Постановка задачи и спецификация программы

Постановка задачи — это процесс формулировки назначения программного обеспечения и основных требований к нему. Описываются функциональные требования, определяющие функции, которые должно выполнять программное обеспечение, и эксплуатационные требования, определяющие характеристики его функционирования. Этан постановки задачи заканчивается разработкой технического задания с принятием основных проектных решений.

Техническое задание в соответствии со стандартом ГОСТ 19.201—78 «Техническое задание. Требования к содержанию и оформлению» имеет следующие основные разделы:

• • введение: наименование и краткая характеристика программного обеспечения;
• • основание для разработки;
• • назначение разработки: описание функционального и эксплуатационного назначения, спецификации функций;
• • требования к программному изделию: к функциональным характеристикам, к надежности, к техническим средствам;
• • требования к программной документации;
• • технологические требования.

Технологические требования определяют выбор следующих принципиальных решений, влияющих на процесс проектирования программного обеспечения:

• • архитектура программного обеспечения;
• • пользовательский интерфейс;
• • метод программирования;
• • язык программирования;
• • среда программирования.

Архитектурой программного обеспечения называют описание создаваемого программного обеспечения на уровне его компонентов и связей между ними.

Архитектура программной системы во многом зависит от предметной области, для которой разрабатывается система. Поэтому часто архитектуры систем, разрабатываемых для одной и той же предметной области, имеют много общего. Следовательно, при проектировании архитектуры новой системы можно воспользоваться решениями, удачно примененными в ранее разработанных системах.

Развитие данного подхода привело к появлению архитектурных шаблонов (паттернов), на основе которых может создаваться архитектура конкретной системы. Архитектурный паттерн представляет собой описание типовой организации программной системы, опробованной в различных условиях и продемонстрировавшей свою эффективность.

Распространенными являются следующие архитектурные паттерны:

• • модель-представление-контроллер {ModelView-Controller, MVC) применяется в системах, ориентированных на обслуживание клиентов;
• • паттерн хранилища данных применяется в системах, функционирование которых связано с обработкой большого объема данных (информационные системы, системы управления); архитектура таких систем должна содержат компоненты, генерирующие данные, и компоненты, их обрабатывающие;
• • паттерн «клиент-сервер» предусматривают распределение заданий между поставщиками и заказчиками услуг. Поставщики (серверы) предоставляют заказчикам (клиентам) определенный набор услуг (сервисов), доступ к которым осуществляется с помощью удаленного вызова соответствующих процедур;
• • паттерны потоков данных предполагают построение архитектуры системы из функциональных модулей, которые получают входные данные п преобразуют их в выходные. Преобразования могут осуществляться как последовательно, так и параллельно;
• • многоуровневая система представляет собой иерархическую систему, состоящую из нескольких уровней, каждый из которых выполняет определенные функции. Каждый уровень предоставляет услуги вышестоящему уровню и использует услуги нижестоящего уровня.

При процедурном программировании модель построения программы — иерархия множества подпрограмм, при объектно-ориентированном программировании — иерархия множества классов, совокупность обменивающихся сообщениями объектов классов. При этом простом виде архитектуры программа — это совокупность отдельно компилируемых программных единиц, используемая при решении задач.

Пакеты программ — это совокупность программ, решающих задачи некоторой прикладной области. Например, пакет математических программ, пакет графических программ.

Программные комплексы — это совокупность взаимосвязанных программ, совместно решающих небольшой класс задач некоторой прикладной области. Для решения задачи могут использоваться несколько программ комплекса, управляемые интерфейсом с пользователем, причем исходные данные и результаты желательно хранить в пределах одного проекта.

Программные системы — это совокупность подсистем программ, совместно решающих большой класс сложных задач некоторой прикладной области. Отличие от программных комплексов — взаимодействие программ системы через общие данные и наличие развитых пользовательских интерфейсов.

Пользовательский интерфейс представляет собой совокупность программных и аппаратных средств, обеспечивающих диалог пользователя и компьютера. Различают следующие типы пользовательских интерфейсов:

• • примитивные интерфейсы;
• • интерфейсы-меню;
• • интерфейсы со свободной навигацией;
• • интерфейсы прямого манипулирования.

К технологическим требованиям к программному обеспечению относятся:

• • выбор метода программирования: процедурный или объектно-ориентированный;
• • выбор языка программирования: C++, Java, Python и др.;
• • выбор среды программирования: Visual Studio фирмы Microsoft, Embarcadero RAD Studio (включающая Delphi и C++ Builder), Eclipse и др.

Спецификациями называют полное н точное описание функций и ограничений разрабатываемого программного обеспечения. Существуют функциональные спецификации, описывающие функции разрабатываемого программного обеспечения, и эксплуатационные спецификации, описывающие требования к техническим средствам. Требование полноты означает строгое соответствие техническому заданию, а требование точности — однозначное толкование спецификаций разработчиком и заказчиком.

Спецификации содержат:

• • декомпозицию и содержательную постановку задач;
• • эксплуатационные ограничения;
• • математические методы решения;
• • модели программного обеспечения.

Модели программного обеспечения зависят от технологии программирования (процедурная или объектно-ориентированная).

При процедурном программировании используются следующие модели разрабатываемого программного обеспечения:

• • функциональные диаграммы, отражающие взаимосвязи функций разрабатываемого программного обеспечения и ориентированные на иерархию функций, декомпозицию функций;
• • диаграммы потоков данных, описывающие взаимодействие источников и потребителей информации и позволяющие специфицировать как функции, так и данные;
• • диаграммы структур данных, описывающие базы данных разрабатываемого программного обеспечения;
• • диаграммы переходов состояний, описывающие поведение разрабатываемого программного обеспечения при получении управляющих данных извне (например, команды пользователя).

При объектно-ориентированном программировании модели разрабатываемого программного обеспечения основаны на предметах реального мира. На этапе определения спецификаций требуется разработать модель предметной области программного обеспечения на базе иерархии классов (типов, определенных пользователем), объектной декомпозиции. Разрабатываемое программное обеспечение представляется в виде совокупности объектов (экземпляров классов), в результате взаимодействия которых через передачу сообщений происходит выполнение требуемых функций.

В настоящее время стандартным средством описания разрабатываемого программного обеспечения с использованием объектноориентированного подхода является фактически графический язык UML {Unified Modeling Language, универсальный язык моделирования), разработанный авторами Г. Буч, Д. Рамбо и И. Якобсоном в 1995 г.

Язык UML описывает модель сложной системы в виде специальных графических конструкций (диаграмм).

Диаграмма представляет собой связный граф, вершины которого представляются в виде геометрических фигур, связанных между собой ребрами (дугами).

Все диаграммы используют единую графическую нотацию.

В диаграммах используется три типа графических элементов, имеющих различное назначение:

• • геометрические фигуры обозначают вершины графа. Их форма строго соответствует определенным элементам языка (класс, вариант использования, состояние, деятельность). Каждой вершине присваивается уникальное имя;
• • различные линии (ребра), соединяющие геометрические фигуры (вершины графа) обозначают связи и взаимодействия элементов;
• • специальные графические символы, располагаются около других элементов диаграммы и содержат дополнительную информацию. Дополнительный текст может размещаться также внутри контуров геометрических фигур.

Нотация языка UML определяет использование следующих основных видов диаграмм:

• • вариантов использования (прецедентов) — описывают основные функции системы;
• • классов — описывают классы, их характеристики (поля и операции) и связи между ними;
• • кооперации — показывают взаимодействие объектов в процессе реализации варианта использования;
• • пакетов — показывают связи наборов классов, объединенных в пакеты;
• • состояний — демонстрируют состояния объекта и переходы из одного состояния в другое;
• • деятельности — представляют собой схему потоков управления для решения некоторой задачи;
• • компонентов — описывают компоненты программного обеспечения и их связи между собой;
• • развертывания — позволяют связывать программные и аппаратные компоненты системы.

Каждая из этих диаграмм детализирует и конкретизирует различные представления о модели системы в терминах языка. Совокупность этих диаграмм содержит всю необходимую информацию для реализации проекта сложной программной системы. При создании моделей следует придерживаться следующих основных рекомендаций.

Любая модель должна содержать только те элементы, которые определены в нотации языка UML. Каждый элемент может быть использован только в соответствии с назначением и по правилам, определенным в языке.

Каждая диаграмма должна полностью описывать рассматриваемый фрагмент предметной области, на ней должны быть представлены все значимые элементы. Отсутствие каких-либо элементов может привести к серьезным ошибкам в моделировании.

Все элементы диаграммы должны принадлежать к одному уровню представления. При моделировании сложных систем часть используют иерархический подход, при котором диаграммы нижнего уровня уточняют и детализируют элементы диаграмм высших уровней.

Желательно информацию обо всех элементах диаграммы представлять в явном виде, не используя значения, заданные по умолчанию. Это ускорит и упростит процесс реализации модели.

Каждая модель конкретной программной системы может содержать все или только некоторые типы диаграмм.