Аннотация: Понятие процесса разработки ПО. Универсальный процесс. Текущий процесс. Конкретный процесс. Стандартный процесс. Совершенствование процесса. Pull/Push стратегии. Классические модели процесса: водопадная модель, спиральная модель. Фазы и виды деятельности.

Достоинством этой модели явилось ограничение возможности возвратов на произвольный шаг назад, например, от тестирования – к анализу, от разработки – к работе над требованиями и т.д. Отмечалось, что такие возвраты могут катастрофически увеличить стоимость проекта и сроки его выполнения. Например, если при тестировании обнаруживаются ошибки проектирования или анализа, то их исправление часто приводит к полной переделке системы. Этой моделью допускались возвраты только на предыдущий шаг, например, от тестирования к кодированию , от ПО эта модель активно критиковалась, практически, каждым автором соответствующих статей и учебников. Стало общепринятым мнение, что она не отражает особенностей разработки ПО . Недостатками водопадной модели являются:

• отождествление фаз и видов деятельности, что влечет потерю гибкости разработки, в частности, трудности поддержки итеративного процесса разработки;
• требование полного окончания фазы-деятельности, закрепление результатов в виде подробного исходного документа (технического задания, проектной спецификации); однако опыт разработки ПО показывает, что невозможно полностью завершить разработку требований, дизайн системы и т.д. – все это подвержено изменениям; и причины тут не только в том, что подвижно окружение проекта, но и в том, что заранее не удается точно определить и сформулировать многие решения, они проясняются и уточняются лишь впоследствии;
• интеграция всех результатов разработки происходит в конце, вследствие чего интеграционные проблемы дают о себе знать слишком поздно;
• пользователи и заказчик не могут ознакомиться с вариантами системы во время разработки, и видят результат только в самом конце; тем самым, они не могут повлиять на процесс создания системы, и поэтому увеличиваются риски непонимания между разработчиками и пользователями/заказчиком;
• модель неустойчива к сбоям в финансировании проекта или перераспределению денежных средств, начатая разработка, фактически, не имеет альтернатив "по ходу дела".

Однако данная модель продолжает использоваться на практике – для небольших проектов или при разработке типовых систем, где итеративность не так востребована. С ее помощью удобно отслеживать разработку и осуществлять поэтапный контроль за проектом. Эта модель также часто используется в оффшорных проектах 1От английского offshore – вне берега, в расширенном толковании – вне одной страны. с почасовой оплатой труда. Водопадная модель вошла в качестве составной части в другие модели и методологии, например, в MSF .

Спиральная модель была предложена Бэри Боемом в 1988 году для преодоления недостатков водопадной модели, прежде всего, для лучшего управления рисками. Согласно этой модели разработка продукта осуществляется по спирали, каждый виток которой является определенной фазой разработки. В отличие от водопадной модели в спиральной нет предопределенного и обязательного набора витков, каждый виток может стать последним при разработке системы, при его завершении составляются планы следующего витка. Наконец, виток является именно фазой, а не видом деятельности, как в водопадной модели, в его рамках может осуществляться много различных видов деятельности, то есть модель является двумерной.

Последовательность витков может быть такой: на первом витке принимается решение о целесообразности создания ПО , на следующем определяются системные требования , потом осуществляется проектирование системы и т.д. Витки могут иметь и иные значения.

Каждый виток имеет следующую структуру (секторы):

• определение целей, ограничений и альтернатив проекта;
• оценка альтернатив, оценка и разрешение рисков; возможно использование прототипирования (в том числе создание серии прототипов), симуляция системы, визуальное моделирование и анализ спецификаций; фокусировка на самых рисковых частях проекта;
• разработка и тестирование – здесь возможна водопадная модель или использование иных моделей и методов разработки ПО;
• планирование следующих итераций – анализируются результаты, планы и ресурсы на последующую разработку, принимается (или не принимается) решение о новом витке; анализируется, имеет ли смысл продолжать разрабатывать систему или нет; разработку можно и приостановить, например, из-за сбоев в финансировании; спиральная модель позволяет сделать это корректно.

Отдельная спираль может соответствовать разработке некоторой программной компоненты или внесению очередных изменений в продукт. Таким образом, у модели может появиться третье измерение.

Спиральную модель нецелесообразно применять в проектах с небольшой степенью риска, с ограниченным бюджетом, для небольших проектов. Кроме того, отсутствие хороших средств прототипирования может также сделать неудобным использование спиральной модели.

Спиральная модель не нашла широкого применения в индустрии и важна, скорее в историко-методологическом плане: она является первой итеративной моделью, имеет красивую метафору – спираль, – и, подобно водопадной модели, использовалась в дальнейшем при создании других моделей процесса и методологий разработки ПО .

Прежде, чем предложить обзор процесса разработки, сложившегося в результате накопления опыта за последние годы, я хотел бы сделать несколько общих пояснений, которые мне кажутся существенными.

Я работаю в IT последние 15 лет, хотя программированием начал заниматься значительно раньше. Основное направление моей деятельности как системного архитектора была организация разработки программ, разработка концепций и верхнеуровневой архитектуры и контроль выполнения концепции на протяжении проекта. Кроме управления разработкой ПО и создания архитектуры, я время от времени занимаюсь решением сложных технических проблем и написанием некоторых критически важных участков кода, где необходимо не только знание самого языка и среды разработки, но и их внутренней организации, иногда преподносящей неприятные сюрпризы.

Проекты, над которыми я работаю, чаще всего связаны с разработкой заказного или инвестиционного программного обеспечения. Также мне приходилось работать с встроенным ПО и программами, ориентированными на выпуск «хитов» (что, с лёгкой руки Джоэля Спольски, я называю далее игровым ПО, хотя на самом деле некоторые игровые проекты ближе к инвестиционным).

Заказное программное обеспечение может быть предназначено для внутреннего или внешнего заказчика. Эксклюзивные права на разработанную систему получает заказчик, и работа над развитием системы в дальнейшем может быть передана другому исполнителю.

В отличие от заказного ПО, работа над инвестиционным программным обеспечением ведётся самим исполнителем на деньги внутреннего или внешнего инвестора. Как правило, права на код системы остаётся у исполнителя, что стимулирует непрерывную работу по улучшению своего продукта и последовательный выпуск версий с более развитой функциональностью.

Встроенное программное обеспечение поставляется вместе с аппаратной частью и, грубо говоря, не подлежит сопровождению, поскольку отзыв партии устройств производителем – дело очень затратное и потому исключительное.

Разработка игровых хитов также практически не содержит фазы сопровождения. Кроме того, пользователи игровых программ, даже столкнувшись с ошибкой в игре, очень редко загружают обновлённую версию. Поэтому разработка игр, как правило, имеет свою экономику и свой процесс разработки.

Нашими заказчиками являются органы власти, крупные государственные и коммерческие организации и, конечно, мы сами. Поэтому в смысле заказного ПО в нашем процессе часто присутствует некоторая разница между процессами разработки продуктов для внутреннего и для внешнего заказчиков. Некоторые нюансы я укажу в этой статье. Уровень формализации отношений с заказчиком у нас варьируется от проекта к проекту очень широко. В целом, чем больше бюджет проекта, тем выше формальность. Государственный заказчик или крупные коммерческие предприятия (особенно с государственным участием) обычно имеют законодательные ограничения на формирование, размещение заказа и приёмку результатов работ. Ещё одним ограничением крупных организаций является тот факт, что их персонал, являющийся источником требований и основным пользователем наших систем, имеет очень ограниченную доступность для исполнителей, хотя бы вследствие своей занятости. Однако для небольших организаций уровень формализации падает и иногда уходит в противоположную крайность, где возникает недостаточный уровень ответственности заказчика в рамках проекта.

Другая сторона наших заказных проектов – высокие требования к функциональности. Это и высокая нагрузка на все системы, и большая географическая распределённость, и высокие требования к точности вычислений при очень ограниченных временных рамках. Часто в наших проектах появляются элементы исследовательской работы и творческого поиска, направленного на решение нетривиальных проектных задач. Иногда нам приходится комбинировать в рамках одного процесса разработки разные методологии, например, вставляя в общий процесс, близкий к RUP, один или несколько этапов почти чистого scrum, порождая что-то вроде проекта в проекте. Это позволяет нам сохранять невысокий уровень вовлеченности пользователей, связанный с природой проекта, с гибкостью разработки в условиях высокой неопределённости требований. В этом плане для меня важен именно подготовительный этап, во время которого можно выбрать необходимую методологию и выстроить оптимальный процесс разработки. Один из примеров применения гибкой методологии я описал в статье «Применение agile при разработке проекта для государственного заказчика» .

В качестве примера работы над инвестиционным проектом я могу привести разработку комплексной системы безопасности, которую мы создавали как «коробочный» продукт. Под моим руководством было выпущено последовательно четыре версии этой системы, пользователями которой стали самые разные коммерческие и государственные организации, включая мэрию Москвы, АФК «Система», банки, бизнес-центры и, конечно, наш собственный офис. Первая версия была не очень успешной, но у нас была стратегия развития, которая позволила нам успешно захватить рынок и пережить сложные времена кризиса. Опыт работы над этим и ещё несколькими инвестиционными проектами тоже был учтён при формировании используемого мной процесса разработки.

Наш процесс представляет собой последовательность определённых этапов. Приведённая мной классификация ПО сделана только, чтобы показать возможную разницу в организации разработки различных программных средств. Делая обзор процесса разработки, я остановлюсь только на различиях именно самого процесса касаемо разных видов ПО. Однако надо помнить, что различия между процессами разработки разных видов ПО гораздо глубже, поэтому при планировании каждого этапа необходимо учитывать эти нюансы.

Важно понимать, что переход процесса от одного этапа к другому не имеет чёткой границы. Как правило, работы следующего этапа начинаются по мере выполнения 80-90% работ по предыдущему этапу. Особенно это касается разработки требований, когда в ряде случаев снятие неопределённости происходит лишь к концу проекта. Безусловно, наличие такой неопределённости в проекте является существенным риском и должно находиться под постоянным контролем.

Процесс разработки заказного ПО

Обзор процесса разработки начнём с наиболее общего случая – разработки заказного программного обеспечения. Схема процесса приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Процесс разработки заказного программного обеспечения.

Работа над проектом начинается с подготовительного этапа. Цель этапа состоит в том, чтобы на основе предложений заказчика создать некоторую концепцию будущей системы и, отталкиваясь от этой концепции, провести оценку востребованности и реализуемости проекта. Если решение о привлечении исполнителя принимается заказчиком на конкурсной основе, то предварительный этап фактически является стадией подготовки потенциального исполнителя к конкурсу, включая формирование необходимой документации.

Не нужно тратить время и ресурсы на проект, чья концепция признаётся невостребованной или нереализуемой. Такой проект должен быть завершён. В ряде случаев требуется некоторая итеративная работа с заказчиком по коррекции концепции проекта, пока либо не будет достигнут приемлемый баланс требований заказчика и затрат исполнителя, либо не будет принято решение о сворачивании работ.

Проект, концепция которого выглядит приемлемой для реализации, выходит на этап разработки требований. На этом этапе исполнитель должен сформировать перечень всех явных и скрытых потребностей заказчика. Часто оказывается, что заказчик либо не определился со своими потребностями, либо его потребности вступают в противоречие между собой, с возможностями заказчика или с возможностями исполнителя. Целями этапа являются выявление всех скрытых потребностей, решение конфликтов требований, формирование целостного технического решения и анализ реализуемости подготовленного решения.

Иногда уточнение требований приводит к пересмотру концепции проекта. Если после уточнения всех требований не удаётся найти приемлемого технического решения, проект приходится сворачивать либо откладывать на некоторое время в ожидании более приемлемых обстоятельств.

Если техническое решение найдено, исполнитель приступает к разработке архитектуры будущей системы. Цель этапа – определение верхнеуровневой логической и физической архитектуры, полностью покрывающей все требования заказчика. При разработке архитектуры проводится рецензирование и уточнение концепции, требований и предварительного технического решения, что даёт возможность предупредить наиболее опасные риски.

После завершения проектирования архитектуры необходимо снова провести ревизию основных параметров проекта и решить, в состоянии ли исполнитель завершить проект. Полезно на стадии разработки архитектуры отказаться от излишних и слишком громоздких функций. Оптимизация архитектурного решения часто помогает вписаться в приемлемые параметры проекта. В иных случаях требуется более радикальное сокращение функционала разрабатываемой системы. Однако даже остановка проекта на этой стадии, если она происходит по веским причинам, должна восприниматься как победа: продолжение работ в таком случае может привести только к ещё большим потерям.

Если баланс был найден, и удалось создать приемлемую архитектуру системы, исполнитель может переходить к реализации и поставке системы. Реализация может проходить в один или несколько этапов. Для небольших проектов одноэтапная поставка всего функционала системы может быть вполне приемлемой. Однако, чем больше проект, тем выше зависимости подсистем внутри создаваемой системы. В этих условиях следует делить реализацию на несколько этапов так, чтобы в конце каждого этапа команда разработчиков имела готовый к поставке продукт. При этом самый важный, фундаментальный функционал должен разрабатываться на ранних этапах, а надстройки, работающие поверх этих основных компонентов, следует реализовывать позднее. В таком случае наиболее опасные для системы ошибки будут исправлены на первых этапах, и риск того, что прикладная функциональность системы будет основана на нестабильной основе, будет значительно снижен.
После поставки полностью завершённой системы проект заказного ПО обычно переходит к этапу опытной эксплуатации. Цель этого этапа заключается в проверке качества работы разработанной системы в реальных условиях эксплуатации. Как правило, на этом этапе исполнитель совместно с заказчиком проводит измерение количественных метрик, позволяющих определить качество созданной системы. В первую очередь проверяются функциональные характеристики качества, затем – нефункциональные. При наличии несоответствий исполнитель корректирует код системы.

Полностью отлаженная и настроенная система вводится в промышленную эксплуатацию. Как правило, исполнитель должен сопровождать систему, по крайней мере, в течение срока гарантии. Выявляемые несоответствия должны исправляться. Пользователи и обслуживающий персонал заказчика должны получат оперативную консультативную поддержку.

Наконец, приходит момент, когда система перестаёт устраивать заказчика по какой-либо причине. Наступает этап вывода системы из эксплуатации. Впрочем, для заказного ПО этот этап не всегда актуален, поскольку заказчик может воспользоваться своими эксклюзивными правами на систему и отстранить исполнителя от дальнейших работ по сопровождению и развитию системы ещё до того, как она потеряет актуальность.

Любой проект в конечном счёте приходит к своему завершению. Этап прекращения проекта имеет целью анализ результатов, внесение изменений в процесс разработки на основе полученного опыта и пополнение базы знаний разработчиков новыми эффективными решениями и предостережениями, а также новыми готовыми компонентами, которые можно будет использовать в следующих проектах.

Осталось отметить ещё два этапа процесса разработки. Бывает, что обстоятельства не позволяют продолжать реализацию проекта, но результаты проделанной работы показывают, что у проекта может быть будущее. Закрывать такой проект преждевременно. Поэтому вместо полной остановки работ исполнитель может временно приостановить деятельность по проекту, зафиксировав достигнутые результаты. Как только обстоятельства позволят, проект можно буде возобновить, расконсервировав инфраструктуру, вернув в проект разработчиков и восстановив состояние проекта. Важно, однако, возобновлять работу с того этапа, на котором проект был прерван, повторно проведя ревизию достигнутых результатов.

Процесс разработки инвестиционного ПО

Процесс разработки инвестиционного ПО отличается тем, что параллельно может идти работа сразу над несколькими версиями продукта: пока первая версия сопровождается, вторая уже реализуется, а для третьей формулируются требования. Процесс показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Процесс разработки инвестиционного программного обеспечения.

Как нетрудно заметить, при разработке инвестиционного ПО имеют место те же этапы, которые были рассмотрены выше для процесса разработки заказного программного обеспечения. Но отличие состоит в том, что этапы относятся не ко всему продукту, а к отдельной версии продукта. Исключение составляет этап прекращения проекта: проект не может завершиться, пока идёт работа хотя бы над одной версией продукта.

Обратите внимание на момент начала работ над следующей версией продукта. Этот момент настаёт, как только пройден этап создания архитектуры текущей разрабатываемой версии. До этого на этапах формирования требований и создания архитектуры, как правило, идёт обсуждение, какие функции следует реализовать в текущей версии, а какие перенести на будущее. И только тогда, когда требования к текущей версии сформулированы, рецензированы и подтверждены архитектурой системы, имеет смысл думать о следующей версии.

Кроме того, после разработки архитектуры, как правило, у аналитиков и архитекторов проекта появляется некоторая свобода действий, поскольку на этапах поставки основная нагрузка ложится на программистов. Эту свободу можно использовать для проработки концепции и требований для следующей версии.

В принципе, можно перенести начало работ над следующей версией на более поздний срок. Например, вполне допустимо сначала ввести текущую версию в опытную или даже промышленную эксплуатацию, и только после этого начать работу над следующей версией. Но нужно помнить, что такое решение неприменимо в случае высокой конкуренции: вас просто опередят и выдавят с рынка. Решение нужно принимать, исходя из всего комплекса обстоятельств, влияющих на ваш бизнес.

Говоря о процессе разработки инвестиционного ПО, нужно понимать, что работа над несколькими версиями имеет ряд явных и скрытых взаимозависимостей между параллельными ветками процесса.

Во-первых, исправления несоответствий, выявленных в ранней версии, должны вноситься и в версию, где они были обнаружены, и во все более поздние версии, включая разрабатываемые. Это касается не только кода программы, но и всех остальных артефактов проекта: технической и пользовательской документации, справочной системы, оценок и планов работ и т.п. Причём исправления должны вноситься немедленно, поскольку уменьшить стоимость исправлений вам не удастся, но, если не внести исправления сразу, их стоимость на более поздних стадиях может увеличиться в десятки и даже сотни раз.

Во-вторых, для параллельной работы над несколькими версиями нужна особая инфраструктура проекта, включая организацию контроля версий кода и документации, контроля заданий и несоответствий, утилит автоматической сборки и тестирования и т.п. Нельзя допустить, чтобы работа над одной версией продукта блокировала выполнение задач по другим версиям только из-за того, что инфраструктура проекта не позволяет запустить два процесса сборки одновременно для разных версий продукта.

Особое внимание нужно уделить стендам, на которых проводится тестирование: на них должны быть развёрнуты все версии продукта, которые были выпущены ранее (по меньшей мере, те версии, которые сопровождаются), и все версии, разработка которых ведётся в настоящий момент.

В-третьих, в работе над несколькими версиями могут быть одновременно задействованы одни и те же участники. Имеется большой риск, что ключевой сотрудник может погрязнуть в работе над одной версией программы и допустить существенное превышение сроков по задачам, связанным с другой версией.

В-четвёртых, имеет место обратная ситуация, когда персонал, работающий над одной версией, ничего не знает о том, какие решения принимаются в рамках работ над другой версией. Частично проблема снимается, если исправления всей документации и кода будут немедленно распространяться на все более поздние версии, о чём я говорил выше. Но одними исправлениями дело не должно ограничиваться. Нужно, чтобы команда, работающая над одной версией, понимала, почему были приняты те или иные решения при работе над другой версией. Для этого нужна база знаний для разработчиков – специальная информационная система, в которой должны описываться все проблемы, с которыми столкнулись разработчики при работе над той или иной версией продукта, и способы решения этих проблем. База знаний должна рассылать всем участникам проекта уведомления о поступлении новых записей. Нельзя пускать на самотёк взаимодействие двух команд, работающих над разными версиями одного продукта.

Процесс разработки встроенного ПО

Как уже отмечалось выше, встроенное ПО отличается от заказного тем, что его крайне сложно сопровождать.

Допустим, вы выпускаете программы для холодильников. После того, как ПО поставлено производителю, десятки тысяч устройств начинают расходиться по всему миру, и вы понятия не имеете, где они окажутся. И если один из холодильников выйдет из строя по вине вашего софта, то проще заплатить неустойку, чем возвращать холодильник на завод и проводить диагностику. Конечно, можно подготовить инженеров для дилерских центров, которые смогут провести диагностику на месте и заменить прошивку вашей системы, но это всё равно очень дорого.

Таким образом, при разработке встроенного ПО возникает сразу несколько важных ограничений.

Во-первых, поставка выполняется в рамках только одного этапа: никто не будет встраивать в устройства наполовину работающую программу.

Во-вторых, при поставке вы должны уделить особое внимание качеству программы, поскольку с момента внедрения её внутрь железного ящика менять её будет очень сложно. Особое внимание нужно уделить этапу опытной эксплуатации, когда программа внедряется в ограниченную партию устройств, и эти устройства проходят комплексные испытания в различных режимах эксплуатации. Вы должны собрать максимум информации о динамике поведения вашей системы, проанализировать эту информацию и доработать ПО.

В-третьих, когда устройство с вашим ПО ушло в серию, вы имеете очень мало возможностей для исправления ошибок. По факту, такие исправления возможны только в случае брака ПО, приводящего к неработоспособности всей партии устройств, из-за чего производитель будет вынужден отозвать эту партию, а вы получите большое чёрное пятно на свою репутацию.

Наконец, в-четвёртых, этапа вывода из эксплуатации у встроенного ПО нет. Программу просто выбрасывают вместе с устройством. Поэтому, как только для партии устройств, в которых работает ваше ПО, истекает гарантийный срок, можно переходить к закрытию проекта.

Процесс разработки встроенного ПО показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Процесс разработки встроенного программного обеспечения.

Процесс разработки игр

Игровое программное обеспечение было выделено мной по причине специфики их производства и эксплуатации. Бизнес игрового ПО основан на выпуске хитов. Один успешный хит оплачивает расходы на создание нескольких игр, которые остаются незамеченными пользователями. Поэтому процесс разработки одной игры взаимосвязан с процессами разработки других игр.

Ещё одним фактором, выделяющим производство игр, является тот факт, что игра интересна пользователю либо пока он не прошёл последний уровень, либо пока у него не произошла фатальная ошибка. Это значит, что вторую версию игры он не будет покупать или даже бесплатно загружать только ради исправлений нескольких ошибок.

Указанные факторы сказываются на процессе разработки игрового ПО. Процесс представлен на рисунке 4.

Рисунок 4. Процесс разработки игрового программного обеспечения.

Нужно отметить следующие особенности процесса разработки игрового ПО.

Прежде всего, при производстве игр крайне важно качество концепции. Если концепция игры не позволяет создать хит, то дальнейшая работа бессмысленна. Ситуация, когда большинство проектов заканчиваются на подготовительном этапе, для разработки игрового ПО типична.

При разработке требований и архитектуры для игрового ПО часто повторно используются наработки, полученные при работе над предыдущими проектами. В этом плане также дополнительный вес получает этап прекращения проекта, когда все полезные наработки должны быть зафиксированы в базе знаний разработчиков.

Поставка игрового программного обеспечения происходит в рамках одного единственного этапа. Даже если сначала создаётся некое ядро, «движок» игровой системы, его работу невозможно проверить без реализации всего функционала системы.

Для игрового ПО нет этапов опытной эксплуатации и вывода из эксплуатации. Игры сразу поступают в продажу, а после использования просто удаляются пользователем по мере утраты интереса к ним.

Заключение

В рамках статьи я попытался сделать обзор «верхнего уровня» процесса разработки прикладного программного обеспечения. Каждый этап процесса, безусловно, нуждается в отдельном обсуждении с обязательным учётом особенностей разрабатываемых программных средств.

Отмечу, что рассматриваемая здесь схема процесса является результатом обобщения моего личного опыта разработки различных программных средств. Как любое обобщение, моя схема является абстракцией. И, как любая абстракция, у неё есть свои границы применимости. Нельзя бездумно применять эту схему к конкретному проекту. Важно понимать, что каждый проект имеет свои нюансы, влияющие на организацию процесса разработки. И поэтому для каждого проекта приведённую здесь схему нужно адаптировать, а в ряде случаев потребуется разработать принципиально другой подход.

Существует государственный стандарт, который устанавливает стадии разработки программ и программной документации для вычислительных машин, комплексов и систем независимо от их назначения и области применения.

Процесс разработки программного обеспечения можно разбить на этапы (фазы), показанные на рис. 15.

Рис. 15. Этапы разработки программного обеспечения

Работа над программным обеспечением начинается с составления документа, называемого “Задание на разработку программного обеспечения (техническое задание)”.

Только при решении простейших задач указанные на рис. 15 этапы выполняются друг за другом в той последовательности, в которой они изобра­жены. В общем же случае процесс разработки программного обеспечения требует постоянного возврата к предыдущим этапам и внесения изменений. В связи с этим на рис. 15 прямоугольники с названиями этапов соединены не только вертикальными линиями, но и линиями, обеспечивающими возврат с любого этапа на этап, находящийся выше него. Это значит, что каждый этап может быть выполнен заново.

Техническое задание

Техническое задание включает в себя три этапа: 1) обоснование необхо­димости разработки программы; 2) проведение научно-исследовательских работ; 3) разработка и утверждение технического задания.

Прежде чем приступить к разработке технического задания, заказчик должен правильно поставить задачу. Постановка задачи заключается в создании математической или логической модели исследуемого процесса или явления. Здесь же необходимо определить, правильным ли будет программное решение. Может быть лучше воспользоваться известным прикладным программным обеспечением (системами управления базами данных, табличными процессо­рами и т.д.) или просто решить задачу с помощью нескольких листков бумаги и карандаша. Если делается выбор в пользу разработки новой программы, то необходимо выбрать и обосновать критерии эффективности и качества разраба­тываемой программы. В случае разработки крупного программного комплекса обосновывается необходимость проведения научно-исследовательских работ.

В результате проведения научно-исследовательской работы определя­ются структуры входных и выходных данных, осуществляется предварительный выбор методов решения задачи и обосновывается принципиальная возможность решения поставленной задачи.

Разработка и утверждение технического задания включает в себя:

Определение требований к программе;

Разработку технико-экономического обоснования разработки программы;

Определение стадий, этапов и сроков разработки программы и документации на нее;

Выбор языков программирования;

Определение необходимости проведения научно-исследовательских работ на последующих стадиях;

Согласование и утверждение технического задания.

В серьезных фирмах результатом данной фазы является общее описание системы, включающее в себя требования к программе и требования к надежности программы. Требования к программе или программному изделию дают ответы на следующие вопросы:

Какими должны быть входные данные?

Какие данные являются корректными и какие ошибочными?

Кто будет использовать программное обеспечение, и каким должен быть интерфейс (средство общения с пользователем)?

Какие упрощения, предположения и допущения можно сделать по отношению к программам?

Какими должны быть выходные данные?

Требования к надежности определяют обеспечение надежного функционирования программы. Определяются ошибки, которые необходимо выявлять, и сообщения, которые желательно выдавать пользователю при наличии ошибок. Перечисляются все особые ситуации, требующие дополнительного учета и специального рассмотрения.

Техническое задание определяет условия эксплуатации (температура окружающего воздуха, относительная влажность и т.п. для выбранных типов носителей данных), при которых должны обеспечиваться заданные характеристики, а также вид обслуживания, необходимое количество и квалификацию персонала.

Проектирование

Проектирование включает в себя два этапа: эскизный проект и техничес­кий проект. Эскизныйпроект заключается в предварительной разработке структуры входных и выходных данных и общего описания алгоритма решения задачи. При разработке технического проекта структуры входных и выходных данных уточняются и определяются их формы представления. Уточняется алгоритм решения задачи, определяется семантика и синтаксис языка програм­мирования и разрабатывается структура программы. Оба этапа сопровожда­ются пояснительной запиской и технико-экономическим обоснованием.

Процесс проектирования является важнейшей частью любой программной разработки. В соответствии с технологией нисходящего структурного программирования программный комплекс разбивается на небольшие части – программные модули. Каждая отдельная подзадача должна быть относительно независимой и представлять собой некоторый законченный модуль программы. Модульность программы является ее важным свойством. В процессе проектирования важно детально описать не только цель каждого модуля, но и потоки данных между модулями. Каждый модуль характеризуется двумя важными свойствами:

1) он имеет средства взаимодействия с внешней средой;

2) он является самостоятельной программной единицей, выполняющей определенные функции.

Частью интерфейса являются потоки данных. При описании их для каждого модуля необходимо дать ответы на следующие вопросы:

Какие данные можно передать в модуль до начала его выполнения?

Какие упрощения, предположения и допущения сделаны по отношению к модулю?

Что будет с данными после того, как модуль завершит свою работу?

На рис. 16 приведен пример описания модуля, используемого для сортировки целых чисел.

Рис. 16. Пример спецификации модуля

После разработки общей структуры программы необходимо установить, какие библиотечные средства можно использовать и какие новые процедуры необходимо разработать. Далее разрабатываются алгоритмы вновь создаваемых модулей.

Определяется схема взаимодействия программных модулей, называемая схемой потоков данных программного комплекса. Разрабатывается план и исходные данные для тестирования программных модулей и программного комплекса целиком.

Рабочий проект

Рабочий проект включает в себя разработку программы и программной документации, а также испытание программы.

Этап кодирования алгоритмов заключается в переводе алгоритмов, разработанных для каждого программного модуля, в программы на конкретном языке программирования. Этот этап не является главным в программирова­нии, хотя и продолжается на протяжении остатка жизненного цикла продукта. Если этап проектирования выполнен добросовестно, интерфейсы модулей определены верно, то кодирование осуществляется достаточно быстро.

Кодирование должно быть простым. Должен соблюдаться так называемый KISS–принцип: Keep It Simple, Stupid (делай проще, глупец!). Изощренное программирование может обойтись слишком дорого при отладке и модификации программы. Необычное кодирование (например, использование скрытых возможностей машины) часто препятствует отладке программы и, конечно, затрудняет ее использование другими программистами.

Опытные программисты создают универсальные программы. Универсаль­ностью называют независимость программы от конкретного набора данных. Например, универсальная программа использует в качестве параметров пере­мен­ные, а не константы, обрабатывает вырожденные случаи и т.д. Универсаль­ность программы экономит время по дальнейшей работе над ней и обеспечи­вает широкие возможности по использованию. Разрабатывая такие программы можно предвидеть будущие изменения в спецификациях этой программы.

Входные форматы должны быть разработаны с учетом максимального удобства для пользователя и минимальной возможности ошибок. Порядок переменных и форматы данных, привычные для пользователя, помогут избежать ошибок и облегчат использование программ. Форматы выходных данных могут сильно различаться. Иногда даются четкие инструкции и выходные данные подгоняются под определенный стандарт. Результаты расчета должны быть удобочитаемыми и понятными для непрограммиста.

После того, как модули или программа закодированы, наступает момент ее запуска на выполнение. Наиболее вероятным результатом этого будет сообщение об ошибке. Ошибка отыскивается, исправляется, и все повторяется сначала. Данный процесс называется отладкой. Отладка заключается в определении мест возникновения ошибок, выяснении причины их возникновения и устранении этих причин.

Тестирование обычно производится в два этапа. Первый – это тестирование модулей. Проверяется поведение и надежность каждого модуля. Второй этап – тестирование интеграции. Модули компонуются в общую программу, и разработчик убеждается в правильности взаимодействия модулей. Программа, управляющая работой модулей, тестируется отдельно от модулей. Сами модули в ней заменяются так называемыми “заглушками”. В “модуле–заглушке” имеется вход, выход и необходимое сообщение. Сообщение может содержать перечень переданных модулю данных.

Тестирование – это проверка программы на работоспособность. Отладка имеет место тогда, когда программа со всей очевидностью работает неправильно. Отладка начинается всегда в предвидении отказа программы. Если же оказывается, что программа работает верно, то она тестируется. Часто случается так, что после прогона тестов программа вновь должна быть подвергнута отладке. Таким образом, тестирование устанавливает факт наличия ошибки, а отладка выявляет ее причину.

Для несложного приложения тестирование может оказаться простым. Большие программы поддаются тестированию с трудом. Возможны устранения ошибок на этапе эксплуатации.

Можно привести примеры ошибок в программных комплексах, допущенных при разработке и не обнаруженных при тестировании.

В “Справочнике Microsoft Works” в интерактивной помощи пакета интегрированной обработки информации Works 2.0 функция ЕСЛИ описана как

ЕСЛИ (Условие, ЗначениеЛожь, ЗначениеИстина).

Однако, в действительности, работа данной функции должна иметь следующий вид: ЕСЛИ (Условие, ЗначениеИстина, ЗначениеЛожь). В “Руководстве пользователя Microsoft Works для Windows” пакета Works 3.0 эта ошибка исправлена.

Неудача при запуске первого американского спутника к Венере случилась, вероятнее всего, из–за ошибки в программе – вместо требуемой в операторе точки программист поставил запятую. Оператор на языке Фортран был записан

Do 50 i = 12,525

На самом же деле он должен был выглядеть следующим образом:

Do 50 i = 12.525

Причиной осложнений, возникших при возвращении на Землю советско–афганского и советско–французского экипажей, явились ошибки, допущенные в программном обеспечении бортовых компьютеров.

В 1983 году произошло наводнение в юго–западной части США. Причина заключалась в том, что в компьютер были введены неверные данные о погоде, в результате чего он дал ошибочный сигнал шлюзам, перекрывающим реку Колорадо.

Для того чтобы пользователи не попали в ситуацию, когда программа работает, но делает не то, что должна делать, проводится тестирование для выявления “скрытых” ошибок. При тестировании используются планы и данные, разрабатываемые уже на этапе проектирования. О тестировании необходимо думать на протяжении всего периода разработки программы (табл. 2).

Таблица 2

Виды и причины ошибок

Вид ошибки	Причина ошибки
Неправильная постановка задачи	Неверно сформулированная задача
Неверный алгоритм	Выбран алгоритм, приводящий к неточному или неэффективному решению задачи
Семантическая ошибка	Смысловая ошибка в программе, не связанная с нарушением синтаксиса. Например, неверно определены переменные, входные данные не согласованы с граничными значениями, предусмотренными в алгоритме, неверно используется правильно записанный оператор языка программирования и др. Ошибки этого типа обнаруживаются на этапе тестирования и отладки
Синтаксические ошибки (ошибки времени компиляции)	Ошибки программирования, заключающиеся в нарушении грамматических конструкций языка. Ошибки этого типа обнаруживаются транслятором
Ошибки времени выполнения	Ошибки, возникающие при выполнении программы. Различаются ошибки ввода–вывода (например, не найден файл, недостаточно памяти для работы программы и др.) и фатальные ошибки, приводящие к немедленному прекращению работы программы (например, деление на ноль, ошибки при проверке границ, переполнение при выполнении операций с плавающей запятой и др.)
Ошибки в данных	Неудачное определение возможного диапазона изменения входных данных
Ошибки в документах	Документация пользователя не соответствует действующему варианту программы

В процессе выполнения всех вышеописанных этапов накапливается опреде­ленный опыт, который даст основание для усовершенствования программы.

Стадия “Рабочий проект” заканчивается проведением предварительных государственных, межведомственных, приемо-сдаточных и других видов испытаний. Программная документация корректируется в соответствии с результатами испытаний.

Внедрение

Внедрение – это этап жизненного цикла программы, в котором осуществляется передача программы и программной документации заказчику. В процессе эксплуатации может возникнуть необходимость добавления в программный комплекс новых функций, устранение ошибок, обнаруженных в процессе эксплуатации, и т.д. Данный тип работ называется сопровождением.

Примером добавления новых функций в программный комплекс является текстовый редактор Лексикон 1.3. Данная версия получена из текстового процессора 1.2 путем включения в него функций – импортирование графических файлов в формате PCX в текстовые файлы.

Документация

На рис. 15 прямоугольник, отражающий каждый этап разработки програм­мы, соединен с прямоугольником “Документ”. При этом стрелки направлены в обе стороны. Идеи и решения, используемые на каждом этапе, влияют на документацию, сопровождающую этап, так же, как и документация влияет на идеи и решения.

Разработка документации начинается сразу же с момента начала разработки программного обеспечения. Документация классифицируется по своему назначению и может быть разбита на несколько групп, по крайней мере, на две группы. Первая группа документов предназначена для разработчиков программного обеспечения и специалистов, которые будут его сопровождать, а вторая – для пользователей программного обеспечения.

Первая группа в качестве основных документов включает задание на разработку программного обеспечения (техническое задание), спецификацию и описание программы.

Техническое задание должно содержать следующие разделы:

Введение;

Основания для разработки;

Назначение разработки;

Требования к программе и программному изделию;

Требования к программной документации;

Технико-экономические показатели;

Стадии и этапы разработки;

Порядок контроля и приемки.

В техническое задание допускается включать приложения, где при необходимости приводят перечень научно-исследовательских и других работ, обосновывающих разработку, схемы алгоритмов и другие документы, которые могут быть использованы при разработке.

Спецификация является основным программным документом и составляется в соответствии с ГОСТ. Спецификация представляет собой таблицу, состоящую из граф: “Обозначение”, “Наименование”, “Примечание”. В графе “Обозначение” записывают обозначения перечисляемых документов и программ. В графе “Документация” указывают наименования и вид документа или программы. В графе “Примечание” – дополнительные сведения, относящиеся к записанным в спецификации программам.

Описание программы содержит:

– прокомментированные исходные тексты (листинги) модулей программы и управляющего модуля;

– схему разбиения программного комплекса на программные модули;

– схему потоков данных программного комплекса;

– схему взаимодействия программных модулей;

– планы и данные для тестирования программного комплекса;

– другие материалы, иллюстрирующие проект, например, схемы алгоритмов.

Второй вид документов содержит информацию, необходимую для работы с программным комплексом. Эти документы могут оформляться в печатном виде и (или) “встраиваться” в программный комплекс.

Дисциплина программирования – это важный фактор успеха разработки программных продуктов. Принципы разработки программ, приведенные в последней главе, справедливы для процедурных языков программирования и для объектно-ориентированных языков.

Версия 6.0 Турбо Паскаля, выпущенная в 1990 году, наглядно продемонстрировала преимущества объектно–ориентированной технологии программирования. В комплект поставки новой версии вошла библиотека Turbo Vision, на которой многие тысячи программистов осваивали принципы ООП. За короткий срок появилось множество коммерческих программ, построенных на базе Turbo Vision. Эта библиотека поистине революционизирует процесс разработки интерактивных программ, сокращая до минимума сроки и обеспечивая высочайшее качество программ.

Эволюция технических средств персональных компьютеров привела к повсеместному вытеснению старой “доброй” ОС MS–DOS значительно более мощными системами Windows, программирование для которых существенно сложнее, чем программирование для MS–DOS. С выпуском системы Borland Pascal with Objects корпорация Borland предоставила в распоряжение программистов весьма эффективные средства разработки и отладки программ, рассчитанные на работу под управлением операционной оболочки Windows. Но все же несколько лет назад о создании своих собственных программ под Windows рядовому программисту оставалось только мечтать.

Постановка задачи. Создание любой программы начинается с постановки задачи. Изначально задача формулируется в терминах предметной области, и необходимо перевести

Рис. 26.1.

ее на язык понятий, более близких к программированию. Поскольку программист редко досконально разбирается в предметной области, а заказчик – в программировании (простой пример: требуется написать бухгалтерскую программу), постановка задачи может стать весьма непростым итерационным процессом. Кроме того, при постановке задачи заказчик зачастую не может четко и полно сформулировать свои требования и критерии.

На этом этапе также определяется среда, в которой будет выполняться программа: требования к аппаратуре, используемая ОС и другое программное обеспечение.

Постановка задачи завершается созданием технического задания, а затем внешней спецификации программы, включающей в себя:

■ описание исходных данных и результатов (типы, форматы, точность, способ передачи, ограничения) ;

■ описание задачи, реализуемой программой;

■ способ обращения к программе;

■ описание возможных аварийных ситуаций и ошибок пользователя.

Таким образом, программа рассматривается как "черный ящик", для которого определена функция и входные и выходные данные.

Выбор модели и метода решения задачи. На этом этапе анализируются условия задачи, и на этом основании строится модель задачи и определяется общий метод ее решения. При построении модели выделяются характеристики задачи, существенные с точки зрения рассмотрения, т.е. выполняется ее абстрагирование. Эти характеристики должны представляться в модели с необходимой полнотой и точностью. Иными словами, на этом этапе постановка задачи формализуется и на этой основе определяется общий метод ее решения. При наличии нескольких методов наилучший выбирается исходя из критериев сложности, эффективности, точности в зависимости от конкретных задач, стоящих перед программистом.

Разработка внутренних структур данных. Большинство алгоритмов зависят от того, каким образом организованы данные, поэтому интуитивно ясно, что начинать проектирование программы надо не с алгоритмов, а с разработки структур, необходимых для представления входных, выходных и промежуточных данных. При этом принимаются во внимание многие факторы, например ограничения на размер данных, необходимая точность, требования к быстродействию программы. Структуры данных могут быть статическими или динамическими.

При решении вопроса о том, как будут организованы данные в программе, полезно задать себе следующие вопросы.

■ Какая точность представления данных необходима?

■ В каком диапазоне лежат значения данных?

■ Ограничено ли максимальное количество данных?

■ Обязательно ли хранить их в программе одновременно?

■ Какие действия потребуется выполнять над данными?

Например, если максимальное количество однотипных данных, которые требуется обработать, известно и невелико, проще всего завести для их хранения статический массив. Если таких массивов много, сегментов данных и стека может оказаться недостаточно, и придется отвести под эти массивы место в динамической памяти.

Если максимальное количество данных неизвестно и постоянно изменяется во время работы программы, то для их хранения используют динамические структуры. Выбор вида структуры зависит от требуемых операций надданными. Например, для быстрого поиска элементов лучше всего подходит бинарное дерево, а если данные требуется обрабатывать в порядке поступления, применяется очередь.

Проектирование. Под проектированием программы понимается определение общей структуры и взаимодействия модулей.

На этом этапе применяется технология нисходящего проектирования , основная идея которого рассмотрена выше. При этом используется метод пошаговой детализации.

Можно представить себе этот процесс так, что сначала программа пишется на языке некоторой гипотетической машины, которая способна понимать самые обобщенные действия, а затем каждое из них описывается на более низком уровне абстракции и т.д. Очень важной на этом этапе является спецификация интерфейсов, т.е. определение способов взаимодействия подзадач.

Для каждой подзадачи составляется внешняя спецификация, аналогичная приведенной ранее. На этом же этапе решаются вопросы разбиения программы на модули, главным критерием при этом является минимизация их взаимодействия. Одна задача может реализовываться с помощью нескольких модулей, и наоборот, в одном модуле может решаться несколько задач. На более низкий уровень проектирования переходят только после окончания проектирования верхнего уровня. Алгоритмы записывают в обобщенной форме, например словесной, в виде обобщенных блок-схем или другими способами.

ВНИМАНИЕ

На этапе проектирования следует учитывать возможность будущих модификаций программы и стремиться проектировать программу таким образом, чтобы вносить изменения было как можно проще.

Поскольку не известно, какие изменения придется выполнить, это пожелание напоминает создание "общей теории всего"; на практике надо ограничиться разумными компромиссами. Программист исходя из своего опыта и здравого смысла решает, какие именно свойства программы может потребоваться изменить или усовершенствовать в будущем.

Процесс проектирования является итерационным, поскольку в программах реального размера невозможно продумать все детали с первого раза.

Структурное программирование. Программирование здесь рассматривается "в узком смысле", т.е. понимается как запись программы на языке программирования по готовому алгоритму. Этот процесс часто называют кодированием , чтобы отличить его от полного цикла разработки программы.

Кодирование также организуется по принципу "сверху вниз": вначале кодируются модули самого верхнего уровня и составляются тестовые примеры для их отладки. При этом на месте еще не написанных модулей следующего уровня ставятся заглушки, которые в простейшем случае просто выдают сообщение о том, что им передано управление, а затем возвращают его в вызывающий модуль. В других случаях заглушка может выдавать значения, заданные заранее или вычисленные по упрощенному алгоритму.

Таким образом, сначала создается логический скелет программы, который затем обрастает плотью кода. Казалось бы, более логично применять к процессу программирования восходящую технологию: написать и отладить сначала модули нижнего уровня, а затем объединять их в более крупные фрагменты, но этот подход имеет ряд недостатков.

Во-первых, в процессе кодирования верхнего уровня могут быть вскрыты те или иные трудности проектирования более низких уровней программы (просто потому, что при написании программы ее логика продумывается более тщательно, чем при проектировании). Если подобная ошибка обнаруживается в последнюю очередь, требуются дополнительные затраты на переделку уже готовых модулей нижнего уровня.

Во-вторых, для отладки каждого модуля, а затем более крупных фрагментов программы требуется каждый раз составлять свои тестовые примеры, и программист часто вынужден имитировать то окружение, в котором должен работать модуль. Нисходящая же технология программирования обеспечивает естественный порядок создания тестов – возможность нисходящей отладки, которая рассмотрена далее.

Этапы проектирования и программирования совмещены во времени: в идеале сначала проектируется и кодируется верхний уровень, затем – следующий и т.д. Такая стратегия применяется потому, что она снижает цену ошибки, поскольку в процессе кодирования может возникнуть необходимость внести изменения, отражающиеся на модулях нижнего уровня.

Нисходящее тестирование. Этот этап записан последним, но это не значит, что тестирование не должно проводиться на предыдущих этапах. И проектирование, и программирование обязательно должны сопровождаться написанием набора тестов – проверочных исходных данных и соответствующих им наборов эталонных реакций.

Необходимо различать процессы тестирования и отладки программы. Тестирование – это процесс, посредством которого проверяется правильность программы. Тестирование носит позитивный характер, его цель – показать, что программа работает правильно и удовлетворяет всем проектным спецификациям. Отладка – процесс исправления ошибок в программе, при котором цель исправить все ошибки не ставится. Исправляют ошибки, обнаруженные при тестировании. При планировании следует учитывать, что процесс обнаружения ошибок подчиняется закону насыщения, т.е. большинство ошибок обнаруживаются на ранних стадиях тестирования, и чем меньше в программе осталось ошибок, тем дольше искать каждую из них.

Существует две стратегии тестирования: "черный ящик" и "белый ящик". При использовании первой внутренняя структура программы во внимание не принимается и тесты составляются так, чтобы полностью проверить функционирование программы на корректных и некорректных входных воздействиях.

Стратегия "белого ящика" предполагает проверку всех ветвей алгоритма. Общее число ветвей определяется комбинацией всех альтернатив на каждом этапе. Это конечное число, но оно может быть очень большим, поэтому программа разбивается на фрагменты, после исчерпывающего тестирования которых они рассматриваются как элементарные узлы более длинных ветвей. Кроме данных, обеспечивающих выполнение операторов в требуемой последовательности, тесты должны содержать проверку граничных условий (например, переход по условию х > 10 должен проверяться для значений, больших, меньших и равных 10). Отдельно проверяется реакция программы на ошибочные исходные данные.

Недостатком стратегии "белого ящика" является то, что обнаружить с помощью нее отсутствующую ветвь невозможно, а стратегия "черного ящика" требует большого числа вариантов входных воздействий, поэтому на практике применяют сочетание обеих стратегий.

ВНИМАНИЕ

Идея нисходящего тестирования предполагает, что к тестированию программы приступают, еще до того как завершено ее проектирование. Это позволяет раньше опробовать основные межмодульные интерфейсы, а также убедиться в том, что программа в основном удовлетворяет требованиям пользователя. Только после того как логическое ядро испытано настолько, что появляется уверенность в правильности реализации основных интерфейсов, приступают к кодированию и тестированию следующего уровня программы.

Естественно, полное тестирование программы, пока она представлена в виде скелета, невозможно, однако добавление каждого следующего уровня позволяет постепенно расширять область тестирования.

Этап комплексной отладки на уровне системы при нисходящем проектировании занимает меньше времени, чем при восходящем, и приносит меньше сюрпризов, поскольку вероятность появления серьезных ошибок, затрагивающих большую часть системы, гораздо ниже. Кроме того, для каждого подключаемого к системе модуля уже создано его окружение, и выходные данные отлаженных модулей можно использовать как входные для тестирования других, что облегчает процесс тестирования. Это не значит, что модуль надо подключать к системе совсем "сырым", бывает удобно провести часть тестирования автономно, поскольку сгенерировать на входе системы все варианты, необходимые для тестирования отдельного модуля, трудно.

Каскадная модель в чистом виде применяется только для несложных программ, поскольку трудно заранее предусмотреть все детали реализации. Более реальной является схема с промежуточным контролем (рис. 26.2). Контроль, выполняемый после каждого этапа, позволяет при необходимости вернуться на любой вышележащий уровень и внести необходимые изменения.

Основная опасность использования такой схемы связана с тем, что разработка никогда не будет завершена, постоянно находясь в состоянии уточнения и усовершенствования.

Рис. 26.2.

• Под типами и форматами не имеются в виду типы языка программирования.

В последнее время резко возрос интерес к программированию. Это связано с развитием и внедрением в повседневную жизнь информационно-коммуникационных технологий. Если человек имеет дело с компьютером, то рано или поздно у него возникает желание, а иногда и необходимость программировать.

Программирование представляет собой сферу действий, направленную на создание программ. Программирование может рассматриваться как наука и как искусство.

Программы предназначены для машинной реализации задач. Программа - это последовательность команд компьютера приводящая к решению задачи. Программа является результатом интеллектуального труда, для которого характерно творчество.

В настоящее время при создании программных продуктов возникает ряд проблем, основными из которых являются следующие:

1. Быстрая смена вычислительной техники и алгоритмических языков;

2. Не стыковка ЭВМ друг с другом (VAX и IBM);

3. Отсутствие полного взаимопонимания между заказчиком и исполнителем к разработанному программному продукту.

Рассмотрим общие моменты в технологии программирования. Конечно, при разработке небольших учебных программ не все элементы этой технологии следует отрабатывать (да это и не всегда возможно no-существу), однако само ее существование должно быть осознано.

Разработка любой программы или программной системы начинается с определения требований к ней для конкретного набора пользователей и заканчивается эксплуатацией системы этими пользователями.

Существуют различные подходы и технологии разработки алгоритмов и программ. Хотя программирование в значительной степени искусство, тем не менее, можно систематизировать и обобщить накопленный профессиональный опыт. Проектирование и разработку программ целесообразно разбить на ряд последовательных этапов:

1) постановка задачи;

2) проектирование программы

3) построение модели

4) разработка алгоритма;

5) написание программы;

6) отладка программы;

7) тестирование программы;

8) документирование.

Кратко остановимся на каждом из этих этапов.

Чтобы приступить к решению задачи необходимо точно ее сформулировать. В первую очередь, это означает определение исходных и выходных данных, т.е. ответы на вопросы: а) что дано; б) что нужно найти. Дальнейшая детализация постановки задачи представляет собой ответы на серию вопросов такого рода:

Как определить решение;

Каких данных не хватает и все ли они нужны;

Какие сделаны допущения и т. п.

Таким образом, кратко можно сказать, что на этапе постановки задачи необходимо:

Описание исходных данных и результата;

Формализация задачи;

Описание поведения программы в особых случаях (если таковые есть).

В ходе этой работы выявляются свойства, которыми должна обладать система в конечном виде (замысел), описываются функции системы, характеристики интерфейса.

Проектирование программы . Сначала производится проектирование архитектуры программной системы. Следующим шагом является детальное проектирование. На этом этапе происходит процедурное описание программы, выбор и оценка алгоритма для реализации каждого модуля. Входной информацией для проектирования являются требования и спецификации системы.

Для проектирования программ существуют различные подходы и методы. Современный подход к проектированию основан на декомпозиции, которая, в свою очередь, основана на использовании абстракции. Целью при декомпозиции является создание модулей, которые взаимодействуют друг с другом по определенным и простым правилам. Декомпозиция используется для разбиения программы на компоненты, которые затем могут быть объединены.

Методы проектирования архитектуры делятся на две группы:

1)ориентированные на обработку

2)ориентированные на данные.

Методы, ориентированные на обработку , включают следующие общие идеи.

а) Модульное программирование.

Основные концепции:

Каждый модуль реализует единственную независимую функцию;

Имеет единственную точку входа/выхода;

Размер модуля минимизируется;

Каждый модуль разрабатывается независимо от других модулей;

Система в целом построена из модулей.

Исходя из этих принципов каждый модуль тестируется отдельно, затем после кодирования и тестирования происходит их интеграция и тестируется вся система.

б) Функциональная декомпозиция.

Подобна стратегии «разделяй и управляй». Практически является декомпозицией в форме пошаговой детализации и концепции скрытия информации.

в) Проектирование с использованием потока данных.

Использует поток данных как генеральную линию проектирования программы.

Содержит элементы структурного проектирования сверху-вниз с пошаговой детализацией.

г) Технология структурного анализа проекта.

Основана на структурном анализе с использованием специальных графических средств построения иерархических функциональных связей между объектами системы. Эффективна на ранних стадиях создания системы, когда диаграммы просты и читаемы.

Методы проектирования, основанные на использовании структур данных , описаны ниже.

а) Методология Джексона.

Здесь структура данных - ключевой элемент в построении проекта. Структура программы определяется структурой данных, подлежащих обработке. Программа представляется как механизм, с помощью которого входные данные преобразуются в выходные.

б) Методология Уорнера.

Подобна предыдущей, но процедура проектирования более детализирована.

в) Метод иерархических диаграмм.

В этом методе определяется связь между входными, выходными данными и процессом обработки с помощью иерархической декомпозиции системы (без детализации). По сути используются три элемента: вход, обработка, выход.

г) Объектно-ориентированная методология проектирования.

Основана на концепции упрятывания информации и абстрактных типов данных. Ключевое понятие - объект. Каждый объект содержит некоторую структуру данных с набором процедур, предназначенных для работы с этими данными. По этой методологии создаются абстракции по заданной проблемной области.

Построение модели в большинстве случаев является непростой задачей. Чтобы приобрести опыт в моделировании, необходимо изучить как можно больше известных и удачных моделей.

При построении моделей, как правило, используют два принципа: дедуктивный (от общего к частному) и индуктивный (от частного к общему).

Рис. 3.1. Схема построения модели при дедуктивном способе

При дедуктивном подходе (рис. 3.1) рассматривается частный случай общеизвестной фундаментальной модели. Здесь при заданных предположениях известная модель приспосабливается к условиям моделируемого объекта. Например, можно построить модель свободно падающего тела на основе известного закона Ньютона ma = mg – F сопр и в качестве допустимого приближения принять модель равноускоренного движения для малого промежутка времени.

Рис. 3.2. Схема построения модели при индуктивном способе

Индуктивный способ (рис. 3.2) предполагает выдвижение гипотез, декомпозицию сложного объекта, анализ, затем синтез. Здесь широко используется подобие, аналогичное моделирование, умозаключение с целью формирования каких-либо закономерностей в виде предположений о поведении системы.

Технология построения модели при индуктивном способе:

1) эмпирический этап

Умозаключение;

Интуиция;

Предположение;

Гипотеза.

2)постановка задачи для моделирования;

3)оценки; количественное и качественное описание;

4)построение модели.

Разработка алгоритма - самый сложный и трудоемкий процесс, но и самый интересный в творческом отношении. Выбор метода разработки зависит от постановки задачи, ее модели.

При построении алгоритма для сложной задачи используют системный подход с использованием декомпозиции (нисходящее проектирование сверху-вниз) и синтеза (программирование снизу-вверх). Как и при разработке структуры любой сложной системы, при формировании алгоритма используют дедуктивный и индуктивный методы.

При дедуктивном подходе рассматривается частный случай общеизвестных алгоритмических моделей. Здесь при заданных предположениях известный алгоритм приспосабливается к условиям решаемой задачи. Например, многие вычислительные задачи линейной алгебры, в частности, нелинейные уравнения, системы алгебраических уравнений и т.п., могут быть решены с использованием известных методов и алгоритмов, для которых существует множество специальных библиотек подпрограмм, модулей. В настоящее время получили распространение специализи-эованные пакеты, позволяющие решать многие задачи (Mathcad, Autocad и т.п.).

Индуктивный способ предполагает эвристический системный подход (декомпозиция - анализ - синтез). В этом случае общих и наиболее удачных методов не существует. Возможны некоторые подходы, позволяющие в каждом конкретном случае находить и строить алгоритмы. Методы разработки алгоритмов можно разбить на методы частных целей, подъема, отрабатывания назад, ветвей и границ и т.п.

Одним из системных методов разработки алгоритмов является структурное программирование.

Структурное программирование основано на использовании блок-схем, формируемых с помощью управляющих структурных элементов.

Выделяют три базовых структурных элемента (управляющие структуры): композицию, альтернативу, итерацию.

Композиция – это линейная конструкция алгоритма, составленная из последовательно следующих друг за другом функциональных вершин:

begin S1; S2; end

Альтернатива – это конструкция ветвления, имеющая предикатную вершину. Конструкция ветвления в алгоритмах может быть представлена в виде развилки:

if B then S1 else S2

и неполной развилки:

Итерация – это циклическая конструкция алгоритма, которая, вообще говоря, является составной структурой, состоящей из композиции и альтернативы. Итерации могут быть представлены в двух формах: с предусловием:

и с постусловием:

repeat S1 until B

Каждая из рассмотренных структур имеет один вход и один выход. Поэтому любая компьютерная программа может быть представлена блок-схемой, сформированной из представленных трех управляющих структур.

Процесс структурного программирования обычно начинается с разработки блок-схемы.

Идея структурного программирования сверху-вниз предполагает процесс пошагового разбиения алгоритма (блок-схемы) на все более мелкие части до уровня элементарных конструкций, для которых можно составить конкретные команды.

Для иллюстрации технологии структурного программирования сверху-вниз рассмотрим пример.

Пример. Технология разработки программы решения квадратного уравнения.

На рис. 3.3 проиллюстрирована пошаговая детализация процесса построения алгоритма. Заметим, что для начального шага разработки программы имеем в качестве входных данных коэффициенты а, b, с квадратного уравнения ах 2 + bх + с = 0, а на выходе - значения двух корней х1, х2.

Зачастую используют альтернативный процедуре сверху-вниз метод структурного программирования снизу-вверх. По сути мы приходим к конечному результату системным методом. Сначала разбиваем задачу на отдельные блоки (модули) с их связями между собой (декомпозиция), затем, после их разработки, проводим сборку блоков в единую программу (синтез). Принцип снизу-вверх широко распространен среди программистов, которые предпочитают модульный подход, предполагающий максимальное использование стандартных и специализированных библиотек процедур, функций, модулей и объектов.

На этапе написания программы по разработанному алгоритму на выбранном языке программирования составляется программа.

Отладка программы – это процесс обнаружения и исправления ошибок. Программные ошибки можно разделить на два класса: синтаксические (синтаксис языка программирования) и алгоритмические (логические). Синтаксические ошибки выявляются в процессе компилировании программы – это наиболее простые с точки зрения исправления ошибки. Алгоритмические ошибки программы выявить гораздо труднее: программа работает, а результат выдает неправильный. Для обнаружения ошибок этого класса требуется этап тестирования программы.

Тестирование - это процесс исполнения программ с целью выявления (обнаружения) ошибок.

Существуют различные способы тестирования программ.

Тестирование программы как «черного ящика» (стратегия «черного ящика» определяет тестирование с анализом входных данных и результатов работы программы). Критерием исчерпывающего входного тестирования является использование всех возможных наборов входных данных.

Тестирование программы как «белого ящика» заключается в стратегии управления логикой программы, позволяет использовать ее внутреннюю структуру. Критерием выступает исчерпывающее тестирование всех маршрутов и управляющих структур программы.

Разумная и реальная стратегия тестирования - сочетание моделей «черного» и «белого ящиков».

Принципы тестирования:

Описание предполагаемых значений выходных данных или результатов должно быть необходимой частью тестового набора;

Тесты для неправильных и непредусмотренных входных данных следует разрабатывать так же тщательно, как для правильных и предусмотренных;

Необходимо проверять не только делает ли программа то, для чего она предназначена, но и не делает ли она то, что не должна делать;

При разработке программ очень полезным бывает метод «ручного тестирования» без компьютера на основе инспекции и сквозного просмотра (тестирование «всухую»).

Инспекция и сквозной просмотр - это набор процедур и приемов обнаружения ошибок при чтении текста.

Основные типы ошибок, встречающихся при программировании:

Обращения к переменным, значения которым не присвоены или не инициализированы;

Выход индексов за границы массивов;

Несоответствие типов или атрибутов переменных величин;

Явные или неявные проблемы адресации памяти;

Ошибочные передачи управления;

Логические ошибки.

При проектировании процедуры тестирования предусматривают серии тестов, имеющих наивысшую вероятность обнаружения большинства ошибок. Для целей исчерпывающего тестирования создают эквивалентные разбиения входных параметров, причем предусматривают два класса: правильные входные данные и неправильные (ошибочные входные значения). Для каждого класса эквивалентности строят свой тест. Классом эквивалентности тестов можно назвать такое множество тестов, что выполнение алгоритма на одном из них гарантирует аналогичный результат прогона для других.

Особое внимание необходимо уделять тестам на граничных условиях. Граничные условия - это ситуации, возникающие непосредственно на, выше или ниже границ входных и выходных классов эквивалентности (т.е. вблизи границ эквивалентных разбиений).

Сам процесс тестирования может быть пошаговым и/или монолитным. В том и в другом случае используют стратегии нисходящего тестирования, - начиная с верхнего, головного модуля, и затем подключая последовательно другие модули (аппарат заглушек), и восходящего тестирования, начиная с тестирования отдельных модулей.

В процессе отладки программы используют метод грубой силы - использование выводов промежуточных данных по всей программе (трассировка) или использование автоматических средств. Например, в Турбо-Паскале имеется в наличии мощный аппарат автоматической отладки программ (режим DEBUG).

Из всего выше сказанного следует, что тестирование заключается в составлении наборов тестов (входные данные – ожидаемый результат), которые бы охватывали все ветки прохождения алгоритма.

Есть золотое правило программистов - оформляй свои программы в том виде, в каком бы ты хотел видеть программы, написанные другими. К каждому конечному программному продукту необходимо документированное сопровождение в виде помощи (help), файлового текста (readme.txt).

Контрольные вопросы

1. Перечислите этапы создания программ.

2. Что выполняется на этапе постановки задачи?

3. Что представляет собой декомпозиция?

4. Какие принципы используются на этапе построения модели?

5. На каких принципах основано структурное программирование?

6. Какие базовые структурные элементы выделяют в структурном программировании?

7. Какие две формы итерации (как элемент структурного программирования) вы знаете?

8. Что собой представляет идея структурного программирования сверху-вниз?

9. Что собой представляет идея структурного программирования снизу-вверх?

10. Что такое отладка программы?

11. Какие классы программных ошибок вы знаете и когда они выявляются?

12. Назначение тестирования программы?

13. Какие способы тестирования вы знаете?

14. Чем отличается стратегия «белого ящика» в тестировании от стратегии «черного ящика»?