Программная инженерия

Существуют разные авторитетные определения программной инженерии, сформулированные ведущими специалистами:

• Программная инженерия — изучение принципов и методологий разработки и поддержки программных систем (Зелковиц, 1978).
• Программная инженерия — практическое применение научных знаний к проектированию и созданию компьютерных программ и сопутствующей документации, необходимой для их разработки, эксплуатации и обслуживания; также известна как разработка или производство программного обеспечения (Бём, 1976).
• Программная инженерия связана с формализацией инженерных принципов и методов с целью получения программного обеспечения экономически выгодным, надёжным и работоспособным на реальных машинах способом (Бауэр, 1972).
• Программная инженерия — это систематический, дисциплинированный и количественный подход к разработке, эксплуатации и сопровождению программного обеспечения (IEEE Standard Glossary of Software Engineering Terminology^[3]).

Термин «инженер-программист» широко используется в бизнес-среде, однако не всегда лица с такой должностью имеют классическое инженерное образование^[4].

Ряд специалистов считают, что термин «разработка программного обеспечения» более уместен, чем «программная инженерия», поскольку последний подразумевает уровень формализации и стандартов, не всегда необходимый в любой разработке программного обеспечения.

В русском языке используются оба варианта: «программная инженерия» и «инженерия программного обеспечения».

Создание программного обеспечения — процесс во многом творческий, однако программная инженерия стремится его систематизировать для снижения рисков неудачи, используя проверенные на практике методы.

Программная инженерия — это использование инженерных подходов и инструментов, позволяющих наиболее эффективно достигать требуемого результата. В отличие от «чистого» решения проблем, она подразумевает выбор наиболее подходящего решения из множества возможных.

Использование инженерных стандартов и методик позволяет производить программное обеспечение индустриальным образом, создавая инновационные продукты, способные повысить эффективность и производительность пользователей. Качество технологической инфраструктуры и программных решений прямо влияет на уровень компании и её конкурентоспособность.

Первые электронные вычислительные машины появились в 1940-х годах^[5]. В этот период разработка программного обеспечения была столь нова, что сложно было предсказывать сроки завершения проектов, многие из которых выходили за рамки бюджета и времени. Часто программы нужно было переписывать для новых машин, которые появлялись раз в год-два, что быстро делало предыдущие решения устаревшими.

Термин «программная инженерия» (англ. Software Engineering) впервые был использован в конце 1950-х годов. Развитие дисциплины было связано с так называемым кризисом программного обеспечения 1960—1980-х годов. Основной задачей программной инженерии стало внедрение принципов и методов, способных упорядочить процессы разработки и сопровождения сложных программных систем.

Кроме системных проблем 1960—1980-х годов, дисциплину затронули аварии, такие как катастрофа с аппаратом для лучевой терапии Therac-25, приведшая к гибели шести человек из-за программных ошибок^[6]. Это продемонстрировало высокие риски, связанные с программным обеспечением^[7].

С начала 1980-х годов^[8] программная инженерия становится отдельной профессией, наряду с компьютерными науками и классическим инженерным делом. Ранняя работа с программами строилась на перфокартах и медленной ручной обработке.

Постоянная необходимость адаптации ПО под новые аппаратные платформы привела к созданию языков высокого уровня. С появлением открытого ПО многие организации стали распространять собственные наработки широкой аудитории.

В течение 1980-х годов стоимость сопровождения и обслуживания программного обеспечения превысила затраты на его непосредственную разработку, и в 1990-е росла на 30% каждый десятилетний период. В 1995 году многие проекты официально функционировали, но не считались успешными: средний проект выходил за рамки по времени на 50%, а 75% крупных программ были настолько проблемными, что не использовались заказчиком или не соответствовали его требованиям.

Одной из причин «кризиса ПО» называлось отсутствие профессиональной дисциплины среди программистов.

Практически каждое новое технологическое решение в 1970–1990-е годы провозглашалось панацеей, однако поиск единственного универсального подхода не привёл к успеху — область слишком сложна, и разные проблемы требуют разных инструментов.

Распространение Интернета значительно увеличило спрос на масштабируемые интернациональные информационные системы. Разработчикам приходилось обрабатывать большие объёмы графических, мультимедийных и языковых данных, создавать системы для многозадачного и многоязычного взаимодействия.

Программная инженерия стала отраслью с капитализацией до 90 миллиардов долларов в год, а такие технологии, как интернет-браузеры и HTML, коренным образом изменили характер передачи и восприятия информации.

Широкое распространение сетей привело к проблемам с вирусами, спамом и необходимостью разрабатывать всё новые системы защиты.

Спрос на дешёвые решения стимулировал развитие более быстрых и простых методологий, пригодных для небольших проектов или быстрого создания функционального ПО.

Программная инженерия использует методы и стандарты, позволяющие добиваться оптимальных результатов при создании программного обеспечения:

• Улучшение проектирования приложений с учётом специфики задач организации или пользователя.
• Повышение качества при разработке комплексных программных систем.
• Точность оценки затрат и сроков разработки.
• Повышение эффективности путём внедрения стандартов и замера качества.
• Организация командной работы при разработке и сопровождении программ.
• Внедрение эффективных процедур тестирования и улучшений ПО^[9].

Кадровый ресурс — все участники планирования и реализации ПО (менеджеры, опытные программисты и др.). Оптимальная численность определяется после оценки трудоёмкости проекта.

Аппаратная и программная среда проекта: аппаратные ресурсы обеспечивают физическую платформу разработки^[10].

В США программное обеспечение обеспечило до 1/8 всего прироста ВВП в 1990-е годы (около 90 миллиардов долларов в год) и 1/9 прироста производительности (до 33 миллиардов долларов в год). По оценкам, программная инженерия внесла $1 трлн в экономический рост за десятилетие.

Сфера обработки естественного языка также активно расширяется.

Программная инженерия изменила культуру современного мира благодаря массовому использованию вычислительной техники. Электронная почта, WWW и мгновенный обмен сообщениями предоставили новые способы взаимодействия. ПО повысило качество и снизило стоимость социальных служб и инфраструктуры. Программная инженерия и связанные с ней методики были применены в таких проектах, как GNU/Linux, программное обеспечение кораблей космической программы США, банковских системах.

UML (Unified Modeling Language) — широко используемый язык описания и спецификации методов и документов по проектированию программных систем^[11]. UML включает множество видов диаграмм для отображения используемых случаев (use-case), классов, компонентов, развёртывания и др.

BPMN (Business Process Model and Notation) предназначена для визуализации и оптимизации бизнес-процессов на диаграммах, напоминающих диаграммы потоков данных. В BPMN выделяются потоки, соединительные элементы, «пулы» и «дорожки» (для участников процесса), а также артефакты: данные, группы, аннотации^[11].

DFD позволяет наглядно отобразить движение и преобразование данных в системе, описывать процессы обработки, хранилища данных и точки взаимодействия. Автор — Ларри Константайн, ключевой элемент — графическое моделирование потоков данных^[12].

CASE (Computer-Aided Software Engineering) — инструменты автоматизации процессов жизненного цикла ПО, многие из которых используют графические модели^[13].

Одной из центральных целей программной инженерии является поиск процессов и методологий разработки, обеспечивающих системность, предсказуемость и повторяемость, а также улучшение производительности и качества ПО.

Жизненный цикл программного обеспечения включает ряд взаимосвязанных фаз:

Выявление целей, задач и ресурсов проекта, анализ контекста бизнеса, определение условий эксплуатации и ограничений.

Важна качественная проработка входных и выходных данных, способов взаимодействия с пользователем, интеграции с внешними устройствами, а также требований к производительности и надёжности.

Правильный анализ требований часто осложнён: клиенты не всегда в полной мере осознают свои нужды, а требования могут быть неполными или даже противоречивыми. В этой фазе используются формализованные подходы и стандарты, такие как CMMI, а также диаграммы сущность-связь и детальное описание всех задействованных бизнес-объектов.

Стандарт IEEE Std. 830-1998 регламентирует спецификацию требований к программному обеспечению (Software Requirements Specification).

Ключевые цели этапа:

• Обеспечить контроль и взаимодействие пользователя с системой.
• Оценить ресурсы и сроки.
• Повысить качество за счёт снижения эксплуатационных рисков^[14].

Часто параллельно проводится анализ целесообразности и оценка стоимости (напр. по модели COCOMO).

Программные комплексы не способны воспроизводить человеческое мышление полностью: даже наиболее продвинутые системы ограничены заранее определёнными функциями и моделями поведения, и реализуют только часть «человеческой» логики. Для сложных задач может требоваться более мощное аппаратное обеспечение.

На этом этапе формализуется описание поведения и свойств будущего программного продукта: бизнес-требования, взаимодействие с пользователем, приоритеты требований.

Используются формальные методы:

• Прецедент
• Пользовательская история

Первые из них более формальны и строгие.

Архитектура ПО объединяет инфраструктурные, программные и информационные составляющие, определяет логику работы и способы интеграции, а также структуру и взаимосвязи компонент. Архитектор программного обеспечения играет ключевую роль в проектировании комплексных решений.

Классические средства моделирования архитектуры — диаграммы классов, данных, развертывания, последовательностей.

Программные средства для проектирования — CASE (напр., Enterprise Architect, Microsoft Visio for Enterprise Architects).

Программирование — собственно реализация проектных решений в коде. Сложность этапа во многом определяется выбранным языком и архитектурой.

В классической схеме выделяют этапы:

• Разработка инфраструктуры — организационная проработка элементов, образующих фундамент приложения.
• Адаптация пакета — детальный анализ и настройка компонентов сторонних пакетов (при необходимости).
• Создание интерактивных модулей — детализация пользовательских сценариев и их реализация, а также юнит- и интеграционное тестирование.
• Создание пакетных модулей — использование техник, таких как диаграммы потоков, структурные схемы и др., для наглядного проектирования.
• Проектирование ручных процедур — подготовка инструкций и организационных процессов сопровождения^[16].

Тестирование заключается в проверке соответствия функций продукта исходным требованиям. Практикуются модульные (юнит-тесты) и интеграционные тесты, итоговая приёмка.

Рекомендуется, чтобы тесты проводились независимыми специалистами или специальными отделами.

Согласно [Роджер С. Прессман], тестирование охватывает как логику внутренней реализации, так и внешние пользовательские сценарии. Важно привлекать реальных пользователей для проверки и сбора обратной связи. Эффективный процесс испытаний невозможен без регулярного взаимодействия с заказчиками^[17].

Внедрение — реализация алгоритмов и спецификаций в виде исполняемых программ, библиотек или сервисов. Внедрение предполагает формализацию структуры программы, интерфейсов и потоков данных^[18].

Документирование охватывает процесс разработки, архитектуру, бизнес-сценарии, диаграммы, тестовые процедуры, а также пользовательские и технические руководства.

Сопровождение — стадия доработки, исправления и расширения функций программного продукта. По данным исследований М. Лемана, порядка 2/3 времени проекта уходит именно на сопровождение^[10].

Классически выделяются: «исправляющая» (устранение ошибок), «адаптивная» (добавление новых функций), «перфекционирующая» (оптимизация) и «превентивная» (адаптация к изменениям среды) формы сопровождения.

• Повышение прозрачности и контроля над проектом
• Оптимизация использования ресурсов
• Улучшение коммуникации между пользователями и разработчиками
• Обеспечение оценки результатов и достижения целей

• Помогает понять задачу и предметную область
• Повышает возможность повторного использования решений
• Облегчает сопровождение продукта
• Оптимизирует каждую фазу разработки

• Гарантирует заданный уровень качества конечного продукта
• Обеспечивает прогнозируемый жизненный цикл системы
• Повышает уверенность в соблюдении сроков

Программная инженерия предлагает ряд моделей и жизненных циклов, призванных упорядочить процесс создания программных систем — от появления первоначальной идеи до вывода системы из эксплуатации^[19].

Этапы типового жизненного цикла:

• Определение целей
• Анализ требований и проверка их выполнимости
• Общий дизайн
• Детализированный дизайн
• Программирование
• Модульное тестирование
• Интеграция
• Пользовательское тестирование и валидация
• Документирование
• Внедрение
• Сопровождение^[20]

Каскадная модель (waterfall) — последовательное прохождение фаз: спецификация, проектирование, разработка, тестирование, внедрение, сопровождение^[21].

Модель прототипирования относится к эволюционным моделям: часть решения быстро реализуется (прототип), согласуется с заказчиком, и в ходе доработок превращается в итоговый продукт^[22].

Спиральная модель разработки (Boehm, 1986) — сочетает итеративный, прототипный и каскадный подход, концентрируясь на анализе рисков и постоянном уточнении требований. Используется поэтапная доработка продукта через циклы^[23].

Разработка осуществляется по последовательным стадиям, на каждой результаты уточняются и согласуются с заказчиком. Подходит для проектов, где требования формулируются по мере работы.

Преимущества:

• Выявление ошибок на ранних этапах
• Итеративность позволяет точнее прогнозировать сроки и реализовывать проект по частям

Итеративно-инкрементная: развитие системы через последовательные, частичные улучшения и дополнения^[24].

Использует методы структурного программирования и проектирования. Преимущества — чёткость представления процессов и данных, иерархичность. Основные недостатки — риск дублирования данных и сложность поддержания больших систем^[25].

ООП — уделяет ключевое внимание понятию класса; способствует повторному использованию кода, упрощает автоматизацию проектирования, активно поддерживается средствами UML^[26].

RAD — ускоренная инкрементальная методология на основе компонентных и CASE-технологий. Команда выпускает работоспособный продукт в краткие сроки (при хорошо определённых требованиях)^[27].^[28]

Concurrent development model — на разных стадиях задачи и компоненты разрабатываются параллельно, часто применяется для клиент-серверных и распределённых систем.

Rational Unified Process, RUP — адаптивный процесс, объединяющий гибко настраиваемые рабочие процессы, дисциплины и артефакты. Стандарт проводится по осям времени (фазы, итерации) и дисциплинам (логику задач), является базой для всевозможных корпоративных процессов^[29].^[30]

Программное обеспечение стало неотъемлемой частью современной жизни, стимулирует бизнес, научные исследования и развитие технологий.

Основа — программы, данные и документация, составляющие электронные продукты для решения реальных задач. Программные продукты делятся на:

• Генерические (тиражируемые)
• Индивидуальные («под заказ»)

К ключевым свойствам относятся: модифицируемость, надёжность, эффективность, качество интерфейса и документации.

Программная инженерия — междисциплинарная область, использующая методы инженерии и точных наук для достижения качества ПО.

Важные концепции (корректность, сложность алгоритмов) строго формализуются с помощью математики; подход известен как «формальные методы».

ПО проектируется и выстраивается поэтапно — как на конвейере, что позволяет стандартизировать процесс и повысить качество и предсказуемость.

Разработка масштабных систем требует планирования бюджета, сроков, ресурсообеспечения и управления специалистами.