Программное обеспечение и его разработка

При создании программного обеспечения проекта пользователь должен сотрудничать с разработчиком. Все связи между разработчиками и пользователями должны быть длительными и интенсивными. Этому способствует их расположение в одном месте! Обязанностью разработчика программного обеспечения является удовлетворение пользователя. Если этого удается добиться, проект будет успешным.

Новые методы определения требований

Для того чтобы сделать первую фазу разработки программного обеспечения более управляемой, разработаны новые методы, хотя их не так уж и много. Аналогично тому, что происходит в области языков программирования и трансляторов, важнейшим принципом, лежащим в основе этих новых методов, является понятие абстракции. Эти методы представляют собой комбинации правил записи и правил ведения работ.

Правила ведения работ помогают достичь нужного уровня абстракции, правила записи необходимы для облегчения взаимодействия и проверок. Эти правила приводят к тому, что люди заняты определением требований в течение длительного периода времени — иногда это даже пугает руководство. Но все окупается.

Для всех методологий характерно следующее:

— Разбиение на уровни абстракции. (Особенно важно для анализа сложных систем.)

— Ограниченное число элементов, приходящихся на один уровень абстракции — очень существенно для успеха, — обычно 7 или меньше.

— Ограниченный контекст: в него включается лишь то, что входит в процесс, все, что в процесс не входит, исключается.

— Включаться должны как данные, так и действия над ними.

Новые методы улучшения процесса определения требований многообещающи и сложны. Обычно они представляют собой комбинации методов документирования и правил ведения работ.

Вот некоторые из этих методов:

SADT	Технология структурного анализа и проектирования
IA	Информационный анализ
HIPO	Иерархические схемы ввода, обработки, вывода
PSL/PSA	Язык постановки задачи/анализатор постановки задачи
RSL/REVS	Язык формулировок требований/системы вычислений и оценок требований
CARA	Анализ требований с помощью вычислительных машин

Большинство методов основано на строгих формальных правилах записи и последовательном приближении к конечному результату.

Эти методы обещают очень многое. Когда-нибудь в будущем мы удивимся, почему же мы раньше обходились без них. Для подробного их описания мало одной странички, мало даже отдельной главы. Для этого нужно писать целые книги, для их понимания необходимо прослушать двухнедельный курс лекций.

Личный опыт

Нам не удалось с первой попытки понять нужды диспетчеров FAA. Группе определения требований нужна была информация, постоянно поступающая от диспетчера, находящегося «на линии». Тогда в Хьюстоне мы правильно поступили, послав наших разработчиков поработать бок о бок с нашими пользователями.

Нашей же хьюстонской группе не сразу удалось понять нужды энергетических компаний. Нам не сразу стали ясны требования к системе автоматической очистки нефти. Первая попытка понять требования японских газетчиков тоже не удалась. Процесс определения требований все еще является камнем преткновения при разработке новых больших программных систем.

Резюме: требования к большим системам программного обеспечения

1. Первым требованием к системе является легкость ее модификации, поскольку требования будут постоянно изменяться. Программы надо заранее делать модифицируемыми; для этого нужно заранее планировать денежные средства.

2. В течение всего времени развития системы за выработку требований должен отвечать один и тот же человек.

3. Требованиями необходимо управлять.

4. Если требования не записаны и не доступны каждому, можно считать, что они не существуют. Пока требования находятся только в голове, они не приносят пользы и не долговечны.

5. Должен быть найден и вовлечен в дело действительный пользователь, а не его заменитель.

6. Из требований нужно удалить все относящееся к личности заказчика.

7. Необходимо действовать по методологии определения требований.

Проектирование

Что такое проектирование?

Это слово одновременно означает и некоторое понятие, и самый процесс. Переходный глагол «проектировать» означает 1) «готовить предварительный набросок или план (для работ, которые нужно в дальнейшем выполнить)», в особенности это относится к составлению схем некоторых структур и форм, например, можно проектировать новый мост; 2) в последнее время этот глагол стали использовать в значении «планировать и моделировать с особым искусством и художественным вкусом»[12].

Область эта трудна именно потому, что она в большой степени связана с искусством. Проектирование подразумевает возможность выбора. Выбирается форма, очертания, последовательность, схема цветовых сочетаний или другие компоненты, и из них составляется некоторое единство.

Проектирование может быть очень хорошим и очень плохим. В архитектуре проектирование имеет функциональное и эстетическое назначение. В смысле функциональности мы можем говорить о том, «хорошо используется» пространство или нет. С точки зрения эстетики речь идет о том, «хорошо ли выглядит» объект или нет. Для оценки функционального проектирования существуют специальные меры или критерии. Во сколько обходится застройка 1 м² площади, или обогрев, или охлаждение? Сколько уже построено «работающих устройств»? Сколько времени потребуется для конструирования? Вообще может использоваться огромное множество разных критериев.

В искусстве же то, что кажется прекрасным одному, может не нравиться другому. Только в тех случаях, когда что-то уж очень хорошо или безобразно, мы можем встретить некоторое подобие единодушия.

Ну а что же мы проектируем при разработке программного обеспечения? Это весьма нетривиальный вопрос. Какие части или куски, формы или цвета, связи и образы можем мы выбирать?

В своих «Заметках о синтезе форм» Кристофер Александер[13] указывает несколько наиболее важных моментов проектирования. Самым интересным является то, что измерять качество проектирования с позитивной точки зрения невозможно, но следует убедиться в отсутствии отрицательных черт, и это дает представление о том, насколько хорошо проект соответствует (его собственные слова) данной ситуации. На идее соответствия автор подробно останавливается, подразумевая под этим применимость проекта к данной ситуации, к данным обстоятельствам.

Александер различает «сознательное» и «бессознательное» проектирование. Бессознательное проектирование длится целые столетия, так что дома и хижины всех местных жителей полностью соответствуют окружению, в котором они используются. Изменения вносятся медленно и постепенно, каждое всесторонне изучается в течение нескольких десятилетий и лишь затем принимается. Проектирование превращается в адаптацию жилища к нуждам жителей.

Сознательное проектирование — это то, чем мы сейчас занимаемся. Со всех сторон на нас обрушиваются различные изменения, мы используем новые инструменты и методы, у нас появляются все новые и новые обязанности. Проектирование становится безотлагательным и специфическим. Качество проектирования оценивается по его соответствию условиям, сравнением его с конкурентными предложениями, если таковые имеются, по его работоспособности.

Программное обеспечение — это подсистема

Чтобы получить необходимую нам систему, мы должны в определенном порядке пройти по разным уровням проектирования: система, подсистема, программное обеспечение, программа и, наконец, рабочая программа — код.

Система как целое состоит из подсистем, и самый выбор этих подсистем уже является проектированием. К примеру, для общенациональной спутниковой системы мы можем остановиться на нескольких различных наборах подсистем.

План № 1 Спутник; система связи космос — Земля; наземная система и т. д.

План № 2 Спутник; микроволновая система; вычислительная система и т. д.

План № 3 Спутник; система связи; система сообщений; управляющая система и т. д.

Этот самый верхний уровень проектирования является самым критическим. Именно он определяет главные черты построения системы, ее работу и обслуживание.

Подсистема программного обеспечения входит в состав подсистемы обработки данных, которая в свою очередь может являться подсистемой одной, двух или даже всех основных подсистем. Конечно, вычислительные машины есть и на спутнике, следовательно, и на спутнике есть программное обеспечение. Вероятнее всего, программное обеспечение есть в каждой большой подсистеме.

Рис. 5.11 Требования.

Рис. 5.13 Переход к подсистемам.
Рис. 5.14 Подсистемы определены

Подсистемы обработки данных (ОД) состоят из вычислительных машин и программного обеспечения. Программное обеспечение должно «соответствовать» аппаратуре, оно должно быть спроектировано так, чтобы увеличивать производительность как этой аппаратуры, так и всей системы в целом.

Звучит это просто; однако чаще всего ответственный за аппаратуру ОД мало знает о программном обеспечении, он выбирает машину, только исходя из ее стоимости и скорости работы. Разработка программного обеспечения игнорируется. Я видел, как подобные ошибки допускают даже в тех случаях, когда всеми признавалось, что разработка программного обеспечения будет ключевой во всей схеме разработки системы.

При проектировании систем нужно делать обоснования выбора как аппаратуры, так и программного обеспечения. Проектировщики программного обеспечения должны обязательно поставлять информацию, необходимую для правильного выбора.

Многократное и параллельное проектирование

Существуют десятки и даже сотни методов, которые позволяют производить проектирование параллельно. Иллюстрации этого утверждения приведены на рис. 5.11 — 5.17.

По мере хода работ по проектированию разработчики снова и снова возвращаются к выработанным ранее требованиям, переоценивают их или даже модифицируют в соответствии с тем, как они влияют на усилия проектировщиков.

Одним из наиболее важных результатов проектирования систем является расслоение целой системы на отдельные подсистемы. Выбор подсистем в наибольшей степени определяет природу системы и влияет на ее разработку. Необходимо выработать требования ко всем подсистемам, причем эти требования должны быть согласованы с требованиями верхнего уровня.

Параллельная разработка

На рис. 5.15 показано, что все подсистемы можно разрабатывать параллельно. Очевидно, что разные люди проводят свое собственное проектирование, результаты их труда должны быть проверены и проконтролированы проектировщиком системы (или группой системных инженеров).

Такой процесс все большей и большей детализации верхнего уровня продолжается непрерывно. Начиная с этого места мы будем изучать только одну подсистему. Так как в наибольшей степени нас интересует программное обеспечение, мы будем исследовать подсистему обработки данных (рис. 5.16), в которую входит большая часть всего программного обеспечения. Отметим тут же, что программное обеспечение может в той или иной степени входить в любую подсистему. Итак, подсистема обработки данных должна быть в свою очередь разделена на составные части.

И конечно, каждая из этих подсистем тоже может подразделяться. Чтобы изобразить «окончательное» разбиение на отдельные части, нам нужно построить целое «дерево» проектирования, что и сделано на рис. 5.17.

Рис. 5 15. Проектирование подсистем — дополнительные итерации.
Рис. 5.16. Подсистема обработки данных и ее составные части.
Рис. 5.17. «Дерево» проектирования.

Очень быстро мы исчерпали все средства и не можем изобразить всю систему на одной диаграмме. Одновременно проводятся работы по проектированию десятков частей! А отслеживание взаимосвязи тех отдельных частей, которые могут взаимодействовать друг с другом, входит в круг обязанностей проектировщика системы. Выбор подсистем во многом базируется на минимизации связей между подсистемами — и проектирование каждой подсистемы должно заключаться в самостоятельном определении средств, при помощи которых можно удовлетворить требованиям к входной информации, поступающей от других подсистем, и к информации, передаваемой из данной подсистемы на вход последующих.

Итерации при проектировании и выработке требований

Итерационный процесс можно проиллюстрировать и так, как это сделано на рис. 5.18. Пунктирными линиями обозначены процессы, которые еще предстоит спроектировать, они основываются на уже определенных областях, отмеченных сплошными линиями. Названия месяцев представляют собой лишь общее описание отрезка времени. При проектировании систем меньшего размера месяцы можно заменять пронумерованными неделями, а для совсем небольших систем можно даже указывать и отдельные дни.

Обратите внимание на полное возобновление работ в марте. По мере более подробной детализации, проводившейся в феврале, проектировщики обнаружили важное упущение или нашли более оптимальное строение системы. Это привело к тому, что им пришлось вернуть процесс в исходное положение и заменить начальную точку А новой точкой В. Очевидно, что такое может произойти со всеми или с большинством подразделов системы. Части 1, 2 или 3, определенные на ранних этапах проектирования, могут использоваться в новых подсистемах В, Р и Л.

Итерации при проектировании идут постоянно. По самому своему характеру работа проектировщика полна сюрпризов. Если бы он мог представить себе весь ход работ в деталях, то это значит, что у него имеется не готовый проект, а лишь иллюстрация к нему. Итерации случаются на всех уровнях, даже на уровне микропроектирования. События и открытия, приводящие к изменениям, не обязательно должны подчиняться общей иерархии, некоторые могут влиять на последующие стадии, а некоторые на стадии, проходящие параллельно. Схема февральских работ показывает, что одновременно происходит детализация и определение четырех различных процессов, значит, эти процессы не существует независимо друг от друга, они чаще всего взаимодействуют между собой Эти взаимодействия нужно исследовать, детализировать и иногда специально проектировать Взаимодействия и детали одной или нескольких работ или функций, возможно, придется видоизменить в соответствии с тем, как проектировщик решил выполнять некоторую другую работу. Может случиться, что после определения работы Ф, нам придется модифицировать П.

Рис. 5.18-а Изменения при проектировании. (январь)
Рис. 5.18-б Изменения при проектировании. (февраль)
Рис. 5.18-в Изменения при проектировании. (март)

Конечно, этот пример не очень точно описывает то, что происходит на самом деле при разработке больших систем. Десятки, сотни работ выполняются одновременно. Вся эта деятельность напоминает работу пчелиного роя, она обязательно должна кем-то координироваться.

Из всего сказанного можно логически вывести такое заключение: утверждение «проектирование завершено на 90 %» — это не факт, а лишь его оценка, поскольку никто в точности не знает, не встретится ли нам какой-нибудь сюрприз, который заставит нас вернуться несколько назад и начать переделку проекта, который мы считали завершенным.

И все же нам не устают повторять, что «проектирование завершено на 90 %».

Проектирование программного обеспечения фазы использования

Давайте на некоторое время предположим, что аппаратура настолько соответствует поставленной перед нами задаче, что меняться больше не будет. Что же в таком случае мы будем проектировать в программном обеспечении?

В первую очередь нам придется спроектировать, т. е. выбрать, главные составные части нашей программы. Нужно ли нам иметь отдельные системные программы? Нужна ли специальная операционная система? Система управления базой данных?

По каким признакам мы можем определить, стоит ли выделять эти подсистемы или включать их в состав прикладных программ? Мы судим об этом по двум вещам: по требованиям, определенным в формулировке требований (имеются в виду требования как к функциональным возможностям, так и к окружению), и по всем 12 характеристикам программ, распределенным по всем фазам жизни программ.

Проектирование должно учитывать все 12 характеристик программ и программного обеспечения и все три фазы полного цикла жизни программы, даже если некоторые характеристики при проектировании придется отбросить!

Для группы десантников, которую ночью направили через болото, любой путь, приводящий к цели, хорош. Это дорога? Она приведет нас туда, куда надо? Да? Тогда это то, что надо! Времени на изучение и поиски более коротких дорог нет. Надо бежать по этой!

Такие методы хороши только для программ типа «зубочисток» или в тех случаях, когда через это болото больше никому не придется переходить.

Если же проектируется долгоживущее программное обеспечение, то на фазе проектирования необходимо затрачивать некоторые усилия на то, чтобы максимально облегчить сопровождение программ в дальнейшем.

Иногда проблемы использования можно не принимать во внимание. Ведь программа может использоваться крайне редко. В некоторых случаях упор приходится делать на фазу разработки, в других случаях особую важность приобретает фаза сопровождения. Более подробно об этом будет сказано чуть позже.

Но если только та машина, которая будет применяться на фазе использования, обладает достаточной мощностью и памятью и мы можем себе позволить некоторые дополнительные расходы, обычно связанные с универсальностью уже готовых системных программ, нам обязательно надо выбирать готовые программы. Следующим нашим шагом должно быть определение наилучших среди всех доступных нам программ. В этом состоит проектирование, это выбор того, какие конкретные программы взять из имеющихся, и это действительно очень ответственное проектирование. При этом формируется система в полном смысле слова. Это расслоение на отдельные части сродни выделению сборочных узлов при проектировании аппаратуры.