Оглавление

1.Этапы разработки программного обеспечения. 1

2Сущность программного обеспечения. 12

3.Принятие решений. 20

4.Поддержка 32

5.DFD (Data Flow Diagrams) диаграммы потоков данных (ДПД). 42

6.ERD (Entity-Relationship Diagrams) диаграмма «сущность-связь» Метод Баркера. 51

7.Пример использования структурного подхода. 61

8.Введение в UML. 69

9.Лекция. 78

1. Этапы разработки программного обеспечения.

Чтобы понять сущность программной инженерии проведем ретроспективный анализ программного обеспечения, выделяя основные этапы развития программирования.

Первый этап – «стихийное» программирование. Этот этап охватывает период от момента появления первых вычислительных машин (1946 г.) до середины 60-х годов XX века.

В этот период практически отсутствовали сформулированные технологии, и программирование фактически было искусством. Первые программы имели простейшую структуру. Они состояли из собственно программы на машинном языке и обрабатываемых ею данных (рис. 1).

Рис. 1. Структура первых программ.

Сложность программ в машинных кодах ограничивалась способностью программиста одновременно мысленно отслеживать последовательность выполняемых операций и местонахождение данных при программировании.

Создание языков программирования высокого уровня, таких, как FORTRAN и ALGOL, существенно упростило программирование вычислений, снизив уровень детализации операций. Это, в свою очередь, позволило увеличить сложность программ. Революционным было появление в языках средств, позволяющих оперировать подпрограммами.

Типичная программа того времени состояла из основной программы, области глобальных данных и набора подпрограмм, выполняющих обработку всех данных или их части (рис. 2).

Рис. 2. Архитектура программы с глобальной областью данных.

Слабым местом такой архитектуры было то, что при увеличении количества подпрограмм возрастала вероятность искажения части глобальных данных какой-либо подпрограммой.

Чтобы сократить количество таких ошибок, было предложено в подпрограммах размещать локальные данные (рис. 3).

Рис. 3. Архитектура программы, использующая подпрограммы с локальными данными.

Сложность разрабатываемого программного обеспечения при использовании подпрограмм с локальными данными по-прежнему ограничивалась возможностью программиста отслеживать процессы обработки данных, но уже на новом уровне. Однако появление средств поддержки подпрограмм позволило осуществлять разработку программного обеспечения нескольким программистам параллельно.

В начале 60-х годов XX в. разразился «кризис программирования».

Проект устаревал раньше, чем был готов к внедрению, увеличивалась его стоимость, и в результате многие проекты так никогда и не были завершены.

Причины: Прежде всего, стихийно использовалась разработка «снизу-вверх» - подход, при котором вначале проектировали и реализовывали сравнительно простые подпрограммы, из которых затем пытались построить сложную программу. И соответственно, при сборке программного продукта выявлялось большое количество ошибок согласования. В конечном итоге процесс тестирования и отладки программ занимал более 80 % времени разработки, если вообще когда-нибудь заканчивался.

Анализ причин возникновения большинства ошибок позволил сформулировать новый подход к программированию, который был назван «структурным».

Второй этап - структурный подход к программированию (60-70-е год). В основе структурного подхода лежит декомпозиция (разбиение на части) сложных систем с целью последующей реализации в виде отдельных небольших (до 40 - 50 операторов) подпрограмм.

Структурный подход требовал представления задачи в виде иерархии подзадач простейшей структуры. Проектирование, таким образом, осуществлялось «сверху-вниз» и подразумевало реализацию общей идеи, обеспечивая проработку интерфейсов подпрограмм.

Поддержка принципов структурного программирования была заложена в основу так называемых процедурных языков программирования. Среди наиболее известных языков этой группы стоит назвать ALGOL-68, Pascal, С.

Дальнейший рост сложности и размеров разрабатываемого программного обеспечения потребовал развития структурирования данных. Как следствие этого в языках появляется возможность определения пользовательских типов данных. Одновременно усилилось стремление разграничить доступ к глобальным данным программы, чтобы уменьшить количество ошибок, возникающих при работе с глобальными данными. В результате появилась и начала развиваться технология модульного программирования.

Модульное программирование предполагает выделение групп подпрограмм, использующих одни и те же глобальные данные в отдельно компилируемые модули (библиотеки подпрограмм), например, модуль графических ресурсов, модуль подпрограмм вывода на принтер (рис.4).

Рис.4. Архитектура программы состоящей из модулей.

Связи между модулями при использовании данной технологии осуществляются через специальный интерфейс, в то время как доступ к реализации модуля (телам подпрограмм и некоторым «внутренним» переменным) запрещен. Эту технологию поддерживают современные версии языков Pascal и С (C++) и т.д.

Использование модульного программирования существенно упростило разработку программного обеспечения несколькими программистами. Теперь каждый из них мог разрабатывать свои модули независимо, обеспечивая взаимодействие модулей через специально оговоренные межмодульные интерфейсы. Кроме того, модули в дальнейшем без изменений можно было использовать в других разработках, что повысило производительность труда программистов.

Узким местом модульного программирования является то, что ошибка в интерфейсе при вызове подпрограммы выявляется только при выполнении программы (из-за раздельной компиляции модулей обнаружить эти ошибки раньше невозможно). При увеличении размера программы обычно возрастает сложность межмодульных интерфейсов, и с некоторого момента предусмотреть взаимовлияние отдельных частей программы становится практически невозможно. Для разработки программного обеспечения большого объема было предложено использовать объектный подход.

Третий этап - объектный подход к программированию (с середины 80-х до конца 90-х годов XX в.). Объектно-ориентированное программирование (ООП) определяется как технология создания сложного программного обеспечения, основанная на представлении программы в виде совокупности объектов, каждый из которых является экземпляром определенного типа (класса), а классы образуют иерархию с наследованием свойств.

В центре ООП находится понятие объекта. Объект – это сущность, которой можно посылать сообщения и которая может на них реагировать, используя свои данные (рис. 5).

Рис.5. Архитектура программы при объектно-ориентированном программировании.

Сообщение – это практически тоже, что и вызов функций в обычном программировании. Понятие «сообщение» в ООП можно объяснить со следующей точки зрения: мы не можем напрямую изменить состояние объекта и должны как бы послать сообщение объекту, что мы хотим так и так изменить его состояние. Объект сам меняет свое состояние, а мы только его просим об этом посылая сообщения.

Объект – это экземпляр класса. Обычно классы разрабатывают таким образом, чтобы их объекты соответствовали объектам предметной области

Класс - описание множества таких объектов и выполняемых над ними действий.

Приведу примерную структуру класса. Она не привязанная к какому-либо языку ООП.

Class имя_класса [ от кого унаследован]

{

private:

. . . . . . .

public:

. . . . . . .

protected:

. . . . . . .

}

Private (частный, закрытый, внутренний член класса) – обращения к члену допускаются только из методов того класса, в котором этот член определён. Любые наследники класса уже не смогут получить доступ к этому члену.

Public (публичный, открытый член класса) – обращения к члену допускаются из любого кода.

Protected (защищённый, внутренний член иерархии классов) – обращения к члену допускаются из методов того класса, в котором этот член определён, а также из любых методов его классов-наследников.

Основным достоинством ОПП по сравнению с модульным программированием является «более естественная» декомпозиция программного обеспечения, которая существенно облегчает его разработку. Это приводит к более полной локализации данных, что позволяет вести практически независимую разработку отдельных частей (объектов) программы.

Кроме этого, объектный подход предлагает новые способы организации программ:

Наследование – это свойство системы, позволяющее описать новый класс на основе уже существующего с частично или полностью заимствующейся функциональностью.

Инкапсуляция – это свойство системы, позволяющее объединить данные и методы, работающие с ними в классе, и скрыть детали реализации от пользователя.

Полиморфизм – это свойство системы использовать объекты с одинаковым интерфейсом без информации о типе и внутренней структуре объекта.

Эти механизмы позволяют конструировать сложные объекты из сравнительно простых. В результате существенно увеличивается показатель повторного использования кодов и появляется возможность создания библиотек классов для различных применений.

Четвертый этап - компонентный подход и CASE-технологии (с середины 90-х годов XX в.до нашего времени).

Компонентный подход предполагает построение программного обеспечения из отдельных компонентов физически отдельно существующих частей программного обеспечения, которые взаимодействуют между собой через стандартизованные интерфейсы. В отличие от обычных объектов объекты-компоненты можно собрать в динамически вызываемые библиотеки или исполняемые файлы, распространять в двоичном виде (без исходных текстов) и использовать в любом языке программирования, поддерживающем соответствующую технологию.

Компонентный подход лежит в основе технологий, разработанных на базе COM [ком] (Component Object Model - компонентная модель объектов), и технологии создания распределенных приложений CORBA [ко́рба] (Common Object Request Broker Architecture - общая архитектура с посредником обработки запросов объектов). Эти технологии используют сходные принципы и различаются лишь особенностями их реализации.

Технология СОМ определяет общую парадигму взаимодействия программ любых типов: библиотек, приложений, операционной системы, т. е. позволяет одной части программного обеспечения использовать функции (службы), предоставляемые другой, независимо от того, функционируют ли эти части в пределах одного процесса, в разных процессах на одном компьютере или на разных компьютерах (рис. 6).

Рис.6. Взаимодействие программных компонентов различных типов

По технологии СОМ приложение предоставляет свои службы, используя специальные объекты - объекты СОМ, которые являются экземплярами классов СОМ. Объект СОМ так же, как обычный объект включает поля и методы, но в отличие от обычных объектов каждый объект СОМ может реализовывать несколько интерфейсов, обеспечивающих доступ к его полям и функциям. Это достигается за счет организации отдельной таблицы адресов методов для каждого интерфейса. При этом интерфейс обычно объединяет несколько однотипных функций. Кроме того, классы СОМ поддерживают наследование интерфейсов, но не поддерживают наследования реализации, т. е. не наследуют код методов, хотя при необходимости объект класса-потомка может вызвать метод родителя.

Технология CORBA, реализует подход, аналогичный СОМ, на базе объектов и интерфейсов CORBA. Программное ядро CORBA реализовано для всех основных аппаратных и программных платформ и потому эту технологию можно использовать для создания распределенного программного обеспечения в гетерогенной (разнородной) вычислительной среде. Организация взаимодействия между объектами клиента и сервера в CORBA осуществляется с помощью специального посредника, названного Broker, и другого специализированного программного обеспечения.

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

CASE (англ. Computer-Aided Software Engineering) – набор инструментов и методов программной инженерии для проектирования программного обеспечения, который помогает обеспечить высокое качество программ, отсутствие ошибок и простоту в обслуживании программных продуктов. Также под CASE понимают совокупность методов и средств проектирования информационных систем с использованием CASE-инструментов.

Основной целью CASE-технологии является разграничение процесса проектирования программных продуктов от процесса кодирования и последующих этапов разработки, максимально автоматизировать процесс разработки. Для выполнения поставленной цели CASE-технологии используют два принципиально разных подхода к проектированию: структурный и объектно-ориентированный.

Сущность структурного подхода к разработке информационных систем (ИС) заключается в ее декомпозиции (разбиении) на автоматизируемые функции: система разбивается на функциональные подсистемы, которые в свою очередь делятся на подфункции, подразделяемые на задачи и так далее. Процесс разбиения продолжается вплоть до конкретных процедур. При этом автоматизируемая система сохраняет целостное представление, в котором все составляющие компоненты взаимоувязаны. При разработке системы "снизу-вверх" от отдельных задач ко всей системе целостность теряется, возникают проблемы при информационной стыковке отдельных компонентов.

Все наиболее распространенные методологии структурного подхода базируются на ряде общих принципов:

• принцип «разделяй и властвуй» - принцип решения сложных проблем путем их разбиения на множество меньших независимых задач, легких для понимания и решения;

• принцип иерархического упорядочивания - принцип организации составных частей проблемы в иерархические древовидные структуры с добавлением новых деталей на каждом уровне.

• принцип абстрагирования - заключается в выделении существенных аспектов системы и отвлечения от несущественных;

• принцип формализации - заключается в необходимости строгого методического подхода к решению проблемы;

• принцип непротиворечивости - заключается в обоснованности и согласованности элементов;

• принцип структурирования данных - заключается в том, что данные должны быть структурированы и иерархически организованы.

В структурном анализе используются в основном две группы средств:

• иллюстрирующие функции, выполняемые системой;

• отношения между данными.

Каждой группе средств соответствуют определенные виды моделей (диаграмм), наиболее распространенными среди которых являются следующие:

• SADT (Structured Analysis and Design Technique) модели и соответствующие функциональные диаграммы;

• DFD (Data Flow Diagrams) диаграммы потоков данных;

• ERD (Entity-Relationship Diagrams) диаграммы «сущность-связь».

Объектный подход определен языком UML - Unified Modeling Language. Правильный перевод этого названия на русский язык — унифицированный язык моделирования. Таким образом, обсуждаемый предмет характеризуется тремя словами, каждое из которых является точным термином.

1. UML — это язык

Главным словом в этом сочетании является слово «язык».

Язык — это знаковая система для хранения и передачи информации.

UML можно охарактеризовать как формальный искусственный язык, хотя и не в такой степени, как многие распространенные языки программирования. Признаком искусственности служит наличие трех общепризнанных авторов — Гради Буча, Ивара Якобсона и Джеймса Рамбо.

Для описания формальных искусственных языков (в частности, для описания языков программирования) придумано и используется множество различных способов. Однако на практике сложилась общепринятая структура таких описаний. Считается, что формальный искусственный язык описан должным образом, если это описание содержит, по меньшей мере, следующие части.

• Синтаксис (syntax), то есть определение правил составления конструкций языка.

• Семантика (semantics), то есть определение правил приписывания смысла конструкциям языка.

• Прагматика (pragmatics), то есть определение правил использования конструкций языка для достижения определенных целей.

Как формальный искусственный язык UML имеет синтаксис, семантику и прагматику, хотя эти части названы в некоторых случаях иначе и описаны по другому, нежели это принято в текстовых языках программирования, поскольку, во-первых, UML язык графический, а не текстовый, а во-вторых, UML язык моделирования, а не программирования.

2. UML — это язык моделирования

Слово «моделирование», входящее в название UML, имеет множество смысловых оттенков и сложившихся способов употребления. В отношении разработки программного обеспечения так сложилось, что результаты фаз анализа и проектирования, оформленные средствами определенного языка, принято называть моделью. Деятельность по составлению моделей естественно назвать моделированием. Именно в этом смысле UML является языком моделирования.

Таким образом, модель UML — это, прежде всего, описание объекта или явления, а также и кое-что другое, а именно все, что авторам UML удалось включить в язык, не нарушая принципа унификации.

3. UML — это унифицированный язык моделирования

Третье слово в названии UML – слово «унифицированный» (приведение к единообразной системе или форме). В литературе можно встретить описание эры «до UML» как «войны методов» моделирования, ни один из которых «не дотягивал» до уровня индустриального стандарта. UML как раз и стал таким единым универсальным стандартом для объектно-ориентированного моделирования, которое во времена его создания как раз "вошло в моду". Таким образом, приложив заслуживающие уважения усилия, авторы UML при поддержке и содействии всей международной программистской общественности смогли свести воедино (унифицировать) большую часть того, что было известно и до них.