalter: 4 \\
Komplexität/Wartbarkeit & 83 \\
Verständlichkeit/Lesbarkeit & vollständig erfüllt \\
Dokumentierung & vollständig erfüllt \\
Strukturbestimmung & teilweise erfüllt\\
\hline
\end{tabular}
\end{table}
\end{frame}
\backupend
\end{document}