- •Введение
- •От издательства
- •Глава 1. Организация процесса конструирования
- •Определение технологии конструирования программного обеспечения
- •Классический жизненный цикл
- •Макетирование
- •Стратегии конструирования по
- •Инкрементная модель
- •Быстрая разработка приложений
- •Спиральная модель
- •Компонентно-ориентированная модель
- •Тяжеловесные и облегченные процессы
- •Модели качества процессов конструирования
- •Контрольные вопросы
- •Глава 2. Руководство программным проектом
- •Процесс руководства проектом
- •Начало проекта
- •Измерения, меры и метрики
- •Планирование проектных задач
- •Размерно-ориентированные метрики
- •Функционально-ориентированные метрики
- •Выполнение оценки в ходе руководства проектом
- •Выполнение оценки проекта на основе loc- и fp-метрик
- •Конструктивная модель стоимости
- •Модель композиции приложения
- •Модель раннего этапа проектирования
- •Модель этапа постархитектуры
- •Предварительная оценка программного проекта
- •Анализ чувствительности программного проекта
- •Сценарий понижения зарплаты
- •Сценарий наращивания памяти
- •Сценарий использования нового микропроцессора
- •Сценарий уменьшения средств на завершение проекта
- •Контрольные вопросы
- •Глава 3. Классические методы анализа
- •Структурный анализ
- •Диаграммы потоков данных
- •Описание потоков данных и процессов
- •Расширения для систем реального времени
- •Расширение возможностей управления
- •Модель системы регулирования давления космического корабля
- •Методы анализа, ориентированные на структуры данных
- •Метод анализа Джексона
- •Методика Джексона
- •Шаг объект-действие
- •Шаг объект-структура
- •Шаг начального моделирования
- •Контрольные вопросы
- •Глава 4. Основы проектирования программных систем
- •Особенности процесса синтеза программных систем
- •Особенности этапа проектирования
- •Структурирование системы
- •Моделирование управления
- •Декомпозиция подсистем на модули
- •Модульность
- •Информационная закрытость
- •Связность модуля
- •Функциональная связность
- •Информационная связность
- •Коммуникативная связность
- •Процедурная связность
- •Временная связность
- •Логическая связность
- •Связность по совпадению
- •Определение связности модуля
- •Сцепление модулей
- •Сложность программной системы
- •Характеристики иерархической структуры программной системы
- •Контрольные вопросы
- •Глава 5. Классические методы проектирования
- •Метод структурного проектирования
- •Типы информационных потоков
- •Проектирование для потока данных типа «преобразование»
- •Диаграмма потоков данных пдд
- •Проектирование для потока данных типа «запрос»
- •Диаграмма потоков данных
- •Метод проектирования Джексона
- •Доопределение функций
- •Учет системного времени
- •Контрольные вопросы
- •Глава 6. Структурное тестирование программного обеспечения
- •Основные понятия и принципы тестирования по
- •Тестирование «черного ящика»
- •Тестирование «белого ящика»
- •Особенности тестирования «белого ящика»
- •Способ тестирования базового пути
- •Потоковый граф
- •Цикломатическая сложность
- •Шаги способа тестирования базового пути
- •Способы тестирования условий
- •Тестирование ветвей и операторов отношений
- •Способ тестирования потоков данных
- •Тестирование циклов
- •Простые циклы
- •Вложенные циклы
- •Объединенные циклы
- •Неструктурированные циклы
- •Контрольные вопросы
- •Глава 7. Функциональное тестирование программного обеспечения
- •Особенности тестирования «черного ящика»
- •Способ разбиения по эквивалентности
- •Способ анализа граничных значений
- •Способ диаграмм причин-следствий
- •Контрольные вопросы
- •Глава 8. Организация процесса тестирования программного обеспечения
- •Методика тестирования программных систем
- •Тестирование элементов
- •Тестирование интеграции
- •Нисходящее тестирование интеграции
- •Восходящее тестирование интеграции
- •Сравнение нисходящего и восходящего тестирования интеграции
- •Тестирование правильности
- •Системное тестирование
- •Тестирование восстановления
- •Тестирование безопасности
- •Стрессовое тестирование
- •Тестирование производительности
- •Искусство отладки
- •Контрольные вопросы
- •Глава 9. Основы объектно-ориентированного представления программных систем
- •Принципы объектно-ориентированного представления программных систем
- •Абстрагирование
- •Инкапсуляция
- •Модульность
- •Иерархическая организация
- •Объекты
- •Общая характеристика объектов
- •Виды отношений между объектами
- •Видимость объектов
- •Агрегация
- •Общая характеристика классов
- •Виды отношений между классами
- •Ассоциации классов
- •Наследование
- •Полиморфизм
- •Агрегация
- •Зависимость
- •Конкретизация
- •Контрольные вопросы
- •Глава 10. Базис языка визуального моделирования
- •Унифицированный язык моделирования
- •Предметы в uml
- •Отношения в uml
- •Диаграммы в uml
- •Механизмы расширения в uml
- •Контрольные вопросы
- •Глава 11. Статические модели объектно-ориентированных программных систем
- •Вершины в диаграммах классов
- •Свойства
- •Операции
- •Организация свойств и операций
- •Множественность
- •Отношения в диаграммах классов
- •Деревья наследования
- •Примеры диаграмм классов
- •Контрольные вопросы
- •Глава 12. Динамические модели объектно-ориентированных программных систем
- •Моделирование поведения программной системы
- •Диаграммы схем состояний
- •Действия в состояниях
- •Условные переходы
- •Вложенные состояния
- •Диаграммы деятельности
- •Диаграммы взаимодействия
- •Диаграммы сотрудничества
- •Диаграммы последовательности
- •Диаграммы Use Case
- •Актеры и элементы Use Case
- •Отношения в диаграммах Use Case
- •Работа с элементами Use Case
- •Спецификация элементов Use Case
- •Главный поток
- •Подпотоки
- •Альтернативные потоки
- •Пример диаграммы Use Case
- •Построение модели требований
- •Кооперации и паттерны
- •Паттерн Наблюдатель
- •Паттерн Компоновщик
- •Паттерн Команда
- •Бизнес-модели
- •Контрольные вопросы
- •Глава 13. Модели реализации объектно-ориентированных программных систем
- •Компонентные диаграммы
- •Компоненты
- •Интерфейсы
- •Компоновка системы
- •Разновидности компонентов
- •Использование компонентных диаграмм
- •Моделирование программного текста системы
- •Моделирование реализации системы
- •Основы компонентной объектной модели
- •Организация интерфейса сом
- •Идентификация интерфейса
- •Описание интерфейса
- •Реализация интерфейса
- •Unknown — базовый интерфейс com
- •Серверы сом-объектов
- •Преимущества com
- •Работа с сом-объектами
- •Создание сом-объектов
- •IClassFactory :: Createlnstance (iid a); 2 — фабрика класса создает сом-объект и получает
- •Повторное использование сом-объектов
- •Маршалинг
- •Диаграммы размещения
- •Использование диаграмм размещения
- •Контрольные вопросы
- •Глава 14. Метрики объектно-ориентированных программных систем
- •Метрические особенности объектно-ориентированных программных систем
- •Локализация
- •Инкапсуляция
- •Информационная закрытость
- •Наследование
- •Абстракция
- •Эволюция мер связи для объектно-ориентированных программных систем
- •Связность объектов
- •Метрики связности по данным
- •Метрики связности по методам
- •Сцепление объектов
- •Зависимость изменения между классами
- •Локальность данных
- •Набор метрик Чидамбера и Кемерера
- •Метрика 1: Взвешенные методы на класс wmc (Weighted Methods Per Class)
- •Метрика 2: Высота дерева наследования dit (Depth of Inheritance Tree)
- •Метрика 3: Количество детей noc (Number of children)
- •Метрика 4: Сцепление между классами объектов сво (Coupling between object classes)
- •Метрика 5: Отклик для класса rfc (Response For a Class)
- •Метрика 6: Недостаток связности в методах lсom (Lack of Cohesion in Methods)
- •Использование метрик Чидамбера-Кемерера
- •Метрики Лоренца и Кидда
- •Метрики, ориентированные на классы
- •Метрика 1: Размер класса cs (Class Size)
- •Метрика 2: Количество операций, переопределяемых подклассом, noo
- •Метрика 3: Количество операций, добавленных подклассом, noa
- •Метрика 4: Индекс специализации si (Specialization Index)
- •Операционно-ориентированные метрики
- •Метрика 5: Средний размер операции osavg (Average Operation Size)
- •Метрика 6: Сложность операции ос (Operation Complexity
- •Метрика 7: Среднее количество параметров на операцию npavg
- •Метрики для оо-проектов
- •Метрика 8: Количество описаний сценариев nss (Number of Scenario Scripts)
- •Метрика 9: Количество ключевых классов nkc (Number of Key Classes)
- •Метрика 10: Количество подсистем nsub (NumberofSuBsystem)
- •Набор метрик Фернандо Абреу
- •Метрика 1: Фактор закрытости метода mhf (Method Hiding Factor)
- •Метрика 2: Фактор закрытости свойства ahf (Attribute Hiding Factor)
- •Метрика 3: Фактор наследования метода mif (Method Inheritance Factor)
- •Метрика 4: Фактор наследования свойства aif (Attribute Inheritance Factor)
- •Метрика 5: Фактор полиморфизма pof (Polymorphism Factor)
- •Метрика 6: Фактор сцепления cof (Coupling Factor)
- •Метрики для объектно-ориентированного тестирования
- •Метрики инкапсуляции
- •Метрика 1: Недостаток связности в методах lcom
- •Метрика 2: Процент публичных и защищенных pap (Percent Public and Protected)
- •Метрика 3: Публичный доступ к компонентным данным pad (Public Access to Data members)
- •Метрики наследования
- •Метрики полиморфизма
- •Контрольные вопросы
- •Глава 15. Унифицированный процесс разработки объектно-ориентированных пс
- •Эволюционно-инкрементная организация жизненного цикла разработки
- •Этапы и итерации
- •Рабочие потоки процесса
- •Технические артефакты
- •Управление риском
- •Идентификация риска
- •Анализ риска
- •Ранжирование риска
- •Планирование управления риском
- •Разрешение и наблюдение риска
- •Этапы унифицированного процесса разработки
- •Этап начало (Inception)
- •Этап развитие (Elaboration)
- •Этап конструирование (Construction)
- •Этап переход (Transition)
- •Оценка качества проектирования
- •Этап развитие
- •Этап конструирование
- •Пример объектно-ориентированной разработки
- •Этап начало
- •Идентификация актеров
- •Идентификация элементов Use Case
- •Описания элементов Use Case
- •Этап развитие
- •Сценарии для элемента Use Case Управление окнами
- •Развитие описания элемента Use Case Использование окон
- •Диаграммы последовательности
- •15.9. Диаграмма последовательности Уничтожение окна
- •Создание классов
- •Планирование итераций конструирования
- •Этап конструирование
- •Итерация 1 — реализация сценариев элемента Use Case Управление окнами
- •Итерация 2 — реализация сценариев элемента Use Case Использование окон
- •Итерация 3 — разработка диалогового окна
- •Разработка в стиле экстремального программирования
- •Элемент хр-разработки
- •Коллективное владение кодом
- •Взаимодействие с заказчиком
- •Стоимость изменения и проектирование
- •Контрольные вопросы
- •Глава 16. Объектно-ориентированное тестирование
- •Расширение области применения объектно-ориентированного тестирования
- •Изменение методики при объектно-ориентированном тестировании
- •Особенности тестирования объектно-ориентированных «модулей»
- •Тестирование объектно-ориентированной интеграции
- •Объектно-ориентированное тестирование правильности
- •Проектирование объектно-ориентированных тестовых вариантов
- •Тестирование, основанное на ошибках
- •Тестирование, основанное на сценариях
- •Тестирование поверхностной и глубинной структуры
- •Способы тестирования содержания класса
- •Стохастическое тестирование класса
- •Тестирование разбиений на уровне классов
- •Способы тестирования взаимодействия классов
- •Стохастическое тестирование
- •Тестирование разбиений
- •Тестирование на основе состояний
- •Предваряющее тестирование при экстремальной разработке
- •Import ПосещениеКафе;
- •V.ПолучитьВес();
- •Контрольные вопросы
- •Глава 17. Автоматизация конструирования визуальной модели программной системы
- •Общая характеристика case-системы Rational Rose
- •Создание диаграммы Use Case
- •Создание диаграммы последовательности
- •Создание диаграммы классов
- •Создание компонентной диаграммы
- •Генерация программного кода
- •Заключение
- •Приложение а. Факторы затрат постархитектурной модели сосомо II
- •Сложность продукта (Product Complexity) cplx
- •Приложение б.Терминология языка uml и унифицированного процесса
- •Приложение в. Основные средства языка программирования Ada 95
- •Типы и объекты данных
- •Текстовый и числовой ввод-вывод
- •Пакеты ввода-вывода
- •Процедуры ввода
- •Процедуры вывода
- •Основные операторы
- •Операторы цикла
- •Основные программные модули
- •Функции
- •Процедуры
- •Производные типы
- •Подтипы
- •Расширяемые типы
- •Список литературы
- •Оглавление
- •Глава 1. Организация процесса конструирования 6
- •Глава 2. Руководство программным проектом 19
- •Глава 3. Классические методы анализа 41
- •Глава 4. Основы проектирования программных систем 52
- •Глава 5. Классические методы проектирования 67
- •Глава 6. Структурное тестирование программного обеспечения 74
- •Глава 7. Функциональное тестирование программного обеспечения 88
- •Глава 8. Организация процесса тестирования программного обеспечения 96
- •Глава 9. Основы объектно-ориентированного представления программных систем 107
- •Глава 10. Базис языка визуального моделирования 124
- •Глава 11. Статические модели объектно-ориентированных программных систем 131
- •Глава 12. Динамические модели объектно-ориентированных программных систем 141
- •Глава 13. Модели реализации объектно-ориентированных программных систем 170
- •Глава 14. Метрики объектно-ориентированных программных систем 190
- •Глава 15. Унифицированный процесс разработки объектно-ориентированных пс 210
- •Глава 16. Объектно-ориентированное тестирование 238
- •Глава 17. Автоматизация конструирования визуальной модели программной системы 263
- •Технологии разработки программного обеспечения: Учебник
- •197110, Санкт-Петербург, Чкаловский пр., 15.
С. А. Орлов
ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ
ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
РАЗРАБОТКА СЛОЖНЫХ ПРОГРАММНЫХ СИСТЕМ
Допущено Министерством образования Российской Федерации
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров
«Информатика и вычислительная техника»
Москва • Санкт-Петербург • Нижний Новгород • Воронеж
Ростов-на-Дону • Екатеринбург • Самара
Киев • Харьков • Минск
2002
Рецензенты:
Филиппович Ю. Н., канд. техн. наук, доцент Московского государственного Университета печати
Ревунков Г. И., канд. техн. наук, доцент Московского государственного технического Университета
им. Н Э. Баумана
Технологии разработки программного обеспечения: Учебник/ С. Орлов. — СПб.: Питер, 2002. — 464 с.: ил.
ISBN 5-94723-145-Х
Учебник посвящен систематическому изложению принципов, моделей и методов, используемых в инженерном цикле разработки сложных программных продуктов. Изложены классические основы программной инженерии, показаны последние научные и практические достижения, характеризующие динамику развития этой области; продемонстрирован комплексный подход к решению наиболее важных вопросов, возникающих в больших программных проектах. В основу материала положен двенадцатилетний опыт преподавания автором соответствующих дисциплин.
Книга допущена Министерством образования РФ в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров «Информатика и вычислительная техника».
© ЗАО Издательский дом «Питер», 2002
Введение
Известно, что основной задачей первых трех десятилетий компьютерной эры являлось развитие аппаратных компьютерных средств. Это было обусловлено высокой стоимостью обработки и хранения данных. В 80-е годы успехи микроэлектроники привели к резкому увеличению производительности компьютера при значительном снижении стоимости.
Основной задачей 90-х годов и начала XXI века стало совершенствование качества компьютерных приложений, возможности которых целиком определяются программным обеспечением (ПО).
Современный персональный компьютер теперь имеет производительность большой ЭВМ 80-х годов. Сняты практически все аппаратные ограничения на решение задач. Оставшиеся ограничения приходятся на долю ПО.
Чрезвычайно актуальными стали следующие проблемы:
аппаратная сложность опережает наше умение строить ПО, использующее потенциальные возможности аппаратуры;
наше умение строить новые программы отстает от требований к новым программам;
нашим возможностям эксплуатировать существующие программы угрожает низкое качество их разработки.
Ключом к решению этих проблем является грамотная организация процесса создания ПО, реализация технологических принципов промышленного конструирования программных систем (ПС).
Настоящий учебник посвящен систематическому изложению принципов, моделей и методов (формирования требований, анализа, синтеза и тестирования), используемых в инженерном цикле разработки сложных программных продуктов.
В основу материала положен двенадцатилетний опыт постановки и преподавания автором соответствующих дисциплин в Рижском авиационном университете и Рижском институте транспорта и связи. Базовый курс «Технология конструирования программного обеспечения» прослушали больше тысячи студентов, работающих теперь в инфраструктуре мировой программной индустрии, в самых разных странах и на самых разных континентах.
Автор стремился к достижению трех целей:
изложить классические основы, отражающие накопленный мировой опыт программной инженерии;
показать последние научные и практические достижения, характеризующие динамику развития в области Software Engineering;
обеспечить комплексный охват наиболее важных вопросов, возникающих в больших программных проектах.
Компьютерные науки вообще и программная инженерия в частности — очень популярные и стремительно развивающиеся области знаний. Обоснование простое: человеческое общество XXI века — информационное общество. Об этом говорят цифры: в ведущих странах занятость населения в информационной сфере составляет 60%, а в сфере материального производства — 40%. Именно поэтому специальности направления «Компьютерные науки и информационные технологии» гарантируют приобретение наиболее престижных, дефицитных и высокооплачиваемых профессий. Так считают во всех развитых странах мира. Ведь не зря утверждают: «Кто владеет информацией — тот владеет миром!»
Поэтому понятно то пристальное внимание, которое уделяет компьютерному образованию мировое сообщество, понятно стремление унифицировать и упорядочить знания, необходимые специалисту этого направления. Одними из результатов такой работы являются международный стандарт по компьютерному образованию Computing Curricula 2001 — Computer Science и международный стандарт по программной инженерии IEEE/ACM Software Engineering Body of Knowledge SWEBOK 2001.
Содержание данного учебника отвечает рекомендациям этих стандартов. Учебник состоит из 17 глав.
Первая глава посвящена организации классических, современных и перспективных процессов разработки ПО.
Вторая глава знакомит с вопросами руководства программными проектами — планированием, оценкой затрат. Вводятся размерно-ориентированные и функционально-ориентированные метрики затрат, обсуждается методика их применения, описывается наиболее популярная модель для оценивания затрат — СОСОМО II. Приводятся примеры предварительной оценки программного проекта и анализа чувствительности проекта к изменению условий разработки.
Третья глава рассматривает классические методы анализа при разработке ПО.
Четвертая глава отведена основам проектирования программных систем. Здесь обсуждаются архитектурные модели ПО, основные проектные характеристики: модульность, информационная закрытость, сложность, связность, сцепление и метрики для их оценки.
Пятая глава описывает классические методы проектирования ПО.
Шестая глава определяет базовые понятия структурного тестирования программного обеспечения (по принципу «белого ящика») и знакомит с наиболее популярными методиками данного вида тестирования: тестированием базового пути, тестированием ветвей и операторов отношений, тестированием потоков данных, тестированием циклов.
Седьмая глава вводит в круг понятий функционального тестирования ПО и описывает конкретные способы тестирования — путем разбиения по эквивалентности, анализа граничных значений, построения диаграмм причин-следствий.
Восьмая глава ориентирована на комплексное изложение содержания процесса тестирования: тестирование модулей, тестирование интеграции модулей в программную систему; тестирование правильности, при котором проверяется соответствие системы требованиям заказчика; системное тестирование, при котором проверяется корректность встраивания ПО в цельную компьютерную систему. Здесь же рассматривается организация отладки ПО (с целью устранения выявленных при тестировании ошибок).
Девятая глава посвящена принципам объектно-ориентированного представления программных систем — особенностям их абстрагирования, инкапсуляции, модульности, построения иерархии. Обсуждаются характеристики основных строительных элементов объектно-ориентированного ПО — объектов и классов, а также отношения между ними.
В десятой главе дается сжатое изложение базовых понятий языка визуального моделирования — UML, рассматривается его современная версия 1.4.
Одиннадцатая глава представляет инструментарий UML для задания статических моделей, описывающих структуру объектно-ориентированных программных систем.
Двенадцатая глава отображает самый многочисленный инструментарий UML — инструментарий для задания динамических моделей, описывающих поведение объектно-ориентированных программных систем. Впрочем, здесь излагаются и смежные вопросы: формирование модели требований к разработке ПО с помощью аппарата Use Case, фиксация комплексных динамических решений с помощью коопераций и паттернов, бизнес-моделирование как средство предпроектного анализа организации-заказчика.
Тринадцатая глава отведена моделям реализации, описывающим формы представления объектно-ориентированных программных систем в физическом мире. Помимо компонентов, узлов и соответствующих диаграмм их обитания здесь приводится пример современной компонентной модели от Microsoft — COM.
В четырнадцатой главе обсуждается метрический аппарат для оценки качества объектно-ориентированных проектных решений: метрики оценки объектно-ориентированной связности, сцепления; широко известные наборы метрик Чидамбера и Кемерера, Фернандо Абреу, Лоренца и Кидда; описывается методика их применения.
Пятнадцатая глава решает задачу презентации унифицированного процесса разработки объектно-ориентированных программных систем, на конкретном примере обучает методике применения этого процесса. Кроме того, здесь рассматриваются методика управления риском разработки, процесс разработки в стиле «экстремальное программирование».
Шестнадцатая глава обучает особенностям объектно-ориентированного тестирования, проведению такого тестирования на уровне визуальных моделей, уровне методов, уровне классов и уровне взаимодействия классов.
Семнадцатая глава демонстрирует возможности применения CASE-системы Rational Rose к решению задач автоматизации формирования требований, анализа, проектирования, компонентной упаковки и программирования программного продукта.
Учебник предназначен для студентов бакалаврского и магистерского уровней компьютерных специальностей, может быть полезен преподавателям, разработчикам промышленного программного обеспечения, менеджерам программных проектов.
Вот и все. Насколько удалась эта работа — судить Вам, уважаемый читатель.
Благодарности
Прежде всего, мои слова искренней любви родителям — Нине Николаевне и Александру Ивановичу Орловым (светлая им память).
Самые теплые слова благодарности моей семье, родным, любимым и близким мне людям — Лизе, Иванне, Жене. Без их долготерпения, внимания, поддержки, доброжелательности и сердечной заботы эта книга никогда не была бы написана. Моя признательность также и верному сеттеру Эльфу — это он внимательно следил за всеми моими ночными бдениями и клал мне лапу на плечо в особо трудные минуты.
Выход в свет этой работы был бы невозможен вне творческой атмосферы, бесчисленных вопросов и положительной обратной связи, которую создавали мои многочисленные студенты.
Хочется отметить, что корабль-учебник не прибыл бы в порт назначения без опытного капитана (руководителя проекта) Андрея Васильева. Автор искренне признателен талантливым сотрудникам издательства «Питер».
И конечно, огромное спасибо моим коллегам, всем людям, которые принимали участие в моем путешествии по городам, улицам и бесконечным переулкам страны ПРОГРАММНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ.