Программное обеспечение и его разработка

На фазе использования мы обычно бываем вознаграждены за потраченные усилия, и, если мы правильно провели разработку, использование программного обеспечения пройдет спокойно и гармонично Обратите внимание на то, что фаза продолжающейся разработки проходит параллельно фазе использования. Обратите внимание также и на то, что мы избегаем использовать термин «техническое обслуживание». Для обозначения этой фазы в англоязычных странах в литературе часто используется неправильный термин «maintenance», обозначающий «обслуживание (ремонт)». Обслуживать программное обеспечение не нужно, поскольку никаких неполадок в нем быть не может, а техническое обслуживание и ремонт предполагают наличие неполадок и отказов. Правильно написанные команды не могут вдруг сами собой стать неправильными, как может порваться, отпаяться или замкнуться проводок. Команды не изнашиваются.

Необходимость продолжающейся разработки объясняется двумя причинами. Во-первых, в большой программе всегда имеется некоторое количество ошибок, которые не выявляются при тестировании. В гл.5, в разделе, посвященном тестированию, мы покажем, почему это происходит. Во-вторых, система должна развиваться. Вводится, скажем, новый налог, и приходится изменять программы составления платежных ведомостей.

Рис. 4.1. Три фазы жизненного цикла программы.

В слове «обслуживание» есть что-то унизительное. Заниматься обслуживанием чего-то менее престижно, чем разработкой, и многие не чувствуют удовлетворения от этой работы. В то же время в деле программного обеспечения эта сторона требует к себе даже большего уважения, чем первоначальная разработка.

Разработчики, продолжающие следить за системой (а не ремонтировать ее), должны не только подключать новые функции и исправлять хитрые и коварные ошибки, которые ускользнули от внимания группы, начинавшей разработку. Они, кроме того, обычно вынуждены проводить подлинное расследование методов проектирования, которые редко бывают достаточно ясно документированы группой разработчиков.

Причиной специального выделения фазы использования является тот факт, что со многими большими системами постоянно взаимодействует множество людей. Система может быть легкой в использовании — «дружественной» пользователю — или трудной. Она может препятствовать людям совершать ошибки, т. е. быть «здравомыслящей», а может и не делать этого. Эти качества не должны являться случайным следствием разработки. Они должны быть тщательно выверены при проектировании программы, хотя проявиться они могут только на фазе использования.

В гл.5 мы увидим, что каждой программе присущи 12 различных характеристик. Некоторые из них относятся к использованию, некоторые к разработке, другие же к продолжающейся разработке.

Казалось бы, применяемая нами для обозначения фазы использования жизненного цикла программы терминология не должна порождать никаких дополнительных проблем, но это не так. Некоторые люди называют эту фазу так, а другие иначе.

Рис. 4.2. Синонимы термина «программное обеспечение фазы использования».

Некоторые называют эту фазу «операционной» или «эксплуатационной» и говорят об «эксплуатации программного обеспечения». Обычными являются термины «фаза выполнения» или «время выполнения», так же как и термины «рабочая фаза» или «время работы» (рис. 4.2).

Все три фазы можно наблюдать на одной и той же вычислительной машине одновременно. В одной области памяти находится и выполняется программа составления платежных ведомостей — это использование. В другой области памяти работает диалоговый транслятор — идет какая-то разработка. В третьей области группа сопровождения производит какую-нибудь «автоматическую перестройку».

Все это только вносит путаницу! Чтобы добраться до истинного смысла, мы должны осознать, что рассматриваем жизненный цикл программы, а не вычислительной установки! В связи с этим для определения этой фазы совершенно неважно, что кроме нашей программы выполняется одновременно на той же машине.

Для аналогии рассмотрим вопрос разработки молотка, жизненный цикл которого показан на рис. 4.3. В «жизни» молотка отсутствует фаза ремонта. Если он ломается, мы просто берем новый. Отсюда следует, что при изготовлении молотка мы должны учитывать только легкость и простоту использования.

Рис. 4.3. Жизненный цикл молотка.

Если же речь заходит о велосипеде, мы сталкиваемся с тем, что в жизненном цикле возникает фаза сопровождения, или «регулировки». Из-за износа нам придется тратить усилия на ремонт, чтобы велосипед снова мог ездить (см. рис. 4.4).

Рис. 4.4. Жизненный цикл велосипеда.

При рассмотрении жизненного цикла административного здания мы сталкиваемся с тем, что нам приходится не только заниматься ремонтом при каких-то неисправностях, но также и капитальной перестройкой, если организация, занимающая это здание, начинает расти или сокращаться и т. п.

Рис. 4.5. Жизненный цикл административного здания.

Мы должны ломать стены, строить новые, переделывать отопительную систему, менять энергосеть и т. д. (см. рис. 4.5).

В связи с этим, если мы предполагаем возможность каких-либо изменений в здании в будущем, то при исходном проектировании здания (и составлении проектных документов) должны позаботиться о том, чтобы текущий и капитальный ремонт проходил без затруднений.

Обратите внимание на то, что при переходе к программному обеспечению (рис. 4.6) мы меняем слова, стоящие на правой нижней линии схемы.

Рис. 4.6. Жизненный цикл программы

Вместо слова «ремонт» стоят слова «внесение изменений». Слово «строительство» также заменяется словом «разработка».

Рис. 4.7. Жизненный цикл программного обеспечения.

Однако в большей степени для программного обеспечения, особенно для больших систем, подходит схема на рис. 4.7. В исходном программном обеспечении имеются ошибки, которые прошли сквозь фазу тестирования и могут быть обнаружены только после того, как заказчик начнет пользоваться сделанной для него системой. Таким образом, теперь усилия будут тратиться на продолжение разработки, которая, однажды начавшись, практически никогда не заканчивается.

Рис. 4.8 показывает принципиальное отличие жизненного цикла аппаратуры от жизненного цикла программного обеспечения.

На этом рисунке показано, что в процессе разработки аппаратуры есть такие фазы, как фаза производства, фазы повышения технологичности и ремонтопригодности.

Рис 4.8 Жизненный цикл аппаратуры.

Простое перечисление этапов разработки аппаратуры, особенно указание на необходимость затрат на повышение технологичности и ремонтопригодности, говорят нам о многом. Инженеры специально анализируют прибор, который им необходимо создать, и старательно разрабатывают конвейер, так что заводские затраты в расчете на одно устройство будут минимальны. При этом всегда получается так, что серийный образец существенно отличается от опытного, построенного при разработке. Программное обеспечение не запускается в производство, и при его разработке фаза повышения технологичности отсутствует.

Рис. 4.9 Одна группа руководит работами на всех стадиях жизненного цикла
Рис. 4.10 Три руководящие группы; один жизненным цикл.

Другой функцией при разработке аппаратуры является повышение ремонтопригодности. Здесь инженеры вносят в прибор такие изменения, которые облегчат его текущий и капитальный ремонт в условиях использования. Их деятельность направлена на то, чтобы минимизировать требования к людям, производящим ремонт, к запасным частям, процедурам наладки и проверки. Процесс разработки обеспечения также включает в себя задачу снижения затрат на сопровождение, причем этой стороне должно уделять значительное внимание. Очень часто дата сдачи программы настолько связывает разработчиков, что все их усилия направляются только на то, чтобы уложиться в отведенные сроки, и никто не предпринимает никаких усилий дня облегчения последующей фазы сопровождения. Как мы увидим, правильно проводимая разработка должна включать в себя работы по обеспечению легкости сопровождения.

Другая причина того, что работы по облегчению будущего продолжения разработки зачастую не проводятся, заключается в том, что руководство различными фазами обычно проводится разными людьми. Рис. 4.9 показывает, что иногда руководство всеми тремя фазами находится в одних руках. Но это исключения.

Чаще же действует схема, изображенная на рис. 4.10. Имеются три ведущие группы, по каждой фазе своя. Руководители разработки мало заботятся о затратах на сопровождение и проблемах, возникающих на этой фазе.

При разном руководстве создаются условия для возникновения ошибок. Стрелки А на рис. 4.10 направлены в обе стороны, поскольку пользователи должны иметь возможность передавать свои требования разработчикам. Часто они лишены такой возможности.

Разработчики должны сформулировать, что именно может быть использовано в фазе использования и каким образом. Однако во многих случаях этого нельзя достичь без подробных инструкций для пользователей.

Все это относится и к стрелке С, с той лишь дополнительной проблемой, что очень часто группа сопровождения даже не существует в тот момент, когда разработка уже идет полным ходом. Слишком часто все озабочены только своими проблемами.

Смысл стрелки В вполне понятен и ясен, но она обычно игнорируется до тех пор, пока не случится какой-нибудь казус!

Патологические жизненные циклы программного обеспечения

Нарисуем простейшую схему жизненного цикла программного обеспечения двумя разными способами, что даст нам возможность выделить основные моменты.

Рис. 4.11. Патологический жизненный цикл программного обеспечения, пример 1 (вверху). Рис. 4.12. Патологический жизненный цикл программного обеспечения, пример 2 (внизу).

Первая схема (рис. 4.11) иллюстрирует разрыв между разработкой и продолженной позднее разработкой. Во многих случаях за эти этапы отвечают совершенно разные организации. Заключившая контракт группа в Новой Англии разрабатывает, а где-то на юге другая группа ведет сопровождение. Пунктирная линия между разработкой и продолжающейся разработкой показывает, что этот переход не гладкий и не простой. В действительности во многих случаях мы можем нарисовать такую схему, как на рис. 4.12.

Между разработчиками и группами сопровождения часто существуют временные и географические расстояния, различия в применяемой методологии, организации, таланте и штатном расписании. Очень часто также между пользованием программами и окончанием разработки есть разрыв во времени.

Эти схемы соответствуют одноразовым разработкам, которые встречаются в случае программных обеспечений типов I и II.

Неразрывная связь разработки и продолжающейся разработки

Мы можем представить себе и такую схему, какая показана на рис. 4.13. В ней между разработчиками и группой сопровождения имеется очень крепкая связь, более того, этим может заниматься одна и та же группа.

Рис. 4.13. Жизненный цикл программного обеспечения, в котором разработчик сам сопровождает свои программы.

Это в особенности относится к программам типа V, которые разрабатываются постепенно и имеют несколько версий, каждая из которых вступает в действие в свой срок.

Имеются ли различия в задачах разработки и продолжающейся разработки? Безусловно, но они не имеют ничего общего с тем, как их многие себе представляют. Мой коллега Энди Ферентино (который привлек мое внимание к рис. 4.13) был свидетелем выступления кандидата на соискание докторской степени по программированию, темой диссертации которого было различие между разработкой и «продолжающейся разработкой» (в терминологии автора «maintenance»). Энди указал на то, что окружение, в котором создается программное обеспечение, должно быть абсолютно одинаковым на обеих фазах. Эти два рода деятельности лишь очень немногим отличаются один от другого. Давайте проследим шаг за шагом.

Разработка программного обеспечения, продлевающая все фазы жизненного цикла

Если составить диаграмму, отражающую сравнительные усилия в ходе разработки программного обеспечения, мы увидим, что затраты на определение требований и проектирование превышают затраты на использование, а затраты на сопровождение редко бывают значительными.

Таблица 4.1. Различия между разработкой и продолжающейся разработкой

Разработка	Продолжающаяся разработка
1. Определение требований для системы типа V крайне затруднено, так как до этого таких систем еще не было	С системами типа V работать легче, так как пользователь к этой фазе уже лучше знает, что ему нужно
(Для систем типов I и II работа по определению требований практически одинакова)
2. Проектирование. Большие возможности. Выбираются лучшие варианты. Начинают сверху	Проще, поскольку система существует, многое из того, что спроектировано на верхних уровнях, сделано, и в большей мере определяет то, что надо делать на более низких уровнях. Труднее, если документация плохая. Напоминает археологические раскопки
3. Программирование Такое же	Такое же
4. Компоновка Такая же	Такая же
5. Тестирование Такое же	Такое же
6. Документирование Такое же	Такое же

Это проиллюстрировано на рис. 4.14, где размер букв пропорционален затратам на соответствующие фонды.

Рис. 4.14. Затраты на разработку, распределение по фазам жизненного цикла.

Такое распределение затрат абсолютно неверно. Оно, однако, повсеместно распространено, потому что разработчики программного обеспечения постоянно убеждают сами себя в том, что обеспечение должно создаваться по методу «большого взрыва», единым усилием. Это заблуждение имеет свои причины, мы еще будем в этом разбираться.

В большинстве проектов обычно получается так, что если реализуется от половины до трех четвертей обещанных функций, то проект объявляется успешно завершенным. Продукция отправлена потребителю, спутник запущен. Все упущения будут восполняться позднее, под маркой сопровождения. Для повышения технологичности сопровождения и облегчения продолжающейся разработки делается очень мало или совсем ничего. Никаких усилий не прилагается к тому, чтобы сделать систему более подходящей для пользователя.

Фаза использования

Хотя фаза использования следует в жизни программы после фазы разработки, именно она является, или по крайней мере должна являться, определяющей. Ее характеристики в большой степени определяют две другие фазы. Для начала перечислим некоторые из характеристик использования, которые могут уточнить стратегию разработки.

Периодичность использования. Я могу разработать программу, которая выполняется каждый день, или раз в неделю, или раз в месяц, или раз в год. Я также могу разработать программу, которая будет работать постоянно, все время. Я могу разработать программу, которая будет исполнена только один раз, а затем выброшена. Эффективность использования аппаратуры (например, памяти) крайне важна, если программа работает постоянно, и совершенно не имеет никакого значения для программы, запускаемой однократно или только один раз в год.

Количество пользователей. Я могу разработать программу, которая будет использоваться только моей фирмой и нигде больше. Я также могу разработать программу для использования на 500 предприятиях моей отрасли. Я могу разработать программу для тысячи различных небольших фирм, каждая из которых может, а возможно, и будет использовать ее немного по-своему. И снова особенности и характеристики, на которых я настаиваю в моей программе, сильно различаются при этих различных видах использования. Пять сотен разных пользователей влияют на программу совершенно иначе, чем 500 «одинаковых» пользователей (все пользователи из моего учреждения используют систему одинаково).

Тип использования. Существуют диалоговые и автономные системы использования вычислительных машин. Попробуем провести различия между «пользователем» и «заказчиком». Пользователь — это человек, который сидит у терминала и ведет диалог с вычислительной машиной. Пользователь управляет ею, он «приводит» ее в действие. Служащий трансагентства, занимающийся резервированием авиационных билетов, является пользователем. Заказчик же — это главный бухгалтер фирмы. Ему не нужно вести никакого диалога с вычислительной системой, когда она производит расчет зарплаты для сотрудников фирмы.

Если мы готовимся к диалоговому использованию системы, мы должны так писать программное обеспечение, чтобы пользователю было легко взаимодействовать с машиной. Это гораздо больше, чем просто справочная система; такая система должна быть настолько удобной для работы, чтобы человек, работающий с машиной, охотно ею пользовался и работал с полной отдачей сил. Программы должны быть написаны так, чтобы система подсказывала пользователю, что сделать, если полученные ею инструкции не очень ясны.

Последствия отказов при разных типах использования.

В некоторых системах многочасовой отказ вычислительной машины хотя и неприятен, но все же приемлем. В других же отказ вычислительной машины всего лишь на несколько минут чреват катастрофой. В последнем случае нам приходится ставить дополнительную аппаратуру. Но дополнительная аппаратура это еще полбеды. Нам приходится еще писать программы для сохранения критических данных и передачи их с одного процессора на другой. Часто это должно делаться не за минуты, а всего лишь за секунды. Это весьма сложное программное обеспечение. Программа, управляющая переключением светофоров в городе, не представляет собой ничего сложного; однако если эта программа должна всегда работать правильно, то сложность программного обеспечения возрастает по крайней мере втрое.

Диапазон сложного программного обеспечения простирается от научного центра (годовой) стоимостью 50 млн. долларов, обеспечивающий диалоговую работу 460 ученых, где 90 % всех программ выполняется один-единственный раз, до управляющей системы, в которой программное обеспечение работает по 365 дней в году, по 24 ч. в сутки, не имеет права на малейший отказ и изменяется крайне редко — один раз в год.

Фаза разработки

Фаза разработки, входящая в жизненный цикл программного обеспечения, может быть разбита на шесть отдельных этапов:

— Определение требований

— Проектирование

— Написание команд

— Компоновка

— Тестирование или верификация

— Документирование

Поскольку разработка на обозримое будущее представляет собой основную проблему в области программного обеспечения, оставшаяся часть книги в основном будет посвящена рассмотрению этих шести этапов.

Фаза продолжающейся разработки

Как мы уже видели, эту фазу часто называют обслуживанием. Это наиболее часто игнорируемый элемент жизненного цикла, оставляемый на попечение какой-нибудь новой, часто неизвестной заранее группы. Наша ключевая идея состоит в том, что эта часть цикла должна приниматься во внимание с самого начала работ по разработке.

Задачи продолжающейся разработки. Продолжающейся разработкой занимается группа сопровождения. Ее задачи таковы:

1. Включение новых функций. В уже существующие программы добавляются новые функции. Например, если служащие фирмы вступили в профсоюз, мы должны начать удержания членских взносов и внести дополнение в программу составления платежных ведомостей.

2. Модификация функций. Существующие функции расширяются или видоизменяются. Например, принимается закон, изменяющий государственные налоги, и в ту часть программы, которая правильно работала для старого закона, надо вносить новые параметры, учитывающие новые налоговые положения. Случается также, что при первой сдаче программного обеспечения мы не успели выполнить все требования пользователей; нам приходится добавлять эти функции, выпуская новые модификации, или «версии», системы.

3. Модификация оборудования. В систему включается новая аппаратура. Например, ставятся новые терминалы с большим разрешением. Функции при этом не изменяются, но для управления новыми дисплеями нам нужны новые программы.