Лаврищева Е.М., Грищенко В.Н. Сборочное программирование. Основы индустрии программных продуктов
Подождите немного. Документ загружается.
2
НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
УКРАИНЫ
ИНСТИТУТ ПРОГРАММНЫХ СИСТЕМ
Е.М.Лаврищева
В.Н.Грищенко
CБОРОЧНОЕ
ПРОГРАММИРОВАНИЕ
Основы индустрии программных
продуктов
Второе издание
Дополненное и переработанное
КИЕВ
НАУКОВА ДУМКА
2009
3
УДК 519.681.2
Лаврищева Е.М., Грищенко В.Н.
Сборочное программирование. Основы индустрии программных
продуктов: 2-изд. Дополненное и переработанное.–Киев: Наук. думка, 2009.–
372с.–ISВN 978-966-00-0848-1.
В монографии систематизированы существующие подходы и методы сборки
сложных программ из более простых программных ресурсов (модулей,
компонентов, компонентов повторного использования – КПИ и программ).
Приведено теоретическое обобщение и обоснование метода сборочного
программирования программных систем из программных ресурсов. Определены
основные операции над ними. Разработаны формальные основы компонентного
программирования: модели компонентов, интерфейсов, среды, а также внешней и
внутренней алгебры. Дана классификация программных ресурсов и подходов к
применению информационных ресурсов. Рассмотрены технологические аспекты
метода сборки модулей, КПИ и других готовых ресурсов, а также предложена
новая концепция инженерии сборки технологий для реализации программных
приложений СОД на их основе. Приведено общее описание средств авто-
матизации метода сборки программных ресурсов, определены фундаментальные
основы (теоретические, инженерные, экономические, управленческие) индустрии
программных продуктов различного назначения.
Для специалистов, занимающихся автоматизированным созданием
программных систем из готовых ресурсов в разных предметных областях с
использованием современных инструментально-технологических средств и сред,
а также студентов и аспирантов вузов специальностей – прикладная математика и
программная инженерия.
Ответственный редактор академик НАН Украины Ф. И. Андон
Утверждено к печати ученым советом
Института программных систем НАН Украины
Научно-издательский отдел физико-математической
и технической литературы
Редактор М.К.Пунина
ISВN 978-966-00-0848-1 © Е. М. Лаврищева, В.Н. Грищенко, 2009
4
ОГЛАВЛЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ……………………………………………………………………. 6
ПРЕДИСЛОВИЕ ……………………………………………...…….........………...…………... 8
Г л а в а 1. ПРОБЛЕМАТИКА СБОРОЧНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ
ПРОГРАММНЫХ СИСТЕМ …...…….............................................................…..……………
12
1.1. Основное содержание метода сборочного программирования ………...…....................
12
1.1.1. Ранние методы интеграции программных объектов …….............………….…......
12
1.1.2. Современные методы интеграции программных объектов …….........…………....
18
1.2. Основные элементы и задачи сборочного программирования ….….....
....………….…
27
1.3. Определение интерфейса программных объектов …………...........…………………… 29
1.4.
Представления знаний о предметных областях ……………….…….............……………
36
Г л а в а 2 . ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДА СБОРОЧНОГО
ПРОГРАММИРОВАНИЯ
…………………………….….......………………………………...
38
2.1. Методы комплексирования программных объектов …………..……...........………….…
38
2.2. Средства автоматизации методов комплексирования ……..…….…...........………....…
43
2.3. Объекты сборочного прогр
аммирования …………………..………............………....…
45
2.4. Основные модели программных систем (ПС) …………………………………………… 47
2.4.1. Модели сборочного программирования …………...………….................………....
47
2.4.2. Базовые модели разработки современных ПС ..…...………..................…………... 52
Г л а в а 3. КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ МОДУЛЕЙ
………….…….…...............……...…..
59
3.1. Определение модуля и его свойств …………………………………..............………....… 59
3.2. Определения типов связей модулей ...................………
……............…….………………
61
3.3.
Интерфейсы программ и их функции ……………………….……..............……………...
62
3.4.
Модели комплексирования модулей …………………..............………………………..…
65
3.5. Типы данных языков программирования (ЯП) …………………………........
......…….....
69
3.5.1. Простые типы данных ….…………………………………..................…………...
70
3.5.2. Структурные типы данных ……………………………..….....................…………..
72
3.5.3. Сложные типы данных ……………………….......................................………….…
75
3.6.
Методы преобразования нерелевантных типов данных ………...............……………....
77
3.6.1. Преобразование простых типов данных ……………………..................…………..
79
3.6.2. Преобразование структурных типов данных ..…………........
..............…………...
82
3.6.3. Изменение уровня структурирования данных ………......................……………… 85
3.7. Вопросы определения интерфейса языков программирования и программ…...........…. 87
3.7.1. Подходы к реализации межъязыкового и межм
одульного интерфейсов ………..
91
3.7.2. Отечественные и зарубежные разработки интерфейса в 80-х годах …………. 95
3.7.3. Краткий обзор современных подходов к реализации интерфейсов языков
программирования ……………………………………………………………………….....
97
Г л а в а 4 . МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ МОДУЛЬНЫМИ СТРУКТУРАМИ ………… 99
4.1. Определение модульной структуры программных агрегатов .…..…...............…………. 99
4.2. Типы программных агрегатов ……………………………………..…...........…………… 101
4.3. Матричное представление графов агрегата из модулей …….…..…..............…………... 102
4.4. Отношение достижимости для графов модульных структур .…..…............…………… 104
4.5. Операции построения модульных структур …..…………………................……………. 106
4.6. Процесс построения модульных структур …….….……..………..............……………... 109
4.6.1. Типы программных структур ……………………………….................………...…. 111
4.6.2. Метод реализации связей в модульной структуре …………..................………..... 115
4.6.3. Отладка и тестирование программ из модулей ………..…....................……….....
118
Г л а в а 5 . КЛАССИФИКАЦИЯ И ТИПИЗАЦИЯ ПРОГРАММНЫХ РЕСУРСОВ .. 122
5
5.1. Общие методы типизации и классификации программных компонентов ....…………. 122
5.1.1. Подход к типизации компонентов …………..………..…......................………….. 123
5.1.2. Классификационные признаки компонентов ..……..…...................………………
126
5.1.3. Классификация компонентных моделей современных систем …........…………. 128
5.1.4. Основы классификации компонентов веб-приложений ....................……………. 132
5.2. Классификация компонентов повторного использования ……....................…………... 136
5.3.
Информационные ресурсы (ИР). Классификация и типизация ….................…………..
141
5.3.1. Типовая схема связи с
менеджером ИР …………...….....................……………....
143
5.3.2. Типовость структуры и интерфейса менеджера ИР .…….....................………..…
144
5.3.3. Аспекты применения менеджера ИР ……………………....................…………….
146
5.4. Интеграция менеджеров ресурсов ………………………..............…..…………………... 147
5.5.
Подход к стандартизации ресурсов Интернета …………………….............………....…
150
Г л а в а 6 . ОБЪЕКТНО-КОМПОНЕНТНЫЙ МЕТОД РАЗРАБОТКИ
ПРОГРАММНЫХ СИСТЕМ ………………………………………………..……...
153
6.1.
Аспекты теории объектного анализа ……….............………………………………….…
154
6.1.1. Формальные уровни абстрактного представления объектов модели ....……….....
156
6.1.2. Функции и алгебра объектного анализа ..……………..…..................………….…
161
6.2. Теория компонентного программирования ……...…..………..................…………….. 165
6.2.1. Основные понятия компонентного программирования …...................…………....
166
6.2.2. Модель компонента и интерфейса ………………………......................…………... 169
6.2.3. Модель компонентной среды ……………………..……....................….…………..
173
6.2.4. Внешняя и внутренняя компонентные алгебры …..……...................…………..…
176
6.2.5. Эволюция компонентов в компонентной алгебре ................…………………….... 180
6.3. Формализованное представление компонентных систем…………….................…....… 182
6.4. Суть объектно-компонентного метода ………….…………….....................……………. 183
Г л а в а 7 . МЕТОДЫ СБОРОЧНОГО ПОСТРОЕНИЯ ИНТЕГРИРОВАННЫХ
КОМПЛЕКСОВ ………………..……………........………………………………………….....
185
7.1. Особенности задания интерфейсов в интегрированных комплексах (ИК) ....…………..
185
7.2.
Методы и средства интеграции ИК …..………..……...........……………………………...
189
7.3. Логическое проектирование комплексов …........................…………………………….... 191
7.3.1. Анализ и выбор компонентов для создания ИК ....................…………………...… 191
7.3.2. Описание базы данных ИК …………………………...………..................……….... 194
7.3.3. Разработка модели сопряжения и управления объектами ..............……………….
196
7.3.4. Создание среды функционирования ИК ……..………....................……………… 198
7.4. Современные подходы к сборке разноязыковых компонентов …..…............………..... 199
7.4.1. Модели сборки компонентов в современных средах ............................…………..
200
7.4.2. Взаимодействие компонентов в среде Java ……...………........................……….... 204
7.4.3. Обеспечение взаимодействия компонентов в MS.NET ….......................………....
207
7.4.4. Анализ взаимодействия разноязыковых компонентов по Бею ...........…………...
210
7.4.5. Стандарт ISO/IEC 11404–2007. Типы данных общего назначения .......……….... 212
7.5. Корректность сборки разноязыковых компонентов ….……............………………….… 213
Г л а в а 8. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛИНИЙ И СРЕДСТВ
АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОГРАММ ……….……………...............………………………...…
217
8.1. Сущность технологии сборочного программирования ......................................……..… 217
8.2. Концепция построения технологических линий (ТЛ) изготовления программ ……… 223
8.3.
Определение процессов и линий в классе функциональных задач СОД .………………
225
8.4. Базовые модели функционально-
ориентированных технологий ….............……………
227
8.4.1. Модель оценки качества программ на ТЛ ...........……....…………………………..
227
8.4.2. Модели представления проектных решений на ТЛ …..…...................………...…
234
8.5. Средства разработки функциональных программ по ТЛ .....…………………………… 239
8.5.1. Технологический модуль сборки, тестирования модулей ПС ..........……..……... 239
8.5.2. ТМ создания проблемно-ориентированного программного обеспечения…….. 245
6
8.5.3. Семантика процессов разработки ………………………………………................... 249
8.6.
Современные подходы к созданию программ на линии …………............………………
256
Г л а в а 9. ВОПРОСЫ УПРАВЛЕНИЯ РАЗРАБОТКОЙ ПРОГРАММНЫХ
СИСТЕМ ПО ТЕХНОЛОГИИ СБОРОЧНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ ……………
259
9.1. Инженерные методы и принципы планирования выполнения работ………………….
260
9.2. Влияние сложности программ на ведение процесса разработки систем…………….. 264
9.3. Организация и управление коллективом разработчиков………………………………. 268
9.4 Управление качеством программ по технологическим линиям..…………………….... 272
9.5 Тестирование программ и сбор данных об ошибках…………………………………… 278
9.6 Анализ моделей надежности для оценки программных систем……………………... 282
9.6.1. Типизация моделей надежности для класса программных систем……………... 283
9.6.2. Модели надежности марковского типа.................………………………………... 285
9.6.3. Модели надежности пуассоновского типа………………………….……………. 287
9.6.4. Практика оценки надежности программ……………….………….……………… 288
9.7. Подход к автоматизации оценки качества программных систем……………………... 291
9.7.1. Концепция моделирования надежности…………………………………………... 291
9.7.2. Технологический модуль оценки качества……………………………………….. 292
Г л а в а 1 0 . ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ДИСЦИПЛИНЫ СБОРОЧНОГО
ПРОИЗВОДСТВА ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ ….......………………………………
297
10.1. Роль стандартов и моделей жизненного цикла (ЖЦ) при изготовлении программных
продуктов …………………………………………………………………………………..
299
10.1.1. Стандартная регламентация процессов ЖЦ ………………… ............................
299
10.1.2. Фундаментальные модели ЖЦ ……………………………. …..............………... 302
10.2. Система знаний ядра SWEBOK для организации изготовления ПС ...........………….. 305
10.2.1. Разделы проектирования SWEBOK …...............………………………………... 305
10.2.2. Разделы управления в SWEBOK …..............…………………………………..… 312
10.3. Научно-технологические дисциплины для решения задач индустриального
производства программ ……………...…………………..............………………………..
318
10.3.1. Содержание научной дисциплины производства программных продуктов ......
319
10.3.2. Основы инженерии производства программных продуктов…..…................….. 321
10.3.3. Управление изготовлением программных продуктов …………………………. 327
10.3.4. Экономика измерения и оценки программных продуктов ….....
...........…….…
332
10.3.5. Основные аспекты индустрии программных продуктов ...…….…................….
337
10.4. Роль и место дисциплин программной инженерии в информатике …………............... 342
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………….……..........……………….… 347
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
…………………………………………..........………………..…
349
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Онтологическая система «Онтоаспект» репозитария КПИ………….… 358
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Алгоритм реализации веб-приложения на основе менеджеров
информационных ресурсов .………
...………….…............................………………………...…
361
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Интерфейс взаимодействия программ в языках программирования
Дельфи и Пaскаль ………………………………………………………………………………...
365
7
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АИС –
автоматизированная информационная система
АСНИ – автоматизированная система научных исследований
АСУ – автоматизированная система управления
БИМ – библиотека исходных модулей
ВБМ – временная библиотека модулей
ГКНТ – Государственный комитет по науке и технике
ЖЦ – жизненный цикл
ЕСКД – единая система конструкторской документации
ЕСПД – единая система программной документации
ИВ – информационный вектор
ИК – интегрированный комплекс
ИР – информационный ресурс
ИС – информационная система
КП – комплекс программ
КТП – карта технологического процесса
ЛБ
–
личная библиотека
МТЛ – модель технологической линии
МТП – модель технологического процесса
МЯИ – межъязыковый интерфейс
ОКМ – объектно-компонентный метод
ОМ – объектная модель
ООП – объектно-ориентированный подход
ПИ
–
программная инженерия
ПК – программный компонент
ПО – программное обеспечение
ПП – программный продукт
ППО – прикладное программное обеспечение
ППП – пакет прикладных программ
ПС – программная система
ПТД – проектно-технологический документ
ПрО – предметная область
СА – системная архитектура
САА – система алгоритмических алгебр
САМП – система автоматизации модульного программирования
САПР – система автоматизации проектирования
СОД – система обработки данных
СППО – система проблемно-ориентированного обеспечения
ССПМ – система сборки программ из модулей
ТД – технологический документ
ТЛ – технологическая линия
ТИ – технологический интерфейс
ТМ – технологический модуль
ТО – технологическая операция
ТП – технологический процесс
ТПР – технология подготовки разработки
ТЗ – техническое задание
ФА – функциональная архитектура
ФОТ – функционально-ориентированная технология
8
ЭПД – эксплуатационный документ
ЯМК – язык модульного конструирования
ЯОК – язык описания классов
ЯОТ – язык описания типов
ЯОУ – язык описания модели управления
ЯП – язык программирования
ACM – Association for Computing Machinery
CBD – Component-Based Development
CMM – Capability Maturity Models
CS – Computer science
GDM – Generative Domain Model
DSL – Domain specific language
SWEBOK – Software Engineering Body Knowledge
V&V – верификация и валидация
9
ПРЕДИСЛОВИЕ
Широкое распространение видов и типов новой компьютерной техники ставит
перед специалистами важные задачи по эффективному её использованию при
создании программных и прикладных систем массового применения.
Анализ потребности разных отраслей хозяйства и промышленности в
программных системах (ПС) показывает, что на практике их требуется более 3,5
млн. различного наименования, назначения и сложности. Например, затраты на
объем выпуска в 2005 г. составили 800 млн. дол. США, это на порядок меньше
необходимого.
В ближайшее годы создание и адаптация разрабатываемых ПС к различным
задачам отраслей значительно улучшатся за счет широкомасштабного применения
готовых программных ресурсов повторного использования, аналогично тому, как
это происходит в машиностроении или автомобильной промышленности при
сборке крупных изделий из готовых деталей.
Повышению уровня качества автоматизации ПС, а также увеличению в 4–6 раз
производительности труда программистов за последние годы способствовали:
– фундаментальные и прикладные научные исследования по созданию
теоретических, прикладных и технологических основ индустрии разработки и
производства ПС;
– разработка организационно-методических и стандартных руководств для
управления коллективной разработкой программных проектов как инструментов
эффективного создания типовых высокопроизводительных технологий
производства ПС;
– практические разработки программных систем специального назначения, в
том числе и бизнес-систем, в небольших и крупных коммерческих организациях;
– обучение студентов ВУЗов новым концепциям программной инженерии.
Один из путей решения первой задачи – совершенствование технологии
программирования в целях перехода на промышленные методы создания ПС,
которые характеризуются технологическими линиями (ТЛ) по производству
программных продуктов (ПП), удовлетворяющих определенным экономическим
критериям. Основная цель технологии программирования, представленной ТЛ, –
четкая регламентация и организация работ по проектированию, разработке и
изготовлению программных продуктов высокого качества и высокой
производительности.
Условием повышения производительности труда разработчиков ПС является
использование готовых производственных ресурсов, а именно, компонентов
повторного использования (КПИ) со стандартными или унифицированными
интерфейсами, способствующих производить формализованный сбор разнородных
ПП согласно заданным требованиям заказчиков. Сборочный процесс производства
ПП априори основывается на контроле деятельности исполнителей и оценке
10
показателей качества как отдельных КПИ, так и продукта в целом.
Иными словами, новыми тенденциями в современной технологии
программирования являются:
– распространение на сферу программирования промышленных методов ор-
ганизации (планирование трудозатрат, определение трудоемкости, учет, контроль
результатов труда и др.) проведения работ при изготовлении ПС;
– перенос акцента с процесса программирования ПС на более ранние процессы,
обеспечивающие анализ автоматизируемой предметной области и формирование
требований к создаваемому продукту;
– введение в практику разработки ПС таких понятий, как ТЛ, модель
жизненного цикла (ЖЦ), технологическая карта, маршрут и т. п., являющихся ос-
новным фундаментом организации управления разработкой промышленных
изделий.
Наиболее быстрый переход к промышленной организации разработки ПС
может быть обеспечен путем систематизации и формализации сборочного
программирования, основанного на многократном использовании КПИ как
готовых наборов модулей для разных областей, по словам А.П.Ершова: «чистой
экономии труда, которая должна составлять 2/3 годового производства
программных средств.».
Цель настоящей монографии состоит в том, чтобы теоретически
сформулировать, проверить практически и реализовать модели, методы и средства
сборочного программирования, позволяющие на промышленной основе
изготавливать сложные ПС из более простых программных ресурсов, а так же
определить перспективные пути развития технологии программирования и
индустриальных основ производства ПП.
Монография состоит из десяти глав.
Первая глава содержит описание основных форм программирования (синте-
зирующего, конкретизирующего, сборочного, компонентного и др.) и описание
проблем представления и реализации ПС в среде сборочного программирования.
Даны основные определения, сформулированы цели и задачи сборочного
программирования, его место в современном процессе создания ПС.
Во второй главе проанализированы существующие методы разработки ПС
сложной структуры, базирующиеся на концепции сборки (комплексирование, ин-
теграция, композиция), определены объекты и основные модели сборочного
программирования: модель информационного сопряжения модулей (экспорт и
импорт данных); модель управления и выбора готовых ресурсов из разных
источников (библиотек, системы Интернет и др.), необходимых для сборки. Дан
анализ современных стилей программирования, поддерживающих парадигму
сборки.
В третьей главе описаны задачи комплексирования модулей и определены
формальные механизмы преобразования типов и структур передаваемых данных
между программными объектами. На основе теории структурной организации
данных К. Хоара и В. Вирта представлен алгебраический подход к определению и
преобразованию типов данных, заданных в разных языках программирования (ЯП).
Такой подход основан на утверждениях, доказывающих необходимые и
достаточные условия преобразования типов данных объектов, которые записаны в
разных языках программирования (ЯП) и подлежат сборке в сложные ПС.