Повторное использование кода (модульное программирование)

Проблема. На первых этапах становления программной инженерии (даже когда она так еще не называлась) было отмечено, что высокая стоимость программ связана с разработкой одинаковых (или похожих) фрагментов кода в различных программах. Вызвано это было тем, что в различных программах как части этих программ решались одинаковые (или похожие) задачи: решение нелинейных уравнений, расчет заработной платы, … Использование при создании новых программ ранее написанных фрагментов сулило существенное снижение сроков и стоимости разработки.

Модульное программирование. Главный принцип модульного программирования состоял в выделении таких фрагментов и оформлении их в виде модулей. Каждый модуль снабжался описанием, в котором устанавливались правила его использования – интерфейс модуля. Интерфейс задавал связи модуля с основной программой – связи по данным и связи по управлению. При этом возможность повторного использования модулей определялась количеством и сложностью этих связей, или насколько эти связи удалось согласовывать с организацией данных и управления основной программы. Наиболее простыми в этом отношении оказались модули решения математических задач: решения уравнений, систем уравнений, задач оптимизации. К настоящему времени накоплены и успешно используются большие библиотеки таких модулей.

Для многих других типов модулей возможность их повторного использования оказалась проблематичной в виду сложности их связей с основной программой. Например, модуль расчета зарплаты, написанный для одной фирмы, может не подойти для другой, т.к. зарплата в этих фирмах рассчитывается не во всем одинаково. Повторное использование модулей со сложными интерфейсами является достаточно актуальной и по сей день. Для ее решения разрабатываются специальные формы (структуры) представления модулей и организации их интерфейсов.

Рост сложности программ (структурное программирование)

Проблема. Следующий этап возрастания стоимости ПО был связан с переходом от разработки относительно простых программ к разработке сложных программных комплексов. К числу таких сложных программ относятся: системы управления космическими объектами, управления оборонным комплексом, автоматизации крупного финансового учреждения и т.д. Сложность таких комплексов оценивалась следующими показателями:

1. Большой объем кода (миллионы строк)

2. Большое количество связей между элементами кода

3. Большое количество разработчиков (сотни человек)

4. Большое количество пользователей (сотни и тысячи)

5. Длительное время использования

Для таких сложных программ оказалось, что основная часть их стоимости приходится не на создание программ, а на их внедрение и эксплуатацию. По аналогии с промышленной технологией стали говорить о жизненном цикле программного продукта, как о последовательности определенных этапов: этапа проектирования, разработки, тестирования, внедрения и сопровождения.

Структурное программирование. Этап сопровождения программного комплекса включал действия по исправлению ошибок в работе программы и внесению изменений в соответствии с изменившимися требованиями пользователей. Основная причина высокой стоимости (а порой и невозможности выполнения) этапа сопровождения состояла в том, что программы были плохо спроектированы – документация была не понятна и не соответствовала программному коду, а сам программный код был очень сложен и запутан. Нужна технология, которая обеспечит «правильное» проектирование и кодирование. Основные принципы технологии структурного проектирования и кодирования:

1. Нисходящее функциональное проектирование, при котором в системе выделяются основные функциональные подсистемы, которые потом разбиваются на подсистемы и т.д. (принцип «разделяй и властвую»)

2. Применение специальных языков проектирования и средств автоматизации использования этих языков

3. Дисциплина проектирования и разработки: планирование и документирование проекта, поддержка соответствие кода проектной документации

4. Структурное кодирование без goto

Модификация программ (ООП)

Проблема. Следующая проблема роста стоимости программ была вызвана тем, что изменение требований к программе стали возникать не только на стадии сопровождения, но и на стадии проектирования – проблема заказчика, который не знает, что он хочет. Создание программного продукта превратилось в его перманентное перепроектирование. Возник вопрос как проектировать и писать программы, чтобы обеспечить возможность внесений изменений в программу, не меняя ранее написанного кода.

Объектно-ориентированное программирование. Решением этой проблемы стало использование подхода или метода, который стали называть объектно-ориентированным проектированием и программированием. Суть подхода состоит в том, что вводится понятие класса как развитие понятия модуля с определенными свойствами и поведением, характеризующими обязанностями класса. Каждый класс может порождать объекты – экземпляры данного класса. При этом работают основные принципы (парадигмы) ООП:

1. Инкапсуляция – объединение в классе данных (свойств) и методов (процедур обработки).

2. Наследование – возможность вывода нового класса из старого с частичным изменением свойств и методов

3. Полиморфизм – определение свойств и методов объекта по контексту

Проиллюстрировать возможности принципов ООП можно на следующем примере. В организации, состоящей из трех отделов надо начислять заработную плату. В программе каждый отдел представлен своим модулем – объектом, а начисление зарплаты – объектом «Зарплата». При необходимости расчета зарплаты объекту «Отдел» передается экземпляр объекта «Зарплата». Объект «Отдел» передает объекту «Зарплата» необходимые данные и затем с помощью методов объекта «Зарплата» выполняет необходимые расчеты.

В отделе 3 частично изменились правила начисления зарплаты. В этой ситуации при объектно-ориентированном подходе из класса «Зарплата» выводится класс «Зарплата 1», который наследует неизменившиеся правила начисления зарплаты и переопределяет изменившиеся. Здесь при расчете зарплаты объектам «Отдел 1» и «Отдел 2» будет передаваться объект «Зарплата», а объекту «Отдел 3» - объект «Зарплата 1». При таких изменениях:

1. Срабатывает принцип наследования: код «Зарплата», «Отдел 1» и «Отдел 2» остаются без изменения, а код «Зарплата 1» изменяется ровно настолько, насколько это необходимо.

2. Срабатывает принцип полиморфизма: код «Отдел 3» также не изменяется – он продолжает считать, что работает с объектом «Зарплата»

Некоторые итоги

Программная инженерия (или технология программирования) как некоторое направление возникло и формировалось под давлением роста стоимости создаваемого программного обеспечения. Главная цель этой области знаний - сокращение стоимости и сроков разработки программ.

Программная инженерия прошла несколько этапов развития, в процессе которых были сформулированы фундаментальные принципы и методы разработки программных продуктов. Основной принцип программной инженерии состоит в том, что программы создаются в результате выполнения нескольких взаимосвязанных этапов (анализ требований, проектирование, разработка, внедрение, сопровождение), составляющих жизненный цикл программного продукта. Фундаментальными методами проектирования и разработки являются модульное, структурное и объектно-ориентированное проектирование и программирование.