00 (Лекции)

Лекция 1. Основы программной инженерии

Основой проектирования программного обеспечения является системный подход. Системный подход – это методология исследования объекта любой природы как системы. Система – это совокупность взаимосвязанных частей, работающих совместно для достижения некоторого результата. Определяющий признак системы – поведение системы в целом не сводимо к совокупности поведения частей системы.

Программное обеспечение – это система, включающая в себя: компьютерные программы; документацию; данные, необходимые для корректной работы программ.

Проектирование ПО – это процесс создания спецификаций ПО на основе исходных требований к нему.

Проект ПО – совокупность спецификаций ПО (включающих модели и проектную документацию), обеспечивающих создание ПО в конкретной программно-технической среде.

ПО можно разбить на два класса: «малое» и «большое».

«Малое» программное обеспечение имеет следующие характеристики:

• решает одну несложную, четко поставленную задачу;

• размер исходного кода не превышает нескольких сотен строк;

• скорость работы программного обеспечения и необходимые ему ресурсы не играют большой роли;

• ущерб от неправильной работы не имеет большого значения;

• модернизация программного обеспечения, дополнение его возможностей требуется редко;

• как правило, разрабатывается одним программистом или небольшой группой (5 или менее человек);

• подробная документация не требуется, ее может заменить исходный код, который доступен.

«Большое» программное обеспечение имеет 2-3 или более характеристик из следующего перечня:

• решает совокупность взаимосвязанных задач;

• использование приносит значимую выгоду;

• удобство его использования играет важную роль;

• обязательно наличие полной и понятной документации;

• низкая скорость работы приводит к потерям;

• сбои, неправильная работа, наносит ощутимый ущерб;

• программы в составе ПО во время работы взаимодействует с другими программами и программно-аппаратными комплексами;

• работает на разных платформах;

• требуется развитие, исправление ошибок, добавление новых возможностей;

• группа разработчиков состоит из более 5 человек.

Далее рассматривается проектирование «большого» ПО, поскольку создание «малого» не вызывает больших трудностей, не требует специальной технологии и инструментов.

Классификация программных проектов по размеру группы разработчиков и длительности проекта:

• небольшие проекты – проектная команда менее 10 человек, срок от 3 до 6 месяцев;

• средние проекты – проектная команда от 20 до 30 человек, протяженность проекта 1-2 года;

• крупномасштабные проекты – проектная команда от 100 до 300 человек, протяженность проекта 3-5 лет;

• гигантские проекты – армия разработчиков от 1000 до 2000 человек и более (включая консультантов и соисполнителей), протяженность проекта от 7 до 10 лет.

Причины неудач:

• нечеткая и неполная формулировка требований;

• недостаточное вовлечение пользователей в работу над проектом;

• отсутствие необходимых ресурсов;

• неудовлетворительное планирование и отсутствие грамотного управления проектом;

• частое изменение требований и спецификаций;

• новизна и несовершенство используемой технологии;

• недостаточная поддержка со стороны высшего руководства;

• недостаточно высокая квалификация разработчиков, отсутствие необходимого опыта.

При планировании проектов зачастую по тем или иным причинам устанавливаются невыполнимые сроки, закладываются недостаточные ресурсы. Таким образом, возникают безнадежные проекты (death march projects)¹. Признаки безнадежного проекта:

• план проекта сжат более чем наполовину по сравнению с нормальным расчетным планом;

• количество разработчиков уменьшено более чем наполовину по сравнению с действительно необходимым для проекта данного размера и масштаба;

• бюджет и связанные с ним ресурсы урезаны наполовину;

• требования к функциям, производительности и другим характеристикам вдвое превышают значения, которые они могли бы иметь в нормальных условиях.

Другой причиной неверного планирования является заблуждение относительно производительности проектировщиков. В большом проекте общая производительность группы разработчиков не равна сумме производительностей отдельных членов группы (посчитанной как если бы они работали в одиночку). Об этом в книге «Мифический человеко-месяц» ² пишет Фредерик Брукс. Выводы Брукса:

• самая частая причина провала – нехватка времени;

• иногда работы нельзя ускорить, не испортив результат;

• человеко-месяц – опасное заблуждение, поскольку предполагается, что количество людей и месяцы можно поменять местами;

• разделение задачи между несколькими людьми вызывает накладные затраты;

• если проект не укладывается в срок, то добавление людей задержит его еще больше;

• «серебряной пули» нет!

Последнее положение касается технологии разработки. Брукс утверждает, что технологии, позволяющей на порядок повысить производительность разработчиков, не существует. То есть, нельзя полагать, что какая-либо новейшая технология разработки позволит осуществить проект в 10 раз быстрее.

Особенности современных проектов ПО:

• сложность – неотъемлемая характеристика создаваемого ПО;

• отсутствие полных аналогов и высокая доля вновь разрабатываемого ПО;

• наличие унаследованного ПО и необходимость его интеграции с разрабатываемым ПО;

• территориально распределенная и неоднородная среда функционирования;

• большое количество участников проектирования, разобщенность и разнородность отдельных групп разработчиков по уровню квалификации и опыту.

Разработка ПО имеет следующие специфические особенности:

• неформальный характер требований к ПО и формализованный основной объект разработки – программы;

• творческий характер разработки;

• дуализм ПО, которое, с одной стороны, является статическим объектом – совокупностью текстов, с другой стороны, – динамическим, поскольку при эксплуатации порождаются процессы обработки данных;

• при своем использовании (эксплуатации) ПО не расходуется и не изнашивается;

• «неощутимость», «воздушность» ПО, что подталкивает к безответственному переделыванию, поскольку легко стереть и переписать, чего не сделаешь при проектировании зданий и аппаратуры.

Путем выхода из кризиса ПО стало создание программной инженерии (software engineering). Инженерия ПО (software engineering) – совокупность инженерных методов и средств создания ПО. Фундаментальная идея программной инженерии: проектирование ПО является формальным процессом, который можно изучать и совершенствовать.

Освоение и правильное применение методов и средств программной инженерии позволяет повысить качество, обеспечить управляемость процесса проектирования.

Программная инженерия применяется для удовлетворения требований заказчика ПО. Основные цели программной инженерии:

• Системы должны создаваться в короткие сроки и соответствовать требованиям заказчика на момент внедрения.

• Качество ПО должно быть высоким.

• Разработка ПО должна быть осуществлена в рамках выделенного бюджета.

• Системы должны работать на оборудовании заказчика, а также взаимодействовать с имеющимся ПО.

• Системы должны быть легко сопровождаемыми и масштабируемыми.

Основным понятием программной инженерии является понятие жизненного цикла ПО. Жизненный цикл ПО (software lifecycle) – это период времени, который начинается с момента принятия решения о необходимости создания ПО и заканчивается в момент его полного изъятия из эксплуатации.

С точки зрения статической структуры ЖЦ является совокупностью процессов ЖЦ.

Процесс ЖЦ – набор взаимосвязанных действий, преобразующих некоторые входные данные и ресурсы в выходные.

Каждый процесс характеризуется задачами, методами их решения, действующими лицами, результатами. Процессы ЖЦ протекают параллельно. Каждый процесс разделен на набор действий, каждое действие – на набор задач. Каждый процесс, действие или задача инициируется и выполняется по мере необходимости, причем не существует заранее определенных последовательностей выполнения.

• основные (приобретение, поставка, разработка, эксплуатация, сопровождение);

• вспомогательные (документирование, управление конфигурацией, обеспечение качества, верификация, аттестация, совместная оценка, аудит, разрешение проблем);

• организационные (управление, создание инфраструктуры, усовершенствование, обучение).

Для ознакомления приведем содержание процессов ЖЦ.

Процесс приобретения включает следующие действия: инициирование приобретения; подготовку заявочных предложений; подготовку и корректировку договора; надзор за деятельностью поставщика; приемку и завершение работ. Действующие лица: заказчик, поставщик. Задачи приобретения: определение заказчиком своих потребностей в ПО; анализ требований к ПО; принятие решения о приобретении ПО; выработка плана приобретения и заявочных предложений; выбор поставщика; подготовка и заключение договора с поставщиком; контроль за соблюдением условий договора; корректировка договора при необходимости.

Процесс поставки включает в себя следующие действия: инициирование поставки; подготовку ответа на заявочные предложения; подготовку договора; планирование и выполнение поставки; контроль поставки; проверку и оценку. Действующие лица: заказчик, поставщик. Задачи поставки: оценка поставщиком заявочных предложений; подготовки и заключение договора с заказчиком, контроль со стороны поставщика за соблюдением условий договора, принятие решения о привлечении субподрядчика или выполнении работ своими силами, выработка плана управления проектом и др.

Процесс разработки включает в себя следующие действия: подготовительную работу; анализ требований к ПО; проектирование архитектуры ПО; детальное проектирование ПО; кодирование ПО; тестирование ПО; интеграцию ПО; установку ПО; приемку ПО. Действующие лица: разработчик, заказчик. Задачи разработки: выбор модели ЖЦ ПО и согласование с заказчиком; определение требований к ПО (функциональных и нефункциональных); определение состава компонентов ПО и создание документации по каждому компоненту; моделирование и спецификация компонент ПО; планирование интеграции компонент; создание исходных текстов компонент; поиск и исправление ошибок в исходных текстах и документации; сборка ПО; развертывание ПО; оценка результатов.

Процесс эксплуатации включает в себя следующие действия: подготовительную работу; эксплуатационное тестирование; эксплуатацию; поддержку пользователей. Действующие лица: оператор (организация, эксплуатирующая ПО), пользователи. Задачи эксплуатации: выработка плана эксплуатации и эксплуатационных стандартов; составление процедур локализации и разрешения проблем эксплуатации; поиск ошибок в ПО перед вводом в эксплуатацию его новых версий; оказание помощи пользователям и консультирование.

Процесс сопровождения включает в себя следующие действия: подготовительную работу; анализ проблем и запросов на модификацию ПО; проверку и приемку; перенос ПО в другую среду; снятие ПО с эксплуатации. Действующие лица: служба сопровождения, пользователи. Задачи сопровождения: выработка плана сопровождения; составление процедур локализации и разрешения проблем сопровождения; оценка целесообразности внесения модификаций в ПО; принятие решения о модификации; поиск ошибок в ПО после его модификации; проверка целостности ПО; архивирование при снятии с эксплуатации; обучение пользователей.

Процесс документирования включает в себя следующие действия: подготовительную работу; проектирование и разработку документации; выпуск документации; сопровождение.

Процесс управления конфигурацией в себя следующие действия: подготовительную работу; создание базы знаний о ПО (конфигурации); контроль за конфигурацией; учет состояния конфигурации; оценку конфигурации; управление выпуском и поставку ПО. Конфигурация ПО – это совокупность сведений о его функциональных и физических характеристиках на всех стадиях ЖЦ ПО. Основная задача управления конфигурацией: организация, систематический учет и контроль внесения изменений в ПО.