КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ТАРАСА ШЕЧЕНКО

ІНСТИТУТ ПРОГРАМНИХ СИСТЕМ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК

ЛАВРІЩЕВА К.М.

ТЕХНОЛОГІЯ ПРОГРАМУВАННЯ ІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМ.

МЕТОДИ, ЗАСОБИ, ІНСТРУМЕНТИ

НАВЧАЛЬНИЙ ПОСІБНИК

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України

як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів

ВПЦ 2013

Київський університет

–-------------------------------------

УДК 0404

Лавріщева К.М.

Технологія програмування інформаційних систем. Методи, засоби, інструменти.

Посібник, ВПЦ Київського університету, 2013

У посібнику подані методи, засоби і інструменти технології програмування інформаційних, програмних систем їх сімейств, здатних використовуватися у розподілених сучасних гетерогенних середовищах. Проведено аналіз становлення і розвитку технології програмування в Україні, починаючи з появи перших електронних обчислювальних машин, як інструментів автоматизованого рішення математичних, економічних і інформаційних задач обробки даних в процесах управління народним господарством. Розглядаються напрями розвитку програмної інженерії та технології програмування – комп’ютерна технологія, системна технологія, технологія прикладних програмних систем і їх сімейств, інформаційна технологія. Дано опис архітектури, моделей і формальних засобів завдання різних предметних областей (доменів) та прикладних програмних систем а також методів їх реалізації інструментами і засобами сучасних операційних середовищ. Запропоновані поширені стандартні методи і засоби програмування (ООП, UML, компонентний, агентний, сервісний), а також удосконаленні теоретичні обґрунтовані – композиційний, об’єктний, компонентний та збиральний та розроблені інструменти їх підтримки в загальних системах програмування, які викладаються на різних курсах лекцій при навчанні студентів і виконанні на їх основі лабораторних і наукових робіт. Наведені приклади артефактів і програм, виконаних деякими студентами та дано опис побудови фабрики програм (http://programsfactory.univ.kiev.ua) студентами факультету кібернетики кафедри інформаційних систем та теорії і технології програмування, та інструментально-технологічного комплексу – ІТК ІПС, як засобів підтримки процесів електронного навчання питанням технології програмування і програмної інженерії в КНУ та інших ВНЗ України і СНГ.

Рецензенти:

Д-р фіз.-мат. наук, проф. М.С.Нікітченко

Канд.. фіз.-мат наук, доцент Н.Т.Задорожна

Затверджено до друку Вченою радою

Київського національного університету імені Тараса Шевченко

від 25 лютого 2013 року

Відповідно до викладання інформатики з міжнародної програми Curricula 2005: Computer Science розглянуті тенденції розвитку технології програмування, починаючи з появи перших обчислених машин та інституту кібернетики в якому створювалися системи програмування, технології побудови їхнього системного забезпечення з елементами схемної реалізації мов програмування, технології виробництва автоматизованих прикладних систем – АСУ, АСУ ТП, СОД та технології масового виробництва програмних продуктів за конвеєрним принципом академіка Глушкова на створеної студентами фабрики програм факультету кібернетики Київського університету. Наведені нові та удосконалені теоретичні і технологічні аспекти сучасних методів програмування, засобів опису різних програм новітніми мовами програмування та їх реалізації в сучасних гетерогенних середовищах. Проаналізовані нові системні інструментальні системи типу Grid, Cloud Computing, Web-services і Semantics з апробуванням їх можливостей на окремих артефактах студентів в процесі вивчення на заняттях по курсу – технологія програмування.

Гриф подано Міністерством освіти і науки України

( )

ISSN Лавріщева К.М., 2013

Київський національний університет імені Тараса Шевченко

ВПЦ «Київський університет», 2013

ЗМІСТ

ПЕРЕДМОВА 8

ЧАСТИНА 1. 12

ПОЧАТОК ПРОГРАМУВАННЯ В СРСР. ВИТОКИ РОЗВИТКУ 12

1.1. Поява і розвиток технології програмування (1952–2012) 12

1.2. Формування технологічних напрямів (1965–1975) 16

1.3. Становленья технології програмування (1975–1982) 18

1.4. Розвиток інтерфейсу в технології програмування (1976–1992) 19

1.5. Розвиток об’єктної технології програмування (1992–2002) 22

1.6. Індустріальні основи технології програмування (2002–2012) 23

1.7. Навчання ТП у КНУ Тараса Шевченко (1965–2012) та філії МФТІ (2000–2012) 27

Контрольні питання і завдання до частини 1 30

Список літератури до частини 1 30

ЧАСТИНА 2. 33

ПАРАДИГМИ ТЕХНОЛОГІЇ ПРОГРАМУВАННЯ 33

2.1. Модульне програмування та збиральний підхід 33

33

2.1.1. Інтерфейс в програмуванні 34

2.1.2. Зборка модулів по А.П.Єршову 36

2.1.3. Метод зборки готових програмних елементів 37

2.1.4. Формальне подання методу збирання різномовних модулів 39

₂ = {G_^a , G_^z , G _^u , G_^e} 40

Кожен елемент класу простих і складних типів даних визначається на множині значень цих типів даних та операцій над ними: 40

2.2. Парадигма об’єктно-орієнтованого програмування 40

2.2.1. Базові концепції ООП 41

2.2.2. Чотирьох рівневе проектування ОМ 44

2.2.3. Концепції об’єктного аналізу 49

2.2.4. Функції, алгебра та операції об’єктного аналізу 51

2.2.5. Моделювання моделі ПрО 53

Зв’язок між об’єктно-орієнтованим та компонентним програмуванням визначається об’єктним поданням ПрО та відповідними функціями (методами) у ОМ та трансформацією цих методів компонентним їх поданням. 57

2.2.6. Опис параметрів інтерфейсу ОМ 57

2.3. Парадигма UML-метода моделювання 57

2.3.1 Основні діаграми методу 58

2.3.2. Моделювання поведінки системи 59

2.3.3. Побудова ПС засобами UML 60

2.4. Парадигма компонентного програмування 61

2.4.1. Теоретичні аспекти компонентного програмування 61

2.4.2. Моделі компонентного програмування 62

2.4.3. Графове подання компонентної моделі ПрО 63

2.4.4. Об’єднання компонентів. Модель середовища 64

2.4.5. Компонентна алгебра 66

2.4.6. Іінструментальні засоби КП 67

2.4.7. Технологія компонентної розробки ПС 71

2.4.8. Типізація і класифікація програмних компонентів 71

2.4.9. ЖЦ проектування ПС із типових компонентів та КПВ 79

2.5. Парадигма аспектно-орієнтованого програмування 84

2.5.1.Основні елементи парадигми АОП 85

2.5.3. Підтримка АОП впродовж життєвого циклу ПС 88

2.5.5. Методичні аспекти АОП 91

2.6. Парадигма генерувального програмування 94

2.6.1 Предметно-орієнтована мова – DSL 95

2.6.2. Простір проблем і рішень ПрО 96

2.6.3. Інженерія ПрО і КПВ 97

2.7. Сервісно-орієнтоване програмування 99

2.7.1 Базові понятті сервісу Інтернет 100

2.7.2. Сервіси WCF МS.NET з контрактами 102

2.7.3. Веб-сервіс Java Enterprise Edition (Java EE) 104

2.8. Парадигми теоретичного програмування 109

2.8.1 Алгебраїчне та інсерційне програмування 110

112

2.8.2. Реалізація агентних програм 112

2.8.3. Експлікативне, номінативне програмування 114

2.8.4. Алгоритмічні алгебри 115

Контрольні питання і завдання до частини 2 118

Список літератури до частини 2 119

ЧАСТИНА 3. 120

МОДЕЛІ І ЗАСОБИ ПРОЕКТУВАННЯ ПРЕДМЕТНИХ ОБЛАСТЕЙ 120

3.1. Моделі проектування ПрО предметних областей 120

3.1.1. Концептуальні моделі ПС, СПС за компонентами 122

3.1.2. Моделі взаємозв’язку об’єктів 125

3.1.3. Модель інтеграції (зборка) компонентів 133

3.1.5. Моделі взаємодії і варіабельності ПС для організації обчислень 140

3.1.6. Підхід до виконання ПС в сучасних розподілених середовищах 143

3.2. Онтологічний підхід до подання знань про проблемні області 144

3.2.1. Онтологічне моделювання проблемної області 145

3.2.2. Мовний опис онтології домену чи СПС 146

3.2.3. Підхід до реалізація онтології ПрО 148

148

3.3. Типи даних та засоби їх генерації для використання в збиральному прогрмуванні 149

3.3.1. Проблема забезпечення сумісності типів даних при зборки КПВ 149

3.3.2. Аксіоматика простих типів даних 150

3.3.3. Аксіоматика структурних і складних типів даних. Структурні типи даних. 151

3.3.4. Семантичні аспекти взаємодії різнорідних програм 152

3.3.5. Характеристика типів даних для зборки програм 154

3.3.6. Фундаментальні і загальні типи даних 159

3.3.6. Баові поняття стандарту з типів даних 161

3.3.7. Перебудова загальних типів даних до фундаментальних для МП 166

3.4. Підходи і методи доказу програм 168

169

3.4.1. Мови специфікації програм –VDM, RAISE, Concept 169

3.4.2. Концепторна мова специфікації 174

3.4.3. Методи доведення правильності програм 177

3.4.4. Модель доказу програми за твердженнями 177

З.5. Проектування ПС засобами ЖЦ з реалізації доменів 180

3.4.1. За загальна характеристика стандарту ЖЦ ISO/IEC 12207:2002 180

3.4.2. Формування конкретних моделей життєвого циклу 183

3.6. Модель якості ПС 192

3.6.1. Структура моделі якості 193

3.6.2. Модель витрат СОСОМО Боєма 198

Контрольні питання і завдання до частини 3 204

Список літератури до частини 3 204

ЧАСТИНА 4. 206

МЕТОДИ ІНДУСТРІЇ ВИРОБИЦТВА ПРОГРАМ І СИСТЕМ 206

4.1. Загальні основи методології виробництва ПС і СПС 206

4.1.1. Моделі взаємодії компонентів у ПС 206

4.1.2 Методологічні аспекти виробництва СПС з готових ресурсів 207

4.2. Мова опису моделей взаємодії на основі XML 209

4.2.1 Подання та обмін даними в компонентних моделях 213

4.2.3 Модель конфігурації компонентів на основі XML 214

4.3. Графове подання ПС і СПС 215

4.3.1 Графове визначення моделі взаємодії об'єктів 217

4.3.2 Типи зв’язків об’єктів у графової моделі ПрО 218

4.4. РОЗРОБКА МЕТОДІВ ПОБУДОВИ ПРОБЛЕМНО-ОРІЄНТОВАНИХ ТЕХНОЛОГІЙ 219

4.4.1. Аналіз динаміки розвитку фабрик програм 220

4.3.2. Базисні ресурси фабрики програм 224

4.5. Загальні лінії виробництва програм з КПВ 228

4.4.1. М етодологія побудови ТЛ 229

4.4.2. Нові дисципліни індустрії наукового совтвера 233

4.4.3. Новітні засоби Grid і Cloud для обчислення задач e–sciences 237

4.4.4. Сучасні системи побудови РПС з сервісних ресурсів 243

4.4.5. Методологія розроблення ТЛ 251

4.4.6. Принципи проектування ІС 252

4.5. Методи при оцінюванні економічних характеристик проектів 256

4.5.1. Експертні методи оцінювання 257

4.5.2. Формальний апарат експертно-аналітичного оцінювання об’єктів і процесів у СПС 258

4.5.3. Методи оцінки розміру 265

4.5.3 Методи оцінювання трудомісткості, тривалості та вартості проектів 268

4.5.4. Побудова методики оцінювання проектів 269

4.6. Створення Windows застосувань 274

4.6.1. Створення нової програми. 274

4.6.2. Властивості і дизайн програм 274

4.6.3. Компіляція програм 277

4.6.4. Розширення функціональності програм 278

4.7. Інженерії тестування програмних систем 279

4.7.1. Основні поняття інженерії тестування 279

4.7.2 Становлення інженерії тестування 280

4.7.3. Методи тестування. Метрики і критерії 283

4.7.4. Інструменти тестування та оцінювання 285

4.7.5. Тестування веб-застосувань 286

Контрольні питання і завдання до частини 4 290

Список літератури до частини 4 290

293

ЧАСТИНА 5. 293

ПРОГРАМНА ІНЖЕНЕРІЯ – АСПЕКТИ РЕАЛІЗАЦІЇ НА САЙТІ ІТК ІПС 293

ЗБИРАЛЬНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ 293

5.1. Реаізація технологій програмування на сайті ІТК ІПС 293

5.2. Фабрика програм в КНУ 295

5.2.3. Створення фабрики студентів 297

5.2.4. Лінії продуктів фабрики на головної сторінки 298

5.2.5. Принципи роботи з репозиторієм програм і артефактів 299

5.2.6. Навчання дисципліні “Програмна інженерія” на фабрики 299

5.3. Репозиторій КПВ 300

5.3.1. Загальний опис репозиторію 300

5.3.2. Технологія обслуговування репозиторію КПВ 301

5.4. Розробка КПВ 302

5.4.1. Опис моделей КПВ, інтерфейсу і операцій розробки КПВ 303

5.4.2. Реалізація побудови компонентної системи 304

305

5.4.3. Процеси технології оброблення КПВ 305

5.4.4. Зборка різномовних програм у середовищі Visual Studio 307

5.5. Конфігурація КПВ 307

5.5.1. Конфігурування КПВ з урахуванням варіабельності 307

5.5.2. Опис прикладу використання конфігуратору програм 308

5.6. Генерація систем мовою DSL 309

5.6.1. Лінія опису та генерації доменів DSL 309

310

5.6.2. Опис життєвого циклу ПЗ та його реалізації на мові DSL 310

2.7. Онтологія – обчислювальна геометрія 311

5.7.1. Онтологія домену – Обчислювальна геометрія 312

5.7.3. Опис моделі онтології ПрО «Обчислювальна геометрія» 314

5.7.4. Опис програми домену «Обчислювальна геометрія» мовою OWL 315

5.8. Оцінка якості ПС 315

5.8.1. Якість ПС 315

5.8.2. Оцінка витрат на продукт 316

317

5.8.3. Опис модуля прогнозування трудовитрат на розробку ПС 317

5.8.4. Приклад оцінювання затрат на розробку ПС АС 318

5.9. Веб-сервіси 318

5.9.1. Опис веб-технології Java EE 318

5.9.2. Веб-сервіси і засоби опису 319

5.9.3. Приклад взаємодії Java і MS.NET через веб-сервіси 320

321

5.9.4. Інструкція по використанню графічного інтерфейсу прикладу 321

5.10. Генерація ТД 322

5.10.1. Відображення типів даних у середовищі ІТК 322

5.10.2. Система генерації загальних типів даних до фундаментальних 323

5.11. Інструментальні засоби сайта ІТК 325

5. 12. Розділ сайта «Технологія навчання» 326

Контрольні питання і завдання до частини 5 326

Список літератури до частини 5 326

ПІСЛЯМОВА 328

ДОДАТОК 1. 330

Парадигма структурного програмування 330

ДОДАТОК 2. 336

Приклад створення служб WCF у MS Visual Studio 2010 336

ДОДАТОК 3. 338

Онтологічний підхід з подання тестування КПВ та ПС 338

345

ДОДАТОК 4. 345

Оцінка застосування метода СОСОМО на конкретних даних 345

ДОДАТОК 5. 350

Програма курсу «Технологія програмування ІС» 350

350

Перелік термінів та позначень

БПР	–	Базовий процес розроблення
ГОР	–	Готовий ресурс
ГП	–	Генерувальне (генеруюче) програмування
ЖЦ	–	Життєвий цикл
ППП	–	Пакет прикладних програм
ІСР	–	Інтегроване середовище розроблення ПС і СПС
КП	–	Компонентна програма
КПВ	–	Компонент повторного використання
ЕОМ	–	Електронне обчислювальна машина
МП	–	Мова програмування
КНУ	–	Київський національний університет імені Тараса Шевченко
ООП	–	Об’єктно-орієнтоване програмування
ПП	–	Програмний продукт
ПрО	–	Предметна область (домен)
ПрП	–	Предметна область прийняття рішень
ПС	–	Програмна система
РПВ	–	Ресурс повторного використання
СГП	–	Система генеруючого програмування
СПС	–	Сімейство програмних систем
ТЖС	–	Теорія життєздатності складних систем
ФТД	–	Фундаментальні типи даних
API	–	Application Program Interface
APL	–	Application Program Language
COTS	–	Програмний продукт для продажу
DSL	–	Domain Specific Language
GDT	–	General Data Type
IDL	–	Interface Definition Language
GDM	–	Generative domain model
MDA	–	Model Driven Architecture
DSL	–	Domain Specific Language
ORB	–	Object request broker
GDT	–	General Data Types
PIM	–	Platform Independent Model
PSM	–	Platform Specific Models
RMI	–	Remote method invocation
RPC	–	Remote program call
WCF	–	Windows Comunication Foundations
SIDL	–	Scientific Interface Definition Language
ІТК	–	Інструментально-технологічний комплекс веб-сайту
ТП	–	Технологія програмування
ПС	–	Програмна системи
СПС	–	Сімейство систем
ПрО	–	Предметна область
КПВ	–	Компонент повторного використання
ОМ	–	Об’єктна модель
ЖЦ	–	Життєвий цикл
КП	–	Компонентне програмування
ТЛ	–	Технологічна лінія
РПС	–	Розподілена ПС
ПЗ	–	Програмне забезпечення