Лекция № 2. Разработка сложных программных систем

Содержание

1 Лекция № 1. Программные средства автоматизации персонального компьютера. Технология программирования. Основные понятия и

подходы........................................................................................................ 4

2 Лекция № 2.Разработка сложных программных систем....................... 8

3 Лекция № 3. Жизненный цикл программного обеспечения................... 12

4 Лекция № 4. Быстрая разработка приложений. Технологичность программного обеспечения.................................................................................................... 16

5 Лекция № 5. Приемы обеспечения технологичности программных продуктов 20

6 Лекция № 6. Структурное и «неструктурное» программирование....... 24

7 Лекция № 7. Определение требований к программному обеспечению и исходных данных для его проектирования................................................................... 28

8 Лекция № 8. Принципиальные решения начальных этапов

проектирования............................................................................................. 32

9 Лекция № 9. Алгоритмические языки и предъявляемые к ним

требования..................................................................................................... 36

10 Лекция № 10. Структурный подход. Анализ требований, определение спецификаций................................................................................................. 38

11 Лекция № 11. Структурный подход. Проектирование программного обеспечения 42

12 Лекция № 12. Объектный подход. Проектирование программного обеспечения 46

13 Лекция № 13. Пользовательские интерфейсы......................................... 49

14 Лекция № 14. Особенности разработки пользовательских интерфейсов 53

15 Лекция № 15. Компоненты пользовательских интерфейсов.

Технология Drag&Drop................................................................................ 57

16 Лекция № 16. Тестирование и отладка программных продуктов......... 61

17 Лекция № 17. Составление программной документации....................... 65

Приложение А............................................................................................... 67

Приложение Б................................................................................................ 69

Приложение В................................................................................................ 70

Приложение Г................................................................................................ 71

Список литературы....................................................................................... 73

Лекция №1. Программные средства автоматизации персонального компьютера. Технология программирования. Основные понятия и подходы

Содержание лекции: понятие о программном обеспечении компьютера; технология программирования; основные этапы развития.

Цель лекции: получить представление о современном состоянии программного обеспечения; изучить основные понятия и подходы технологии программирования; получить представление о структурном, модульном, объектном и визуальном программировании.

Программным обеспечением называютсовокупность программ, позволяющих осуществить на компьютере автоматизированную обработку информации. Согласно современным тенденциям программное обеспечение классифицируется как системное (общее) и прикладное (специальное). Создание программной системы – задача весьма трудоемкая, особенно когда обычный объем программ превышает сотни тысяч операторов. Специалист в области разработки программного обеспечения должен иметь представление о методах анализа, проектирования, реализации и тестирования программных систем, а также ориентироваться в существующих подходах и технологиях.

Технологией программирования называют совокупность методов и средств, используемых в процессе разработки программного обеспечения. Она представляет собой набор технологических инструкций, включающих: указание последовательности выполнения технологических операций; перечисление условий, при которых выполняются опера­ции; описания самих операций с определением исходных данных, результатов, инструкций, нормативов, стандартов, кри­териев и методов оценки. Кроме того, технология оп­ределяет способ описания проектируемой системы (модели), исполь­зуемой на конкретном этапе разработки. Различают технологии, используемые на конкретных этапах разработки (в основе лежит ограниченно применимый метод) и технологии, охватывающие несколько этапов разработки (в основе лежит базовый метод или методология). Среди основных этапов развития технологий программирования выделяют «стихийное» программирование, структурный, объектный и компонентный подходы к программированию [1].

На этапе «стихийного» программирования (период от момента появления первых ЭВМ до середи­ны 60-х годов XX века) практически отсутствовали сформулиро­ванные технологии, а программирование было искусством. Пер­вые программы имели простейшую структуру: программа на машинном языке и обрабатываемые данные. Сложность программ в машинных кодах ограничивалась способ­ностью программиста одновременно мысленно отслеживать последователь­ность выполняемых операций и местонахождение данных при программиро­вании. В результате появления ассемблеров вместо двоичных ко­дов стали использовать символические имена данны х и мнемоники кодов опера­ций, а программы стали более «читаемыми». Создание языков программирования высоко­го уровня (FORTRAN, ALGOL) суще­ственно упростило программирование вычисле­ний, снизив уровень детализации операций, что позволило увеличить сложность программ.

В результате появления средств, позволяющих оперировать подпрограммами, бы­ли созданы огромные библиотеки рас­четных и служебных подпрограмм. Типичная программа состояла из основной программы, области глобальных данных и набора подпрограмм, однако при увеличении количества подпрограмм возрастала вероятность искажения части глобальных данных какой-либо подпрограммой, поэтому было предложено размещать в них локальные данные (рисунок 1.1), а появление новых средств поддержки подпрограмм позволило разрабатывать программное обеспечение несколь­ким программистам параллельно.

Рисунок 1.1 - Архитектура программы: а) с глобальной областью данных; б) использующей подпрограммы с локальными данными

В начале 60-х годов XX века раз­разился «кризис программирова­ния»: разработчики сложного программного обеспече­ния срывали все сроки завершения проектов: проект устаревал раньше, чем был готов к внедрению, его стоимость увеличивалась, в ре­зультате многие проекты так никогда и не были завершены. Все это было вызвано несовершенством технологии программирования. Прежде всего, использовалась разработка «снизу-вверх». В отсутствии четких моделей описания подпрограмм и методов проектирования, создание подпрограмм превращалось в непростую задачу. Интерфейсы подпрограмм получались сложными, и при сборке программного продукта выявлялось большое количество ошибок со­гласования, исправление которых требовало серьезного изменения уже разработанных подпрограмм, при этом в программу часто вносились новые ошибки. В итоге процесс тестирования и отладки программ занимал более 80% времени разработки, если вооб­ще когда-нибудь заканчивался. Анализ причин возникновения ошибок позволил сформу­лировать новый подход к программированию - струк­турный.

Структурный подход к программированию, который развивался на втором этапе развития технологий в 60-70 годы XX века, представляет собой совокупность рекомендуемых технологических приемов, охватывающих вы­полнение всех этапов разработки программного обеспечения. В его основе лежит декомпозиция сложных си­стем с целью последующей реализации в виде отдельных небольших (до 40-50 операторов) подпрограмм, позже названная процедурной декомпозицией. Структурный подход требовал представления задачи в виде иерархии подзадач простейшей структуры, а проектирование осуще­ствлялось «сверху-вниз» и подразумевало реализацию общей идеи. Были введены ог­раничения на конструкции алгоритмов, рекомендованы формальные моде­ли их описания, а также специальный метод проектирования алгоритмов - метод пошаговой детализации. Принципы структурного программирования были заложены в основу процедурных языков программирования, которые включали основные «структурные» операторы передачи управле­ния, поддерживали вложение подпрограмм, локализацию и ограничение области «видимости» данных (PL/1, ALGOL-68, Pascal, С). Дальнейший рост сложности и размеров разрабатываемого программно­го обеспечения потребовал развития структурирования данных, в языках появляется возможность определения пользовательских типов данных [2].

Стремление разграничить доступ к глобальным данным программы дало толчок к появлению и развитию технологии модульного программирования (рисунок А.1), что предполагало выделение групп подпрограмм, использующих одни и те же глобальные данные в отдельно компили­руемые модули (библиотеки). Связи между модулями осуществлялись через спе­циальный интерфейс, в то время как доступ к реализации модуля (телам под­программ и некоторым «внутренним» переменным) был запрещен. Эту техноло­гию поддерживают современные версии Pascal, С, C++, Ада и Modula. Разработка программ несколькими программистами существенно упростилась: модули разрабатывались независимо друг от друга и могли использоваться без изменений в других разработках, а их взаимодействие обеспечи­валось через специально оговоренные межмодульные интерфейсы. Структурный подход в сочетании с модульным программированием позволяет получать надежные программы, размером не более 100 000 операторов. Недостаток: ошибка в интерфейсе при вы­зове подпрограммы выявляется только при выполнении программы (из-за раздельной компиляции модулей), а при увеличении размера программы возрастает сложность меж­модульных интерфейсов, поэтому предусмотреть взаимовли­яние отдельных частей программы становится практически невозможно. Для разработки программного обеспечения большого объема было предложено использовать объектный подход.

На третьем этапе (80-е - 90-е годы XX века) был сформирован объектный подход к программированию.Технология создания сложного программного обес­печения, основанная на представлении программы в виде совокупности взаимодействующих путем передачи сообщений программных объ­ектов, каждый из которых является экземпляром определенного клас­са, а классы образуют иерархию с наследованием свойств, была названа объектно-ориентированным программиро­ванием (рисунок А.2). Объектная структура программы впервые была использована в языке имитационного моделирова-ния сложных систем Simula, а затем использована в новых версиях универсальных языков программирования, таких как Pascal, C++, Modula, Java. Достоинством объектно-ориентированного программирования является «естествен­ная» декомпозиция программного обеспечения, существенно облег­чающая разработку. Это приводит к более полной локализации данных и ин­тегрированию их с подпрограммами обработки, что позволяет вести практи­чески независимую разработку отдельных объектов программы. Кроме того, объектный подход предлагает новые способы организации программ, основанные на механизмах наследования, полиморфизма, компози­ции, наполнения, позволяющих конструировать из простых объек­тов сложные. В результате существенно увеличивается показатель повторного использования кодов и появляется возможность создания библиотек классов. На основе объект­ного подхода были созданы среды, поддерживающие визуальное программирование (Delphi, C++ Builder, Visual C++), при использовании которого некоторая часть будущего продукта проектируется с применением визуальных средств добавления и настройки специальных библиотечных компонентов. В результате появляется заготовка будущей программы, в кото­рую уже внесены коды. Использование объектного подхода имеет много преимуществ, однако его конкретная реализация в объектно-ориентированных языках программи­рования, таких, как Pascal и C++, имеет существенные недостатки: отсутствуют стандарты компоновки двоичных результатов компиляции объектов в единое целое даже в пределах одного языка программирования; изменение в реализации одного программного объекта связано с перекомпиляцией модуля и перекомпоновкой всего программного обеспечения, использующего данный объект. Таким образом, сохраняется объективная зависимость модулей программного обеспечения от адресов экспортируемых полей и методов, а также структур и форматов данных. Связи модулей нельзя разорвать, но можно стандартизировать их взаимодействие, на чем и основан компонентный подход к программированию.

Четвертый этап (90-е годы XX века - наше время) - компонентный подход иCASE-технологии. Компонентный подход предполагает построение программного обеспечения из отдельных компонентов, ко­торые взаимодействуют между собой через стандартизованные двоичные интерфейсы. В отличие от обычных объектов объекты-компоненты можно собрать в динамически вызываемые библиотеки или исполняемые файлы, распространять в двоичном виде (без исходных текстов) и использовать в любом языке программирования, поддерживающем соответствующую технологию[1]. Компонентный подход лежит в основе технологий, разработанных на базе COM (Component Object Model - компонентная модель объектов, и тех­нологии создания распределенных приложений CORBA (Common Object Request Broker Architecture - общая архитектура с посредником обработки запросов объектов), которые используют сходные принципы и разли­чаются лишь особенностями реализации.

Дополнительную информацию по теме можно получить в [1, 2, 3, 5, 19].

Лекция № 2. Разработка сложных программных систем

Содержание лекции: обзор современных технологий программирования; разработка сложных программных систем.

Цель лекции: получить представление о технологиях COM, CORBA, CASE; выявить проблемы разработки сложных систем; рассмотреть блочно-иерархический подход к их созданию.

Среди современных технологий программирования по праву считаются лидерами технологии COM, CORBA и CASE.

Технология СОМ фирмы Microsoft является развитием техноло­гии OLE I (Object Linking and Embedding - связывание и внедрение объек­тов), которая использовалась в ранних версиях Windows для создания состав­ных документов. Она определяет общую концепцию взаимодей­ствия программ любых типов (библиотек, приложений, операционной сис­темы), т. е. позволяет одной части программного обеспечения использовать функции (службы), предоставляемые другой (рисунок А3). Модификация СОМ, обеспечивающая передачу вызовов между компьютерами, называется DCOM (Distributed COM - распределенная СОМ). Приложение предоставляет свои службы, исполь­зуя специальные объекты - объекты СОМ (экземпляры классовСОМ). Объект СОМ включает поля и ме­тоды, но в отличие от обычных, каждый объект СОМ может реализовывать несколько интерфейсов, обеспечивающих доступ к его полям и функциям за счет организации отдельной таблицы адресов методов для каждого интерфейса. Классы СОМ поддерживают наследование интерфейсов, но не поддерживают наследования реализации, т. е. не наследуют код методов. Объект всегда функционирует в составе сервера - динамической библи­отеки или исполняемого файла, которые обеспечивают функционирование объекта. Различают три типа серверов: внутренний, локальный и удаленный (например, MS Word является локальным сервером). Для обращения к службам клиент должен получить указатель на соот­ветствующий интерфейс. Взаимодействие клиента и сервера обеспечивается базовыми механизмами СОМ или DCOM, поэтому клиенту безразлично местонахождение объ­екта. При использовании локальных и удаленных серверов в адресном пространстве клиента создается proxy-объект - заместитель объекта СОМ, а в адресном пространстве сервера СОМ-заглушка, соответствующая клиенту. Получив задание от клиента, заместитель упаковывает его параметры и, ис­пользуя службы операционной системы, передает вызов заглушке. Заглушка распаковывает задание и передает его объекту СОМ. Результат возвращается клиенту в обратном порядке. На базе технологии СОМ и ее распределенной версии DCOM были разработаны компонентные технологии, решающие различные задачи разработ­ки программного обеспечения [1]. К технологиям, реализующим компонентный подход, заложенный в СОМ, относятся:

OLE-automation - технология создания программируемых приложений, обеспечивающая программируе­мый доступ к их внутренним службам (например, MS Excel поддерживает ее, предоставляя другим приложениям свои службы);

ActiveX - технология, построенная на базе OLE-automation и предназна­ченная для создания как сосредоточенного на одном компьютере программного обеспечения, так и распределенного в сети. Предполагает использование визуального программирования для создания компонентов - элементов управления ActiveX, которые устанавливаются на компьютер дистанционно с удаленного сервера и применяются в клиентских частях приложений Интернет. Преимуществами технологии ActiveX являются: быстрое написание кода; открытость и мобильность; возможность написания приложений с использованием знакомых средств разработки (Visual Basic, Visual C++, Borland Delphi, Borland C++, Java); большое количество существующих бесплатных программных элементов ActiveX; стандартность;

MTS (Microsoft Transaction Server - сервер управления транзакциями) - технология, обеспечивающая безопасность и стабильную работу распреде­ленных приложений при больших объемах передаваемых данных;

MIDAS (Multitier Distributed Application Server - сервер многозвенных распределенных приложений) - технология, организующая доступ к данным разных компьютеров с учетом балансировки нагрузки сети.

Технология CORBA, разработанная группой компаний OMG (Object Management Group - группа внедрения объектной технологии про­граммирования), реализует подход аналогичный СОМ, на базе объектов и интерфейсов CORBA. Программное ядро CORBA реализовано для всех ос­новных аппаратных и программных платформ, и потому технологию можно использовать для создания распределенного программного обеспечения в разнородной вычислительной среде. Организация взаимо­действия между объектами клиента и сервера в CORBA осуществляется с помощью посредника (VisiBroker) и специ­ализированного программного обеспечения.

Отличительной особенностью современного этапа развития технологии программирования, кроме изменения подхода, является создание и внедре­ние автоматизированных технологий разработки и сопровождения про­граммного обеспечения, которые были названы CASE-технологиями (Computer-Aided Software/System Engineering - разработка программного обеспечения/программных систем с использованием компьютерной под­держки). Без средств автоматизации разработка достаточно сложного про­граммного обеспечения на настоящий момент становится трудно осуществи­мой: память человека уже не в состоянии фиксировать все детали, которые необходимо учитывать при разработке программного обеспечения. CASE-технологии поддерживают как структурный, так и объектный (компонентный) подходы к программированию [5].

Большинство современных программных систем являются достаточно сложными. Эта сложность обуславливается многими причинами, главной из которых является логическая сложность решаемых ими задач. Раньше компьютеры применяли в очень узких областях науки и техники, в первую очередь там, где задачи были хорошо детерминированы и требовали значительных вычислений. Сейчас, когда созданы мощ­ные компьютерные сети, появилась возможность переложить на них реше­ние сложных ресурсоемких задач, о компьютеризации которых раньше не задумывались. В процесс компьютеризации вовлекаются но­вые предметные области, а для освоенных областей усложняются уже сложившиеся постановки задач. Сложность разработки программных систем увеличивается за счет сложности формального определения требований к этим системам, отсутствия удовлетворительных средств описания поведения дискретных систем с большим числом состояний при недетерминированной последовательности входных воздействий, коллективной разработки, необходимости увеличения степени повторяемости кодов. Однако все эти факторы напрямую связаны со слож­ностью объекта разработки - программной системы [4].

Подавляющее большинство сложных систем, как в природе, так и в технике имеет иерархическую внутреннюю структуру. 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, компьютер состоит из процессора, памяти и внешних устройств, а Солнеч­ная система включает Солнце и планеты, вращающиеся вокруг него. Используя то же различие связей, каждую подсистему можно аналогично разделить на подсистемы до «элементарного» уровня, причем выбор уровня, компоненты которого следует считать элемен­тарными, остается за исследователем. На элементарном уровне система, состоит из немногих типов подсистем, по-разному скомбинирован­ных и организованных. Иерархии такого типа получили название «целое-часть».

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 этот вид иерархии реализуется механизмом наследования объектно-ориентированного программирования.

Будучи отражением природных и технических систем, программные системы являются иерархическими и обла­дают описанными выше свойствами. На этих свойствах иерархических сис­тем строится блочно-иерархический подход к их исследованию или созда­нию, предполагающий сначала создание частей объекта (бло­ков и модулей), а затем сборку из них самого объекта.

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. Чтобы из полученных частей можно было собрать разрабатываемый объект, в процессе декомпозиции необходимо определить все виды связей частей между собой. При создании сложных объектов процесс декомпозиции выполняется многократно: каждый блок, в свою очередь, декомпозируют на части, пока не получают блоки, которые сравнительно легко разработать. Этот метод разработки получил название пошаговой детализации. В процессе декомпозиции стараются выделить аналогичные блоки, которые можно было бы разрабатывать на общей осно­ве. Таким образом, 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, абстрагируясь от несущественных деталей. Как правило, для объекта в целом, удается сформулировать лишь общие требования, а блоки нижнего уровня должны быть специфицированы таким образом, чтобы из них действи­тельно можно было собрать работающий объект. Другими словами, чем больше блок, тем более абстрактным должно быть его описание (рисунок А.4). При соблюдении этого принципа разработчик сохраняет возможность осмысления проекта и принимает 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).

Итак, в основе блочно-иерархического подхода лежат иерархическое упорядочение и декомпозиция. Важную роль играют следующие прин­ципы:

а) непротиворечивость - контроль согласованности элементов;

б) полнота - контроль на присутствие лишних элементов;

в) формализация - строгость методического подхода;

г) повторяемость - необходимость выделения одинаковых блоков для
удешевления и ускорения разработки;

д) локальная оптимизация - оптимизация в пределах уровня иерархии.

Совокупность языков моделей, постановок задач, методов описаний некоторого иерархического уровня принято называть уровнем проектирования. Различные взгляды на объект проектирования принято называть аспектами проектирования. Достоинства блочно-иерархического подхода: возможность создания сложных систем; упрощение проверки работоспособности от­дельных блоков и системы в целом; обеспечение возможности модернизации систем. Использование блочно-иерархического подхода применительно к программным системам стало возможным только по­сле конкретизации общих положений подхода и внесения измене­ний в процесс проектирования. При этом структурный подход учитывает только свойства иерархии «целое-часть», а объектный дополнительно использует свойства иерархии «простое-сложное».

Дополнительную информацию по теме можно получить в [1, 4, 5, 10].