Технология разработки программного обеспечения
Технологический раздел
Технология разработки программного обеспечения
3.1.1 Определение процессов предметной области
В настоящее время во все сферы деятельности человека широко внедря- ются информационные технологии. Это приводит к разработке огромного ко- личества программных средств (ПС) различного функционального назначения. При этом объем и сложность используемых ПС постоянно возрастают. В этой связи многие подходы к разработке ПС, применяемые на началь- ных этапах развития вычислительной техники, теряют свои позиции, поскольку не позволяют в полной мере получить ПС необходимого уровня качества за за- данный промежуток времени при ограниченных финансовых, людских и тех- нических ресурсах. Связано это с рядом причин. Во-первых, интуитивный поход к разработке ПС, основанный на знаниях, умениях и талантах отдельных программистов-одиночек, не позволяет разраба- тывать сложные ПС и противоречит принципам их коллективной разработки. Во-вторых, использование коллективных методов разработки требует структурированного подхода к понятиям жизненного цикла (ЖЦ) и модели жизненного цикла программных средств (ЖЦ ПС). В противном случае возни- кают существенные риски не довести проект до конца или не получить продукт с заданными свойствами. В-третьих, используемые методологии разработки ПС с ростом сложно- сти и критичности последних перестают удовлетворять целям и задачам, стоя- щим перед их разработчиками. В-четвертых, рост сложности и объема разрабатываемых ПС автоматиче- ски приводит к появлению достаточно сложных в применении методологий анализа, проектирования и последующих этапов разработки. Использование та- ких методологий становится невозможным без применения инструментальных средств их поддержки. Вышеназванные причины зачастую приводят к неудовлетворительным результатам выполнения проектов.
3.1.2 Процессы управления проектами
Модульное проектирование является одним из первых подходов к разра- ботке структуры ПС и уже несколько десятилетий сохраняет свои позиции как в качестве классического подхода, так и в качестве основы для современных технологий разработки ПС. При разработке модульных ПС могут использоваться методы структур- ного проектирования или методы объектно-ориентированного проектирова- ния. Их целью является формирование структуры создаваемой программы – ее разделение по некоторым установленным правилам на структурные компонен- ты (модуляризация) с последующей иерархической организацией данных ком- понентов. Для различных языков программирования такими компонентами мо- гут быть подпрограммы, внешние модули, объекты и т.п. Обзор методов объектно-ориентированного анализа и проектирования приведен в разд. 6. В данном разделе рассмотрены методы структурного проек- тирования. Такие методы ориентированы на формирование структуры про- граммного средства по функциональному признаку. Классическое определение идеальной модульной программы формулиру- ется следующим образом. Модульная программа – это программа, в которой любую часть логической структуры можно изменить, не вызывая изменений в ее других частях
Рисунок 3.1 - Наложение групп процессов в фазе
Рисунок 3.2 - Взаимосвязи групп процессов управления проектом в фазе
В реальном проекте фазы могут не только предшествовать друг другу, но и накладываться. Повторение инициации на разных фазах проекта помогает контролировать актуальность выполнения проекта. Если необходимость его осуществления отпала, очередная инициация позволяет вовремя это установить и избежать излишних затрат.
3.1.3 Технология быстрой разработки приложений
Выбранная для создания дипломного проекта среда разработки Delphi использует технологиюRAD(Rapid Application Development – быстрая разработка приложений). Это означает разработку программного обеспечения в специальной инструментальной среде и основывается на визуализации процесса создания программного кода. Средства быстрой разработки приложений основываются на компонентной архитектуре. При этом компонентыявляются объектами, объединяющими данные, свойства и методы. Компоненты могут быть как визуальными, так и невизуальными; атомарными и контейнерными (содержащими другие компоненты); низкоуровневыми (системными) и высокоуровневыми.
При визуальном проектировании пользователю предоставляется возможность выбора необходимых компонентов из некоторого набора (палитры) с последующим заданием их свойств. Для обозначения инструментов визуального проектирования используется широкий набор терминов [8], включающих: конструктор компоновки, конструктор форм, визуальный редактор, проектировщик экрана, проектировщик форм, конструктор графического пользовательского интерфейса и т.д. Процедура разработки интерфейса средствами RAD сводится к набору последовательных операций, включающих:
- размещение компонентов интерфейса в нужном месте;
- задание моментов времени их появления на экране;
- настройку связанных с ними атрибутов и событий.
Эффективность визуального программирования определяется не столько наличием самих визуальных компонентов, сколько их взаимосвязью и взаимодействием традиционными средствами. Даже если среда программирования не содержит достаточного количества требуемых компонентов, она все равно будет востребована, если позволяет самостоятельно разрабатывать необходимые компоненты или использовать имеющиеся средства сторонних производителей, альтернативные отсутствующим в ней.
Другими словами, технология быстрой разработки программных средств основывается на интегрированной среде программирования, с помощью которой выполняются процессы проектирования, отладки и тестирования прикладных программных продуктов.
3.1.4 Жизненный цикл программы формирования пакета документов
Модель жизненного цикла это структура, определяющая последовательность осуществления процессов, действий и задач, выполняемых на протяжении жизненного цикла прикладного программного обеспечения, а также взаимосвязи между этими процессами, действиями и задачами. Для разработки программы использовалась модель «waterfall». Эта модель демонстрирует классический подход к разработке различных систем в любых прикладных областях. В ней предусматривается последовательная организация работ. Основной особенностью является деление всей разработки на этапы, причем переход с одного этапа на следующий происходит только после полного завершения всех работ на предыдущем этапе.
Разработка программы осуществлялась в несколько этапов:
- анализ требований заказчика: на этом этапе были определены проблемы, возникающие в процессе эксплуатации аналогичного программного обеспечения и сформулировано техническое задание, представленное в исследовательском разделе дипломного проекта;
- проектирование: разработаны проектные решения, удовлетворяющие всем требованиям, сформулированным в техническом задании. Создана база данных, структурная схема и алгоритмы модулей программы, представленные в специальном разделе дипломного проекта;
- разработка программного обеспечения: осуществлена разработка программного обеспечения в соответствии с проектными решениями предыдущего этапа. На этом этапе созданы необходимые модули программы. Некоторые из разработанных модулей представлены на рисунке 3.3. Результатом выполнения данного этапа является готовый программный продукт;
- тестирование и опытная эксплуатация: проведена проверка полученного программного обеспечения на соответствия требованиям, заявленным в техническом задании;
- сдача готового продукта.
Рисунок 3.3 – Модули разрабатываемой программы
Признаки модульности программ: 1) программа состоит из модулей. Данный признак для модульной про- граммы является очевидным; 2) модули являются независимыми. Это значит, что модуль можно изме- нять или модифицировать без последствий в других модулях; 3) условие «один вход – один выход». Модульная программа состоит из модулей, имеющих одну точку входа и одну точку выхода. В общем случае может быть более одного входа, но важно, чтобы точки входов были определе- ны и другие модули не могли входить в данный модуль в произвольной точке. Достоинства модульного проектирования: 1) упрощение разработки ПС; 2) исключение чрезмерной детализации обработки данных; 3) упрощение сопровождения ПС; 4) облегчение чтения и понимания программ; 5) облегчение работы с данными, имеющими сложную структуру. Недостатки модульности: 1) модульный подход требует большего времени работы центрального процессора (в среднем на 5 – 10 %) за счет времени обращения к модулям; 2) модульность программы приводит к увеличению ее объема (в среднем на 5 – 10 %);97 3) модульность требует дополнительной работы программиста и опреде- ленных навыков проектирования ПС. Классические методы структурного проектирования модульных ПС делятся на три основные группы [22]: 1) методы нисходящего проектирования; 2) методы расширения ядра; 3) методы восходящего проектирования. На практике обычно применяются различные сочетания этих методов. Резюме В идеальной модульной программе любую часть логической структуры можно изменить, не вызывая изменений в ее других частях. Идеальная модуль- ная программа состоит из независимых модулей, имеющих один вход и один выход. Модульные программы имеют достоинства и недостатки. Существует три группы классических методов проектирования модульных ПС.
3.1.5 Методология, технология и инструментальные средства разработки прикладного программного обеспечения
Методология, технология и инструментальные средства (CASE-средства) составляют основу проектирования любой – программной, технической, информационной – систем. Применительно к ПО, методология реализуется через конкретные технологии и поддерживающие их стандарты, методики и инструментальные средства, которые обеспечивают выполнение процессов жизненного цикла программных продуктов.
Методология создания прикладных программ заключается в организации процесса построения ПО и обеспечении управления этим процессом для того, чтобы гарантировать выполнение требований как к самой системе, так и к характеристикам процесса разработки.
Основное содержание технологии проектирования составляют технологические инструкции, состоящие из описания последовательности технологических операций, условий, в зависимости от которых выполняется та или иная операция, и описании самих операций.
Каждая технологическая операция должна быть обеспечена данными, полученными на предыдущей операции (или исходными данными); методическими материалами, инструкциями, нормативами, стандартами; программными и техническими средствами. Результаты выполнения операции должны представляться в некотором определенном стандартном виде, обеспечивающем их адекватное восприятие при выполнении последующих технологических операций.
Инструментальные средства автоматизированной разработки прикладных программ принято называть CASE-средствами (Computer Aided Software/SystemEngineering). В настоящее время значение этого термина расширилось и приобрело новый смысл, охватывающий процесс разработки сложных информационных систем в целом. Теперь под термином CASE-средства понимаются программные средства, поддерживающие процессы создания и сопровождения информационных систем, включая анализ и формулировку требований, проектирование прикладного программного обеспечения и баз данных, генерацию кода, тестирование, документирование, обеспечение качества, конфигурационное управление и управление проектом, а также другие процессы.
RAD – это комплекс специальных инструментальных средств быстрой разработки прикладных программных систем, оперирующих с определенным набором графических объектов, функционально отображающих отдельные информационные компоненты приложений. При использовании этой методологии большое значение имеют опыт и профессионализм разработчиков.
Основные принципы методологии RAD можно свести к следующему [8]:
- используется итерационная модель разработки, причем полное завершение работ на каждом из этапов жизненного цикла не обязательно;
- в процессе разработки необходимо тесное взаимодействие с заказчиком и будущими пользователями;
- необходимо применение CASE-средств и средств быстрой разработки приложений;
- необходимо применение средств управления конфигурацией, облегчающих внесение изменений в проект и сопровождение готовой системы;
- тестирование и развитие проекта осуществляются одновременно с разработкой;
- разработка ведется немногочисленной и хорошо управляемой командой профессионалов, при этом необходимо грамотное руководство разработкой системы, четкое планирование и контроль выполнения работ.
Инструментальные средства RAD обладают удобным графическим интерфейсом и позволяют на основе стандартных объектов формировать простые приложения практически без написания программного кода. Это в значительной степени сокращает рутинную работу по разработке интерфейсной части приложений, т.к. при использовании обычных средств разработка интерфейсов представляет собой достаточно трудоемкую задачу, отнимающую много времени. Таким образом, инструменты RAD позволяют разработчикам сконцентрировать усилия на сущности реальных процессов предметной области объекта программирования, что в конечном итоге приводит к повышению качества разрабатываемой системы.
Визуальные средства разработки ПО оперируют в первую очередь со стандартными интерфейсными объектами и элементами управления – окнами, списками, текстами, кнопками, переключателями, флажками, меню и т. п., которые позволяют легко преобразовывать информацию, отображать ее на экране монитора, осуществляется управление отображаемыми данными. Все эти объекты могут быть стандартным образом описаны средствами языка, а сами описания сохранены для дальнейшего повторного использования.
Логика приложения, построенного с помощью RAD, является событийно-ориентированной, т.е. управление объектами осуществляется с помощью событий. Это означает следующее: каждый объект, входящий в состав приложения, может генерировать события и реагировать на события, генерируемые другими объектами. Примерами событий могут быть: открытие и закрытие окон, нажатие кнопки или клавиши клавиатуры, движение мыши, изменение данных в базе данных и т. п. Разработчик реализует логику приложения путем определения обработчикакаждого события – процедуры, выполняемой объектом при наступлении соответствующего события. Например, обработчик события "нажатие кнопки" может открыть диалоговое окно.
Несмотря на все свои достоинства, методология RAD не может претендовать на универсальность. Ее применение наиболее эффективно при разработке сравнительно небольших ПО. При разработке же типовых систем, не являющихся законченным продуктом, а представляющих собой совокупность типовых элементов (например, средств автоматизации проектирования), большое значение имеют такие показатели проекта, как управляемость и качество, которые могут войти в противоречие с простотой и скоростью разработки. Это связано с тем, что типовые системы обычно централизованно сопровождаются и могут быть адаптированы к различным программно-аппаратным платформам, системам управления базами данных, коммуникационным средствам, а также интегрироваться с существующими разработками. Поэтому для такого рода проектов необходим высокий уровень планирования и жесткая дисциплина проектирования, строгое следование заранее разработанным протоколам и интерфейсам, что снижает скорость разработки.
Ограничено применение методологии RAD для построения сложных расчетных программ, операционных систем или программ управления сложными инженерно-техническими объектами – программ, требующих написания большого объема уникального кода. Методология RAD мало эффективна для разработки приложений, в которых интерфейс пользователя является вторичным, то есть отсутствует наглядное определение логики работы ПО. Примерами могут служить приложения реального времени, драйверы или утилиты.
Совершенно неприемлема методология RAD для разработки систем, от которых зависит безопасность людей, например, систем управления транспортом или атомных электростанций. Это обусловлено тем, что итеративный подход, являющийся одной из основ RAD, предполагает, что первые версии системы не будут полностью работоспособны, что в данном случае может привести к серьезнейшим катастрофам.
3.2 Технологиятестирования программного обеспечения
Индустрия программного обеспечения постоянно пытается решить вопрос качества, но насколько значимы ее успехи, на данный момент сказать довольно сложно. В дипломном проекте идет речь о новом поколении инструментов тестирования, которые призваны повысить качество программ. Однако инструменты, даже автоматические, не в состоянии помочь, если их используют неправильно. Поэтому обсуждение инструментов предваряет изложение общих положений «правильного» тестирования.
Качество разрабатываемой программы можно повысить следующим путём: cобрать команду хороших программистов с опытом участия в аналогичных проектах, дать им хорошо поставленную задачу, хорошие инструменты, создать хорошие условия работы. С большой вероятностью можно ожидать, что удастся разработать программную систему с хорошим качеством.
Наиболее дорогие ошибки совершаются на первых фазах жизненного цикла - это ошибки в определении требований, выборе архитектуры, высокоуровневом проектировании. Поэтому надо концентрироваться на поиске ошибок на всех фазах, включая самые ранние, не дожидаясь, пока они обнаружатся при тестировании уже готовой реализации.
Модульному тестированию подвергаются небольшие модули (процедуры, классы и т.п.). При тестировании относительно небольшого модуля размером 100 - 1000 строк есть возможность проверить, если не все, то, по крайней мере, многие логические ветви в реализации, разные пути в графе зависимости данных, граничные значения параметров. В соответствии с этим строятся критерии тестового покрытия (покрыты все операторы, все логические ветви, все граничные точки и т.п.).
Полностью реализованный программный продукт подвергается системному тестированию. На данном этапе тестировщика интересует не корректность реализации отдельных процедур и методов, а вся программа в целом, как ее видит конечный пользователь. Основой для тестов служат общие требования к программе, включая не только корректность реализации функций, но и производительность, время отклика, устойчивость к сбоям, ошибкам пользователя и т.д. Для системного и компонентного тестирования используются специфические виды критериев тестового покрытия (например, покрыты ли все типовые сценарии работы, все сценарии с нештатными ситуациями, попарные композиции сценариев и прочее).
Итак, качество ПС – совокупность наиболее существенных качественных показателей (факторов) в достаточной степени характеризующих ПС. К общим факторам относят [8]:
- функциональность – как набор функций, реализующих установленные или предполагаемые потребности пользователей;
- корректность – соответствие реализации системы ее спецификации и непротиворечивости;
- интерфейс – как средство общения с пользователями системы;
- открытость – характеризующая модифицируемость системы;
- комфортность – характеризующая удобность использования ПС;
- современность - характеризующая степень использования современных информационных технологий представления информации и систем связи на текущий момент времени.
Необходимо также отметить, что проверка достоверности ПС – процесс проведения комплекса мероприятий, исследующих пригодность программы для успешной её эксплуатации (применения и сопровождения) в соответствии с требованиями заказчика.
На основе информации, полученной во время испытаний программы, прежде всего должно быть установлено, что она выполняет декларированные функции, а также должно быть установлено, в какой степени она обладает декларированными примитивами и критериями качества. Таким образом, оценка качества программы является основным содержанием процесса аттестации.
Необходимость и важность тестирования программного обеспечения трудно переоценить. Вместе с тем следует отметить, что тестирование является сложной и трудоемкой деятельностью. Далее рассмотрены особенности тестирования объектно-ориентированного программного обеспечения.
Разработка объектно-ориентированного ПО начинается с создания визуальных моделей, отражающих статические и динамические характеристики будущей системы. Вначале эти модели фиксируют исходные требования заказчика, затем формализуют реализацию этих требований путем выделения объектов, которые взаимодействуют друг с другом посредством передачи сообщений. На конструирование моделей приходится большая часть затрат объектно-ориентированного процесса разработки. Если к этому добавить, что цена устранения ошибки стремительно растет с каждой итерацией разработки, то совершенно логично требование тестировать объектно-ориентированные модели анализа и проектирования.
Критерии тестирования моделей: правильность, полнота, согласованность. О синтаксической правильности судят по правильности использования языка моделирования. О семантической правильности судят по соответствию модели реальным проблемам. Для определения того, отражает ли модель реальный мир, она оценивается экспертами, имеющими знания и опыт в конкретной проблемной области.
О согласованности судят путем рассмотрения противоречий между элементами в модели. Несогласованная модель имеет в одной части представления, которые противоречат представлениям в других частях модели.
При рассмотрении объектно-ориентированного тестирования наименьшим тестируемым элементом является объект (класс). В данном случае нельзя тестировать отдельную операцию изолированно, как это принято в стандартном подходе к тестированию модулей. Любую операцию приходится рассматривать как часть класса. Объектно-ориентированное программное обеспечение не имеет иерархической управляющей структуры, поэтому здесь неприменимы методики как восходящего, так и нисходящего тестирования.
Предлагается две методики тестирования объектно-ориентированных систем:
- тестирование, основанное на потоках;
- тестирование, основанное на использовании.
В первой методике объектом тестирования является набор классов, обслуживающих единичный ввод данных в систему. Иными словами, средства обслуживания каждого потока интегрируются и тестируются отдельно. По второй методике вначале тестируются независимые классы. Далее работают с первым слоем зависимых классов, со вторым слоем и т.д.
При проверке правильности исчезают подробности отношений классов. Как и традиционное подтверждение правильности, подтверждение правильности объектно-ориентированного программного обеспечения ориентировано на видимые действия пользователя и распознаваемые пользователем выводы из системы.