Технологии, модели и процессы создания ПО

Терминология Программное обеспечение (ПО) – компьютерные программы и соответствующая документация.

Разрабатывается по частному заказу или для продажи на рынке ПО.

Инженерия ПО – инженерная дисциплина, охватывающая все аспекты разработки ПО.

Системотехника (технология создания вычислительных систем) – дисциплина, охватывающая все аспекты создания и модернизации сложных вычислительных систем, где программное обеспечение играет ведущую роль. Сюда можно отнести технологии создания аппаратных средств, создание вычислительных процессов, развертывание всей системы, а также технологию создания непосредственно ПО.

Процесс создания ПО – совокупность процессов, приводящих к созданию программного продукта. Фундаментальные процессы, присущие любому проекту создания ПО:

- Разработка спецификации требований на ПО (Определяют функциональные характеристики системы и обязательны для выполнения).

- Создание программного обеспечения (создание ПО согласно спецификации).

- Аттестация ПО (Созданное ПО должно пройти аттестацию для подтверждения соответствию требованиям заказчика).

- Модернизация ПО (совершенствование ПО согласно измененным требованиям потребителя).

Модель процесса создания ПО – последовательность этапов, необходимых для разработки создаваемого ПО.

Рис. 1 – Распределения затрат при разработке ПО

Модели процесса разработки ПО:

1. Каскадная модель

2. Эволюционная модель

3. Формальное преобразование

4. Сборка программных продуктов из ранее созданных компонентов (модель сборки)

5. Итерационная (спиральная) модель

Методы создания ПО представляют собой структурный подход к созданию ПО, который способствует производству ПО эффективным, с экономической точки зрения, способом.

Все методы основаны на использовании моделей системы в качестве спецификации ее структуры:

1. Функционально-ориентированные (структурный анализ, JSD, 70-е годы) основаны на определении основных функциональных компонент системы.

2. Объектно-ориентированные (Booch, Rumbaugh) используют подходы, основанные на использовании унифицированного языка моделирования UML.

Computer-Aided Software Engineering– автоматизированная разработка ПО.

Процессы создания ПО Базовые процессы создания ПО:

Разработка спецификации. Проектирование и реализация. Аттестация.

Эволюция.

Жизненный цикл ПО – совокупность процессов, протекающих от момента принятия решения о создании ПО до его полного вывода из эксплуатации.

Разработка требований к ПО

Анализ осуществимости Разработка требований - это процесс, включающий мероприятия, необходимые для создания и

утверждения документа, содержащего спецификацию системных требований. Различают четыре основных этапа процесса разработки требований:

- анализ технической осуществимости создания системы,

- формирование и анализ требований,

- специфицирование требований и создание соответствующей документации,

- аттестация этих требований.

Рис. 13 – Процесс формирования требований

Анализ осуществимости должен осветить следующие вопросы:

1. Отвечает ли система общим и бизнес-целям организации-заказчика и организации-разработчика?

2. Можно ли реализовать систему, используя существующие на данный момент техно¬логии и не выходя за пределы заданной стоимости?

3. Можно ли объдинить систему с другими системами, которые уже эксплуатируются?

Выполнение анализа осуществимости включает сбор и анализ информации о будущей системе, написание соответствующего отчета. Например, эту информацию можно получить, ответив на следующие вопросы:

1. Что произойдет с организацией, если система не будет введена в эксплуатацию?

2. Какие текущие проблемы существуют в организации и как новая система поможет их решить?

3. Каким образом система будет способствовать целям бизнеса?

4. Требует ли разработка системы технологии, которая до этого не использовалась в организации?

После обработки собранной информации готовится отчет по анализу осуществимости создания системы.

На этапе формирования и анализа требований команда разработчиков ПО работает с заказчиком и конечными пользователями системы для выяснения области применения, описания системных сервисов, определения режимов работы системы и ее характеристик выполнения, аппаратных ограничений и т.д.

Процесс формирования и анализа требований достаточно сложен по ряду причин: На требования к системе могут влиять политические факторы.

Лица, участвующие в формировании требований, выражают в этих требованиях собственные точки зрения, основываясь на личном опыте работы.

Лица участвующие в формировании требований, имеют различные предпочтения и могут выражать их разными способами. Разработчики должны определить все потенциальные источники требований и выделить общие и противоречивые требования.

Экономическая и бизнес-обстановка, в которой происходит формирование требований, неизбежно будет меняться в ходе выполнения этого процесса.

Лица, участвующие в формировании требований, часто не знают конкретно, чего они хотят от компьютерной системы.

Рис. 14 – Процесс формирования и анализа требований

Процесс формирования и анализа требований проходит через ряд этапов:

Анализ предметной области. Аналитики должны изучить предметную область, где будет эксплуатироваться система.

Сбор требований. Это процесс взаимодействия с лицами, формирующими требования. Во время этого процесса продолжается анализ предметной области.

Классификация требований. На этом этапе бесформенный набор требований преобразуется в логически связанные группы требовании.

Разрешение противоречий. Без сомнения, требования многочисленных лиц, занятых в процессе формирования требований, будут противоречивыми. На этом этапе определяются и разрешаются противоречия такого рода. Назначение приоритетов. В любом наборе требований одни из них будут более важны, чем другие. На этом этапе совместно с лицами, формирующими требования, определяются наиболее важные требования. Проверка требований. На этом этапе определяется их полнота, последовательность и непротиворечивость. Распространены три подхода к формированию требований: метод, основанный на множестве опорных точек зрения ,сценарии иэтнографический метод.

Другие подходы, которые могут использоваться в процессе разработки требований, - это методы структурного анализа и методы прототипирования.

Не существует универсального подхода к формированию и анализу требований. Обычно для разработки требований одновременно используется несколько подходов.

Метод опорных точек зрения

Различные точки зрения на проблему позволяют увидеть ее с разных сторон. Однако эти взгляды не являются полностью независимыми и обычно перекрывают друг друга, а потому могут служить основой общих требований.

Подход с использованием различных опорных точек зрения к разработке требований признает эти точки зрения и использует их в качестве основы построения и организации как процесса формирования требований, так и непосредственно самих требований.

Различные методы предлагают разные трактовки выражения "точка зрения". Точки зрения можно трактовать следующим образом:

Как источник информации о системных данных. В этом случае на основе опорных точек зрения строится модель создания и использования данных в системе. В процессе формирования требований отбираются все такие точки зрения, на их основе определяются данные, которые будут созданы или использованы при работе системы, и способы обработки этих данных.

Как получатели системных сервисов. В этом случае точки зрения являются внешними (относительно системы) получателями системных сервисов. Точки зрения помогают определить данные, необходимые для выполнения системных сервисов или их управления.

Наиболее эффективным подходом к анализу интерактивных систем является использование внешних опорных точек зрения. Эти точки зрения взаимодействуют с системой, получая от нее сервисы и продуцируя данные и управляющие сигналы.

Этот тип точек зрения имеет ряд преимуществ:

Точки зрения, внешние к системе, - естественный способ структурирования процесса формирования требований.

Сравнительно просто решить, какие точки зрения следует оставить в качестве опорных: они должны отображать какой-либо способ взаимодействия с системой.

Данный подход полезен для создания нефункциональных требований, с которыми можно связать какой-либо сервис.

Этнографический подход

Этнографический подход к формированию системных требований используется для понимания и формирования социальных и организационных аспектов эксплуатации системы. Разработчик требований погружается в рабочую среду, где будет использоваться система. Его ежедневная работа связана с наблюдением и протоколированием реальных действий, выполняемых пользователями системы. Значение этнографического подхода заключается в том, что он помогает обнаружить неявные требования к системе, которые отражают реальные аспекты ее эксплуатации, а не формальные умозрительные процессы.

Этнографический подход позволяет детализировать требования для критических систем, чего не всегда можно добиться другими методами разработки требований. Однако, поскольку этот метод ориентирован на конечного пользователя, он не может охватить все требования предметной области и требования организационного характера.

Рис. 20 – Процесс разработки требований согласно этнографическому подходу

Во время процесса аттестации должны быть выполнены различные типы проверок документации требований:

1. Проверка правильности требований.

2. Проверка на непротиворечивость.

3. Проверка на полноту.

4. Проверка на выполнимость.

Существует ряд методов аттестации требований:

1. Обзор требований.

2. Прототипирование.

3. Генерация тестовых сценариев.

4. Автоматизированный анализ непротиворечивости.

Управление требованиями - это процесс управления изменениями системных требований. Процесс управления требованиями выполняется совместно с другими процессами разработки требований. Начало этого процесса планируется на то же время, когда начинается процесс первоначального формирования требований, непосредственно процесс управления требованиями должен начаться сразу после того, как черновая версия спецификации требований будет готова.

С точки зрения разработки требования можно разделить на два класса:

1. Постоянные требования.

2. Изменяемые требования.

Планирование управления требованиями

1. Идентификация требований.

2. Управление процессом внесения изменений.

3. Стратегия оперативного контроля.

- Информация об источнике требования

- Информация о требованиях

- Информация о структуре системы

4. Поддержка CASE-средств.

Процесс управления изменениями состоит из трех основных этапов:

1. Анализ проблем изменения спецификации.

2. Анализ изменений и расчет их стоимости.

3. Реализация изменений.

Определение								Пересмотренные
проблем в
								требования
требованиях
	Анализ проблем			изменений и			Реализация
	изменение спецификации			расчет их			изменений
				стоимости

Рис. 21 – Процесс управления требованиями

Вопросы для обсуждения

1. Предложите, кто бы мог участвовать в формировании требований для университетской системы регистрации студентов.

2. Разрабатывается система ПО для автоматизации библиотечного каталога. Эта система будет содержать информацию относительно всех книг в библиотеке и будет полезна библиотечному персоналу, абонентам и читателям. Система должна иметь средства просмотра каталога, средства создания запросов и средства, позволяющие пользователям резервировать книги, находящиеся в данный момент на руках. Определите основные опорные точки зрения, которые необходимо учесть в спецификации системы.

3. Ваша компания использует стандартный метод анализа требований. В процессе работы вы обнаружили, что этот метод не учитывает социальные факторы, важные для системы, которую вы анализируете. Ваш руководитель дал вам ясно понять, какому методу анализа нужно следовать. Обсудите, что вы должны делать в такой ситуации.

Формальные спецификации

Так называемые формальные методы разработки программных систем широко не используются. Многие компании, разрабатывающие ПО, не считают экономически выгодным применение этих методов в процессе разработки.

Термин "формальные методы" подразумевает ряд операций, в состав которых входят создание формальной спецификации системы, анализ и доказательство спецификации, реализация системы на основе преобразования формальной спецификации в программы и верификация программ. Все эти действия зависят от формальной спецификации программного обеспечения. Формальная спецификация - это системная спецификация, записанная на языке, словарь, синтаксис и семантика которого определены формально. Необходимость формального определения языка предполагает, что этот язык основывается на математических концепциях. Здесь используется область математики, которая называется дискретной математикой и основывается на алгебре, теории множеств и алгебре логики.

В инженерии ПО определены три уровня спецификации программного обеспечения. Это пользовательские и системные требования и спецификация структуры программной системы. Пользовательские требования наиболее обобщенные, спецификация структуры наиболее детальна. Формальные математические спецификации находятся где-то между системными требованиями и спецификацией структуры. Они не содержат деталей реализации системы, но должны представлять ее полную математическую модель.

Разработка спецификация и проектирование могут выполняться параллельно, когда информация от этапов разработки спецификации передается к этапам проектирования и наоборот.

Рис. 22 – Процесс разработки формальной спецификации

Создание формальной спецификации требует детального анализа системы, который позволяет обнаружить ошибки и несоответствия в спецификации неформальных требований. Проблемы в требованиях, которые остаются необнаруженными до последних стадий процесса разработки ПО, обычно требуют больших затрат на исправление.

Существует два основных подхода к разработке формальной спецификации, которые используются для написания детализированных спецификаций нетривиальных программных систем.

1. Алгебраический подход, при котором система описывается в терминах операций и их отношений.

2. Подход, ориентированный на моделирование, при котором модель системы строится с использованием математических конструкций, таких, как множества и последовательности, а системные операции определяются тем, как они изменяют состояния системы.

Для разработки формальных спецификаций последовательных и параллельных систем в настоящее время создано несколько языков, представленных ниже в таблице.

Таблица 2 - Языки разработки формальных спецификаций

Большие системы обычно разбиваются на подсистемы, которые разрабатываются независимо друг от друга. Подсистемы могут использовать другие подсистемы, поэтому необходимой частью процесса специфицирования является определение интерфейсов подсистем. Если интерфейсы определены и согласованы, подсистемы можно разрабатывать независимо друг от друга.

Интерфейс подсистемы часто определяется как набор абстрактных типов данных и объектов, при этом только через интерфейс доступны описание данных и операции над ними. Поэтому спецификацию интерфейса подсистемы можно рассматривать как объединение спецификаций компонентов, что в итоге и составит описание интерфейса подсистемы.

Точные спецификации интерфейсов подсистем необходимы для разработчиков, которые пишут программный код, обращающийся к сервисам других подсистем. Спецификации интерфейсов содержат информацию о том, какие сервисы доступны в других подсистемах и как получить к ним доступ. Ясный и однозначный интерфейс подсистем уменьшает вероятность ошибок во взаимоотношениях между ними.

Алгебраический подход первоначально был разработан для описания интерфейсов абстрактных типов данных, где типы данных определяются скорее спецификациями операций над данными, чем способом представления самих данных. Это очень похоже на определение классов объектов. Алгебраический подход к формальным спецификациям определяет абстрактный тип данных в терминах операций над данными.

Структура спецификации объекта состоит из четырех компонентов:

Введение, где объявляется класс (sort) объектов. Класс - это общее название для множества объектов. Он обычно реализуется как тип данных. Введение может также включать объявление импорта (imports), где указываются имена спецификаций, определяющие другие классы. Импортирование спецификаций делает эти классы доступными для использования.

Описательная часть, в которой неформально описываются операции, ассоциированные с классом. Это делает формальную спецификацию более простой для понимания. Формальная спецификация дополняет это описание, обеспечивая однозначный синтаксис и семантику операций.

Часть сигнатур, в которой определяется синтаксис интерфейса объектного класса или абстрактного типа данных. Здесь описываются имена операций, количество и типы их параметров, а также классы выходных результатов операции.

Часть аксиом, где определяется семантика операций посредством создания ряда аксиом, которые характеризуют поведение абстрактного типа данных. Эти аксиомы связывают операции создания объектов класса с операциями, проверяющими их значения.

Рис. 23 - Структура алгебраической спецификации

Процесс разработки формальной спецификации интерфейса подсистемы включает следующие действия.

1. Структурирование спецификации. Представление неформальной спецификации интерфейса в виде множества абстрактных типов данных или объектных классов. Также неформально определяются операции, ассоциированные с каждым классом.

2. Именование спецификаций. Задаются имена для каждой спецификации абстрактного типа, определяются параметры спецификаций (если они необходимы) и имена определяемых классов.

3. Определение операций. На основании списка выполняемых интерфейсом функций для каждой спецификации определяется связанный с ней набор операций. Необходимо предусмотреть операции по созданию экземпляров классов, по изменению значений экземпляров классов и по проверке этих значений. Вероятно, придется добавить новые функции к первоначально определенному списку функций интерфейса.

4. Неформальная спецификация операций. Написание неформальной спецификации для каждой операции, где должно быть указано, как операции воздействуют на определяемый класс.

5. Определение синтаксиса операций. Определение синтаксиса и параметров для каждой операции. Это часть сигнатуры формальной спецификации.

6. Определение аксиом. Определение семантики операций путем описания условий, которые должны

выполняться для различных комбинаций операций.

Операции над абстрактным типом данных обычно относятся к одному из двух классов.

1. Операции конструирования, которые создают или изменяют объекты класса. Обычно их называют Create (Создать), Update (Изменить), Add (Добавить) или Cons (Конструирование).

2. Операции проверки, которые возвращают атрибуты класса. Обычно им дают имена, соответствующие именам атрибута, или имена, подобные Eval (Значение), Get (Получить) и т.п.

Хорошим эмпирическим правилом для написания алгебраической спецификации является создание аксиом для каждой операции конструирования с применением всех операций проверки. Это означает, что если есть m операций конструирования и n операций проверки, то должно быть определено m x n аксиом.

Операции конструирования, связанные с абстрактным типом данных, часто очень сложны и могут определяться через другие операции конструирования и проверки. Если операции конструирования определены посредством других операций, то необходимо определить операции проверки, используя более примитивные конструкции.

В спецификации списка операциями конструирования являются Create, Cons и Tail, которые создают списки. Операциями проверки являются Head и Length, которые используются для получения значений атрибутов списка. Операция Tail не является примитивной конструкцией, поэтому для нее можно не определять аксиомы с использованием операций Head и Length, но в таком случае Tail необходимо определить посредством примитивных конструкций.

При написании алгебраических спецификаций часто используется рекурсия. Результат операции Tail - список, сформированный из входного списка путем удаления верхнего элемента. Это определение подсказывает, как использовать рекурсию для построения данной операции. Операция определяется на пустых списках, затем рекурсивно переходит на непустые списки и завершается, когда результатом снова будет пустой список.

Иногда проще понять рекурсивные преобразования, используя короткий пример. Предположим, что есть список , где элемент 5 - начало (вершина) списка, а элемент 7- конец списка. Операция Cons(, 9) должна возвратить список , а операция Tail, примененная к этому списку, должна возвратить список . Приведем последовательность рекурсивных преобразований, приводящую к этому результату.

Tail () =

Tail (Cons (, 9)) =

Cons (Tail (), 9) =

Cons (Tail (Cons (, 7)), 9) =

Cons (Cons (Tail (), 7), 9) =

= Cons (Cons (Tail (Cons (, 5)), 7), 9) =

= Cons (Cons (, 7), 9) =

Cons (, 9) =

Здесь систематически использовались аксиомы для Tail, что привело к ожидаемому результату. Аксиому для операции Head можно проверить подобным способом.

Простые алгебраические методы подходят для описания интерфейсов, когда операции, ассоциированные с объектом, не зависят от состояния объекта. Тогда результаты любой операции не зависят от результатов предыдущих операций. Если это условие не выполняется, алгебраические методы могут стать громоздкими.

Более того, я думаю, что алгебраические описания поведения систем часто искусственны и трудны для понимания.

Альтернативным подходом к созданию формальных спецификаций, который широко используется в программных проектах, является спецификация, основанная на моделях системы. Такие спецификации используют модели состояний системы. Системные операции определяются посредством изменений состояний системной модели. Таким образом определяется поведение системы.

Вопросы для обсуждения

1. Перед вами поставлена задача "продажи" методов формальной спецификации организации, разрабатывающей программное обеспечение. Как вы будете объяснять преимущества формальной спецификации скептически настроенным разработчикам ПО?

2. Объясните, почему необходимо определять интерфейсы подсистем как можно точнее и почему алгебраическая спецификация наиболее подходит для специфицирования интерфейсов подсистем.

3. Абстрактный тип данных, представляющий стек, имеет следующие операции:

a. New (Создать) - создает пустой стек;

b. Push (Добавить) - добавляет элемент в вершину стека;

c. Тор (Вершина) - возвращает элемент на вершине стека;

d. Retract (Удалить) - удаляет элемент из вершины стека и возвращает модифицированный стек;

e. Empty (Пустой) - возвращает значение истины, если стек пустой.

Определите этот абстрактный тип данных, используя алгебраическую спецификацию.

4. Вы системный инженер и вас просят назвать наилучший способ разработки программного обеспечения для сердечного стимулятора, критического по обеспечению безопасности. Вы предлагаете разработать формальную спецификацию системы, но ваше предложение отвергнуто менеджером. Вы считаете, что его доводы не обоснованы и базируются на предубеждениях. Будет ли этичной разработка системы с использованием методов, которые вы считаете неподходящими?

Модели систем

Одной из широко используемых методик документирования системных требований является построение ряда моделей системы. Эти модели используют графические представления, показывающие решение как исходной задачи, для которой создается система, так и разрабатываемой системы. Модели являются связующим звеном между процессом анализа исходной задачи и процессом проектирования системы.

Модели могут представить систему в различных аспектах:

Внешнее представление, когда моделируется окружение или рабочая среда системы. Описание поведения системы, когда моделируется ее поведение.

Описание структуры системы, когда моделируется системная архитектура или структуры данных, обрабатываемых системой.

Наиболее важным аспектом системного моделирования является то, что оно опускает детали. Модель является абстракцией системы и легче поддается анализу, чем любое другое представление этой системы. В идеале представление системы должно сохранять всю информацию относительно представляемого объекта.Абстракция является упрощением и определяется выбором наиболее важных характеристик системы.

Типы системных моделей, которые могут создаваться в процессе анализа систем:

Модель обработки данных. Диаграммы потоков данных показывают последовательность обработки данных в системе.

Композиционная модель. Диаграммы "сущность-связь" показывают, как системные сущности составляются из других сущностей.

Архитектурная модель. Эти модели показывают основные подсистемы, из которых строится система. Классификационная модель. Диаграммы наследования классов показывают, какие объекты имеют общие характеристики.

Модель "стимул-ответ". Диаграммы изменения состояний показывают, как система реагирует на внутренние и внешние события.

Модели системного окружения

При анализе будущей системы необходимо определить границы между системой и ее окружением, специфицировать само рабочее окружение и связи между ним и системой. Обычно на этом этапе строится простая структурная модель.

Структурные модели высокого уровня обычно являются простыми блок-схемами, где каждая подсистема представлена именованным прямоугольником, а линии показывают, что существуют некоторые связи между подсистемами.

Рис. 24 – Пример модели окружения

Простые структурные модели обычно дополняются моделями других типов, например моделями процессов , которые показывают взаимодействия в системе, илимоделями потоков данных , которые показывают последовательность обработки и перемещения данных внутри системы и между другими системами в окружающей среде.

Рис. 25 - Модель процесса приобретения оборудования

Поведенческие модели Эти модели используются для описания общего поведения системы. Обычно рассматривают два типа

поведенческих моделей - модель потоков данныхи модель конечного автомата. Эти модели можно использовать отдельно или совместно, в зависимости от типа разрабатываемой системы.

Модели потока данных - это интуитивно понятный способ показа последовательности обработки данных внутри системы. Нотации, используемые в этих моделях, описывают обработку данных с помощью системных функций, а также хранение и перемещения данных между системными функциями.

В диаграммах потоков данных используются следующие обозначения: закругленные прямоугольники соответствуют этапам обработки данных; стрелки, снабженные примечаниями с названием данных, представляют потоки данных; прямоугольники соответствуют хранилищам или источникам данных.

Рис. 26 – Модель потоков данных

Модели потоков данных показывают функциональную структуру системы, где каждое преобразование данных соответствует одной системной функции. Иногда модели потоков данных используют для описания потоков данных в рабочем окружении системы. Такая модель показывает, как различные системы и подсистемы обмениваются информацией. Подсистемы окружения не обязаны быть простыми функциями.

Рис. 27 - Диаграмма потоков данных комплекса CASE-средств

Модели конечных автоматов используются для моделирования поведения системы, реагирующей на внутренние или внешние события. Такая модель показывает состояние системы и события, которые служат причиной перехода системы из одного состояния в другое.

Модели конечных автоматов являются неотъемлемой частью методов проектирования систем реального времени. Такие модели определяются диаграммами состояний , которые стали основой системы нотаций в языке моделирования UML.

В конце 60-х – начале 70-х годов прошлого века произошло событие, которое вошло в историю как первый кризис программирования. Событие состояло в том, что стоимость программного обеспечения стала приближаться к стоимости аппаратуры («железа»), а динамика роста этих стоимостей позволяла прогнозировать, что к середине 90-годов все человечество будет заниматься разработкой программ для компьютеров. Тогда и заговорили о программной инженерии (или технологии программирования, как это называлось в России) как о некоторой дисциплине, целью которой является сокращение стоимости программ.

С тех пор программная инженерия прошла достаточно бурное развитие. Этапы развития программной инженерии можно выделять по-разному. Каждый этап связан с появлением (или осознанием) очередной проблемы и нахождением путей и способов решения этой проблемы. На слайде представлены ряд фундаментальных проблем разработки программ и найденных фундаментальных методов их решения. Эти методы и по сей день составляют основу подходов к проектированию программных продуктов.

1. Повторное использование кода (модульное программирование)

Проблема . На первых этапах становления программной инженерии (даже когда она так еще не называлась) было отмечено, что высокая стоимость программ связана с разработкой одинаковых (или похожих) фрагментов кода в различных программах. Вызвано это было тем, что в различных программах как части этих программ решались одинаковые (или похожие) задачи: решение нелинейных уравнений, расчет заработной платы, … Использование при создании новых программ ранее написанных фрагментов сулило существенное снижение сроков и стоимости разработки.

Модульное программирование . Главный принцип модульного программирования состоял в выделении таких фрагментов и оформлении их в виде модулей. Каждый модуль снабжался описанием, в котором устанавливались правила его использования – интерфейс модуля. Интерфейс задавал связи модуля с основной программой – связи по данным и связи по управлению. При этом возможность повторного использования модулей определялась количеством и сложностью этих связей, или насколько эти связи удалось согласовывать с организацией данных и управления основной программы. Наиболее простыми в этом отношении оказались модули решения математических задач: решения уравнений, систем уравнений, задач оптимизации. К настоящему времени накоплены и успешно используются большие библиотеки таких модулей.

Для многих других типов модулей возможность их повторного использования оказалась проблематичной в виду сложности их связей с основной программой. Например, модуль расчета зарплаты, написанный для одной фирмы, может не подойти для другой, т.к. зарплата в этих фирмах рассчитывается не во всем одинаково. Повторное использование модулей со сложными интерфейсами является достаточно актуальной и по сей день. Для ее решения разрабатываются специальные формы (структуры) представления модулей и организации их интерфейсов.

1. Рост сложности программ (структурное программирование)

Проблема . Следующий этап возрастания стоимости ПО был связан с переходом от разработки относительно простых программ к разработке сложных программных комплексов. К числу таких сложных программ относятся: системы управления космическими объектами, управления оборонным комплексом, автоматизации крупного финансового учреждения и т.д. Сложность таких комплексов оценивалась следующими показателями:

Большой объем кода (миллионы строк)

Большое количество связей между элементами кода

Большое количество разработчиков (сотни человек)

Большое количество пользователей (сотни и тысячи)

Длительное время использования

Для таких сложных программ оказалось, что основная часть их стоимости приходится не на создание программ, а на их внедрение и эксплуатацию. По аналогии с промышленной технологией стали говорить о жизненном цикле программного продукта, как о последовательности определенных этапов: этапа проектирования, разработки, тестирования, внедрения и сопровождения.

Структурное программирование . Этап сопровождения программного комплекса включал действия по исправлению ошибок в работе программы и внесению изменений в соответствии с изменившимися требованиями пользователей. Основная причина высокой стоимости (а порой и невозможности выполнения) этапа сопровождения состояла в том, что программы были плохо спроектированы – документация была не понятна и не соответствовала программному коду, а сам программный код был очень сложен и запутан. Нужна технология, которая обеспечит «правильное» проектирование и кодирование. Основные принципы технологии структурного проектирования и кодирования:

Нисходящее функциональное проектирование, при котором в системе выделяются основные функциональные подсистемы, которые потом разбиваются на подсистемы и т.д. (принцип «разделяй и властвую»)

Применение специальных языков проектирования и средств автоматизации использования этих языков

Дисциплина проектирования и разработки: планирование и документирование проекта, поддержка соответствие кода проектной документации

Структурное кодирование без goto

Главная > Документ

Введение в программную инженерию

1. Программная инженерия: назначение, основные принципы и понятия

1.1Предпосылки и история

В конце 60-х – начале 70-х годов прошлого века произошло событие, которое вошло в историю как первый кризис программирования. Событие состояло в том, что стоимость программного обеспечения стала приближаться к стоимости аппаратуры («железа»), а динамика роста этих стоимостей позволяла прогнозировать, что к середине 90-годов все человечество будет заниматься разработкой программ для компьютеров. Тогда и заговорили о программной инженерии (или технологии программирования, как это называлось в России) как о некоторой дисциплине, целью которой является сокращение стоимости программ.

С тех пор программная инженерия прошла достаточно бурное развитие. Этапы развития программной инженерии можно выделять по-разному. Каждый этап связан с появлением (или осознанием) очередной проблемы и нахождением путей и способов решения этой проблемы. На слайде представлены ряд фундаментальных проблем разработки программ и найденных фундаментальных методов их решения. Эти методы и по сей день составляют основу подходов к проектированию программных продуктов.

1. Повторное использование кода (модульное программирование)

Проблема . На первых этапах становления программной инженерии (даже когда она так еще не называлась) было отмечено, что высокая стоимость программ связана с разработкой одинаковых (или похожих) фрагментов кода в различных программах. Вызвано это было тем, что в различных программах как части этих программ решались одинаковые (или похожие) задачи: решение нелинейных уравнений, расчет заработной платы, … Использование при создании новых программ ранее написанных фрагментов сулило существенное снижение сроков и стоимости разработки.

Модульное программирование . Главный принцип модульного программирования состоял в выделении таких фрагментов и оформлении их в виде модулей. Каждый модуль снабжался описанием, в котором устанавливались правила его использования – интерфейс модуля. Интерфейс задавал связи модуля с основной программой – связи по данным и связи по управлению. При этом возможность повторного использования модулей определялась количеством и сложностью этих связей, или насколько эти связи удалось согласовывать с организацией данных и управления основной программы. Наиболее простыми в этом отношении оказались модули решения математических задач: решения уравнений, систем уравнений, задач оптимизации. К настоящему времени накоплены и успешно используются большие библиотеки таких модулей.

Для многих других типов модулей возможность их повторного использования оказалась проблематичной в виду сложности их связей с основной программой. Например, модуль расчета зарплаты, написанный для одной фирмы, может не подойти для другой, т.к. зарплата в этих фирмах рассчитывается не во всем одинаково. Повторное использование модулей со сложными интерфейсами является достаточно актуальной и по сей день. Для ее решения разрабатываются специальные формы (структуры) представления модулей и организации их интерфейсов.

1. Рост сложности программ (структурное программирование)

Проблема . Следующий этап возрастания стоимости ПО был связан с переходом от разработки относительно простых программ к разработке сложных программных комплексов. К числу таких сложных программ относятся: системы управления космическими объектами, управления оборонным комплексом, автоматизации крупного финансового учреждения и т.д. Сложность таких комплексов оценивалась следующими показателями:

Большой объем кода (миллионы строк)

Большое количество связей между элементами кода

Большое количество разработчиков (сотни человек)

Большое количество пользователей (сотни и тысячи)

Длительное время использования

Для таких сложных программ оказалось, что основная часть их стоимости приходится не на создание программ, а на их внедрение и эксплуатацию. По аналогии с промышленной технологией стали говорить о жизненном цикле программного продукта, как о последовательности определенных этапов: этапа проектирования, разработки, тестирования, внедрения и сопровождения.

Структурное программирование . Этап сопровождения программного комплекса включал действия по исправлению ошибок в работе программы и внесению изменений в соответствии с изменившимися требованиями пользователей. Основная причина высокой стоимости (а порой и невозможности выполнения) этапа сопровождения состояла в том, что программы были плохо спроектированы – документация была не понятна и не соответствовала программному коду, а сам программный код был очень сложен и запутан. Нужна технология, которая обеспечит «правильное» проектирование и кодирование. Основные принципы технологии структурного проектирования и кодирования:

Нисходящее функциональное проектирование, при котором в системе выделяются основные функциональные подсистемы, которые потом разбиваются на подсистемы и т.д. (принцип «разделяй и властвую»)

Применение специальных языков проектирования и средств автоматизации использования этих языков

Дисциплина проектирования и разработки: планирование и документирование проекта, поддержка соответствие кода проектной документации

Структурное кодирование без goto

1. Модификация программ (ООП)

Проблема . Следующая проблема роста стоимости программ была вызвана тем, что изменение требований к программе стали возникать не только на стадии сопровождения, но и на стадии проектирования – проблема заказчика, который не знает, что он хочет. Создание программного продукта превратилось в его перманентное перепроектирование. Возник вопрос как проектировать и писать программы, чтобы обеспечить возможность внесений изменений в программу, не меняя ранее написанного кода.

Объектно-ориентированное программирование . Решением этой проблемы стало использование подхода или метода, который стали называть объектно-ориентированным проектированием и программированием. Суть подхода состоит в том, что вводится понятие класса как развитие понятия модуля с определенными свойствами и поведением, характеризующими обязанностями класса. Каждый класс может порождать объекты – экземпляры данного класса. При этом работают основные принципы (парадигмы) ООП:

Инкапсуляция – объединение в классе данных (свойств) и методов (процедур обработки).

Наследование – возможность вывода нового класса из старого с частичным изменением свойств и методов

Полиморфизм – определение свойств и методов объекта по контексту

Проиллюстрировать возможности принципов ООП можно на следующем примере. В организации, состоящей из трех отделов надо начислять заработную плату. В программе каждый отдел представлен своим модулем – объектом, а начисление зарплаты – объектом «Зарплата». При необходимости расчета зарплаты объекту «Отдел» передается экземпляр объекта «Зарплата». Объект «Отдел» передает объекту «Зарплата» необходимые данные и затем с помощью методов объекта «Зарплата» выполняет необходимые расчеты.

В отделе 3 частично изменились правила начисления зарплаты. В этой ситуации при объектно-ориентированном подходе из класса «Зарплата» выводится класс «Зарплата 1», который наследует неизменившиеся правила начисления зарплаты и переопределяет изменившиеся. Здесь при расчете зарплаты объектам «Отдел 1» и «Отдел 2» будет передаваться объект «Зарплата», а объекту «Отдел 3» - объект «Зарплата 1». При таких изменениях:

Срабатывает принцип наследования: код «Зарплата», «Отдел 1» и «Отдел 2» остаются без изменения, а код «Зарплата 1» изменяется ровно настолько, насколько это необходимо.

Срабатывает принцип полиморфизма: код «Отдел 3» также не изменяется – он продолжает считать, что работает с объектом «Зарплата»

1. Некоторые итоги

Программная инженерия (или технология программирования) как некоторое направление возникло и формировалось под давлением роста стоимости создаваемого программного обеспечения. Главная цель этой области знаний - сокращение стоимости и сроков разработки программ.

Программная инженерия прошла несколько этапов развития, в процессе которых были сформулированы фундаментальные принципы и методы разработки программных продуктов. Основной принцип программной инженерии состоит в том, что программы создаются в результате выполнения нескольких взаимосвязанных этапов (анализ требований, проектирование, разработка, внедрение, сопровождение), составляющих жизненный цикл программного продукта. Фундаментальными методами проектирования и разработки являются модульное, структурное и объектно-ориентированное проектирование и программирование.

1. Продолжение кризиса программирования

Несмотря на то, что программная инженерия достигла определенных успехов, перманентный кризис программирования продолжается. Связано это с тем, рубеж 80–90-х годов отмечается как начало информационно-технологической революции, вызванной взрывным ростом использования информационных средств: персональный компьютер, локальные и глобальные вычислительные сети, мобильная связь, электронная почту, Internet и т.д.

Цена успеха – кризис программирования принимает хронические формы:

США тратит ежегодно более $200 млрд. на более чем 170 тыс. проектов разработки ПО в сфере IT; 31,1% из них закрываются, так и не завершившись; 52,7% проектов завершаются с превышением первоначальных оценок бюджета/сроков и ограниченной функциональностью; потери от недополученного эффекта внедрения ПО измеряются триллионами.

Статистика по 30,000 проектам по разработке ПО в американских компаниях показывает следующее распределение между:

У спешными – вовремя и в рамках бюджета был выполнен весь намеченный фронт работ

Проблемными – нарушение сроков, перерасход бюджета и/или сделали не все, что требовалось

Проваленными – не были доведены до конца из-за перерасхода средств, бюджета, качества.

Источник: The Standish Group International The Standish Group International, Inc., Extreme Chaos, 2000 - //sample_research/PDFpages/extreme_chaos.pdf

1.2Программная инженерия – что это такое?

1. Начнем с определений

На сегодняшний день нет единого определения понятия «программная инженерия». На слайде приведено несколько таких определений, данных крупными специалистами в этой области, или зафиксированные в документах ведущих организаций.

Сам термин – software engineering (программная инженерия) - впервые был озвучен в октябре 1968 года на конференции подкомитета НАТО по науке и технике (г.Гармиш, Германия). Присутствовало 50 профессиональных разработчиков ПО из 11 стран. Рассматривались проблемы проектирования, разработки, распространения и поддержки программ. Там впервые и прозвучал термин «программная инженерия» как некоторая дисциплина, которую надо создавать и которой надо руководствоваться в решении перечисленных проблем.

Вскоре после этого в Лондоне состоялась встреча 22-х руководителей проектов по разработке ПО. На встрече анализировались проблемы и перспективы развития ПО. Отмечалась возрастающее воздействие ПО на жизнь людей. Впервые серьезно заговорили о надвигающемся кризисе ПО. Применяющиеся принципы и методы разработки ПО требовали постоянного усовершенствования. Именно на этой встрече была предложена концепция жизненного цикла ПО (SLC – Software Lifetime Cycle) как последовательности шагов-стадий, которые необходимо выполнить в процессе создания и эксплуатации ПО. Вокруг этой концепции было много споров. В 1970 г. У.У. Ройс (W.W. Royce) произвел идентификацию нескольких стадий в типичном цикле и было высказано предположение, что контроль выполнения стадий приведет к повышению качества ПО и сокращению стоимости разработки.

1. Разберемся в вопросах

Для того, чтобы получить представление о том, что такое программная инженерия, попробуем разобраться в следующих вопросах:

Что такое программное обеспечение (software)? Что такое программная инженерия? В чем разница между программной инженерией (software engineering) и информатикой (computer science)? В чем разница между программной инженерией и системной инженерией (systems engineering)? В чем отличие программной инженерии от других инженерий?

1. Что такое программное обеспечение (software)?

Программное обеспечение это набор компьютерных программ, процедур и связанной с ними документации и данных (ISO/IEC 12207). Взгляд на ПО как только на программу, сидящую в компьютере слишком узок. Дело в том, что продается (поставляется) не только программа, но еще и документация, в которой можно прочитать как установить программу и как ей пользоваться и данные для установки программы в различных условиях (конфигурационные файлы). Поэтому ПО иногда называют программным продуктом. Т.е. программный продукт (программное обеспечение) – это не только программы, а также вся связанная с ними документация и конфигурационные данные, необходимые для корректной работы программы. А специалисты по программному обеспечению разрабатывают программные продукты, т.е. такое ПО, которое может быть продано потребителю.

В зависимости от того, для кого разрабатываются программные продукты (конкретного заказчика или рынка, программные продукты бывают двух типов:

коробочные продукты (generic products – общие продукты или shrink-wrapped software – упакованное ПО) заказные продукты (bespoke – сделанный на заказ или customized products – настроенный продукт). Важная разница между ними заключается в том, кто ставит задачу (определяет, или специфицирует требования). В первом случае это делают сами разработчики на основе анализа рынка (маркетинга) – и при этом рискуют сами. Во втором – заказчик и при этом рискует, что разработчик не сможет реально выполнить все требования в срок и при выделенном бюджете.

1. Что такое программная инженерия?

Программная инженерия - это инженерная дисциплина, которая связана со всеми аспектами производства ПО от начальных стадий создания спецификации до поддержки системы после сдачи в эксплуатацию. В этом определении есть две ключевые фразы:

Инженерная дисциплина

Все аспекты производства ПО

Инженерная дисциплина . Инженеры – это те специалисты, которые выполняют практическую работу и добиваются практических результатов. Ученый может сказать: проблема неразрешима в рамках существующих теорий и это будет научный результат, достойный опубликования и защиты диссертации.

Для решения задачи инженеры применяют теории, методы и средства, пригодные для решения данной задачи, но они применяют их выборочно и всегда пытаются найти решения, даже в тех случаях, когда теорий или методов, соответствующих данной задаче, еще не существует. В этом случае инженер ищет метод или средство для решения задачи, применяет его и несет ответственность за результат – ведь метод или средство еще не проверены. Набор таких инженерных методов или способов, теоретически возможно не обоснованных, но получивших неоднократное подтверждение на практике, играет большую практическую роль. В программной инженерии они получили название лучших практик (best practices).

Инженеры работают в условиях ограниченных ресурсов: временных, финансовых и организационных (оборудование, техника, люди). Иными словами, продукт должен быть создан в установленные сроки, в рамках выделенных средств, оборудования и людей. Хотя это в первую очередь относится к созданию заказных продуктов (оговаривается в условиях контракта), но при создании коробочных продуктов эти ограничения имеют не меньшее значение, т.к. здесь они диктуются условиями рыночной конкуренции.

Все аспекты производства ПО . Программная инженерия занимается не только техническими вопросами производства ПО (специфицирование требований, проектирование, кодирование,…), но и управлением программными проектами, включая вопросы планирования, финансирования, управления коллективом и т.д. Кроме того, задачей программной инженерии является разработка средств, методов и теорий для поддержки процесса производства ПО.

Программные инженеры применяют систематичные и организованные подходы к работе для достижения максимальной эффективности и качества ПО. Их задача состоит в адаптации существующих методов и подходов к решению свой конкретной проблемы.

1. В чем отличия от информатики?

Информатика (computer science) занимается теорией и методами вычислительных и программных систем, в то время как программная инженерия занимается практическими проблемами создания ПО. Информатика составляет теоретические основы программной инженерии и инженер по программному обеспечению должен знать информатику. Так же, как инженер по электронике должен знать физику. В идеале, программная инженерия должна быть поддержана какими-то теориями информатики, но самом деле это не всегда так. Программные инженеры зачастую используют приемы, которые применимы только в конкретных условиях и не могут быть обобщены на другие случаи, а элегантные теории информатики не всегда могут быть применены к реальным большим системам.

И наконец, информатика – это не единственный теоретический фундамент программной инженерии, т.к. круг проблем, стоящих перед программным инженером значительно шире просто написания программ. Это еще управление финансами, организация работ в коллективе, взаимодействие с заказчиком и т.д. Решение этих проблем требуют фундаментальных знаний, выходящих за рамки информатики.

1. В чем отличие от других инженерий?

Отличие программной инженерии от других инженерий интересно прежде всего с точки зрения двух вопросов:

Почему доля провальных проектов в программной инженерии так велика по сравнению с другими инженериями?

Можно ли в программной инженерии применять опыт других инженерий?

Эти вопросы является фундаментальными для программной инженерии. По этому поводу высказывается много мнений (и часто противоположных). Остановимся на некоторых более или менее очевидных отличиях программной инженерии от других инженерий.

Прежде всего, отметим, что жизненный цикл продукта любой инженерии в упрощенном виде включает фазы: проектирование, создание образца, испытание, производство, эксплуатация.

Компьютерная программа – это (в отличие от объектов других инженерий) не материальный объект (просьба не путать с носителем программы – устройством памяти любого типа). Отсюда следуют следующие отличия. Фаза производства состоит в копировании образца на другие носители. Стоимость фазы исчезающее мала. Если кодирование считать элементом проектирования (что очень близко к истине), то отсутствует также и фаза создания образца (строится компилятором и линковщиком)

Отсюда следуют следующие выводы:

Стоимость программы – это стоимость только ее проектирования

Стоимость проектирования коробочных продуктов «размазывается» по копиям

Стоимость заказных продуктов (массово не копируемых) остается высокой

1. В чем еще отличие от других инженерий?

Второе существенное отличие состоит в том, что программа – искусственный объект. Т.е. для программы нет объективных законов, которым бы подчинялось ее поведение. Например, у инженера – строителя есть объективные законы строительной механики: равновесия моментов и сил, устойчивости механических систем и т.д. Инженер – строитель может проверить свои архитектурные решения на соответствие этим законам и тем самым обеспечить удачу проекта. Эти законы объективны, они будут действовать всегда. У программного инженера на первый взгляд также есть типовые, проверенные временем архитектурные решения (например, клиент-серверная архитектура). Но эти решения определяются уровнем развития вычислительной техники (и адекватным им уровнем требований). С появлением техники с принципиально новыми возможностями программному инженеру придется искать новые решения.

Прямым следствием отсутствия возможности «теоретического» контроля проекта является то, что тестирование продукта – это единственный способ убедиться в его качестве. Именно поэтому стоимость тестирования составляет существенную стоимость ПО. Кстати, строительный инженер, как правило, лишен возможности такого «тестирования» своего продукта перед сдачей его в эксплуатацию.

Ну и наконец, программная инженерия – молодая дисциплина, опыт которой насчитывает всего несколько десятков лет. По сравнению с опытом строительной инженерии (тысячелетия) это конечно очень мало. Программную инженерию иногда сравнивают с ранней строительной, когда законы строительной механики еще не были известны и строительные инженеры действовали методом проб и ошибок, накапливая бесценный опыт. Несмотря на молодой возраст, программная инженерия также накопила определенный опыт, который позволяет (при разумном его применении) делать удачные проекты. Этот опыт выражен в основных принципах программной инженерии, которые мы с вами сейчас рассмотрим.

Подробнее о проблемах проектирования ПО можно посмотреть в неоднозначной статье Кони Бюрера «От ремесла к науке: поиск основных принципов разработки ПО» /fset.asp?Url=/rational/science.htm

1. Из чего складывается стоимость ПО?

Структура стоимости ПО существенно зависит от типа ПО, применяемых методов его разработки и … метода оценки. Так, многие авторы отмечают высокую долю стоимости этапа сопровождения. Для некоторых типов ПО она может составлять 60 и более процентов от общей стоимости. Между тем, этап сопровождения включает выполнение двух видов работ: исправление ошибок в программе (несоответствий первоначальным требованиям) и внесение изменений в программу (добавление новых требований). При другом подходе к оценке можно считать, что этап сопровождения на стоит оценивать отдельно, т.к. исправление ошибок можно отнести к продолжению тестирования, а внесение изменений – к новому проекту.

Типовое распределение стоимости между основными этапами (без сопровождения) выглядит следующим образом:

15% - спецификация – формулировка требований и условий разработки

25% - проектирование – разработка и верификация проекта

20% - разработка – кодирование и тестирование компонент

40% - интеграция и тестирование – объединение и сборочное тестирование продукта

Отклонения от этой схемы в зависимости от типа ПО выглядят следующим образом:

Для коробочного ПО характерна более высокая доля тестирования за счет сокращения прежде всего доли спецификации (до 5%)

Распределение стоимости заказного ПО зависит от его сложности. При сложном ПО также возрастает доля интеграции и тестирования, но за счет сокращения доли проектирования и разработки Доля спецификаций может возрастать. Сокращение доли проектирования и разработки достигается за счет применения опробованных проектных решений и повторного использования готовых компонент.

Применение опробованных решений и готовых компонент при создании коробочных продуктов позволяет повысить качество и сократить сроки разработки.

1. Еще вопросы

Для того, чтобы получить представление о том, в чем состоит накопленный программной инженерией опыт, попробуем разобраться в следующих вопросах:

Что такое программный процесс?

Что такое модель программного процесса?

Что такое методы программной инженерии?

Что такое CASE (Computer-Aided Software Engineering)?

Какими свойствами обладает хорошая программа?

Какие основные трудности стоят перед программной инженерией?

1. Программный процесс?

Одним из основных понятий программной инженерии является понятие жизненного цикла программного продукта и программного процесса.

Жизненный цикл – непрерывный процесс, начинающийся с момента принятия решения о создании ПО и заканчивающийся снятием его с эксплуатации. Жизненный цикл разбивается на отдельные процессы.

Процесс – совокупность действий и задач, имеющих целью достижение значимого результата. Основными процессами (иногда называют этапами или фазами) жизненного цикла являются:

Разработка спецификации требований (результат – описания требований к программе, которые обязательны для выполнения – описание того, что программа должна делать)

Разработка проекта программы (результат – описание того, как программа будет работать)

Кодирование (результат – исходный код и файлы конфигурации)

Тестирование программы (результат - контроль соответствия программы требованиям)

Документирование (результат – документация к программе)

Кроме основных, существует много дополнительных и вспомогательных процессов, связанных не созданием продукта, а с организацией работ (нефункциональные процессы): создание инфраструктуры, управление конфигурацией, управление качеством, обучение, разрешение противоречий, …

Процесс должен быть установлен. Полное установление процесса предполагает:

Описание процесса – детальное описание действий и операций процесса Обучение процессу – проведение занятий с персоналом по освоению процесса Введение метрик – установление количественных показателей хода выполнения Контроль выполнения – измерение метрических показателей и оценка хода выполнения Усовершенствование – изменение процесса при меняющихся условиях применения

Применение полных (тяжелых) процессов требует дополнительных ресурсов (зачастую существенных) и далеко не всегда окупается полученным результатом. Поэтому, выбор состава процессов, степени их установленности (полноты установленности) в каждом конкретном случае может быть сделан по-разному в соответствии с выбранной моделью процесса.

Введение в программную инженерию

Современный мир все больше зависит от систем, построенных на основе вычислительной техники. Все больше технических устройств включают в себя элементы вычислительной техники и соответствующего управляющего программного обеспечения (ПО) в той или иной форме. В таких системах стоимость ПО порой составляет большую часть общей стоимости. Более того, стоимостные показатели отраслей, занимающихся производством ПО, становятся определяющими для экономики – как национальной, так и международной.

Целью инженерии программного обеспечения является эффективное создание программных систем. Программное обеспечение абстрактно и нематериально. Оно не имеет физической природы, отвергает физические законы и не подвергается обработке производственными процессами. Такой упрощенный взгляд на ПО показывает, что не существует физических ограничений на потенциальные возможности программных систем. С другой стороны, отсутствие материального наполнения порой делает ПО чрезвычайно сложным и, следовательно, трудным для понимания "объектом".

Инженерия программного обеспечения – сравнительно молодая научная дисциплина. Термин software engineering был впервые предложен в 1968 году на конференции, посвященной так называемому кризису программного обеспечения. Этот кризис был вызван появлением мощной (по меркам того времени) вычислительной техники третьего поколения. Новая техника позволяла воплотить в жизнь не реализуемые ранее программные приложения. В результате программное обеспечение достигло размеров и уровня сложности, намного превышающих аналогичные показатели у программных систем, реализованных на вычислительной технике предыдущих поколений.

Оказалось, что неформальный подход, применявшийся ранее к построению программных систем, недостаточен для разработки больших систем. На реализацию крупных программных проектов иногда уходили многие годы. Стоимость таких проектов многократно возрастала по сравнению с первоначальными расчетами, сами программные системы получались ненадежными, сложными в эксплуатации и сопровождении. Разработка программного обеспечения оказалась в кризисе. Стоимость аппаратных средств постепенно снижалась, тогда как стоимость ПО стремительно возрастала. Возникла необходимость в новых технологиях и методах управления комплексными сложными проектами разработки больших программных систем.

Такие методы составили часть инженерии программного обеспечения и в настоящее время широко используются, хотя, конечно же, не являются универсальными. Сохраняется много проблем в процессе разработки сложных программных систем, на решение которых затрачивается много времени и средств. Реализация многих программных проектов сталкивается с подобными проблемами, это дает право некоторым специалистам утверждать, что современная технология создания программного обеспечения находится в состоянии хронического недуга.

С другой стороны, возрастает как объем производства программного обеспечения, так и его сложность. Кроме того, сближение вычислительной и коммуникационной техники ставит новые требования перед специалистами по программному обеспечению. Это также является одной из причин возникновения проблем при разработке программных систем, как и то, что многие компании, занимающиеся производством ПО, не уделяют должного внимания эффективному применению современных методов, разработанных в рамках инженерии программного обеспечения. Дело не так плохо, как утверждают скептики, благодаря критике которых высвечиваются болевые точки, способные стать точками роста инженерии программного обеспечения.

По сравнению с 1968 годом сделан огромный скачок и развитие инженерии программного обеспечения значительно улучшило современное ПО. Теперь мы лучше понимаем те процессы, которые определяют развитие программных систем. Разработаны эффективные методы спецификации ПО, его разработки и внедрения. Новые средства и технологии позволяют значительно уменьшить усилия и затраты на создание больших и сложных программных систем.

Специалисты по программному обеспечению могут гордиться такими достижениями. Без современного сложного ПО было бы невозможно освоение космического пространства, не существовало бы Internet и современных телекоммуникаций, а все транспортные средства и виды транспортировки были бы более опасными и дорогостоящими. Инженерия программного обеспечения достигла многого за свою пока еще короткую жизнь, и ее значение как зрелой научной дисциплины еще более возрастет в XXI столетии.

Вопросы и ответы об инженерии программного обеспечения

Этот раздел построен в виде ответов на некоторые основные вопросы, касающиеся инженерии программного обеспечения. В данном разделе используется формат "списка FAQ" (Frequently Asked Questions – часто задаваемые вопросы). Такой формат обычно применяется в группах новостей Internet, предлагая новичкам ответы на часто задаваемые вопросы. Надеюсь, что подобный подход будет эффективен в качестве краткого введения в предмет инженерии программного обеспечения.

Вопросы и ответы, подробно рассматриваемые в этом разделе, компактно представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Часто задаваемые вопросы об инженерии программного обеспечения

• Размер: 821 Кб
• Количество слайдов: 61

Описание презентации Введение в программную инженерию ПОНЯТИЕ ПРОГРАММНОЙ ИНЖЕНЕРИИ по слайдам

ПОНЯТИЕ ПРОГРАММНОЙ ИНЖЕНЕРИИ Чем программирование отличается от программой инженерии? Программирование является некоторой абстрактной деятельностью и может происходить во многих различных контекстах. Промышленное программирование, как правило, происходит в команде, и совершенно точно – для заказчика, который платит за работу деньги. Необходимо точно понимать, что нужно заказчику, выполнить работу в определенные сроки и результат должен быть нужного качества –того, которое удовлетворит заказчика и за которое он заплатит. Чтобы удовлетворить этим дополнительным требованиям, программирование «обрастает» различными дополнительными видами деятельности: разработкой требований, планированием, тестированием, конфигурационным управлением, проектным менеджментом, созданием различной документации (проектной, пользовательской и пр.).

Разработка программного кода предваряется анализом и проектированием (первое означает создание функциональной модели будущей системы без учета реализации, для осознания программистами требований и ожиданий заказчика; второе означает предварительный макет, эскиз, план системы на бумаге). Требуются специальные усилия по организации процесса разработки. Разработку системы необходимо выполнять с учетом удобств u ее дальнейшего сопровождения, повторного использования и интеграции с другими системами. Это значит, что система разбивается на компоненты, удобные в разработке, годные для повторного использования и интеграции Для этих компонент тщательно прорабатываются интерфейсы. Сама же система документируется на многих уровнях, создаются правила оформления программного кода – то есть оставляются многочисленные семантические следы, помогающие создать и сохранить, поддерживать единую, стройную архитектуру, единообразный стиль, порядок… Все эти и другие дополнительные виды деятельности, выполняемые в процессе промышленного программирования и необходимые для успешного выполнения заказов и будем называть программной инженерией (software engineering)

Предпосылки появления программной инженерии Программная инженерия (или технология промышленного программирования) как некоторое направление возникло и формировалось под давлением роста стоимости создаваемого программного обеспечения. Главная цель этой области знаний – сокращение стоимости и сроков разработки программ. Программная инженерия прошла несколько этапов развития, в процессе которых были сформулированы фундаментальные принципы и методы разработки программных продуктов. Основной принцип программной инженерии состоит в том, что программы создаются в результате выполнения нескольких взаимосвязанных этапов (анализ требований, проектирование, разработка, внедрение, сопровождение), составляющих жизненный цикл программного продукта. Фундаментальными методами проектирования и разработки являются модульное, структурное и объектно-ориентированное проектирование и программирование.

Повторное использование кода (модульное программирование) Проблема. На первых этапах становления программной инженерии было отмечено, что высокая стоимость программ связана с разработкой одинаковых (или похожих) фрагментов кода в различных программах. Вызвано это было тем, что в различных программах как части этих программ решались одинаковые (или похожие) задачи: решение нелинейных уравнений, расчет заработной платы, … Использование при создании новых программ ранее написанных фрагментов сулило существенное снижение сроков и стоимости разработки. Рост сложности программ (структурное программирование) Проблема. Следующий этап возрастания стоимости ПО был связан с переходом от разработки относительно простых программ к разработке сложных программных комплексов. Следует отметить, что этот переход был вызван появлением вычислительной техники третьего поколения (интегральные схемы). С переходом на использование интегральных схем производительность компьютеров возросла на порядки, что и создало предпосылки для решения сложных задач. К числу таких сложных задач относятся: системы управления космическими объектами, управления оборонным комплексом, автоматизации крупного финансового учреждения и т. д.

Сложность таких комплексов оценивалась следующими показателями: – Большой объем кода (миллионы строк) – Большое количество связей между элементами кода – Большое количество разработчиков (сотни человек) – Большое количество пользователей (сотни и тысячи) – Длительное время использования Для таких сложных программ оказалось, что основная часть их стоимости приходится не на создание программ, а на их внедрение и эксплуатацию. По аналогии с промышленной технологией стали говорить о жизненном цикле программного продукта, как о последовательности определенных этапов: этапа проектирования, разработки, тестирования, внедрения и сопровождения. Модификация программ (ООП) Проблема. Следующая проблема роста стоимости программ была вызвана тем, что изменение требований к программе стали возникать не только на стадии сопровождения, но и на стадии проектирования – проблема заказчика, который не знает, что он хочет. Создание программного продукта превратилось в его перманентное перепроектирова — ние. Возник вопрос, как проектировать и писать программы, чтобы обеспечить возможность внесений изменений в программу, не меняя ранее написанного кода.

Продолжение кризиса программирования Несмотря на то, что программная инженерия достигла определенных успехов, перманентный кризис программирования продолжается. Связано это с тем, что рубеж 80– 90 -х годов отмечается как начало информационно- технологической революции, вызванной взрывным ростом использования информационных средств: персональный компьютер, локальные и глобальные вычислительные сети, мобильная связь, электронная почту, Internet и т. д. Цена успеха – кризис программирования принимает хронические формы. Standish Group, проанализировав работу сотен американских корпораций и итоги выполнения нескольких десятков тысяч проектов, связанных с разработкой ПО, в своем докладе с красноречивым названием «Хаос» пришла к следующим выводам: – Только 35 % проектов завершились в срок, не превысили запланированный бюджет и реализовали все требуемые функции и возможности. – 46 % проектов завершились с опозданием, расходы превысили запланированный бюджет, требуемые функции не были реализованы в полном объеме. Среднее превышение сроков составило 120%, среднее превышение затрат 100%, обычно исключалось значительное число функций.

19 % проектов полностью провалились и были аннулированы до завершения. Результаты анализа успешности программных проектов за 2006 год

Основные понятия Программирование - процесс отображения определенного множества целей на множество машинных команд и данных, интерпретация которых на компьютере или вычислительном комплексе обеспечивает достижение поставленных целей. Это отображение может быть очень простым, а может быть многоступен -чатым и очень сложным, когда сначала цели отображаются на требования к системе, требования - на высокоуровневую архитектуру и спецификации компонентов, спецификации - на дизайн компонентов, дизайн - на исходный код. Профессиональное программирование (синоним производство программ) - деятельность, направленная на получение доходов при помощи программирования. Профессиональный программист - человек, который занимается профессиональным программированием.

Программный продукт - совокупность программ и сопроводительной документации по их установке, настройке, использованию и доработке. Согласно стандарту жизненный цикл программы, программной системы, программного продукта включает в себя разработку, развертывание, поддержку и сопровождение. Жизненный цикл программного продукта

Процесс разработки ПО - совокупность процессов, обеспечивающих создание и развитие программного обеспечения. Модель процесса разработки ПО - формализованное представление процесса разработки ПО. Часто при описании процессов вместо слова модель употребляется термин методология. На сегодняшний день нет единого определения понятия «программная инженерия» . Ниже приведено несколько таких Определения, данные крупными специалистами в этой области, или зафиксированные в документах ведущих организаций: – установление и использование обоснованных инженерных принципов (методов) для экономного получения ПО, которое надежно и работает на реальных машинах. ; – та форма инженерии, которая применяет принципы информатики (computer science) и математики для рентабельного решения проблем ПО. – применение систематического, дисциплинированного, измеряемого подхода к разработке, использованию и сопровождению ПО . – дисциплина, целью которой является создание качественного ПО, которое завершается вовремя, не превышает выделенных бюджетных средств и удовлетворяет выдвигаемым требованиям .

Хронология развития программной инженерии 1958 г. — всемирно известный статистик Джон Тьюкей (John Tukey) впервые ввел термин software – программное обеспечение. 1968 г. — Термин software engineering (программная инженерия) впервые появился в названии конференции НАТО, состоявшейся в Германии посвященной так называемому кризису программного обеспечения. 1970 г. — У. У. Ройс (W. W. Royce) произвел идентификацию нескольких стадий в типичном цикле и было высказано предположение, что контроль выполнения стадий приведет к повышению качества ПО и сокращению стоимости разработки. Была предложена концепция жизненного цикла (SLC – Software Lifetime Cycle). 1990 — 1995 г. — велась работа над международным стандартом, который должен был дать единое представление о процессах разработки программного обеспечения. В результате был выпущен стандарт ISO/IEC 12207 ―Software Lifecycle Processes. – Соответствующий национальный стандарт России – ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207 -99 [ГОСТ 12207, 1999] содержит полный аутентичный перевод текста международного стандарта ISO/IEC 12207 —

1. Guide to the Software Engineering Body of Knowledge (SWEе. K), IEEE 2004 Version — Руководство к Своду Знаний по Программной Инженерии, в дальнейшем просто ― SWEе. K; Одной из важнейших целей SWEе. K является именно определение тех аспектов деятельности, которые составляют суть профессии инженера-программиста. 2. Software Engineering 2004. – Учебный План для Преподавания Программной Инженерии в ВУЗах [ SE, 2004]. 2004 г — ACM/IEEE-CS сформулировали два ключевых описания того, что сегодня мы и называем основами программной инженерии – Software Engineering:

Структура и содержание SWEBOK Согласно SWEBOK 2004, программная инженерия включает в себя 10 основных и 7 дополнительных областей знаний, на которых базируются процессы разработки ПО. К основным областям знаний относятся следующие области: Software requirements - программные требования. Software design - дизайн (архитектура). Software construction - конструирование программного обеспечения. Software testing - тестирование. Software maintenance - эксплуатация (поддержка) программного обеспечения. Software configuration management - конфигурационное управление. Software engineering management - управление в программной инженерии. Software engineering process - процессы программной инженерии. Software engineering tools and methods - инструменты и методы. Software quality - качество программного обеспечения. Описание областей знаний в SWEе. K построено по иерархическому принципу, как результат структурной декомпозиции.

Связанные дисциплины Дополнительные области знаний включают в себя: Computer engineering - разработка компьютеров. Computer science - информатика. Management - общий менеджмент. Mathematics - математика. Project management - управление проектами. Quality management - управление качеством. Systems engineering - системное проектирование.

Программная инженерия использует достижения информатики, тесно связана с системотехникой, часто предваряется бизнес-реинжинирингом. Информатика (computer science) – это свод теоретических наук, основанных на математике и посвященных формальным основам вычислимости. Сюда относятся математическую логику, теорию грамматик, методы построения компиляторов, математические формальные методы, используемые в верификации и модельном тестировании и т. д. Трудно строго отделить программную инженерию от информатики, но в целом направленность этих дисциплин различна. Программная инженерия нацелена на решение проблем производства, информатика – на разработку формальных, математизирован -ных подходов к программированию.

Системотехника (system engineering) объединяет различные инженерные дисциплины по разработке всевозможных искусственных систем – энергоустановок, телекоммуникационных систем, встроенных систем реального времени и т. д. Очень часто ПО оказывается частью таких систем, выполняя задачу управления соответствующего оборудования. Такие системы называются программно-аппаратными, и участвуя в их создании, програм -мисты вынуждены глубоко разбираться в особенностях соответствующей аппаратуры. Бизнес-реинжиниринг (business reengineering) – в широком смысле обозначает модернизацию бизнеса в определенной компании, внедрение новых практик, поддерживаемых соответствующими, новыми информаци -онными системами. При этом акцент может быть как на внутреннем переустройстве компании так и на разработке нового клиентского сервиса (как правило, эти вопросы взаимосвязаны). Бизнес-реинжиниринг часто предва- ряет разработку и внедрение информационных систем на предприятии, так как требуется сначала навести определенный порядок в делопроизводстве, а лишь потом закрепить его информационной системой.

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ПРОГРАММНОГО ПРОДУКТА Методологическую основу любой инженерии составляет понятие жизненного цикла (ЖЦ) изделия (продукта) как совокупности всех действий, которые надо выполнить на протяжении всей «жизни» изделия. Смысл жизненного цикла состоит во взаимосвязанности всех этих действий. Жизненный цикл промышленного изделия определяется как последователь- ность этапов (фаз, стадий), состоящих из технологических процессов, действий и операци Организация промышленного производства с позиции жизненного цикла позволяет рассматривать все его этапы во взаимосвязи, что ведет к сокраще- нию сроков, стоимости и трудозатрат. Разделение понятий ЖЦ ПО и модели ЖЦ ПО. – ЖЦ ПО — полная совокупность всех процессов и действий по созданию и применению ПО; – модель ЖЦ – конкретный вариант организации ЖЦ, обоснованно (разумно) выбранный для каждого конкретного случая.

В общем случае, жизненный цикл определяется моделью и описывается в форме методологии (метода). Модель или парадигма жизненного цикла определяет концептуальный взгляд на организацию жизненного цикла и, часто, основные фазы жизненного цикла и принципы перехода между ними. Методология (метод) задает комплекс работ, их детальное содержание и ролевую ответственность специалистов на всех этапах выбранной модели жизненного цикла, обычно определяет и саму модель, а также рекомендует практики (best practices), позволяющие максимально эффективно восполь- зоваться соответствующей методологией и ее моделью.

Классический жизненный цикл Классический жизненный цикл разработки ПО — старейшая парадигма процесса разработки ПО (автор Уинстон Ройс, 1970) Классический жизненный цикл называют каскадной или водопадной моделью; Разработка рассматривается как последовательность этапов, причем переход на следующий, иерархически нижний этап происходит только после полного завершения работ на текущем этапе

Содержание основных этапов. Системный анализ — задает роль каждого элемента в компьютерной системе, взаимодействие элементов друг с другом. На этом этапе начинается решение задачи планирования проекта ПО. Определяются: – объем проектных работ; – риск; – необходимые трудозатраты; – формируются рабочие задачи; – план-график работ. Анализ требований — относится к программному элементу - программному обеспечению. Уточняются и детализируются – Функции; – Характеристики; – Интерфейс. Все определения документируются в спецификации анализа. Здесь же завершается решение задачи планирования проекта.

Проектирование состоит в создании представлений: – архитектуры ПО; – модульной структуры ПО; – алгоритмической структуры ПО; – структуры данных; – входного и выходного интерфейса (входных и выходных форм данных). Исходные данные для проектирования содержатся в спецификации анализа. При решении задач проектирования основное внимание уделяется качеству будущего программного продукта. Кодирование состоит в переводе результатов проектирования в текст на языке программирования. Тестирование - выполнение программы для выявления дефектов в функциях, логике и форме реализации программного продукта. Сопровождение - это внесение изменений в эксплуатируемое ПО. Цели изменений: – исправление ошибок; – адаптация к изменениям внешней для ПО среды; – усовершенствование ПО по требованиям заказчика.

Сопровождение ПО состоит в повторном применении каждого из предшествующих шагов (этапов) жизненного цикла к существующей программе но не в разработке новой программы. Достоинства классического жизненного цикла: – дает план и временной график по всем этапам проекта; – упорядочивает ход конструирования Недостатки классического жизненного цикла: – реальные проекты часто требуют отклонения от стандартной последовательности шагов; – цикл основан на точной формулировке исходных требований к ПО (реально в начале проекта требования заказчика определены лишь частично); – результаты проекта доступны заказчику только в конце работы.

Макетирование Проблемы Заказчик — не может сформулировать подробные требования по вводу, обработке или выводу данных для будущего программного продукта. Разработчик может сомневаться: – в приспосабливаемости продукта под операционную систему; – форме диалога с пользователем; – в эффективности реализуемого алгоритма. В этих случаях целесообразно использовать макетирование. Основная цель макетирования - снять неопределенности в требованиях заказчика. Макетирование (прототипирование) - это процесс создания модели требуемого программного продукта. Модель может принимать одну из трех форм: 1) бумажный макет или макет на основе ПК (изображает или рисует человеко-машинный диалог); 2) работающий макет (выполняет некоторую часть требуемых функций); 3) существующая программа (характеристики которой затем должны быть улучшены).

Сбор и уточнение требований к создаваемому ПО. Разработчик и заказчик встречаются и определяют все цели ПО, устанавлива -ют, какие требования известны, а какие предстоит доопределить. Быстрое проектирование. Внимание сосредоточивается на тех характеристиках ПО, которые должны быть видимы пользователю. Быстрое проектирование приводит к построе- нию макета. Макетирование. Оценивается макета заказчиком — используется для уточнения требований к ПО. Уточнение макета. Итерации повторяются до тех пор, пока макет не выявит все требования заказчика и, тем самым, не даст возможность разработчику понять, что должно быть сделано. Достоинство макетирования: обеспечивает определение полных требований к ПО. Недостатки макетирования: заказчик может принять макет за продукт; разработчик может принять макет за продукт.

Для быстрого получения работающего макета разработчик часто идет на определенные компромиссы: – используются не самые подходящие языки программирования или операционная система; – для простой демонстрации возможностей может применяться неэффективный алгоритм.

Стратегии конструирования ПО Существуют 3 стратегии конструирования ПО: однократный проход (водопадная стратегия) - линейная последовательность этапов конструирования; инкрементная стратегия. В начале процесса определяются все пользовательские и системные требования, оставшаяся часть конструирования выполняется в виде последовательности версий. Первая версия реализует часть запланированных возможностей, следующая версия реализует дополнительные возможности и т. д. , пока не будет получена полная система; эволюционная стратегия. Система также строится в виде последовательности версий, но в начале процесса определены не все требования. Требования уточняются в результате разработки версий.

Характеристики стратегий конструирования ПО в соответствии с требованиями стандарта IEEE / EIA 12207. 2 Стратегия конструирован ия В начале процесса определены все требования? Множество циклов конструирова- ния? Промежуточ ное ПО распространя- ется? Однократный проход Инкрементная (запланированн ое улучшение продукта) Эволюционная Да Да Нет Может быть Да

Инкрементная модель Инкрементная модель является классическим примером инкрементной стратегии конструирования Она объединяет элементы последовательной водопадной модели с итерационной философией макетирования.

Каждая линейная последовательность здесь вырабатывает поставляемый инкремент ПО. Пример. ПО для обработки слов в 1 -м инкременте реализует функции базовой обработки файлов, функции редактирования и документирования; во 2 -м инкременте - более сложные возможности редактирования и документирования; в 3 -м инкременте - проверку орфографии и грамматики; в 4 -м инкременте - возможности компоновки страницы. Первый инкремент приводит к получению базового продукта, реализующего базовые требования (правда, многие вспомогательные требования остаются нереализованными). План следующего инкремента предусматривает модификацию базового продукта, обеспечивающую дополнительные характеристики и функциональность. По своей природе инкрементный процесс итеративен, но, в отличие от макетирования, инкрементная модель обеспечивает на каждом инкременте работающий продукт. Современная реализация инкрементного подхода - экстремальное програм- мирование ХР. (Кент Бек, 1999)

Быстрая разработка приложений Модель быстрой разработки приложений (Rapid Application Development) - второй пример применения инкрементной стратегии конструирования

RAD -модель обеспечивает экстремально короткий цикл разработки. RAD - высокоскоростная адаптация линейной последовательной модели, в которой быстрая разработка достигается за счет использования компонентно-ориентированного конструирования. Если требования полностью определены, а проектная область ограничена, RAD -процесс позволяет группе создать полностью функциональную систему за очень короткое время (60 -90 дней). RAD -подход ориентирован на разработку информационных систем и выделяет следующие этапы: – бизнес-моделирование. Моделируется информационный поток между бизнес-функциями. Ищется ответ на следующие вопросы: Какая информация руководит бизнес-процессом? Какая генерируется информация? Кто генерирует ее? Где информация применяется? Кто обрабатывает ее? – моделирование данных. Информационный поток, определенный на этапе бизнес-моделирования, отображается в набор объектов данных, которые требуются для поддержки бизнеса. Идентифицируются характеристики (свойства, атрибуты) каждого объекта, определяются отношения между объектами;

– моделирование обработки. Определяются преобразования объектов данных, обеспечивающие реализацию бизнес-функций. Создаются описания обработки для добавления, модификации, удаления или нахождения (исправления) объектов данных; – генерация приложения. Предполагается использование методов, ориентированных на языки программирования 4 -го поколения. Вместо создания ПО с помощью языков программирования 3 -го поколения, RAD -процесс работает с повторно используемыми программными компонентами или создает повторно используемые компоненты. Для обеспечения конструирования используются утилиты автоматизации; – тестирование и объединение. Поскольку применяются повторно используемые компоненты, многие программные элементы уже протестированы. Это уменьшает время тестирования (хотя все новые элементы должны быть протестированы). Применение RAD возможно в том случае, когда каждая главная функция может быть завершена за 3 месяца. Каждая главная функция адресуется отдельной группе разработчиков, а затем интегрируется в целую систему.

Применение RAD имеет свои недостатки, и ограничения. 1. Для больших проектов в RAD требуются существенные людские ресурсы (необходимо создать достаточное количество групп). 2. RAD применима только для таких приложений, которые могут декомпозироваться на отдельные модули и в которых производительность не является критической величиной. 3. RAD не применима в условиях высоких технических рисков (то есть при использовании новой технологии).

Спиральная модель Спиральная модель - классический пример применения эволюционной стратегии конструирования. Спиральная модель (автор Барри Боэм, 1988) базируется на лучших свойствах классического жизненного цикла и макетирования, к которым добавляется новый элемент - анализ риска, отсутствующий в этих парадигмах

Спиральная модель: 1 - начальный сбор требований и планирование проекта; 2 - та же работа, но на основе рекомендаций заказчика; 3 - анализ риска на основе начальных требований; 4 - анализ риска на основе реакции заказчика; 5 - переход к комплексной системе; 6 - начальный макет системы; 7 - следующий уровень макета; 8 - сконструированная система; 9 - оценивание заказчиком. Модель определяет четыре действия, представляемые четырьмя квадрантами спирали. 1. Планирование - определение целей, вариантов и ограничений. 2. Анализ риска - анализ вариантов и распознавание/выбор риска. 3. Конструирование - разработка продукта следующего уровня. 4. Оценивание - оценка заказчиком текущих результатов конструирования.

Интегрирующий аспект спиральной модели очевиден при учете радиального измерения спирали. С каждой итерацией по спирали (продвижением от центра к периферии) строятся все более полные версии ПО. Первый виток спирали — определяются начальные цели, варианты и ограничения, распознается и анализируется риск. Если анализ риска показывает неопределенность требований, на помощь разработчику и заказчику приходит макетирование (используемое в квадранте конструирования). Следующая фаза планирования и анализа риска базируется на предложениях заказчика. В каждом цикле по спирали результаты анализа риска формируются в виде «продолжать, не продолжать» . Если риск слишком велик, проект может быть остановлен. Движение по спирали продолжается, с каждым шагом продвигая разработчиков к более общей модели системы.

Достоинства спиральной модели: 1) наиболее реально (в виде эволюции) отображает разработку программного обеспечения; 2) позволяет явно учитывать риск на каждом витке эволюции разработки; 3) включает шаг системного подхода в итерационную структуру разработки; 4) использует моделирование для уменьшения риска и совершенствования программного изделия. Недостатки спиральной модели: 1) новизна (отсутствует достаточная статистика эффективности модели); 2) повышенные требования к заказчику; 3) трудности контроля и управления временем разработки.

Компонентно-ориентированная модель является развитием спиральной модели и тоже основывается на эволюционной стратегии конструирования. В модели конкретизируется содержание квадранта конструирования - оно отражает тот факт, что в современных условиях новая разработка должна основываться на повторном использовании существующих программных компонентов. – Программные компоненты, созданные в реализованных программных проектах, хранятся в библиотеке. – В новом программном проекте, исходя из требований заказчика, выявляются кандидаты в компоненты. – Далее проверяется наличие этих кандидатов в библиотеке. – Если кандидаты найдены, то компоненты извлекаются из библиотеки и используются повторно. – В противном случае создаются новые компоненты, они применяются в проекте и включаются в библиотеку. Достоинства компонентно-ориентированной модели: 1) уменьшает на 30% время разработки программного продукта; 2) уменьшает стоимость программной разработки до 70%; 3) увеличивает в полтора раза производительность разработки.

Тяжеловесные и облегченные процессы В XXI веке потребности общества в программном обеспечении информационных технологий достигли экстремальных значений. Традиционно для упорядочения и ускорения программных разработок предлагались строго упорядочивающие тяжеловесные (heavyweight) процессы. В этих процессах прогнозируется весь объем предстоящих работ, поэтому они называются прогнозирующими (predictive) процессами. Порядок, который должен выполнять при этом человек-разработчик, чрезвычайно строг и человеческие слабости в расчет не принимался, а объем необходимой документации был очень велик. В последние годы появилась группа новых, облегченных (lightweight) процессов, которые теперь называют подвижными (agile) процессами. Они привлекательны отсутствием бюрократизма, характерного для тяжеловесных (прогнозирующих) процессов и воплощают в жизнь разумный компромисс между слишком строгой дисциплиной и полным ее отсутствием.

Таким образом, в современной инфраструктуре программной инженерии существуют два семейства процессов разработки: – семейство прогнозирующих (тяжеловесных) процессов; – семейство адаптивных (подвижных, облегченных) процессов. У каждого семейства есть свои достоинства, недостатки и область применения: – адаптивный процесс используют при частых изменениях требований, малочисленной группе высококвалифицированных разработчиков и грамотном заказчике, который согласен участвовать в разработке; – прогнозирующий процесс применяют при фиксированных требованиях и многочисленной группе разработчиков разной квалификации.

ХР-процесс Экстремальное программирование (e. Xtreme Programming , XP) - облегченный (подвижный) процесс (или методология), (Кент Бек, 1999). ХР-процесс ориентирован на группы малого и среднего размера, строящие программное обеспечение в условиях неопределенных или быстро изменяющихся требований. ХР-группу образуют до 10 сотрудников, которые размещаются в одном помещении. Основная идея ХР - устранить высокую стоимость изменения, характерную для приложений с использованием объектов, паттернов и реляционных баз данных. ХР-процесс должен быть высокодинамичным процессом. ХР-группа имеет дело с изменениями требований на всем протяжении итерационного цикла разработки, причем цикл состоит из очень коротких итераций. Четырьмя базовыми действиями в ХР-цикле являются: кодирование, тестирование, выслушивание заказчика и проектирование. Динамизм обеспечивается с помощью четырех характеристик: непрерывной связи с заказчиком (и в пределах группы), простоты (всегда выбирается минимальное решение), быстрой обратной связи (с помощью модульного и функционального тестирования), смелости в проведении профилактики возможных проблем.

Большинство принципов, поддерживаемых в ХР (минимальность, простота, эволюционный цикл разработки, малая длительность итерации, участие пользователя, оптимальные стандарты кодирования и т. д.), продиктованы здравым смыслом и применяются в любом упорядоченном процессе. В ХР эти принципы достигают «экстремальных значений» . Большинство принципов, поддерживаемых в ХР (минимальность, простота, эволюционный цикл разработки, малая длительность итерации, участие пользователя, оптимальные стандарты кодирования и т. д.), продиктованы здравым смыслом и применяются в любом упорядоченном процессе. В ХР эти принципы достигают «экстремальных значений» . Рассмотрим структуру «идеального» ХР-процесса. Основным структурным элементом процесса является ХР-реализация, в которую многократно вкладывается базовый элемент - ХР-итерация. В состав ХР-реализации и ХР-итерации входят три фазы - – исследование, – блокировка, – регулирование.

Исследование (exploration) - это поиск новых требований (историй, задач), которые должна выполнять система. Блокировка (commitment) - выбор для реализации конкретного подмножества из всех возможных требований (иными словами, планирование). Регулирование (steering) - проведение разработки, воплощение плана в жизнь. ХР рекомендует: – первая реализация должна иметь длительность 2 -6 месяцев – продолжительность остальных реализаций - около двух месяцев – каждая итерация длится приблизительно две недели, – численность группы разработчиков не превышает 10 человек. Пример ХР-процесса для проекта с семью реализациями, осуществляемый за 15 месяцев – Процесс инициируется начальной исследовательской фазой. – Фаза исследования, с которой начинается любая реализация и итерация, имеет клапан «пропуска» , на этой фазе принимается решение о целесообразности дальнейшего продолжения работы. – Предполагается: длительность первой реализации составляет 3 месяца, длительность второй - седьмой реализаций - 2 месяца.

Вторая - седьмая реализации образуют период сопровождения, характеризующий природу ХР-проекта. Каждая итерация длится две недели, за исключением тех, которые относят к поздней стадии реализации - «запуску в производство» (в это время темп итерации ускоряется). Наиболее трудна первая реализация - пройти за три месяца от обычного старта (скажем, отдельный сотрудник не зафиксировал никаких требований, не определены ограничения) к поставке заказчику системы промышленного качества очень сложно.

Модели качества процессов конструирования В условиях жесткой конкуренции, очень важно гарантировать высокое качество процесса конструирования ПО. Гарантию дает сертификат качества процесса, подтверждающий его соответствие принятым международным стандартам. Каждый стандарт фиксирует свою модель обеспечения качества. Наиболее авторитетными являются модели стандартов: – ISO 9001: 2000; – ISO / IEC 15504 ; – Модель зрелости процесса конструирования ПО (Capability Maturity Model - СММ) Института программной инженерии при американском университете Карнеги-Меллон. Модель стандарта ISO 9001: 2000 ориентирована на процессы разработки из любых областей человеческой деятельности. Стандарт ISO / IEC 15504 специализируется на процессах программной разработки и отличается более высоким уровнем детализации. Базовым понятием модели СММ считается зрелость компании – Незрелой называют компанию, где процесс конструирования ПО и принимаемые решения зависят только от таланта конкретных разработчиков. Как следствие, здесь высока вероятность превышения бюджета или срыва сроков окончания проекта.

– В зрелой компании работают ясные процедуры управления проектами и построения программных продуктов. – Оценки длительности и затрат разработки точны, основываются на накопленном опыте. – В компании имеются и действуют корпоративные стандарты на процессы взаимодействия с заказчиком, процессы анализа, проектирования, программирования, тестирования и внедрения программных продуктов. Модель СММ фиксирует критерии для оценки зрелости компании и предлагает рецепты для улучшения существующих в ней процессов Модель СММ ориентирована на построение системы постоянного улучшения процессов. В модели зафиксированы пять уровней зрелости и предусмотрен плавный, поэтапный подход к совершенствованию процессов - можно поэтапно получать подтверждения об улучшении процессов после каждого уровня зрелости.

Уровень 1 (Начальный) означает, что процесс в компании не формализован. Он не может строго планироваться и отслеживаться, его успех носит случайный характер. Результат работы целиком и полностью зависит от личных качеств отдельных сотрудников. При увольнении таких сотрудников проект останавливается. Уровень 2 (Повторяемый). Для перехода на повторяемый уровень необходимо внедрить формальные процедуры для выполнения основных элементов процесса конструирования. Результаты выполнения процесса соответствуют заданным требованиям и стандартам. Основное отличие от уровня 1 состоит в том, что выполнение процесса планируется и контроли- руется. Применяемые средства планирования и управления дают возможность повторения ранее достигнутых успехов. Уровень 3 (Определенный) требует, чтобы все элементы процесса были определены, стандартизованы и задокументированы. Основное отличие от уровня 2 заключается в том, что элементы процесса уровня 3 планируются и управляются на основе единого стандарта компании. Качество разрабаты- ваемого ПО уже не зависит от способностей отдельных личностей.

Уровень 4 (Управляемый). С переходом на управляемый уровень в компании принимаются количественные показатели качества как программных продуктов, так и процесса. Это обеспечивает более точное планирование проекта и контроль качества его результатов. Основное отличие от уровня 3 состоит в более объективной, количественной оценке продукта и процесса. Уровень 5 (Оптимизирующий). Высший уровень подразумевает, что главной задачей компании становится постоянное улучшение и повышение эффек- тивности существующих процессов, ввод новых технологий. Основное отличие от уровня 4 заключается в том, что технология создания и сопровождения программных продуктов планомерно и последовательно совершенствуется. Каждый уровень СММ характеризуется областью ключевых процессов (ОКП), причем считается, что каждый последующий уровень включает в себя все характеристики предыдущих уровней. Область ключевых процессов образуют процессы, которые при совместном выполнении приводят к достижению определенного набора целей. Пример, ОКП 5 -го уровня образуют процессы: – предотвращения дефектов; – управления изменениями технологии; – управления изменениями процесса. Если все цели ОКП достигнуты, компании присваивается сертификат данного уровня зрелости. Если хотя бы одна цель не достигнута, то компания не может соответствовать данному уровню СММ

Управление проектами. Определения и концепции Управление проектами, лишь одна из 17 областей знаний программной инженерии, и то вспомогательная. Однако основной причиной большинства провалов программных проектов является именно применение неадекватных методов управления разработкой. Проект – это комплекс усилий, предпринимаемых с целью получения конкретных уникальных результатов в рамках отведенного времени и в пределах утвержденного бюджета, который выделяется на оплату ресурсов, используемых или потребляемых в ходе проекта. [Арчибальд Р. ]. Проект, есть комплекс действий, направленных на получение уникального результата, будь то продукт или услуга. Цель проекта описывает какие задачи должны быть решены в результате проекта. Содержание проекта — что именно является результатом проекта. Для информационной системы – ее функциональность. Управление проектом определяет “как”, с помощью каких действий, будет достигнута цель проекта и создан необходимый результат. При этом, управление проектами может и должно применяться на всех этапах жизненного цикла проекта, т. е. управление проектом есть постоянная деятельность.

В силу масштабности содержания проекта либо, например, разнородности его составных частей (например, программно-аппаратный комплекс шифрования данных) проект может быть разбит на несколько более мелких проектов. Так как с любым проектом ассоциированы цели, ресурсы, время, мы можем сформулировать, что управление проектами – есть дисциплина применения методов, практик и опыта к проектной деятельности для достижения целей проектов, при условии удовлетворения ограничений, определяющих их рамки. Ограничения (constraints) в проектах. Чаще всего говорят о трех основных ограничениях или “железном треугольнике” 1. Содержании проекта 2. Времени 3. Стоимости

Любая оценка качества должна базироваться на измерениях и количественно выражаемых результатах измерений. Требования к качеству также должны описываться исчисляемыми характеристиками. Процесс управления проектом. Роль ограничений.

В приложении к индустрии программного обеспечения обычно добавляют четвертое ограничение – качество (quality), приемлемое качество. В зависимости от контекста и обсуждаемых в конкретном случае критериев качества, “приемлемое” качество может рассматриваться как необходимое, например, заданное требованиями качества и внутрикорпоративными стандартами.