Общие сведения о программном обеспечении

Журналы и интернет-ресурсы за последние 25 лет кардинально изменились. До 1980 года для практиков основным источником сведений о программных технологиях был Datamation, сейчас существует несколько таких источников, например, IEEE Software, а также онлайновые ресурсы вроде Slashdot, которые тоже дают представление о последних шагах в эволюции технологий. В [25] собран материал из множества отдельных источников данных, которые найдены в различных обзорах и wiki в программном мире. Для объективности К. Эберт обратился к своим коллегам из советов IEEE Software и поинтересовался их представлением о технологиях, появившихся за последние 25 лет. На самом деле, точно определить время перехода на новый этап просто невозможно. Это относится, например, к объектноориентированной разработке, которая активно используется с 1990-х годов, но до сих пор не нашла своего применения в некоторых отраслях.

На рис.1.1 показаны три основные группы программных технологий. Базовые технологии по мере своего развития влияют на массовые тенденции и дисциплины, и они применяются во всех областях и направлениях программной разработки. Большинство из известных сейчас таких технологий существуют последние 25 лет. Технологические концепции и методологии объединяют базовые методики, которые используются во многих различных отраслях и продуктах. Консолидированные технологии опираются на концепции и предоставляют готовые технические решения. В тех случаях, когда технологии принадлежат к двум таким группам, они отнесены к более общей группе.

Что имеют в виду, когда говорят, что программная технология "оказывает влияние"? Задавая этот вопрос разным людям, можно получить множество ответов, отражающих точку зрения конкретного собеседника. Профессор будет оценивать репутацию и исследовательские гранты и то, как технология поможет добиться этих целей. Ученый сформулирует свой ответ, учитывая инновационный потенциал. Менеджеров производства в первую очередь интересуют рентабельность, воплощение и инновационные продукты. Программный инженер будет иметь в виду полезность и эффективность при решении той проблемы, которой он занимается.

Типичный потребитель, скорее всего, будет судить о технологии по тому, насколько ее можно использовать в повседневной жизни и как она помогает выполнять работу; а дети беспокоятся, как бы не отстать от ровесников. Эти две последние потребительские группы – повседневные пользователи программного обеспечения – не только численно превосходят другие, но они также совсем иначе судят о программных технологиях и продуктах. Они обращают внимание на то, насколько незаметным, удобным в использовании и встроенным является программное обеспечение. Другими словами, насколько незаметно, но эффективно оно помогает решить значимую для них задачу.

На рис.1.1 можно заметить ряд тенденций, характерных для эволюции программного обеспечения за последние годы:

• развитие программных технологий теперь стимулируют не отдельные компании, а экосистемы исследователей, поставщиков, потребителей и пользователей;
• технологии должны пройти ряд апробаций с различной направленностью, прежде чем они будут признаны успешными;
• каждая конкретная технология распространяется в разных отраслях с разной задержкой;
• ориентированность на конкретную предметную область дает пользователям возможность адаптировать технологии к своим специфическим потребностям;
• работа с процессами заменила создание методом проб и ошибок решений под конкретную ситуацию;
• технологии, которые раньше были фрагментированными и изолированными, сейчас интегрируются.

Каждая из этих тенденций оказывает серьезное влияние на инженерные продукты и на формирование программной отрасли. Microsoft с Windows или Sun с Java – пример того, как отдельная компания определяет развитие технологии, но технологии от этих производителей добились успеха благодаря тому, что они создавались и широко распространялись в отраслях. Невозможно даже представить себе Windows без Intel и всей экосистемы поставщиков и провайдеров сервисов. Точно так же банки создали банкоматы и разработали множество связанных с ними программных технологий, таких как распределенная и защищенная обработка транзакций. Компании розничной торговли стимулировали разработку кассовых аппаратов и необходимого программного обеспечения для поддержки цепочки поставки, в том числе штрих-коды и средства радиочастотной идентификации (RFID).

Некоторые технологии прошли очень долгий период развития либо никогда не были полностью разработаны. График их перехода к широкому использованию напоминает синусоиду, что свойственно инновациям, которые переходят от этапа начальных исследований и опытных эксплуатаций к широкому отраслевому применению, а затем все повторяется снова [25]. Это объясняет, почему успешные компании практически в одночасье могут потерпеть крах – просто потому, что они своевременно не предложили определенную технологию. Программные менеджеры также часто склонны к стабилизации, а не к росту, – их интересует эффективность, и они недооценивают экспериментирование и инновации.

Программные технологии полезны, если они широко используются. Однако любая конкретная технология в одних отраслях начинает завоевывать популярность быстрее, чем в других. Хороший тому пример – долгая и трудная дорога к пользователям, которую прошли полезные пакеты инструментов для генерации кода и инженерии программного обеспечения. Когда эти пакеты появились вместе с технологией, они еще не были готовы для повсеместного применения, а позже не был готов рынок. Такой же оказалась и судьба экспертных систем и систем искусственного интеллекта. Сейчас они применяются почти везде, поскольку в отрасли осознали, что экспертная система не является автономной технологией, а должна быть интегрирована в другие продукты. На рис.1.2 показан этот эффект на примере обеспечения безопасности информации.

Рис. 1.2. Этапы обеспечения информационной безопасности

Безопасность впервые была признана ключевой технологией в ИТинфраструктурах в конце 1980-х годов, когда вирус Jerusalem и червь Morris, по существу, парализовали Internet-трафик [22]. Инциденты продолжались в 1990-х годах, поскольку технология применялась только как особая мера и без тщательного архитектурного анализа. Сейчас, по прошествии двадцати лет, вместе с новыми ИТ-продуктами наконец стали реализовать базовые принципы обеспечения безопасности. То же самое повторяется в отрасли телекоммуникаций – как показывают атаки в сфере IP-телефонии, здесь опять пока лишь создаются заплатки на особый случай, но без реального контроля. Промышленная автоматизация и другие предметные области еще больше отстают с внедрением инженерии обеспечения безопасности, как это продемонстрировал червь Slammer.

Ориентированность на конкретную предметную область заменила универсальность 1990-х годов. Первые CASEи распределенные компонентные модели увязли в попытках решить сразу слишком большое количество проблем. Когда в отрасли осознали, что различные предметные области имеют свои специфические потребности и скорости внедрения, то оказалось, что достаточно лишь оптимизировать технологию, предложив ее конкретному рынку. Инструменты моделирования сразу же стали пользоваться популярностью после того, как были адаптированы к потребностям конкретных предметных областей, таких как встроенные контроллеры или телекоммуникационные протоколы.

Программные процессы, как для инженерии, так и для управления, стимулировали эволюцию технологий с 1980-х годов. Сложность программных систем растет быстрее, чем люди в состоянии к ней адаптироваться. Эти трудности были уже в 1960-х годах, но тогда ситуация начала терять свою остроту после того, как ведущие отрасли перенесли свое внимание на процесс инженерии программного обеспечения. Как следствие, разработка программного обеспечения за последние 25 лет кардинально изменилась, превратившись из индивидуального творчества в дисциплину программной инженерии.

Сейчас трудно поверить, что 25 лет назад большая часть программного обеспечения и его разработчики и пользователи действовали изолированно. Программная интеграция лучше всего стала видна с появлением Интернета и его огромными темпами роста, благодаря развитию средств взаимодействия. Компонентные платформы и открытые стандарты еще больше усиливают эту тенденцию. Успешное внедрение и интеграция отнюдь не тривиальны – чтобы предложить что-то полезное инженерам, новые технологии, процессы и средства инженерии нуждаются в аппарате глубокого управления изменениями.

1.3. Качество и характеристики программного обеспечения

Рассматривая, оценивая и анализируя программные системы и отдельные программы, останавливаются на показателях качества программ и их основных характеристиках. Качество ПО – это совокупность свойств, определяющих полезность изделия (программы) для пользователей в соответствии с функциональным назначением и предъявленными требованиями. Характеристика качества программы – понятие, которое отражает отдельные факторы, влияющие на качество программ и поддающиеся измерению [23].

Критерий качества – численный показатель, характеризующий степень, в которой программе присуще оцениваемое свойство. Критерии качества могут включать множество различных характеристик: экономичность, документированность, гибкость, модульность, надежность, обоснованность, тестируемость, ясность, точность, модифицируемость, эффективность, легкость сопровождения и т.д.

Для измерения характеристик и критериев качества используют метрики. Метрика качества программ – это система измерений качества программ. Эти измерения могут проводиться на уровне критериев качества программ или на уровне отдельных характеристик качества. В первом случае система измерений позволяет непосредственно сравнивать программы по качеству, при этом сами измерения не могут быть проведены без субъективных оценок свойств программ. Во втором случае измерения характеристик можно выполнить объективно и достоверно, но оценка качества ПО в целом будет связана с субъективной интерпретацией получаемых оценок.

Каждая ПС должна выполнять определенные функции, т.е. делать то, что задумано. Хорошая ПС должно обладать еще целым рядом свойств, позволяющим успешно ее использовать в течение длительного периода, т.е. обладать определенным качеством. Качество (quality) ПС – это совокупность его характеристик, которые влияют на его способность удовлетворять заданные потребности пользователей [23]. Это не означает, что разные ПС должны обладать одной и той же совокупностью таких свойств в их наивысшей степени. Повышение качества ПС по одному из таких свойств часто может быть достигнуто лишь ценой изменения стоимости, сроков завершения разработки и снижения качества этой ПС по другим его свойствам. Качество ПС является удовлетворительным, когда она обладает указанными свойствами в такой степени, чтобы гарантировать успешное ее применение.

Совокупность свойств ПС, которая образует удовлетворительное для пользователя качество ПС, зависит от условий и характера эксплуатации этой ПС, т.е. от позиции, с которой должно рассматриваться качество этой ПС. Поэтому при описании качества ПС, прежде всего, должны быть фиксированы критерии отбора требуемых свойств ПС. В настоящее время критериями качества ПС (criteria of software quality) принято считать:

1. функциональность – способность ПС выполнять набор функций, удовлетворяющих заданным или подразумеваемым потребностям пользователей. Набор указанных функций определяется во внешнем описании ПС;
2. надежность – устойчивость, точность выполнения предписанных функций обработки, возможность диагностики возникающих ошибок. Надежность (reliability) ПС – это ее способность безотказно выполнять определенные функции при заданных условиях в течение заданного периода времени с достаточно большой вероятностью. При этом под отказом в ПС понимают проявление в ней ошибки. Таким образом, надежная ПС не исключает наличия в ней ошибок – важно лишь, чтобы эти ошибки при практическом применении этого ПС в заданных условиях проявлялись достаточно редко. Убедиться, что ПС обладает таким свойством, можно при ее испытании путем тестирования, а также при практическом применении;
3. легкость применения — это характеристики ПС, которые позволяют минимизировать усилия пользователя по подготовке исходных данных, применению ПС и оценке полученных результатов, а также вызывать положительные эмоции определенного или подразумеваемого пользователя. Сюда следует также отнести дружественный интерфейс, контекстно-зависимую подсказку, хорошую документацию;
4. эффективность – это отношение уровня услуг, предоставляемых ПС пользователю при заданных условиях, к объему используемых ресурсов;
5. сопровождаемость, модифицируемость – это характеристики ПС, которые позволяют минимизировать усилия по внесению изменений для устранения в ней ошибок и по ее модификации в соответствии с изменяющимися потребностями пользователей, переходу на новые версии и т.п.;
6. мобильность (многоплатформенность) – независимость от технического комплекса вычислительных средств, операционной системы, сетевых возможностей, специфики предметной области задачи и т. д.;
7. коммуникативность – степень возможной интеграции с другими программами, обеспечение обмена данными между программами.

Во многих случаях функциональность и надежность являются обязательными критериями качества ПС, причем обеспечение надежности красной нитью проходит по всем этапам и процессам разработки ПС. Остальные критерии используются в зависимости от потребностей пользователей в соответствии с требованиями к ПС.

К основным характеристикам программ и программных систем относится сложность программной системы. При оценке сложности программ, как правило, выделяют три основные группы метрик [23]:

1. метрики размера программ;
2. метрики сложности потока управления программ;
3. метрики сложности потока данных программ.

Оценки первой группы наиболее просты и, очевидно, поэтому получили широкое распространение. Традиционной характеристикой размера программ является количество строк исходного текста. Под строкой понимается любой оператор программы, поскольку именно оператор, а не отдельно взятая строка является тем интеллектуальным "квантом" программы, опираясь на который можно строить метрики сложности ее создания.

Непосредственное измерение размера программы, несмотря на свою простоту, дает хорошие результаты. Конечно, оценка размера программы недостаточна для принятия решения о ее сложности, но вполне применима для классификации программ, существенно различающихся объемами. При уменьшении различий в объеме программ на первый план выдвигаются оценки других факторов, оказывающих влияние на сложность. Таким образом, оценка размера программы есть оценка по номинальной шкале, на основе которой определяются только категории программ без уточнения оценки для каждой категории.

К группе оценок размера программ можно отнести также и метрику Холстеда. Основу метрики Холстеда составляют четыре измеряемых характеристики программы:

– число уникальных операторов программы, включая символыразделители, имена процедур и знаки операций (словарь операторов);

– число уникальных операндов программы (словарь операндов); N1 – общее число операторов в программе;

– общее число операндов в программе.

Опираясь на эти характеристики, получаемые непосредственно при анализе исходных текстов программ, М. Холстед вводит следующие оценки:

словарь программы ,

длину программы

( 1)

объем программы

( 2)

Под битом подразумевается логическая единица информации – символ, оператор, операнд.

Далее М. Холстед вводит – теоретический словарь программы, т.е. словарный запас, необходимый для написания программы, с учетом того, что необходимая функция уже реализована в данном языке и, следовательно, программа сводится к вызову этой функции. Используя , Холстед вводит оценку :

( 3)

с помощью которой описывается потенциальный объем программы, который соответствует максимально компактному тексту программы, реализующей данный алгоритм.

Вторая наиболее представительная группа оценок сложности программ – метрики сложности потока управления программ. Как правило, с помощью этих оценок оперируют либо плотностью управляющих переходов внутри программ, либо взаимосвязями этих переходов. И в том, и в другом случае стало традиционным представление программ в виде управляющего ориентированного графа , где – вершины, соответствующие операторам, а – дуги, соответствующие переходам.

Впервые графическое представление программ было предложено Маккейбом. Основной метрикой сложности он предлагает считать цикломатическую сложность графа программы, или, как ее еще называют, цикломатическое число Маккейба, характеризующее трудоемкость тестирования программы.

Для вычисления цикломатического числа Маккейба применяется формула

где – число дуг ориентированного графа ;

– число вершин;

– число компонентов связности графа.

Число компонентов связности графа можно рассматривать как количество дуг, которые необходимо добавить для преобразования графа в сильно связный. Cильно связным называется граф, любые две вершины которого взаимно достижимы. Для графов корректных программ, т. е. графов, не имеющих недостижимых от точки входа участков и "висячих" точек входа и выхода, сильно связный граф, как правило, получается путем замыкания дугой вершины, обозначающей конец программы, на вершину, обозначающую точку входа в эту программу.

Одной из наиболее простых, но, как показывает практика, достаточно эффективных оценок сложности программ является метрика Т. Джилба, в которой логическая сложность программы определяется как насыщенность программы выражениями типа IF-THEN-ELSE. При этом вводятся две характеристики: – абсолютная сложность программы, характеризующаяся количеством операторов условия; – относительная сложность программы, характеризующаяся насыщенностью программы операторами условия, т. е. определяется как отношение к общему числу операторов.

Другая группа метрик сложности программ – метрики сложности потока данных, т. е. использования, конфигурации и размещения данных в программах. Рассмотрим метрику, связывающую сложность программ с обращениями к глобальным переменным.

Пара "модуль, глобальная переменная" обозначается как , где – модуль, имеющий доступ к глобальной переменной . В зависимости от наличия в программе реального обращения к переменной формируются два типа пар "модуль, глобальная переменная": фактические и возможные. Возможное обращение к с помощью p показывает, что область существования включает в себя .

Характеристика говорит о том, сколько раз модули up действительно получали доступ к глобальным переменным, а число – сколько раз они могли бы получить доступ. Отношение числа фактических обращений к возможным определяется как . Эта формула показывает приближенную вероятность ссылки произвольного модуля на произвольную глобальную переменную. Очевидно, чем выше эта вероятность, тем выше вероятность "несанкционированного" изменения какой-либо переменной, что может существенно осложнить работы, связанные с модификацией программы.

Кроме метрик сложности программ, используются метрики стилистики и понятности программ. Наиболее простой метрикой стилистики и понятности программ является оценка уровня комментированности программы :

( 4)

где – количество комментариев в программе; – количество строк или операторов исходного текста.

Таким образом, метрика отражает насыщенность программы комментариями. Исходя из практического опыта, принято считать, что , т. е. на каждые десять строк программы должен приходиться минимум один комментарий. Как показывают исследования, комментарии распределяются по тексту программы неравномерно: в начале программы их избыток, а в середине или в конце – недостаток. Причина в том, что в начале программы, как правило, расположены операторы описания идентификаторов, требующие более "плотного" комментирования. Кроме того, в начале программы также расположены "шапки", содержащие общие сведения об исполнителе, характере, функциональном назначении программы и т. п. Такая насыщенность компенсирует недостаток комментариев в теле программы, и поэтому формула (4) недостаточно точно отражает комментированность функциональной части текста программы.

К другим характеристикам программ следует отнести:

• состав функций обработки информации, определенный функциональными требованиями к программной системе;
• объем файлов, используемых программной системой;
• требования к операционной системе и компьютерной технике и др.