Программирование

Программирование

Математика делает то, что можно, так, как нужно, тогда как информатика делает то, что нужно, так, как можно.

Программистский фольклор

Понятие информационной среды процесса обработки данных. Программа как формализованное описание процесса. Понятие о программном средстве. Понятие ошибки в программном средстве. Неконструктивность понятия правильной программы. Надежность программного средства. Технология программирования как технология разработки надежных программных средств. Роль в обществе компьютеров и программирования, информатизация общества. Взаимосвязь программирования и других областей знания. Применение, злоупотребление и границы компьютерной техники.

Целью программирования является описание процессов обработки данных (в дальнейшем -- просто процессов). Согласно ИФИПа [1]: данные -- это представление фактов и идей в формализованном виде, пригодном для передачи и переработке в некоем процессе, а информация -- это смысл, который придается данным при их представлении. Обработка данных -- это выполнение систематической последовательности действий с данными. Данные представляются и хранятся на т.н. носителях данных. Совокупность носителей данных, используемых при какой-либо обработке данных, будем называть информационной средой. Набор данных, содержащихся в какой-либо момент в информационной среде, будем называть состоянием этой информационной среды. Процесс можно определить как последовательность сменяющих друг друга состояний некоторой информационной среды.

Описать процесс -- означает определить последовательность состояний заданной информационной среды. Если мы хотим, чтобы по заданному описанию требуемый процесс порождался автоматически на каком-либо компьютере, необходимо, чтобы это описание было формализованным. Такое описание называется программой. С другой стороны, программа должна быть понятной и человеку, так как и при разработке программ, и при их использовании часто приходится выяснять, какой именно процесс она порождает. Поэтому программа составляется на удобном для человека формализованном языке программирования, с которого она автоматически переводится на язык соответствующего компьютера с помощью другой программы, называемой транслятором. Человеку (программисту), прежде чем составить программу на удобном для него языке программирования, приходится проделывать большую подготовительную работу по уточнению постановки задачи, выбору метода ее решения, выяснению специфики применения требуемой программы, прояснению общей организации разрабатываемой программы и многое другое. Использование этой информации может существенно упростить задачу понимания программы человеком, поэтому весьма полезно ее как-то фиксировать в виде отдельных документов (часто не формализованных, рассчитанных только для восприятия человеком).

Обычно программы разрабатываются в расчете на то, чтобы ими могли пользоваться люди, не участвующие в их разработке (их называют пользователями). Для освоения программы пользователем помимо ее текста требуется определенная дополнительная документация. Программа или логически связанная совокупность программ на носителях данных, снабженная программной документацией, называется программным средством (ПС). Программа позволяет осуществлять некоторую автоматическую обработку данных на компьютере. Программная документация позволяет понять, какие функции выполняет та или иная программа ПС, как подготовить исходные данные и запустить требуемую программу в процесс ее выполнения, а также: что означают получаемые результаты (или каков эффект выполнения этой программы). Кроме того, программная документация помогает разобраться в самой программе, что необходимо, например, при ее модификации.

Таким образом, можно считать, что продуктом технологии программирования является ПС, содержащее программы, выполняющие требуемые функции. Здесь под «программой» часто понимают правильную программу, т.е. программу, не содержащую ошибок. Однако понятие ошибки в программе трактуется в среде программистов неоднозначно. Согласно Майерсу [2] будем считать, что в программе имеется ошибка, если она не выполняет того, что разумно ожидать от нее пользователю. «Разумное ожидание» пользователя формируется на основании документации по применению этой программы. Следовательно, понятие ошибки в программе является существенно не формальным. В этом случае правильнее говорить об ошибке в ПС. Разновидностью ошибки в ПС является несогласованность между программами ПС и документацией по их применению. В работе [3] выделяется в отдельное понятие частный случай ошибки в ПС, когда программа не соответствует своей функциональной спецификации (описанию, разрабатываемому на этапе, предшествующему непосредственному программированию). Такая ошибка в указанной работе называется дефектом программы. Однако выделение такой разновидности ошибки в отдельное понятие вряд ли оправданно, так как причиной ошибки может оказаться сама функциональная спецификация, а не программа.

В связи с тем, что задание на ПС обычно формулируется не формально, а также из-за неформализованности понятия ошибки в ПС, нельзя доказать формальными методами (математически) правильность ПС. Нельзя показать правильность ПС и тестированием: как указал Дейкстра [4], тестирование может лишь продемонстрировать наличие в ПС ошибки. Поэтому понятие правильной ПС неконструктивно в том смысле, что после окончания работы над созданием ПС мы не сможем убедиться, что достигли цели.

Альтернативой правильного ПС является надежное ПС. Надежность ПС -- это его способность безотказно выполнять определенные функции при заданных условиях в течение заданного периода времени с достаточно большой вероятностью [5]. При этом под отказом в ПС понимают проявление в нем ошибки [2]. 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 его испытании путем тестирования, а также при практическом применении. Таким образом, фактически мы можем разрабатывать лишь надежные, а не правильные ПС.

Разрабатываемая ПС может обладать различной степенью надежности. Как измерять эту степень? Так же как в технике, степень надежности можно характеризовать [2] вероятностью работы ПС без отказа в течении определенного периода времени. Однако в силу специфических особенностей ПС определение этой вероятности наталкивается на ряд трудностей по сравнению с решением этой задачи в технике. Позже мы вернемся к более обстоятельному обсуждению этого вопроса.

При оценке степени надежности ПС следует также учитывать последствия каждого отказа. Некоторые ошибки в ПС могут вызывать лишь некоторые неудобства при его применении, тогда как другие ошибки могут иметь катастрофические последствия, например, угрожать человеческой жизни. Поэтому для оценки надежности ПС иногда используют дополнительные показатели, учитывающие стоимость (вред) для пользователя каждого отказа.

В соответствии с обычным значением слова «технология» [6] под технологией программирования будем понимать совокупность производственных процессов, приводящую к созданию требуемого ПС, а также описание этой совокупности процессов. Другими словами, технологию программирования мы будем понимать здесь в широком смысле как технологию разработки программных средств, включая в нее все процессы, начиная с момента зарождения идеи этого средства, и, в частности, связанные с созданием необходимой программной документации. Каждый процесс этой совокупности базируется на использовании каких-либо методов и средств, например, компьютер (в этом случае будем говорить об компьютерной технологии программирования).

В литературе имеются и другие, несколько отличающиеся, определения технологии программирования. Эти определения обсуждаются в работе [7]. Используется в литературе и близкое к технологии программирования понятие программной инженерии, определяемой как систематический подход к разработке, эксплуатации, сопровождению и изъятию из обращения программных средств [7]. Именно программной инженерии (Software Engineering) посвящена упомянутая работа [3]. Главное различие между технологией программирования и программной инженерией как дисциплинами для изучения заключается в способе рассмотрения и систематизации материала. В технологии программирования акцент делается на изучении процессов разработки ПС (технологических процессов) и порядке их прохождения - методы и инструментальные средства разработки ПС используются в этих процессах (их применение и образуют технологические процессы). Тогда как в программной инженерии изучаются прежде всего методы и инструментальные средства разработки ПС с точки зрения достижения определенных целей -- они могут использоваться в разных технологических процессах (и в разных технологиях программирования); как эти методы и средства образуют технологические процессы -- здесь вопрос второстепенный.

Не следует также путать технологию программирования с методологией программирования [8]. Хотя в обоих случаях изучаются методы, но в технологии программирования методы рассматриваются «сверху» (с точки зрения организации технологических процессов), а в методологии программирования методы рассматриваются «снизу» (с точки зрения основ их построения). В работе [9, стр. 25] методология программирования определяется как совокупность механизмов, применяемых в процессе разработки программного обеспечения и объединенных одним общим философским подходом.

Имея ввиду, что надежность является неотъемлемым атрибутом ПС, мы будем обсуждать технологию программирования как технологию разработки надёжных ПС. Это означает, что, во-первых, мы будем обсуждать все процессы разработки ПС, начиная с момента возникновения замысла ПС. Во-вторых, нас будут интересовать не только вопросы построения программных конструкций, но и вопросы описания функций и принимаемых решений с точки зрения их человеческого (неформального) восприятия, и, наконец, в качестве продукта технологии мы будем принимать надежную (а не правильную) ПС. Все это будет существенно влиять на выбор методов и инструментальных средств в процессах разработки ПС.

Технологии программирования играло разную роль на разных этапах развития программирования. По мере повышения мощности компьютеров и развития средств и методологии программирования росла и сложность решаемых на компьютерах задач, что привело к повышенному вниманию к технологии программирования. Резкое удешевление стоимости компьютеров и, в особенности, стоимости хранения информации на компьютерных носителях привело к широкому внедрению компьютеров практически во все сферы человеческой деятельности, что существенно изменило направленность технологии программирования. Человеческий фактор стал играть в ней решающую роль. Сформировалось достаточно глубокое понятие качества ПС, в котором акценты стали ставится не столько на его эффективности, сколько на удобстве работы с ним для пользователей (не говоря уже о его надежности). Широкое использование компьютерных сетей привело к интенсивному развитию распределенных вычислений, дистанционного доступа к информации и электронного способа обмена сообщениями между людьми. Компьютерная техника из средства решения отдельных задач все более превращается в средство информационного моделирования реального и мыслимого мира, способное просто отвечать людям на интересующие их вопросы. Начинается этап глубокой и полной информатизации (компьютеризации) человеческого общества. Все это ставит перед технологией программирования новые и достаточно трудные проблемы.

Сделаем краткую характеристику развития программирования по десятилетиям.

В 50-е годы мощность компьютеров (компьютеры первого поколения) была невелика, а программирование для них велось, в основном, в машинном коде. Решались, главным образом, научно-технические задачи (счёт по формулам), задание на программирование уже содержало, как правило, достаточно точную постановку задачи. Использовалась интуитивная технология программирования: почти сразу приступали к составлению программы по заданию, при этом часто задание несколько раз изменялось (что сильно увеличивало время и без того итерационного процесса составления программы), минимальная документация оформлялась уже после того, как программа начинала работать. Тем не менее, именно в этот период родилась фундаментальная для технологии программирования концепция модульного программирования [10] (для преодоления трудностей программирования в машинном коде). Появились первые языки программирования высокого уровня, из которых только ФОРТРАН пробился для использования в следующие десятилетия.

В 60-е годы можно было наблюдать бурное развитие и широкое использование языков программирования высокого уровня (АЛГОЛ 60, ФОРТРАН, КОБОЛ и др.), роль которых в технологии программирования явно преувеличивалась. Надежда на то, что эти языки решат все проблемы при разработки больших программ, не оправдалась. В результате повышения мощности компьютеров и накопления опыта программирования на языках высокого уровня быстро росла сложность решаемых на компьютерах задач, в результате чего обнаружилась ограниченность языков, проигнорировавших модульную организацию программ. И только ФОРТРАН, бережно сохранивший возможность модульного программирования, гордо прошествовал в следующие десятилетия (все его ругали, но его пользователи отказаться от его услуг не могли из-за грандиозного накопления фонда программных модулей, которые с успехом использовались в новых программах). Кроме того, было понято, что важно не только то, на каком языке мы программируем, но и то, как мы программируем [4]. Это было уже началом серьезных размышлений над методологией и технологией программирования. Появление в компьютерах 2-го поколения прерываний привело к развитию мультипрограммирования и созданию больших программных систем. Это стало возможным с использованием коллективной разработки, которая поставила ряд серьезных технологических проблем [11].

В 70-е годы получили широкое распространение информационные системы и базы данных. Этому способствовало очень важное событие, происшедшее в середине 70-ых годов: стоимость хранения одного бита информации на компьютерных носителях стала меньше, чем на традиционных. Интенсивно развивалась технология программирования [2, 8, 12, 13, 14]: обоснование и широкое внедрение нисходящей разработки и структурного программирования, развитие абстрактных типов данных и модульного программирования (в частности, возникновение идеи разделения спецификации и реализации модулей и использование модулей, скрывающих структуры данных), исследование проблем обеспечения надежности и мобильности ПС, создание методики управления коллективной разработкой ПС, появление инструментальных программных средств (программных инструментов) поддержки технологии программирования.

80-е годы характеризуются широким внедрением персональных компьютеров во все сферы человеческой деятельности и тем самым созданием обширного и разнообразного контингента пользователей ПС. Это привело к бурному развитию пользовательских интерфейсов и созданию четкой концепции качества ПС [5, 15, 16, 17, 18]. Появляются языки программирования (например, Ада), учитывающие требования технологии программирования [19]. Развиваются методы и языки спецификации ПС [1.20-1.21]. Выходит на передовые позиции объектный подход к разработке ПС [9]. Создаются различные инструментальные среды разработки и сопровождения ПС [3]. Развивается концепция компьютерных сетей.

90-е годы знаменательны широким охватом всего человеческого общества международной компьютерной сетью, персональные компьютеры стали подключаться к ней как терминалы. Это поставило ряд проблем регулирования доступа к компьютерно-сетевой информации (как технологического, так и юридического и этического характера). Остро встала проблема защиты компьютерной информации и передаваемых по сети сообщений. Стали бурно развиваться компьютерная технология (CASE-технология) разработки ПС и связанные с ней формальные методы спецификации программ. Начался решающий этап полной информатизации и компьютеризации общества.

ЛИТЕРАТУРА

И.Г. Гоулд, Дж.С. Тутилл. Терминологическая работа IFIP (Международная федерация по обработке информации) и ICC (Международный вычислительный центр) // Журн. вычисл. матем. и матем. физ., 1965, №2. -- с. 377-386.

Г. Майерс. Надежность программного обеспечения. -- М.: Мир, 1980.

Ian Sommerville. Software Engineering. -- Addison-Wesley Publishing Company, 1992.

Э. Дейкстра. Заметки по структурному программированию // У. Дал, Э. Дейкстра, К. Хоор. Структурное программирование. -- М.: Мир, 1975. -- с. 7-97.

Criteria for Evalution of Software. -- ISO TC97/SC7 #367 (Supersedes Document #327).

С.И. Ожегов. Словарь русского языка. -- М.: Советская энциклопедия, 1975.

Ф.Я. Дзержинский, И.М. Калиниченко. Дисциплина программирования Д: концепция и опыт реализации методических средств программной инженерии. -- М.: ЦНИИ информации и технико-экономических исследований по атомной науке и технике, 1988. -- с. 9-16.

В. Турский. Методология программирования. -- М.: Мир, 1981.

Г. Буч. Объектно-ориентированное проектирование с примерами применения: пер. с англ. -- М.: Конкорд, 1992.

Е.А. Жоголев. Система программирования с использованием библиотеки подпрограмм // Система автоматизация программирования. -- М.: Физматгиз, 1961. с. 15-52.

Ф.П. Брукс, мл. Как проектируются и создаются программные комплексы / Пер. с англ. А.П. Ершова. -- М.: Наука, 1979.

R.C. Holt. Structure of Computer Programs: A Survey // Proceedings of the IEEE, 1975, 63(6). -- p. 879-893.

Дж. Хьюз, Дж. Мичтом. Структурный подход к программированию. -- М.: Мир, 1980.

Е.А. Жоголев. Технологические основы модульного программирования // Программирование, 1980, №2. -- с.44-49.

Б. Боэм, Дж. Браун, Х. Каспар и др. Характеристики качества программного обеспечения. -- М.: Мир, 1981.

В.В. Липаев. Качество программного обеспечения. -- М.: Финансы и статистика, 1983.

Б. Шнейдерман. Психология программирования. -- М.: Радио и связь, 1984.

Revised version of DP9126 -- Criteria of the Evaluation of Software Quality Characteristics. ISO TC97/SC7 #610. -- Part 6.

В.Ш. Кауфман. Языки программирования. Концепции и принципы. М.: Радио и связь, 1993.

Требования и спецификации в разработке программ: пер. с англ. -- М.: Мир, 1984.

В.Н. Агафонов. Спецификация программ: понятийные средства и их организация. -- Новосибирск: Наука (Сибирское отделение), 1987.

Математика делает то, что можно, так, как нужно, тогда как информатика делает то, что нужно, так, как можно. Человеку свойственно ошибаться.

Сенека

Интеллектуальные возможности человека, используемые при разработке программных систем. Понятия о простых и сложных системах, о малых и больших системах. Неправильный перевод информации из одного представления в другое -- основная причина ошибок при разработке программных средств. Модель перевода и источники ошибок.

Дейкстра [1] выделяет три интеллектуальные возможности человека, используемые при разработке ПС:

· способность к перебору,

· способность к абстракции,

· способность к математической индукции.

Способность человека к перебору связана с возможностью последовательного переключения внимания с одного предмета на другой с узнаванием искомого предмета. Эта способность весьма ограничена -- в среднем человек может уверенно (не сбиваясь) перебирать в пределах 1000 предметов (элементов). Человек должен научиться действовать с учетом этой своей ограниченности. Средством преодоления этой ограниченности является его способность к абстракции, благодаря которой человек может объединять разные предметы или экземпляры в одно понятие, заменять множество элементов одним элементом (другого рода). Способность человека к математической индукции позволяет ему справляться с бесконечными последовательностями.

При разработке ПС человек имеет дело с системами. Под системой будем понимать совокупность взаимодействующих (находящихся в отношениях) друг с другом элементов. ПС можно рассматривать как пример системы. Логически связанный набор программ является другим примером системы. Любая отдельная программа также является системой. Понять систему - значит осмысленно перебрать все пути взаимодействия между ее элементами. В силу ограниченности человека к перебору будем различать простые и сложные системы [2]. Под простой системой будем понимать такую систему, в которой человек может уверенно перебрать все пути взаимодействия между ее элементами, а под сложной системой -- такую систему, в которой он этого сделать не в состоянии. Между простыми и сложными системами нет чёткой границы, поэтому можно говорить и о промежуточном классе систем: к таким системам относятся программы, о которых программистский фольклор утверждает, что «в каждой отлаженной программе имеется хотя бы одна ошибка».

При разработке ПС мы не всегда можем уверенно знать обо всех связях между её элементами из-за возможных ошибок. Поэтому полезно уметь оценивать сложность системы по числу ее элементов: числом потенциальных путей взаимодействия между её элементами, т.е. n! , где n -- число её элементов. Систему назовём малой, если n < 7 (6! = 720 < 1000), систему назовём большой, если n > 7 . При n = 7 имеем промежуточный класс систем. Малая система всегда проста, а большая может быть как простой, так и сложной. Задача технологии программирования -- научиться делать большие системы простыми.

Полученная оценка простых систем по числу элементов широко используется на практике. Так, для руководителя коллектива весьма желательно, чтобы в нем не было больше шести взаимодействующих между собой подчиненных. Весьма важно также следовать правилу: «всё, что может быть сказано, должно быть сказано в шести пунктах или меньше». Этому правилу мы будем стараться следовать в настоящем пособии: всякие перечисления взаимосвязанных утверждений (набор рекомендаций, список требований и т.п.) будут соответствующим образом группироваться и обобщаться. Полезно ему следовать и при разработке ПС.

При разработке и использовании ПС мы многократно имеем дело [3] с преобразованием (переводом) информации из одной формы в другую (см. Рис. 1). Заказчик формулирует свои потребности в ПС в виде некоторых требований. Исходя из этих требований, разработчик создаёт внешнее описание ПС, используя при этом спецификацию (описание) заданной аппаратуры и, возможно, спецификацию базового программного обеспечения. На основании внешнего описания и спецификации языка программирования создаются тексты программ ПС на этом языке. По внешнему описанию ПС разрабатывается также и пользовательская документация. Текст каждой программы является исходной информацией при любом её преобразовании, в частности, при исправлении в ней ошибки. Пользователь на основании документации выполняет ряд действий для применения ПС и осуществляет интерпретацию получаемых результатов. Везде здесь, а также в ряде других процессах разработки ПС, имеет место указанный перевод информации.

Рис. 1. Грубая схема разработки и применения ПС.

На каждом из этих этапов перевод информации может быть осуществлён неправильно, например, из-за неправильного понимания исходного представления информации. Возникнув на одном из этапов ошибка в представлении информации распространяется на последующие этапы разработки и, в конечном счёте, окажется в самом ПС.

Чтобы понять природу ошибок при переводе рассмотрим модель [3], изображённую на Рис. 2. На ней человек осуществляет перевод информации из представления A в представление B. При этом он совершает четыре основных шага перевода:

· он получает информацию, содержащуюся в представлении A, с помощью своего читающего механизма R;

· он запоминает полученную информацию в своей памяти M;

· он выбирает из своей памяти преобразуемую информацию и информацию, описывающую процесс преобразования, выполняет перевод и посылает результат своему пишущему механизму W;

· с помощью этого механизма он фиксирует представление B.

Рис. 2. Модель перевода.

На каждом из этих шагов человек может совершить ошибку разной природы. На первом шаге способность человека «читать между строк» (способность, позволяющая ему понимать текст, содержащий неточности или даже ошибки) может стать причиной ошибки в ПС. Ошибка возникает в том случае, когда при чтении документа A человек, пытаясь восстановить недостающую информацию, видит то, что он ожидает, а не то, что имел в виду автор документа A. В этом случае лучше было бы обратиться к автору документа за разъяснениями. При запоминании информации человек осуществляет её осмысливание (здесь важен его уровень подготовки и знание предметной области, к которой относится документ A). И, если он поверхностно или неправильно поймёт, то информация будет запомнена в искажённом виде. На третьем этапе забывчивость человека может привести к тому, что он может выбрать из своей памяти не всю преобразуемую информацию или не все правила перевода, в результате чего перевод будет осуществлён неверно. Это обычно происходит при большом объёме плохо организованной информации. И, наконец, на последнем этапе стремление человека поскорее зафиксировать информацию часто приводит к тому, что представление этой информации оказывается неточным, создавая ситуацию для последующей неоднозначной её интерпретации.

Учитывая рассмотренные особенности действий человека при переводе можно указать следующие пути борьбы с ошибками:

· сужение пространства перебора (упрощение создаваемых систем),

· обеспечение требуемого уровня подготовки разработчика (это функции менеджеров коллектива разработчиков),

· обеспечение однозначности интерпретации представления информации,

· контроль правильности перевода (включая и контроль однозначности интерпретации).