Системы программирования

Прежде[R3] чем начать рассматривать следующий уровень структурной организации вычислительных систем, обратимся к последовательности этапов, традиционно связываемых с разработкой и внедрением программных систем. Совокупность этих этапов составляют жизненный цикл программы в вычислительной системе. Остановимся на основных задачах, решаемых на каждом из этапов жизненного цикла программы. Следует отметить, что мы будем рассматривать традиционное, неформальное определение этапов жизненного цикла программы, которые сформировались естественным образом в процессе появления и развития вычислительной техники и программного обеспечения. На сегодняшний день существуют международные стандарты, которые формализуют понимание жизненного цикла программы (например, ISO/IEC 12207: 1995 “Information Technology — Software Life Cycle Processes), но это стандарты, соответствующие исключительно сегодняшнему пониманию этого термина и связанные во многом с существующими на сегодня технологиями программирования.

Проектирование программной системы. На данном этапе принимаются решения, традиционно включающие в себя следующие шаги.

- Исследование решаемой задачи, формирование концептуальных требований к разрабатываемой программной системе.

- Определение характеристик объектной вычислительной системы — характеристик аппаратных и программных компонентов вычислительной системы, в рамках которой будет работать создаваемая программная система.

- Построение моделей функционирования автоматизируемого объекта.

- Определение характеристик инструментальной вычислительной системы — вычислительной системы, которая будет использоваться при создании программной системы. Зачастую характеристики объектной и инструментальной вычислительной системы совпадают: тип вычислительных систем, на которых в дальнейшем будет работать программная система, совпадает с типом вычислительной системы, которая использовалась при разработке. Однако, в общем случае это не совсем так. Тип и качества инструментальных вычислительных систем могут в корне отличаться от соответствующих характеристик объектных ВС. Примером может служить программирование специализированных вычислительных систем, предназначенных для управления технологическими процессами. Очевидно, что специализированная вычислительная система, которая управляет навигационной системой космического спутника, не должна обладать возможностями разработки на ней программного обеспечения. Специализация данной системы ориентирована на решение конкретных, достаточно специальных задач (например, обработки сигналов, поступающих от радаров). Программное обеспечение для подобной вычислительной системы может разрабатываться отдельно, на вычислительной системе, предназначенной для этих целей.

- Выбор основных алгоритмов, инструментальных средств, которые будут использованы при программировании, а также разработка архитектуры программного решения, включающей разбиение программного решения на основные модули и определение информационных связей между модулями системы, а также правила взаимодействия с объектной вычислительной системой.

- Априорная оценка ожидаемых результатов. Один из важнейших шагов проектирования программной системы, заключающийся в предварительной оценке характеристик проектируемого решения до начала его практической реализации. Для этих целей используются различные методы моделирования. Наличие априорной оценки ожидаемых результатов проектирования программной системы позволяет существенно повысить качество программного продукта, который будет создан на основании результатов этапа проектирования, а также сократить затраты на его создание.

Данная последовательность шагов является достаточно укрупненной, и не всегда проектирование разбивается на линейную последовательность этих шагов. Часто проектирование представляет собою итерационный процесс, в котором возможны неоднократные возвраты к тем или иным шагам (Рис. 7).

Рис. 7. Этапы проектирования.

Следующий этап жизненного цикла программы — кодирование (программная реализация, или реализация). Это этап построения кода программой системы на основании спецификаций, полученных при ее проектировании. На данном этапе используются инструментальные средства программирования:

- трансляторы языков программирования, средства поддержки и использования библиотек программ, формирования модулей, которые могут исполняться в вычислительной системе;

- средства управления разработкой программных продуктов коллективом разработчиков.

Результатом этапа кодирования является реализация программной системы, которая может представляться в виде совокупности исходных модулей программы, объектных или библиотечных модулей, а также модулей исполняемого кода разрабатываемой программной системы (Рис. 8). Большое значение для разработки больших, логически сложных программных систем имеют средства управления разработкой программных продуктов, которые позволяют организовать эффективную коллективную работу над реализацией программного проекта. Традиционно они включают в себя следующие компоненты:

Рис. 8. Кодирование.

- средства автоматизации контроля использования межмодульных интерфейсов, которые обеспечивают контроль правильности использования в программе спецификаций, регламентирующих межмодульные связи (количество, тип, права доступа к параметрам, обеспечивающим межмодульной взаимодействие в программе);

- средства автоматизации получения объектных и исполняемых модулей программы, обеспечивающие автоматический контроль за соответствием исходных модулей объектным и исполняемым модулям (так, если в проекте появилась новая редакция некоторого исходного модуля, то при запуске этого средства автоматически произойдет последовательность действий, обновляющих объектные и исполняемые модули, зависящие от данного исходного модуля);

- система поддержки версий — система, позволяющая фиксировать состояние разработки программного проекта (создание версии проекта) и, при необходимости, возвращаться в разработке к той или иной версии проекта.

Этап тестирования и отладки программной системы. Можно представить программу в виде некоторого автомата, получающего на входе исходные данные, а на выходе формирующий результат (Рис. 9). Одной из задач проектирования программной системы является определение ее правил функционирования, точнее, правил, по которым для входных данных формируются выходные данные (или результаты). Тестирование программы — процесс проверки правильности функционирования программы на заранее определенных наборах входных данных — тестах, или тестовых нагрузках. В общем случае, говорить о "правильности" программы вообще не совсем корректно. Мы можем говорить о правильности функционирования программы на некоторых наборах тестов. Таким образом, при тестировании выявляется работоспособность программы на данном тесте (или на наборе тестов) или имеющаяся в программе ошибка. Понятно, что для любой программы абсолютно полным тестом является перебор всевозможных входных данных программы, но множество таких тестов настолько велико, что обработать их не представляется возможным. Поэтому актуальной задачей в тестировании является решение проблемы формирования минимального набора тестов или тестовых нагрузок, наиболее полно проверяющих функциональность программы (тестовое покрытие).

Рис. 9. Тестирование.

Другим компонентом данного этапа является отладка. Отладка — это поиск, локализация и исправление зафиксированных при тестировании или в процессе эксплуатации ошибок. Для обеспечения процесса отладки используются специальные программные средства — отладчики. Средства отладки существенно зависят от типа и назначения создаваемой программной системы.

Этап ввода программной системы в эксплуатацию (внедрение) и сопровождения. Немаловажным этапом жизненного цикла программы в вычислительной системе является этап, связанный с представлением разрабатываемой программной системы в качестве программного продукта. Одним из основных требований, предъявляемых к программному продукту, является возможность эксплуатации соответствующей программной системы без постоянного участия разработчика программы. Это достигается, с одной стороны, соответствующей надежностью программы (для этого программа должна быть максимально полно протестирована и устойчива к всевозможным комбинациям входных данных), а с другой стороны — это наличие подробной и адекватной программе документации, необходимой для всех категорий пользователей данной программной системы (пользователь, системный программист, администратор, оператор и т.п.).

Итак, мы рассмотрели основные этапы жизненного цикла программы в вычислительной системе. При создании различных программных систем, при использовании различных технологий разработки данные этапы могут выполняться как линейно, так и итерационно, с возвратами от одного этапа к другому, последовательными уточнениями спецификаций и расширением реализации программной системы. Современные технологии разработки программного обеспечения специфицируют различные модели организации жизненного цикла программной системы. Традиционная модель — каскадная модель (Рис. 10) — представляет разработку в виде строго линейной последовательности этапов, каждый из которых заканчивается фиксацией результата, и только после этого начинается последующий.

Рис. 10. Каскадная модель.

В определенном смысле эта модель является вырожденной, т.к. соблюсти эти правила на практике достаточно сложно. Примером может служить связка этапа тестирования и отладки с предшествующими этапами, которая по своей сути итерационна (после обнаружения и локализации ошибки зачастую необходимо вернуться к этапу кодирования, а возможно и проектирования). Прагматическим развитием каскадной модели является каскадная итерационная модель (Рис. 11), которая в общем случае, предоставляет возможность осуществления анализа полученных на этапе результатов и возврат к любому предшествующему этапу.

Рис. 11. Каскадная итерационная модель.

Современные технологии разработки программного обеспечения помимо каскадной модели используют и другие модели организации жизненного цикла программных систем. В частности, популярной является спиральная модель организации жизненного цикла (Рис. 12).

Данная модель основана на том, что процесс разработки программной системы складывается из последовательности "спиралей", каждая из которых включает этапы проектирования, кодирования, тестирования и получения результата. Под результатом понимается очередная детализация проекта и получение последовательности программ — прототипов. Прототип — программа, реализующая частичную функциональность и внешние интерфейсы разрабатываемой системы. Последовательность прототипов, в конечном счете, сходится к реализации программной системы. А детализации проекта, в итоге, превращаются в полный проект системы.

Рис. 12. Спиральная модель.

Вернемся к рассмотрению следующего уровня иерархической организации вычислительных систем — к уровню систем программирования. Система программирования — комплекс программ, обеспечивающий поддержание этапов жизненного цикла программы в вычислительной системе. Этапы жизненного цикла программы оставались в той или иной мере неизменными с момента зарождения вычислительных систем, т.к. всегда были и решались проблемы проектирования программной системы, кодирования, тестирования и отладки, подготовки эксплуатационной документации и сопровождения. В тоже время, определение системы программирования как комплекса программных средств, предназначенных для автоматизации этапов жизненного цикла программы, изменялось постоянно вместе с появлением и развитием данных средств. Рассмотрим развитие состава и основных функций понятия система программирования в хронологии развития вычислительных систем.

Начало 50-х годов ХХ века. Первые системы автоматизации программирования. Система программирования или система автоматизации программирования включала в себя ассемблер (или автокод) и загрузчик. Несколько позднее появились библиотеки стандартных программ и макрогенераторы. Основная функция первых систем программирования — предоставление программисту системы мнемонического обозначения компьютерных команд и данных, используемых в программах, а также предоставление возможности создавать и использовать библиотеки программ.

Середина 50-х — начало 60-х годов ХХ века. Появление и распространение языков программирования высокого уровня (Фортран, Алгол-60, Кобол и др.). Формирование концепций модульного программирования. Система программирования: макроассемблеры, трансляторы языков высокого уровня, редакторы внешних связей, загрузчики.

Середина 60-х — начало 90-х годов ХХ века. Развитие интерактивных и персональных систем, появление и развитие языков объектно-ориентированного программирования. Система программирования: трансляторы языков программирования, редакторы внешних связей, загрузчики, средства поддержания библиотек программ, интерактивные и пакетные средства отладки программ, системы контроля версий, средства поддержки проектов.

90-е годы ХХ века — настоящее время. Появление промышленных средств автоматизации проектирования программного обеспечения, CASE-средств (Computer-Aided Software/System Engineering), унифицированного языка моделирования UML. Системы программирования: интегрированные системы, предоставляющие комплексные решения в автоматизации проектирования, кодирования, тестирования, отладки и сопровождения программного обеспечения.

Мы видим, что интерпретация термина система программирование претерпела изменение от самого примитивного: «система программирования — это транслятор языка программирования и средства редактирования связей», — до современного: «система программирования — это комплекс программ, обеспечивающий технологию автоматизации проектирования, кодирования, тестирования, отладки и сопровождения программного обеспечения». Функции конкретной системы программирования определяются составом программных компонентов, которые могут использоваться для поддержания этапов жизненного цикла программы, и степенью интеграции этих компонентов. Таким образом, системой программирования будет являться как система, включающая только транслятор языка Си, ассемблер, редактор связей и интерактивный отладчик, так и, например, система Rational Rose — набор объектно-ориентированных CASE-средств, предназначенных для автоматизации процессов анализа, моделирования и проектирования с использованием UML, а также для автоматической генерации кодов программ на различных языках (C++, Java и пр.), разработки проектной документации и реверсного инжиниринга программ. На сегодняшний день выбор конкретной системы программирования во многом зависит как от масштабности и сложности решаемой задачи автоматизации, так и от квалификации программистов.

Уровень системы программирования основывается на доступе к виртуальным и физическим ресурсам, предоставляемым операционной системой (или уровнями управления физическими и виртуальными ресурсами), и предоставляет программистам инструментальные средства разработки программных систем, каждая из которых предназначена для решения своего круга задач.