Методы проектирования программных систем
В последние годы наибольшее развитие и использование получил объектно–ориентированный, компонентный, сервисно–ориентированный подходы. Для их поддержки Были разработаны и инструментальные средства (Rational Rose, Rational Software, RUP, Demral , OОram и др.). Инструменты рассматриваются в теме 10.
Эти подходы составляют основу методам проектирования ПС, которые практически применяются разными разработчиками, использующими подходящие для своих целей возможности этих методов. Получили дальнейшее развитие теоретические методы (алгебраическое, алгеброалгоритмическое, композиционное и др.), которые основываются на математических, алгебраических и логико–алгоритмических подходах и методах формального построения и доказательства программ.
В данной главе представлено описание основ методов систематического и отдельных методов теоретического программирования для ознакомления студентов с теорией и практикой проектирования ПС.
Методы систематического программирования
К методам систематического программирования отнесены следующие методы:
– структурный,
– объектно–ориентированный,
– моделирование в UML,
– компонентный,
– аспектно–ориентированный,
– генерирующий,
– агентный и др.
Каждый метод имеет свое множество понятий и операций для проведения процесса разработки компонентов или ПС. Вновь появившиеся методы, например, генерирующее программирование использует возможности объектно–ориентированного, компонентного и аспектно–ориентированного методов.
Дадим краткую характеристику возможностей этих методов, необходимую студентам для ознакомления с общими аспектами проектирования ПС в рамках приведенных методов.
Структурный подход
Сущность структурного подхода разработки ПС заключается в декомпозиции (разбиении) системы на автоматизируемые функции, которые в свою очередь делятся на подфункции, на задачи и так далее. Процесс декомпозиции продолжается вплоть до определения конкретных процедур. При этом автоматизируемая система сохраняет целостное представление, в котором все составляющие компоненты взаимосвязаны.
В основу структурного подхода положены такие общие принципы:
– разбивка системы на множество независимых задач, легких для понимания и решения;
– иерархическое упорядочивание, т.е. организация составных частей проблемы в древовидные структуры с добавлением новых деталей на каждом уровне.
В основе этих принципов лежат операции:
– абстрагирования, т.е. выделения существенных аспектов системы и отвлечения от несущественных;
– формализации, т.е строгое методологическое решение проблемы;
– непротиворечивости, состоящей в обосновании и согласовании элементов системы;
– структуризации данных (т.е. данные должны быть структурированы и иерархически организованы).
При структурном анализе применяются в основном три вида наиболее распространённых моделей проектирования ПС:
SADT (Structured Analysis and Design Technique) модель и соответствующие функциональные диаграммы [1];
SSADM (Structured Systems Analysis and Design Method) – метод структурного анализа и проектирования [2];
IDEF0 (Integrated Definition Functions) метод создания функциональной модели, IDEF1 – информационной модели, IDEF2 – динамической модели и др. [3].
На стадии проектирования эти модели расширяются, уточняются и дополняются диаграммами, отражающими структуру программного обеспечения: архитектуру ПО, структурные схемы программ и диаграммы экранных форм.
Метод функционального моделирования SADT. На основе метода SADT, предложенного Д. Россом, разработана методология IDEF0 (Icam DEFinition), которая является основной частью программы ICAM (Интеграция компьютерных и промышленных технологий), проводимой по инициативе ВВС США.
Методология SADT представляет собой совокупность методов, правил и процедур, предназначенных для построения функциональной модели объекта предметной области. Функциональная модель SADT отображает функциональную структуру объекта, т.е. производимые им функции и действия, а также связи между ними.
Основные элементы этого метода основываются на следующих концепциях:
– графическое представление блочного моделирования. Графическая диаграмма отображает функцию в виде блока, а интерфейсы (вход/выход) представляются дугами, соответственно входящими в блок и выходящими из него. Взаимодействие блоков друг с другом описываются посредством интерфейсных дуг, выражающих "ограничения", которые в свою очередь определяют, когда и каким образом функции выполняются и управляются;
– строгость и точность. Правила SADT строги и имеют ограничения на количество блоков на каждом уровне декомпозиции (от 3 до 6 блоков) и связность диаграмм через номера блоков;
– уникальность меток и наименований;
– разделение входов и управлений ( определение роли данных).
– отделение организации от функции, т.е. исключение влияния организационной структуры на функциональную модель.
Метод SADT может использоваться для моделирования широкого круга систем и определения требований и функций, а затем для разработки системы, которая удовлетворяет требованиям и реализует эти функции. Для действующих систем SADT может быть использоваться при анализе функций, выполняемых системой, а также для определения механизмов, посредством которых они осуществляются.
Результатом применения метода SADT является модель, которая состоит из диаграмм, фрагментов текстов и глоссария, имеющих ссылки друг на друга. Диаграммы – главные компоненты модели, все функции и интерфейсы на них представлены как блоки и дуги. Место соединения дуги с блоком определяет тип интерфейса. Управляющая информация входит в блок сверху, в то время как информация, которая подвергается обработке, показана с левой стороны блока, а результаты выхода показаны с правой стороны. Механизм (человек или автоматизированная система), осуществляющий операцию, представляется дугой, входящей в блок снизу (рис.5.1).
Рис. 5.1. Структура модели
Одной из наиболее важных особенностей метода SADT является постепенное введение все больших уровней детализации по мере создания диаграмм, отображающих модель.
Метод SSADMбазируется на таких структурных диаграммах: последовательность, выбор и итерация. Моделируемый объект задается их сгруппированной последовательностью, следующих друг за другом, операторами выбора элемента из группы и циклическим выполнением отдельных элементов.
Базовая диаграмма является иерархической и включает в себя следующие: список всех компонентов описываемого объекта; идентифицированные группы выбранных и повторяемых компонентов, а также последовательных компонентов. Модель процесса проектирования включает в себя:
– определение функций;
– моделирование взаимосвязей событий и сущностей;
– логическое проектирование данных;
– проектирование диалога;
– логическое проектирование БД;
– физическое проектирования.
В основе стратегического проектирования лежит анализ и определение требований. Определяется область действия приложения, существующие информационные потоки, формирование общего представления о затратах на разработку и потверждение возможности дальнейшего использования приложения. Результатом является спецификация требований, которая применяется для логической спецификации системы.
Логическое проектирование включает в себя в себя проектирование диалога и процесса обновления БД. Проектирование состоит в создании логической модели и спецификации, в которой отображены входные и выходные данные, процессы выполнения запросов и
процессов обновления.на основе логической БД. Одной из целей логического проектирования является минимизация дублирования трудозатрат при физическом проектировании, обеспечение целостности на основе установления взаимосвязей между событиями и сущностями.
Физическое проектирование состоит в определении типа СУБД, необходимого для представления сущностей и связей между ними при соблюдении спецификации логической модели данных и учета ограничений на память и время обработки. Предусмативается реструктуризация проекта в целях изменения механизмов доступа, повышения производительности, объема логической структуры, добавление связей и документирования. Физическая спецификация включает в себя:
– спецификацию функций и схемы реализации компонентов функций,
– описание процедурных и непроцедурных компонентов и интерфейсов,
– определение логических и физических групп данных с учетом ограничений оборудования и стандартов на разработку,
– определение групп событий, которые обрабатываются как единое целое с выдачей сообщений о завершении обработки и др.
Проект системы представляется структурной моделью, задающей работы и взаимосвязи между этими работами в виде потоков проектных документов, отображенных в сетевом графике, а также модули, стадии и шаги проектирования, которые соответствуют ЖЦ.