Текст книги "Программная инженерия. Теория и практика"

Компонентный подход лежит в основе технологий, разработанных на базе COM (Component Object Model – компонентная модель объектов), и технологии создания распределенных приложений CORBA (Common Object Request Broker Architecture – общая архитектура с посредником обработки запросов объектов). Эти технологии используют сходные принципы и различаются лишь особенностями их реализации.

Технология СОМ фирмы Microsoft является развитием технологии OLE I (Object Linking and Embedding – связывание и внедрение объектов), которая использовалась в ранних версиях Windows для создания составных документов. Технология СОМ определяет общую парадигму взаимодействия программ любых типов: библиотек, приложений, операционной системы, т.е. позволяет одной части программного обеспечения использовать функции (службы), предоставляемые другой, независимо от того, функционируют ли эти части в пределах одного процесса, в разных процессах на одном компьютере или на разных компьютерах. Модификация СОМ, обеспечивающая передачу вызовов между компьютерами, называется DCOM (Distributed COM – распределенная СОМ).

По технологии СОМ приложение предоставляет свои службы, используя специальные объекты – объекты СОМ, которые являются экземплярами классов СОМ. Объект СОМ, так же как обычный объект, включает поля и методы, но в отличие от обычных объектов может реализовывать несколько интерфейсов, обеспечивающих доступ к его полям и функциям. Это достигается за счет организации отдельной таблицы адресов методов для каждого интерфейса (по типу таблиц виртуальных методов). При этом интерфейс обычно объединяет несколько однотипных функций. Кроме того, классы СОМ поддерживают наследование интерфейсов, но не поддерживают наследования реализации, т.е. не наследуют код методов, хотя при необходимости объект класса-потомка может вызвать метод родителя.

Каждый интерфейс имеет имя, начинающееся с символа «I» и глобальный уникальный идентификатор IID (Interface IDentifier). Любой объект СОМ обязательно реализует интерфейс ILJnknown (на схемах этот интерфейс всегда располагают сверху). Использование этого интерфейса позволяет получить доступ к остальным интерфейсам объекта.

Объект всегда функционирует в составе сервера – динамической библиотеки или исполняемого файла, которые обеспечивают функционирование объекта. Различают три типа серверов:

• внутренний – реализуется динамическими библиотеками, которые подключаются к приложению-клиенту и работают в одном с ними адресном пространстве, это наиболее эффективный сервер, кроме того, он не требует специальных средств;

• локальный – создается отдельным процессом (модулем, ехе), который работает на одном компьютере с клиентом;

• удаленный – создается процессом, который работает на другом компьютере.

Например, Microsoft Word является локальным сервером. Он включает множество объектов, которые могут использоваться другими приложениями.

Для обращения к службам клиент должен получить указатель на соответствующий интерфейс. Перед первым обращением к объекту клиент посылает запрос к библиотеке СОМ, хранящей информацию обо всех зарегистрированных в системе классах СОМ-объектов, и передает ей имя класса, идентификатор интерфейса и тип сервера. Библиотека запускает необходимый сервер, создает требуемые объекты и возвращает указатели на объекты и интерфейсы. Получив указатели, клиент может вызывать необходимые функции объекта.

Взаимодействие клиента и сервера обеспечивается базовыми механизмами СОМ или DCOM, поэтому клиенту безразлично местонахождение объекта. При использовании локальных и удаленных серверов в адресном пространстве клиента создается proxy-объект – заместитель объекта СОМ, а в адресном пространстве сервера СОМ – заглушка, соответствующая клиенту. Получив задание от клиента, заместитель упаковывает его параметры и, используя службы операционной системы, передает вызов заглушке. Заглушка распаковывает задание и передает его объекту СОМ. Результат возвращается клиенту в обратном порядке.

На базе технологии СОМ и ее распределенной версии DCOM были разработаны компонентные технологии, решающие различные задачи разработки программного обеспечения.

OLE-automation, или просто Automation (автоматизация) – технология создания программируемых приложений, обеспечивающая программируемый доступ к внутренним службам этих приложений. Вводит понятие диспинтерфейса (dispinterface) – специального интерфейса, облегчающего вызов функций объекта. Эту технологию поддерживает, например, Microsoft Excel, предоставляя другим приложениям свои службы.

ActiveX – технология, построенная на базе OLE-automation, которая предназначена для создания программного обеспечения как сосредоточенного на одном компьютере, так и распределенного в сети. Предполагает использование визуального программирования для создания компонентов – элементов управления ActiveX. Полученные таким образом элементы управления можно устанавливать на компьютер дистанционно с удаленного сервера, причем устанавливаемый код зависит от используемой операционной системы. Это позволяет применять элементы управления ActiveX в клиентских частях приложений Интернет.

Основными преимуществами технологии ActiveX, обеспечивающими ей широкое распространение, являются:

• быстрое написание программного кода, поскольку все действия, связанные с организацией взаимодействия сервера и клиента, берет на себя программное обеспечение СОМ, программирование сетевых приложений становится похожим на программирование для отдельного компьютера;

• открытость и мобильность (спецификации технологии недавно были переданы в Open Group как основа открытого стандарта);

• возможность написания приложений с использованием знакомых средств разработки (например, Visual Basic, Visual C++, Borland Delphi, Borland C++ и любых средств разработки на Java);

• большое количество уже существующих бесплатных программных элементов ActiveX (к тому же практически любой программный компонент OLE совместим с технологиями ActiveX и может применяться без модификаций в сетевых приложениях);

• стандартность – технология основана на широко используемых стандартах Internet (TCP/IP, HTML, Java), с одной стороны, и стандартах, введенных в свое время Microsoft и необходимых для сохранения совместимости (COM, OLE), – с другой.

MTS (Microsoft Transaction Server – сервер управления транзакциями) – технология, обеспечивающая безопасность и стабильную работу распределенных приложений при больших объемах передаваемых данных.

MIDAS (Multitier Distributed Application Server – сервер многозвенных распределенных приложений) – технология, организующая доступ к данным разных компьютеров с учетом балансировки нагрузки сети.

Все указанные технологии реализуют компонентный подход, заложенный в СОМ. Так, с точки зрения СОМ элемент управления ActiveX – внутренний сервер, поддерживающий технологию OLE-automation. Для программиста же элемент ActiveX – «черный ящик», обладающий свойствами, методами и событиями, который можно использовать как строительный блок при создании приложений.

Технология CORBA, разработанная группой компаний ОМС (Object Management Group – группа внедрения объектной технологии программирования), реализует подход, аналогичный СОМ, на базе объектов и интерфейсов CORBA. Программное ядро CORBA существует для всех основных аппаратных и программных платформ, и потому эту технологию можно использовать для создания распределенного программного обеспечения в гетерогенной (разнородной) вычислительной среде. Организация взаимодействия между объектами клиента и сервера в CORBA осуществляется с помощью специального посредника, названного VisiBroker, и другого специализированного программного обеспечения.

Отличительной особенностью современного этапа развития технологии программирования, кроме изменения подхода, является создание и внедрение автоматизированных технологий разработки и сопровождения программного обеспечения, которые были названы CASE-технологиями (Computer-Aided Software/System Engineering – разработка программного обеспечения/программных систем с использованием компьютерной поддержки). Без средств автоматизации разработка достаточно сложного программного обеспечения на настоящий момент становится трудно осуществимой: память человека уже не в состоянии фиксировать все детали, которые необходимо учитывать при разработке программного обеспечения. На сегодня существуют CASE-технологии, поддерживающие как структурный, так и объектный (в том числе и компонентный) подходы к программированию.

Появление нового подхода не означает, что отныне все программное обеспечение будет создаваться из программных компонентов, но анализ существующих проблем разработки сложного программного обеспечения показывает, что он будет применяться достаточно широко.

Большинство современных программных систем объективно очень сложны, это обуславливается многими причинами, главной из которых является логическая сложность решаемых ими задач.

Пока вычислительных установок было мало и их возможности были ограничены, ЭВМ применяли в очень узких областях науки и техники, причем в первую очередь там, где решаемые задачи были хорошо детерминированы и требовали значительных вычислений. В наше время, когда созданы мощные компьютерные сети, появилась возможность переложить на них решение сложных ресурсоемких задач, о компьютеризации которых раньше никто и не думал. Сейчас в процесс компьютеризации вовлекаются совершенно новые предметные области, а для уже освоенных областей усложняются уже сложившиеся постановки задач.

Дополнительными факторами, увеличивающими сложность разработки программных систем, являются:

• сложность формального определения требований к программным системам;

• отсутствие удовлетворительных средств описания поведения дискретных систем с большим числом состояний при недетерминированной последовательности входных воздействий;

• коллективная разработка;

• необходимость увеличения степени повторяемости кодов.

Сложность определения требований к программным системам обусловливается двумя факторами. Во-первых, при определении требований необходимо учесть большое количество различных факторов. Во-вторых, разработчики программных систем не являются специалистами в автоматизируемых предметных областях, а специалисты в предметной области, как правило, не могут сформулировать проблему в нужном ракурсе.

Отсутствие удовлетворительных средств формального описания поведения дискретных систем. В процессе создания программных систем используют языки сравнительно низкого уровня. Это приводит к ранней детализации операций в процессе создания программного обеспечения и увеличивает объем описаний разрабатываемых продуктов, который, как правило, превышает сотни тысяч операторов языка программирования. Средств же, позволяющих детально описывать поведение сложных дискретных систем на более высоком уровне, чем универсальный язык программирования, не существует.

Коллективная разработка. Из-за больших объемов проектов разработка программного обеспечения ведется коллективом специалистов. Работая в коллективе, отдельные специалисты должны взаимодействовать друг с другом, обеспечивая целостность проекта, что при отсутствии удовлетворительных средств описания поведения сложных систем, упоминавшемся выше, достаточно трудно. Чем больше коллектив разработчиков, тем сложнее организовать процесс работы.

Необходимость увеличения степени повторяемости кодов. На сложность разрабатываемого программного продукта влияет и то, что для увеличения производительности труда компании стремятся к созданию библиотек компонентов, которые можно было бы использовать в дальнейших разработках. Однако в этом случае компоненты приходится делать более универсальными, что в конечном счете увеличивает сложность разработки.

Вместе взятые, эти факторы существенно увеличивают сложность процесса разработки. Однако очевидно, что все они напрямую связаны со сложностью объекта разработки – программной системы.

Блочно-иерархический подход. Практика показывает, что подавляющее большинство сложных систем как в природе, так и в технике имеет иерархическую внутреннюю структуру. Это обусловлено тем, что обычно связи элементов сложных систем различны как по типу, так и по силе, что и позволяет рассматривать эти системы как некоторую совокупность взаимозависимых подсистем. Внутренние связи элементов таких подсистем сильнее, чем связи между подсистемами. Например, компьютер состоит из процессора, памяти и внешних устройств, а Солнечная система включает Солнце и планеты, вращающиеся вокруг него.

В свою очередь, используя то же различие связей, можно каждую подсистему разделить на подсистемы и так до самого нижнего «элементарного» уровня, причем выбор уровня, компоненты которого следует считать элементарными, остается за исследователем. На элементарном уровне система, как правило, состоит из немногих типов подсистем, по-разному скомбинированных и организованных. Иерархии такого типа получили название «целое – часть».

Поведение системы в целом обычно оказывается сложнее поведения отдельных частей, причем из-за более сильных внутренних связей особенности системы в основном обусловлены отношениями между ее частями, а не частями как таковыми.

В природе существует еще один вид иерархии – иерархия «простое – сложное», или иерархия развития (усложнения) систем в процессе эволюции. В этой иерархии любая функционирующая система является результатом развития более простой системы. Именно данный вид иерархии реализуется механизмом наследования объектно-ориентированного программирования.

Будучи в значительной степени отражением природных и технических систем, программные системы обычно являются иерархическими, т.е. обладают описанными выше свойствами. На этих свойствах иерархических систем строится блочно-иерархический подход к их исследованию или созданию. Этот подход предполагает сначала создавать части таких объектов (блоки, модули), а затем собирать из них сам объект.

Процесс разбиения сложного объекта на сравнительно независимые части получил название декомпозиции. При декомпозиции учитывают, что связи между отдельными частями должны быть слабее, чем связи элементов внутри частей. Кроме того, чтобы из полученных частей можно было собрать разрабатываемый объект, в процессе декомпозиции необходимо определить все виды связей частей между собой.

При создании очень сложных объектов процесс декомпозиции выполняется многократно: каждый блок, в свою очередь, декомпозируют на части, пока не получают блоки, которые сравнительно легко разработать. Данный метод разработки получил название пошаговой детализации.

Существенно и то, что в процессе декомпозиции стараются выделить аналогичные блоки, которые можно было бы разрабатывать на общей основе. Таким образом, как уже упоминалось выше, обеспечивают увеличение степени повторяемости кодов и, соответственно, снижение стоимости разработки.

Результат декомпозиции обычно представляют в виде схемы иерархии, на нижнем уровне которой располагают сравнительно простые блоки, а на верхнем – объект, подлежащий разработке. На каждом иерархическом уровне описание блоков выполняют с определенной степенью детализации, абстрагируясь от несущественных деталей. Следовательно, для каждого уровня используют свои формы документации и свои модели, которые отражают сущность процессов, выполняемых каждым блоком. Для объекта в целом, как правило, удается сформулировать лишь самые общие требования, а блоки нижнего уровня должны быть специфицированы, чтобы из них действительно можно было собрать работающий объект. Другими словами, чем больше блок, тем более абстрактным должно быть его описание.

При соблюдении этого принципа разработчик сохраняет возможность осмысления проекта и, следовательно, может принимать наиболее правильные решения на каждом этапе, что называют локальной оптимизацией (в отличие от глобальной оптимизации характеристик объектов, которая для действительно сложных объектов не всегда возможна).

Примечание. Следует иметь в виду, что понятие сложного объекта по мере совершенствования технологий изменяется и то, что было сложным вчера, не обязательно останется сложным завтра.

Итак, в основе блочно-иерархического подхода лежат декомпозиция и иерархическое упорядочение. Важную роль играют также следующие принципы:

• непротиворечивость – контроль согласованности элементов между собой;

• полнота – контроль на присутствие лишних элементов;

• формализация – строгость методического подхода;

• повторяемость – необходимость выделения одинаковых блоков для удешевления и ускорения разработки;

• локальная оптимизация – оптимизация в пределах уровня иерархии.

Совокупность языков моделей, постановок задач, методов описаний некоторого иерархического уровня принято называть уровнем проектирования.

Каждый объект в процессе проектирования, как правило, приходится рассматривать с нескольких сторон. Различные взгляды на объект проектирования принято называть аспектами проектирования.

Помимо того что использование блочно-иерархического подхода делает возможным создание сложных систем, он также упрощает проверку работоспособности как системы в целом, так и отдельных блоков, обеспечивает возможность модернизации систем, например, замены ненадежных блоков с сохранением их интерфейсов.

Необходимо отметить, что использование блочно-иерархического подхода применительно к программным системам стало возможным только после конкретизации общих положений подхода и внесения некоторых изменений в процесс проектирования. При этом структурный подход учитывает только свойства иерархии «целое – часть», а объектный – использует еще и свойства иерархии «простое – сложное».

Использование CASE-технологий. CASE-технологии представляют собой совокупность методологий анализа, проектирования, разработки и сопровождения сложных программных систем, основанных как на структурном, так и на объектном подходах, которые поддерживаются комплексом взаимосвязанных средств автоматизации. В основе любой CASE-технологии лежит парадигма методология/метод/нотация/средство.

Методология строится на базе некоторого подхода и определяет шаги работы, их последовательность, а также правила распределения и назначения методов. Метод определяет способ достижения той или иной цели – выполнение шага работы.

Нотацией называют систему обозначений, используемых для описания некоторого класса моделей. Нотации бывают графические (предоставление моделей в виде графов, диаграмм, таблиц, схем и т.п.) и текстовые (описания моделей на формальных и естественных языках). В CASE-технологиях нотации используют для описания структуры проектируемой системы, элементов данных, этапов обработки и т.п.

Средства – инструментарий для поддержки методов: средства создания и редактирования графического проекта, организации проекта в виде иерархии уровней абстракции, а также проверки соответствия компонентов разных уровней. Различают:

• CASE-средства анализа требований, проектирования спецификаций и структуры, редактирования интерфейсов (первое поколение CASE-I);

• CASE-средства генерации исходных текстов и реализации интегрированного окружения поддержки полного жизненного цикла разработки программного обеспечения (второе поколение CASE-II).

CASE-I в основном включают средства для поддержки графических моделей, проектирования спецификаций, экранных редакторов и словарей данных. CASE-II отличается существенно большими возможностями, обеспечивая контроль, анализ и связывание системной информации и информации по управлению процессом проектирования, построение прототипов и моделей системы, тестирование, верификацию и анализ сгенерированных программ.

Автоматизируя трудоемкие операции, современные CASE-средства существенно повышают производительность труда программистов и улучшают качество создаваемого программного обеспечения, а именно:

• обеспечивают автоматизированный контроль совместимости спецификаций проекта;

• уменьшают время создания прототипа системы;

• ускоряют процесс проектирования и разработки ПО;

• автоматизируют формирование проектной документации для всех этапов жизненного цикла в соответствии с современными стандартами;

• частично генерируют коды программ для различных платформ разработки;

• поддерживают технологии повторного использования компонентов системы;

• обеспечивают возможность восстановления проектной документации по имеющимся исходным кодам.

Появление CASE-технологий изменило все этапы жизненного цикла программного обеспечения, при этом наибольшие изменения касаются анализа и проектирования, которые предполагают строгое и наглядное описание разрабатываемого программного обеспечения.

В табл. 1 показано, как изменяется процесс разработки ПО при переходе к использованию CASE-средств.

Применение CASE-средств позволяет существенно снизить тру-дозатраты на разработку сложного программного обеспечения (табл. 2) в основном за счет автоматизации процессов документирования и контроля. Однако необходимо иметь в виду, что современные CASE-средства дороги, а их использование требует более высокой квалификации разработчиков. Следовательно, их целесообразно использовать в сложных проектах, причем чем сложнее разрабатываемое программное обеспечение, тем больше выигрыш от использования CASE-технологий. В настоящее время практически все промышленно производимое сложное программное обеспечение разрабатывается с использованием CASE-средств.

Таблица 1

Особенности процесса разработки ПО

Таблица 2

Трудозатраты на разработку сложного ПО, %

Ускорение разработки программного обеспечения. Разработка спиральной модели жизненного цикла программного обеспечения и CASE-технологий позволили сформулировать условия, выполнение которых сокращает сроки создания программного обеспечения.

Современная технология проектирования, разработки и сопровождения программного обеспечения должна отвечать следующим требованиям:

• поддержка полного жизненного цикла программного обеспечения;

• гарантированное достижение целей разработки с заданным качеством и в установленное время;

• возможность выполнения крупных проектов в виде подсистем, разрабатываемых группами исполнителей ограниченной численности (3–7 человек) с последующей интеграцией составных частей, и координации ведения общего проекта;

• минимальное время получения работоспособной системы;

• возможность управления конфигурацией проекта, ведения версий проекта и автоматического выпуска проектной документации по каждой версии;

• независимость выполняемых проектных решений от средств реализации (систем управления базами данных – СУБД, операционных систем – ОС, языков и систем программирования);

• поддержка комплекса согласованных CASE-средств, обеспечивающих автоматизацию процессов, выполняемых на всех стадиях жизненного цикла.

Этим требованиям отвечает технология RAD (Rapid Application Development – быстрая разработка приложений). Эта технология ориентирована, как следует из названия, на максимально быстрое получение первых версий разрабатываемого программного обеспечения. Она предусматривает выполнение следующих условий:

• ведение разработки небольшими группами разработчиков (3–7 человек), каждая из которых проектирует и реализует отдельные подсистемы проекта, позволяет улучшить управляемость проекта;

• использование итерационного подхода способствует уменьшению времени получения работоспособного прототипа;

• наличие четко проработанного графика цикла, рассчитанного не более чем на три месяца, существенно увеличивает эффективность работы.

Процесс разработки при этом делится на следующие этапы: анализ и планирование требований пользователей, проектирование, реализация, внедрение.

На этапе анализа и планирования требований формулируют наиболее приоритетные требования, что ограничивает масштаб проекта.

На этапе проектирования, используя имеющиеся CASE-средства, детально описывают процессы системы, устанавливают требования разграничения доступа к данным и определяют состав необходимой документации. При этом для наиболее сложных процессов создают частичный прототип: разрабатывают экранную форму и диалог. По результатам анализа процессов определяют количество так называемых функциональных точек и принимают решение о количестве подсистем и, соответственно, команд, участвующих в разработке.

Под функциональной точкой в технологии RAD понимают любой из следующих функциональных элементов разрабатываемой системы:

• входной элемент приложения (входной документ или экранная форма);

• выходной элемент приложения (отчет, документ или экранная форма);

• запрос (пара «вопрос/ответ»);

• логический файл (совокупность записей данных, используемых внутри приложения);

• интерфейс приложения (совокупность записей данных, передаваемых другому приложению или получаемых от него).

Нормы, рассчитанные исходя из экспертных оценок, для систем со значительной повторяемостью кодов определяются следующим образом: менее 1 тыс. функциональных точек – 1 человек; от 1 до 4 тыс. функциональных точек – одна команда разработчиков; более 4 тыс. функциональных точек – одна команда на каждые 4 тыс. точек.

В соответствии с этими нормами разрабатываемую систему делят на подсистемы, слабо связанные по данным и функциям, и точно определяют интерфейсы между различными частями. Использование CASE-средств при этом позволяет избежать неконтролируемого искажения данных при передаче информации о проекте со стадии на стадию.

Далее разработка ведется группами разработчиков, которые продолжают прорабатывать свои части системы. Действия различных групп разработчиков при этом должны быть хорошо скоординированы.

На этапе реализации выполняют итеративное построение реальной системы, при этом для контроля над выполнением требований к создаваемой системе привлекаются будущие пользователи.

Части постепенно интегрируют в систему, причем при подключении каждой части выполняют тестирование. На завершающих этапах разработки определяют необходимость создания соответствующих баз данных, которые разрабатываются и подключаются к системе. Далее формулируют требования к аппаратным средствам, устанавливают способы увеличения производительности и завершают подготовку документации по проекту.

На этапе внедрения проводят обучение пользователей и осуществляют постепенный переход на новую систему, причем эксплуатация старой версии продолжается до полного внедрения новой системы.

Технология RAD хорошо зарекомендовала себя для относительно небольших проектов, разрабатываемых для конкретного заказчика. Такие системы не требуют высокого уровня планирования и жесткой дисциплины проектирования. Однако эта технология не применима для построения сложных расчетных программ, операционных систем или программ управления сложными объектами в реальном масштабе времени, т.е. программ с большим процентом уникального кода. Не годится она и в случае создания приложений, от которых зависит безопасность людей, например, систем управления самолетами или атомными электростанциями, так как технология RAD предполагает, что первые несколько версий не будут полностью работоспособны, что в данном случае полностью исключается.