Технологии программирования

если существуют ограничения выходных значений, то целесообразно аналогично тестировать и их: конечно не всегда можно получить результат вне выходной области, но, тем не менее, стоит рассмотреть эту возможность;

если некоторое входное или выходное значение программы является упорядоченным множеством, например, это последовательный файл, линейный список или таблица, то следует сосредоточить внимание на первом и последнем элементах этого множества.

Анализ причинно-следственных связей

Анализ причинно-следственных связей позволяет системно выбирать высокорезультативные тесты. Метод использует алгебру логики и оперирует понятиями «причина» и «следствие». Причиной в данном случае называют отдельное входное условие или класс эквивалентности. Следствием - выходное условие или преобразование системы. Идея метода заключается в отнесении всех следствий к причинам, т. е. в уточнении причинно-следственных связей. Данный метод дает полезный побочный эффект, позволяя обнаруживать неполноту и неоднозначность исходных спецификаций.

Предположение об ошибке

Часто программист с большим опытом находит ошибки, «не применяя никаких методов». На самом деле он подсознательно использует метод «предположение об ошибке».

Процедура метода предположения об ошибке в значительной степени основана на интуиции. Основная его идея заключается в том, чтобы перечислить в некотором списке возможные ошибки или ситуации, в которых они могут появиться, а затем на основе этого списка составить тесты. Другими словами, требуется перечислить те особые случаи, которые могут быть не учтены при проектировании.

Тестирование модулей и комплексное тестирование.

При тестировании модулей программного обеспечения, так же, как при проектировании и кодировании возможно применение как восходящего, так и нисходящего подходов.

Восходящее тестирование

Восходящий подход предполагает, что каждый модуль тестируют отдельно на соответствие имеющимся спецификациям на него, затем собирают оттестированные модули в модули более высокой степени интеграции и тестируют их. При этом проверяют межмодульные интерфейсы, используемые для подключения модулей более низкого уровня иерархии. И так далее, пока не будет собран весь программный Такой подход обеспечивает полностью автономное тестирование, для которого просто генерировать тестовые последовательности, которые передаются в модуль напрямую. Однако он имеет и существенные недостатки. Во-первых, при восходящем тестировании так же, как при восходящем проектировании, серьезные ошибки в спецификациях, алгоритмах и интерфейсе могут быть обнаружены только на завершающей стадии работы над проектом. Во-вторых, для того, чтобы тестировать модули нижних уровней, необходимо разработать специальные тестирующие программы, которые обеспечивают вызов интересующих пас модулей с необходимыми параметрами. Причем эти тестирующие программы также могут содержать ошибки.

Нисходящее тестирование

Нисходящее тестирование органически связано с нисходящим проектированием и разработкой; как только проектирование какого-либо модуля заканчивается, его кодируют и передают на тестирование.

В этом случае автономно тестируется только основной модуль. При его тестировании все вызываемые им модули заменяют модулями, которые в той или иной степени имитируют поведение вызываемых модулей (рис. 16.4). Такие модули принято называть «заглушками». В отличие от тестирующих программ заглушки очень просты, например, они могут просто фиксировать, что им передано управление. Часто заглушки просто возвращают какие-либо фиксированные данные.

Как только тестирование основного модуля завершено, к нему подключают модули, непосредственно им вызываемые, и необходимые заглушки, а затем проводят их совместное тестирование. Далее последовательно подключают следующие модули, пока не будет собрана вся система.

Основной недостаток нисходящего тестирования - отсутствие автономного тестирования модулей. Поскольку модуль получает данные не непосредственно, а через вызывающий модуль, то гораздо сложнее обеспечить его «достаточное» тестирование.

Основным достоинством данного метода является ранняя проверка основных решений и качественное многократное тестирование сопряжения модулей в контексте программного обеспечения. При нисходящем тестировании есть возможность согласования с заказчиком внешнего вида (интерфейса) программного обеспечения.

Оценочное тестирование.

После завершения комплексного тестирования приступают к оценочному тестированию, целью которого является тестирование программы на соответствие основным требованиям. Эта стадия тестирования особенно важна для программных продуктов, предназначенных для продажи на рынке.

Оценочное тестирование, которое также называют «тестированием системы в целом», включает следующие виды:

тестирование удобства использования - последовательная проверка соответствия программного продукта и документации на него основным положениям технического задания;

тестирование на предельных объемах - проверка работоспособности программы на максимально больших объемах данных, например, объемах текстов, таблиц, большом количестве файлов и т. п.;

тестирование на предельных нагрузках - проверка выполнения программы на возможность обработки большого объема данных, поступивших в течение короткого времени;

тестирование удобства эксплуатации - анализ психологических факторов, возникающих при работе с программным обеспечением; это тестирование позволяет определить, удобен ли интерфейс, не раздражает ли цветовое или звуковое сопровождение и т. п.;

тестирование защиты - проверка защиты, например, от несанкционированного доступа к информации;

тестирование производительности - определение пропускной способности при заданной конфигурации и нагрузке;

тестирование требований к памяти - определение реальных потребностей в оперативной и внешней памяти;

тестирование конфигурации оборудования - проверка работоспособности программного обеспечения на разном оборудовании;

тестирование совместимости - проверка преемственности версий: в тех случаях, если очередная версия системы меняет форматы данных, она должна предусматривать специальные конвекторы, обеспечивающие возможность работы с файлами, созданными предыдущей версией системы;

тестирование удобства установки - проверка удобства установки;

тестирование надежности - проверка надежности с использованием соответствующих математических моделей;

тестирование восстановления - проверка восстановления программного обеспечения, например системы, включающей базу данных, после сбоев оборудования и программы;

тестирование удобства обслуживания - проверка средств обслуживания, включенных в программное обеспечение;

тестирование документации - тщательная проверка документации, например, если документация содержит примеры, то их все необходимо попробовать;

тестирование процедуры - проверка ручных процессов, предполагаемых в системе.

Естественно, целью всех этих проверок является поиск несоответствий техническому заданию.

Отладка программного обеспечения.

Отладка программного обеспечения

Отладка программы -- один их самых сложных этапов разработки программного обеспечения, требующий глубокого знания:

специфики управления используемыми техническими средствами,

операционной системы,

среды и языка программирования,

реализуемых процессов,

природы и специфики различных ошибок,

методик отладки и соответствующих программных средств. Обсуждению последних двух вопросов и посвящается данная глава.

Классификация ошибок программного обеспечения.

Отладка - это процесс локализации и исправления ошибок, обнаруженных при тестировании программного обеспечения. Локализацией называют процесс определения оператора программы, выполнение которого вызвало нарушение нормального вычислительного процесса. Для исправления ошибки необходимо определить ее причину, т. е. определить оператор или фрагмент, содержащие ошибку. Причины ошибок могут быть как очевидны, так и очень глубоко скрыты.

В целом сложность отладки обусловлена следующими причинами:

требует от программиста глубоких знаний специфики управления используемыми техническими средствами, операционной системы, среды и языка программирования, реализуемых процессов, природы и специфики различных ошибок, методик отладки и соответствующих программных средств;

психологически дискомфортна, так как необходимо искать собственные ошибки и, как правило, в условиях ограниченного времени;

возможно взаимовлияние ошибок в разных частях программы, например, за счет затирания области памяти одного модуля другим из-за ошибок адресации;

отсутствуют четко сформулированные методики отладки.

В соответствии с этапом обработки, на котором проявляются ошибки, различают (рис. 17.1):

синтаксические ошибки - ошибки, фиксируемые компилятором (транслятором, интерпретатором) при выполнении синтаксического и частично семантического анализа программы;

ошибки компоновки - ошибки, обнаруженные компоновщиком (редактором связей) при объединении модулей программы;

ошибки выполнения - ошибки, обнаруженные операционной системой, аппаратными средствами или пользователем при выполнении программы.

Рис 17.1. Классификация ошибок по этапу обработки программы

Синтаксические ошибки. Синтаксические ошибки относят к группе самых простых, так как синтаксис языка, как правило, строго формализован, и ошибки сопровождаются развернутым комментарием с указанием ее местоположения. Определение причин таких ошибок, как правило, труда не составляет, и даже при нечетком знании правил языка за несколько прогонов удается удалить все ошибки данного типа.

Следует иметь в виду, что чем лучше формализованы правила синтаксиса языка, тем больше ошибок из общего количества может обнаружить компилятор и, соответственно, меньше ошибок будет обнаруживаться на следующих этапах. В связи с этим говорят о языках программирования с защищенным синтаксисом и с незащищенным синтаксисом. К первым, безусловно, можно отнести Pascal, имеющий очень простой и четко определенный синтаксис, хорошо проверяемый при компиляции программы, ко вторым - Си со всеми его модификациями.

Ошибки компоновки. Ошибки компоновки, как следует из названия, связаны с проблемами, обнаруженными при разрешении внешних ссылок. Например, предусмотрено обращение к подпрограмме другого модуля, а при объединении модулей данная подпрограмма не найдена или не стыкуются списки параметров. В большинстве случаев ошибки такого рода также удается быстро локализовать и устранить.

Ошибки выполнения. К самой непредсказуемой группе относятся ошибки выполнения. Прежде всего, они могут иметь разную природу, и соответственно по-разному проявляться. Часть ошибок обнаруживается и документируется операционной системой. Выделяют четыре способа проявления таких ошибок:

Методы отладки программного обеспечения.

Отладка программы в любом случае предполагает обдумывание и логическое осмысление всей имеющейся информации об ошибке. Большинство ошибок можно обнаружить по косвенным признакам посредством тщательного анализа текстов программ и результатов тестирования без получения дополнительной информации. При этом используют различные методы:

ручного тестирования;

индукции;

дедукции;

обратного прослеживания.

Метод ручного тестирования

Это - самый простой и естественный способ данной группы. При обнаружении ошибки необходимо выполнить тестируемую программу вручную, используя тестовый набор, при работе с которым была обнаружена ошибка.

Метод очень эффективен, но не применим для больших программ, программ со сложными вычислениями и в тех случаях, когда ошибка связана с неверным представлением программиста о выполнении некоторых операций.

Данный метод часто используют как составную часть других методов отладки.

Метод индукции

Метод основан на тщательном анализе симптомов ошибки, которые могут проявляться как неверные результаты вычислений или как сообщение об ошибке. Если компьютер просто «зависает», то фрагмент проявления ошибки вычисляют, исходя из последних полученных результатов и действий пользователя. Полученную таким образом информацию организуют и тщательно изучают, просматривая соответствующий фрагмент программы. В результате этих действий выдвигают гипотезы об ошибках, каждую из которых проверяют. Если гипотеза верпа, то детализируют информацию об ошибке, иначе - выдвигают другую гипотезу. Последовательность выполнения отладки методом индукции показана на рис. 17.3 в виде схемы алгоритма.

Метод дедукции

По методу дедукции вначале формируют множество причин, которые могли бы вызвать данное проявление ошибки. Затем, анализируя причины, исключают те, которые противоречат имеющимся данным. Если все причины исключены, то следует выполнить дополнительное тестирование исследуемого фрагмента. В противном случае наиболее вероятную гипотезу пытаются доказать. Если гипотеза объясняет полученные признаки ошибки, то ошибка найдена, иначе - проверяют следующую причину

Метод обратного прослеживания

Для небольших программ эффективно применение метода обратного прослеживания. Начинают с точки вывода неправильного результата. Для этой точки строится гипотеза о значениях основных переменных, которые могли бы привести к получению имеющегося результата. Далее, исходя из этой гипотезы, делают предложения о значениях переменных в предыдущей точке. Процесс продолжают, пока не обнаружат причину ошибки.

Методы и средства получения дополнительной информации об ошибках.

Для получения дополнительной информации об ошибке можно выполнить добавочные тесты или использовать специальные методы и средства:

отладочный вывод;

интегрированные средства отладки;

независимые отладчики.

Отладочный вывод

Метод требует включения в программу дополнительного отладочного вывода в узловых точках. Узловыми считают точки алгоритма, в которых основные переменные программы меняют свои значения. Например, отладочный вывод следует предусмотреть до и после завершения цикла изменения некоторого массива значений. (Если отладочный вывод предусмотреть в цикле, то будет выведено слишком много значений, в которых, как правило, сложно разбираться.) При этом предполагается, что, выполнив анализ выведенных значений, программист уточнит момент, когда были получены неправильные значения, и сможет сделать вывод о причине ошибки.

Интегрированные средства отладки

Большинство современных сред программирования (Delphi, Builder C++, Visual Studio и т. д.) включают средства отладки, которые обеспечивают максимально эффективную отладку. Они позволяют:

выполнять программу по шагам, причем как с заходом в подпрограммы, так и выполняя их целиком;

предусматривать точки останова;

выполнять программу до оператора, указанного курсором;

отображать содержимое любых переменных при пошаговом выполнении;

отслеживать поток сообщений и т. п.

Применять интегрированные средства в рамках среды достаточно просто. Используют разные приемы в зависимости от проявлений ошибки. Если получено сообщение об ошибке, то сначала уточняют, при выполнении какого оператора программы оно получено. Для этого устанавливают точку останова в начало фрагмента, в котором проявляется ошибка, и выполняют операторы в пошаговом режиме до проявления ошибки.

Отладка с использованием независимых отладчиков

При отладке программ иногда используют специальные программы - отладчики, которые позволяют выполнить любой фрагмент программы в пошаговом режиме и проверить содержимое интересующих программиста переменных. Как правило, такие отладчики позволяют отлаживать программу только в машинных командах, представленных в 16-ричном коде.

Общая методика отладки программного обеспечения.

Суммируя все сказанное выше, можно предложить следующую методику отладки программного обеспечения, написанного на универсальных языках программирования для выполнения в операционных системах MS DOS и Win32:

1 этап - изучение проявления ошибки - если выдано какое-либо сообщение или выданы неправильные или неполные результаты, то необходимо их изучить и попытаться понять, какая ошибка могла так проявиться. При этом используют индуктивные и дедуктивные методы отладки. В результате выдвигают версии о характере ошибки, которые необходимо проверить. Для этого можно применить методы и средства получения дополнительной информации об ошибке.

Если ошибка не найдена или система просто «зависла», переходят ко второму этапу.

2 этап - локализация ошибки - определение конкретного фрагмента, при выполнении которого произошло отклонение от предполагаемого вычислительного процесса. Локализация может выполняться:

путем отсечения частей программы, причем, если при отсечении некоторой части программы ошибка пропадает, то это может означать как то, что ошибка связана с этой частью, так и то, что внесенное изменение изменило проявление ошибки;

с использованием отладочных средств, позволяющих выполнить интересующих нас фрагмент программы в пошаговом режиме и получить дополнительную информацию о месте проявления и характере ошибки, например, уточнить содержимое указанных переменных.

При этом если были получены неправильные результаты, то в пошаговом режиме проверяют ключевые точки процесса формирования данного результата.

Как подчеркивалось выше, ошибка не обязательно допущена в том месте, где она проявилась. Если в конкретном случае это так, то переходят к следующему этапу.

этап - определение причины ошибки - изучение результатов второго этапа и формирование версий возможных причин ошибки. Эти версии необходимо проверить, возможно, используя отладочные средства для просмотра последовательности операторов или значений переменных.

этап - исправление ошибки - внесение соответствующих изменений во все операторы, совместное выполнение которых привело к ошибке.

этап - повторное тестирование - повторение всех тестов с начала, так как при исправлении обнаруженных ошибок часто вносят в программу новые.

Следует иметь в виду, что процесс отладки можно существенно упростить, если следовать основным рекомендациям структурного подхода к программированию:

программу наращивать «сверху-вниз», от интерфейса к обрабатывающим подпрограммам, тестируя ее по ходу добавления подпрограмм;

выводить пользователю вводимые им данные для контроля и проверять их на допустимость сразу после ввода;

предусматривать вывод основных данных во всех узловых точках алгоритма (ветвлениях, вызовах подпрограмм).

Документирование и стандартизация.

Составление программной документации - очень важный процесс. Стандарт, определяющий процессы жизненного цикла программного обеспечения, даже предусматривает специальный процесс, посвященный указанному вопросу. При этом на каждый программный продукт должна разрабатываться документация двух типов: для пользователей различных групп и для разработчиков. Отсутствие документации любого типа для конкретного программного продукта не допустимо.

При подготовке документации не следует забывать, что она разрабатывается для того, чтобы ее можно было использовать, и потому она должна содержать все необходимые сведения.

Виды программных документов.

К программным относят документы, содержащие сведения, необходимые для разработки, сопровождения и эксплуатации программного обеспечения. Документирование программного обеспечения осуществляется в соответствии с Единой системой программной документации (ГОСТ 19.ХХХ). Так ГОСТ 19.101-77 устанавливает виды программных документов для программного обеспечения различных типов. Ниже перечислены основные программные документы по этому стандарту и указано, какую информацию они должны содержать.

Спецификация должна содержать перечень и краткое описание назначения всех файлов программного обеспечения, в том числе и файлов документации на него, и является обязательной для программных систем, а также их компонентов, имеющих самостоятельное применение.

Ведомость держателей подлинников (код вида документа -- 05) должна содержать список предприятий, на которых хранятся подлинники программных документов. Необходимость этого документа определяется на этапе разработки и утверждения технического задания только для программного обеспечения со сложной архитектурой.

Текст программы (код вида документа - 12) должен содержать текст программы с необходимыми комментариями. Необходимость этого документа определяется на этапе разработки и утверждения технического задания.

Описание программы (код вида документа - 13) должно содержать сведения о логической структуре и функционировании программы, Необходимость данного документа также определяется на этапе разработки и утверждения технического задания.

Ведомость эксплуатационных документов (код вида документа - 20) должна содержать перечень эксплуатационных документов на программу, к которым относятся документы с кодами: 30, 31, 32, 33, 34, 35, 46. Необходимость этого документа также определяется на этапе разработки и утверждения технического задания.

Формуляр (код вида документа - 30) должен содержать основные характеристики программного обеспечения, комплектность и сведения об эксплуатации программы.

Описание применения (код вида документа - 31) должно содержать сведения о назначении программного обеспечения, области применения, применяемых методах, классе решаемых задач, ограничениях для применения, минимальной конфигурации технических средств.

Руководство системного программиста (код вида документа - 32) должно содержать сведения для проверки, обеспечения функционирования и настройки программы на условия конкретного применения.

Руководство программиста (код вида документа - 33) должно содержать сведения для эксплуатации программного обеспечения.

Руководство оператора (код вида документа - 34) должно содержать сведения для обеспечения процедуры общения оператора с вычислительной системой в процессе выполнения программного обеспечения.

Описание языка (код вида документа - 35) должно содержать описание синтаксиса и семантики языка.

Руководство по техническому обслуживанию (код вида документа - 46) должно содержать сведения для применения тестовых и диагностических программ при обслуживании технических средств.

Программа и методика испытаний (код вида документа - 51) должны содержать требования, подлежащие проверке при испытании программного обеспечения, а также порядок и методы их контроля.

Пояснительная записка (код вида документа - 81) должна содержать информацию о структуре и конкретных компонентах программного обеспечения, в том числе схемы алгоритмов, их общее описание, а также обоснование принятых технических и технико-экономических решений. Составляется на стадии эскизного и технического проекта.

Основные правила оформления программной документации.

При оформлении текстовых и графических материалов, входящих в программную документацию следует придерживаться действующих стандартов. Некоторые положения этих стандартов приведены ниже.

Оформление текстового и графического материала. Текстовые документы оформляют на листах формата А4, причем графический материал допускается представлять на листах формата А3. Поля на листе определяют в соответствии с общими требованиями: левое - не менее 30, правое - не менее 10, верхнее - не менее 15, а нижнее - не менее 20 мм. В текстовых редакторах для оформления записки параметры страницы заказывают в зависимости от устройства печати. При ручном оформлении документов параметры страницы выбирают из соображений удобства.

Нумерация всех страниц - сквозная. Номер проставляется сверху справа арабской цифрой. Страницами считают, как листы с текстами и рисунками, так и листы приложений. Первой страницей считается титульный лист. Номер страницы на титульном листе не проставляют.

Наименование разделов пишут прописными буквами в середине строки. Расстояние между заголовками и текстом, а также между заголовками раздела и подразделов должно быть равно:

при выполнении документа машинописным способом - двум интервалам;

при выполнении рукописным способом - 10 мм;

при использовании текстовых редакторов - определяется возможностями редактора.

Наименования подразделов и пунктов следует размещать с абзацного отступа и печатать вразрядку с прописной буквы, не подчеркивая и без точки в конце. Расстояние между последней строкой текста предыдущего раздела и последующим заголовком при расположении их на одной странице должно быть равно:

при выполнении документа машинописным способом - трем интервалам;

при выполнении рукописным способом - не менее 15 мм;

при использовании текстовых редакторов - определяется возможностями редактора.

Разделы и подразделы нумеруются арабскими цифрами с точкой. Разделы должны иметь порядковые номера 1, 2, и т. д. Номер подраздела включает номер раздела и порядковый номер подраздела, входящего в данный раздел, разделенные точкой. Например: 2.1, 3.5. Ссылки на пункты, разделы и подразделы указывают, используя порядковый номер раздела или пункта, например, «в разд. 4», «в п. 3.3.4».

Оформление приложений. Каждое приложение должно начинаться с новой страницы с указанием в правом углу слова «ПРИЛОЖЕНИЕ» прописными буквами и иметь тематический заголовок. При наличии более одного приложения все они нумеруются арабскими цифрами: ПРИЛОЖЕНИЕ 1, ПРИЛОЖЕНИЕ 2 и т. д.

Оформление списка литературы. Список литературы должен включать все использованные источники. Сведения о книгах (монографиях, учебниках, пособиях, справочниках и т. д.) должны содержать: фамилию и инициалы автора, заглавие книги, место издания, издательство, год издания. При наличии трех и более авторов допускается указывать фамилию и инициалы только первого из них со словами «и др.». Издательство надо приводить полностью в именительном падеже: допускается сокращение названия только двух городов: Москва (М.) и Санкт-Петербург (СПб.).

Правила оформления расчетно-пояснительных записок при курсовом проектировании

При оформлении пояснительных записок следует придерживаться ГОСТ 7.32-91 (ИСО 5966-82) «Отчет по научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления». В соответствии с этим стандартом текстовый документ подобного типа должен включать:

титульный лист,

реферат,

содержание,

введение,

основную часть,

заключение,

список использованных источников, в том числе литературы,

приложения.

Основные инженерные подходы к созданию программ.

Инженерный технологический подход определяется спецификой комбинации стадий разработки, этапов и видов работ, ориентированной на разные классы программного обеспечения и особенности коллектива разработчиков.

Основные группы инженерных технологических подходов и подходы для каждой из них следующие:

Подходы со слабой формализацией не используют явных технологий и их можно применять только для очень маленьких проектов, как правило, завершающихся созданием демонстрационного прототипа. К таким подходам относят так называемые ранние технологические подходы, например подход «кодирование и исправление».

Строгие (классические, жесткие, предсказуемые) подходы рекомендуется применять для средних, крупномасштабных и гигантских проектов с фиксированным объемом работ. Одно из основных требований к таким проектам -- предсказуемость.

Гибкие (адаптивные, легкие) подходы рекомендуется применять для небольших или средних проектов в случае неясных или изменяющихся требований к системе. При этом команда разработчиков должна быть ответственной и квалифицированной, а заказчики должны принимать участие в разработке.

Классификация технологических подходов к созданию программ.

Подходы со слабой формализацией

Подход «кодирование и исправление»

Строгие подходы

Каскадные технологические подходы:

классический каскадный;

каскадно-возвратный;

каскадно-итерационный;

каскадный подход с перекрывающимися видами работ;

каскадный подход с подвидами работ;

спиральная модель.

Каркасные технологические подходы:

рациональный унифицированный подход к видам работ.

Генетические технологические подходы:

синтезирующее программирование;

сборочное (расширяемое) программирование;

конкретизирующее программирование.

Подходы на основе формальных преобразований:

технология стерильного цеха;

формальные генетические подходы.

Гибкие подходы

Ранние подходы быстрой разработки:

эволюционное прототипирование;

итеративная разработка;

постадийная разработка.

Адаптивные технологические подходы:

экстремальное программирование;

адаптивная разработка;

Подходы исследовательского программирования:

компьютерный дарвинизм.

Классификация технологических подходов к созданию программ, подходы со слабой формализацией.

Подход «кодирование и исправление» (code and fix) упрощенно может быть описан следующим образом. Разработчик начинает кодирование системы с самого первого дня, не занимаясь сколь-либо серьезным проектированием. Все ошибки обнаруживаются, как правило, к концу кодирования и требуют исправления через повторное кодирование.

Фактически каждый из программистов, так или иначе, применял этот подход. При использовании данного подхода затрачивается время лишь на кодирование и заказчику легко демонстрировать прогресс в разработке в строках кода.

Этот подход может быть рекомендован к использованию в двух случаях:

для очень маленьких проектов, которые должны завершиться разработкой демонстрационного прототипа;

для доказательства некоторой программной концепции

Классификация технологических подходов к созданию программ, строгие каскадные подходы.

Классический каскадный подход (от англ. pure waterfall -- чистый водопад) считается «дедушкой» технологических подходов к ведению жизненного цикла. Его можно рассматривать как отправную точку для огромного количества других подходов. Сформировался классический каскадный подход в период с 1970 по 1985 г. Специфика «чистого» каскадного подхода такова, что переход к следующему виду работ осуществляется только после того, как завершена работа с текущим видом работы (рис. 19.1). Возвраты к уже пройденным видам работ не предусмотрены.

Данный подход может быть рекомендован к применению в тех проектах, где в самом начале все требования могут быть сформулированы точно и полно, например, в задачах вычислительного характера. Достаточно легко при таком технологическом подходе вести планирование работ и формирование бюджета. Основным недостатком классического каскадного подхода является отсутствие гибкости.

Каскадно-возвратный подход преодолевает недостаток классического подхода благодаря возможности возврата к предыдущим стадиям и пересмотру или уточнению ранее принятых решений (рис. 19.2). Каскадно-возвратный подход отражает итерационный характер разработки программного обеспечения и в значительной степени реальный процесс создания программного обеспечения, в том числе и существенное запаздывание с достижением результата. На задержку оказывают существенное влияние корректировки при возвратах.

Каскадно-итерационный подход предусматривает последовательные итерации каждого вида работ до тех пор, пока не будет достигнут желанный результат (рис. 19.3). Каждая итерация является завершенным этапом, и ее итогом будет некоторый конкретный результат. Возможно, данный результат будет промежуточным, не реализующим всю ожидаемую функциональность.

Каскадный подход с перекрывающимися видами работ (англ. waterfall with overlapping), так же как и классический каскадный подход предполагает проведение работ отдельными группами разработчиков, но эти группы не меняют специализацию от разработки к разработке, что позволяет распараллелить работы и в определенной степени сократить объем передаваемой документации (рис. 19.4).

Каскадный подход с подвидами работ (англ. waterfall with subprocesses) очень близок подходу с перекрывающимися видами работ. Особенность его в том, что с точки зрения структуры, проект достаточно часто может быть разделен на подпроекты, которые могут разрабатываться индивидуально (рис. 19.5). В данном подходе требуется дополнительная фаза тестирования подсистем до объединения их в единую систему. Следует особое внимание обращать на грамотное деление проекта на подпроекты, которое должно учесть все возможные зависимости между подсистемами.

Спиральная модель (spiral model) была предложена Барри Боэмом (Barry Boehm) в середине 80-х годов XX в. с целью сократить возможный риск разработки. Фактически, это была первая реакция на устаревание каскадной модели. Спиральная модель использует понятие прототипа -- программы, реализующей частичную функциональность создаваемого программного продукта. Создание прототипов осуществляется в несколько витков спирали, каждый из которых состоит из «анализа риска», «некоторого вида работ» и «верификации» (рис. 19.6). Обращение к каждому виду работы предваряет «анализ риска», причем если риск превышения сроков и стоимости проекта оказывается существенным, то разработка заканчивается. Это позволяет предотвратить более крупные денежные потери в будущем.

Особенность спиральной модели -- в разработке итерациями. Причем каждый следующий итерационный прототип будет обладать большей функциональностью.

Классификация технологических подходов к созданию программ, строгие каркасные подходы.

Каркасные подходы представляют собой каркас для видов работ и включают их огромное количество.

Рациональный унифицированный подход к выполнению работ (rational unified process-RUP) вобрал в себя лучшее из технологических подходов каскадной группы. Весомое преимущество данного подхода состоит в созданном инструментарии его автоматизированной поддержки -- программного продукта Rational Rose фирмы «Rational Software Corpation».

При использовании подхода выделяют четыре этапа: начало, исследование, построение, внедрение. В период прохождения этих этапов выполняются виды работ (например, анализ и проектирование), которые к тому же предусматривают итеративность их выполнения (рис. 19.7).

Основные особенности данного подхода:

итеративность с присущей ей гибкостью;

контроль качества с возможностью выявления и устранения рисков на самых ранних этапах;

предпочтение отдается моделям, а не бумажным документам;

основное внимание уделяется раннему определению архитектуры;

возможность конфигурирования, настройки и масштабирования.

Сборочное (расширяемое) программирование предполагает, что программа собирается путем повторного использования уже известных фрагментов (рис. 19.8).

Сборка может осуществляться вручную или может быть задана на некотором языке сборки, или извлечена полуавтоматическим образом из спецификации задачи. Цейтин в 1990 г. изложил основные направления для создания техники сборочного программирования:

выработка стиля программирования, соответствующего принятым принципам модульности;

повышение эффективности межмодульных интерфейсов;

важность аппаратной поддержки модульности;

ведение большой базы программных модулей; решение проблемы идентификации модулей и проверки пригодности по описанию интерфейса. (Модули должны стать «программными кирпичиками», из которых строится программа.)

Сборочное программирование тесно связано с методом повторного использования кода, причем как исходного, так и бинарного. Выделяют несколько разновидностей технологических подходов сборочного программирования, которые в значительной степени определяются базисной методологией.

1.Модульное сборочное программирование -- исторически первый подход, который базировался на процедурах и функциях методологии структурного программирования.

2.Объектно-ориентированное сборочное программирование базируется на методологии объектно-ориентированного программирования и предполагает распространение библиотек классов в виде исходного кода или упаковку классов в динамически компонуемую библиотеку.

3.Компонентное сборочное программирование предусматривает распространение классов в бинарном виде и предоставление доступа к методам класса через строго определенные интерфейсы, что позволяет снять проблему несовместимости компиляторов и обеспечивает смену версий классов без перекомпиляции использующих их приложений. Существуют конкретные технологические подходы, поддерживающие компонентное сборочное программирование - COM (DCOM, COM+), CORBA, .Net.

4.Аспектно-ориентированное сборочное программирование, при котором концепция компонента дополняется концепцией аспекта -- варианта реализации критичных по эффективности процедур. Аспектно-ориентированное сборочное программирование заключается в сборке полнофункциональных приложений из многоаспектных компонентов, инкапсулирующих различные варианты реализации.

Конкретизирующее программирование предполагает, что частные, специальные программы извлекаются из универсальной программы.

Наиболее известная технология конкретизирующего программирования -- это подход с применением паттернов проектирования.

Дополнительно к паттернам существуют каркасы (framework) -- наборы взаимодействующих классов, составляющих повторно используемый дизайн для конкретного класса программ. Каркас диктует определенную архитектуру приложения, в нем аккумулированы проектные решения, общие для проектной области. Например, существуют каркасы, которые используются для разработки компиляторов.

Классификация технологических подходов к созданию программ, генетические подходы.

Формальные генетические подходы. Сложились методы программирования, обладающие свойством доказательности. Три таких метода соответствуют уже исследованным генетическим подходам, но с учетом формальных математических спецификаций.

Формальное синтезирующее программирование

Формальное синтезирующее программирование использует математическую спецификацию -- совокупность логических формул. Существуют две разновидности синтезирующего программирования: логическое, в котором программа извлекается как конструктивное доказательство из спецификации, понимаемой как теоремы, и трансформационное, в котором спецификация рассматривается как уравнение относительно программы и символическими преобразованиями превращается в программу.

Формальное сборочное программирование

Формальное сборочное программирование использует спецификацию как композицию уже известных фрагментов.

Формальное конкретизирующее программирование

Формальное конкретизирующее программирование использует такие подходы, как смешанные вычисления и конкретизацию по аннотациям.

Ранние подходы быстрой разработки

Развитием и одновременно альтернативой каскадных подходов является группа подходов быстрой разработки. Все эти подходы объединяют следующие основные черты:

итерационную разработку прототипа;

тесное взаимодействие с заказчиком.

Классификация технологических подходов к созданию программ, подходы на основе формальных преобразований.

Эта группа подходов содержит максимально формальные требования к виду работ создания программного обеспечения.

Технология стерильного цеха

Основные идеи технологии стерильного цеха (cleanroom process model) были предложены Харланом Миллзом в середине 80-х годов XX века. Технология складывается из следующих частей (рис. 19.9):

разработка функциональных и пользовательских спецификаций;

инкрементальное планирование разработки;

формальная верификация;

статистическое тестирование.

Процесс проектирования связан с представлением программы как функции в виде так называемых «ящиков»:

черного ящика с фиксированными аргументами (стимулами) и результатами (ответами);

ящика с состоянием, в котором выделяется внутреннее состояние;

прозрачного (белого) ящика, представляющего реализацию в виде совокупности функций при пошаговом уточнении.

Использование ящиков определяют следующие три принципа:

Рис. 19.7. Технология стерильного цеха

все определенные при проектировании данные скрыты (инкапсулированы) в ящиках;

все виды работ определены как использующие ящики последовательно или параллельно;

каждый ящик занимает определенное место в системной иерархии.

Черный ящик представляет собой точную спецификацию внешнего, видимого с пользовательской точки зрения поведения. Ящик получает стимулы от пользователя и выдает ответ.

Прозрачный ящик получаем из ящика с состояниями, определяя процедуру, выполняющую требуемое преобразование. Таким образом, прозрачный ящик -- это просто программа, реализующая соответствующий ящик с состоянием.

Однако в данной технологии отсутствует такой вид работ, как отладка. Его заменяет процесс формальной верификации. Для каждой управляющей структуры проверяется соответствующее условие корректности.

Технология стерильного цеха предполагает бригадную работу, т. е. проектирование, уточнение, инспекцию и подготовку текстов ведут разные люди.

Формальные генетические подходы. Сложились методы программирования, обладающие свойством доказательности. Три таких метода соответствуют уже исследованным генетическим подходам, но с учетом формальных математических спецификаций.

Классификация технологических подходов к созданию программ, ранние подходы быстрой разработки.

Развитием и одновременно альтернативой каскадных подходов является группа подходов быстрой разработки. Все эти подходы объединяют следующие основные черты:

итерационную разработку прототипа;

тесное взаимодействие с заказчиком.

Эволюционное прототипирование

Первый прототип при эволюционном прототипировании (evolutionary prototyping) обычно включает создание развитого пользовательского интерфейса, который может быть сразу же продемонстрирован заказчику для получения от него отзывов и возможных корректив. Основное начальное внимание уделяется стороне системы, обращенной к пользователю. Далее до тех пор, пока пользователь не сочтет программный продукт законченным, в него вносится необходимая функциональность (рис.19.10).

Эволюционное прототипирование разумно применять в тех случаях, когда заказчик не может четко сформулировать свои требования к программному продукту на начальных этапах разработки или заказчик знает, что требования могут кардинально измениться.

Существенным недостатком данного подхода является невозможность определить продолжительность и стоимость проекта. Неочевидным является количество итераций, по истечении которых пользователь сочтет программный продукт законченным.

Итеративная разработка

Первый прототип итеративной разработки (iterative delivery) уже должен включать завершенное ядро системы. Таким образом, в нем уже сосредоточена большая часть функциональности. Очередные итерации должны помочь пользователю определиться с доводкой пользовательского интерфейса и генерируемых систем отчетов и других выходных данных

Классификация технологических подходов к созданию программ, адаптивные технологические подходы.

Адаптивные технологические подходы были задуманы как подходы, поддерживающие изменения. Они только выигрывают от изменений, даже когда изменения происходят в них самих. Данные подходы ориентированы на человека, а не на процесс. Во время работы в них необходимо учитывать природные качества человеческой натуры, а не действовать им наперекор (http://www.martinfowler.com).

Экстремальное программирование

Наиболее концентрированно идеи быстрой разработки программ оказались выражены в подходе экстремального программирования (extreme programming) (XP) (http://www.extremeprogramming.org). Две основные черты, присущие быстрым разработкам, являются базовыми и в этом подходе. Методы, объединенные в данном подходе, не являются принципиально новыми. Однако именно их рациональное объединение и совокупное использование дают существенные результаты и успешно выполненные проекты. Наибольшую пользу подход экстремального программирования может принести в разработке небольших систем, требования к которым четко не определены и позднее могут измениться.

Как происходит традиционный процесс разработки программного обеспечения? Организуется группа аналитиков, которая прикрепляется к проекту. Группа аналитиков в течение нескольких часов в неделю встречается с предполагаемыми пользователями, после чего они выпускают документацию на проект и приступают к его обсуждению.

Используя предоставленную им спецификацию, программисты по прошествии нескольких месяцев выпускают программный продукт, который более или менее соответствует тому, что от него ожидают. Зачастую к завершению проекта ситуация может измениться и пользователи пожелают внести изменения или добавления, которые осуществиться в данный момент не могут. Поэтому программисты, проведя тестирование, сдают программный проект заказчику в том виде, в каком он был заказан. Заказчик вынужден начать финансирование разработки новой версии программы.

Экстремальное программирование позволяет привлечь конечных пользователей для тестирования уже на ранних этапах проектирования и разработки системы. При этом заказчик обращается к разработчикам с просьбой изготовить программную систему. На протяжении всей работы над проектом необходимо присутствие представителя заказчика. Проект делится на три этапа:

этап планирования реализации: заказчики пишут сценарии работы системы на основе списка историй -- возможных применений системы, программисты адаптируют их к разработке, после чего заказчики выбирают первоочередной из написанных сценариев;

итерационный этап: заказчики пишут тесты и отвечают на вопросы разработчиков, пока последние программируют;

этап выпуска версии: разработчики устанавливают систему, заказчики принимают работу.

Заказчик в экстремальном программировании имеет массу возможностей повлиять на направление работы команды, так как итерации проекта выдают каждые две недели программное обеспечение, которое можно использовать и тестировать. Принимая такое активное участие в разработке, заказчик может быть уверен в актуальности информации, используемой в работе системы.

Классификация технологических подходов к созданию программ, подходы исследовательского программирования.

Исследовательское программирование имеет следующие особенности (http://www.osp.ru/pcworld/2001/01/062.htm):

разработчик ясно представляет направление поиска, но не знает заранее, как далеко он сможет продвинуться к цели;

нет возможности предвидеть объем ресурсов для достижения того или иного результата;

разработка не поддается детальному планированию, она ведется методом проб и ошибок;

работа связана с конкретными исполнителями и отражает их личностные качества.

В основе исследовательского программирования в большей степени, чем в других подходах, лежит искусство.

Компьютерный дарвинизм

Название данного подхода было предложено Кеном Томпсоном (Ken Thompson). Подход основан на принципе восходящей разработки, когда система строится вокруг ключевых компонентов и программ, которые создаются на ранних стадиях проекта, а затем постоянно модифицируются. Все более крупные блоки собираются из ранее созданных мелких блоков.

Компьютерный дарвинизм представляет собой метод проб и ошибок, основанный на интенсивном тестировании, причем на любом этапе система должна работать, даже если это минимальная версия того, к чему стремятся разработчики. Естественный отбор оставит только самое жизнеспособное.

Подход состоит из трех основных видов работ:

макетирование (прототипирование);

тестирование;

отладка.

Особенности и компоненты CASE-средств.

Computer-Aided Software Engineering - система автоматизированной разработки программ, или CASE-средство.

Обычно к CASE-средствам относят любое программное средство, автоматизирующее один процесс или совокупность процессов жизненного цикла программного обеспечения.

Современные CASE-средства имеют следующие характерные особенности:

Наличие графических средств для описания и документирования систем, обеспечивающих удобный интерфейс с разработчиком и развивающих его творческие возможности.

Интеграция отдельных компонентов, обеспечивающая управляемость процессом разработки систем.

Использование специальным образом организованного хранилища (репозитория) проектных метаданных (артефактов).

Комплекс средств, поддерживающих полный ЖЦ ПС (интегрированное CASE-средство), содержит следующие компоненты:

Репозиторий, который обеспечивает:

хранение версий проекта и его отдельных частей;

синхронизацию поступления информации от различных разработчиков при коллективной разработке;

контроль данных на полноту и непротиворечивость.

Графические средства анализа и проектирования, которые обеспечивают создание и редактирование моделей (диаграмм, сценариев) ПС.

Средства разработки приложений, включая системы программирования и управления базами данных (генерацию исходных кодов по моделям на различных языках программирования; генерацию схем баз данных для Систем Управления Базами Данных (СУБД); связь между средством проектирования, системой программирования и СУБД).

Средства конфигурационного управления. Конфигурационным управлением называется деятельность по систематическому учёту и контролю внесения обоснованных изменений в программный продукт. Система конфигурационного управления даёт возможность:

отследить, какие существуют объекты в проекте,

в каких состояниях они находятся,

как загружены исполнители,

как выполняются задания и т.п.

Средства документирования.

Средства тестирования.

Средства управления проектом.

Средства реинжиниринга (трансформации унаследованного ПС в новое ПС).

По используемой технологии создания систем можно классифицировать CASE-средства на объектно-ориентированные и структурные. Основными компонентами и тех, и других средств автоматизации являются средства анализа и проектирования.

Объектно-ориентированные CASE-средства анализа и проектирования.

Мировым лидером средств анализа и проектирования объектно-ориентированных систем является продукт Rational Rose фирмы IBM Rational Software (США). Это CASE-средство предназначено для автоматизации этапов анализа и проектирования.

Работа в Rational Rose заключается в проектировании определённого вида диаграмм, задавая при этом все свойства, отношения и взаимодействие элементов модели друг с другом.

При разработке любой системы возникает проблема взаимопонимания исполнителя и заказчика. Имея такой инструмент, как Rose, аналитик всегда может показать заказчику не абстрактное словесное описание процесса, а его конкретную модель (на экране персонального компьютера или в печатном виде - неважно). Значит, Rose позволит быстрее согласовать с заказчиком все детали планируемой системы. Результатом моделирования является файл с моделью, которую аналитик передаёт следующему звену сотрудников - программистам, которые дополняют полученную логическую модель системы моделями конкретных классов для конкретного языка программирования.

Для моделирования объектно-ориентированное средство Rose использует:

Унифицированный язык моделирования (Unified Modeling Language - UML).

Объектную модель программных компонентов (Component Object Model - COM).

Технику объектного моделирования (Object Modeling Technique - OMT).

Метод визуального моделирования Г. Буча' 93 (Booch'93).

Богатый набор возможностей Rose предоставляет разработчикам:

Проектирование систем с кодогенерацией. Позволяет модель преобразовать в описание на конкретном языке программирования. Поддерживаются языки: С++, Ada, Java, Basic, XML (eXtensible Markup Language), Oracle. Также к Rose сторонними компаниями разрабатываются специальные мосты к не входящим в стандартную поставку языкам, например, к Delphi.