Case-технологии проектирования информационных систем

За последнее десятилетие сформировалось новое направление в программотехнике — CASE (Computer-Aided Software/System Engineering) — в дословном переводе — разработка программного обеспечения информационных систем при поддержке (с помощью) компьютера. В настоящее время не существует общепринятого определения CASE, термин CASE используется в весьма широком смысле. Первоначальное значение термина CASE, ограниченное вопросами автоматизации разработки только лишь программного обес­печения, в настоящее время приобрело новый смысл, охватывающий процесс разработки сложных автоматизированных информационных систем в целом. Теперь под термином CASE-средства понимаются программные средства, поддерживающие процессы создания и сопровождения ИС, включая анализ и формулировку требований, проектирование прикладного программного обеспечения (ПО) (приложений) и баз данных, генерацию кода, тести­рование, документирование, обеспечение качества, конфигурационное управление и управление проектом, а также другие процессы. CASE-средства вместе с системным ПО и техническими средствами образуют полную среду разработки ИС.

CASE-средства позволяют не только создавать "правильные" продукты, но и обеспечить "правильный" процесс их создания. Основная цель CASE состоит в том, чтобы отделить проектирование ИС от его кодирования и последующих этапов разработки, а также скрыть от разработчиков все детали среды разработки и функционирования ИС. При использовании CASE-технологий изменяются все этапы жизненного цикла программного обеспечения (подробнее об этом будет сказано ниже) информационной системы, при этом наибольшие изменения касаются этапов анализа и проектирования. Большинство существующих CASE-средств основано на методологиях структурного (в основном) или объектно-ориентированного анализа и проектирования, использующих специ­фикации в виде диаграмм или текстов для описания внешних требований, связей между моделями системы, динамики поведения системы и архитектуры программных средств. Такие методологии обеспечивают строгое и наглядное описание про­ектируемой системы, которое начинается с ее общего обзора и затем детализируется, приобретая иерархическую структуру со все большим числом уровней. CASE-технологии успешно применяются для построения практически всех типов ИС, однако устойчивое положение они занимают в следующих областях:

· обеспечение разработки деловых и коммерческих ИС, широкое применение CASE-технологий обусловлены массовостью этой прикладной области, в которой CASE применяется не только для разработки ИС, но и для создания моделей систем, помогающих решать задачи стратегического планирования, управления финансами, определения политики фирм, обучения персонала и др. (это направление получило свое собственное на­звание — бизнес-анализ);

· разработка системного и управляющих ИС. Активное применение CASE-технологий связано с большой сложностью данной проблематики и со стремлением повысить эффективность работ.

CASE — не революция в программотехнике, а результат естественного эволюционного развития всей отрасли средств, называемых ранее инструментальными или технологическими. С самого начала CASE-технологии развивались с целью преодоления ограничений при использовании структурных методологий проектирования 60—70-х гг. XX в. (сложности понимания, большой трудоемкости и стоимости использова­ния, трудности внесения изменений в проектные спецификации и т. д.) за счет их автоматизации и интеграции поддержи­вающих средств. Таким образом, CASE-технологии не могут считаться самостоятельными методологиями, они только развивают структурные методологии и делают более эффективным их применение за счет автоматизации.

Помимо автоматизации структурных методологий и, как следствие, возможности применения современных методов системной и программной инженерии, CASE-средства обладают следующими основными достоинствами:

· улучшают качество создаваемых ИС за счет средств автоматического контроля (прежде всего контроля проекта);

· позволяют за короткое время создавать прототип будущей системы, что позволяет на ранних этапах оценить ожидаемый результат;

· ускоряют процесс проектирования и разработки;

· освобождают разработчика от рутинной работы, позволяя ему целиком сосредоточиться на творческой части разработки;

· поддерживают развитие и сопровождение разработки;

· поддерживают технологии повторного использования компонента разработки.

Появлению CASE-технологии и CASE-средств предшествовали исследования в области методологии программирования. Программирование обрело черты системного подхода с разработкой и внедрением языков высокого уровня, методов структурного и модульного программирования, языков проектирования и средств их поддержки, формальных и неформальных языков описаний системных требований и спецификаций и т. д. В 70—80-х гг. стала на практике применять­ся структурная методология, предоставляющая в распоря­жение разработчиков строгие формализованные методы описания ИС и принимаемых технических решений. Она основана на наглядной графической технике: для описания раз­личного рода моделей ИС используются схемы и диаграммы. Наглядность и строгость средств структурного анализа позволяла разработчикам и будущим пользователям системы с самого начала неформально участвовать в ее создании, обсуждать и закреплять понимание основных технических решений. Однако широкое применение этой методологии и следование ее рекомендациям при разработке контактных ИС встречалось достаточно редко, поскольку при неавтоматизированной (ручной) разработке это практически невозможно. Это и способствовало появлению программно-технических средств особого класса — CASE-средств, реализующих CASE-технологию создания и сопровождения ИС.

Необходимо понимать, что успешное применение CASE-средств невозможно без понимания базовой технологии, на которой эти средства основаны. Сами по себе программные CASE-средства являются средствами автоматизации процес­сов проектирования и сопровождения информационных систем. Без понимания методологии проектирования ИС невозможно применение CASE-средств.

Характеристики современных операционных систем

Год за годом происходит эволюция структуры и возможностей операцион­ных систем. В последнее время в состав новых операционных систем и новых версий уже существующих операционных систем вошли некоторые структурные элементы, которые внесли большие изменения в природу этих систем. Совре­менные операционные системы отвечают требованиям постоянно развивающего­ся аппаратного и программного обеспечения. Они способны управлять работой многопроцессорных систем, работающих быстрее обычных машин, высокоскоро­стных сетевых приспособлений и разнообразных запоминающих устройств, чис­ло которых постоянно увеличивается. Из приложений, оказавших влияние на устройство операционных систем, следует отметить мультимедийные приложе­ния, средства доступа к Internet, а также модель клиент/сервер.

Неуклонный рост требований к операционным системам приводит не только к улучшению их архитектуры, но и к возникновению новых способов их органи­зации. В экспериментальных и коммерческих операционных системах были оп­робованы самые разнообразные подходы и структурные элементы, большинство из которых можно объединить в следующие категории.

· Архитектура микроядра.

· Многопоточность.

· Симметричная многопроцессорность.

· Распределенные операционные системы.

· Объектно-ориентированный дизайн.

Отличительной особенностью большинства операционных систем на сего­дняшний день является большое монолитное ядро. Ядро операционной системы обеспечивает большинство ее возможностей, включая планирование, работу с файловой системой, сетевые функции, работу драйверов различных устройств, управление памятью и многие другие. Обычно монолитное ядро реализуется как единый процесс, все элементы которого используют одно и то же адресное про­странство. В архитектуре микроядра ядру отводится лишь несколько самых важных функций, в число которых входят работа с адресными пространствами, обеспечение взаимодействия между процессами (interprocess communication — IPC) и основное планирование. Работу других сервисов операционной системы обеспечивают процессы, которые иногда называют серверами. Эти процессы за­пускаются в пользовательском режиме и микроядро работает с ними так же, как и с другими приложениями. Такой подход позволяет разделить задачу разработ­ки операционной системы на разработку ядра и разработку сервера. Серверы можно настраивать для требований конкретных приложений или среды. Выде­ление в структуре системы микроядра упрощает реализацию системы, обеспечи­вает ее гибкость, а также хорошо вписывается в распределенную среду. Факти­чески микроядро взаимодействует с локальным и удаленным сервером по одной и той же схеме, что упрощает построение распределенных систем.

Многопоточность (multithreading) — это технология, при которой процесс, выполняющий приложение, разделяется на несколько одновременно выполняе­мых потоков. Ниже приведены основные различия между потоком и процессом.

· Поток. Диспетчеризуемая единица работы, включающая контекст процессо­ра (куда входит содержимое программного счетчика и указателя вершины стека), а также свою собственную область стека (для организации вызова подпрограмм и хранения локальных данных). Команды потока выполняют­ ся последовательно; поток может быть прерван при переключении процес­сора на обработку другого потока⁴.Процесс. Набор из одного или нескольких потоков, а также связанных с этими потоками системных ресурсов (таких, как область памяти, в которую входят код и данные, открытые файлы, различные устройства). Эта кон­цепция очень близка концепции выполняющейся программы. Разбивая приложение на несколько потоков, программист получает все преимущества модульности приложения и возможность управления связанными с прило­жением временными событиями.

Многопоточность оказывается весьма полезной для приложений, выпол­няющих несколько независимых заданий, которые не требуют последовательного исполнения. В качестве примера такого приложения можно привести сервер ба­зы данных, который одновременно принимает и обрабатывает несколько запро­сов клиентов. Если в пределах одного и того же процесса обрабатываются не­сколько потоков, то при переключении между различными потоками непроизво­дительный расход ресурсов процессора меньше, чем при переключении между разными процессами. Кроме того, потоки полезны при описанном в последующих главах структурировании процессов, которые являются частью ядра опера­ционной системы.

До недавнего времени все персональные компьютеры, рассчитанные на одного пользователя, и рабочие станции содержали один виртуальный микропро­цессор общего назначения. В результате постоянного повышения требований к производительности и понижения стоимости микропроцессоров производители перешли к выпуску компьютеров с несколькими процессорами. Для повышения эффективности и надежности используется технология симметричной многопро­цессорности (symmetric multiprocessing — SMP). Этот термин относится к архи­тектуре аппаратного обеспечения компьютера, а также к образу действий опера­ционной системы, соответствующему этой архитектурной особенности. Симмет­ричную многопроцессорность можно определить как автономную компьютерную систему со следующими характеристиками.

1. В системе имеется несколько процессоров.

2. Эти процессоры, соединенные между собой коммуникационной шиной или какой-нибудь другой схемой, совместно используют одну и ту же основную память и одни и те же устройства ввода-вывода.

3. Все процессоры могут выполнять одни и те же функции (отсюда название симметричная обработка).

Операционная система, работающая в системе с симметричной многопро­цессорностью, распределяет процессы или потоки между всеми процессорами. У многопроцессорных систем есть несколько потенциальных преимуществ по срав­нению с однопроцессорными, в число которых входят следующие.

· Производительность. Если задание, которое должен выполнить компьютер, можно организовать так, что какие-то части этого задания будут выпол­няться параллельно, это приведет к повышению производительности по сравнению с однопроцессорной системой с процессором того же типа. Сформулированное выше положение проиллюстрировано на рис. 2.12. В много­ задачном режиме в один и тот же момент времени может выполняться только один процесс, тогда как остальные процессы вынуждены ожидать своей очереди. В многопроцессорной системе могут выполняться одновременно несколько процессов, причем каждый из них будет работать на от­ дельном процессоре.

· Надежность.При симметричной мультипроцессорной обработке отказ одного из процессоров не приведет к остановке машины, потому что все процессоры могут выполнять одни и те же функции. После такого сбоя система продолжит свою работу, хотя производительность ее несколько снизится.

· Наращивание. Добавляя в систему дополнительные процессоры, пользователь может повысить ее производительность.

· Масштабируемость. Производители могут предлагать свои продукты в раз­личных, различающихся ценой и производительностью, конфигурациях, предназначенных для работы с разным количеством процессоров.

Важно отметить, что перечисленные выше преимущества являются скорее потенциальными, чем гарантированными. Чтобы надлежащим образом реализо­вать потенциал, заключенный в многопроцессорных вычислительных системах, операционная система должна предоставлять адекватный набор инструментов и возможностей

.

Рис. 2.12. Многозадачность и многопроцессорность

Часто можно встретить совместное обсуждение многопоточности и многопроцессорности, однако эти два понятия являются независимыми. Многопоточность — полезная концепция для структурирования процессов приложений и ядра даже на машине с одним процессором. С другой стороны, многопроцессор­ная система может обладать преимуществами по сравнению с однопроцессорной, даже если процессы не разделены на несколько потоков, потому что в такой сис­теме можно запустить несколько процессов одновременно. Однако обе эти воз­можности хорошо согласуются между собой, а их совместное использование мо­жет дать заметный эффект.

Заманчивой особенностью многопроцессорных систем является то, что наличие нескольких процессоров прозрачно для пользователя —за распреде­ление потоков между процессорами и за синхронизацию разных процессов отвечает операционная система. В этой книге рассматриваются механизмы планирования и синхронизации, которые используются, чтобы все процессы и процессоры были видны пользователю в виде единой системы. Другая за­дача более высокого уровня — представление в виде единой системы класте­ра из нескольких отдельных компьютеров. В этом случае мы имеем дело с набором компьютеров, каждый из которых обладает своей собственной ос­новной и вторичной памятью и своими модулями ввода-вывода. Распреде­ленная операционная система создает видимость единого пространства ос­новной и вторичной памяти, а также единой файловой системы. Хотя попу­лярность кластеров неуклонно возрастает и на рынке появляется все больше кластерных продуктов, современные распределенные операционные системы все еще отстают в развитии от одно- и многопроцессорных систем. С подоб­ными системами вы познакомитесь в шестой части книги.

Одним из последних новшеств в устройстве операционных систем стало использование объектно-ориентированных технологий. Объектно-ориентированный дизайн помогает навести порядок в процессе добавления к основному небольшому ядру дополнительных модулей. На уровне операционной системы объектно-ориентированная структура позволяет программистам настраивать операционную систему, не нарушая ее целостности. Кроме того, этот подход облегчает разработку распределенных инст­рументов и полноценных распределенных операционных систем.

Хранение и обработка числовой и текстовой информации.