ПроектнийПрактикум / ПрофесійнаПрактика / Разное / lavrishcheva-6

11

ВСТУП

Програмна інженерія – це наука побудови комп'ютерних програмних систем на інженерній основі за методами, засобами і інструментами програмування, сучасними стандартами процесів ЖЦ, менеджменту та керування якістю. Особливістю виробництва нових систем є технологія їх проектування від аналізу предметної області до утворення коду для виконання на комп'ютерах. Основа інженерії проектування – теорія алгоритмів і програмування, теорія обчислень і розподіленої обробки, теорія обчислювальних мереж та ін.

Програмна інженерія (ПІ) містить у собі методи і засоби керування програмними проектами (планування робіт і регулювання ресурсів), експертне оцінювання проміжних результатів розроблення під час процесів ЖЦ, оцінювання ризику побудови програмної системи і досягнутої для неї якості. Ця дисципліна використовує стандарти (наприклад, ISO/IEC 12207, ДСТУ 9126), що регламентують процеси ЖЦ, інженерію вимог, тестування і забезпечення якості шляхом перевірки показників на процесах ЖЦ і кінцевого продукту для їхнього оцінювання. Інакше кажучи, в програмної інженерії подані питання теоретичної і практичної побудови різних програмних систем для виконання задач з оброблення інформації на комп’ютерах з метою отримання корисних даних.

Проектування у ПІ – це конструювання комп'ютерних систем методами та засобами програмування за такими загальними кроками:

–опис вимог;

–опис специфікацій системи;

–розроблення системи;

–тестування, оцінка надійності і якості системи.

Проектування за цими кроками містить у собі експертні методи оцінки прийняття рішень, змінювання програм і систем, валідацію нових гіпотез, теорію абстрагування, методи трансляції та керування ресурсами виготовлення, розподілення обчислень тощо. Інженерія проектування програмних систем починає діяти, починаючи з формулювання вимог до них, розроблення і супроводу до зняття з експлуатації. До інженерії належать методи оцінки продукту, а саме, розрахунки трудовитрат, обсягу, вартості та якості.

Інженерна діяльність у програмуванні на теперішній час за своєю сутністю дуже близька до інженерної конвеєрної діяльності в промисловості, тільки тут готовими «деталями» виступають поки ще не достатньо при промисловому використанні багаторазових програм і систем. На сучасному етапі розвитку базисом інженерії проектування програмних систем стали компоненти повторного використання (reuse), яких достатньо створено у різних областях, і вони подібні до готових деталей в промисловості. Це є фундаментальним для становлення конвеєрного виробництва програмних продуктів, як продуктів промисловотехнічного призначення.

Характерною ознакою виробництва програмних продуктів стала поява нових категорій фахівців, крім програмістів, а саме, менеджерів, керівників команди розробників, інженерів служби ведення бібліотек, технологів, тестувальників і різного роду контролерів проміжних результатів проектування на процесах ЖЦ.

Програмна інженерія відрізняється від традиційної промислової інженерії природою свого продукту, який не відчувається і не матеріалізується в наочний

фізичний предмет, а постійно змінюється під час супроводження та при стрімких темпах розвитку комп’ютерних платформ і середовищ.

І тому залучення нових категорій спеціалістів зробить представлення віртуальної архітектури програмної системи у кібернетичному вимірі більш якісним і продуктивним. Продуктами виробництва можуть бути: системи обробки даних, системи підтримки прийняття рішень, АСУ, інформаційні системи й ін.

Значну роль у становленні програмної інженерії відіграла систематизація накопичених знань у програмуванні, виконана комітетом спеціалістів у галузі інформатики під егідою відомих комп’ютерних організацій IEEE Computer Society і ACM (Association for Computer Machinery). Цей комітет створив (1999 р.– перший варіант, 2001 р. – другий) ядро знань SWEBOK, де наведено визначення предмету програмної інженерії і її тематичних областей (knowledge areas). Одночасно були розроблені стандарти з програмної інженерії, головні серед яких ISO/IEC 12207– життєвий цикл ПЗ і ДСТУ 9126 – якість програмного продукту тощо.

Ядро знань SWEBOK і регламентовані процеси стандарту ISO/IEC 12207 узгоджені між собою. Вони утворюють практичний базис інженерії виробництва програмного продукту. Питання керування програмним проектом розглянуті в іншому ядрі знань – РМВОК та відповідному стандарті IEEE Std.1490 «IEEE A Guide to the Project Management Body of Knowledge». Стандарти визначають порядок діяльності в сфері технології розробки, а знання, те що необхідно фахівцям для виконання всіх видів діяльності з проектування і реалізації задач проекту, визначені в ядрі знань SWEBOK.

Виходячи з базових положень стандартів, програмний продукт проектується більш цілеспрямовано і регламентовано з використанням на кожному з процесів необхідних методів та засобів ядра знань SWEBOK. Програмна інженерія та її стандарти орієнтують колективи виконавців до менеджменту проекту та якісний вимір його показників, а також до прийняття рішень про компоненти повторного використання, оцінювання проміжного і кінцевого результату на задоволення вимог замовника тощо.

Таким чином, між ядрами знань SWEBOK, РМВОК і основними стандартами існує зв'язок і взаємовплив один на одного, тим більш, що в їхній розробці одночасно беруть участь висококваліфіковані фахівці в галузі програмування й інформатики. Загальні ідеї, методи та інструменти програмування, що склалися в 90-х роках минулого сторіччя, проникли в усі напрями і вплинули на стандартизацію процесів і їхній склад. У ядрі знань SWEBOK викладено концептуальні знання й інженерні підходи до керування проектування програмного продукту, а в стандартах — загальні правила і регламентовані процеси послідовного його розроблення. Але індустріальне виробництво різних видів програмних систем і сімейств систем потребує структуризації програмної інженерії, пов’язаної не тільки з процесами ЖЦ і відповідними змістовними методами проектування з SWEBOK, а й з теоретичними і прикладними методами забезпечення виробництва.

________________

1.К.М.Лавріщева. Перспективні дисципліни програмної інженерії // Вісник НАН України.– 2008.–№9.–С.12–18.

Отже головною особливістю даного підручника є нова структуризація і систематизація змісту програмної інженерії за дисциплінами1, які обговорені за доповідями автора на міжнародних конференціях УКРПроГ–2008, TAAPSD’2008 та різних семінарах і лекціях. Сутність кожної з дисциплін така:

–наукова дисципліна визначена як сукупність формальних методів специфікації, доведення та верифікації програмних об’єктів, методів їх об’єднання, теоретичних і прикладних методів програмування та теоретичних моделей надійності програм та методів їхнього застосування;

–інженерна дисципліна сформульована як сукупність технологічних засобів і методів проектування ПС за фундаментальними моделями ЖЦ, положеннями сучасного стандарту із процесів ЖЦ, техніки аналізу предметної області, формулювання вимог з розробленням за ними відповідного вихідного коду, його супроводу та внесення до нього різного роду змін, включаючи ті, що забезпечують перенесення програмного продукту на інші комп’ютерні платформи;

–дисципліна керування базується на теорії управління, як підґрунті для визначення сутності базових методів керування програмним проектом за графіками робіт, спостереження за виконанням планів, керуванням ризиками та формуванням версій (конфігурацій) виготовленого програмного продукту та передачі його користувачам;

–економічна дисципліна сформульована як сукупність методів експертного, якісного і кількісного оцінювання проміжних об’єктів ЖЦ, а також економічних методів розрахунків часу, обсягу і вартості виготовлення програмних продуктів, що поставляються на ринок;

–виробнича дисципліна – це сучасні промислові технологічні прийоми виробництва прикладних систем, сімейств систем з застосуванням готових програмних ресурсів, включаючи компоненти повторного використання, накопичених у сучасних інформаційних сховищах, одиночні готові програми розв’язку деяких задач, сервісні, агентні артефакти тощо. Для забезпечення їх правильності виконуються методи верифікації, тестування і оцінки за отриманими на них показниками якості програмного продукту.

Нова структуризація програмної інженерії, виконана автором з орієнтацією на основні функціонально–технологічні задачі виробництва програмних продуктів, включаючи керування різними ресурсами, інженерію проектування, економічні оцінки витрат, часу, вартості тощо. Зміст структурованих дисциплін програмної інженерії подано в короткому обґрунтованому викладі у розділі 1. Детальніше різні аспекти цих дисциплін висвітлені в розділах підручника: наукова дисципліна – 4, 5, 6, інженерна дисципліна – 2, 3, 7, економічна і виробнича дисципліни – 8, 9 та дисципліна керування – 10.

Надалі буде проведено більш системний розгляд усіх областей SWEBOK з точки зору використання таких наук, як теорія керування, економіка, мережі, безпека з метою створення відповідної структури і змісту кожної з дисциплін. Навчання майбутніх спеціалістів в вищих навчальних закладах за такими дисциплінами забезпечить їх знаннями, необхідними для участі у індустріальному виробництві програмних продуктів.

14

Розділ 1. ДИСЦИПІНИ ПРОГРАМНОЇ ІНЖЕНЕРІЇ І ОБЛАСТІ ЯДРА ЗНАНЬ – SWEBOK

У першому розділі формально визначено запропоновані дисципліни програмної інженерії. Наведено структуру, зміст та їхнє призначення. Подано дефініцію програмної інженерії у вузькому розумінні, запропонованому у ядрі знань SWEBOK, і широкому – продиктованому прикладними досягненнями щодо сформульованих видів програмного забезпечення, так званих цільових об’єктів (програмних проектів, доменів, сімейств програм і систем). Визначені теоретичні і прикладні ознаки, атрибути і об’єкти програмної інженерії. Наведена класифікація її базових понять і цільових об’єктів, а також методів і засобів їх побудови з використанням сучасної теорії програмування і новітніх інструментальних засобів. Вперше подано зміст і набір головних елементів інженерії програмування, а саме, базового процесу, ядра знань РМВОК, стандартів життєвого циклу та якості програмного продукту і визначено призначення кожного окремого елементу та ядра знань SWEBOK, яке містить у собі 10 областей, що умовно поділені на головні області (вимоги, проектування, конструювання, тестування), та організаційні (керування конфігурацією, проектом, якістю та базовим процесом). Опису цих областей і присвячено другий підрозділ даного розділу.

1.1. Загальне визначення дисциплін програмної інженерії

Термін програмна інженерія вперше було використано у 1968 р. З того часу протягом 40 років зміст цього поняття поступово змінювався, що обумовлене постійним розвитком програмування, спочатку як мистецтва одинаків, потім як теоретичної та прикладної науки, і, з часом, як інженерної діяльності.

Завдяки багаторічній праці всесвітнього програмістського загалу накопичилася велика кількість знань та досвід побудови різноманітних комп’ютерних програм. Вони знайшли відображення у конкретних програмних продуктах широкого застосування та у множині теоретичних і прикладних методів і засобів, принципів і правил, а також цілісних процесів виробництва комп’ютерних систем колективами програмістів і інженерів (включаючи інженерів-оцінювачів програмних продуктів та процесів, тестувальників тощо).

У рамках багатогранної діяльності теоретиків та практиків у галузі програмування сформувалися формальні методи доведення, верифікації і тестування програм, математичні моделі надійності, методи оцінювання показників якості програмних продуктів тощо. Все це обумовило необхідність систематизувати набуті знання і визначити їх у вигляді самостійної дисципліни (предмету) з метою формування загального бачення проблеми тими, хто займається комп’ютерною діяльністю, або фахівцями-теоретиками у даній галузі.

Спеціально створений комітет фахівців з інформатики при ACM і IEEE Computer Society сформував базове ядро знань SWEBOK (Software Engineering body of Knowledge – 2001р.), у якому в концентрованому вигляді подав концептуальний зміст десятьох базових областей (knowledge areas) та дефініції програмної інженерії (ПІ), зокрема [1-3]. У ядрі знань SWEBOK наведене таке визначення програмної інженерії (воно відповідає глосарію IEEE):

Визначення 1.1. Програмна інженерія (SE) – це

1)застосування систематичного, дисциплінованого та вимірюваного підходу до розроблення, експлуатації і супроводження програмного забезпечення (ПЗ) із застосуванням інженерних методів до розроблення ПЗ,

2)навчальна дисципліна, що вивчає вказані вище підходи.

Ця дефініція обмежує суть не лише поняття предмета ПІ, а й об’єкта, розглядаючи як такий лише програмне забезпечення, а не програмні проекти, процеси та методи розробки програмних продуктів тощо. Тому необхідно визначити ПІ і її об’єкти у більш широкому розумінні, доповнюючи аспектами, що характеризують ПІ як наукову й інженерну дисципліни.

Відомо, що будь-яка наука – це система перевірених практикою знань, які відображають загальні питання, поняття і закономірності їх розвитку. Вона встановлює зв’язки з іншими науками і впливає на їх розвиток. Так, програмна інженерія інтегрує в собі принципи математики та головні положення фундаментальних наук, а саме, теорії алгоритмів, математичної логіки, теорії керування, теорії множин, доведення тощо (рис.1.1).

Рис. 1.1. Теоретичний фундамент програмної інженерії

Ці науки створюють теоретичний базис програмної інженерії, необхідний для побудови абстракцій програм за їх базовими поняттями та принципами, що перелічені нижче за кожною з фундаментальних наук базису:

– у теорії алгоритмів – нормальні алгоритми, обчислювальні функції, машина Тюрінга, алгоритмічні алгебри, граф-схеми, моделі алгоритмів і програм тощо;

–у математичній логіці – логічні числення і логіко-алгебраїчний апарат специфікації програм;

–у теорії керування – принципи, методи та загальні закони планування і керування процесами отримання й оброблення інформації в кібернетичних і управлінських системах;

–у теорії доведення – математичне доведення за аксіомами і твердженнями програм, вивід теорем, обґрунтування суперечності й алгоритмічно невирішених проблем, а також теорія верифікації програм, теорія надійності ПЗ;

На перетині областей визначення ПІ (овалів на рис.1.2) – теорія та практика побудови складних програмних об’єктів. Теорія побудови – це теорія їхнього програмування за абстрактними специфікаціями (графовими і структурними схемами, функціями і композиціями, дескрипторами і номінативними даними, сценаріями (use case діаграми), а також формальна перевірка відповідності об’єктів специфікаціям за методами доведення, верифікації, інспекції тощо. Практика побудови – це застосування теоретичних і практичних методів інженерії програмування за допомогою використання засобів перевірки (верифікації, валідації, тестування) специфікацій об’єктів, інструментів їх послідовного трансформування до результуючого коду та інженерія оцінки і сертифікації різних показників якості (надійності, продуктивності, ефективності тощо) виготовленого програмного продукту.

1.1.1. Програмна інженерія як наукова дисципліна

На відміну від математичної або інших фундаментальних наук, метою яких є отримання нових знань для розв’язання відповідних задач, метою програмної інженерії є застосування знань для розроблення складних програмних об’єктів, де знання – це уособлення загальної теорії побудови програм для комп’ютерів, орієнтованої на виготовлення продукту, впровадження якого буде корисним для споживача.

Програмна інженерія як наукова дисципліна охоплює теоретичні, формальні

методи та відповідні засоби побудови складних програмних об’єктів. Побудова має на меті аналіз предметної області, що автоматизується, і продукування результуючого коду для виконання на комп'ютері. Інтегровані в програмну інженерію фундаментальні науки, згадані вище (на рис.1.1), а також наука програмування, становлять її загальну теоретичну основу, яка надає базові поняття, об’єкти і формальні механізми, необхідні для надання програмним продуктам загальних властивостей та специфічних рис відповідно до встановлених до них вимог. ПІ як наука містить у собі:

1)основні поняття і об'єкти;

2)теорію програмування і методи керування виготовленням продукту;

3)засоби і інструменти процесів розроблення продукту.

1. Основні поняття програмної інженерії – це дані і їх структури (прості і складні), функції і композиції, базові об’єкти (модуль, компонент, каркас, контейнер, компонент повторного використання (КПВ) тощо) і цільові об’єкти (програмне забезпечення, програмна система, сімейство систем, програмний проект, складні програмні застосування тощо).

Розроблення простих об’єктів – це елементарні дії з їх формального опису, а розроблення цільових об’єктів – застосування інженерних методів, включаючи керування строками і вартістю виробництва.

Надамо загальне визначення цільових об’єктів у ПІ.

Визначення 1.3. Програмна (прикладна) система (Application) – комплекс інтегрованих програм і засобів, що реалізують набір взаємопов’язаних функцій деякої предметної області в заданому середовищі. У комплекс можуть входити: прикладні системи (наприклад, програми розрахунку зарплати, обліку матеріалів на складі тощо), загальносистемні програмні засоби (наприклад, транслятор, редактор, СКБД тощо), спеціалізовані програмні засоби для реалізації функцій захисту

ісупроводу продукту, а також перевірки операцій базового процесу щодо правильності виконання різних функціональних задач та виконання робіт за проектом у заданий замовником строк.

Програмну інженерію будемо розглядати з двох точок зору:

–як інженерну діяльність, у якій інженери різних категорій виконують роботи в рамках проекту, використовуючи відповідні теоретичні методи і засоби ПІ, що рекомендовані у ядрі знань SWEBOK, а також стандарти процесів проектування цільових об’єктів за вибраними методами;

–як систему керування проектом, якістю і ризиками з використанням правил

іположень стандартів ЖЦ, якості та менеджменту проекту.

Інженерна діяльність обов’язково планується та ґрунтується на розподілі робіт у проекті між різними категоріями виконавців. Менеджер проекту – це головна діюча особа проекту, відповідальна за проектування і контроль виконання робіт спеціальними службами інфраструктури проекту в організації, зокрема служби верифікації, тестування, якості тощо. Продукт колективного виготовлення передається замовнику для супроводу. В ньому можуть бути виявлені різні помилки і недоліки, які усувають розробники.

Ця діяльність у програмній інженерії практично вже відпрацьована і за своєю суттю близька до інженерної діяльності у промисловості, де інженерія – це спосіб застосування наукових результатів для виготовлення технічних виробів на основі технологічних правил і процедур, методик виміру, оцінки і сертифікації з метою отримання користі від виготовленого продукту або товару.

Далі (у пп. 1–5) наведено загальну характеристику базових елементів інженерної дисципліни виготовлення програмного продукту, показаних на рис.1.4.

1. Ядро знань SWEBOK – стислий опис концептуальних основ програмної інженерії. Структурно ділиться на 10 розділів (knowledge areas), які умовно можна розкласти за двома категоріями: проектування продукту і інженерна діяльність. Перша категорія – це методи і засоби розробки (формування вимог, проектування, конструювання, тестування, супровід), друга категорія – методи керування проектом, конфігурацією і якістю та базовим процесом організації-розробника (детальніше див. у п.1.2).

Методи ядра знань програмної інженерії менеджер проекту зіставляє з відповідними стандартними процесами ЖЦ, виконання яких забезпечує послідовне розроблення програмного продукту через наповлення базового процесу програмної інженерії методами з ядра знань SWEBOK, а також задачами і діями стандартного ЖЦ, що обумовлює його застосовність до потреб конкретної організаціїрозробника щодо певної регламентованої послідовності розробки і супроводу програмного продукту. Все це створює технологічний базис інженерії виготовлення конкретного продукту (або низки однотипних продуктів) в організації. На початкових стадіях розробки виконуються процеси визначення вимог до продукту, вироблення проектних рішень і каркасу (абстрактної архітектури) майбутнього продукту. На основі вимог і каркасу розробляються або вибираються готові прості об’єкти для «наповлення» цього каркасу змістом для подальшого його доведення до стану готового продукту.

2. Базовий процес (БП) – є метарівнем для забезпечення «процесного продукування» продукту. Він містить у собі опис понять щодо оснастки,