Введение в программную инженерию и жизненный цикл по

Разработка и использование компьютерных программ в настоящее время стало массовой деятельностью. Более семи миллионов человек занимаются их разработкой, а сотни миллионов активно используют их в своей профессиональной деятельности [1]. Практически нет ни одной сферы деятельности (экономика, медицина, бизнес, коммерция, промышленность и т.д.), где бы программное обеспечение (ПО) не использовалось для автоматизации и улучшения этой деятельности. Спрос на ПО постоянно увеличивается, его сложность растет, а ошибки в ПО остаются.

Знания разработчиков ПО отличаются большим разнообразием, и, как правило, они являются не полными, не согласованными и разнородными, ориентированными на реализацию разных предметных областей, начиная от ОС и кончая современными прикладными бизнес-системами. И самое главное, что знания в процессе инженерной деятельности постепенно уточняются, видоизменяются и пополняются, за которыми не поспевают программисты.

Примерно каждые 10 лет происходит смена языков программирования и операционных сред для описания и функционирования программ. Это предполагает изменение ранее изготовленных и функционирующих программ в новые языки и операционные среды. На это тратятся огромные людские и финансовые ресурсы. Так, при изменении формата даты (2000 год) в программах и микросхемах на десятках млн. компьютеров участвовало более 2 млн. программистов, а затраты составили сотни млн. долларов. Переделка (реинженерия) ранее созданных прикладных Фортран программ в новые языки (С, Java и др.) и условия функционирования требует больших капиталовложений и привлечения программистов из третьих стран и СНГ.

В связи с появлением огромного количества новых видов и типов персональных компьютеров, а также Фреймворков с усовершенствованными ОС и средствами интероперабельности в программистском мире возникли большие сложности, связанные с адаптацией и переводом ранее действующих готовых прикладных систем и программ. Наиболее важные и необходимые из них преобразуются, тиражируются и поступают на рынок, как продукт для продажи (сидиромы, кассеты и т.п.).

Процесс формирования знаний в информатике и Computer Science послужил толчком для формирования самого претенциозного проекта 90-х годов в истории развития вычислительной техники – японский проект ЭВМ 5 поколения, который должен был сделать переворот в области проектирования и программирования ПО [2]. В этом проекте предполагалось, что в суперкомпьютеры будут заложены огромные интеллектуальные знания в виде экспертных систем, баз знаний, систем вывода новых знаний и т.п. Общение с такими суперкомпьютерами будет осуществляться голосом, образами, речью, а из постановок задач будут выводиться готовые решения без написания соответствующих программ. Этот проект не был реализован, так как знания специалистов–разработчиков таких компьютеров не были достаточно полными и совершенными и, кроме того, уровень интеллектуализации знаний на то время не был достаточно глубоко разработанным, чтобы идеи японского проекта воплотить в реальную аппаратуру и встроить в нее высоко интеллектуальные системы автоматизации постановок задач.

Проектирование и создание новых компьютерных систем, в том числе из готовых компонентов (Reusing) и систем, теоретически и практически осуществляется с учетом современных возможностей платформ и распределенных сред, в которых компоненты распределяются по разным узлам сети и взаимодействуют между собой через сетевые протоколы. Появились новые методы и подходы к разработке ПО: структурный, объектно-ориентированный, компонентный, аспектный, визуальный – UML, агентно-ориентированный, сервисный и др. [3-13].

Разработано огромное количество разнообразных инструментальных средств поддержки процесса проектирования ПО и методов оценки качества, производительности, стоимости и т.п. Процесс разработки ПО и методы оценки продукта, процессов ЖЦ стандартизованы (ISO/IEC 12207 [14], 15504 [15], ISO 9126[16-18] и др.). Все это способствует повышению уровня проектирования, тестирования, прогнозирования надежности и оценки качества ПО.

Вместе с тем, новый программный проект разрабатывается 1-2 года, а эволюционирует 6-7лет. На его сопровождение тратиться 61% затрат против 39% на его разработку. Эффективность разработчиков в зависимости от квалификации колеблется в отношении 20:200, отсюда требуется повышать уровень знаний разработчиков ПО. На сегодня ядро стабильных знаний по программной инженерии составляет 75% от тех знаний, что используются в практической программисткой деятельности.

В связи с этим мировое компьютерное сообщество пришло к необходимости систематизации накопленных знаний и общие из них зафиксировать в виде ядер знаний (Body of Knowledge – BOK) для разных областей информатики [19]. Для создания ядра знаний ПО был создан международный комитет при американском объединении компьютерных специалистов ACM (Association for Computing Machinery) и институте инженеров по электронике и электротехнике IEEE Computer Society. В комитет вошли специалисты мирового уровня в области информатики и разработки ПО, которые внесли свой опыт и знания, а также систематизировали накопленные разнородные знания и определили (1999г., 2001г., 2004г.) ядро профессиональных знаний SWEBOK (Software Engineering Body Knowledge) программной инженерии [20], как основы проектирования ПО. Ядро включает сумму знаний, распределенную по 10 специализированным областям, которые отражают отдельные процессы проектирования ЖЦ ПО и методы их поддержки.

Программная инженерия (Software Engineering)является отраслью Computer science, изучает вопросы построения компьютерных программ, отражает закономерности ее развития, обобщает опыт программирования в виде комплекса общих знаний и правил регламентации инженерной деятельности разработчиков ПО. В этом определении важно рассмотреть два основных аспекта.

1. Инженерная дисциплина, по которой инженеры применяя теоретические идеи, методы и средства для разработки ПО, проводят создание ПО, согласно стандартов, регламентирующих процессы проектирования и разработки.

2. Аспекты создания ПО. Программная инженерия рассматривает такие аспекты ПО как управление проектом ПО и разработка средств, методов и теорий, необходимых для создания качественных программных систем. Эта инженерная дисциплина предоставляет всю необходимую информацию и стандарты для выбора наиболее подходящего метода проектирования практических задач. Не исключается и творческий неформальный подход к созданию ПО.

Как инженерная дисциплина, она охватывает все аспекты создания ПО, начиная от формирования требований до создания, сопровождения и снятия с эксплуатации ПО, а также включает инженерные методы оценки трудозатрат, стоимости, производительности и качества. Т.е. речь идет именно об инженерной деятельности в программировании, поскольку ее сущность близка к определению инженерной деятельности в толковом словаре [2]:

1) инженерия есть применение научных результатов, что позволяет получать пользу от свойств материалов и источников энергии;

2) как деятельность по созданию машин для предоставления полезных услуг.

В программной инженерии, инженеры – это специалисты, выполняющие практические работы по реализации программ с применением теории, методов и средств компьютерной науки. Компьютерная наука (computer science) охватывает теорию и методы построения вычислительных и программных систем, тогда как программная инженерия рассматривает вопросы практического построения ПО. Знание компьютерной науки необходимо специалистам в области программного обеспечения так же, как знание физики – инженерам-электронщикам. Если для решения конкретных задач программирования не существует подходящих методов или теории, инженеры применяют свои знания, накопленные ими в процессе конкретных разработок ПО, а также используя опыт работы на соответствующих инструментальных программных средствах. Кроме того, инженеры должны работать в условиях заключенных контрактов и выполнять задачи с учетом этих условий.

В отличие от науки, целью которой есть получение знаний, для инженерии знание – это способ получения некоторой пользы. Как говорил известный специалист в области программой техники Ф.Брукс], «ученый строит, чтобы научиться, инженер учится, чтобы строить».

Таким образом, разработка программных систем можно считать инженерной деятельностью, имеющей значительные отличия от традиционной инженерии, в которой:

– ветви инженерии имеют высокую степень специализации, а у программной инженерии специализация заметна только в довольно узких применениях (например, операционные системы, трансляторы);

– объекты хорошо определены и манипуляции с ними происходят в узком контексте типичных проектных решений и деталей, которые отвечают типовым требованиям заказчиков и касаются отдельных деталей, а не общих вопросов, тогда как у программной инженерии подобная типизация отсутствует;

– отдельные готовые решения классифицированы и каталогизированы, а в программной инженерии каждая новая разработка - это новая проблема, в которой довольно тяжело рассмотреть аналогию с ранее разработанными системами.

Указанные отличия требуют проведения организационных и технических работ для превращения ее в специальность. В настоящее время мировая компьютерная общественность объединились в профессиональные комитеты и проводят такие работы: разработка ядра знаний SWEBOK, этического кодекса программиста [13], учебных курсов подготовки соответствующих специалистов, обучение специальности, сертификация специалистов в области программной инженерии и др.

Следующим шагом деятельности этих организаций и комитетов является создание общей компьютерной программы обучения – Curricula 2001 [8]. В ней содержатся рекомендации по структуре и преподаванию 15 учебных курсов по информатике (дискретные системы, программирование, теория сложности, ОС и др.) в том числе и по программной инженерии, как дисциплины, изучающей теорию, знания и практику эффективного построения ПО на всех этапах ЖЦ, которым соответствуют области знаний в SWEBOK.

В разработке больших программных проектов, кроме программистов, принимают участие:

– менеджеры, которые планируют и руководят проектом, отслеживают сроки и затраты;

– инженеры службы хранения готовых компонентов в библиотеках и репозитариях;

– технологи, которые определяют инженерные методы и стандарты, регламентирующие и регулирующие процесс реализации проекта;

– тестировщики (контролеры), которые проверяют правильность выполнения процесса проектирования и продуктов процессов, на основе собранных данных проводят измерения разных характеристик качества, включая оценку надежности ПО.

Таким образом, возникновение программной инженерии как дисциплины разработки ПО определено следующими важными факторами:

– накопленным значительным объемом интеллектуальных знаний в области создания ПО;

– появлением новых разнообразных методов анализа, моделирования и проектирования ПО;

– необходимостью совершенствования методов обнаружения ошибок в ПО;

– потребностями эффективной организации коллективов разработчиков ПО и оценки их деятельности;

– использованием готовых программных компонентов, высоко технологических средств и инструментов разработки ПО;

– реинженерией компонентов и систем для их адаптации к новым изменяющимся условиям сред и сетей.

Программная инженерия, как инженерная дисциплина, делает главный акцент на повышение качества и производительности ПО за счет применения новых и усовершенствованных: методов проектирования ПО; готовых компонентов и методов их генерации; методов эволюции ПО; методов верификации и тестирования ПО; инструментальных средств поддержки; методов управления проектами, методов оценки качества, производительности, стоимости и т.п.; стандартизации процессов разработки ПО (ISO/IEC 12207, ISO/IEC 15504, ISO 9126 и др.), регламентирующих этапы ЖЦ; подходов к оценке продуктов и процессов.

В данном разделе темы лекций дается систематическое изложение следующих взаимосвязанных аспектов в инженерии проектировании ПО:

– теоретический и интеллектуальный базис (методы, принципы, средства и методологии и др.) проектирования, представленный в ядре SWEBOK, способствующий созданию высококачественных программных продуктов и удовлетворяющих заданным заказчиком функциональных и нефункциональных требований;

– связь теоретических аспектов программирования с готовыми стандартами в области программной инженерии, которые регламентируют деятельность специалистов-разработчиков ПО и организационные мероприятия по выполнению процессов верификации, валидации, тестирования, метрического анализа и оценки промежуточных и конечного результатов этой деятельности;

– концепции обучения разработчиков ПО методам и средствам программной инженерии, стандартным процессам ЖЦ с целью научить их методологии проектирования ПО, использующей знания в области программной инженерии и положений современных стандартов, регламентирующих процессы разработки, планирования, управления программным проектом, качеством, рисками и ресурсами проекта.