Учебник Технология программирования. Технология программирования
 Скачать 7.85 Mb.
|
|
1.3. Блочно-иерархический подход к созданию сложных систем Практика показывает, что подавляющее большинство сложных систем как в природе, так и в технике имеет иерархическую внутреннюю структуру. Это связано с тем, что обычно связи элементов сложных систем различны как по типу, так и по силе, что и позволяет рассматривать эти системы как некоторую совокупность взаимозависимых подсистем. Внутренние связи элементов таких подсистем сильнее, чем связи между подсистемами. Например, 25 компьютер состоит из процессора, памяти и внешних устройств, а Солнечная система включает Солнце и планеты, вращающиеся вокруг него. В свою очередь, используя то же различие связей, можно каждую подсистему разделить на подсистемы и т.д. до самого нижнего «элементарного» уровня, причем выбор уровня, компоненты которого следует считать элементарными, остается за исследователем. На элементарном уровне система, как правило, состоит из немногих типов подсистем, по- разному скомбинированных и организованных. Иерархии такого типа получили название «целое-часть». Поведение системы в целом обычно оказывается сложнее поведения отдельных частей, причем из-за более сильных внутренних связей особенности системы в основном обусловлены отношениями между ее частями, а не частями как таковыми. В природе существует еще один вид иерархии – иерархия «простое-сложное» или иерархия развития (усложнения) систем в процессе эволюции. В этой иерархии любая функционирующая система является результатом развития более простой системы. Именно данный вид иерархии реализуется механизмом наследования объектно-ориентированного программирования. Будучи в значительной степени отражением природных и технических систем, программные системы обычно являются иерархическими, т. е. обладают описанными выше свойствами. На этих свойствах иерархических систем строится блочно-иерархический подход к их исследованию или созданию. Этот подход предполагает сначала создавать части таких объектов (блоки, модули), а затем собирать из них сам объект. Процесс разбиения сложного объекта на сравнительно независимые части получил название декомпозиции. При декомпозиции учитывают, что связи между отдельными частями должны быть слабее, чем связи элементов внутри частей. Кроме того, чтобы из полученных частей можно было собрать разрабатываемый объект, в процессе декомпозиции необходимо определить все виды связей частей между собой. При создании очень сложных объектов процесс декомпозиции выполняется многократно: каждый блок, в свою очередь, декомпозируют на части, пока не получают блоки, которые сравнительно легко разработать. Данный метод разработки получил название пошаговой детализации. Существенно и то, что в процессе декомпозиции стараются выделить аналогичные блоки, которые можно было бы разрабатывать на общей основе. Таким образом, как уже упоминалось выше, обеспечивают увеличение степени повторяемости кодов и, соответственно, снижение стоимости разработки. Результат декомпозиции обычно представляют в виде схемы иерархии, на нижнем уровне которой располагают сравнительно простые блоки, а на верхнем – объект, подлежащий разработке. На каждом иерархическом уровне описание блоков выполняют с определенной степенью детализации, аб- 26 страгируясъ от несущественных деталей. Следовательно, для каждого уровня используют свои формы документации и свои модели, отражающие сущность процессов, выполняемых каждым блоком. Так для объекта в целом, как правило, удается сформулировать лишь самые общие требования, а блоки нижнего уровня должны быть специфицированы так, чтобы из них действительно можно было собрать работающий объект. Другими словами, чем больше блок, тем более абстрактным должно быть его описание (рис. 1.8). При соблюдении этого принципа разработчик сохраняет возможность осмысления проекта и, следовательно, может принимать наиболее правильные решения на каждом этапе, что называют локальной оптимизацией (в отличие от глобальной оптимизации характеристик объектов, которая для действительно сложных объектов не всегда возможна). Примечание. Следует иметь в виду, что понятие сложного объекта по мере совершенствования технологий изменяется, и то, что было сложным вчера, не обязательно останется сложным завтра. Итак, в основе блочно-иерархического подхода лежат декомпозиция и иерархическое упорядочение. Важную роль играют также следующие принципы: • непротиворечивость - контроль согласованности элементов между собой; • полнота - контроль на присутствие лишних элементов; • формализация – строгость методического подхода; • повторяемость – необходимость выделения одинаковых блоков для удешевления и ускорения разработки; • локальная оптимизация – оптимизация в пределах уровня иерархии. Совокупность языков моделей, постановок задач, методов описаний некоторого иерархического уровня принято называть уровнем проектирования. 27 Каждый объект в процессе проектирования, как правило, приходится рассматривать с нескольких сторон. Различные взгляды на объект проектирования принято называть аспектами проектирования. Помимо того, что использование блочно-иерархического подхода делает возможным создание сложных систем, он также: • упрощает проверку работоспособности, как системы в целом, так и отдельных блоков; • обеспечивает возможность модернизации систем, например, замены ненадежных блоков с сохранением их интерфейсов. Необходимо отметить, что использование блочно-иерархического подхода применительно к программным системам стало возможным только после конкретизации общих положений подхода и внесения некоторых изменений в процесс проектирования. При этом структурный подход учитывает только свойства иерархии «целое-часть», а объектный – использует еще и свойства иерархии «простое-сложное». 1.4. Жизненный цикл и этапы разработки программного обеспечения Жизненным циклом программного обеспечения называют период от момента появления идеи создания некоторого программного обеспечения до момента завершения его поддержки фирмой-разработчиком или фирмой, выполнявшей сопровождение. Состав процессов жизненного цикла регламентируется международным стандартом ISO/IEC 12207: 1995 «Information Technologies – Software Life Cycle Processes» («Информационные технологии - Процессы жизненного цикла программного обеспечения»). ISO - International Organization for Standardization – Международная организация по стандартизации. IEC -International Electrotechnical Commission – Международная комиссия по электротехнике. Этот стандарт описывает структуру жизненного цикла программного обеспечения и его процессы. Процесс жизненного цикла определяется как совокупность взаимосвязанных действий, преобразующих некоторые входные данные в выходные. На рис. 1.9 представлены процессы жизненного цикла по указанному стандарту. Каждый процесс характеризуется определенными задачами и методами их решения, а также исходными данными и результатами. Процесс разработки (development process) в соответствии со стандартом предусматривает действия и задачи, выполняемые разработчиком, и охватывает работы по созданию программного обеспечения и его компонентов в соответствии с заданными требованиями, включая оформление проектной и эксплуатационной документации, а также подготовку материалов, необходи- 28 мых для проверки работоспособности и соответствия качества программных продуктов, материалов, необходимых для обучения персонала, и т.д. По стандарту процесс разработки включает следующие действия: • подготовительную работу –выбор модели жизненного цикла (см. далее), стандартов, методов и средств разработки, а также составление плана работ; • анализ требований к системе –определение ее функциональных возможностей, пользовательских требований, требований к надежности и безопасности, требований к внешним интерфейсам и т.д.; • проектирование архитектуры системы –определение состава необходимого оборудования, программного обеспечения и операций, выполняемых обслуживающим персоналом; • анализ требований к программному обеспечению –определение функциональных возможностей, включая характеристики производительности, среды функционирования компонентов, внешних интерфейсов, специфика- 29 ций надежности и безопасности, эргономических требований, требований к используемым данным, установке, приемке, пользовательской документации, эксплуатации и сопровождению; • проектирование архитектуры программного обеспечения –определение структуры программного обеспечения, документирование интерфейсов его компонентов, разработку предварительной версии пользовательской документации, а также требований к тестам и плана интеграции; • детальное проектирование программного обеспечения – подробное описание компонентов программного обеспечения и интерфейсов между ними, обновление пользовательской документации, разработка и документирование требований к тестам и плана тестирования компонентов программного обеспечения, обновление плана интеграции компонентов; • кодирование и тестирование программного обеспечения – разработку и документирование каждого компонента, а также совокупности тестовых процедур и данных для их тестирования, тестирование компонентов, обновление пользовательской документации, обновление плана интеграции программного обеспечения; • интеграцию программного обеспечения –сборку программных компонентов в соответствии с планом интеграции и тестирование программного обеспечения на соответствие квалификационным требованиям, представляющих собой набор критериев или условий, которые необходимо выполнить, чтобы квалифицировать программный продукт, как соответствующий своим спецификациям и готовый к использованию в заданных условиях эксплуатации; • квалификационное тестирование программного обеспечения –тестирование программного обеспечения в присутствии заказчика для демонстрации его соответствия требованиям и готовности к эксплуатации; при этом проверяется также готовность и полнота технической и пользовательской документации • интеграцию системы –сборку всех компонентов системы, включая программное обеспечение и оборудование; • квалификационное тестирование системы –тестирование системы на соответствие требованиям к ней и проверка оформления и полноты документации; • установку программного обеспечения –установку программного обеспечения на оборудовании заказчика и проверку его работоспособности; • приемку программного обеспечения –оценку результатов квалификационного тестирования программного обеспечения и системы в целом и документирование результатов оценки совместно с заказчиком, окончательную передачу программного обеспечения заказчику. Указанные действия можно сгруппировать, условно выделив следующие основные этапы разработки программного обеспечения [10] (в скобках 30 указаны соответствующие стадии разработки по ГОСТ 19.102-77 «Стадии разработки»): • постановка задачи (стадия «Техническое задание»); • анализ требований и разработка спецификаций (стадия «Эскизный проект»); • проектирование (стадия «Технический проект»); • реализация (стадия «Рабочий проект»). Традиционно разработка также включала этап сопровождения (началу этого этапа соответствует стадия «Внедрение» по ГОСТ). Однако по международному стандарту в соответствии с изменениями, произошедшими в индустрии разработки программного обеспечения, этот процесс теперь рассматривается отдельно. Условность выделения этапов связана с тем, что на любом этапе возможно принятие решений, которые потребуют пересмотра решений, принятых ранее (см. § 1.5). Постановка задачи. В процессе постановки задачи четко формулируют назначение программного обеспечения и определяют основные требования к нему. Каждое требование представляет собой описание необходимого или желаемого свойства программного обеспечения. Различают функциональные требования, определяющие функции, которые должно выполнять разрабатываемое программное обеспечение, и эксплуатационные требования, определяющие особенности его функционирования. Требования к программному обеспечению, имеющему прототипы, обычно определяют по аналогии, учитывая структуру и характеристики уже существующего программного обеспечения. Для формулирования требований к программному обеспечению, не имеющему аналогов, иногда необходимо провести специальные исследования, называемые предпроектными. В процессе таких исследований определяют разрешимость задачи, возможно, разрабатывают методы ее решения (если они новые) и устанавливают наиболее существенные характеристики разрабатываемого программного обеспечения. Для выполнения предпроектных исследований, как правило, заключают договор на выполнение научно-исследовательских работ. В любом случае этап постановки задачи заканчивается разработкой технического задания, фиксирующего принципиальные требования, и принятием основных проектных решений (см. гл. 3). Анализ требований и определение спецификаций. Спецификациями называют точное формализованное описание функций и ограничений разрабатываемого программного обеспечения. Соответственно различают функциональные и эксплуатационные спецификации. Совокупность спецификаций представляет собой общую логическую модель проектируемого программного обеспечения. Для получения спецификаций выполняют анализ требований технического задания, формулируют содержательную постановку задачи, выбирают 31 математический аппарат формализации, строят модель предметной области, определяют подзадачи и выбирают или разрабатывают методы их решения. Часть спецификаций может быть определена в процессе предпроектных исследований и, соответственно, зафиксирована в техническом задании. На этом этапе также целесообразно сформировать тесты для поиска ошибок в проектируемом программном обеспечении, обязательно указав ожидаемые результаты. Проектирование. Основной задачей этого этапа является определение подробных спецификаций разрабатываемого программного обеспечения. Процесс проектирования сложного программного обеспечения обычно включает: • проектирование общей структуры – определение основных компонентов и их взаимосвязей; • декомпозицию компонентов и построение структурных иерархий в соответствии с рекомендациями блочно-иерархического подхода; • проектирование компонентов. Результатом проектирования является детальная модель разрабатываемого программного обеспечения вместе со спецификациями его компонентов всех уровней. Тип модели зависит от выбранного подхода (структурный, объектный или компонентный) и конкретной технологии проектирования. Однако в любом случае процесс проектирования охватывает как проектирование программ (подпрограмм) и определение взаимосвязей между ними, так и проектирование данных, с которыми взаимодействуют эти программы или подпрограммы. Принято различать также два аспекта проектирования: • логическое проектирование, которое включает те проектные операции, которые непосредственно не зависят от имеющихся технических и программных средств, составляющих среду функционирования будущего программного продукта; • физическое проектирование – привязка к конкретным техническим и программным средствам среды функционирования, т.е. учет ограничений, определенных в спецификациях. Реализация. Реализация представляет собой процесс поэтапного написания кодов программы на выбранном языке программирования (кодирование), их тестирование и отладку. Сопровождение. Сопровождение – это процесс создания и внедрения новых версий программного продукта. Причинами выпуска новых версий могут служить: • необходимость исправления ошибок, выявленных в процессе эксплуатации предыдущих версий; • необходимость совершенствования предыдущих версий, например, улучшения интерфейса, расширения состава выполняемых функций или повышения его производительности; 32 • изменение среды функционирования, например, появление новых технических средств и/или программных продуктов, с которыми взаимодействует сопровождаемое программное обеспечение. На этом этапе в программный продукт вносят необходимые изменения, которые так же, как в остальных случаях, могут потребовать пересмотра проектных решений, принятых на любом предыдущем этапе. С изменением модели жизненного цикла программного обеспечения (см. далее) роль этого этапа существенно возросла, так как продукты теперь создаются итерационно: сначала выпускается сравнительно простая версия, затем следующая с большими возможностями, затем следующая и т.д. Именно это и послужило причиной выделения этапа сопровождения в отдельный процесс жизненного цикла в соответствии с стандартом ISO/IEC 12207. Рассматриваемый стандарт только называет и определяет процессы жизненного цикла программного обеспечения, не конкретизируя в деталях, как реализовывать или выполнять действия и задачи, включенные в эти процессы. Эти вопросы регламентируются соответствующими методами, методиками и т.п. Прежде, чем перейти к подробному рассмотрению последних, проанализируем эволюцию схем разработки программного обеспечения от момента их появления до настоящего времени. 1.5. Эволюция моделей жизненного цикла программного обеспечения На протяжении последних тридцати лет в программировании сменились три модели жизненного цикла программного обеспечения: каскадная, модель с промежуточным контролем и спиральная. Каскадная модель. Первоначально (1970-1985 годы) была предложена и использовалась каскадная схема разработки программного обеспечения (рис. 1.10), которая предполагала, что переход на следующую стадию осуществляется после того, как полностью будут завершены проектные операции предыдущей стадии и получены все исходные данные для следующей стадии. Достоинствами такой схемы являются: • получение в конце каждой стадии законченного набора проектной документации, отвечающего требованиям полноты и согласованности; • простота планирования процесса разработки. Именно такую схему и используют обычно при блочно-иерархическом подходе к разработке сложных технических объектов, обеспечивая очень высокие параметры эффективности разработки. Однако данная схема оказалась применимой только к созданию систем, для которых в самом начале разработки удавалось точно и полно сформулировать все требования. Это уменьшало вероятность возникновения в процессе разработки проблем, связанных с принятием неудачного решения на предыдущих стадиях. На практике такие разработки встречается крайне редко. 33 В целом необходимость возвратов на предыдущие стадии обусловлена следующими причинами: • неточные спецификации, уточнение которых в процессе разработки может привести к необходимости пересмотра уже принятых решений; • изменение требований заказчика непосредственно в процессе разработки; • быстрое моральное устаревание используемых технических и программных средств; • отсутствие удовлетворительных средств описания разработки на стадиях постановки задачи, анализа и проектирования. Отказ от уточнения (изменения) спецификаций приведет к тому, что законченный продукт не будет удовлетворять потребности пользователей. При отказе от учета смены оборудования и программной среды пользователь получит морально устаревший продукт. А отказ от пересмотра неудачных проектных решений приводит к ухудшению структуры программного продукта и, соответственно, усложнит, растянет по времени и удорожит процесс его создания. Реальный процесс разработки, таким образом, носит итерационный характер. |