Методологические основы

Основная цель курса лекций — представить студентам, аспирантам и менеджерам проектов современный комплекс задач, методов и стандартов программной инженерии — создания и развития сложных, многоверси­онных, тиражируемых программных средств (ПС) и баз данных (БД) тре­буемого высокого качества. Изложение ориентировано на коллективную, групповую работу специалистов над крупными программными проекта­ми. Внимание акцентировано на комплексе методов и процессов, кото­рые способны непосредственно обеспечить эффективный жизненный цикл сложных высококачественных программных продуктов и баз дан­ных. При этом предполагается, что процессы и технология создания комп­лексов программ и документов опираются на совокупность современных, автоматизированных методов и инструментальных средств поддержки дли­тельного жизненного цикла программных продуктов. Однако не всегда это может быть рентабельно вследствие высокой стоимости таких средств. В результате может снижаться качество программных продуктов и повы­шаться их стоимость.
Быстрый рост областей применения, сложности функций и масшта­бов комплексов программ привел к принципиальному изменению методов в этой сфере и к переходу от технологии индивидуального программиро­вания отдельных небольших программок к коллективному созданию круп­ных комплексов программ инженерными методами проектирования и разра­ботки. Накопление в мире знаний, опыта разработки и применения огром­ного количества различных сложных программ для ЭВМ способствовало систематизации и обобщению методов и технологий их разработки, сокра­щению дефектов и неопределенностей в характеристиках и качестве по­ставляемых и применяемых программных продуктов. В результате сфор­мировалась современная методология и инженерная дисциплина обеспе­чения процессов жизненного цикла сложных программных продуктов — программная инженерия для различных областей применения.
Программная инженерия — это область компьютерной науки и тех­нологии, которая занимается построением программных систем, настоль­ко больших и сложных, что для этого требуется участие слаженных ко­манд разработчиков различных специальностей и квалификаций. Обычно такие системы существуют и применяются долгие годы, развиваясь от версии к версии, претерпевая на своем жизненном пути множество измене­ний, улучшение существующих функций, добавление новых или удаление устаревших возможностей, адаптацию для работы в новой среде, устране­ние дефектов и ошибок. Суть методологии программной инженерии состоит в применении систематизированного, научного и предсказуемого процесса проектирования, разработки и сопровождения программных средств.
Массовое создание сложных программных средств промышленными методами и большими коллективами специалистов вызвало необходимость их четкой организации, планирования работ по требуемым ресурсам, эта­пам и срокам реализации. Совокупные затраты в мире на такие разработки составляют миллиарды, а для отдельных проектов — миллионы долларов в год, поэтому требуется тщательный анализ экономической эффективно­сти создания и использования конкретных ПС. Для решения этих задач в программной инженерии формируется новая область знания и научная дисциплина — экономика жизненного цикла программных средств, как часть экономики промышленности и вычислительной техники в общей экономике государств и предприятий. Объективно положение осложнено трудностью измерения экономических характеристик таких объектов. Ши­рокий спектр количественных и качественных показателей, которые с раз­личных сторон характеризуют содержание этих объектов, и невысокая достоверность оценки их значений определяют значительную дисперсию при попытках описать и измерить экономические свойства создаваемых или используемых крупных ПС.
Вследствие роста сфер применения и ответственности функций, вы­полняемых программами, резко возросла необходимость гарантирования высокого качества программных продуктов, регламентирования и кор­ректного формирования требований к характеристикам реальных комп­лексов программ и их достоверного определения. В результате специалис­ты в области теории и методов, определяющих качество продукции, вы­нуждены осваивать область развития и применения нового, специфичес­кого продукта — программных средств и систем в целом и их качество при использовании. Сложность анализируемых объектов — комплексов программ и психологическая самоуверенность ряда программистов в соб­ственной «непогрешимости» часто приводят к тому, что реальные харак­теристики качества функционирования программных продуктов остаются неизвестными не только для заказчиков и пользователей, но также для самих разработчиков. Отсутствие четкого декларирования в документах понятий и требуемых значений характеристик качества ПС вызывает кон­фликты между заказчиками-пользователями и разработчиками-поставщи­ками из-за разной трактовки одних и тех же характеристик.
Методы программной инженерии поддерживают и конкретизируют технологический процесс, а также отслеживание значений качества ком­понентов на этапах жизненного цикла ПС. Для каждого проекта, выполня­ющего ответственные функции, должны разрабатываться и применяться система качества, специальные планы и Программа, методология и ин­струментальные средства разработки и испытаний, обеспечивающие тре­буемые качество, надежность и безопасность функционирования про­граммных продуктов. Эти методы и процессы позволяют разработчикам и заказчикам программных продуктов более корректно взаимодействовать при определении и реализации требований контрактов и технических за­даний.
Основные концепции программной инженерии сконцентрировались и формализовались в целостном комплексе систематизированных меж­дународных стандартов, охватывающих и регламентирующих практи­чески все процессы жизненного цикла сложных программных средств. Несколько десятков стандартов этого комплекса допускают целеустрем­ленный отбор необходимых процессов, в зависимости от характеристик и особенностей конкретного проекта, а также формирование на их базе про­блемно-ориентированных профилей стандартов для определенных ти­пов проектов и/или предприятий.
Практическое применение профилей стандартов, сосредоточивших мировой опыт создания различных типов крупных комплексов программ, способствует значительному повышению производительности труда спе­циалистов и качества создаваемых программных продуктов. Эти стан­дарты определяют модификацию, мобильность и возможность повторного применения программных компонентов и комплексов, их расширяемость и переносимость на различные аппаратные и операционные платформы, что непосредственно отражается на росте экономической эффективности технологий и процессов создания различных программных средств и сис­тем. Для регламентирования процессов жизненного цикла такие профили стандартов должны адаптироваться и конкретизироваться применитель­но к определенным классам и функциям проектов, процессов и компонен­тов программных средств. При этом должны сохраняться концептуальная целостность применяемой совокупности стандартов и их эффективное, положительное влияние на процессы и результаты, на качество, надеж­ность и безопасность программных продуктов при реальных ограничени­ях на использование доступных ресурсов проектов.
В жизненном цикле комплексов программ сложно сочетаются со­держание, этапы и распределение работ, возможен ряд возвратов на более ранние технологические этапы в процессе создания компонентов ПС, они имеют не совсем определенные границы начала и завершения. Специалисты в коллективе могут на некотором интервале времени решать несколько производственных задач и заменять друг друга. Положение усугубляется трудностью поэтапного определения качества компонентов и его прогно­зирования в процессе разработки, что непосредственно отражается на про­екте в целом. Методология программной инженерии и стандарты регла­ментируют современные процессы управления проектами сложных си­стем и программных средств. Они обеспечивают организацию, освоение и применение апробированных, высококачественных процессов проектиро­вания, программирования, верификации, тестирования и сопровождения программных средств и их компонентов. Тем самым эти проекты и про­цессы позволяют получать стабильные, предсказуемые результаты и про­граммные продукты требуемого качества.
Многообразие классов и видов сложных комплексов программ, обус­ловленное различными функциями и сферами применения систем, опре­деляет формальные трудности, связанные с методами и процедурами доказательства соответствия создаваемых и поставляемых программ­ных продуктов условиям контрактов, требованиям заказчиков и потреби­телей. По мере расширения применения и увеличения сложности систем выделились области, в которых дефекты, недостаточное качество комп­лексов программ или данных могут наносить катастрофический ущерб, значительно превышающий положительный эффект от их использования. В таких критических системах (например, управления атомными элект­ростанциями, крупными банками или системами вооружения) недопусти­мы проявления катастрофических рисков функционирования программ­ных продуктов при любых искажениях исходных данных, сбоях, частич­ных отказах аппаратуры, ошибках пользователей и других нештатных ситуациях. Подобные риски комплексов программ могут определять безо­пасность функционирования объектов, предприятий и даже страны. Вслед­ствие этого резко повысилась ответственность специалистов за каче­ство результатов их труда и создаваемых программных продуктов. Это требует непрерывного совершенствования, обучения и повышения квали­фикации заказчиков, разработчиков и пользователей в области программ­ной инженерии, освоения ими современных методов, процессов и между­народных стандартов, а также высокой корпоративной культуры кол­лективов специалистов, обеспечивающих жизненный цикл критических программных продуктов.
В курсе лекций предполагается, что проектирование, разработка, сопровождение и документирование программных продуктов ведется пре­имущественно с использованием регламентированных процессов на осно­ве профилей стандартов ISO в соответствии с формализованными требо­ваниями, определенными заказчиком. Тем самым не отражено создание и применение открытого кода в программных продуктах, при котором невозможна их сертификация на соответствие международным стандар­там, вследствие неоднозначности версий ПС, изменяемых несинхронно различными пользователями и различными предприятиями.
Значительное внимание в курсе методологии программной инжене­рии уделено фрагментам и компонентам профилей стандартов ISO, целесо­образным для обеспечения высокого качества и безопасности применения программных продуктов в их жизненном цикле. Менеджмент рассматри­ваемых проектов ориентирован преимущественно на базовые стандарты серии ISO 9000:2000. Стандарты де-факто менеджмента СММ / CMMI изложены как возможная альтернатива стандартам ISO при управлении проектированием ПС, однако они не покрывают все процессы жизненного цикла сложных комплексов программ. Наиболее распространенная серти­фикация предприятий, производящих программные продукты, на соответ­ствие стандартам СММ / CMMI существенно проще, чем сертификация на соответствие полному профилю стандартов всего жизненного цикла ISO. При применении моделей СММ / CMMI учитывается преимуще­ственно качество менеджмента проектов, однако не стандартизируются и не контролируются некоторые важные компоненты процессов ЖЦ: регла­ментированные характеристики качества ПС; интерфейсы Открытых сис­тем; функциональная и информационная безопасность; комплекс техноло­гической и эксплуатационной документации. Это может быть оправдано для предприятий, создающих программные продукты средней или относи­тельно невысокой сложности, и вряд ли допустимо для разработчиков крупных, особо сложных, критических ПС. Акцент методологии программ­ной инженерии на крупные проекты предполагает сохранение и возмож­ность применения ее базовых методов, процессов и стандартов при обес­печении жизненного цикла относительно небольших проектов. Для этого должна быть предусмотрена и использоваться адаптация стандартов, тех­нологий и инструментария для различных по сложности и размеру про­ектов.
В публикациях в области программной инженерии широко распрост­ранено изобретение многочисленных аббревиатур на основе английских, иногда полужаргонных, слов, которые выдаются за принципиальные дос­тижения авторами публикаций. В тексте лекций для облегчения восприя­тия учащимися избегается применение аббревиатур, за исключением не­большого их числа, на основе часто используемых словосочетаний рус­ских слов. В официальных документах в имени стандартов ISO часто присутствуют через слеш имя IEC (Международная электротехническая комиссия). Для сокращения и упрощения текста лекций имя IEC всюду опускается, однако его следует учитывать при использовании и формиро­вании официальных документов.
Предлагаемый курс основ методологии программной инженерии предназначен для заказчиков, менеджеров крупных проектов, для анали­тиков и ведущих специалистов, обеспечивающих все этапы жизненного
цикла крупных программных средств и систем. Лекции рекомендуется использовать при обучении по специальности «бизнес-информатика», студентов старших курсов, аспирантов и менеджеров проектов, созданию сложных комплексов программ на всем их жизненном цикле. Курс поле­зен исполнителям научных проектов и опытно-конструкторских работ, к которым предъявляются высокие требования к качеству функционирова­ния и ограничены доступные ресурсы разработки программных продук­тов. Материалы лекций могут служить базой при подготовке и внедрении систем качества предприятий, создающих сложные конкурентоспособные программные продукты, для их сертификации на соответствие междуна­родным стандартам.
Считаю необходимым выразить особую благодарность профессору, заведующему кафедрой Программной инженерии ГУ ВШЭ Сергею Ми­хайловичу Авдошину за весьма полезные замечания к рукописи книги, а также за активную поддержку и организацию издания учебного пособия.
ЛЕКЦИЯ 1
ПРОГРАММНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
В ЖИЗНЕННОМ ЦИКЛЕ ПРОГРАММНЫХ
СРЕДСТВ

1. 
   Основы жизненного цикла программных средств
   

Термином жизненный цикл (ЖЦ) принято отражать совокупность процессов и этапов развития организмов живой природы, технических систем, продуктов производства от моментов зарождения или появления потребности их создания и использования до прекращения функциониро­вания или применения. Это соответствует всеобщему закону развития лю­бых изделий, событий или процессов между их началом и концом, кото­рые определяют цикл их создания, существования и применения. Про­граммы для вычислительных машин обычно являются компонентами жизненного цикла технических систем, но по своей природе значительно отличаются от аппаратурных, технических изделий, поэтому их жизнен­ный цикл имеет характерные особенности по сравнению с другими техни­ческими объектами. Программы и данные в системах и вычислительных машинах являются наиболее гибкими компонентами программной ин­женерии и подвержены изменениям в течение всего их ЖЦ.