63. Жизненный цикл ПО
Понятие жизненного цикла занимает центральное место в методологиях программирования. Оно образует базу для естественной систематизации инструментов и методов, ресурсов и результатов на разных этапах разработки и использования программных систем. Понятие это не является специфическим для программирования. Оно возникло и развивалось сначала применительно к техническим системам. В частности, еще недавно наши экономисты выражали беспокойство по поводу того, что зарубежный потребитель сравнительно дешевым советским тракторам предпочитает канадские, цена которых в несколько раз выше. Оказалось, что полная стоимость последних с учетом затрат всего "жизненного цикла существования машин" (включая их техническое обслуживание и ремонт) получается в конечном счете в несколько раз меньше. Не случайно вопрос технологичности с точки зрения не только изготовления, но и последующей эксплуатации имеет в технике первостепенное значение.
Жизненный цикл работы в целом
Жизненный цикл программы представлен на рис. 1. Здесь отражен тот факт, что, будучи однажды созданной, программа входит в цикл, включающий ее использование и модификацию; продолжительность этого цикла распространяется на все время жизни программы. Такая картина характерна и для многих промышленных изделий. Отличие заключается лишь в том, что для таких изделий фазу модификации точнее было бы назвать ремонтом или техническим обслуживанием, поскольку они модифицируются по мере износа их частей.

Рис.1 Жизненный цикл программы
Однако программы не подвержены износу. Поэтому они проходят фазу модификации из-за обнаружения ошибок, возникновения изменений в области их применения, требующих внесения соответствующих корректировок в программы, или из-за того, что прежняя модификация вызвала появление проблем в других частях программы. Например, изменения в налоговом законодательстве могут потребовать внесения корректировок в программы подготовки платежных ведомостей, связанные с расчетом удерживаемого налога. Однако внесенные изменения, в свою очередь, могут неблагоприятно повлиять на другие части программы, причем это может быть замечено не сразу.
Независимо от того, почему программа модифицируется, необходимо, чтобы некто (как правило, не автор ее исходной версии) изучил и понял программу и ее документацию; если не всю программу, то хотя бы ту часть, которая относится к делу. Любая модификация алгоритма программы может вызвать намного больше проблем, чем она предназначена решить. Достижение необходимой степени понимания является сложной задачей, даже если программа правильно разработана и документирована. Фактически именно на этой стадии отдельные фрагменты программного обеспечения просто отбрасывают, исходя из утверждений (часто вполне справедливых), что проще разработать новую систему с нуля, чем успешно модифицировать уже существующий пакет.
Жизненный цикл ИС можно представить как ряд событий, происходящих с системой в процессе ее создания и использования.
Модель жизненного цикла отражает различные состояния системы, начиная с момента возникновения необходимости в данной ИС и заканчивая моментом ее полного выхода из употребления. Модель жизненного цикла - структура, содержащая процессы, действия и задачи, которые осуществляются в ходе разработки, функционирования и сопровождения программного продукта в течение всей жизни системы, от определения требований до завершения ее использования.
В настоящее время известны и используются следующие модели жизненного цикла:
• Каскадная модель (рис. 2.1) предусматривает последовательное выполнение всех этапов проекта в строго фиксированном порядке. Переход на следующий этап означает полное завершение работ на предыдущем этапе.

Рис.2.1 Каскадная модель ЖЦ
• Поэтапная модель с промежуточным контролем (рис. 2.2). Разработка ИС ведется итерациями с циклами обратной связи между этапами. Межэтапные корректировки позволяют учитывать реально существующее взаимовлияние результатов разработки на различных этапах; время жизни каждого из этапов растягивается на весь период разработки.

Рис.2.2 Поэтапная модель с промежуточным контролем
• Спиральная модель (рис. 2.3). На каждом витке спирали выполняется создание очередной версии продукта, уточняются требования проекта, определяется его качество и планируются работы следующего витка. Особое внимание уделяется начальным этапам разработки - анализу и проектированию, где реализуемость тех или иных технических решений проверяется и обосновывается посредством создания прототипов (макетирования).

Рис.2.3 Спиральная модель
На практике наибольшее распространение получили две основные модели жизненного цикла:
• каскадная модель (характерна для периода 1970-1985 гг.)
• спиральная модель (характерна для периода после 1986.г.)
В ранних проектах достаточно простых ИС каждое приложение представляло собой единый, функционально и информационно независимый блок. Для разработки такого типа приложений эффективным оказался каскадный способ. Каждый этап завершался после полного выполнения и документального оформления всех предусмотренных работ.
Можно выделить следующие положительные стороны применения каскадного подхода:
• на каждом этапе формируется законченный набор проектной документации, отвечающий критериям полноты и согласованности;
• выполняемые в логической последовательности этапы работ позволяют планировать сроки завершения всех работ и соответствующие затраты.
Каскадный подход хорошо зарекомендовал себя при построении относительно простых ИС, когда в самом начале разработки можно достаточно точно и полно сформулировать все требования к системе. Основным недостатком этого подхода является то, что реальный процесс создания системы никогда полностью не укладывается в такую жесткую схему, постоянно возникает потребность в возврате к предыдущим этапам и уточнении или пересмотре ранее принятых решений.
Спиральная модель ЖЦ была предложена для преодоления перечисленных проблем. На этапах анализа и проектирования реализуемость технических решений и степень удовлетворения потребностей заказчика проверяется путем создания прототипов. Каждый виток спирали соответствует созданию работоспособного фрагмента или версии системы. Это позволяет уточнить требования, цели и характеристики проекта, определить качество разработки, спланировать работы следующего витка спирали. Таким образом углубляются и последовательно конкретизируются детали проекта и в результате выбирается обоснованный вариант, который удовлетворяет действительным требованиям заказчика и доводится до реализации.
Итеративная разработка отражает объективно существующий спиральный цикл создания сложных систем. Она позволяет переходить на следующий этап, не дожидаясь полного завершения работы на текущем и решить главную задачу - как можно быстрее показать пользователям системы работоспособный продукт, тем самым, активизируя процесс уточнения и дополнения требований.
Основная проблема спирального цикла - определение момента перехода на следующий этап. Для ее решения вводятся временные ограничения на каждый из этапов жизненного цикла, и переход осуществляется в соответствии с планом, даже если не вся запланированная работа закончена. Планирование производится на основе статистических данных, полученных в предыдущих проектах, и личного опыта разработчиков.
Несмотря на настойчивые рекомендации компаний - вендоров и экспертов в области проектирования и разработки ИС, многие компании продолжают использовать каскадную модель вместо какого-либо варианта итерационной модели.
В соответствии с базовым международным стандартом ISO/IEC 12207 все процессы ЖЦ ПО делятся на три группы:
• Основные процессы:
o приобретение
o поставка
o разработка
o эксплуатация
o сопровождение
• Вспомогательные процессы:
o документирование
o управление конфигурацией
o обеспечение качества
o разрешение проблем
o аудит
o аттестация
o совместная оценка
o верификация
• Организационные процессы:
o создание инфраструктуры
o управление
o обучение
o усовершенствование
Традиционные этапы разработки программ
Фаза разработки в жизненном цикле программы традиционно включает следующие этапы: анализ, проектирование, реализацию и тестирование (рис. 3).

Рис.3 Фаза разработки в жизненном цикле программного обеспечения
Анализ
Фаза разработки в жизненном цикле программы начинается с анализа, основная задача которого состоит в определении нужд пользователей предлагаемой системы. Если система должна быть продуктом общего назначения, продаваемым на рынке в условиях свободной конкуренции, анализ, вероятно, будет включать широкомасштабные исследования в целях определения потребностей потенциальных пользователей. Однако если система разрабатывается для нужд конкретного пользователя, исследования будут носить более целенаправленный характер.
По мере того как выясняются потребности потенциального пользователя, они преобразуются в ряд требований, которым должна удовлетворять новая система, Эти требования формулируются в терминах, принятых в сфере приложения, без использования специальной терминологии, принятой среди специалистов по обработке данных.
После того как требования к создаваемой системе будут определены, их преобразуют в систему спецификаций, имеющих более технически организованный вид.
Проектирование
В то время как анализ определяет, что должна делать предлагаемая система, проектирование определяет, как она будет выполнять эти задачи. Именно на этом этапе определяется структура системы программного обеспечения.
Не вызывает сомнения то, что наилучшей структурой для крупной системы программного обеспечения является модульная. Именно благодаря разбиению больших систем на модули становится возможной их практическая реализация. Без этого разбиения технические детали, необходимые при реализации большой системы, превысили бы возможности человеческого восприятия. При использовании модульной конструкции разработчик может ограничиться изучением только тех деталей, которые относятся к рассматриваемому модулю. Модульная конструкция также удобна при дальнейшем сопровождении программы, поскольку позволяет вносить изменения на модульной основе.
Реализация
Реализация включает собственно написание программ, создание файлов данных и разработку баз данных.
Тестирование
Тестирование тесно связано с реализацией, так как каждый модуль системы, как правило, должен подвергаться тестированию как только он будет написан. Действительно, в правильно сконструированной системе каждый модуль может и должен быть проверен либо независимо от других модулей, либо с использованием упрощенных версий других модулей, называемых заглушками. Назначение заглушек состоит в том, чтобы имитировать взаимодействие тестируемых модулей и остальной части системы. Аналогичным образом можно тестировать и систему в целом, по мере завершения создания отдельных модулей и их объединения в единое целое.
К сожалению, этап тестирования и устранения обнаруженных в системе неполадок чрезвычайно сложно довести до успешного завершения. Опыт показывает, что большие системы программного обеспечения могут содержать множество ошибок даже после продолжительного тестирования.
Современные тенденции
Ранние подходы к проектированию программного обеспечения предполагали строго последовательное выполнение этапов анализа, проектирования, реализации и тестирования. Предполагалось, что риск, связанный с использованием метода проб и ошибок при разработке больших систем программного обеспечения, слишком велик. В результате разработчики программного обеспечения настаивали на полном завершении общего анализа системы до начала ее проектирования. Точно так же необходимо полностью завершить этап проектирования системы до начала ее реализации. Подобная схема процесса разработки получила название модели водопада (по аналогии с движением потока падающей воды, поскольку процесс разработки должен был двигаться только в одном направлении).
Пошаговая модель является примером использования в технологии разработки программного обеспечения метода создания прототипов, который заключается в создании и последующей оценке неполных версий разрабатываемой системы, называемых прототипами. В пошаговой модели прототип развивается в конечную версию системы, поэтому данный вариант метода создания прототипов именуется эволюционным. В других случаях прототипы могут отбрасываться, уступая место новым реализациям конечного проекта. Такой вариант метода создания прототипов называется методом с отбрасыванием прототипов. Примером использования этого варианта может служить быстрое создание прототипов, при котором на них стадиях разработки очень быстро создается серия упрощенных вариантов разрабатываемой системы. Такой прототип может состоять всего лишь из нескольких эскизов компоновки экрана, показывающих, как система будет взаимодействовать с пользователем и каковы будут ее возможности. В данном случае задача состоит не в создании рабочей версии продукта, а в получении средства демонстрации, предназначенного для углубления взаимопонимания между участвующими в разработке сторонами. В частности, метод быстрого создания прототипов доказывает свою эффективность в отношении систематизации требований к системе, выдвинутых на этапе анализа, а также в качестве средства для проведения презентации возможностей системы ее потенциальным заказчикам.
Другое усовершенствование методов проектирования программных систем предусматривает применение компьютерных технологий к самому процессу разработки программного обеспечения, что привело к появлению CASE-технологий (CASE-Computed-Aided Software Engineering). Эти компьютеризованные системы, известные как CASE-инструменты, включают средства планирования проекта (предназначенные для оценки стоимости календарного планирования и распределения исполнителей), средства управления проектом (для контроля за процессом разработки проекта), средства документирования (для написания и систематизации проектной документации), средства создания прототипов и имитации (для создания прототипов), средства разработки интерфейсов (для разработки графических интерфейсов пользователя), а также средства программирования (для написания и отладки программ). Некоторые из этих инструментов немногим отличаются от обычных текстовых редакторов, приложений электронных таблиц и систем электронной почты, используемых в других приложениях. Однако другие представляют собой достаточно сложные пакеты, предназначенные преимущественно для использования при разработке систем программного обеспечения. Например, некоторые CASE-инструменты включают генераторы кода, которые по заданной спецификации на некоторую часть системы генерируют программу на языке высокого уровня, представляющую собой реализацию этой части системы.

67. Объекты и отношения в программировании. Сущность объектного подхода к разработке программных средств.
Окружающий нас мир состоит из объектов и отношений между ними. Объект воплощает некоторую сущность и имеет некоторое состояние, которое может изменяться со временем как следствие влияния других объектов, находящихся с данным в каком-либо отношении. Он может иметь внутреннюю структуру: состоять из других объектов, также находящихся между собой в некоторых отношениях. Исходя из этого можно построить иерархическое строение мира из объектов. Однако, при каждом конкретном рассмотрении окружающего нас мира некоторые объекты считаются неделимыми ("точечными"), причем в зависимости от целей рассмотрения такими (неделимыми) могут приниматься объекты разного уровня иерархии. Отношение связывает некоторые объекты: можно считать, что объединение этих объектов обладает некоторым свойством. Если отношение связывает n объектов, то такое отношение называется n-местным (n-арным). На каждом месте объединения объектов, которые могут быть связаны каким-либо конкретным отношением, могут находиться разные объекты, но вполне определенные (в этом случае говорят: объекты определенного класса). Одноместное отношение называется свойством объекта (соответствующего класса). Состояние объекта может быть изучено по значению свойств этого объекта или неявно по значению свойств объединений объектов, связываемых вместе с данным тем или иным отношением.
В процессе познания или изменения окружающего нас мира мы всегда принимаем в рассмотрение ту или иную упрощенную модель мира (модельный мир), в которую включаем некоторые из объектов и некоторые из отношений окружающего нас мира и, как правило, одного уровня иерархии. Каждый объект, имеющий внутреннюю структуру, может представлять свой модельный мир, включающий объекты этой структуры и отношения, которые их связывают. Таким образом, окружающий нас мир, можно рассматривать (в некотором приближении) как иерархическую структуру модельных миров.
В настоящее время в процессе познания или изменения окружающего нас мира широко используется компьютерная техника для обработки различного рода информации. В связи с этим применяется компьютерное (информационное) представление объектов и отношений. Каждый объект информационно может быть представлен некоторой структурой данных, отображающей его состояние. Свойства этого объекта могут задаваться непосредственно в виде отдельных компонент этой структуры, либо специальными функциями над этой структурой данных. N-местные отношения для N>1 можно представить либо в активной форме, либо в пассивной форме. В активной форме N-местное отношение представляется некоторым программным фрагментом, реализующим либо N-местную функцию (определяющую значение свойства соответствующего объединения объектов), либо процедуру, осуществляющую по состоянию представлений объектов, связываемых представляемым отношением, изменение состояний некоторых из них. В пассивной форме такое отношение может быть представлено некоторой структурой данных (в которую могут входить и представления объектов, связываемых этим отношением), интерпретируемую на основании принятых соглашений по общим процедурам, независящим от конкретных отношений (например, реляционная база данных). В любом случае представление отношения определяет некоторые действия по обработке данных.
При исследовании модельного мира пользователь может по-разному получать (или захотеть получать) информацию от компьютера. При одном подходе его могут интересовать получение информации об отдельных свойствах интересующих его объектов или результатах какого-либо взаимодействия между некоторыми объектами. Для этого он заказывает разработку того или иного ПС, выполняющего интересующие его функции, или некоторую информационную систему, способной выдавать информацию об интересующих его отношениях, используя при этом соответствующую базу данных. В начальный период развития компьютерной техники (при не достаточно высокой мощности компьютеров) такой подход к использованию компьютеров был вполне естественным. Именно он и провоцировал функциональный (реляционный) подход к разработке ПС, который был подробно рассмотрен в предшествующих лекциях. Сущность этого подхода состоит в систематическом использовании декомпозиции функций (отношений) для построения структуры ПС и текстов программ, входящих в него. При этом сами объекты, к которым применялись заказываемые и реализуемые функции, представлялись фрагментарно (в том объеме, который необходим для выполнения этих функций) и в форме, удобной для реализации этих функций. Тем самым не обеспечивалось цельного и адекватного компьютерного представления модельного мира, интересующего пользователя: отображение его на используемые ПС могло оказаться для пользователя достаточно трудоемкой задачей, попытки незначительного расширения объема и характера информации об интересующем пользователя модельном мире. получаемой от таких ПС, могло привести к серьезной их модернизации. Такой подход к разработке ПС поддерживается большинством используемых языков программирования, начиная от языков ассемблеров и процедурных языков (ФОРТРАН, Паскаль) до функциональных языков (ЛИСП) и языков логического программирования (ПРОЛОГ).
При другом подходе к исследованию модельного мира с помощью компьютера пользователя может интересовать наблюдение за изменением состояний объектов в результате их взаимодействий. Это требует достаточно цельного представления в компьютере интересующего пользователя объекта, а программные компоненты, реализующие отношения, в которых участвует этот объект, явно связываются с ним. Для реализации такого подхода приходилось строить программные средства, моделирующих процессы взаимодействия объектов (модельного мира). С помощью традиционных средств разработки это оказалось довольно трудоемкой задачей. Правда, появились языки программирования, специально ориентированные на такое моделирование, но это лишь частично упростило задачу разработки требуемых ПС. Наиболее полно отвечает решению этой задачи объектный подход к разработке ПС. Сущность его состоит в систематическом использовании декомпозиции объектов при построении структуры ПС и текстов программ, входящих в него. При этом функции (отношения), выполняемые таким ПС, выражались через отношения объектов разных уровней, т. е. их декомпозиция существенно зависела от декомпозиции объектов.
Говоря об объектном подходе следует также четко понимать о какого рода объектах идет речь: объектах модельного мира пользователя, об их информационном представлении, об объектах программы, с помощью которых строится ПС. Кроме того, следует различать собственно объекты (объекты "пассивные") и субъекты (объекты "активные").
Особенности объектного подхода к разработке внешнего описания программного средства
При объектном подходе этап внешнего описания ПС оказывается существенно более емким и содержательным по сравнению с реляционным подходом.
Определение требований заключается в неформальном описании модельного мира, который пользователь собирается изучать или просто использовать с помощью требуемого ПС. При этом повышается роль прототипирования, которое при этом подходе часто окупается уменьшением объема работы на последующих этапах разработки ПС. Часто определение требование завершается разработкой диаграммы вариантов использования, в которой фиксируются, в каких случаях будет использоваться ПС. Это позволяет при разработке ПС ограничиться только такими ее функциональными возможностями, которые поддерживают эти случаи (варианты) использования. По существу, диаграмма вариантов использования представляет собой описание некоторого контекста использования. На рис. 15.1. приведен пример диаграммы вариантов использования.
Существенно изменяется содержание процесса спецификации требований: вместо разработки функциональной спецификации ПС создается формальное описание модельного мира, состоящее из трех частей:
• • объектной модели,
• • динамической модели,
• • функциональной модели.
Назначение этих частей можно образно определить следующим образом [15.3]: объектная модель определяет то, с чем что-то случается; динамическая модель определяет, когда это случается; функциональная модель определяет то, что случается.

Рис. 15.1. Диаграмма вариантов использования для банкомата
Объектная модель показывает статическую объектную структуру модельного мира, который должно представлять разрабатываемое ПС (программная система). Она включает определения используемых классов объектов и отношений между этими классами, а также определение используемых объектов этих классов и отношения между этими объектами.
Обычно класс объектов в объектной модели представляется в виде тройки
(Имя класса, Список атрибутов, Список операций).
Каждый атрибут представляется некоторым именем и может принимать значения определенного типа. По существу, атрибут класса выражает некоторое простое свойство объектов этого класса. Представление некоторых простых свойств объектов атрибутами весьма удобно, особенно когда по значениям этих атрибутов осуществляется классификация объектов. Операции, указываемые в представлении класса, отражают другие свойства объектов этого класса (как простые, так и ассоциативные). Они показывают, что можно делать с объектами этого класса (или что могут делать сами эти объекты).
В объектной модели отношение между объектами некоторых классов обобщаются в отношения между этими классами. При этом используются, как правило, только одноместные и двуместные отношения между объектами. Более сложные отношения приводит к неоправданному усложнению объектных моделей, а с другой стороны, такие отношения всегда могут быть сведены к двуместным за счет определения дополнительных классов. Одноместные отношения называют атрибутами, причем некоторые атрибуты объекта получаются из атрибутов класса присвоением им конкретных значений. Отношение между двумя (и более) объектами называют связями, а их обобщение (отношение между классами) обычно называют ассоциациями. Ассоциации определяют допустимые связи между объектами. Различают следующие виды ассоциаций:
• • взаимодействия состояний объектов,
• • агрегирования (структурирования) объектов,
• • абстрагирования (порождения) классов.
Ассоциация «взаимодействие», по существу, означает, что объекты классов, находящихся в таком отношении, могут быть параметрами некоторых операций. Ассоциация «агрегирование» означает, что объект одного из классов, находящихся в таком отношении, включает (или может включать) в себя (как часть) объекты другого из этих классов. Ассоциация «абстрагирование» означает, что один из классов, находящихся в таком отношении, наследует свойства другого из этих классов и может обладать также и другими (дополнительными) свойствами.

Рис. 15.2. Пример отношения между классами объектов
Для представления объектной модели часто используются графические языки спецификации объектов (например, язык UML). На таких языках классы и объекты задаются прямоугольниками, которых указывается специфицирующая их информация. Для задания отношений между двумя классами соответствующие им прямоугольники связываются линией, снабженной различными графическими значками и некоторыми надписями. Графические значки специфицируют характер (вид) отношения между этими классами, а надписи обеспечивают полную идентификацию этого отношения (делают его конкретным). Например, на рис. 15.2 заданное отношение между классами Страна и Город имеет характер «один к одному». Более конкретно это отношение означает, что каждый объект класса Страна обязательно связан отношением «имеет столицей» с одним и только одним объектом класса Город, и этот объект класса Город не связан таким отношением ни с каким другим объектом класса Страна.
Для описания декомпозиции объектов используется отношение вида агрегирования. Например, отношение «программа состоит из одного или нескольких модулей» представлено на рис. 15.3.

Рис. 15.3. Пример отношения агрегирования между классами объектов.
Следует заметить, что объектная модель полностью включает описание внешней информационной среды при реляционном подходе.
Динамическая модель показывает допустимые последовательности изменений состояний объектов из объектной модели модельного мира, который должно представлять разрабатываемое ПС (программная система). Она описывает последовательности операций в ответ на внешние сигналы (взаимодействия) без рассмотрения того, что эти операции делают. Динамическая модель необходима, если в соответствующей объектной модели имеются активные объекты.
Основные понятия динамической модели: события и состояния объектов. Под событием здесь понимается элементарное воздействие одного объекта на другой, происходящее в определенный момент времени. Одно событие может логически предшествовать другому или быть не связанным с другим. Другими словами, события в динамической модели частично упорядочены. Под состоянием объекта здесь понимается совокупность значений атрибутов объекта и представления текущих связей этого объекта с другими объектами. Состояние объекта связывается с интервалом времени между некоторыми двумя событиями, на которые реагирует этот объект. Объект переходит из одного состояния в другое в результате реакции на некоторое событие (в конце интервала, связанного с этим состоянием).

Рис. 15.4. Диаграмма состояний телефонной линии.
В связи с этим в динамической модели для каждого класса активных объектов строится своя диаграмма состояний. Она представляет собой граф, вершинами которого являются состояния, а дугами – переходы между этими состояниями (переходы часто обозначаются именами событий). Некоторые переходы могут быть связаны с условиями, разрешающими эти переходы. Условие – это предикат, зависящий от значений некоторых атрибутов объекта. Каждое условие указывается на дуге, переходом по которой управляет это условие. Существенно, что в диаграмме состояний с некоторыми состояниями или событиями связываются определенные операции. Операция, связываемая с событием, обозначает реакцию объекта на это событие и считается, что она выполняется мгновенно (в точке некоторого временного интервала). Такая операция называется действием. Операция, связываемая с состоянием, выполняется в рамках временного интервала, с которым связано это состояние (т.е. имеет продолжительность, ограниченную этим интервалом). Такая операция называется деятельностью. Диаграмма состояний определяет управление активизацией указанных операций. Таким образом, диаграмма состояний описывает поведение одного класса объектов. Пример диаграммы состояний класса приведен на рис. 15.4.
Динамическая модель в целом объединяет все диаграммы состояний с помощью событий между классами.
Функциональная модель показывает, как вычисляются выходные значения из входных без указания порядка, в котором эти значения вычисляются. Она определяет все операции, условия и ограничения, используемые в объектной и динамической моделях (внешние операции). Функциональная модель соответствует определению внешних функций при реляционном подходе к разработке ПС.
Для определения крупных операций в функциональной модели используются потоковые диаграммы (диаграммы потоков данных), позволяющие выразить эти операции через более простые операции. Основными понятиями потоковых диаграмм являются процессы, объекты и потоки данных. Потоковая диаграмма – это граф, вершинами которого являются объекты или процессы, а дугами – потоки данных. Процессы преобразуют данные, поступающие от одних объектов и направляемые для хранения в другие объекты. Эти процессы представляют внутренние операции, через которые выражается операция, представляемая данной потоковой диаграммой. Объекты могут быть пассивными (хранилищами данных) и активными (агентами). Пассивные объекты используются только для хранения данных, а активные объекты используются как для хранения, так и для преобразования данных. Потоки данных определяют допустимые направления перемещения данных и типы перемещаемых данных.
Процессы могут выражаться терминальными операциями (определяемые непосредственно) или с помощью других потоковых диаграмм. Таким образом, потоковые диаграммы являются иерархическими.
Терминальные операции определяются так же, как и при реляционном подходе. Впрочем, и диаграммы потоков данных используются при реляционном подходе.
Таким образом, основным содержанием этапа внешнего описания при объектном подходе является объектное моделирование. При этом широко используются формальные языки спецификаций, в том числе и графические. Одним из наиболее употребительных в настоящее время таких языков является язык UML.

69. Инструментальные среды разработки и сопровождения ПС
Инструментальные среды разработки и сопровождения программных средств.
В настоящее время с каждой системой программирования связываются не отдельные инструменты (например, компилятор), а некоторая логически связанная совокупность программных и аппаратных инструментов поддерживающих разработку и сопровождение ПС на данном языке программирования или ориентированных на какую-либо конкретную предметную область. Такую совокупность будем называть инструментальной средой разработки и сопровождения ПС. Для таких инструментальных сред характерно, во-первых, использование как программных, так и аппаратных инструментов, и, во-вторых, определенная ориентация либо на конкретный язык программирования, либо на конкретную предметную область.
Инструментальная среда не обязательно должна функционировать на том компьютере, на котором должно будет применяться разрабатываемое с помощью ее ПС. Часто такое совмещение бывает достаточно удобным (если только мощность используемого компьютера позволяет это): не нужно иметь дело с компьютерами разных типов, в разрабатываемую ПС можно включать компоненты самой инструментальной среды. Однако, если компьютер, на котором должно применяться ПС, недоступен для разработчиков этого ПС (например, он постоянно занят другой работой, которую нельзя прерывать, или он находится еще в стадии разработки), либо неудобен для разработки ПС, либо мощность этого компьютера недостаточна для обеспечения функционирования требуемой инструментальной среды, то применяется так называемый инструментально-объектный подход. Сущность его заключается в том, что ПС разрабатывается на одном компьютере, называемым инструментальным, а применяться будет на другом компьютере, называемым целевым (или объектным).
Различают три основных класса инструментальных сред разработки и сопровождения ПС: •
• среды программирования, •
• рабочие места компьютерной технологии,•
• инструментальные системы технологии программирования.
Среда программирования предназначена в основном для поддержки процессов программирования (кодирования), тестирования и отладки ПС. Рабочее место компьютерной технологии ориентировано на поддержку ранних этапов разработки ПС (спецификаций) и автоматической генерации программ по спецификациям. Инструментальная система технологии программирования предназначена для поддержки всех процессов разработки и сопровождения в течение всего жизненного цикла ПС и ориентирована на коллективную разработку больших программных систем с длительным жизненным циклом. Для таких систем стоимость сопровождения обычно превышает стоимость разработки.

Рис. Основные классы инструментальных сред разработки и сопровождения ПС.
Инструментальные среды программирования.
Инструментальные среды программирования содержат прежде всего текстовый редактор, позволяющий конструировать программы на заданном языке программирования, инструменты, позволяющие компилировать или интерпретировать программы на этом языке, а также тестировать и отлаживать полученные программы. Кроме того, могут быть и другие инструменты, например, для статического или динамического анализа программ. Взаимодействуют эти инструменты между собой через обычные файлы с помощью стандартных возможностей файловой системы.
Различают следующие классы инструментальных сред программирования (см. рис. 14.2): •
среды общего назначения,•
языково-ориентированные среды.
Инструментальные среды программирования общего назначения содержат набор программных инструментов, поддерживающих разработку программ на разных языках программирования (например, текстовый редактор, редактор связей или интерпретатор языка целевого компьютера) и обычно представляют собой некоторое расширение возможностей используемой операционной системы. Для программирования в такой среде на каком-либо языке программирования потребуются дополнительные инструменты, ориентированные на этот язык (например, компилятор).

Рис. Классификация инструментальных сред программирования.
Языково-ориентированная инструментальная среда программирования предназначена для поддержки разработки ПС на каком-либо одном языке программирования и знания об этом языке существенно использовались при построении такой среды. Вследствие этого в такой среде могут быть доступны достаточно мощные возможности, учитывающие специфику данного языка. Такие среды разделяются на два подкласса:
• интерпретирующие среды, •
• синтаксически-управляемые среды.
Интерпретирующая инструментальная среда программирования обеспечивает интерпретацию программ на данном языке программирования, т.е. содержит прежде всего интерпретатор языка программирования, на который эта среда ориентирована. Такая среда необходима для языков программирования интерпретирующего типа (таких, как Лисп), но может использоваться и для других языков (например, на инструментальном компьютере). Синтаксически-управляемая инструментальная среда программирования базируется на знании синтаксиса языка программирования, на который она ориентирована. В такой среде вместо текстового используется синтаксически-управляемый редактор, позволяющий пользователю использовать различные шаблоны синтаксических конструкций (в результате этого разрабатываемая программа всегда будет синтаксически правильной). Одновременно с программой такой редактор формирует (в памяти компьютера) ее синтаксическое дерево, которое может использоваться другими инструментами.
Понятие компьютерной технологии разработки программных средств и ее рабочие места.
Имеются некоторые трудности в выработке строгого определения CASE-технологии (компьютерной технологии разработки ПС). CASE - это абревиатура от английского Computer-Aided Software Engineering (Компьютерно-Помогаемая Инженерия Программирования). Но без помощи (поддержки) компьютера ПС уже давно не разрабатываются (используется хотя бы компилятор). В действительности, в это понятие вкладывается более узкий (специальный) смысл, который постепенно размывается (как это всегда бывает, когда какое-либо понятие не имеет строгого определения). Первоначально под CASE понималась [16.2] инженерия ранних этапов разработки ПС (определение требований, разработка внешнего описания и архитектуры ПС) с использованием программной поддержки (программных инструментов). Теперь под CASE может пониматься [16.2] и инженерия всего жизненного цикла ПС (включая и его сопровождение), но только в том случае, когда программы частично или полностью генерируются по документам, полученным на указанных ранних этапах разработки. В этом случае CASE-технология стала принципиально отличаться от ручной (традиционной) технологии разработки ПС: изменилось не только содержание технологических процессов, но и сама их совокупность.
В настоящее время компьютерную технологию разработки ПС можно характеризовать использованием:
• программной поддержки для разработки графических требований и графических спецификаций ПС, •
• автоматической генерации программ на каком-либо языке программирования или в машинном коде (частично или полностью), •
• программной поддержки прототипирования.
Говорят также, что компьютерная технология разработки ПС является "безбумажной", т.е. рассчитанной на компьютерное представление программных документов. Однако, уверенно отличить ручную технологию разработки ПС от компьютерной по этим признакам довольно трудно. Значит, самое существенное в компьютерной технологии не выделено.
На наш взляд, главное отличие ручной технологии разработки ПС от компьютерной заключается в следующем. Ручная технология ориентирована на разработку документов, одинаково понимаемых разными разработчиками ПС, тогда как компьютерная технология ориентирована на обеспечение семантического понимания (интерпретации) документов программной поддержкой компьютерной технологии. Компьютерное представление документов еще не означает такого их понимание. Тогда как семантическое понимание документов дает программной поддержке возможность автоматической генерации программ, а необходимость обеспечения такого понимания делает желательными и различные графические формы входных документов. Именно это позволяет рационально изменить и саму совокупность технологических процессов разработки и сопровождения ПС.
Из проведенного обсуждения сущности компьютерной технологии можно понять и связанные с ней изменения в жизненном цикле ПС. Если при использовании ручной технологии основные усилия по разработке ПС делались на этапах собственно программирования (кодирования) и отладки (тестирования), то при использовании компьютерной технологии - на ранних этапах разработки ПС (определения требований и функциональной спецификации). При этом существенно изменился характер документации: вместо целой цепочки неформальных документов, ориентированной на передачу информации от заказчика (пользователя) к различным категориям разработчикам, формируются прототип ПС, поддерживающий выбранный пользовательский интерфейс, и формальные функциональные спецификации, достаточные для автоматического синтеза (генерации) программ ПС (или хотя бы значительной их части). При этом появилась возможность автоматической генерации части документации, необходимой разработчикам и пользователям. Вместо ручного программирования (кодирования) - автоматическая генерация программ, что делает не нужной автономную отладку и тестирование программ: вместо нее добавляется достаточно глубокий автоматический семантический контроль документации. Существенно изменяется и характер сопровождения ПС: все изменения разработчиком-сопроводителем вносятся только в спецификации (включая и прототип), остальные изменения в ПС осуществляются автоматически.
С учетом сказанного жизненный цикл ПС с использованием компьютерной технологии можно представить следующей схемой (рис. 16.3).

Рис. Жизненный цикл программного средства при использовании компьютерной технологии.
Прототипирование позволяет заменить косвенное описание взаимодействия между пользователем и ПС при ручной технологии (при определении требований к ПС и внешнем описании ПС) прямым выбором пользователем способа и стиля этого взаимодействия с фиксацией всех необходимых деталей. По-существу, на этом этапе производится точное описание пользовательского интерфейса, понятное программной поддержке компьютерной технологии, причем с ответственным участием пользователя: разработчик показывает пользователю на мониторе различные возможности и пользователь выбирает приемлемые для него варианты, пользователь с помощью разработчика вводит обозначения обрабатываемых им информационных объектов и операций над ними, он выбирает способ доступа к ним и связывает их с различными окнами, меню, виртуальными клавиатурами и т.п. Все это базируется на наличие в программной поддержке компьютерной технологии настраиваемой оболочки с обширной библиотекой заготовок различных фрагментов и деталей экрана. В результате указанных действий определяется оболочка ПС - верхний управляющий уровень ПС. Такое прототипирование, по-видимому, является лучшим способом преодоления барьера между пользователем и разработчиком.
Разработка спецификаций распадается на несколько разных процессов. Если исключить начальный этап разработки спецификаций (определение требований), то в этих процессах используются методы, приводящие к созданию формализованных документов, т. е. используются формализованные языки спецификаций. При этом широко используются графические методы спецификаций, приводящие к созданию различных схем и диаграмм, которые достаточно формализованно определяют структуру информационной среды и структуру управления ПС. К таким структурам привязываются фрагменты описания данных и программ, представленные на алгебраических языках спецификаций (например, использующие операционную или аксиоматическую семантику), или логических языках спецификаций (базирующихся на логическом подходе к спецификации программ). Такие спецификации позволяют в значительной степени или полностью автоматически генерировать программы.
Автоматизированный контроль спецификаций
Инструментальные системы технологии программирования.
Для компьютерной поддержки разработки и сопровождения больших ПС с продолжительным жизненным циклом используются инструментальные системы технологии программирования. Инструментальная система технологии программирования - это интегрированная совокупность программных и аппаратных инструментов, поддерживающая все процессы разработки и сопровождения больших ПС в течение всего его жизненного цикла в рамках определенной технологии. Из этого определения вытекают следующие основные черты этого класса компьютерной поддержки: •
• комплексность, •
• ориентированность на коллективную разработку, •
• технологическая определенность, •
• интегрированность.
Комплексность компьютерной поддержки означает, что она охватывает все процессы разработки и сопровождения ПС и что продукция этих процессов согласована и взаимоувязана. Тем самым, система в состоянии обеспечить, по-крайней мере, контроль полноты (комплектности) создаваемой документации (включая набор программ) и согласованности ее изменения (версионности). Тот факт, что компьютерная поддержка охватывает и фазу сопровождения ПС, означает, что система должна поддерживать работу сразу с несколькими вариантами ПС, ориентированными на разные условия применения ПС и на разную связанную с ним аппаратуру, т.е. должна обеспечивать управление конфигурацией ПС.
Ориентированность на коллективную разработку означает, что система должна поддерживать управление (management) работой коллектива и для разных членов этого коллектива обеспечивать разные права доступа к различным фрагментам продукции технологических процессов.
Технологическая определенность компьютерной поддержки означает, что ее комплексность ограничивается рамками какой-либо конкретной технологии программирования. Инструментальные системы технологии программирования представляют собой достаточно большие и дорогие ПС, чтобы как-то была оправданна их инструментальная перегруженность. Поэтому набор включаемых в них инструментов тщательно отбирается с учетом потребностей предметной области, используемых языков и выбранной технологией программирования.
Интегрированность компьютерной поддержки означает•
• интегрированность по данным, •
• интегрированность по пользовательскому интерфейсу, •
• интегрированность по действиям (функциям),
Интегрированность по данным означает, что инструменты действуют в соответствии с фиксированной информационной схемой (моделью) системы, определяющей зависимость различных используемых в системе фрагментов данных (информационных объектов) друг от друга. Интегрированность по пользовательскому интерфейсу означает, что все инструменты объединены единым пользовательским интерфейсом. Интегрированность по действиям означает, что, во-первых, в системе имеются общие части всех инструментов и, во-вторых, одни инструменты при выполнении своих функций могут обращаться к другим инструментам.
С учетом обсужденных свойств инструментальных систем технологии программирования можно выделить три их основные компоненты:•
• база данных разработки (репозиторий),•
• инструментарий, •
• интерфейсы.
Репозиторий - центральное компьютерное хранилище информации, связанной с проектом (разработкой) ПС в течении всего его жизненного цикла. Инструментарий - набор инструментов, определяющий возможности, предоставляемые системой коллективу разработчиков. Обычно этот набор является открытым: помимо минимального набора (встроенные инструменты), он содержит средства своего расширения (импортированными инструментами), - и структурированным, состоящим из некоторой общей части всех инструментов (ядра) и структурных (иногда иерархически связанных) классов инструментов. Интерфейсы разделяются на пользовательский и системные. Пользовательский интерфейс обеспечивает доступ разработчикам к инструментарию (командный язык и т.п.), реализуется оболочкой системы. Системные интерфейсы обеспечивают взаимодействие между инструментами и их общими частями. Системные интерфейсы выделяются как архитектурные компоненты в связи с открытостью системы - их обязаны использовать новые (импортируемые) инструменты, включаемые в систему.
Самая общая архитектура инструментальных систем технологии программирования представлена на рис.
Различают два класса инструментальных систем технологии программирования: инструментальные системы поддержки проекта и языково-зависимые инструментальные системы. Инструментальная система поддержки проекта - это открытая система, способная поддерживать разработку ПС на разных языках программирования после соответствующего ее расширения программными инструментами, ориентированными на выбранный язык. Такая система содержит ядро (обеспечивающее, в частности, доступ к репозиторию), набор инструментов, поддерживающих управление (management) разработкой ПС, независимые от языка программирования инструменты, поддерживающие разработку ПС (текстовые и графические редакторы, генераторы отчетов и т.п.), а также инструменты расширения системы. Языково-зависимая инструментальная система - это система поддержки разработки ПС на каком-либо одном языке программирования, существенно использующая в организации своей работы специфику этого языка. Эта специфика может сказываться и на возможностях ядра (в том числе и на структуре репозитория), и на требованиях к оболочке и инструментам. Примером такой системы является среда поддержки программирования на Аде (APSE).

Рис. Общая архитектура инструментальных систем технологии программирования.