Также известные как метрики. Могут быть использованы для количественной оценки ожиданий в отношении различных аспектов конкретного дизайна, например, размера <проекта>, структуры (ее сложности) или качества (например, в контексте требований, предъявляемых к производительности). Чаще всего, все метрики разделяют по двум категориям:
• общепринятой практикой; например, в extreme Programming часто используются карточки функциональной ответственности и связей класса - Class Responsibility Collaborator или CRC Card (CRC по свое природе является текстовой, то есть невизуальной нотацией);
• внутренним методом проектной команды (“будем рисовать и обозначать так...”).
Определенные нотации используются на стадии концептуального проектирования, ряд нотаций ориентирован на создание детального дизайна, многие могут использоваться на обеих стадиях. Кроме того, нотации чаще всего используют в контексте (выбор нотации может быть обусловлен таким контекстом) применяемой методологии или подхода (см. 6 “Software Design Strategies and Methods” данной области знаний). Ниже мы будем рассматривать нотации, исходя из описания структурного (статического) или поведенческого (динамического) представления.
Следующие нотации, в основном (но, не всегда), являются графическими, описывая и представляя структурные аспекты программного дизайна. Чаще всего они касаются основных компонент и связей между ними (статических связей, например, таких как отношения “один-ко-многим”).
• Языки описания архитектуры (Architecture description language, ADL): текстовые языки, часто - формальные, используемые для описания программной архитектуры в терминах компонентов и коннекторов (специализированных компонентов, реализующих не функциональность, но обеспечивающих взаимосвязь функциональных компонентов между собой и с “внешним миром”);
• Диаграммы классов и объектов (Class and object diagrams): используются для представления набора классов и <статических> связей между ними (например, наследования);
• Диаграммы компонентов или компонентные диаграммы (Component diagrams): в определенной степени аналогичны диаграммам классов, однако, в силу специфики концепции или понятия компонента*, обычно, представляются в другой визуальной форме;
* здесь необходимо отметить различие в понятиях класса (или объекта) и компонента: компонент рассматривается как физически реализуемый элемент программного обеспечения, несущий <в определенной степени> самодостаточную логику и реализуемый как конгломерат интерфейса и его реализации (часто, в виде комплекса классов);
• Карточки <функциональной> ответственности и связей класса (Class responsibility collaborator card, CRC): используются для обозначения имени класса, его ответственности (то есть, что он должен делать) и других сущностей (классов, компонентов, актёров/ролей и т.п.), с которыми он связан; часто их называют карточками “класс-обязанность-кооперация”;
• Диаграммы развёртывания (Deployment diagrams): используется для представления (физических) узлов, связей между ними и моделирования других физических аспектов системы;
• Диаграммы сущность-связь (Entity-relationship diagram, ERD или ER): используется для представления концептуальной модели данных, сохраняемых в процессе работы информационной системы;
• Языки описания/определения интерфейса (Interface Description Languages, IDL): языки, подобные языкам программирования, не включающие возможностей описания логики системы и предназначенные для определения интерфейсов программных компонентов (имён и типов экспортируемых или публикуемых операций);
• Структурные диаграммы Джексона (Jackson structure diagrams): используются для описания структур данных в терминах последовательности, выбора и итераций (повторений);
• Структурные схемы (Structure charts): описываю структуру вызовов в программах (какой модуль вызывает, кем и как вызываем).
Следующие нотации и языки (часть из которых - графические, часть - текстовые) используются для описания динамического поведения программных систем и их компонентов. Многие из этих нотаций успешно используются для проектирования деталей дизайна, но не только для этого.
• Диаграммы деятельности или операций (Activity diagrams): используются для описания потоков работ и управления;
• Диаграммы сотрудничества (Collaboration diagrams): показывают динамическое взаимодействие, происходящее в группе объектов и уделяют особое внимание объектам, связям между ними и сообщениям, которыми обмениваются объекты посредством этих связей;
• Диаграммы потоков данных (Data flow diagrams, DFD): описывают потоки данных внутри набора процессов (не в терминах процессов операционной среды, но в понимании обмена информацией в бизнес-контексте);
• Таблицы и диаграммы <принятия> решений (Decision tables and diagrams): используются для представления сложных комбинаций условий и действий (операций);
• Блок-схемы и структурированные блок-схемы (Flowcharts and structured flowcharts): применяются для представления потоков управления (контроля) и связанных операций;
• Диаграммы последовательности (Sequence diagrams): используются для показа взаимодействий внутри группы объектов с акцентом на временной последовательности сообщений/вызовов;
• Диаграммы перехода и карты состояний(State transition and statechart diagrams): применяются для описания потоков управления переходами между состояниями;
• Формальные языки спецификации (Formal specification languages): текстовые языки, использующие основные понятия из математики (например, множества) для строгого и абстрактного определения интерфейсов и поведения программных компонентов, часто в терминах пред- и пост-условий;
• Псевдокод и программные языки проектирования (Pseudocode and program design languages, PDL): языки, используемые для описания поведения процедур и методов, в основном на стадии детального проектирования; подобны структурным языкам программирования.
6. Стратегии и методы проектирования программного обеспечения (Software Design Startegies and Methods)
Существуют различные общие стратегии, помогающие в проведении работ по проектированию. В отличие от общих стратегий, методы проектирования более специфичны и, в основном, предлагают и предоставляют нотации (или наборы нотаций) для использования совместно с этими методами, а также процессы, которым необходимо следовать в рамках используемого метода.
Таким образом, методы в данном контексте это не просто некие “слабоформализованные” или просто частные практические подходы или техники. Методы здесь являются более общими понятиями, это - методологии, сконцентрированные на процессе (в частности, проектирования) и предполагающие следование определенным правилам и соглашениям, в том числе - по используемым выразительным средствам. Такие методы полезны как инструмент систематизации (иногда, формализации) и передачи знаний в виде общего фреймворка (то есть комплексного набора понятий, подходов, техник и инструментов) не только для отдельных специалистов, но для команд и проектных групп программных проектов.
6.1 Общие стратегии (General Strategies)
Это обычно часто упоминаемые и общепринятые стратегии:
• “разделяй-и-властвуй” и пошаговое уточнение
• проектирование “сверху-вниз” и “снизу-вверх”
• абстракция данных и сокрытие информации
• итеративный и инкрементальный подход
• и другие...
6.2 Функционально-ориентированное или структурное проектирование (Function-Oriented - Structured Design)
Это один из классических методов проектирования, в котором декомпозиция сфокусирована на идентификации основных программных функций и, затем, детальной разработке и уточнении этих функций “сверху-вниз”. Структурное проектирование, обычно, используется после проведения
структурного анализа с применением диаграмм потоков данных и связанным описанием процессов. Исследователи предлагают различные стратегии и метафоры или подходы для трансформации DFD в программную архитектуру, представляемую в форме структурных схем. Например, сравнивая управление и поведение с получаемым эффектом.
6.3 Объектно-ориентированное проектирование (Object-Oriented Design)
Представляет собой множество методов проектирования, базирующихся на концепции объектов. Данная область активно эволюционирует с середины 80-х годов, основываясь на понятиях объекта (сущности), метода (действия) и атрибута (характеристики). Здесь главную роль играют полиморфизм и инкапсуляция, в то время, как в компонентно-ориентированном подходе большее значение придается мета-информации, например, с применением технологии отражения (reflection). Хотя корни объектно-ориентированного проектирования лежат в абстракции данных (к которым добавлены поведенческие характеристики), так называемый responsibility-driven design или проектирование на основе <функциональной> ответственности по SWEBOK* может рассматриваться как альтернатива объектно-ориентированному проектированию.
*С точки зрения автора книги, такое противопоставление - достаточно спорный вопрос, так как функциональная ответственность столь же близка принципам современного объектно - ориентированного проектирования, сколь и абстракция данных. Это вопрос эволюционирования взглядов и степени их консерватизма.
6.4 Проектирование на основе структур данных (Data-Structure-Centered Design)
В данном подходе фокус сконцентрирован в большей степени на структурах данных, которыми управляет система, чем на функциях системы. Инженеры по программному обеспечению часто вначале описывают структуры данных входов (inputs) и выходов (outputs), а, затем, разрабатывают структуру управления этими данными (или, например, их трансформации).
6.5 Компонентное проектирование (Component-Based Design)
Программные компоненты являются независимыми единицами, которые обладают однозначноопределенными (well-defined) интерфейсами и зависимостями (связями) и могут собираться и развертываться независимо друг от друга. Данный подход призван решить задачи использования, разработки и интеграции таких компонент с целью повышения повторного использования активов (как архитектурных, так и в форме кода).
Компонентно-ориентированное проектирование является одной из наиболее динамично развивающихся концепций проектирования и может рассматриваться как предвестник и основа сервисно-ориентированного подхода (Service-Oriented Architecture, SOA) в проектировании, не рассматриваемого, к сожалению, в SWEBOK, но все более активно использующегося в индустрии и смещающего акценты с аспектов организации связи интерфейс-реализация к обмену информацией на уровне интерфейс-интерфейс (то есть - межкомпонентному взаимодействию). По мнению автора книги, уже наступил тот момент, когда необходимо вводить отдельную тему, посвященную сервисно - ориентированному подходу в проектировании и сервисно-ориентированным архитектурам, как моделям. В частности, нотация UML 2.0 уже позволяет решать ряд вопросов, связанных с визуальным представлением соответствующих архитектурных решений, где сервисы (службы) могут рассматриваться как публикуемая функциональность одиночных компонентов и групп компонентов, объединенных в более “крупные” блоки, обеспечивающие предоставление соответствующей сервисной функциональности.
6.6 Другие методы (Other Methods)
Другие интересные, но менее распространенные подходы, в основном, представляют собой формальные и точные (строгие) методы, а также, методы трансформации.
Лекция 4. Программная инженерия
Конструирование программного обеспечения (Software Construction)
Лекция базируется на IEEE Guide to the Software Engineering Body of Knowledge - SWEBOK®, 2004. Содержит перевод описания области знаний SWEBOK® “Software Construction”, с комментариями и замечаниями.
"Основы программной инженерии" разработаны на базе IEEE Guide to SWEBOK® 2004 в соответствии с IEEE SWEBOK 2004 Oopyright and Reprint Permissions: "This document may be copied, in whole or in part, in any form or by any means, as is, or with alterations provided that (1) alterations are clearly marked as alterations and (2) this copyright notice is included unmodified in any copy."
.
Программная инженерия
Конструирование программного обеспечения (Software Construction)
Термин конструирование программного обеспечения (software construction) описывает детальное создание рабочей программной системы посредством комбинации кодирования, верификации (проверки), модульного тестирования (unit testing), интеграционного тестирования и отладки.
Данная область знаний связана с другими областями. Наиболее сильная связь существует с проектированием (Software Design) и тестированием (Software Testing). Причиной этого является то, что сам по себе процесс конструирования программного обеспечения затрагивает важные аспекты деятельности по проектированию и тестированию. Кроме того, конструирование отталкивается от результатов проектирования, а тестирование (в любой своей форме) предполагает работу с результатами конструирования. Достаточно сложно определить границы между проектированием, конструированием и тестированием, так как все они связаны в единый комплекс процессов жизненного цикла и, в зависимости от выбранной модели жизненного цикла и применяемых методов (методологии), такое разделение может выглядеть по разному.
Хотя ряд операций по проектированию детального дизайна может происходить до стадии конструирования, большой объем такого рода проектных работ происходит параллельно с конструированием или как его часть. Это есть суть связи с областью знаний “Проектирование программного обеспечения”.
В свою очередь, на протяжении всей деятельности по конструированию, инженеры используют модульное и интеграционное тестирование. Таким образом связана данная область знаний с “Тестированием программного обеспечения”.
В процессе конструирования обычно создается большая часть активов программного проекта - конфигурационных элементов (configuration items). Поэтому в реальных проектах просто невозможно рассматривать деятельность по конструированию в отрыве от области знаний “Конфигурационного управления” (Software Configuration Management).
Так как конструирование невозможно без использования соответствующего инструментария и, вероятно, данная деятельность является наиболее инструментально-насыщенной, важную роль в конструировании играет область знаний “Инструменты и методы программной инженерии” (Software Engineering Tools and Methods).
Безусловно, вопросы обеспечения качества значимы для всех областей знаний и этапов жизненного цикла. В то же время, код является основным результирующим элементом программного проекта. Таким образом, явно напрашивается и присутствует связь обсуждаемых вопросов с областью знаний “Качество программного обеспечения” (Software Quality).
Из связанных дисциплин программной инженерии (Related Disciplines of Software Engineering) наиболее тесная и естественная связь данной области знаний существует с компьютерными науками (computer scince). Именно в них, обычно, рассматриваются вопросы построения и использования алгоритмов и практик кодирования. Наконец, конструирование касается и управления проектами (project management), причем, в той степени, насколько деятельность по управлению конструированием важна для достижения результатов конструирования.
Рисунок 4. Область знаний “Конструирование программного обеспечения” [SWEBOK, 2004, с.4-2, рис. 1]
1. Основы конструирования (Software Construction Fundamentals)
Фундаментальные основы конструирования программного обеспечения включают:
• Минимизация сложности
• Ожидание изменений
• Конструирование с возможностью проверки
• Стандарты в конструировании
Первые три концепции применяются не только к конструированию, но и проектированию, и лежат в основе современных методологий управления жизненным циклом программных систем.
1.1Минимизация сложности (Minimizing Complexity)
Основной причиной того, почему люди используют компьютеры в бизнес-целях, являются ограниченные возможности людей в обработке и хранении сложных структур и больших объемов информации, в частности, на протяжении длительного периода времени. Это соображение является одной из основных движущих сил в конструировании программного обеспечения: минимизация
сложности. Потребность в уменьшении сложности влияет на все аспекты конструирования и особенно критична для процессов верификации (проверки) и тестирования результатов конструирования, т.е. самих программных систем.
Уменьшение сложности в конструировании программного обеспечения достигается при уделении особого внимания созданию простого и легко читаемого кода, пусть и в ущерб стремлению сделать его идеальным (например, с точки зрения гибкости или следования тем или иным представлениям о красоте, утончённости кода, ловкости тех или иных приемов, позволяющих его сократить в ущерб размерам и т.п.). Это не значит, что должно ущемляться применение тех или иных развитых языковых возможностей используемых средств программирования. Это подразумевает “лишь” придание большей значимости читаемости кода, простоте тестирования, приемлемому уровню производительности и удовлетворению заданных критериев, вместо постоянного совершенствования кода, не оглядываясь на сроки, функциональность и другие характеристики и ограничения проекта.
Минимизация сложности достигается, в частности, следованием стандартам (обсуждаются в теме
1.4 “Стандарты в конструировании”), использованием ряда специфических техник (освещаются в 3.3 “Кодирование”) и поддержкой практик, направленных на обеспечение качества в конструировании (3.5 “Качество конструирования”).
1.2 Ожидание изменений (Anticipating Changes)
Большинство программных систем изменяются с течением времени. Причин этому - множество. Ожидание изменений является одной из движущих сил конструирования программного обеспечения. Программное обеспечение не является изолированным от внешнего окружения (как системного, так и с точки зрения области деятельности, для автоматизации задач и проблем которого оно применяется). Более того, программные системы являются частью изменяющейся среды и должны меняться вместе с ней, а, иногда, и быть источником изменений самой среды.
Ожидание изменений поддерживается рядом техник, представленных в теме 3.3 “Кодирование”.
1.3 Конструирование с возможностью проверки (Constructing for Verification)
“Конструирование для проверки” (а именно такой смысл заложен в оригинальное название данной темы) предполагает, что построение программных систем должно вестись таким образом, чтобы сама программная система помогала вести поиск причин сбоев, будучи прозрачной для применения различных методов проверки (и, кстати, внесения необходимых изменений), как на стадии независимого тестирования (например, инженерами-тестировщиками), так и в процессе операционной деятельности - эксплуатации, когда особенно важна возможность быстрого обнаружения и исправления возникающих ошибок.
Среди техник, направленных на достижение такого результата конструирования:
• обзор, оценка кода (code review)
• модульное тестирование (unit-testing)
• структурирование кода для и совместно с применениям автоматизированных средств тестирования (automated testing)
• ограниченное применение сложных или тяжелых для понимания языковых структур
1.4 Стандарты в конструировании (Standards in Constructing)
Стандарты, которые напрямую применяются при конструировании, включают:
• коммуникационные методы (например, стандарты форматов документов и <оформления> содержания)
• языки программирования и соответствующие стили кодирования (например, Java Language Specification, являющийся частью стандартной документации JDK - Java Development Kit и Java Style Guide, предлагающий общий стиль кодирования для языка программирования Java)
• платформы (например, стандарты программных интерфейсов для вызовов функций операционной среды, такие как прикладные программные интерфейсы платформы Windows -
Win32 API, Application Programming Interface или .NET Framework SDK, Software Development Kit)
• инструменты (не в терминах сред разработки, но возможных средств конструирования - например, UML как один из стандартов для определения нотаций для диаграмм, представляющих структура кода и его элементов или некоторых аспектов поведения кода)
Использование внешних стандартов. Конструирование зависит от внешних стандартов, связанных с языками программирования, используемым инструментальным обеспечением, техническими интерфейсами и взаимным влиянием Конструирования программного обеспечения и других областей знаний программной инженерии (в том числе, связанных дисциплин, например, управления проектами). Стандарты создаются разными источниками, например, консорциумом OMG - Object Management Group (в частности. Стандарты CORBA, UML, MDA, ...), международными организациями по стандартизации такими, как ISO/IEC, IEEE, TMF, ..., производителями платформ, операционных сред и т.д. (например, Microsoft, Sun Microsystems, CISCO, NOKIA, ...), производителями инструментов, систем управления базами данных ит.п. (Borland, IBM, Microsoft,
Sun, Oracle, ...). Понимание этого факта позволяет определить достаточный и полный набор стандартов, применяемых в проектной команде или организации в целом.
Использование внутренних стандартов. Определенные стандарты, соглашения и процедуры могут быть также созданы внутри организации или даже проектной команды. Эти стандарты поддерживают координацию между определенными видами деятельности, группами операций, минимизируют сложность (в том числе при взаимодействии членов проектной группы и за ее пределами), могут быть связаны с вопросами ожидания и обработки изменений, рисков и вопросами конструирования для проверки и дальнейшего тестирования. В сочетании со внешними стандартами, внутренние стандарты призваны определить общие правила игры для всех членов проектной команды, договорившись о терминах, процедурах и других значимых соглашениях, вне зависимости от степени формализации процессов конструирования, в частности, и процессов жизненного цикла, в общем случае.
2. Управление конструированием (Managing Construction)
2.1 Модели конструирования (Construction Models)
Модели конструирования определяют комплекс операций, включающих последовательность, результаты (например, исходный код и соответствующие unit-тесты) и другие аспекты, связанные с общим жизненным циклом разработки. В большинстве случаев, модели конструирования определяются используемым стандартом жизненного цикла, применяемыми методологиями и практиками. Некоторые стандарты жизненного цикла, по своей природе, являются ориентированными на конструирование - например, экстремальное программирование (XP- eXtreme Programming). Некоторые рассматривают конструирование в неразрывной связи с проектированием (в части моделирования), например, RUP (Rational Unified Process).
Создано множество моделей разработки программного обеспечения. Ряд из них в большей степени сфокусирован на конструировании программного обеспечения, как таковом.
Некоторые модели являются более линейными с точки зрения конструирования ПО. К ним относятся, например, водопадная (waterfall) и поэтапная (staged-delivery) модели жизненного цикла (моделям жизненного цикла посвящена специальная глава, написанная Сергеем Орликом как важное расширение SWEBOK). Эти модели рассматривают конструирование как деятельность, которая начинает проводиться только после завершения определенных обязательных к выполнению (prerequisite) работ, включающих детальное определение требований, подробный дизайн и детальное планирование. Более линейные подходы стараются подчеркнуть действия, предваряющие конструирование (т.е. требования и дизайн) и создать более четкое разделение между такими различными типами деятельности. В таких моделях основным содержанием конструирования может быть кодирование.
Другие модели более итеративны, к ним относятся - эволюционное прототипирование, экстремальное программирование и Scrum. Эти подходы сходятся к рассмотрению конструирования как деятельности, которая ведется одновременно с другими видами работ по созданию программного обеспечения и пересекаясь с ними (видимо, здесь имеется в виду взаимозависимость и влияние друг на друга), включая определение требований, проектирование и планирование. Эти подходы смешивают проектирование, кодирование и тестирование, часто рассматривая их комбинацию как конструирование.
Соответственно, что именно подразумевается под “конструированием” зависит в определенной степени от используемой модели жизненного цикла.
Выбор метода (методологии) конструирования является ключевым аспектом для планирования конструкторской деятельности. Такой выбор значим для всей конструкторской деятельности, а также необходимых условий её осуществления, определяя порядок соответствующих операций и уровень выполнения заданных условий перед тем как начнется конструирование или составляющие его действия. Например, модульное тестирование в ряде методов является частью работ, после написания соответствующего функционального кода, в то время, как ряд гибких (agile) практик, например, XP (кстати, первыми начавшие использовать такие методы верификации кода), требуют написания Unit-тестов до того, как пишется соответствующий код, требующий тестирования.
Используемый подход к конструированию влияет на возможность уменьшения (в идеале - минимизации) сложности, готовности к изменениям и конструировании с возможностью проверки.
Планирование конструкторской деятельности определяет порядок, в котором создаются компоненты и другие активы данной области знаний (фазы деятельности), проводятся работы по обеспечению качества получаемого программного обеспечения, распределяются* задачи и соответствующие ресурсы, в том числе, определяются назначения/отображения работ конкретным инженерам- программистам, членам проектной группы. Все это, конечно, происходит, следуя правилам, определяемым используемым методом (методологией, практиками и т.п.).
*Заметьте - не распределяют, а распределяются, подразумевая процесс, приводящий к обеспечению явной связи между задачей и ресурсами. В нечетко регламентированных (это ни в коем случае не ругательство, это определение - ведь существует же понятие нечёткая логика, неструктурированные базы данных, например, в отношении нереляционных систем и т.п.) и неформальных методах, таких, как XP, члены проектной группы сами принимают на себя ответственность по решению определенных задач, а “владение” кодом является совместным на основе сотрудничества, как одного из ключевых принципов работы проектной команды.
Рисунок 4. Область знаний “Конструирование программного обеспечения” [SWEBOK, 2004, с.4-2, рис. 1]