Mobile Applications: Design, Development and Optimization

669 Pages·2022·16.89 MB·English

by  Tejinder S. Randhawa

Tejinder S. Randhawa
Mobile
Applications
Design, Development and Optimization
Mobile Applications
Tejinder S. Randhawa
Mobile Applications
Design, Development and Optimization
Tejinder S. Randhawa
Mobile NewMedia Ltd.
Surrey, BC, Canada
British Columbia Institute of Technology
Burnaby, BC, Canada
ISBN 978-3-030-02389-8 ISBN 978-3-030-02391-1 (eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-030-02391-1
© Springer Nature Switzerland AG 2022
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Preface
To facilitate critical operations anytime and anywhere, from the palm of the user,
mobile applications need to maneuver through the resource constraints of the unte-
thered handheld personal devices along with the uncertainties of the mobile envi-
ronments. From the time a mobile app is incepted and its role for the intended end
users envisaged up until it is developed and eventually put to use, a misstep could
result in a mobile app costing user a serious setback as opposed to being a user’s
indispensable possession. Bridging the study of software engineering with software
quality assurance strategies, this book facilitates hands-on training of the design,
development, and optimization of mobile applications.
Signifying the influence of software process models in molding the mobile app
to perfection, Chap. 1 exemplifies behavior-driven development of a mobile appli-
cation and demonstrates effectual adoption of accompanying software engineering
practices for reference purposes as well as further comparative analysis. Chapter 2
provides the needed technical know-how to transform idea of a mobile application
into fully functioning code. Chapter 3 presents the metrics, test-beds, and analytical
models to gauge the quality of the developed mobile application and identify areas
for improvement. Chapters 4, 5, 6, 7, 8, 9, and 10 follow this up by presenting strate-
gies to address deficiencies in the quality of the mobile applications observed and
located during their quality assessment.
This book is intended for software developers, software QA engineers and stu-
dents of computer systems alike. For software developers, in addition to helping
exercise and hone their GUI development, database, network, and systems program-
ming skills, the book creates an opportunity to practice their programming skills not
only in creating feature-rich mobile apps but also in implementing solutions that can
withstand scrutiny of their QA teams. For software QA engineers, the book lays the
groundwork to establish sound quality evaluation and assurance processes for
mobile applications. By shedding light on the implementation details and conduct-
ing in-depth analysis of quality assurance solutions, the book guides software QA
v
vi Preface
engineers on where to look for any possible compromises with the quality of the
mobile apps. For students of computer systems, the book acts as a manual on how
to apply fundamental knowledge of operating systems, database systems, network
protocols, UI/UX design, and rich media when creating mobile applications that
provide critical functionality for the real world.
Burnaby, BC, Canada Tejinder S. Randhawa
Contents
1 Software Life Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Process Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Functional Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1 User Stories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 UML Use Case Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.3 Software Requirements Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 Non-functional Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Test-Driven Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.1 Acceptance Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.2 Unit Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.5 Continuous Integration and Delivery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.5.1 Software Configuration Management . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1.5.2 Build Automation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Lab Assignments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2 Development Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.1 Graphical User Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.1.1 GUI Objects and Layouts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.1.2 Event Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.1.3 Redirection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.2 Data Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.2.1 Key-Value Pairs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.2.2 Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.2.3 Database Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.2.4 Personal Data Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.3 Data Connectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.3.1 Web Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.3.2 Short Message Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
vii
viii Contents
2.4 Concurrency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2.4.1 Threads and Asynchronous Tasks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.4.2 Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
2.5 Location and Sensor APIs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Lab Assignments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3 Software Quality Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.1 Functional Requirements Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.1.1 Equivalence Class Partitioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.1.2 Boundary Value Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.1.3 Domain Test Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.2 Maintainability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.2.1 Sub-characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.2.2 Maintainability Measures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.3 Usability and Accessibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.3.1 Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.3.2 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.4 Performance Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
3.4.1 Latency Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
3.4.2 GUI Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
3.4.3 Memory Usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
3.4.4 Network Usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
3.4.5 Battery Usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
3.5 Scalability Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
3.5.1 Scalability Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
3.5.2 Load Test Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
3.6 Reliability Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
3.6.1 Growth Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
3.6.2 Fault Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
3.6.3 Operational Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
3.6.4 Reliability Test Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
3.7 Availability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
3.7.1 Availability Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
3.7.2 Stress Test Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
3.8 Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
3.8.1 FMEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
3.8.2 FTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
3.9 Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
3.9.1 Vulnerabilities and Threat Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
3.9.2 Security Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
3.10 Static Code Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Contents ix
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Lab Assignments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
4 Maintainability and Multi-platform Development . . . . . . . . . . . . . . . 189
4.1 Software Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
4.1.1 Programming Paradigms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
4.1.2 Design Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
4.1.3 Architectural Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
4.2 Design Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
4.2.1 Structural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
4.2.2 Behavioral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
4.3 Multi-platform Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
4.3.1 Native Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
4.3.2 Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
4.3.3 Cross-Platform Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
Lab Assignments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
5 User Interaction Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
5.1 Multimodality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
5.1.1 Touch Gestures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
5.1.2 Motion Gestures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
5.1.3 Verbal Gestures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
5.1.4 Visual Gestures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
5.1.5 Accessibility Frameworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
5.2 Navigation Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
5.3 Dashboards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
5.4 Custom GUI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
5.5 Animated GUI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
Lab Assignments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
6 Performance Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
6.1 Data Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
6.1.1 Lossless Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
6.1.2 Lossy Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
6.2 Data I/O Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
6.2.1 File System I/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
6.2.2 Network I/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
6.3 Rendering Pipelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
6.3.1 Animation Rendering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
x Contents
6.3.2 Video Rendering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
6.3.3 Augmented Reality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
6.3.4 Hardware Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
6.4 Parallel Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
6.4.1 Thread Priority . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
6.4.2 Data Parallel Computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
Lab Assignments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
7 Scalability Provisioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
7.1 Scalable Media Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
7.2 Scalable Local Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
7.2.1 Data Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
7.2.2 Data Structures and Query Plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
7.2.3 Location Queries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
7.3 Scalable Design Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
7.3.1 Data Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
7.3.2 Event Notifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
7.4 GUI Scalability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
Lab Assignments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
8 Reliability Assurance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
8.1 Thread-Safe Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
8.1.1 Serializing GUI Updates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
8.1.2 Serializing Shared Memory Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
8.1.3 Thread Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
8.2 Memory Leaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
8.3 Reliable Persistent Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
8.3.1 Isolation and Consistency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
8.3.2 Atomicity and Durability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
8.3.3 Sharded Persistent Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
8.4 Data Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
8.4.1 Input Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
8.4.2 Integrity Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
8.5 Stateful Data Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
Review Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
Lab Assignments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514