WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

факультет Вычислительной математики и кибернетики МГУ Е.А.Жоголев Технология программирования конспект лекций Математика делает то, что можно, так, как нужно, тогда как информатика делает то, что

нужно, так, как можно.

Программистский фольклор ВМиК МГУ М.: "ДИАЛОГ-МГУ", 2004.

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ Лекция 1. НАДЕЖНОЕ ПРОГРАММНОЕ СРЕДСТВО КАК ПРОДУКТ ТЕХНОЛОГИИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ. ИСТОРИЧЕСКИЙ И СОЦИАЛЬНЫЙ КОНТЕКСТ ПРОГРАММИРОВАНИЯ 1.1. Программа как формализованное описание процесса обработки данных. Программное средство 1.2. Неконструктивность понятия правильной программы 1.3. Надежность программного средства 1.4. Технология программирования как технология разработки надежных программных средств 1.5. Технология программирования и информатизация общества Лекция 2. ИСТОЧНИКИ ОШИБОК В ПРОГРАММНОМ СРЕДСТВЕ 2.1. Интеллектуальные возможности человека 2.2. Неправильный перевод как причина ошибок в программном средстве 2.3. Модель перевода 2.4. Основные пути борьбы с ошибками Лекция 3. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ 3.1. Специфика разработки программных средств 3.2. Жизненный цикл программного средства 3.3. Понятие качества программного средства 3.4. Обеспечение надежности - основной мотив разработки программных средств 3.5. Методы борьбы со сложностью 3.6. Обеспечение точности перевода 3.7. Преодоление барьера между пользователем и разработчиком 3.8. Контроль принимаемых решений Лекция 4. ВНЕШНЕЕ ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА 4.1. Назначение внешнего описания программного средства и его роль в обеспечении качества программного средства.

4.2. Определение требований к программному средству 4.3. Спецификация качества программного средства 4.4. Функциональная спецификация программного средства 4.5. Методы контроля внешнего описания программного средства Лекция 5. МЕТОДЫ СПЕЦИФИКАЦИИ СЕМАНТИКИ ФУНКЦИЙ 5.1. Основные подходы к спецификации семантики функций 5.2. Метод таблиц решений 5.3. Операционная семантика 5.4. Денотационная семантика 5.5. Аксиоматическая семантика 5.6. Языки спецификаций Лекция 6. АРХИТЕКТУРА ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА 6.1. Понятие архитектуры программного средства 6.2. Основные классы архитектур программных средств 6.3. Архитектурные функции 6.4. Контроль архитектуры программного средства Лекция 7. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ПРОГРАММЫ И МОДУЛЬНОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ 7.1. Цель модульного программирования 7.2. Основные характеристики программного модуля 7.3. Методы разработки структуры программы 7.4. Контроль структуры программы Лекция 8. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО МОДУЛЯ 8.1. Порядок разработки программного модуля 8.2. Структурное программирование 8.3. Пошаговая детализация и понятие о псевдокоде 8.4. Контроль программного модуля Лекция 9. ДОКАЗАТЕЛЬСТВО СВОЙСТВ ПРОГРАММ 9.1. Обоснования программ. Формализация свойств программ 9.2. Свойства простых операторов 9.3. Свойства основных конструкций структурного программирования 9.4. Завершимость выполнения программы 9.5. Пример доказательства свойства программы Лекция 10. ТЕСТИРОВАНИЕ И ОТЛАДКА ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА 10.1. Основные понятия 10.2. Принципы и виды отладки 10.3. Заповеди отладки 10.4. Автономная отладка модуля 10.5. Комплексная отладка программного средства Лекция 11. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА 11.1. Функциональность и надежность как обязательные критерии качества программного средства 11.2. Обеспечение завершенности программного средства 11.3. Обеспечение точности программного средства 11.4. Обеспечение автономности программного средства 11.5. Обеспечение устойчивости программного средства 11.6. Обеспечение защищенности программных средств Лекция 12. ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА 12.1. Общая характеристика процесса обеспечения качества программного средства 12.2. Обеспечение легкости применения программного средства 12.3. Обеспечение эффективности программного средства 12.4. Обеспечение сопровождаемости программного средства 12.5. Обеспечение мобильности программного средства Лекция 13. ДОКУМЕНТИРОВАНИЕ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ 13.1. Документация, создаваемая в процессе разработки программных средств.

13.2. Пользовательская документация программных средств.

13.3. Документация по сопровождению программных средств.

Лекция 14. АТТЕСТАЦИЯ ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА 14.1. Назначение аттестации программного средства 14.2. Виды испытаний программного средства 14.3. Методы оценки качества программного средства Лекция 15. ОЪЕКТНЫЙ ПОДХОД К РАЗРАБОТКЕ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ 15.1. Объекты и отношения в программировании. Сущность объектного подхода к разработке программных средств.

15.2. Объекты и субъекты в программировании.

15.3. Объектный и субъектный подходы к разработке программных средств.

15.4. Объектный подход к разработке внешнего описания и архитектуры программного средства.

13.5. Особенности объектно-ориентированного программирования.

Лекция 16. КОМПЬЮТЕРНАЯ ПОДДЕРЖКА РАЗРАБОТКИ И СОПРОВОЖДЕНИЯ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ 16.1. Инструменты разработки программных средств.

16.2. Инструментальные среды разработки и сопровождения программных средств.

16.3. Инструментальные среды программирования.

16.4. Понятие компьютерной технологии разработки программных средств и ее рабочие места.

16.5. Инструментальные системы технологии программирования.

Лекция 17. ОБЯЗАННОСТИ И ОТВЕТСТВЕННОСТЬ ПРОГРАММИСТОВ.

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СОБСТВЕННОСТЬ.

ВВЕДЕНИЕ Настоящее учебное пособие представляет собой расширение и новую редакцию конспекта лекций, читавшихся в течении ряда лет на факультете Вычислительной математики и кибернетики МГУ:

Е.А. Жоголев. Введение в технологию программирования (конспект лекций). - М.: "ДИАЛОГ-МГУ", 2004.

По содержанию оно полностью соответствует обновленной программе курса "Технология программирования", утвержденного для студентов программистских кафедр.

Хотя понятие технологии в русском языке имеет ясное определение, понятие технологии программирования требует некоторого уточнения прежде всего из-за необходимости определения, что следует считать продуктом этой технологии. Кроме того появление этого термина в русскоязычной научной литературе вызвано в значительной степени не всегда адекватным переводом иноязычной литературы по программированию, что привело к различным определениям (толкованиям) этого понятия. Это уточнение делается в первой лекции настоящего курса.

Тем не менее уже сейчас можно сказать (в соответствии с общепринятым в русском языке пониманием термина "технология"), что предметом настоящего курса лекций является изучение процессов, приводящих к созданию требуемого программного "продукта". В курсе обсуждаются вопросы, из каких процессов (которые можно назвать технологическими) состоит эта технология, на каких принципах они строятся, какие методы и инструментальные средства в них используются.

Содержание курса сложилось в результате критического анализа многих научных источников, часто противоречивших друг другу, с учетом опыта программирования автора настоящего курса, а также результатов исследований, проведенных на кафедре системного программирования факультета ВМиК МГУ (в частности, по проблеме качества программного обеспечения). Расширение пособия по сравнению с ранее изданным было связано с включением в обновленную программу курса вопросов обеспечения качества программных продуктов и их документирования, объектного подхода к их разработке, компьютерной технологии и компьютерной поддержки разработки программных продуктов, а также социально-этических вопросов программирования.

Курс рассчитан на студентов, уже прослушавших общий курс по программированию и умеющих работать на компьютере. Его целью является помочь лицам, приступающим к разработке больших программных "продуктов", рационально организовать свой программистский труд.

Лекция 1.

НАДЕЖНОЕ ПРОГРАММНОЕ СРЕДСТВО КАК ПРОДУКТ ТЕХНОЛОГИИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ. ИСТОРИЧЕСКИЙ И СОЦИАЛЬНЫЙ КОНТЕКСТ ПРОГРАММИРОВАНИЯ Понятие информационной среды процесса обработки данных.

Программа как формализованное описание процесса. Понятие о программном средстве. Понятие ошибки в программном средстве.

Неконструктивность понятия правильной программы. Надежность программного средства. Технология программирования как технология разработки надежных программных средств. Роль в обществе компьютеров и программирования, информатизация общества.

Взаимосвязь программирования и других областей знания. Применение, злоупотребление и границы компьютерной техники.

1.1. Программа как формализованное описание процесса обработки данных. Программное средство.

Целью программирования является описание процессов обработки данных (в дальнейшем - просто процессов). Согласно ИФИПа [1.1]:

данные - это представление фактов и идей в формализованном виде, пригодном для передачи и переработке в некоем процессе, а информация - это смысл, который придается данным при их представлении. Обработка данных - это выполнение систематической последовательности действий с данными. Данные представляются и хранятся на т.н. носителях данных. Совокупность носителей данных, используемых при какой-либо обработке данных, будем называть информационной средой. Набор данных, содержащихся в какой-либо момент в информационной среде, будем называть состоянием этой информационной среды. Процесс можно определить как последовательность сменяющих друг друга состояний некоторой информационной среды.

Описать процесс - значит определить последовательность состояний заданной информационной среды. Если мы хотим, чтобы по заданному описанию требуемый процесс порождался автоматически на каком-либо компьютере, необходимо, чтобы это описание было формализованным.

Такое описание называется программой. С другой стороны, программа должна быть понятной и человеку, так как и при разработке программ, и при их использовании часто приходится выяснять, какой именно процесс она порождает. Поэтому программа составляется на удобном для человека формализованном языке программирования, с которого она автоматически переводится на язык соответствующего компьютера с помощью другой программы, называемой транслятором. Человеку (программисту), прежде чем составить программу на удобном для него языке программирования, приходится проделывать большую подготовительную работу по уточнению постановки задачи, выбору метода ее решения, выяснению специфики применения требуемой программы, прояснению общей организации разрабатываемой программы и многое другое. Использование этой информации может существенно упростить задачу понимания программы человеком, поэтому весьма полезно ее как-то фиксировать в виде отдельных документов (часто не формализованных, рассчитанных только для восприятия человеком).

Обычно программы разрабатываются в расчете на то, чтобы ими могли пользоваться люди, не участвующие в их разработке (их называют пользователями). Для освоения программы пользователем помимо ее текста требуется определенная дополнительная документация.

Программа или логически связанная совокупность программ на носителях данных, снабженная программной документацией, называется программным средством (ПС). Программа позволяет осуществлять некоторую автоматическую обработку данных на компьютере.

Программная документация позволяет понять, какие функции выполняет та или иная программа ПС, как подготовить исходные данные и запустить требуемую программу в процесс ее выполнения, а также: что означают получаемые результаты (или каков эффект выполнения этой программы). Кроме того, программная документация помогает разобраться в самой программе, что необходимо, например, при ее модификации.

1.2. Неконструктивность понятия правильной программы.

Таким образом, можно считать, что продуктом технологии программирования является ПС, содержащее программы, выполняющие требуемые функции. Здесь под "программой" часто понимают правильную программу, т.е. программу, не содержащую ошибок. Однако, понятие ошибки в программе трактуется в среде программистов неоднозначно. Согласно Майерсу [1.2] будем считать, что в программе имеется ошибка, если она не выполняет того, что разумно ожидать от нее пользователю. "Разумное ожидание" пользователя формируется на основании документации по применению этой программы.

Следовательно, понятие ошибки в программе является существенно не формальным. В этом случае правильнее говорить об ошибке в ПС.

Разновидностью ошибки в ПС является несогласованность между программами ПС и документацией по их применению. В работе [1.3] выделяется в отдельное понятие частный случай ошибки в ПС, когда программа не соответствует своей функциональной спецификации (описанию, разрабатываемому на этапе, предшествующему непосредственному программированию). Такая ошибка в указанной работе называется дефектом программы. Однако выделение такой разновидности ошибки в отдельное понятие вряд ли оправданно, так как причиной ошибки может оказаться сама функциональная спецификация, а не программа.

В связи с тем, что задание на ПС обычно формулируется не формально, а также из-за неформализованности понятия ошибки в ПС, нельзя доказать формальными методами (математически) правильность ПС. Нельзя показать правильность ПС и тестированием: как указал Дейкстра [1.4], тестирование может лишь продемонстрировать наличие в ПС ошибки. Поэтому понятие правильной ПС неконструктивно в том смысле, что после окончания работы над созданием ПС мы не сможем убедиться, что достигли цели.

1.3. Надежность программного средства.

Альтернативой правильного ПС является надежное ПС. Надежность ПС - это его способность безотказно выполнять определенные функции при заданных условиях в течение заданного периода времени с достаточно большой вероятностью [1.5]. При этом под отказом в ПС понимают проявление в нем ошибки [1.2]. Таким образом, надежная ПС не исключает наличия в ней ошибок - важно лишь, чтобы эти ошибки при практическом применении этого ПС в заданных условиях проявлялись достаточно редко. Убедиться, что ПС обладает таким свойством можно при его испытании путем тестирования, а также при практическом применении. Таким образом, фактически мы можем разрабатывать лишь надежные, а не правильные ПС.

Разрабатываемая ПС может обладать различной степенью надежности. Как измерять эту степень? Так же как в технике, степень надежности можно характеризовать [1.2] вероятностью работы ПС без отказа в течении определенного периода времени. Однако в силу специфических особенностей ПС определение этой вероятности наталкивается на ряд трудностей по сравнению с решением этой задачи в технике. Позже мы вернемся к более обстоятельному обсуждению этого вопроса.

При оценке степени надежности ПС следует также учитывать последствия каждого отказа. Некоторые ошибки в ПС могут вызывать лишь некоторые неудобства при его применении, тогда как другие ошибки могут иметь катастрофические последствия, например, угрожать человеческой жизни. Поэтому для оценки надежности ПС иногда используют дополнительные показатели, учитывающие стоимость (вред) для пользователя каждого отказа.

1.4. Технология программирования как технология разработки надежных программных средств.

В соответствии с обычным значением слова "технология" [1.6] под технологией программирования будем понимать совокупность производственных процессов, приводящую к созданию требуемого ПС, а также описание этой совокупности процессов. Другими словами, технологию программирования мы будем понимать здесь в широком смысле как технологию разработки программных средств, включая в нее все процессы, начиная с момента зарождения идеи этого средства, и, в частности, связанные с созданием необходимой программной документации. Каждый процесс этой совокупности базируется на использовании каких-либо методов и средств, например, компьютер (в этом случае будем говорить об компьютерной технологии программирования).

В литературе имеются и другие, несколько отличающиеся, определения технологии программирования. Эти определения обсуждаются в работе [1.7]. Используется в литературе и близкое к технологии программирования понятие программной инженерии, определяемой как систематический подход к разработке, эксплуатации, сопровождению и изъятию из обращения программных средств [1.7].

Именно программной инженерии (Software Engineering) посвящена упомянутая работа [1.3]. Главное различие между технологией программирования и программной инженерией как дисциплинами для изучения заключается в способе рассмотрения и систематизации материала. В технологии программирования акцент делается на изучении процессов разработки ПС (технологических процессов) и порядке их прохождения - методы и инструментальные средства разработки ПС используются в этих процессах (их применение и образуют технологические процессы). Тогда как в программной инженерии изучаются прежде всего методы и инструментальные средства разработки ПС с точки зрения достижения определенных целей - они могут использоваться в разных технологических процессах (и в разных технологиях программирования);

как эти методы и средства образуют технологические процессы - здесь вопрос второстепенный.

Не следует также путать технологию программирования с методологией программирования [1.8]. Хотя в обоих случаях изучаются методы, но в технологии программирования методы рассматриваются "сверху" - с точки зрения организации технологических процессов, а в методологии программирования методы рассматриваются "снизу" - с точки зрения основ их построения (в работе [1.9, стр. 25] методология программирования определяется как совокупность механизмов, применяемых в процессе разработки программного обеспечения и объединенных одним общим философским подходом).

Имея ввиду, что надежность является неотъемлемым атрибутом ПС, мы будем обсуждать технологию программирования как технологию разработки надежных ПС. Это означает, во-первых, что мы будем обсуждать все процессы разработки ПС, начиная с момента возникновения замысла ПС, во-вторых, нас будут интересовать не только вопросы построения программных конструкций, но и вопросы описания функций и принимаемых решений с точки зрения их человеческого (неформального) восприятия, и, наконец, в качестве продукта технологии мы будем принимать надежную (а не правильную) ПС. Все это будет существенно влиять на выбор методов и инструментальных средств в процессах разработки ПС.

1.5. Технология программирования и информатизация общества.

Технологии программирования играло разную роль на разных этапах развития программирования. По мере повышения мощности компьютеров и развития средств и методологии программирования росла и сложность решаемых на компьютерах задач, что привело к повышенному вниманию к технологии программирования. Резкое удешевление стоимости компьютеров и, в особенности, стоимости хранения информации на компьютерных носителях привело к широкому внедрению компьютеров практически во все сферы человеческой деятельности, что существенно изменило направленность технологии программирования. Человеческий фактор стал играть в ней решающую роль. Сформировалось достаточно глубокое понятие качества ПС, в котором акценты стали ставится не столько на его эффективности, сколько на удобстве работы с ним для пользователей (не говоря уже о его надежности). Широкое использование компьютерных сетей привело к интенсивному развитию распределенных вычислений, дистанционного доступа к информации и электронного способа обмена сообщениями между людьми.

Компьютерная техника из средства решения отдельных задач все более превращается в средство информационного моделирования реального и мыслимого мира, способное просто отвечать людям на интересующие их вопросы. Начинается этап глубокой и полной информатизации (компьютеризации) человеческого общества. Все это ставит перед технологией программирования новые и достаточно трудные проблемы.

Сделаем краткую характеристику развития программирования по десятилетиям.

В 50-е годы мощность компьютеров была невелика (компьютеры первого поколения), а программирование для них велось, в основном, в машинном коде. Решались в главным образом научно-технические задачи (счет по формулам), задание на программирование уже содержало, как правило, достаточно точную постановку задачи.

Использовалась интуитивная технология программирования: почти сразу приступали к составлению программы по заданию, при этом часто задание несколько раз изменялось (что сильно увеличивало время и без того итерационного процесса составления программы), минимальная документация оформлялась уже после того, как программа начинала работать. Тем не менее именно в этот период родилась фундаментальная для технологии программирования концепция модульного программирования [1.10] (для преодоления трудностей программирования в машинном коде). Появились первые языки программирования высокого уровня, из которых только ФОРТРАН пробился для использования в следующие десятилетия.

В 60-е годы можно было наблюдать бурное развитие и широкое использование языков программирования высокого уровня (АЛГОЛ 60, ФОРТРАН, КОБОЛ и др.), роль которых в технологии программирования явно преувеличивалась. Надежда на то, что эти языки решат все проблемы при разработки больших программ, не оправдалась. В результате повышения мощности компьютеров и накопления опыта программирования на языках высокого уровня быстро росла сложность решаемых на компьютерах задач, в результате чего обнаружилась ограниченность языков, проигнорировавших модульную организацию программ. И только ФОРТРАН, бережно сохранивший возможность модульного программирования, гордо прошествовал в следующие десятилетия (все его ругали, но его пользователи отказаться от его услуг не могли из-за грандиозного накопления фонда программных модулей, которые с успехом использовались в новых программах). Кроме того, было понято, что важно не только то, на каком языке мы программируем, но и то, как мы программируем [1.4]. Это было уже началом серьезных размышлений над методологией и технологией программирования.

Появление в компьютерах 2-го поколения прерываний привело к развитию мультипрограммирования и созданию больших программных систем. Последнее стало возможным с использования коллективной разработки, которая поставила ряд серьезных технологических проблем [1.11].

В 70-е годы получили широкое распространение информационные системы и базы данных. Этому способствовало очень важное событие, происшедшее в середине 70-ых годов: стоимость хранения одного бита информации на компьютерных носителях стала меньше, чем на традиционных. Интенсивно развивалась технология программирования [1.2, 1.8, 1.12-1.14]: обоснование и широкое внедрение нисходящей разработки и структурного программирования, развитие абстрактных типов данных и модульного программирования (в частности, возникновение идеи разделения спецификации и реализации модулей и использование модулей, скрывающих структуры данных), исследование проблем обеспечения надежности и мобильности ПС, создание методики управления коллективной разработкой ПС, появление инструментальных программных средств (программных инструментов) поддержки технологии программирования.

80-е годы характеризуются широким внедрением персональных компьютеров во все сферы человеческой деятельности и тем самым созданием обширного и разнообразного контингента пользователей ПС.

Это привело к бурному развитию пользовательских интерфейсов и созданию четкой концепции качества ПС [1.5, 1.15-1.18]. Появляются языки программирования (например, Ада), учитывающие требования технологии программирования [1.19]. Развиваются методы и языки спецификации ПС [1.20-1.21]. Выходит на передовые позиции объектный подход к разработке ПС [1.9]. Создаются различные инструментальные среды разработки и сопровождения ПС [1.3].

Развивается концепция компьютерных сетей.

90-е годы знаменательны широким охватом всего человеческого общества международной компьютерной сетью, персональные компьютеры стали подключаться к ней как терминалы. Это поставило ряд проблем регулирования доступа к компьютерно-сетевой информации (как технологического, так и юридического и этического характера).

Остро встала проблема защиты компьютерной информации и передаваемых по сети сообщений. Стали бурно развиваться компьютерная технология (CASE-технология) разработки ПС и связанные с ней формальные методы спецификации программ. Начался решающий этап полной информатизации и компьютеризации) общества.

Лекция 2.

ИСТОЧНИКИ ОШИБОК В ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВАХ Интеллектуальные возможности человека, используемые при разработке программных систем. Понятия о простых и сложных системах, о малых и больших системах. Неправильный перевод информации из одного представления в другое - основная причина ошибок при разработке программных средств. Модель перевода и источники ошибок.

2.1. Интеллектуальные возможности человека.

Дейкстра [2.1] выделяет три интеллектуальные возможности человека, используемые при разработке ПС:

способность к перебору, способность к абстракции, способность к математической индукции.

Способность человека к перебору связана с возможностью последовательного переключения внимания с одного предмета на другой с узнаванием искомого предмета. Эта способность весьма ограничена - в среднем человек может уверенно (не сбиваясь) перебирать в пределах 1000 предметов (элементов). Человек должен научиться действовать с учетом этой своей ограниченности. Средством преодоления этой ограниченности является его способность к абстракции, благодаря которой человек может объединять разные предметы или экземпляры в одно понятие, заменять множество элементов одним элементом (другого рода). Способность человека к математической индукции позволяет ему справляться с бесконечными последовательностями.

При разработке ПС человек имеет дело с системами. Под системой будем понимать совокупность взаимодействующих (находящихся в отношениях) друг с другом элементов. ПС можно рассматривать как пример системы. Логически связанный набор программ является другим примером системы. Любая отдельная программа также является системой. Понять систему - значит осмысленно перебрать все пути взаимодействия между ее элементами. В силу ограниченности человека к перебору будем различать простые и сложные системы [2.2]. Под простой будем понимать такую систему, в которой человек может уверенно перебрать все пути взаимодействия между ее элементами, а под сложной будем понимать такую систему, в которой он этого сделать не в состоянии. Между простыми и сложными системами нет четкой границы, поэтому можно говорить и о промежуточном классе систем: к таким системам относятся программы, о которых программистский фольклор утверждает, что "в каждой отлаженной программе имеется хотя бы одна ошибка".

При разработке ПС мы не всегда можем уверенно знать о всех связях между ее элементами из-за возможных ошибок. Поэтому полезно уметь оценивать сложность системы по числу ее элементов: числом потенциальных путей взаимодействия между ее элементами, т.е. n!, где n - число ее элементов. Систему назовем малой, если n < 7 (6! = 720 < 1000), систему назовем большой, если n > 7. При n=7 имеем промежуточный класс систем. Малая система всегда проста, а большая может быть как простой, так и сложной. Задача технологии программирования - научиться делать большие системы простыми.

Полученная оценка простых систем по числу элементов широко используется на практике. Так, для руководителя коллектива весьма желательно, чтобы в нем не было больше шести взаимодействующих между собой подчиненных. Весьма важно также следовать правилу:

"все, что может быть сказано, должно быть сказано в шести пунктах или меньше". Этому правилу мы будем стараться следовать в настоящем пособии: всякие перечисления взаимосвязанных утверждений (набор рекомендаций, список требований и т.п.) будут соответствующим образом группироваться и обобщаться. Полезно ему следовать и при разработке ПС.

2.2. Неправильный перевод как причина ошибок в программных средствах.

При разработке и использовании ПС мы многократно имеем дело [2.3] с преобразованием (переводом) информации из одной формы в другую (см.рис.2.1). Заказчик формулирует свои потребности в ПС в виде некоторых требований. Исходя из этих требований разработчик создает внешнее описание ПС, используя при этом спецификацию (описание) заданной аппаратуры и, возможно, спецификацию базового программного обеспечения. На основании внешнего описания и спецификации языка программирования создаются тексты программ ПС на этом языке. По внешнему описанию ПС разрабатывается также и пользовательская документация. Текст каждой программы является исходной информацией при любом ее преобразовании, в частности, при исправлении в ней ошибки. Пользователь на основании документации выполняет ряд действий для применения ПС и осуществляет интерпретацию получаемых результатов. Везде здесь, а также в ряде других процессах разработки ПС, имеет место указанный перевод информации.

Рис. 2.1. Грубая схема разработки и применения ПС.

На каждом из этих этапов перевод информации может быть осуществлен неправильно, например, из-за неправильного понимания исходного представления информации. Возникнув на одном из этапов ошибка в представлении информации распространяется на последующие этапы разработки и, в конечном счете, окажется в самом ПС.

2.3. Модель перевода.

Чтобы понять природу ошибок при переводе рассмотрим модель [2.3], изображенную на рис.2.2. На ней человек осуществляет перевод информации из представления A в представление B. При этом он совершает четыре основных шага перевода:

Рис.2.2. Модель перевода.

он получает информацию, содержащуюся в представлении A, с помощью своего читающего механизма R;

он запоминает полученную информацию в своей памяти M;

он выбирает из своей памяти преобразуемую информацию и информацию, описывающую процесс преобразования, выполняет перевод и посылает результат своему пишущему механизму W;

с помощью этого механизма он фиксирует представление B.

На каждом из этих шагов человек может совершить ошибку разной природы. На первом шаге способность человека "читать между строк" (способность, позволяющая ему понимать текст, содержащий неточности или даже ошибки) может стать причиной ошибки в ПС. Ошибка возникает в том случае, когда при чтении документа A человек, пытаясь восстановить недостающую информацию, видит то, что он ожидает, а не то, что имел в виду автор документа A. В этом случае лучше было бы обратиться к автору документа за разъяснениями. При запоминании информации человек осуществляет ее осмысливание (здесь важен его уровень подготовки и знание предметной области, к которой относится документ A). И, если он поверхностно или неправильно поймет, то информация будет запомнена в искаженном виде. На третьем этапе забывчивость человека может привести к тому, что он может выбрать из своей памяти не всю преобразуемую информацию или не все правила перевода, в результате чего перевод будет осуществлен неверно. Это обычно происходит при большом объеме плохо организованной информации. И, наконец, на последнем этапе стремление человека побыстрее зафиксировать информацию часто приводит к тому, что представление этой информации оказывается неточным, создавая ситуацию для последующей неоднозначной ее интерпретации.

2.4. Основные пути борьбы с ошибками.

Учитывая рассмотренные особенности действий человека при переводе можно указать следующие пути борьбы с ошибками:

сужение пространства перебора (упрощение создаваемых систем), обеспечение требуемого уровня подготовки разработчика (это функции менеджеров коллектива разработчиков), обеспечение однозначности интерпретации представления информации, контроль правильности перевода (включая и контроль однозначности интерпретации).

Лекция 3.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ Специфика разработки программных средств. Жизненный цикл программного средства. Понятие качества программного средства.

Обеспечение надежности - основной мотив разработки программного средства. Методы борьбы со сложностью. Обеспечение точности перевода. Преодоление барьера между пользователем и разработчиком.

Обеспечение контроля правильности принимаемых решений.

3.1. Специфика разработки программных средств.

Разработке программных средств присущ ряд специфических особенностей [3.1].

Прежде всего следует отметить некоторое противостояние:

неформальный характер требований к ПС (постановки задачи) и понятия ошибки в нем, но формализованный основной объект разработки - программы ПС. Тем самым разработка ПС содержит определенные этапы формализации, а переход от неформального к формальному существенно неформален.

Разработка ПС носит существенно творческий характер (на каждом шаге приходится делать какой-либо выбор, принимать какое-либо решение), а не сводится к выполнению какой-либо последовательности регламентированных действий. Тем самым эта разработка ближе к процессу проектирования каких-либо сложных устройств, но никак не к их массовому производству. Этот творческий характер разработки ПС сохраняется до самого ее конца.

Следует отметить также особенность продукта разработки. Он представляет собой некоторую совокупность текстов (т.е.

статических объектов), смысл же (семантика) этих текстов выражается процессами обработки данных и действиями пользователей, запускающих эти процессы (т.е. является динамическим). Это предопределяет выбор разработчиком ряда специфичных приемов, методов и средств.

Продукт разработки имеет и другую специфическую особенность:

ПС при своем использовании (эксплуатации) не расходуется и не расходует используемых ресурсов.

3.2. Жизненный цикл программного средства.

Под жизненным циклом ПС понимают весь период его разработки и эксплуатации (использования), начиная от момента возникновения замысла ПС и кончая прекращением всех видов его использования [3.1 - 3.4]. Жизненный цикл включает все процессы создания и использования ПС (software process).

Различают следующие стадии жизненного цикла ПС (см. рис. 3.1):

разработку ПС, производство программных изделий (ПИ) и эксплуатацию ПС.

Рис. 3.1. Стадии и фазы жизненного цикла ПС.

Стадия разработки (development) ПС состоит из этапа его внешнего описания, этапа конструирования ПС, этапа кодирования (программирование в узком смысле) ПС и этапа аттестации ПС. Всем этим этапам сопутствуют процессы документирования и управление (management) разработкой ПС. Этапы конструирования и кодирования часто перекрываются, иногда довольно сильно. Это означает, что кодирование некоторых частей программного средства может быть начато до завершения этапа конструирования.

Внешнее описание (Requirements document) ПС является описанием его поведения с точки зрения внешнего по отношению к нему наблюдателю с фиксацией требований относительно его качества.

Внешнее описание ПС начинается с определения требований к ПС со стороны пользователей (заказчика).

Конструирование (design) ПС охватывает процессы: разработку архитектуры ПС, разработку структур программ ПС и их детальную спецификацию.

Кодирование (coding ) создание текстов программ на языках программирование, их отладку с тестированием ПС.

На этапе аттестации ПС производится оценка качества ПС, после успешного завершения которого разработка ПС считается законченной.

Программное изделие (ПИ) - экземпляр или копия, снятая с разработанного ПС. Изготовление ПИ - это процесс генерации и/или воспроизведения (снятия копии) программ и программных документов ПС с целью их поставки пользователю для применения по назначению.

Производство ПИ - это совокупность работ по обеспечению изготовления требуемого количества ПИ в установленные сроки [3.1]. Стадия производства ПС в жизненном цикле ПС является, по-существу, вырожденной (не существенной), так как представляет рутинную работу, которая может быть выполнена автоматически и без ошибок. Этим она принципиально отличается от стадии производства различной техники. В связи с этим в литературе эту стадию, как правило, не включают в жизненный цикл ПС.

Стадия эксплуатации ПС охватывает процессы хранения, внедрения и сопровождения ПС, а также транспортировки и применения (operation) ПИ по своему назначению. Она состоит из двух параллельно проходящих фаз: фазы применения ПС и фазы сопровождения ПС [3.4, 3.5].

Применение (operation) ПС - это использование ПС для решения практических задач на компьютере путем выполнения ее программ.

Сопровождение (maintenance) ПС - это процесс сбора информации о его качестве в эксплуатации, устранения обнаруженных в нем ошибок, его доработки и модификации, а также извещения пользователей о внесенных в него изменениях [3.1, 3.4, 3.5].

3.3. Понятие качества программного средства.

Каждое ПС должно выполнять определенные функции, т.е. делать то, что задумано. Хорошее ПС должно обладать еще целым рядом свойств, позволяющим успешно его использовать в течении длительного периода, т.е. обладать определенным качеством. Качество ПС - это совокупность его черт и характеристик, которые влияют на его способность удовлетворять заданные потребности пользователей [3.6]. Это не означает, что разные ПС должны обладать одной и той же совокупностью таких свойств в их высшей возможной степени. Этому препятствует тот факт, что повышение качества ПС по одному из таких свойств часто может быть достигнуто лишь ценой изменения стоимости, сроков завершения разработки и снижения качества этого ПС по другим его свойствам. Качество ПС является удовлетворительным, когда оно обладает указанными свойствами в такой степени, чтобы гарантировать успешное его использование.

Совокупность свойств ПС, которая образует удовлетворительное для пользователя качество ПС, зависит от условий и характера эксплуатации этого ПС, т.е. от позиции, с которой должно рассматриваться качество этого ПС. Поэтому при описании качества ПС должны быть прежде всего фиксированы критерии отбора требуемых свойств ПС. В настоящее время критериями качества ПС принято считать [3.6-3.10]:

функциональность, надежность, легкость применения, эффективность, сопровождаемость, мобильность.

Функциональность - это способность ПС выполнять набор функций, удовлетворяющих заданным или подразумеваемым потребностям пользователей. Набор указанных функций определяется во внешнем описании ПС.

Надежность подробно обсуждалась в первой лекции.

Легкость применения - это характеристики ПС, которые позволяют минимизировать усилия пользователя по подготовке исходных данных, применению ПС и оценке полученных результатов, а также вызывать положительные эмоции определенного или подразумеваемого пользователя.

Эффективность - это отношение уровня услуг, предоставляемых ПС пользователю при заданных условиях, к объему используемых ресурсов.

Сопровождаемость - это характеристики ПС, которые позволяют минимизировать усилия по внесению изменений для устранения в нем ошибок и по его модификации в соответствии с изменяющимися потребностями пользователей.

Мобильность - это способность ПС быть перенесенным из одной среды (окружения) в другую, в частности, с одной ЭВМ на другую.

Функциональность и надежность являются обязательными критериями качества ПС, причем обеспечение надежности будет красной нитью проходить по всем этапам и процессам разработки ПС. Остальные критерии используются в зависимости от потребностей пользователей в соответствии с требованиями к ПС - их обеспечение будет обсуждаться в подходящих разделах курса.

3.4. Обеспечение надежности - основной мотив разработки программных средств.

Рассмотрим теперь общие принципы обеспечения надежности ПС, что, как мы уже подчеркивали, является основным мотивом разработки ПС, задающим специфическую окраску всем технологическим процессам разработки ПС. В технике известны четыре подхода обеспечению надежности [3.11]:

предупреждение ошибок;

самообнаружение ошибок;

самоисправление ошибок;

обеспечение устойчивости к ошибкам.

Целью подхода предупреждения ошибок - не допустить ошибок в готовых продуктах, в нашем случае - в ПС. Проведенное рассмотрение природы ошибок при разработке ПС позволяет для достижения этой цели сконцентрировать внимание на следующих вопросах:

борьбе со сложностью, обеспечении точности перевода, преодоления барьера между пользователем и разработчиком, обеспечения контроля принимаемых решений.

Этот подход связан с организацией процессов разработки ПС, т.е. с технологией программирования. И хотя, как мы уже отмечали, гарантировать отсутствие ошибок в ПС невозможно, но в рамках этого подхода можно достигнуть приемлемого уровня надежности ПС.

Остальные три подхода связаны с организацией самих продуктов технологии, в нашем случае - программ. Они учитывают возможность ошибки в программах. Самообнаружение ошибки в программе означает, что программа содержит средства обнаружения отказа в процессе ее выполнения. Самоисправление ошибки в программе означает не только обнаружение отказа в процессе ее выполнения, но и исправление последствий этого отказа, для чего в программе должны иметься соответствующие средства. Обеспечение устойчивости программы к ошибкам означает, что в программе содержатся средства, позволяющие локализовать область влияния отказа программы, либо уменьшить его неприятные последствия, а иногда предотвратить катастрофические последствия отказа. Однако, эти подходы используются весьма редко (может быть, относительно чаще используется обеспечение устойчивости к ошибкам). Связано это, во-первых, с тем, что многие простые методы, используемые в технике в рамках этих подходов, неприменимы в программировании, например, дублирование отдельных блоков и устройств (выполнение двух копий одной и той же программы всегда будет приводить к одинаковому эффекту - правильному или неправильному). А, во-вторых, добавление в программу дополнительных средств приводит к ее усложнению (иногда - значительному), что в какой-то мере мешает методам предупреждения ошибок.

3.5. Методы борьбы со сложностью.

Мы уже обсуждали в лекции 2 сущность вопроса борьбы со сложностью при разработке ПС. Известны два общих метода борьбы со сложностью систем:

обеспечения независимости компонент системы;

использование в системах иерархических структур.

Обеспечение независимости компонент означает разбиение системы на такие части, между которыми должны остаться по возможности меньше связей. Одним из воплощений этого метода является модульное программирование. Использование иерархических структур позволяет локализовать связи между компонентами, допуская их лишь между компонентами, принадлежащими смежным уровням иерархии. Этот метод, по-существу, означает разбиение большой системы на подсистемы, образующих малую систему. Здесь существенно используется способность человека к абстрагированию.

3.6. Обеспечение точности перевода.

Обеспечение точности перевода направлено на достижение однозначности интерпретации документов различными разработчиками, а также пользователями ПС. Это требует придерживаться при переводе определенной дисциплины. Майерс предлагает использовать общую дисциплину решения задач, рассматривая перевод как решение задачи [3.11]. Лучшим руководством по решению задач он считает книгу Пойа "Как решать задачу" [3.12]. В соответствии с этим весь процесс перевода можно разбить на следующие этапы:

Поймите задачу;

Составьте план (включая цели и методы решения);

Выполните план (проверяя правильность каждого шага);

Проанализируйте полученное решение.

3.7. Преодоление барьера между пользователем и разработчиком.

Как обеспечить, чтобы ПС выполняла то, что пользователю разумно ожидать от нее? Для этого необходимо правильно понять, во-первых, чего хочет пользователь, и, во-вторых, его уровень подготовки и окружающую его обстановку. Поэтому следует - привлекать пользователя в процессы принятия решений при разработке ПС, - тщательно освоить особенности его работы (лучше всего - побывать в его "шкуре").

3.8. Контроль принимаемых решений.

Обязательным шагом в каждом процессе (этапе) разработки ПС должна быть проверка правильности принятых решений. Это позволит обнаруживать и исправлять ошибки на самой ранней стадии после ее возникновения, что, во-первых, существенно снижает стоимость ее исправления и, во-вторых, повышает вероятность правильного ее устранения.

С учетом специфики разработки ПС необходимо применять везде, где это возможно, смежный контроль, сочетание как статических, так и динамических методов контроля.

Смежный контроль означает, проверку полученного документа лицами, не участвующими в его разработке, с двух сторон: во-первых, со стороны автора исходного для контролируемого процесса документа, и, во-вторых, лицами, которые будут использовать полученный документ в качестве исходного в последующих технологических процессах. Такой контроль позволяет обеспечивать однозначность интерпретации полученного документа.

Сочетание статических и динамических методов контроля означает, что нужно не только контролировать документ как таковой, но и проверять, какой процесс обработки данных он описывает. Это отражает одну из специфических особенность ПС (статическая форма, динамическое содержание).

3.11. Г. Майерс. Надежность программного обеспечения. - М.: Мир, Лекция 4.

ВНЕШНЕЕ ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВАобеспечении Понятие внешнего описания, его назначение и роль в качества программного средства. Определение требований к программному средству. Спецификация качества программного средства.

Основные примитивы качества программного средства. Функциональная спецификация программного средства. Контроль внешнего описания.

4.1. Назначение внешнего описания программного средства и его роль в обеспечении качества программного средства.

Разработчикам больших программных средств приходится решать весьма специфические и трудные проблемы, особенно, если это ПС должно представлять собой программную систему нового типа, в плохо компьютеризированной предметной области. Разработка ПС начинается с этапа формулирования требований к ПС, на котором, исходя из довольно смутных пожеланий заказчика, должен быть получен документ, достаточно точно определяющий задачи разработчиков ПС. Этот документ мы называем внешним описанием ПС (в литературе его часто называют спецификацией требований [4.1]).

Очень часто требования к ПС путают с требованиями к процессам его разработки (к технологическим процессам). Последние включать во внешнее описание не следует, если только они не связаны с оценкой качества ПС. В случае необходимости требования к технологическим процессам можно оформить в виде самостоятельного документа, который будет использоваться при управлении (руководстве) разработкой ПС.

Внешнее описание ПС играет роль точной постановки задачи, решение которой должно обеспечить разрабатываемое ПС. Более того, оно должно содержать всю информацию, которую необходимо знать пользователю для применения ПС. Оно является исходным документом для трех параллельно протекающих процессов: разработки текстов (кiinoрoeрiaaie? и кодированию) программ, входящих в ПС, разработки документации по применению ПС и разработки существенной части комплекта тестов для тестирования ПС. Ошибки и неточности во внешнем описании, в конечном счете, трансформируются в ошибки самой ПС и обходятся особенно дорого, во-первых, потому, что они делаются на самом раннем этапе разработки ПС, и, во-вторых, потому, что они распространяются на три параллельных процесса. Это требует особенно серьезных мер по их предупреждению.

Исходным документом для разработки внешнего описания ПС являются определение требований к ПС. Но так как через этот документ передается от заказчика (пользователя) к разработчику основная информация относительно требуемого ПС, то формирование этого документа представляет собой довольно длительный и трудный итерационный процесс взаимодействия между заказчиком и разработчиком, с которого и начинается этап разработки требований к ПС [4.2]. Трудности, возникающие в этом процессе, связаны с тем, что пользователи часто плохо представляют, что им на самом деле нужно:

использование компьютера в "узких" местах деятельности пользователей может на самом деле потребовать принципиального изменения всей технологии этой деятельности (о чем пользователи, как правило, и не догадываются). Кроме того, проблемы, которые необходимо отразить в определении требований, могут не иметь определенной формулировки [4.1], что приводит к постепенному изменению понимания разработчиками этих проблем. В связи с этим определению требований часто предшествует процесс системного анализа, в котором выясняется, насколько целесообразно и реализуемо "заказываемое" ПС, как повлияет такое ПС на деятельность пользователей и какими особенностями оно должно обладать. Иногда для прояснения действительных потребностей пользователей приходится разрабатывать упрощенную версию требуемого ПС, называемую прототипом ПС. Анализ "пробного" применения прототипа позволяет иногда существенно уточнить требования к ПС.

В определении внешнего описания легко бросаются в глаза две самостоятельные его части. Описание поведения ПС определяет функции, которые должна выполнять ПС, и потому его называют функциональной спецификацией ПС. Функциональная спецификация определяет допустимые фрагменты программ, реализующих декларированные функции. Требования к качеству ПС должны быть сформулированы так, чтобы разработчику были ясны цели [4.2], которые он должен стремиться достигнуть при разработке этого ПС. Эту часть внешнего описания будем называть спецификацией качества ПС (в литературе ее часто называют нефункциональной спецификацией [4.1], но она, как правило, включает и требования к технологическим процессам). Она, в отличие от функциональной спецификации, реализуется неформализованно и играет роль тех ориентиров, которые в значительной степени определяют выбор подходящих альтернатив при реализации функций ПС, а также определяет стиль всех документов и программ разрабатываемого ПС. Тем самым, спецификация качества играет решающую роль в обеспечении требуемого качества ПС.

Обычно разработка спецификации качества предшествует разработке функциональной спецификации ПС, так как некоторые требования к качеству ПС могут предопределять включение в функциональную спецификацию специальных функций, например, функции защиты от несанкционированного доступа к некоторым объектам информационной среды. Таким образом, структуру внешнего описания ПС можно выразить формулой:

Внешнее описание ПС = спецификация качества ПС + функциональная спецификация ПС Таким образом, внешнее описание определяет, что должно делать ПС и какими внешними свойствами оно должно обладать. Оно не отвечает на вопрос, как должно быть устроено это ПС и как обеспечить требуемые его внешние свойства. Оно должно достаточно точно и полно определять задачи, которые должны решить разработчики требуемого ПС. В то же время оно должно быть понято представителем пользователем - на его основании заказчиком достаточно часто принимается окончательное решение на заключение договора на разработку ПС. Внешнее описание играет большую роль в обеспечении требуемого качества ПС, так как спецификация качества ставит для разработчиков ПС конкретные ориентиры, управляющие выбором приемлемых решений при реализации специфицированных функций.

4.2. Определение требований к программному средству.

Определение требования к ПС являются исходным документом разработки ПС - заданием, выражающем в абстрактной форме потребности пользователя. Они в общих чертах определяют замысел ПС, характеризуют условия его использования. Неправильное понимание потребностей пользователя трансформируются в ошибки внешнего описания. Поэтому разработка ПС начинается с создания документа, достаточно полно характеризующего потребности пользователя и позволяющего разработчику адекватно воспринимать эти потребности.

Определение требований представляет собой смесь фрагментов на естественном языке, различных таблиц и диаграмм. Такая смесь, должна быть понятной пользователю, не знающего специальных программистских обозначений. Обычно в определении требований не содержится формализованных фрагментов, кроме случаев достаточно для этого подготовленных пользователей (например, математически) - формализация этих требований составляет содержание дальнейшей работы коллектива разработчиков.

Неправильное понимание требований заказчиком, пользователями и разработчиками связано обычно с различными взглядами на роль требуемого ПС в среде его использования [4.1]. Поэтому важной задачей при создании определения требований является установление контекста использования ПС, включающего связи между этим ПС, аппаратурой и людьми. Лучше всего этот контекст в определении требований представить в графической форме (в виде диаграмм) с добавлением описаний сущностей используемых объектов (блоков ПС, компонент аппаратуры, персонала и т.п.) и характеристики связей между ними.

Известны три способа определения требований к ПС [4.2]:

управляемый пользователем, контролируемый пользователем, независимый от пользователя.

В управляемой пользователем разработке определения требований к ПС определяются заказчиком, представляющим организацию пользователей. Это происходит обычно в тех случаях, когда организация пользователей (заказчик) заключает договор на разработку требуемого ПС с коллективом разработчиков и требования к ПС являются частью этого договора. Роль разработчика ПС в создании этих требований сводится, в основном, в выяснении того, насколько понятны ему эти требования с соответствующей критикой рассматриваемого документа.

Это может приводить к созданию нескольких редакций этого документа в процессе заключения указанного договора.

В контролируемой пользователем разработке требования к ПС формулируются разработчиком при участии представителя пользователей. Роль пользователя в этом случае сводится к информированию разработчика о своих потребностях в ПС и контролю за тем, чтобы формулируемые требования действительно выражали его потребности в ПС. В конечном счете разработанные требования, как правило, утверждаются представителем пользователя.

В независимой от пользователя разработке требования к ПС определяются без какого-либо участия пользователя (на полную ответственность разработчика). Это происходит обычно тогда, когда разработчик решает создать ПС широкого применения в расчете на то, разработанное им ПС найдет спрос на рынке программных средств.

С точки зрения обеспечения надежности ПС наиболее предпочтительным является контролируемая пользователем разработка.

4.3. Спецификация качества программного средства.

Разработка спецификации качества сводится, по-существу, к построению своеобразной модели качества разрабатываемой ПС [4.2, 4.3]. В этой модели должен быть перечень всех тех достаточно элементарных свойств, которые требуется обеспечить в разрабатываемом ПС и которые в совокупности образуют приемлемое для пользователя качество ПС. При этом каждое из этих свойств должно быть в достаточной степени конкретизировано с учетом определения требований к разрабатываемому ПС и возможности оценки его наличия у разработанного ПС или необходимой степени обладания им этим ПС.

Для конкретизации качества ПС по каждому из критериев используется стандартизованный набор достаточно простых свойств ПС [4.3-4.6], однозначно интерпретируемых разработчиками. Такие свойства мы будем называть примитивами качества ПС. Некоторые из примитивов могут использоваться по нескольким критериям. Ниже приводится зависимость критериев качества от примитивов качества ПС.

Функциональность: завершенность.

Надежность: завершенность, точность, автономность, устойчивость, защищенность.

Легкость применения: П-документированность, информативность (только применительно к документации по применению), коммуникабельность, устойчивость, защищенность.

Эффективность: временнaя эффективность, эффективность по памяти, эффективность по устройствам.

Сопровождаемость. С данным критерием связано много различных примитивов качества. Однако их можно распределить по двум группам, выделив два подкритерия качества: изучаемость и модифицируемость.

Изучаемость - это характеристики ПС, которые позволяют минимизировать усилия по изучению и пониманию программ и документации ПС. Модифицируемость - это характеристики ПС, которые упрощают внесение в него необходимых изменений и доработок.

Изучаемость: С-документированность, информативность (здесь применительно и к документации по сопровождению), понятность, структурированность, удобочитаемость.

Модифицируемость: расширяемость, структурированность, модульность.

Мобильность: независимость от устройств, автономность, структурированность, модульность.

Ниже даются определения используемых примитивов качества ПС [4.3-4.5].

Завершенность - свойство, характеризующее степень обладания ПС всеми необходимыми частями и чертами, требующимися для выполнения своих явных и неявных функций.

Точность - мера, характеризующая приемлемость величины погрешности в выдаваемых программами ПС результатах с точки зрения предполагаемого их использования.

Автономность - свойство, характеризующее способность ПС выполнять предписанные функции без помощи или поддержки других компонент программного обеспечения.

Устойчивость - свойство, характеризующее способность ПС продолжать корректное функционирование, несмотря на задание неправильных (ошибочных) входных данных.

Защищенность - свойство, характеризующее способность ПС противостоять преднамеренным или нечаянным деструктивным (разрушающим) действиям пользователя.

П-документированность - свойство, характеризующее наличие, полноту, понятность, доступность и наглядность учебной, инструктивной и справочной документации, необходимой для применения ПС.

Информативность - свойство, характеризующее наличие в составе ПС информации, необходимой и достаточной для понимания назначения ПС, принятых предположений, существующих ограничений, входных данных и результатов работы отдельных компонент, а также текущего состояния программ в процессе их функционирования.

Коммуникабельность - свойство, характеризующее степень, в которой ПС облегчает задание или описание входных данных, а также обеспечивает выдачу полезных сведений в форме и с содержанием, простыми для понимания.

Временнaя эффективность - мера, характеризующая способность ПС выполнять возложенные на него функции за определенный отрезок времени.

Эффективность по памяти - мера, характеризующая способность ПС выполнять возложенные на него функции при определенных ограничениях на используемую память.

Эффективность по устройствам - мера, характеризующая экономичность использования устройств машины для решения поставленной задачи.

С-документировапнность - свойство, характеризующее с точки зрения наличия документации, отражающей требования к ПС и результаты различных этапов разработки данной ПС, включающие возможности, ограничения и другие черты ПС, а также их обоснование.

Понятность - свойство, характеризующее степень в которой ПС позволяет изучающему его лицу понять его назначение, сделанные допущения и ограничения, входные данные и результаты работы его программ, тексты этих программ и состояние их реализации. Этот примитив качества синтезирован нами из таких примитивов ИСО [4.4], как согласованность, самодокументированность, четкость и, собственно, понятность.

Структурированность - свойство, характеризующее программы ПС с точки зрения организации взаимосвязанных их частей в единое целое определенным образом (например, в соответствии с принципами структурного программирования).

Удобочитаемость - свойство, характеризующее легкость восприятия текста программ ПС (отступы, фрагментация, форматив- ность).

Расширяемость - свойство, характеризующее способность ПС к использованию большего объема памяти для хранения данных или расширению функциональных возможностей отдельных компонент.

Модульность - свойство, характеризующее ПС с точки зрения организации его программ из таких дискретных компонент, что изменение одной из них оказывает минимальное воздействие на другие компоненты.

Независимость от устройств - свойство, характеризующее способность ПС работать на разнообразном аппаратном обеспечении (различных типах, марках, моделях ЭВМ).

4.4. Функциональная спецификация программного средства.

С учетом назначения функциональной спецификации ПС и тяжелых последствий неточностей и ошибок в этом документе, функциональная спецификация должна быть математически точной. Это не означает, что она должна быть формализована настолько, что по ней можно было бы автоматически генерировать программы, решающие поставленную задачу. А означает лишь, что она должна базироваться на понятиях, построенных как математические объекты, и утверждениях, однозначно понимаемых разработчиками ПС. Достаточно часто функциональная спецификация формулируется на естественном языке. Тем не менее, использование математических методов и формализованных языков при разработке функциональной спецификации весьма желательно, поэтому этим вопросам будет посвящена отдельная лекция.

Функциональная спецификация состоит из трех частей:

описания внешней информационной среды, к которой должны применяться программы разрабатываемой ПС;

определение функций ПС, определенных на множестве состояний этой информационной среды (такие функции будем называть внешними функциями ПС);

описание нежелательных (исключительных) ситуаций, которые могут возникнуть при выполнении программ ПС, и реакций на эти ситуации, которые должны обеспечить соответствующие программы.

В первой части должны быть определены на концептуальном уровне все используемые каналы ввода и вывода и все информационные объекты, к которым будет применяться разрабатываемое ПС, а также существенные связи между этими информационными объектами.

Примером описания информационной среды может быть концептуальная схема базы данных или описание сети датчиков и приборов, которой должна управлять разрабатываемая ПС.

Во второй части вводятся обозначения всех определяемых функций, специфицируются все входные данные и результаты выполнения каждой определяемой функции, включая указание их типов и заданий всех соотношений (или ограничений), которым должны удовлетворять эти данные и результаты. И наконец, определяется семантика каждой из этих функций, что является наиболее трудной задачей функциональной спецификации ПС. Обычно эта семантика описывается неформально на естественном языке - примерно так, как это делается при описании семантики многих языков программирования. Эта задача может быть в ряде случаев существенно облегчена при достаточно четком описании внешней информационной среды, если внешние функции задают какие либо манипуляции с ее объектами.

В третьей части должны быть перечислены все существенные с точки зрения внешнего наблюдателя (пользователя) случаи, когда ПС не сможет нормально выполнить ту или иную свою функцию (например, при обнаружении ошибки во время взаимодействия с пользователем, или при попытке применить какую-либо функцию к данным, не удовлетворяющим соотношениям, указанным в ее спецификации, или при получении результата, нарушающего заданное ограничение). Для каждого такого случая должна быть определена (описана) реакция ПС.

4.5. Методы контроля внешнего описания программного средства.

Разработка внешнего описания обязательно должна завершаться проведением тщательного и разнообразного контроля правильности внешнего описания. Целью этого процесса является найти как можно больше ошибок, сделанных на этом этапе. Учитывая, что результатом этого этапа является, как правило, еще неформализованный текст, то здесь на первый план выступают психологические факторы контроля.

Можно выделить следующие методы контроля, применяемые на этом этапе:

статический просмотр, смежный контроль, пользовательский контроль, ручная имитация.

Первый метод предполагает внимательное прочтение текста внешнего описания разработчиком с целью проверка его полноты и непротиворечивости, а также выявления других неточностей и ошибок.

Смежный контроль спецификации качества сверху - это ее проверка со стороны разработчика требований к ПС, а смежный контроль функциональной спецификации - это ее проверка разработчиками требований к ПС и спецификации качества. Смежный контроль внешнего описания снизу - это его изучение и проверка разработчиками архитектуры ПС и текстов программ, а также разработчиками документации по применению и разработчиками комплекта тестов.

Пользовательский контроль внешнего описания выражает участие пользователя (заказчика) в принятии решений при разработке внешнего описания и его контроле. Если разработка требований к ПС велась под управлением пользователя, то пользовательский контроль внешнего описания, по-существу, означает его смежный контроль сверху. Однако, если представителю пользователя оказывается трудно самостоятельно разобраться во внешнем описании, создается специальная группа разработчиков, выполняющая роль пользователя (и взаимодействующая с ним) для проведения такого контроля.

Ручная имитация выражает своеобразный динамический контроль внешнего описания, точнее говоря, функциональной спецификации ПС.

Для этого необходимо подготовить исходные данные (тесты) и на основании функциональной спецификации осуществить имитацию поведения (работы) разрабатываемого ПС. При этом эту имитацию осуществляет специально назначенный разработчик, выполняющий, по существу, роль будущих программ ПС. Разновидностью такого контроля является имитация за терминалом. В этом случае данные вводятся в компьютер человеком, играющего роль пользователя, и передаются с помощью несложной программы на другой терминал, за которым сидит разработчик, выполняющий роль программ ПС. Полученные результаты передаются через компьютер на первый терминал.

Лекция 5.

Основные МЕТОДЫ СПЕЦИФИКАЦИИ СЕМАНТИКИ ФУНКЦИЙ Табличный подходы к спецификации семантики функций.

подход, метод таблиц решений. Алгебраический подход: операционная, денотационная и аксиоматическая семантика.

5.1. Основные подходы к спецификации семантики функций.

Для спецификации семантики функций используются следующие подходы: табличный, алгебраический и логический [5.1], а также графический [5.2].

Табличный подход для определения функций хорошо известен еще со средней школы. Он базируется на использовании таблиц. В программировании эти методы получили развитие в методе таблиц решений.

Алгебраический подход базируется на использовании равенств для определения функций. В этом случае для определения некоторого набора функций строится система равенств вида:

L1=R1,...

Ln=Rn.

(5.1) где Li и Ri, i=1,... n, некоторые выражения, содержащие предопределенные операции, константы, переменные, от которых зависят определяемые функции (формальные параметры этих функций), и вхождения самих этих функций. Семантика определяемых функций извлекается в результате интерпретации этой системы равенств. Эта интерпретация может производится по-разному (базироваться на разных системах правил), что порождает разные семантики. В настоящее время активно исследуются операционная, денотационная и аксиоматическая семантики.

Третий подход, логический, базируется на использовании предикатов - функций, аргументами которых могут быть значения различных типов, а результатами которых являются логические значения (ИСТИНА и ЛОЖЬ). В этом случае набор функций может определяться с помощью системы предикатов. Заметим, что система равенств алгебраического подхода может быть задана с помощью следующей системы предикатов:

РАВНО(L1, R1),.......

РАВНО(Ln, Rn), (5.2) где предикат РАВНО истинен, если равны значения первого и второго его аргументов. Это говорит о том, что логический подход располагает большими возможностями для определения функций, однако он требует от разработчиков ПС умения пользоваться методами математической логики, что, к сожалению, не для всех коллективов разработчиков оказывается приемлемым. Более подробно этот подход в нашем курсе лекций мы рассматривать не будем.

Графический подход также известен еще со средней школы. Но в данном случае речь идет не о задании функции с помощью графика, хотя при данном уровне развития компьютерной техники ввод в компьютер таких графиков возможен и они могли бы использоваться (с относительно небольшой точностью) для задания функций. В данном случае речь идет о графическом задании различных схем, выражающих сложную функцию через другие функции, связанными с какими-либо компонентами заданной схемы. Графическая схема может определять ситуации, когда для вычисления представляемой ею функции должны применяться связанные с этой схемой более простые функции.

Графическая схема может достаточно точно и формализованно определять часть семантики функции. Примером такой схемы может быть схема переходов состояний конечного автомата, такая, что в каждом из этих состояний должна выполняться некоторая дополнительная функция, указанная в схеме.

5.2. Метод таблиц решений.

Метод таблиц решений базируется на использовании таблиц следующего вида (см. табл. 5.1).

Верхняя часть этой таблицы определяет различные ситуации, в которых требуется выполнять некоторые действия (операции). Каждая строка этой части задает ряд значений некоторой переменной или некоторого условия, указанной (указанного) в первом поле (столбце) этой строки. Таким образом, первый столбец этой части представляет собой список переменных или условий, от значений которых зависит выбор определяемых ситуаций. В каждом следующем столбце указывается комбинация значений этих переменных (условий), определяющая конкретную ситуацию. При этом последний столбец определяет ситуацию, отличную от предыдущих, т.е.для любых других комбинаций значений (будем обозначать их звездочкой *), отличных от первых, определяется одна и та же, (m+1)-ая, ситуация. Впрочем в некоторых таблицах решений этот столбец может отсутствовать. Эта часть таблицы решений аналогична соответствующей части таблицы, определяющей какую-либо функцию обычным способом - в ней задаются комбинации значений аргументов функции, которым ставится в соответствие значения этой функции.

Переменные/условия Ситуации(комбинации значений) x1 a[1,1] a[1,2]... a[1,m] * x2 a[2,1] a[2,2]... a[2,m] *......

xn a[n,1] a[n,2]... a[n,m] * s1 u[1,1] u[1,2]... u[1,m] u[1,m+1] s2 u[2,1] u[2,2]... u[2,m] u[1,m+1]......

sk u[k,1] u[k,2]... u[k,m] u[k,m+1] Действия Комбинации выполняемых действий Табл. 5.1. Общая схема таблиц решений.

Нижняя часть таблицы решений определяет действия, которые требуется выполнить в той или иной ситуации, определяемой в верхней части таблицы решений. Она также состоит из нескольких (k) строк, каждая из которых связана с каким-либо одним конкретным действием, указанным в первом поле (столбце) этой строки. В остальных полях (столбцах) этой строки (т.е. для u[i, j], i=1,... m+1, j=1,... k) указывается, следует ли выполнять (u[i, j]= '+') это действие в данной ситуации или не следует (u[i, j]= '-'). Таким образом, первый столбец нижней части этой таблицы представляет собой список обозначений действий, которые могут выполняться в той или иной ситуации, определяемой этой таблицей. В каждом следующем столбце этой части указывается комбинация действий, которые следует выполнить в ситуации, определяемой в том же столбце верхней части таблицы решений. Для ряда таблиц решений эти действия могут выполняться в произвольном порядке, но для некоторых таблиц решений этот порядок может быть предопределен, например, в порядке следования соответствующих строк в нижней части этой таблицы.

Условия Ситуации Состояние Кр Кр Кр Жел Жел Зел Зел Зел светофора T=Tкр Нет Нет Да * * * * * T=Tжел * * * Нет Да * * * T>Tзел * * * * * Нет Да Да Появление Нет Да * * * * Нет Да привиле гированной машины Включить - - - - - - + красный Включить - + + - - - - желтый Включить - - - - + - - зеленый T:=0 - + + - + - + T:=T+1 + - - + - + - + Освобож-дение - - - + - - - пе-шеходной дорожки Пропуск + + + - - - - пешеходов Пропуск машин - - - - - + + + Действия Комбинации выполняемых действий Рис. 5.2. Таблица решений "Светофор у пешеходной дорожки".

Рассмотрим в качестве примера описание работы светофора у пешеходной дорожки. Переключение светофора в нормальных ситуациях должно производиться через фиксированное для каждого цвета число единиц времени (Tкр - для красного цвета, Tжел - для желтого, Tзел - для зеленого). У светофора имеется счетчик таких единиц. При переключении светофора в счетчике устанавливается 0. Работа светофора усложняется необходимостью пропускать привилегированные машины (на светофор о их появлении поступает специальный сигнал) с минимальной задержкой, но при обеспечении безопасности пешеходов.

Приведенная на рис. 5.2 таблица решений описывает работу такого светофора и порядок движения у него в каждую единицу времени.

Звездочка (*) в этой таблице означает произвольное значение соответствующего условия.

5.3. Операционная семантика.

В операционной семантике алгебраического подхода к описанию семантики функций рассматривается следующий частный случай системы равенств (5.1):

f1(x1, x2,..., xk)= E1, f2(x1, x2,..., xk)= E2,.............

fn(x1, x2,..., xk)= En, (5.3) где в левых частях равенств явно указаны определяемые функции с формальными параметрами, включающими (для простоты) обозначения всех входных данных x1, x2,..., xk, а правые части представляют собой выражения, содержащие, вообще говоря, вхождения этих функций с аргументами, задаваемыми некоторыми выражениями, зависящими от входных данных x1,..., xk.

Операционная семантика интерпретирует эти равенства как систему подстановок. Под подстановкой | s E | | T выражения (терма) T в выражение E вместо символа s (в частности, переменной) будем понимать переписывание выражения E с заменой каждого вхождения в него символа s на выражение T. Каждое равенство fi(x1, x2,..., xk)= Ei задает в параметрической форме множество правил подстановок вида | x1, x2,..., xkfi(T1, T2,..., Tk) -> Ei | | T1, T2,..., Tk где T1, T2,..., TK - конкретные аргументы (значения или определяющие их выражения) данной функции. Это правило допускает замену вхождения левой его части в какое-либо выражение на его правую часть.

Интерпретация системы равенств (5.3) для получения значений определяемых функций в рамках операционной семантики производится следующим образом. Пусть задан набор входных данных (аргументов) d1, d2,..., dk. На первом шаге осуществляется подстановка этих данных в левые и правые части равенств с выполнением там, где это возможно, предопределенных операций и с выписыванием получаемых в результате этого равенств. На каждом следующем шаге просматриваются правые части полученных равенств. Если правая часть является каким либо значением, то оно и является значением функции, указанной в левой части этого равенства. В противном случае правая часть является выражением, содержащим вхождения каких-либо определяемых функций с теми или иными наборами аргументов. Если для такого вхождения соответствующая функция с данным набором аргументов имеется в левой части какого-либо из полученных равенств, то либо вместо этого вхождения подставляется значение правой части этого равенства, если оно уже вычислено, с выполнением, где это возможно, предопределенных операций, либо не производится никаких изменений, если значение этой правой части еще не вычислено. В том же случае, если эта функция с данным набором аргументов не является левой частью никакого из полученных равенств, то формируется (и дописывается к имеющимся) новое равенство, получаемое из исходного равенства для данной функций с подстановкой в него вместо параметров указанных аргументов этой функции. Эти шаги осуществляются до тех пор, пока все определяемые функции не будут иметь вычисленные значения.

В качестве примера операционной семантики рассмотрим определение функции F(n)=n! Она определяется следующей системой равенств:

F(0)=1, F(n)=F(n-1)*n.

Для вычисления значения F(3) осуществляются следующие шаги.

1-й шаг:

F(0)=1, F(3)=F(2)*3.

2-й шаг:

F(0)=1, F(3)=F(2)*3, F(2)=F(1)*2.

3-й шаг:

F(0)=1, F(3)=F(2)*3, F(2)=F(1)*2, F(1)=F(0)*1.

4-й шаг:

F(0)=1, F(3)=F(2)*3, F(2)=F(1)*2, F(1)=1.

5-й шаг:

F(0)=1, F(3)=F(2)*3, F(2)=2, F(1)=1.

6-й шаг:

F(0)=1, F(3)=3, F(2)=2, F(1)=1.

Значение F(3) на 6-ом шаге получено.

5.4. Денотационная семантика.

В денотационной семантике алгебраического подхода рассматривается также система равенств вида (5.3), которая интерпретируется как система функциональных уравнений, а определяемые функции являются некоторым решением этой системы. В классической математике изучению функциональных уравнений (в частности, интегральных уравнений) уделяется большое внимание и связано с построением достаточно глубокого математического аппарата.

Применительно к программированию этими вопросами серьезно занимался Д. Скотт [5.3].

Основные идеи денотационной семантики проиллюстрируем на более простом случае, когда система равенств (5.3) является системой языковых уравнений:

X1= phi[1,1] ? phi[1,2] ?... ? phi[1,k1], X2= phi[2,1] ? phi[2,2] ?... ? phi[2,k2],...........................

Xn= phi[n,1] ? phi[n,2] ?... ? phi[n,kn], (5.4) причем i-ое уравнение при ki=0 имеет вид Xi=?

Как известно, формальный язык - это множество цепочек в некотором алфавите. Такую систему можно рассматривать как одну из интерпретаций набора правил некоторой грамматики, представленную в форме Бэкуса-Наура (каждое из приведенных уравнений является аналогом некоторой такой формулы). Пусть фиксирован некоторый алфавит A={a1, a2,..., am} терминальных символов грамматики, из которых строятся цепочки, образующие используемые в системе (5.4) языки. Символы X1, X2,..., Xn являются метапеременными грамматики, здесь будут рассматриваться как переменные, значениями которых являются языки (множества значений этих метапеременных). Символы phi[i,j], i=1,...,n, j=1,...,kj, обозначают цепочки в объединенном алфавите терминальных символов и метапеременных:

phi[i,j]???(A | {X1, X2,..., Xn})*.

Цепочка phi[i,j] рассматривается как некоторое выражение, определяющее значение, являющееся языком (множеством цепочек в алфавите A). Такое выражение определяется следующим образом. Если значения X1, X2,..., Xn заданы, то цепочка phi= Z1 Z2... Zk, Zi???(A | {X1, X2,..., Xn}), обозначает сцепление множеств Z1, Z2,..., Zk, причем вхождение в эту цепочку символа aj представляет множество из одного элемента {aj}.

Это означает, что phi определяет множество цепочек {p1 p2... pk | pj???Zj, j=1,...,k}, причем цепочка p1 p2... pk представляет собой последовательность выписанных друг за другом цепочек p1, p2,..., pk. Таким образом, каждая правая часть уравнений системы (5.4) представляет собой объединение множеств цепочек.

Решением системы (5.4) является набор значений (языков) L1, L2,..., Ln переменных X1, X2,...,Xn, для которых все уравнения системы (5.4) превращаются в тождество.

Рассмотрим в качестве примера частный случай системы (5.4), состоящий из одного уравнения X= a X ? b X ? c с алфавитом A={a,b,c}. Решением этого уравнения является язык L={ phi c | phi???{a,b}*}.

Система (5.4) может иметь несколько решений. Так в рассмотренном примере помимо L решениями являются также L1=L ? {phi a | phi???{a,b}*} и L2=L ? {phi b | phi???{a,b}*}.

В соответствии с денотационной семантикой в качестве определяемого решения системы (5.4) принимается наименьшее.

Решение (L1,L2,...,Ln) системы (5.4) называется наименьшим, если для любого другого решения (L1',L2',...,Ln') выполняется L1 ??L1', L2 ??L2',..., Ln ??Ln'.

Так в рассмотренном примере наименьшим (а значит, определяемым денотационной семантикой) является решение L.

В качестве метода решения систем уравнений (5.3) и (5.4) можно использовать метод последовательных приближений. Сущность этого метода для системы (5.4) заключается в следующем. Обозначим правые части уравнений системы (5.4) операторами Ti(X1,X2,...,Xn). Тогда система (5.4) примет вид X1=T1(X1,X2,...,Xn), X2=T2(X1,X2,...,Xn),..........

Xn=Tn(X1,X2,...,Xn).

(5.5) В качестве начального приближения решения этой системы примем набор языков (L1[0],..., Ln[0]) = (?, ?,..., ? ). Каждое следующее приближение определяется по формуле:

(L1[i],...,Ln[i])= (T1(L1[i-1],..., Ln[i-1]),........

(Tn(L1[i-1],..., Ln[i-1])).

Так как операции объединения и сцепления множеств являются монотонными функциями относительно отношения порядка Н, то этот процесс сходится к решению (L1,...,Ln) системы (5.5), т.е.

(L1,...,Ln)= (T1(L1,...,Ln),..., Tn(L1,...,Ln)) и это решение является наименьшим. Это решение называют еще наименьшей неподвижной точкой системы операторов T1, T2,..., Tn.

В рассмотренном примере этот процесс дает следующую последовательность приближений:

L[0]= ?, L[1]= {c}, L[2]= {c,ac,bc}, L[3]= {c,ac,bc,aac,abc,bac,bbc},................

Этот процесс сходится к указанному выше наименьшему решению L.

5.5. Аксиоматическая семантика.

В аксиоматической семантике алгебраического подхода система (5.1) интерпретируется как набор аксиом в рамках некоторой формальной логической системы, в которой есть правила вывода и/или интерпретации определяемых объектов.

Для интерпретации системы (5.1) вводится понятие аксиоматического описания (S,E) - логически связанной пары понятий: S - сигнатура используемых в системе (5.1) символов функций f1,f2,...,fm и символов констант (нульместных функциональных символов) c1,c2,..., cl, а E - набор аксиом, представленный системой (5.1). Предполагается, что каждая переменная xi, i=1,...,k, и каждая константа ci, i=1,...,l, используемая в E, принадлежит к какому-либо из типов данных t1,t2,...,tr, а каждый символ fi, i=1,...,m, представляет функцию, типа ti1 * ti2 *... * tik -> ti0.

Такое аксиоматическое описание получит конкретную интерпретацию, если будут заданы конкретные типы данных ti=ti', i=1,...,r, и конкретные значения констант ci=ci', i=1,...,l. В таком случае говорят, что задана одна конкретная интерпретация A символов сигнатуры S, называемая алгебраической системой A=(t1',...,tr', f1',...,fm', c1',...,cl'), где fi', i=1,...,m, конкретная функция, представляющая символ fi.

Таким образом аксиоматическое описание (S,E) определяет класс алгебраических систем (частный случай: одну алгебраическую систему), удовлетворяющих системе аксиом E, т.е. превращающих равенства системы E в тождества после подстановки в них fi', i=1,...,m, и ci', i=1,...,l, вместо fi и ci соответственно.

В программировании в качестве алгебраической системы можно рассматривать, например, тип данных, при этом определяемые функции представляют операции, применимые к данным этого типа. Так К. Хоор построил аксиоматическое определение набора типов данных [5.4], которые потом Н. Вирт использовал при создании языка Паскаль.

В качестве примера рассмотрим систему равенств УДАЛИТЬ(ДОБАВИТЬ(m,d))=m, ВЕРХ(ДОБАВИТЬ(m,d))=d, УДАЛИТЬ(ПУСТ)=ПУСТ, ВЕРХ(ПУСТ)=ДНО, где УДАЛИТЬ, ДОБАВИТЬ, ВЕРХ - символы функций, а ПУСТ и ДНО - символы констант, образующие сигнатуру этой системы. Пусть D, D1 и М - некоторые типы данных, такие, что m???M, d???D, ПУСТ???M, ДНО???D1, а функциональные символы представляют функции следующих типов:

УДАЛИТЬ: M -> M, ДОБАВИТЬ: M * D -> M, ВЕРХ: M -> D1.

Данная сигнатура вместе с указанной системой равенств, рассматриваемой как набор аксиом, образует некоторое аксиоматическое описание.

С помощью этого аксиоматического описания определим абстрактный тип данных, называемый магазином, задав следующую интерпретацию символов ее сигнатуры: пусть D - множество значений, которые могут быть элементами магазина, D1=D | {ДНО}, а M - множество состояний магазина, M={d1,d2,...,dn | di???D, i=1,...,n, ni0}, ПУСТ={}, ДНО - особое значение (зависящее от реализации магазина), не принадлежащее D. Тогда указанный набор аксиом определяют свойства магазина.

С аксиоматической семантикой связана логика равенств (эквациональная логика), изучаемая в курсе "Математическая логика".

Эта логика содержит правила вывода из заданного набора аксиом других формул (равенств).

5.6. Языки спецификаций.

Как уже отмечалось, функциональная спецификация представляет собой математически точное, но, как правило, не формальное описание поведения ПС. Однако, формализованное представление функциональной спецификации имеет ряд достоинств, главным из которых является возможность применять некоторые виды автоматизированного контроля функциональной спецификации.

Под языком спецификаций понимается формальный язык, предназначенный для спецификации функций. В нем используется ряд средств, позволяющих фиксировать синтаксис и выражать семантику описываемых функций. Различие между языками программирования и языками спецификации может быть весьма условным: если язык спецификаций имеет реализацию на компьютере, позволяющую как-то выполнять представленные на нем спецификации (например, с помощью интерпретатора), то такой язык является и языком программирования, может быть, и не позволяющий создавать достаточно эффективные программы. Однако, для языка спецификаций важно не эффективность выполнения спецификации (программы) на компьютере, а ее выразительность. Язык спецификации, не являющийся языком программирования, может быть тем не менее полезен в процессе разработки ПС (для автоматизации контроля, тестирования и т.п.).

Язык спецификации может базироваться на каком-либо из рассмотренных нами методов описания семантики функций, а также поддерживать спецификацию функций для какой-либо конкретной предметной области.

Лекция 6.

АРХИТЕКТУРА ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА Понятие архитектуры и задачи ее описания. Основные классы архитектур программных средств. Взаимодействие между подсистемами и архитектурные функции. Контроль архитектуры программных средств.

6.1. Понятие архитектуры программного средства.

Архитектура ПС - это его строение как оно видно (или должно быть видно) из-вне его, т.е. представление ПС как системы, состоящей из некоторой совокупности взаимодействующих подсистем. В качестве таких подсистем выступают обычно отдельные программы. Разработка архитектуры является первым этапом борьбы со сложностью ПС, на котором реализуется принцип выделения относительно независимых компонент.

Основные задачи разработки архитектуры ПС:

выделение программных подсистем и отображение на них внешних функций (заданных во внешнем описании) ПС;

определение способов взаимодействия между выделенными программными подсистемами.

С учетом принимаемых на этом этапе решений производится дальнейшая конкретизация и функциональных спецификаций.

6.2. Основные классы архитектур программных средств.

Различают следующие основные классы архитектур программных средств [6.1]:

цельная программа;

комплекс автономно выполняемых программ;

слоистая программная система;

коллектив параллельно выполняемых программ.

Цельная программа представляет вырожденный случай архитектуры ПС: в состав ПС входит только одна программа. Такую архитектуру выбирают обычно в том случае, когда ПС должно выполнять одну какую либо ярко выраженную функцию и ее реализация не представляется слишком сложной. Естественно, что такая архитектура не требует какого-либо описания (кроме фиксации класса архитектуры), так как отображение внешних функций на эту программу тривиально, а определять способ взаимодействия не требуется (в силу отсутствия какого-либо внешнего взаимодействия программы, кроме как взаимодействия ее с пользователем, а последнее описывается в документации по применению ПС).

Комплекс автономно выполняемых программ состоит из набора программ, такого, что:

любая из этих программ может быть активизирована (запущена) пользователем;

при выполнении активизированной программы другие программы этого набора не могут быть активизированы до тех пор, пока не закончит выполнение активизированная программа;

все программы этого набора применятся к одной и той же информационной среде.

Таким образом, программы этого набора по управлению никак не взаимодействуют - взаимодействие между ними осуществляется только через общую информационную среду.

Слоистая программная система состоит из некоторой упорядоченной совокупности программных подсистем, называемых слоями, такой, что:

Прикладные программы 3: Управление входными и выходными потоками данных 2: Обеспечение связи с консолью оператора на каждом слое ничего не известно о свойствах (и даже 1: Управление памятью существовании) последующих (более высоких) слоев;

0: Диспетчеризация и синхронизация процессов каждый слой может взаимодействовать по управлению (обращаться к компонентам) с непосредственно предшествующим (более низким) слоем через заранее определенный интерфейс, ничего не зная о внутреннем строении всех предшествующих слоев;

каждый слой располагает определенными ресурсами, которые он либо скрывает от других слоев, либо предоставляет непосредственно последующему слою (через указанный интерфейс) некоторые их абстракции.

Таким образом, в слоистой программной системе каждый слой может реализовать некоторую абстракцию данных. Связи между слоями ограничены передачей значений параметров обращения каждого слоя к смежному снизу слою и выдачей результатов этого обращения от нижнего слоя верхнему. Недопустимо использование глобальных данных несколькими слоями.

В качестве примера рассмотрим использование такой архитектуры для построения операционной системы. Такую архитектуру применил Дейкстра при построении операционной системы THE [6.2]. Эта операционная система состоит из четырех слоев (см. рис. 6.1). На нулевом слое производится обработка всех прерываний и выделение центрального процессора программам (процессам) в пакетном режиме.

Только этот уровень осведомлен о мультипрограммных аспектах системы. На первом слое осуществляется управление страничной организацией памяти. Всем вышестоящим слоям предоставляется виртуальная непрерывная (не страничная) память. На втором слое осуществляется связь с консолью (пультом управления) оператора.

Только этот слой знает технические характеристики консоли. На третьем слое осуществляется буферизация входных и выходных потоков данных и реализуются так называемые абстрактные каналы ввода и вывода, так что прикладные программы не знают технических характеристик устройств ввода и вывода.

Компьютер Рис. 6.1. Архитектура операционной системы THE.

Коллектив параллельно действующих программ представляет собой набор программ, способных взаимодействовать между собой, находясь одновременно в стадии выполнения. Это означает, что такие программы, во-первых, вызваны в оперативную память, активизированы и могут попеременно разделять по времени один или несколько центральных процессоров, а во-вторых, осуществлять между собой динамические (в процессе выполнения) взаимодействия, на базе которых производиться их синхронизация. Обычно взаимодействие между такими процессами производится путем передачи друг другу некоторых сообщений.

Простейшей разновидностью такой архитектуры является конвейер, средства для организации которого имеются в операционной системе UNIX [6.3]. Конвейер представляет собой последовательность программ, в которой стандартный вывод каждой программы, кроме самой последней, связан со стандартным вводом следующей программы этой последовательности (см. рис. 6.2). Конвейер обрабатывает некоторый поток сообщений. Каждое сообщение этого потока поступает на ввод первой программе, которая обработав его передает переработанное сообщение следующей программе, а сама начинает обработку очередного сообщения потока. Таким же образом действует каждая программа конвейера: получив сообщение от предшествующей программы и обработав его, она передает переработанное сообщение следующей программе, а последняя программа конвейера выводит результат работы всего конвейера (результирующее сообщение). Таким образом, в конвейере, состоящим из n программ, может одновременно находиться в обработке до n сообщений. Конечно, в силу того, что разные программы конвейера могут затратить на обработку очередных сообщений разные отрезки времени, необходимо обеспечить каким-либо образом синхронизацию этих процессов (некоторые процессы могут находиться в стадии ожидания либо возможности передать переработанное сообщение, либо возможности получить очередное сообщение).

Рис. 6.2. Конвейер параллельно действующих программ.

В более общем случае коллектив параллельно действующих программ может быть организован в систему с портами сообщений.

Порт сообщений представляет собой программную подсистему, обслуживающую некоторую очередь сообщений: она может принимать на хранение от программы какое-либо сообщение, ставя его в очередь, и может выдавать очередное сообщение другой программе по ее требованию. Сообщение, переданное какой-либо программой некоторому порту, уже не будет принадлежать этой программе (и использовать ее ресурсы), но оно не будет принадлежать и никакой другой программе, пока в порядке очереди не будет передано какой либо программе по ее запросу. Таким образом, программа, передающая сообщение не будет находиться в стадии ожидания пока программа, принимающая это сообщение, не будет готова его обрабатывать (если только не будет переполнен принимающий порт).

Пример программной системы с портами сообщений приведен на рис.

6.3. Порт U может рассматриваться как порт вводных сообщений для представленного на этом рисунке коллектива параллельно действующих программ, а порт W - как порт выводных сообщений для этого коллектива программ.

Рис. 6.3. Пример программной системы с портами сообщений.

Программные системы с портами сообщений могут быть как жесткой конфигурации, так и гибкой конфигурации. В системах с портами жесткой конфигурации с каждой программой могут быть жестко связаны один или несколько входных портов. Для передачи сообщения такая программа должна явно указать адрес передачи: имя программы и имя ее входного порта. В этом случае при изменении конфигурации системы придется корректировать используемые программы: изменять адреса передач сообщений. В системах с портами гибкой конфигурации с каждой программой связаны как входные, так и выходные виртуальные порты. Перед запуском такой системы должна производиться ее предварительная настройка с помощью специальной программной компоненты, осуществляющая совмещение каждого выходного виртуального порта с каким-либо входным виртуальным портом на основании информации, задаваемой пользователем. Тем самым при изменении конфигурации системы в этом случае не требуется какой либо корректировки используемых программ - необходимые изменения должны быть отражены в информации для настройки. Однако в этом случае требуется иметь специальную программную компоненту, осуществляющую настройку системы.

6.3. Архитектурные функции.

Для обеспечения взаимодействия между подсистемами в ряде случаев не требуется создавать какие-либо дополнительные программные компоненты (помимо реализации внешних функций) - для этого может быть достаточно заранее фиксированных соглашений и стандартных возможностей базового программного обеспечения (операционной системы). Так в комплексе автономно выполняемых программ для обеспечения взаимодействия достаточно описания (спецификации) общей внешней информационной среды и возможностей операционной системы для запуска программ. В слоистой программной системе может оказаться достаточным спецификации выделенных программных слоев и обычный аппарат обращения к процедурам. В программном конвейере взаимодействие между программами также может обеспечивать операционная система (как это имеет место в операционной системе UNIX).

Однако в ряде случаев для обеспечения взаимодействия между программными подсистемами может потребоваться создание дополнительных программных компонент. Так для управления работой комплекса автономно выполняемых программ часто создают специализированный командный интерпретатор, более удобный в данной предметной области для подготовки требуемой внешней информационной среды и запуска требуемой программы, чем базовый командный интерпретатор используемой операционной системы. В слоистых программных системах может быть создан особый аппарат обращения к процедурам слоя (например, обеспечивающий параллельное выполнение этих процедур). В коллективе параллельно действующих программ для управления портами сообщений требуется специальная программная подсистема. Такие программные компоненты никаких внешних функций не выполняют - они реализуют функции, возникшие в результате разработки архитектуры программного средства.

В связи с этим такие функции мы будем называть архитектурными.

6.4. Контроль архитектуры программных средств.

Для контроля архитектуры ПС используется смежный контроль иручная имитация.

Смежный контроль архитектуры ПС сверху - это ее контроль разработчиками внешнего описания: разработчиками спецификации качества и разработчиками функциональной спецификации. Смежный контроль архитектуры ПС снизу - это ее контроль потенциальными разработчиками программных подсистем, входящих в состав ПС в соответствии с разработанной архитектурой.

Ручная имитация архитектуры ПС производится аналогично ручной имитации функциональной спецификации, только целью этого контроля является проверка взаимодействия между программными подсистемами.

Так же как и в случае ручной имитации функциональной спецификации ПС должны быть сначала подготовлены тесты. Затем группа разработчиков должна для каждого такого теста имитировать работу каждой программной подсистемы, входящей в состав ПС. При этом работу каждой подсистемы имитирует один какой-либо разработчик (не автор архитектуры), тщательно выполняя все взаимодействия этой подсистемы с другими подсистемами (точнее, с разработчиками, их имитирующими) в соответствии с разработанной архитектурой ПС. Тем самым обеспечивается имитационное функционирование ПС в целом в рамках проверяемой архитектуры.

Лекция 7.

РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ПРОГРАММЫ И МОДУЛЬНОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ Цель разработки структуры программы. Понятие программного модуля. Основные характеристики программного модуля. Методы разработки структуры программы. Спецификация программного модуля.

Контроль структуры программы.

7.1. Цель модульного программирования.

Приступая к разработке каждой программы ПС, следует иметь ввиду, что она, как правило, является большой системой, поэтому мы должны принять меры для ее упрощения. Для этого такую программу разрабатывают по частям, которые называются программными модулями [7.1, 7.2]. А сам такой метод разработки программ называют модульным программированием [7.3]. Программный модуль - это любой фрагмент описания процесса, оформляемый как самостоятельный программный продукт, пригодный для использования в описаниях процесса. Это означает, что каждый программный модуль программируется, компилируется и отлаживается отдельно от других модулей программы, и тем самым, физически разделен с другими модулями программы. Более того, каждый разработанный программный модуль может включаться в состав разных программ, если выполнены условия его использования, декларированные в документации по этому модулю. Таким образом, программный модуль может рассматриваться и как средство борьбы со сложностью программ, и как средство борьбы с дублированием в программировании (т.е. как средство накопления и многократного использования программистских знаний).

Модульное программирование является воплощением в процессе разработки программ обоих общих методов борьбы со сложностью (см.

лекцию 3, п. 3.5): и обеспечение независимости компонент системы, и использование иерархических структур. Для воплощения первого метода формулируются определенные требования, которым должен удовлетворять программный модуль, т.е. выявляются основные характеристики "хорошего" программного модуля. Для воплощения второго метода используют древовидные модульные структуры программ (включая деревья со сросшимися ветвями).

7.2. Основные характеристики программного модуля.

Не всякий программный модуль способствует упрощению программы [7.2]. Выделить хороший с этой точки зрения модуль является серьезной творческой задачей. Для оценки приемлемости выделенного модуля используются некоторые критерии. Так, Хольт [7.4] предложил следующие два общих таких критерия:

хороший модуль снаружи проще, чем внутри;

хороший модуль проще использовать, чем построить.

Майерс [7.5] предлагает использовать более конструктивные характеристики программного модуля для оценки его приемлемости:

размер модуля;

прочность модуля;

сцепление с другими модулями;

рутинность модуля (независимость от предыстории обращений к не-му).

Размер модуля измеряется числом содержащихся в нем операторов (строк). Модуль не должен быть слишком маленьким или слишком большим. Маленькие модули приводят к громоздкой модульной структуре программы и могут не окупать накладных расходов, связанных с их оформлением. Большие модули неудобны для изучения и изменений, они могут существенно увеличить суммарное время повторных трансляций программы при отладке программы. Обычно рекомендуются программные модули размером от нескольких десятков до нескольких сотен операторов.

Прочность модуля - это мера его внутренних связей. Чем выше прочность модуля, тем больше связей он может спрятать от внешнейпо отношению к нему части программы и, следовательно, тем больший вклад в упрощение программы он может внести. Для оценки степени прочности модуля Майерс [7.5] предлагает упорядоченный по степени прочности набор из семи классов модулей. Самой слабой степенью прочности обладает модуль, прочный по совпадению. Это такой модуль, между элементами которого нет осмысленных связей. Такой модуль может быть выделен, например, при обнаружении в разных местах программы повторения одной и той же последовательности операторов, которая и оформляется в отдельный модуль. Необходимость изменения этой последовательности в одном из контекстов может привести к изменению этого модуля, что может сделать его использование в других контекстах ошибочным. Такой класс программных модулей не рекомендуется для использования. Вообще говоря, предложенная Майерсом упорядоченность по степени прочности классов модулей не бесспорна. Однако, это не очень существенно, так как только два высших по прочности класса модулей рекомендуются для использования. Эти классы мы и рассмотрим подробнее.

Функционально прочный модуль - это модуль, выполняющий (реализующий) одну какую-либо определенную функцию. При реализации этой функции такой модуль может использовать и другие модули. Такой класс программных модулей рекомендуется для использования.

Информационно прочный модуль - это модуль, выполняющий (реализующий) несколько операций (функций) над одной и той же структурой данных (информационным объектом), которая считается неизвестной вне этого модуля. Для каждой из этих операций в таком модуле имеется свой вход со своей формой обращения к нему. Такой класс следует рассматривать как класс программных модулей с высшей степенью прочности. Информационно-прочный модуль может реализовывать, например, абстрактный тип данных.

В модульных языках программирования как минимум имеются средства для задания функционально прочных модулей (например, модуль типа FUNCTION в языке ФОРТРАН). Средства же для задания информационно прочных модулей в ранних языках программирования отсутствовали - они появились только в более поздних языках. Так в языке программирования Ада средством задания информационно прочного модуля является пакет [7.6].

Сцепление модуля - это мера его зависимости по данным от других модулей. Характеризуется способом передачи данных. Чем слабее сцепление модуля с другими модулями, тем сильнее его независимость от других модулей. Для оценки степени сцепления Майерс предлагает [7.5] упорядоченный набор из шести видов сцепления модулей. Худшим видом сцепления модулей является сцепление по содержимому. Таким является сцепление двух модулей, когда один из них имеет прямые ссылки на содержимое другого модуля (например, на константу, содержащуюся в другом модуле). Такое сцепление модулей недопустимо.

Не рекомендуется использовать также сцепление по общей области - это такое сцепление модулей, когда несколько модулей используют одну и ту же область памяти. Такой вид сцепления модулей реализуется, например, при программировании на языке ФОРТРАН с использованием блоков COMMON. Единственным видом сцепления модулей, который рекомендуется для использования современной технологией программирования, является параметрическое сцепление (сцепление по данным по Майерсу [7.5]) - это случай, когда данные передаются модулю либо при обращении к нему как значения его параметров, либо как результат его обращения к другому модулю для вычисления некоторой функции. Такой вид сцепления модулей реализуется на языках программирования при использовании обращений к процедурам (функциям).

Рутинность модуля - это его независимость от предыстории обращений к нему. Модуль будем называть рутинным, если результат (эффект) обращения к нему зависит только от значений его параметров (и не зависит от предыстории обращений к нему). Модуль будем называть зависящим от предыстории, если результат (эффект) обращения к нему зависит от внутреннего состояния этого модуля, храняшего следы предыдущих обращений к нему. Майерс [7.5] не рекомендует использовать зависящие от предыстории (непредсказуемые) модули, так как они провоцируют появление в программах хитрых (неуловимых) ошибок. Однако такая рекомендация является неконструктивной, так как во многих случаях именно зависящий от предыстории модуль является лучшей реализаций информационно прочного модуля. Поэтому более приемлема следующая (более осторожная) рекомендация:

всегда следует использовать рутинный модуль, если это не приводит к плохим (не рекомендуемым) сцеплениям модулей;

зависящие от предыстории модули следует использовать только в случае, когда это необходимо для обеспечения параметрического сцепления;

в спецификации зависящего от предыстории модуля должна быть четко сформулирована эта зависимость таким образом, чтобы было возможно прогнозировать поведение (эффект выполнения) данного модуля при разных последующих обращениях к нему.

В связи с последней рекомендацией может быть полезным определение внешнего представления (ориентированного на информирование человека) состояний зависящего от предыстории модуля. В этом случае эффект выполнения каждой функции (операции), реализуемой этим модулем, следует описывать в терминах этого внешнего представления, что существенно упростит прогнозирование поведения данного модуля.

7.3. Методы разработки структуры программы.

Как уже отмечалось выше, в качестве модульной структуры программы принято использовать древовидную структуру, включая деревья со сросшимися ветвями. В узлах такого дерева размещаются программные модули, а направленные дуги (стрелки) показывают статическую подчиненность модулей, т.е. каждая дуга показывает, что в тексте модуля, из которого она исходит, имеется ссылка на модуль, в который она входит. Другими словами, каждый модуль может обращаться к подчиненным ему модулям, т.е. выражается через эти модули. При этом модульная структура программы, в конечном счете, должна включать и совокупность спецификаций модулей, образующих эту программу. Спецификация программного модуля содержит, во первых, синтаксическую спецификацию его входов, позволяющую построить на используемом языке программирования синтаксически правильное обращение к нему (к любому его входу), и, во-вторых, функциональную спецификацию модуля (описание семантики функций, выполняемых этим модулем по каждому из его входов). Функциональная спецификация модуля строится так же, как и функциональная спецификация ПС.

В процессе разработки программы ее модульная структура может по разному формироваться и использоваться для определения порядка программирования и отладки модулей, указанных в этой структуре.

Поэтому можно говорить о разных методах разработки структуры программы. Обычно в литературе обсуждаются два метода [7.1, 7.7]:

метод восходящей разработки и метод нисходящей разработки.

Метод восходящей разработки заключается в следующем. Сначала строится модульная структура программы в виде дерева.

Затемпоочередно программируются модули программы, начиная с модулей самого нижнего уровня (листья дерева модульной структуры программы), в таком порядке, чтобы для каждого программируемого модуля были уже запрограммированы все модули, к которым он может обращаться. После того, как все модули программы запрограммированы, производится их поочередное тестирование и отладка в принципе в таком же (восходящем) порядке, в каком велось их программирование.

На первый взгляд такой порядок разработки программы кажется вполне естественным: каждый модуль при программировании выражается через уже запрограммированные непосредственно подчиненные модули, а при тестировании использует уже отлаженные модули. Однако, современная технология не рекомендует такой порядок разработки программы. Во первых, для программирования какого-либо модуля совсем не требуется текстов используемых им модулей - для этого достаточно, чтобы каждый используемый модуль был лишь специфицирован (в объеме, позволяющем построить правильное обращение к нему), а для тестирования его возможно (и даже, как мы покажем ниже, полезно) используемые модули заменять их имитаторами (заглушками). Во вторых, каждая программа в какой-то степени подчиняется некоторым внутренним для нее, но глобальным для ее модулей соображениям (принципам реализации, предположениям, структурам данных и т.п.), что определяет ее концептуальную целостность и формируется в процессе ее разработки. При восходящей разработке эта глобальная информация для модулей нижних уровней еще не ясна в полном объеме, поэтому очень часто приходится их перепрограммировать, когда при программировании других модулей производится существенное уточнение этой глобальной информации (например, изменяется глобальная структура данных). В-третьих, при восходящем тестировании для каждого модуля (кроме головного) приходится создавать ведущую программу (модуль), которая должна подготовить для тестируемого модуля необходимое состояние информационной среды и произвести требуемое обращение к нему. Это приводит к большому объему "отладочного" программирования и в то же время не дает никакой гарантии, что тестирование модулей производилось именно в тех условиях, в которых они будут выполняться в рабочей программе.

Метод нисходящей разработки заключается в следующем. Как и в предыдущем методе сначала строится модульная структура программы в виде дерева. Затем поочередно программируются модули программы, начиная с модуля самого верхнего уровня (головного), переходя к программированию какого-либо другого модуля только в том случае, если уже запрограммирован модуль, который к нему обращается. После того, как все модули программы запрограммированы, производится их поочередное тестирование и отладка в таком же (нисходящем) порядке.

При таком порядке разработки программы вся необходимая глобальная информация формируется своевременно, т.е. ликвидируется весьма неприятный источник просчетов при программировании модулей.

Существенно облегчается и тестирование модулей, производимое при нисходящем тестировании программы. Первым тестируется головной модуль программы, который представляет всю тестируемую программу и поэтому тестируется при "естественном" состоянии информационной среды, при котором начинает выполняться эта программа. При этом все модули, к которым может обращаться головной, заменяются на их имитаторы (так называемые заглушки [7.5]). Каждый имитатор модуля представляется весьма простым программным фрагментом, сигнализирующим, в основном, о самом факте обращения к имитируемому модулю с необходимой для правильной работы программы обработкой значений его входных параметров (иногда с их распечаткой) и с выдачей, если это необходимо, заранее запасенного подходящего результата. После завершения тестирования и отладки головного и любого последующего модуля производится переход к тестированию одного из модулей, которые в данный момент представлены имитаторами, если таковые имеются. Для этого имитатор выбранного для тестирования модуля заменяется на сам этот модуль и добавляются имитаторы тех модулей, к которым может обращаться выбранный для тестирования модуль. При этом каждый такой модуль будет тестироваться при "естественных" состояниях информационной среды, возникающих к моменту обращения к этому модулю при выполнении тестируемой программы. Таким образом большой объем "отладочного" программирования заменяется программированием достаточно простых имитаторов используемых в программе модулей. Кроме того, имитаторы удобно использовать для подыгрывания процессу подбора тестов путем задания нужных результатов, выдаваемых имитаторами.

Некоторым недостатком нисходящей разработки, приводящим к определенным затруднениям при ее применении, является необходимость абстрагироваться от базовых возможностей используемого языка программирования, выдумывая абстрактные операции, которые позже нужно будет реализовать с помощью выделенных в программе модулей. Однако способность к таким абстракциям представляется необходимым условием разработки больших программных средств, поэтому ее нужно развивать.

В рассмотренных методах восходящей и нисходящей разработок (которые мы будем называть классическими) модульная древовидная структуру программы должна разрабатываться до начала программирования модулей. Однако такой подход вызывает ряд возражений: представляется сомнительным, чтобы до программирования модулей можно было разработать структуру программы достаточно точно и содержательно. На самом деле это делать не обязательно: так при конструктивном и архитектурном подходах к разработке программ [7.3] модульная структура формируется в процессе программирования модулей.

Конструктивный подход к разработке программы представляет собой модификацию нисходящей разработки, при которой модульная древовидная структура программы формируется в процессе программирования модуля. Сначала программируется головной модуль, исходя из спецификации программы в целом, причем спецификация программы является одновременно и спецификацией ее головного модуля, так как последний полностью берет на себя ответственность за выполнение функций программы. В процессе программирования головного модуля, в случае, если эта программа достаточно большая, выделяются подзадачи (внутренние функции), в терминах которых программируется головной модуль. Это означает, что для каждой выделяемой подзадачи (функции) создается спецификация реализующего ее фрагмента программы, который в дальнейшем может быть представлен некоторым поддеревом модулей. Важно заметить, что здесь также ответственность за выполнение выделенной функции берет головной (может быть, и единственный) модуль этого поддерева, так что спецификация выделенной функции является одновременно и спецификацией головного модуля этого поддерева. В головном модуле программы для обращения к выделенной функции строится обращение к головному модулю указанного поддерева в соответствии с созданной его спецификацией. Таким образом, на первом шаге разработки программы (при программировании ее головного модуля) формируется верхняя начальная часть дерева, например, такая, которая показана на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Первый шаг формирования модульной структуры программы при конструктивном подходе.

Аналогичные действия производятся при программировании любого другого модуля, который выбирается из текущего состояния дерева программы из числа специфицированных, но пока еще не запрограммированных модулей. В результате этого производится очередное доформирование дерева программы, например, такое, которое показано на рис. 7.2.

Архитектурный подход к разработке программы представляет собой модификацию восходящей разработки, при которой модульная структура программы формируется в процессе программирования модуля. Но при этом ставится существенно другая цель разработки: повышение уровня используемого языка программирования, а не разработка конкретной программы. Это означает, что для заданной предметной области выделяются типичные функции, каждая из которых может использоваться при решении разных задач в этой области, и специфицируются, а затем и программируются отдельные программные модули, выполняющие эти функции. Так как процесс выделения таких функций связан с накоплением и обобщением опыта решения задач в заданной предметной области, то обычно сначала выделяются и реализуются отдельными модулями более простые функции, а затем постепенно появляются модули, использующие ранее выделенные функции. Такой набор модулей создается в расчете на то, что при разработке той или иной программы заданной предметной области в рамках конструктивного подхода могут оказаться приемлемыми некоторые из этих модулей. Это позволяет существенно сократить трудозатраты на разработку конкретной программы путем подключения к ней заранее заготовленных и проверенных на практике модульных структур нижнего уровня. Так как такие структуры могут многократно использоваться в разных конкретных программах, то архитектурный подход может рассматриваться как путь борьбы с дублированием в программировании. В связи с этим программные модули, создаваемые в рамках архитектурного подхода, обычно параметризуются для того, чтобы усилить применимость таких модулей путем настройки их на параметры.

Рис. 7.2. Второй шаг формирования модульной структуры программы при конструктивном подходе.

В классическом методе нисходящей разработки рекомендуется сначала все модули разрабатываемой программы запрограммировать, а уж затем начинать нисходящее их тестирование [7.5]. Однако такой порядок разработки не представляется достаточно обоснованным:

тестирование и отладка модулей может привести к изменению спецификации подчиненных модулей и даже к изменению самой модульной структуры программы, так что в этом случае программирование некоторых модулей может оказаться бесполезно проделанной работой. Нам представляется более рациональным другой порядок разработки программы, известный в литературе как метод нисходящей реализации. В этом методе каждый запрограммированный модуль начинают сразу же тестировать до перехода к программированию другого модуля.

Все эти методы имеют еще различные разновидности в зависимости от того, в какой последовательности обходятся узлы (модули) древовидной структуры программы в процессе ее разработки [7.1]. Это можно делать, например, по слоям (разрабатывая все модули одного уровня, прежде чем переходить к следующему уровню). При нисходящей разработке дерево можно обходить также в лексикографическом порядке (сверху-вниз, слева-направо). Возможны и другие варианты обхода дерева. Так, при конструктивной реализации для обхода дерева программы целесообразно следовать идеям Фуксмана, которые он использовал в предложенном им методе вертикального слоения [7.8].

Сущность такого обхода заключается в следующем. В рамках конструктивного подхода сначала реализуются только те модули, которые необходимы для самого простейшего варианта программы, которая может нормально выполняться только для весьма ограниченного множества наборов входных данных, но для таких данных эта задача будет решаться до конца. Вместо других модулей, на которые в такой программе имеются ссылки, в эту программу вставляются лишь их имитаторы, обеспечивающие, в основном, контроль за выходом за пределы этого частного случая. Затем к этой программе добавляются реализации некоторых других модулей (в частности, вместо некоторых из имеющихся имитаторов), обеспечивающих нормальное выполнение для некоторых других наборов входных данных. И этот процесс продолжается поэтапно до полной реализации требуемой программы.

Таким образом, обход дерева программы производится с целью кратчайшим путем реализовать тот или иной вариант (сначала самый простейший) нормально действующей программы. В связи с этим такая разновидность конструктивной реализации получила название метода целенаправленной конструктивной реализации. Достоинством этого метода является то, что уже на достаточно ранней стадии создается работающий вариант разрабатываемой программы. Психологически это играет роль допинга, резко повышающего эффективность разработчика.

Поэтому этот метод является весьма привлекательным.

Рис. 7.3. Классификация методов разработки структуры программ.

Подводя итог сказанному, на рис. 7.3 представлена общая схема классификации рассмотренных методов разработки структуры программы.

7.4. Контроль структуры программы.

Для контроля структуры программы можно использовать три метода [7.5]:

статический контроль, смежный контроль, сквозной контроль.

Статический контроль состоит в оценке структуры программы сточки зрения хорошо ли программа разбита на модули с учетом значений рассмотренных выше основных характеристик модуля.

Смежный контроль сверху - это контроль со стороны разработчиков архитектуры и внешнего описания ПС. Смежный контроль снизу - это контроль спецификации модулей со стороны разработчиков этих модулей.

Сквозной контроль - это мысленное прокручивание (проверка) структуры программы при выполнении заранее разработанных тестов.

Является видом динамического контроля так же, как и ручная имитация функциональной спецификации или архитектуры ПС.

Следует заметить, что характер осуществления этих методов контроля зависит от выбранного метода разработки структуры программы: при классическом подходе они применяются до начала программирования модулей, а при конструктивном и архитектурном подходах - в процессе программирования модулей (в подходящие моменты времени).

Лекция 8.

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО МОДУЛЯ Порядок разработки программного модуля. Структурное программирование и пошаговая детализация. Понятие о псевдокоде.

Контроль программного модуля.

8.1. Порядок разработки программного модуля.

При разработке программного модуля целесообразно придерживаться следующего порядка [8.1]:

изучение и проверка спецификации модуля, выбор языка программирования;

выбор алгоритма и структуры данных;

программирование модуля;

шлифовка текста модуля;

проверка модуля;

компиляция модуля.

Первый шаг разработки программного модуля в значительной степени представляет собой смежный контроль структуры программы снизу: изучая спецификацию модуля, разработчик должен убедиться, что она ему понятна и достаточна для разработки этого модуля. В завершении этого шага выбирается язык программирования: хотя язык программирования может быть уже предопределен для всего ПС, все же в ряде случаев (если система программирования это допускает) может быть выбран другой язык, более подходящий для реализации данного модуля (например, язык ассемблера).

На втором шаге разработки программного модуля необходимо выяснить, не известны ли уже какие-либо алгоритмы для решения поставленной и или близкой к ней задачи. И если найдется подходящий алгоритм, то целесообразно им воспользоваться. Выбор подходящих структур данных, которые будут использоваться при выполнении модулем своих функций, в значительной степени предопределяет логику и качественные показатели разрабатываемого модуля, поэтому его следует рассматривать как весьма ответственное решение.

На третьем шаге осуществляется построение текста модуля на выбранном языке программирования. Обилие всевозможных деталей, которые должны быть учтены при реализации функций, указанных в спецификации модуля, легко могут привести к созданию весьма запутанного текста, содержащего массу ошибок и неточностей. Искать ошибки в таком модуле и вносить в него требуемые изменения может оказаться весьма трудоемкой задачей. Поэтому весьма важно для построения текста модуля пользоваться технологически обоснованной и практически проверенной дисциплиной программирования. Впервые на это обратил внимание Дейкстра [8.2], сформулировав и обосновав основные принципы структурного программирования. На этих принципах базируются многие дисциплины программирования, широко применяемые на практике [8.3-8.6]. Наиболее распространенной является дисциплина пошаговой детализации [8.3], которая подробно обсуждается в разделах 8.2 и 8.3.

Следующий шаг разработки модуля связан с приведением текста модуля к завершенному виду в соответствии со спецификацией качества ПС. При программировании модуля разработчик основное внимание уделяет правильности реализации функций модуля, оставляя недоработанными комментарии и допуская некоторые нарушения требований к стилю программы. При шлифовке текста модуля он должен отредактировать имеющиеся в тексте комментарии и, возможно, включить в него дополнительные комментарии с целью обеспечить требуемые примитивы качества [8.1]. С этой же целью производится редактирование текста программы для выполнения стилистических требований.

Шаг проверки модуля представляет собой ручную проверку внутренней логики модуля до начала его отладки (использующей выполнение его на компьютере), реализует общий принцип, сформулированный для обсуждаемой технологии программирования, о необходимости контроля принимаемых решений на каждом этапе разработки ПС (см. лекцию 3). Методы проверки модуля обсуждаются разделе 8.4.

И, наконец, последний шаг разработки модуля означает завершение проверки модуля (с помощью компилятора) и переход к процессу отладки модуля.

8.2. Структурное программирование.

При программировании модуля следует иметь ввиду, что программа должна быть понятной не только компьютеру, но и человеку: и разработчик модуля, и лица, проверяющие модуль, и тестовики, готовящие тесты для отладки модуля, и сопроводители ПС, осуществляющие требуемые изменения модуля, вынуждены будут многократно разбирать логику работы модуля. В современных языках программирования достаточно средств, чтобы запутать эту логику сколь угодно сильно, тем самым, сделать модуль трудно понимаемым для человека и, как следствие этого, сделать его ненадежным или трудно сопровождаемым. Поэтому необходимо принимать меры для выбора подходящих языковых средств и следовать определенной дисциплине программирования. Впервые на это обратил внимание Дейкстра [8.2] и предложил строить программу как композицию из нескольких типов управляющих конструкций (структур), которые позволяют сильно повысить понимаемость логики работы программы. Программирование с использованием только таких конструкций назвали структурным.

Рис. 8.1. Основные управляющие конструкции структурного программирования.

Основными конструкциями структурного программирования являются: следование, разветвление и повторение (см. Рис. 8.1).

Компонентами этих конструкций являются обобщенные операторы (узлы обработки [8.5]) S, S1, S2 и условие (предикат) P. В качестве обобщенного оператора может быть либо простой оператор используемого языка программирования (операторы присваивания, ввода, вывода, обращения к процедуре), либо фрагмент программы, являющийся композицией основных управляющих конструкций структурного программирования. Существенно, что каждая из этих конструкций имеет по управлению только один вход и один выход. Тем самым, и обобщенный оператор имеет только один вход и один выход.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.