Файл: Основы проектирования программ. Этапы создания программного обеспечения).pdf

Сначала работа столкнулась с большими трудностями непринципиального характера. Так, например, один из членов комитета вспоминал «десятичную бурю» -- крайне резкую дискуссию между американскими и европейскими участниками по поводу того, какой именно символ использовать в качестве разделителя целой и дробной части числа. Американцы стояли за точку, европейцы требовали применять традиционную в Европе запятую, и из-за такой мелочи работа оказалась под реальной угрозой срыва. Чтобы избежать конфликтов по мелким вопросам, было решено, что описание Алгола будет трёхуровневым, включающим уровень описаний, публикаций и реализации. Мелкие вопросы, типа выбора между точкой и запятой или используемого алфавита, были вынесены на второй-третий уровень, что позволило относительно быстро решить принципиальные вопросы. На уровне публикаций, согласованном позже, допускалось использование национальных ключевых слов и стандартов представления данных (в том числе и десятичной точки), уровень реализации определял язык совершенно строго -- согласно ему должны были строиться трансляторы.

Вначале предлагавшееся название ALGOL (ALGOrithmicLanguage) было отвергнуто. Но поскольку оно стало общеупотребительным, официальное имя IAL пришлось впоследствии изменить на ALGOL 58.

Новая версия появилась в 1960 г., и ALGOL 60 (с небольшими изменениями, сделанными в 1962 г.) с 60-х и до начала 70-х гг. прошлого века был стандартом академического языка программирования.

У нового языка нашлись как приверженцы, так и критики. В США Алгол приняли холодно, он был популярен только в академической среде, и то не повсеместно. Те, кто попытался реализовать Алгол, столкнулись с целым рядом сложностей.

Так, например, обнаружилось, что ни один из существовавших тогда компьютеров не поддерживал ввод-вывод всех 116 литер, из которых состоял алфавит Алгола.

А вот в Европе Алгол приняли с энтузиазмом. Он быстро завоевал популярность в академической среде, повсеместно шла разработка компиляторов, многие из которых, несмотря на сложности реализации, оказались весьма успешными. Алгол распространился от Великобритании до Дальнего востока СССР, став как универсальным языком описания алгоритмов в научных публикациях, так и средством реального программирования.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

• 1. Общая информация

---

Проектирование программного обеспечения — процесс создания проекта программного обеспечения (ПО), а также дисциплина, изучающая методы проектирования. Проектирование ПО является частным случаем проектирования продуктов и процессов.

Целью проектирования является определение внутренних свойств системы и детализации её внешних (видимых) свойств на основе выданных заказчиком требований к ПО (исходные условия задачи). Эти требования подвергаются анализу. 

Проектирование ПО включает следующие основные виды деятельности:

• выбор метода и стратегии решения;
• выбор представления внутренних данных;
• разработка основного алгоритма;
• документирование ПО;
• тестирование и подбор тестов;
• выбор представления входных данных.

Первоначально программа рассматривается как чёрный ящик. Ход процесса проектирования и его результаты зависят не только от состава требований, но и выбранной модели процесса, опыта проектировщика.

Модель предметной области накладывает ограничения на бизнес-логику и структуры данных.

В зависимости от класса создаваемого ПО, процесс проектирования может обеспечиваться как «ручным» проектированием, так и различными средствами его автоматизации. В процессе проектирования ПО для выражения его характеристик используются различные нотации — блок-схемы, ER-диаграммы, UML-диаграммы, DFD-диаграммы, а также макеты.

Проектированию обычно подлежат:

• Архитектура ПО;
• Устройство компонентов ПО;
• Пользовательские интерфейсы.

В российской практике проектирование ведется поэтапно в соответствии со стадиями, регламентированными ГОСТ 2.103-68:

• Техническое задание (по ГОСТ 2.103-68 к стадиям разработки не относится),
• Техническое предложение,
• Эскизный проект,
• Технический проект,
• Рабочий проект.

На каждом из этапов формируется свой комплект документов, называемый проектом (проектной документацией). 
В зарубежной практике регламентирующими документами, например, являются Software Architecture Document, Software Design Document.

• 1. Этапы создания программного обеспечения

Современный подход к проектированию программ основан на декомпозиции задачи, которая в свою очередь основана на использовании абстракций. Целью при декомпозиции является создание модулей, которые представляют собой небольшие, относительно самостоятельные программы, взаимодействующие друг с другом по хорошо определенным и простым правилам. Если эта цель достигнута, то разработка отдельных модулей может осуществляться различными людьми независимо друг от друга, при этом объединенная программа будет функционировать правильно.

---

Различают абстракцию через параметризацию и через спецификацию. Смысл абстракции через параметризацию в том, что одним алгоритмом можно решать задачи, отличающихся различными исходными данными, задаваемыми как параметры. Смысл абстракции через спецификацию в том, что разными алгоритмами можно получить один и тот же искомый результат. При этом описываются результаты работы программы, смысл обращения к программе становится ясным через анализ ее спецификации, а не самого текста программы.

Разработка любой программы или программной системы начинается с определения требований к ней для конкретного набора пользователей и заканчиваете," 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.

По современным взглядам проектирование и разработку программ целесообразно разбить на ряд последовательных этапов:

1. постановка задачи;
2. проектирование программы;
3. построение модели;
4. разработка алгоритма;
5. реализация алгоритма;
6. анализ алгоритма и его сложности;
7. тестирование программы;
8. документирование.

Кратко остановимся на каждом из этих этапов.

При постановке задачи для крупных компьютерных программ необходимо провести следующие работы:

1. выработать требования (свойства, качества и возможности), необходимые для решения проблемы или достижения цели (как правило, эта деятельность носит экспертный характер);
2. разработать спецификации, включающие:

• цель программы;

• граничные условия;

• описание функций системы;

• спецификации входных и выходных данных;

• верификационные требования (установление тестовых случаев);

• тип и количество документов.

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

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.

---

Проектирование программы. Сначала производится проектирование архитектуры программной системы. Это предполагает первичную (общую) стадию проектирования и заканчивается декомпозицией спецификаций в структуру системы. Обычно на модульном уровне по каждому модулю разрабатывается спецификация модуля:

• имя/цель – дается имя модулю и предложение о функции модуля с формальными параметрами;

• неформальное описание - обзор действий модуля;

• ссылки - какие модули ссылаются на него и на какие модули ссылается данный модуль;

• вход/выход - формальные и фактические параметры, глобальные, локальные и связанные (общие для ряда модулей) переменные;

• примечания - полезные комментарии общего характера по модулю.

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 и

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. Каждый модуль характеризуется субъективным решением проектировщика, связь осуществляется с помощью хорошо организованных интерфейсов.

в) Проектирование с использованием потока данных.

---

Использует поток данных как генеральную линию проектирования программы. Содержит элементы структурного проектирования сверху-вниз с пошаговой детализацией:

• экспертиза потоков данных и отображение графа потока данных;

• анализ входных, центральных и выходных преобразующих поток данных элементов;

• формирование иерархической структуры программы;

• детализация и оптимизация структуры программы.

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. В методе предусматривается:

• разработка и изображение структуры входных и выходных данных;

• изображение структуры программы путем соединения изображений этих структурных элементов:

• определение дискретных операций над структурами данных;

• построение алгоритмов обработки структур данных.

б) Методология Уорнера.

Подобна предыдущей, но процедура проектирования более детализирована. Используются следующие виды представления проекта:

• диаграммы организации данных (описывают входные и выходные данные);

• диаграммы логического следования (логический поток этих данных);

• список инструкций (команды, используемые в проекте);

• псевдокод (описание проекта);

• определение входных данных системы;

• организация входных данных в иерархическую структуру;

• детальное определение формата элементов входного файла;

• то же самое для выходных данных;

•спецификация программы: чтение, ветвление, вычисление, выходы, вызови подпрограмм;

• составление диаграммы (по типу блок-схем) указывающие логическую последовательность инструкций.

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.

Алгоритм проектирования по этому методу заключается в следующих шагах:

---