Этапы разработки программного обеспечения

Существует государственный стандарт, который устанавливает стадии разработки программ и программной документации для вычислительных машин, комплексов и систем независимо от их назначения и области применения.

Процесс разработки программного обеспечения можно разбить на этапы (фазы), показанные на рис. 15.

Рис. 15. Этапы разработки программного обеспечения

Работа над программным обеспечением начинается с составления документа, называемого “Задание на разработку программного обеспечения (техническое задание)”.

Только при решении простейших задач указанные на рис. 15 этапы выполняются друг за другом в той последовательности, в которой они изобра­жены. В общем же случае процесс разработки программного обеспечения требует постоянного возврата к предыдущим этапам и внесения изменений. В связи с этим на рис. 15 прямоугольники с названиями этапов соединены не только вертикальными линиями, но и линиями, обеспечивающими возврат с любого этапа на этап, находящийся выше него. Это значит, что каждый этап может быть выполнен заново.

Техническое задание

Техническое задание включает в себя три этапа: 1) обоснование необхо­димости разработки программы; 2) проведение научно-исследовательских работ; 3) разработка и утверждение технического задания.

Прежде чем приступить к разработке технического задания, заказчик должен правильно поставить задачу. Постановка задачи заключается в создании математической или логической модели исследуемого процесса или явления. Здесь же необходимо определить, правильным ли будет программное решение. Может быть лучше воспользоваться известным прикладным программным обеспечением (системами управления базами данных, табличными процессо­рами и т.д.) или просто решить задачу с помощью нескольких листков бумаги и карандаша. Если делается выбор в пользу разработки новой программы, то необходимо выбрать и обосновать критерии эффективности и качества разраба­тываемой программы. В случае разработки крупного программного комплекса обосновывается необходимость проведения научно-исследовательских работ.

В результате проведения научно-исследовательской работы определя­ются структуры входных и выходных данных, осуществляется предварительный выбор методов решения задачи и обосновывается принципиальная возможность решения поставленной задачи.

Разработка и утверждение технического задания включает в себя:

- определение требований к программе;

- разработку технико-экономического обоснования разработки программы;

- определение стадий, этапов и сроков разработки программы и документации на нее;

- выбор языков программирования;

- определение необходимости проведения научно-исследовательских работ на последующих стадиях;

- согласование и утверждение технического задания.

В серьезных фирмах результатом данной фазы является общее описание системы, включающее в себя требования к программе и требования к надежности программы. Требования к программе или программному изделию дают ответы на следующие вопросы:

- Какими должны быть входные данные?

- Какие данные являются корректными и какие ошибочными?

- Кто будет использовать программное обеспечение, и каким должен быть интерфейс (средство общения с пользователем)?

- Какие упрощения, предположения и допущения можно сделать по отношению к программам?

- Какими должны быть выходные данные?

Требования к надежности определяют обеспечение надежного функционирования программы. Определяются ошибки, которые необходимо выявлять, и сообщения, которые желательно выдавать пользователю при наличии ошибок. Перечисляются все особые ситуации, требующие дополнительного учета и специального рассмотрения.

Техническое задание определяет условия эксплуатации (температура окружающего воздуха, относительная влажность и т.п. для выбранных типов носителей данных), при которых должны обеспечиваться заданные характеристики, а также вид обслуживания, необходимое количество и квалификацию персонала.

Проектирование

Проектирование включает в себя два этапа: эскизный проект и техничес­кий проект. Эскизныйпроект заключается в предварительной разработке структуры входных и выходных данных и общего описания алгоритма решения задачи. При разработке технического проекта структуры входных и выходных данных уточняются и определяются их формы представления. Уточняется алгоритм решения задачи, определяется семантика и синтаксис языка програм­мирования и разрабатывается структура программы. Оба этапа сопровожда­ются пояснительной запиской и технико-экономическим обоснованием.

Процесс проектирования является важнейшей частью любой программной разработки. В соответствии с технологией нисходящего структурного программирования программный комплекс разбивается на небольшие части – программные модули. Каждая отдельная подзадача должна быть относительно независимой и представлять собой некоторый законченный модуль программы. Модульность программы является ее важным свойством. В процессе проектирования важно детально описать не только цель каждого модуля, но и потоки данных между модулями. Каждый модуль характеризуется двумя важными свойствами:

1) он имеет средства взаимодействия с внешней средой;

2) он является самостоятельной программной единицей, выполняющей определенные функции.

Частью интерфейса являются потоки данных. При описании их для каждого модуля необходимо дать ответы на следующие вопросы:

- Какие данные можно передать в модуль до начала его выполнения?

- Какие упрощения, предположения и допущения сделаны по отношению к модулю?

- Что будет с данными после того, как модуль завершит свою работу?

На рис. 16 приведен пример описания модуля, используемого для сортировки целых чисел.

Рис. 16. Пример спецификации модуля

После разработки общей структуры программы необходимо установить, какие библиотечные средства можно использовать и какие новые процедуры необходимо разработать. Далее разрабатываются алгоритмы вновь создаваемых модулей.

Определяется схема взаимодействия программных модулей, называемая схемой потоков данных программного комплекса. Разрабатывается план и исходные данные для тестирования программных модулей и программного комплекса целиком.

Рабочий проект

Рабочий проект включает в себя разработку программы и программной документации, а также испытание программы.

Этап кодирования алгоритмов заключается в переводе алгоритмов, разработанных для каждого программного модуля, в программы на конкретном языке программирования. Этот этап не является главным в программирова­нии, хотя и продолжается на протяжении остатка жизненного цикла продукта. Если этап проектирования выполнен добросовестно, интерфейсы модулей определены верно, то кодирование осуществляется достаточно быстро.

Кодирование должно быть простым. Должен соблюдаться так называемый KISS–принцип: Keep It Simple, Stupid (делай проще, глупец!). Изощренное программирование может обойтись слишком дорого при отладке и модификации программы. Необычное кодирование (например, использование скрытых возможностей машины) часто препятствует отладке программы и, конечно, затрудняет ее использование другими программистами.

Опытные программисты создают универсальные программы. Универсаль­ностью называют независимость программы от конкретного набора данных. Например, универсальная программа использует в качестве параметров пере­мен­ные, а не константы, обрабатывает вырожденные случаи и т.д. Универсаль­ность программы экономит время по дальнейшей работе над ней и обеспечи­вает широкие возможности по использованию. Разрабатывая такие программы можно предвидеть будущие изменения в спецификациях этой программы.

Входные форматы должны быть разработаны с учетом максимального удобства для пользователя и минимальной возможности ошибок. Порядок переменных и форматы данных, привычные для пользователя, помогут избежать ошибок и облегчат использование программ. Форматы выходных данных могут сильно различаться. Иногда даются четкие инструкции и выходные данные подгоняются под определенный стандарт. Результаты расчета должны быть удобочитаемыми и понятными для непрограммиста.

После того, как модули или программа закодированы, наступает момент ее запуска на выполнение. Наиболее вероятным результатом этого будет сообщение об ошибке. Ошибка отыскивается, исправляется, и все повторяется сначала. Данный процесс называется отладкой. Отладка заключается в определении мест возникновения ошибок, выяснении причины их возникновения и устранении этих причин.

Тестирование обычно производится в два этапа. Первый – это тестирование модулей. Проверяется поведение и надежность каждого модуля. Второй этап – тестирование интеграции. Модули компонуются в общую программу, и разработчик убеждается в правильности взаимодействия модулей. Программа, управляющая работой модулей, тестируется отдельно от модулей. Сами модули в ней заменяются так называемыми “заглушками”. В “модуле–заглушке” имеется вход, выход и необходимое сообщение. Сообщение может содержать перечень переданных модулю данных.

Тестирование – это проверка программы на работоспособность. Отладка имеет место тогда, когда программа со всей очевидностью работает неправильно. Отладка начинается всегда в предвидении отказа программы. Если же оказывается, что программа работает верно, то она тестируется. Часто случается так, что после прогона тестов программа вновь должна быть подвергнута отладке. Таким образом, тестирование устанавливает факт наличия ошибки, а отладка выявляет ее причину.

Для несложного приложения тестирование может оказаться простым. Большие программы поддаются тестированию с трудом. Возможны устранения ошибок на этапе эксплуатации.

Можно привести примеры ошибок в программных комплексах, допущенных при разработке и не обнаруженных при тестировании.

В “Справочнике Microsoft Works” в интерактивной помощи пакета интегрированной обработки информации Works 2.0 функция ЕСЛИ описана как

ЕСЛИ (Условие, ЗначениеЛожь, ЗначениеИстина).

Однако, в действительности, работа данной функции должна иметь следующий вид: ЕСЛИ (Условие, ЗначениеИстина, ЗначениеЛожь). В “Руководстве пользователя Microsoft Works для Windows” пакета Works 3.0 эта ошибка исправлена.

Неудача при запуске первого американского спутника к Венере случилась, вероятнее всего, из–за ошибки в программе – вместо требуемой в операторе точки программист поставил запятую. Оператор на языке Фортран был записан

Do 50 i = 12,525

На самом же деле он должен был выглядеть следующим образом:

Do 50 i = 12.525

Причиной осложнений, возникших при возвращении на Землю советско–афганского и советско–французского экипажей, явились ошибки, допущенные в программном обеспечении бортовых компьютеров.

В 1983 году произошло наводнение в юго–западной части США. Причина заключалась в том, что в компьютер были введены неверные данные о погоде, в результате чего он дал ошибочный сигнал шлюзам, перекрывающим реку Колорадо.

Для того чтобы пользователи не попали в ситуацию, когда программа работает, но делает не то, что должна делать, проводится тестирование для выявления “скрытых” ошибок. При тестировании используются планы и данные, разрабатываемые уже на этапе проектирования. О тестировании необходимо думать на протяжении всего периода разработки программы (табл. 2).

Таблица 2

Виды и причины ошибок

Вид ошибки	Причина ошибки
Неправильная постановка задачи	Неверно сформулированная задача
Неверный алгоритм	Выбран алгоритм, приводящий к неточному или неэффективному решению задачи
Семантическая ошибка	Смысловая ошибка в программе, не связанная с нарушением синтаксиса. Например, неверно определены переменные, входные данные не согласованы с граничными значениями, предусмотренными в алгоритме, неверно используется правильно записанный оператор языка программирования и др. Ошибки этого типа обнаруживаются на этапе тестирования и отладки
Синтаксические ошибки (ошибки времени компиляции)	Ошибки программирования, заключающиеся в нарушении грамматических конструкций языка. Ошибки этого типа обнаруживаются транслятором
Ошибки времени выполнения	Ошибки, возникающие при выполнении программы. Различаются ошибки ввода–вывода (например, не найден файл, недостаточно памяти для работы программы и др.) и фатальные ошибки, приводящие к немедленному прекращению работы программы (например, деление на ноль, ошибки при проверке границ, переполнение при выполнении операций с плавающей запятой и др.)
Ошибки в данных	Неудачное определение возможного диапазона изменения входных данных
Ошибки в документах	Документация пользователя не соответствует действующему варианту программы

В процессе выполнения всех вышеописанных этапов накапливается опреде­ленный опыт, который даст основание для усовершенствования программы.

Стадия “Рабочий проект” заканчивается проведением предварительных государственных, межведомственных, приемо-сдаточных и других видов испытаний. Программная документация корректируется в соответствии с результатами испытаний.

Внедрение

Внедрение – это этап жизненного цикла программы, в котором осуществляется передача программы и программной документации заказчику. В процессе эксплуатации может возникнуть необходимость добавления в программный комплекс новых функций, устранение ошибок, обнаруженных в процессе эксплуатации, и т.д. Данный тип работ называется сопровождением.

Примером добавления новых функций в программный комплекс является текстовый редактор Лексикон 1.3. Данная версия получена из текстового процессора 1.2 путем включения в него функций – импортирование графических файлов в формате PCX в текстовые файлы.

Документация

На рис. 15 прямоугольник, отражающий каждый этап разработки програм­мы, соединен с прямоугольником “Документ”. При этом стрелки направлены в обе стороны. Идеи и решения, используемые на каждом этапе, влияют на документацию, сопровождающую этап, так же, как и документация влияет на идеи и решения.

Разработка документации начинается сразу же с момента начала разработки программного обеспечения. Документация классифицируется по своему назначению и может быть разбита на несколько групп, по крайней мере, на две группы. Первая группа документов предназначена для разработчиков программного обеспечения и специалистов, которые будут его сопровождать, а вторая – для пользователей программного обеспечения.

Первая группа в качестве основных документов включает задание на разработку программного обеспечения (техническое задание), спецификацию и описание программы.

Техническое задание должно содержать следующие разделы:

- введение;

- основания для разработки;

- назначение разработки;

- требования к программе и программному изделию;

- требования к программной документации;

- технико-экономические показатели;

- стадии и этапы разработки;

- порядок контроля и приемки.

В техническое задание допускается включать приложения, где при необходимости приводят перечень научно-исследовательских и других работ, обосновывающих разработку, схемы алгоритмов и другие документы, которые могут быть использованы при разработке.

Спецификация является основным программным документом и составляется в соответствии с ГОСТ. Спецификация представляет собой таблицу, состоящую из граф: “Обозначение”, “Наименование”, “Примечание”. В графе “Обозначение” записывают обозначения перечисляемых документов и программ. В графе “Документация” указывают наименования и вид документа или программы. В графе “Примечание” – дополнительные сведения, относящиеся к записанным в спецификации программам.

Описание программы содержит:

– прокомментированные исходные тексты (листинги) модулей программы и управляющего модуля;

– схему разбиения программного комплекса на программные модули;

– схему потоков данных программного комплекса;

– схему взаимодействия программных модулей;

– планы и данные для тестирования программного комплекса;

– другие материалы, иллюстрирующие проект, например, схемы алгоритмов.

Второй вид документов содержит информацию, необходимую для работы с программным комплексом. Эти документы могут оформляться в печатном виде и (или) “встраиваться” в программный комплекс.

Что дальше?

Дисциплина программирования – это важный фактор успеха разработки программных продуктов. Принципы разработки программ, приведенные в последней главе, справедливы для процедурных языков программирования и для объектно-ориентированных языков.

Версия 6.0 Турбо Паскаля, выпущенная в 1990 году, наглядно продемонстрировала преимущества объектно–ориентированной технологии программирования. В комплект поставки новой версии вошла библиотека Turbo Vision, на которой многие тысячи программистов осваивали принципы ООП. За короткий срок появилось множество коммерческих программ, построенных на базе Turbo Vision. Эта библиотека поистине революционизирует процесс разработки интерактивных программ, сокращая до минимума сроки и обеспечивая высочайшее качество программ.

Эволюция технических средств персональных компьютеров привела к повсеместному вытеснению старой “доброй” ОС MS–DOS значительно более мощными системами Windows, программирование для которых существенно сложнее, чем программирование для MS–DOS. С выпуском системы Borland Pascal with Objects корпорация Borland предоставила в распоряжение программистов весьма эффективные средства разработки и отладки программ, рассчитанные на работу под управлением операционной оболочки Windows. Но все же несколько лет назад о создании своих собственных программ под Windows рядовому программисту оставалось только мечтать.

Дальнейшим развитием языка Паскаль является объектно-ориентирован­ный язык Object Pascal, который лежит в основе новой системы про­граммирования Delphi. Delphi – это система скоростной разработки приложений (Rapid Application Development). В этом новом мире RAD программисты используют инструменты, которые более наглядны и интуитивно понятны. Модульность, локализация, абстракция и сокрытие данных – свойства усовершенствованной объектной модели Object Pascal, которые позволяют создавать удобные, надежные и эффективные приложения для Windows при минимальной затрате времени.