Файл: Основы проектирования программ. Этапы создания программного обеспечения. (Общие положения теории проектирования).pdf
Добавлен: 28.04.2023
Просмотров: 269
Скачиваний: 2
Введение.
Появление первых компьютеров породило программирование как науку. Разрабатывались первые математические теории обработки информации, средства доказательства правильности программ, оптимизации кода, создания эффективных компиляторов, формального тестирования и т. д. Затем, с появлением универсальных языков программирования третьего поколения, эти аспекты стали менее актуальными — исследования шли и идут в основном в области автоматической генерации исходных текстов и повышения эффективности компиляторов. Программирование превратилось в искусство — миллионы людей, не имевших специального образования, получили возможности применять компьютеры для решения собственных прикладных задач, что потребовало от них мастерства создавать правильно работающие программы. Искусством программирование остается и сегодня для профессиональных разработчиков и любителей, создающих программы в одиночку или в небольших компаниях, где все решает индивидуальное мастерство. Вместе с тем, при росте спроса со стороны государственных и частных организаций на все более и более сложные системы автоматизации предприятий, надежные операционные среды, комплексы глобального телекоммуникационного управления, возникла необходимость в постановке процесса разработки программного обеспечения (ПО) на поток, превращения программирования в ремесло. Было разработано несколько методологий и стандартов, позволивших эффективно организовывать труд сотен программистов средней квалификации, точно укладываться в отпущенные сроки и средства и не зависеть от настроения нескольких талантливых ведущих специалистов. Отрицательная сторона подобных методологий — отсутствие творческого элемента в работе и своеобразная конвейерная «потогонная» система промышленного производства программ, которая, будучи внедренной в организации, в условиях жесточайшего дефицита программистов во всем мире может только отпугнуть сотрудников.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Программный продукт — программа, которую можно запускать, тестировать, исправлять и развивать. Такая программа должна быть написана в едином стиле, тщательно оттестирована до требуемого уровня надежности, сопровождена подробной документацией и подготовлена для тиражирования.
Программное изделие — программа на носителе данных, являющаяся продуктом промышленного производства. Термин утвержден Государственным стандартом.
Программное обеспечение автоматизированных систем — совокупность программ на носителях данных и программных документов, предназначенная для отладки, функционирования и проверки работоспособности автоматизированных систем.
Автоматизированная система (АС) — организационно-техническая система, обеспечивающая выработку решений на основе автоматизации информационных процессов в различных сферах деятельности (управление, проектирование, производство и т. д.) или их сочетаниях, система, состоящая из персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности, реализующая информационную технологию выполнения установленных функций.
Проектирование — это разработка проекта, процесс создания спецификации, необходимой для построения в заданных условиях еще несуществующего объекта на основе первичного описания этого объекта. Результатом проектирования является проектное решение или совокупность проектных решений, удовлетворяющих заданным требованиям. Заданные требования обязательно должны включать форму представления решения.
Спецификация в сфере проектной деятельности — это какое-либо описание в точных терминах.
Проектным документом называют документ, выполненный по заданной форме, в котором представлено какое-либо проектное решение. В программировании проектные решения оформляются в виде программной документации. Различают внешнюю программную документацию, которая согласуется с заказчиком, и внутреннюю промежуточную документацию проекта, которая необходима самим программистам для их работы.
Проект (от лат. projectus — брошенный вперед) — совокупность проектных документов в соответствии с установленным перечнем, которая представляет результат проектирования.
Проектной ситуацией называют реальность (ситуацию), в которой ведется проектирование. Паровоз и электровоз проектировались в разных проектных ситуациях, определенных уровнем знаний человечества. Именно поэтому XIX в. стал веком паровоза.
Любая задача характеризуется необходимостью преобразования некоторой исходной ситуации в ситуацию, называемую решением. Говоря о любой задаче, всегда имеем ее информационные элементы:
— информация об условии (условие задачи) — что задано;
— информация о решении (признаки исходной ситуации) — что требуется получить;
— информация о технологии преобразования условия в решение — как решить.
Методики проектирования излагаются в виде описаний проектных процедур и проектных операций.
Алгоритм — строго однозначно определенная для исполнителя последовательность действий, приводящих к решению задач.
Псевдокод – алгоритмический язык, максимально приближенный к естественному;
Ветвления и циклы – изменяют последовательное выполнение команд;
Переменная – именованная область в памяти компьютера, в которую могут записываться различные числовые или символьные значения;
Присваивание – операция записи значения в переменную;
Конечность. Алгоритм всегда должен заканчиваться после выполнения конечного числа шагов.
Определенность. Каждый шаг алгоритма должен быть точно определен.
Наличие входных данных. Алгоритм имеет некоторое число входных данных, задающихся до начала его работы или определяющихся динамически во время его выполнения.
Наличие выходных данных. Алгоритм имеет одно или несколько выходных данных, имеющих определенную связь с входными данными.
Эффективность. Алгоритм обычно считается эффективным, если его операторы достаточно просты для того, чтобы их можно было точно выполнить при помощи карандаша и бумаги в течение конечного промежутка времени.
Термин «эвроритм» науки эвристика образован от легендарного возгласа Архимеда «Эврика!», что в переводе с греческого означает «нашел, открыл». Алгоритм в процессе выполнения не изменяется бездумным исполнителем (процессором). В отличие от алгоритма эвроритм выполняется мыслящим человеком, который может усовершенствовать порядок своей работы в процессе ее выполнения. Эвроритм может включать алгоритмы. Например, инструкция пользования программой — это эвроритм, особенно если одни и те же действия можно выполнить разными способами (через пункт меню или нажатием кнопки).
Эвристика — наука, раскрывающая природу мыслительных операций человека при решении конкретных задач независимо от их конкретного содержания. В более узком смысле эвристика — это догадки, основанные на опыте решения родственных задач.
2. ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Программное обеспечение (пакет программ) – большая группа взаимосвязанных и взаимодействующих программ, предназначенных для решения любой задачи из конкретной области (например, для моделирования технологических процессов, для выполнения графических работ).
Программы небольшого и среднего размера (несколько тысяч строк) создаются, как правило, в два этапа. Сначала необходимо точно установить, что надо сделать, продумать соответствующий алгоритм, определить структуры данных, объекты и взаимодействие между ними (это этап системного анализа), а затем выразить этот алгоритм в виде, понятном машине (этап кодирования). Если же разрабатывается крупный проект объемом от десятков тысяч до миллионов строк кода, тогда приходится применять специальные методологии проектирования, охватывающие период разработки ПО.
Программы какого-либо пакета рассчитаны на совместное использование в различных комбинациях друг с другом.
Этапы разработки ПО можно представить в следующем виде:
Рис.1 Этапы разработки программного обеспечения.
- Анализ требований
Формируются и анализируются требования к проекту. Этот этап самый важный, так как неправильное формулирование требований приводит к выполнению ненужной работы, а недооценка сложности вызывает перерасход средств и времени. Сегодня около 60 % крупных проектов завершаются неудачей именно из-за ошибок на стадии подготовки требований. На основе требований по различным методикам определяется примерный объем проекта и его трудоемкость, рассчитываются будущие трудозатраты и определяется его стоимость. Так как требования к проекту во время работы над ним могут уточняться и меняться, а выполнение требований надо отслеживать, применяются специальные программы для управления требованиями. Часто заказчик не в состоянии точно выразить, чего он хочет, и задача специалистов по системному анализу — помочь ему выразить свои требования в виде, пригодном для формализации. После согласования требований подписывается контракт на разработку ПО. В дальнейшем любые отклонения от сформулированных требований к продукту (как со стороны заказчика, так и со стороны исполнителя) рассматриваются как нарушение контракта. Каждый этап требует от заказчика вложения собственных трудозатрат и привлечения высокопрофессиональных специалистов, поэтому он обязательно должен оплачиваться—бесплатно выполнять сложную работу никто не будет. Однако, хотя первый этап самый важный, заказчик редко понимает эту важность и не готов платить достаточно большие суммы. Примерный объем работ на этом этапе — 5 % от объема всего проекта.
2.Проектирование
Следующий ключевой этап в разработке программного обеспечения — стадия проектирования, то есть моделирования теоретической основы будущего продукта. Самые современные средства программирования позволяют частично объединить этапы проектирования и кодирования, то есть технической реализации проекта, будучи основанными на объектно-ориентированном подходе, но полноценное планирование требует более тщательного и скрупулезного моделирования. Качественный анализ перспектив и возможностей создаваемого продукта станет основой для его полноценного функционирования и выполнения всего комплекса возлагаемых на ПО задач. Одной из составных частей этапа проектирования, к примеру, является выбор инструментальных средств и операционной системы, которых сегодня на рынке присутствует очень большое количество.
В рамках данного этапа стороны должны осуществить:
- оценку результатов проведенного первоначально анализа и выявленных ограничений;
- поиск критических участков проекта;
- формирование окончательной архитектуры создаваемой системы;
- анализ необходимости использования программных модулей или готовых решений сторонних разработчиков;
- проектирование основных элементов продукта — модели базы данных, процессов и кода;
- выбор среды программирование и инструментов разработки, утверждение интерфейса программы, включая элементы графического отображения данных;
- определение основных требований к безопасности разрабатываемого ПО.
3. Кодирование
Следующим шагом становится непосредственная работа с кодом, опираясь на выбранный в процессе подготовки язык программирования. Описывать особенности и тонкости самого трудоемкого и сложного этапа вряд ли стоит, достаточно указать, что успех реализации любого проекта напрямую зависит от качества предварительного анализа и оценки конкурирующих решений, с которыми создаваемой программе предстоит «бороться» за право называться лучшей в своей нише. Если речь идет о написании кода для выполнения узкоспециализированных задач в рамках конкретного предприятия, то от грамотного подхода к этапу кодирования зависит эффективность работы компании, заказавшей разработку. Кодирование может происходить параллельно со следующим этапом разработки — тестированием программного обеспечения, что помогает вносить изменения непосредственно по ходу написания кода. Уровень и эффективность взаимодействия всех элементов, задействованных для выполнения сформулированных задач компанией-разработчиком, на текущем этапе является самым важным — от слаженности действий программистов, тестировщиков и проектировщиков зависит качество реализации проекта.
3.Тестирование.
Различается два вида тестирования: автономное и комплексное.
При автономном тестированию подвергаются отдельные программные модули, из которых состоит программный комплекс. Комплексное тестирование заключается в проверке всего программного комплекса. Для тестирования подбираются такие исходные данные, для которых результат выполнения программы заранее известен.
После достижения задуманного программистами в написанном коде следуют не менее важные этапы разработки программного обеспечения, зачастую объединяемые в одну фазу — тестирование продукта и последующая отладка, позволяющая ликвидировать огрехи программирования и добиться конечной цели — полнофункциональной работы разработанной программы. Процесс тестирования позволяет смоделировать ситуации, при которых программный продукт перестает функционировать. Отдел отладки затем локализует и исправляет обнаруженные ошибки кода, «вылизывая» его до практически идеального состояния. Эти два этапа занимают не меньше 30% затрачиваемого на весь проект времени, так как от их качественного исполнения зависит судьба созданного силами программистов программного обеспечения. Нередко функции тестировщика и отладчика исполняет один отдел, однако самым оптимальным будет распределить эти обязанности между разными исполнителями, что позволит увеличить эффективность поиска имеющихся в программном коде ошибок.