5. Чем не является uml

Не следует думать, что UML — это панацея от всех детских болезней программирования. Для ясного понимания назначения и области применения UML полезно сопоставить UML с другими родственными явлениями.

Во-первых, UML не является языком программирования. Дело не в том, что UML язык графический, а подавляющее большинство практических языков программирования являются текстовыми языками. Гораздо важнее то, что для моделей UML не определена операционная семантика, то есть, не определен способ выполнения моделей на компьютере.

Во-вторых, UML не является спецификацией инструмента. Сам язык никоим образом не навязывает то, как его нужно поддерживать инструментальными средствами. Решение всех вопросов, связанных с реализацией UML на компьютере полностью отдано на откуп разработчикам инструментов.

В-третьих, UML не является моделью процесса разработки приложений (хотя модель процесса разработки необходима и имеется множество различных моделей, предложенных разными авторами).

6. Диаграммы. В UML используются следующие виды диаграмм:

Структурные диаграммы: Диаграмма объектов, Диаграмма пакетов, Диаграмма профилей (UML2.2)

Диаграммы поведения: Диаграмма деятельности, Диаграмма состояний, Диаграмма вариантов использования

Диаграммы взаимодействия: Диаграмма коммуникации (UML2.0) / Диаграмма кооперации (UML1.x), Диаграмма обзора взаимодействия (UML2.0), Диаграмма последовательности, Диаграмма синхронизации (UML2.0).

2. Сущность программного обеспечения.

Рассмотрев ретроспективный анализ программного обеспечения. Дадим определение понятию «Программное обеспечение».

Будем понимать под программным обеспечением (ПО) множество развивающихся во времени логических предписаний, с помощью которых некоторый коллектив людей управляет и использует многопроцессорную и распределенную систему вычислительных устройств.

Это определение, данное Харальдом Милсом, известным специалистом в области программной инженерии из компании IBM, заключает в себе следующее:

• Логические предписания – это не только сами программы, но и различная документация (например, по эксплуатации программ) и шире – определенная система отношений между людьми, использующими эти программы в рамках некоторого процесса деятельности.

• Современное ПО предназначено, как правило, для одновременной работы со многими пользователями, которые могут быть значительно удалены друг от друга в физическом пространстве. Таким образом, вычислительная среда (персональные компьютеры, сервера и т.д.), в которой ПО функционирует, оказывается распределенной.

• Задачи решаемые современным ПО, часто требуют различных вычислительных ресурсов в силу различной специализации этих задач, из-за большого объема выполняемой работы, а также из соображений безопасности. Например, появляется сервер базы данных, сервер приложений и пр. Таким образом, вычислительная среда, в которой ПО функционирует, оказывается многопроцессорной.

• ПО развивается во времени – исправляются ошибки, добавляются новые функции, выпускаются новые версии, меняется его аппаратная база.

Таким образом, ПО является сложной динамической системой, включающей в себя технические, психологические и социальные аспекты. ПО заметно отличается от других видов систем, создаваемых (созданных) человеком – механических, социальных, научных и пр., и имеет следующие особенности:

Сложность программных объектов, которая существенно зависит от их размеров – большее количество пользователей, больший объем обрабатываемых данных, более жесткие требования по быстродействию и пр. Классическая наука строила простые модели сложных явлений, и это удавалось, так как сложность не была характеристической чертой рассматриваемых явлений.

Немного отвлечемся. Сравнение программирования именно с наукой, а не с театром, кинематографом, спортом и другими областями человеческой деятельности, оправдано, поскольку оно возникло, главным образом, из математики, а первые его плоды – программы – предназначались для использования при научных расчетах. Кроме того, большинство программистов имеют естественнонаучное, математическое или техническое образование. Таким образом, парадигмы научного мышления широко используются при программировании – явно или неявно.

Согласованность – ПО основывается не на объективных посылках (подобно тому, как различные системы в классической науке основываются на постулатах и аксиомах), а должно быть согласовано с большим количеством интерфейсов, с которыми впоследствии оно должно взаимодействовать. Эти интерфейсы плохо поддаются стандартизации, поскольку основываются на многочисленных и плохо формализуемых человеческих соглашениях.

Изменяемость – ПО легко изменить и, как следствие, требования к нему постоянно меняются в процессе разработки. Это создает много дополнительных трудностей при его разработке и эволюции.

Нематериальность – ПО невозможно увидеть, оно виртуально. Поэтому, например, трудно воспользоваться технологиями, основанными на предварительном создании чертежей, успешно используемыми в других промышленных областях (например, в строительстве, машиностроении). Там на чертежах в схематичном виде воспроизводятся геометрические формы создаваемых объектов. Когда объект создан, эти формы можно увидеть. А на чем мы основываемся, когда изображаем ПО?

Таким образом, центральным объектом создания ПО является процесс – множество различных видов деятельности, методов, методик и шагов, используемых для разработки и эволюции ПО и связанных с ним продуктов (проектных планов, документации, программного кода, тестов, пользовательской документации и пр.). Здесь можно говорить о жизненном цикле ПО.

Процесс жизненного цикла ПО не является однородным и определяется как совокупность взаимосвязанных видов деятельности, преобразующих некоторые входные данные в выходные.

Идея модели процесса жизненного цикла ПО является одной из самых ранних в программной инженерии, когда считалось, что удачная модель – самое главное, что способствует успеху разработки. Существует несколько классических моделей процесса, которые полезны на практике.

Каскадная модель. Первоначально (1970-1985 годы) была предложена и использовалась каскадная схема разработки ПО (рис.1.), которая предполагала, что переход на следующую стадию осуществляется после того, как полностью будут завершены проектные операции предыдущей стадии и получены все исходные данные для следующей стадии.

Рис. 1. Каскадная схема разработки программного обеспечения

Достоинствами такой схемы являются:

• получение в конце каждой стадии законченного набора проектной документации, отвечающего требованиям полноты и согласованности;

• простота планирования процесса разработки.

Однако данная схема оказалась применимой только к созданию систем, для которых в самом начале разработки удавалось точно и полно сформулировать все требования. Это уменьшало вероятность возникновения в процессе разработки проблем, связанных с принятием неудачного решения на предыдущих стадиях.

Раскроем этапы (фазы) каскадной модели

Постановка задачи – четко формулируют назначение ПО и определяют основные требования к нему. Каждое требование представляет собой описание необходимого или желаемого свойства программного обеспечения.

Различают функциональные требования, определяющие функции, которые должно выполнять разрабатываемое программное обеспечение, и эксплуатационные требования, определяющие особенности его функционирования.

Анализ требований и определение спецификаций. Спецификациями называют точное формализованное описание функций и ограничений разрабатываемого программного обеспечения. Соответственно различают функциональные и эксплуатационные спецификации. Совокупность спецификаций представляет собой общую логическую модель проектируемого программного обеспечения.

Для получения спецификаций выполняют анализ требований технического задания, формулируют содержательную постановку задачи, выбирают математический аппарат формализации, строят модель предметной области, определяют подзадачи и выбирают или разрабатывают методы их решения.

Проектирование. Основной задачей этого этапа является определение подробных спецификаций разрабатываемого программного обеспечения. Процесс проектирования сложного программного обеспечения обычно включает:

• проектирование общей структуры - определение основных компонентов и их взаимосвязей;

• декомпозицию компонентов и построение структурных иерархий в соответствии с рекомендациями блочно-иерархического подхода;

• проектирование компонентов.

Результатом проектирования является детальная модель разрабатываемого программного обеспечения вместе со спецификациями его компонентов всех уровней

Принято различать также два аспекта проектирования:

• логическое проектирование, которое включает те проектные операции, которые непосредственно не зависят от имеющихся технических и программных средств, составляющих среду функционирования будущего программного продукта;

• физическое проектирование - привязка к конкретным техническим и программным средствам среды функционирования, т. е. учет ограничений, определенных в спецификациях.

Реализация. Реализация представляет собой процесс поэтапного написания кодов программы на выбранном языке программирования (кодирование), их тестирование и отладку.

Сопровождение (модернизация). Сопровождение - это процесс создания и внедрения новых версий программного продукта. Причинами выпуска новых версий могут служить:

• необходимость исправления ошибок, выявленных в процессе эксплуатации предыдущих версий;

• необходимость совершенствования предыдущих версий, например, улучшения интерфейса, расширения состава выполняемых функций или повышения его производительности;

• изменение среды функционирования, например, появление новых технических средств и/или программных продуктов, с которыми взаимодействует сопровождаемое программное обеспечение.

На этом этапе в программный продукт вносят необходимые изменения, которые так же, как в остальных случаях, могут потребовать пересмотра проектных решений, принятых на любом предыдущем этапе.

Модель с промежуточным контролем. Схема, поддерживающая итерационный характер процесса разработки, была названа схемой с промежуточным контролем (рис. 2).

Итерация в программировании – организация обработки данных, при которой действия повторяются многократно, не приводя при этом к вызовам самих себя. Для этого используются циклы. Шаг цикла и есть итерация.

Рис. 2. Схема разработки программного обеспечения с промежуточным контролем

В целом необходимость возвратов на предыдущие стадии обусловлена следующими причинами:

• неточные спецификации, уточнение которых в процессе разработки может привести к необходимости пересмотра уже принятых решений;

• изменение требований заказчика непосредственно в процессе разработки;

• быстрое моральное устаревание используемых технических и программных средств;

• отсутствие удовлетворительных средств описания разработки на стадиях постановки задачи, анализа и проектирования.

Однако и эта схема не позволяет оперативно учитывать возникающие изменения и уточнения требований к ПО. Согласование результатов разработки с пользователями производится только в точках, планируемых после завершения каждого этапа работ, а общие требования к ПО зафиксированы в виде технического задания на все время ее создания. Таким образом, пользователи зачастую получают систему, не удовлетворяющую их реальным потребностям.

Спиральная модель. Для преодоления перечисленных проблем в середине 80-х годов XX в, была предложена спиральная схема (рис. 3).

Рис. 3. Спиральная схема разработки программного обеспечения

В соответствии с данной схемой программное обеспечение создается не сразу, а итерационно с использованием метода прототипирования, базирующегося на создании прототипов. Именно появление прототипирования привело к тому, что процесс модификации программного обеспечения перестал восприниматься, как «необходимое зло», а стал восприниматься как отдельный важный процесс.

Прототипом называют действующий программный продукт, реализующий отдельные функции и внешние интерфейсы разрабатываемого программного обеспечения.

На первой итерации, как правило, специфицируют, проектируют, реализуют и тестируют интерфейс пользователя. На второй – добавляют некоторый ограниченный набор функций. На последующих этапах этот набор расширяют, наращивая возможности данного продукта.

Основным достоинством данной схемы является то, что, начиная с некоторой итерации, на которой обеспечена определенная функциональная полнота, продукт можно предоставлять пользователю, что позволяет:

• сократить время до появления первых версий программного продукта;

• заинтересовать большое количество пользователей, обеспечивая быстрое продвижение следующих версий продукта на рынке;

• ускорить формирование и уточнение спецификаций за счет появления практики использования продукта;

• уменьшить вероятность морального устаревания системы за время разработки.

Основной проблемой использования спиральной схемы является определение моментов перехода на следующие стадии. Для ее решения обычно ограничивают сроки прохождения каждой стадии, основываясь на экспертных оценках. Таким образом, переход осуществляется в соответствии с планом, даже если не вся запланированная работа закончена.

Позднее пришло осознание, что необходимы стандарты регламентирующие жизненный цикл ПО. Среди наиболее известных стандартов можно выделить следующие:

• ГОСТ 34.601-90 – распространяется на автоматизированные системы и устанавливает стадии и этапы их создания. Кроме того, в стандарте содержится описание содержания работ на каждом этапе. Стадии и этапы работы, закрепленные в стандарте, в большей степени соответствуют каскадной модели жизненного цикла.

• ISO/IEC 12207:1995 - стандарт на процессы и организацию жизненного цикла. Распространяется на все виды заказного ПО. Стандарт не содержит описания фаз, стадий и этапов.

• методика Oracle по разработке прикладных информационных систем. Применяется для каскадной модели (предусмотрены все этапы), а также для технологий "быстрой разработки" (Fast Track) или "облегченного подхода", рекомендуемых в случае малых проектов.

• Microsoft Solution Framework (MSF), включает четыре фазы: анализ, проектирование, разработка, стабилизация, является итерационной, предполагает использование UML. MSF в сравнении с RUP в большей степени ориентирована на разработку бизнес-приложений.

• Extreme Programming (XP). Экстремальное программирование (самая новая среди рассматриваемых методологий) сформировалось в 1996 году. В основе методологии командная работа, эффективная коммуникация между заказчиком и исполнителем в течение всего проекта по разработке ПО, а разработка ведется с использованием последовательно дорабатываемых прототипов. Предполагает парное программирование – весь код создается парами программистов, работающих за одним компьютером. Один из них работает непосредственно с текстом программы, другой просматривает его работу и следит за общей картиной происходящего. При необходимости клавиатура свободно передаётся от одного к другому. В течение работы над проектом пары не фиксированы: рекомендуется их перемешивать, чтобы каждый программист в команде имел хорошее представление о всей системе.

Определив и получив знания о:

• технологии программирования в историческом контексте;

• сущность ПО;

• жизненный цикл и этапы разработки ПО.

Можно дать определение программной инженерии согласно стандарту ISO/IEC/IEEE 24765-2010

Программная инженерия (англ. software engineering) – приложение систематического, дисциплинированного, измеримого подхода к развитию, функционированию и сопровождению программного обеспечения, а также исследованию этих подходов; то есть, приложение дисциплины инженерии к программному обеспечению.

Что бы понять смысл данного определения ответим на вопрос: Чем программирование отличается от программной инженерии? Тем, что первое является некоторой абстрактной деятельностью и может происходить во многих различных контекстах. Можно программировать для удовольствия, для того, чтобы научиться, можно программировать в рамках научных разработок. А можно заниматься промышленным программированием. Как правило, это происходит в команде, и совершенно точно – для заказчика, который платит за работу деньги. При этом необходимо точно понимать, что нужно заказчику, выполнить работу в определенные сроки и результат должен быть нужного качества – того, которое удовлетворит заказчика и за которое он заплатит деньги.

Чтобы удовлетворить этим дополнительным требованиям, программирование «обрастает» различными дополнительными видами деятельности: разработкой требований, планированием, тестированием, конфигурационным управлением, проектным менеджментом, созданием различной документации (проектной, пользовательской и пр.).

Все эти и другие дополнительные виды деятельности, выполняемые в процессе промышленного программирования и необходимые для успешного выполнения заказов и будем называть программной инженерией (software engineering). Получается, что так мы обозначаем, во-первых, некоторую практическую деятельность, а во-вторых, специальную область знания.

Необходимо отметить, что рождением программной инженерии является 1968 год – конференция NATO, г. Гармиш (ФРГ), которая целиком была посвящена рассмотрению этих вопросов.

Программная инженерия использует достижения информатики, тесно связана с системотехникой, часто предваряется бизнес-реинжинирингом (рис.4).

Рис. 4. Связь программной инженерии как области практической деятельности

Информатика (computer science) – это свод теоретических наук, основанных на математике и посвященных формальным основам вычислимости. Трудно строго отделить программную инженерию от информатики, но в целом направленность этих дисциплин различна. Программная инженерия нацелена на решение проблем производства, информатика – на разработку формальных, математических подходов к программированию.

Системотехника (system engineering) объединяет различные инженерные дисциплины по разработке всевозможных искусственных систем – энергоустановок, телекоммуникационных систем, встроенных систем реального времени и т.д. Очень часто ПО оказывается частью таких систем, выполняя задачу управления соответствующего оборудования. Такие системы называются программно-аппаратными, и участвуя в их создании, программисты вынуждены глубоко разбираться в особенностях соответствующей аппаратуры.

Бизнес-реинжиниринг (business reengineering) – в широком смысле обозначает модернизацию бизнеса в определенной компании, внедрение новых практик, поддерживаемых соответствующими новыми информационными системами.

Таким образом, мы рассмотрели Ваше направление бакалавриата – Программная инженерия. На следующих лекция рассмотрим профель – СППР.