Методы программной инженерии

Компоненты методов

Методы программной инженерии — это структурные решения, предназначенные для разработки программного обеспечения и включающие системные модели, формализованные нотации и правила проектирования, а также способы управления процессом разработки.

В качестве основы для реализации методов программной инженерии используются средства автоматизированной разработки программного обеспечения — CASE-средства (Computer Aided Software Engineering).

Совокупность методов, применяемых в жизненном цикле разработки программного обеспечения и объединенных одним общим философским подходом, представляет собой методологию разработки.

Методы разработки чрезвычайно важны для преодоления сложности программирования системы, так как они упорядочивают процесс создания сложных систем, и как общие средства доступны для всей команды разработчиков. Кроме того, метод — это последовательный процесс создания моделей, который описывает определенным образом различные стороны разрабатываемой программной системы. Их применение позволяет менеджерам в процессе разработки оценить степень продвижения и риск.

Различают следующие методы программной инженерии:

• методы прототипирования, базирующиеся на различных формах прототипов;

• • формальные методы, обоснованные математически;
• • эвристические методы, касающиеся неформализованных

подходов (структурные, ориентированные на данные, объектно-ориентированные).

Методы прототипирования используются для получения прототипов — промежуточных версий программной системы. Прототипы создаются в некоторых процессах разработки для демонсграции концепций, заложенных в системе, проверки вариантов требований, а также выявления проблем, которые могут возникнуть как в ходе разработки, так и при эксплуатации системы.

Термин «формальные методы» подразумевает ряд операций, в состав которых входят создание формальной спецификации системы, анализ и доказательство спецификации, реализация системы на основе преобразования формальной спецификации в программы и верификация программ. В формальном языке системной спецификации заложены математические концепции. При этом используется область дискретной математики, основанной на алгебре, теории множеств и алгебре логики.

В 1980;х годах многие исследователи считали, что формальные спецификации и формальные методы являются наиболее эффективным путем улучшения качества программного обеспечения. Они привели веские доводы в пользу того, что строгий и детальный анализ, который является неотъемлемой частью формальных методов, приведет к созданию программ с малым количеством ошибок. Эксперты предсказывали, что к XXI столетию большую часть программного обеспечения будут разрабатывать с использованием формальных методов.

Однако программная инженерия пошла другим путем. Прошло более 35 лет с начала исследований по использованию математических методов в процессе создания программного обеспечения. Так называемые формальные методы разработки программных систем не получили широкого признания, несмотря на то, что при их использовании может быть достигнуто повышение качества программ путем доказательства их правильности. Многие компании, разрабатывающие программное обеспечение, не считают экономически выгодным применение этих методов в процессе разработки.

Развитие структурных методов, методов управления конфигурацией и так далее позволило повысить качество’программ при более низких затратах по сравнению со стоимостью разработки формализованными методами. Кроме того, с формальной спецификацией плохо согласуются методы быстрой разработки программного обеспечения. Это вступает в противоречие с тем, что в настоящее время главным критерием программной индустрии для некоторых классов систем является не качество, а время поставки их на рынок.

Формальные математические спецификации не содержат деталей реализации системы, но должны представлять ее полную математическую модель. Существует два основных подхода к разработке формальной спецификации:

• • алгебраический подход, при котором система описывается в терминах операций и их отношений;
• • подход, ориентированный на моделирование, при котором модель системы строят с использованием математических конструкций, таких, как множества и последовательности, а системные операции определяются тем, как они изменяют состояние системы.

Формальные методы оказались рентабельны в ограниченной области применения: это разработка критических систем, где важны такие свойства, как безопасность, безотказность и защищенность. Примерами критических систем, при разработке которых успешно применялись формальные методы, являются информационные системы управления воздушным транспортом, системы сигнализации на железной дороге, бортовые системы космических кораблей и медицинские системы управления.

В 1960;70-е годы было разработано много эвристических методов, помогающих справиться с растущей сложностью программ. Общей стратегией борьбы со сложностью программирования системы стала ее декомпозиция, т. е. разделение на мелкие составные части. Разработчики перестали ограничиваться единственным атрибутом качества программ — корректным функционированием, и перешли к структурированию.

На основе анализа потоков данных, диаграмм отношений «сущность-связь», информационной закрытости и ряда других принципов и методик сформировались новые проектные методологии. Наибольшее распространение получило структурное проектирование по методу «сверху вниз». Метод был непосредственно основан на топологии традиционных языков высокого уровня типа FORTRAN или COBOL.

В этих языках основной базовой единицей является подпрограмма, и программа в целом принимает форму дерева, в котором одни подпрограммы в процессе работы вызывают другие подпрограммы. Структурное проектирование использует именно такой подход: алгоритмическая декомпозиция применяется для разбиения большой задачи на более мелкие.

В большинстве появившихся впоследствии методов, предлагающих множество формализованных нотаций и нормативных руководств для проектирования программного обеспечения, были устранены очевидные недостатки структурного проектирования.

Эвристические методы разработки программного обеспечения делятся на три основные группы [10]:

• • метод структурного анализа и проектирования;
• • метод потоков данных Джексона (JSD — Jackson System

Development);

• объектно-ориентированные методы.

Структурный подход основан на алгоритмической декомпозиции. В методе потоков данных программная система рассматривается как преобразователь входных потоков в выходные. В основе объектно-ориентированного проектирования (ООП) лежит представление о том, что программную систему необходимо проектировать как совокупность взаимодействующих друг с другом объектов, рассматривая каждый объект как экземпляр определенного класса, причем классы образуют иерархию.

Все упомянутые методы основаны на идее создания моделей системы, которые можно представить графически, и на использовании этих моделей в качестве спецификации системы или ее структуры. Методы программной инженерии обычно включают в себя компоненты, совокупность которых обеспечивает взаимосвязанные процедуры моделирования создаваемых систем (табл. 1.1).