Постановка задачи
При постановке задачи необходимо выполнить следующие действия:
• выработать требования (свойства, качества и возможности), необходимые для решения проблемы или достижения цели;
• разработать спецификации, включающие в себя цель программы, граничные условия, описание функций системы, спецификации входных и выходных данных, верификационные требования (установление тестовых случаев), тип и количество документов.
В ходе этой работы выявляются свойства, которыми должна обладать система в конечном виде, описываются ее функции, характеристики интерфейса.
Чтобы приступить к решению задачи, необходимо точно ее сформулировать, то есть ответить на серию вопросов такого рода:
• что дано и что нужно найти (определение исходных и выходных параметров);
• как определить решение;
• каких данных не хватает и все ли они нужны;
• какие сделаны допущения и т.п.
Проектирование программы
Первичная (общая) стадия проектирования предполагает проектирование архитектуры программной системы и заканчивается декомпозицией спецификаций в структуру системы. На модульном уровне разрабатывается спецификация каждого модуля:
• имя/цель – дается имя модулю и предложение о его функции с формальными параметрами;
• неформальное описание – обзор действий модуля;
• ссылки – какие модули ссылаются на него и на какие модули ссылается он сам;
• вход/выход – формальные и фактические параметры, глобальные, локальные и связанные (общие для ряда модулей переменные);
• примечания – полезные комментарии общего характера по модулю.
На следующем этапе детального проектирования происходит процедурное описание программы, выбор и оценка алгоритма реализации каждого модуля. Входной информацией для проектирования являются требования и спецификации системы.
Методы проектирования архитектуры делятся на две группы – ориентированные на обработку и ориентированные на данные.
Методы, ориентированные на обработку, включают следующие общие идеи.
Модульное программирование. Его основные концепции:
• каждый модуль реализует единственную независимую функцию;
• модуль имеет единственную точку входа/выхода;
• размер модуля минимизируется;
• каждый модуль разрабатывается независимо от других модулей;
• система в целом построена из модулей.
Каждый модуль тестируется отдельно, затем после кодирования и тестирования происходит их интеграция и тестируется вся система.
Функциональная декомпозиция. Является декомпозицией в форме пошаговой детализации и концепции скрытия информации. Каждый модуль характеризуется субъективным решением разработчика; связь осуществляется с помощью хорошо организованных интерфейсов.
Проектирование с использованием потока данных. Использует поток данных как генеральную линию проектирования программы. Содержит элементы структурного проектирования «сверху-вниз» с пошаговой детализацией:
• экспертиза потоков данных и отображение графа потока данных;
• анализ входных, центральных и выходных элементов, преобразующих поток данных;
• формирование иерархической структуры программы;
• детализация и оптимизация структуры программы.
Технология структурного анализа проекта. Основана на структурном анализе с использованием специальных графических средств построения иерархических функциональных связей между объектами системы. Эффективна на ранних стадиях создания системы, когда диаграммы просты и читаемы.
Методы, ориентированные на данные
Методология Джексона. Ключевым элементом в построении проекта является структура данных. Структура программы определяется структурой данных, подлежащих обработке. Программа представляется как механизм преобразования входных данных в выходные.
В методе предусматриваются:
• разработка и изображение структуры входных и выходных данных;
• изображение структуры программы путем соединения изображений этих структурных элементов;
• определение дискретных операций над структурами данных;
• построение алгоритмов обработки структур данных.
Методология Уорнера. Подобна предыдущей, но процедура проектирования более детализирована. Используются следующие виды представления проекта:
• диаграммы организации данных (описывают входные и выходные данные);
• диаграммы логического следования (логический поток этих данных);
• список инструкций (команды, используемые в проекте);
• псевдокод (описание проекта);
• определение входных данных системы;
• организация входных данных в иерархическую структуру;
• детальное определение формата элементов входного файла;
• то же самое для выходных данных;
• спецификация программы: чтение, ветвление, вычисление, выходы, вызовы подпрограмм;
• составление диаграммы (по типу блок-схем), указывающей логическую последовательность инструкций.
Метод иерархических диаграмм. Определяется связь между входными, выходными данными и процессом обработки с помощью иерархической декомпозиции системы (без детализации). Фактически используются три элемента: вход, обработка, выход. Алгоритм проектирования по этому методу заключается в следующих шагах:
• начало с наивысшего уровня абстракции, определив вход, выход, обработку;
• соединение каждого элемента входа и выхода с соответствующей обработкой;
• документирование каждого элемента система, используя диаграммы;
• детализация диаграмм, используя предыдущие шаги.
Объектно-ориентированная методология. Основана на концепции абстрактных типов данных. В качестве объектов рассматриваются данные, модули и системы. Каждый объект содержит некоторую структуру данных с набором процедур, обеспечивающих работу с этими данными. По этой методологии по заданной предметной области создаются абстракции:
• определение проблемы;
• развитие неформальной стратегии, удовлетворяющей требованиям к системе;
• формализация стратегии;
• создание объектов и их атрибутов;
• определение операций над объектами;
• установка интерфейсов;
• реализация операций.
Построение модели
При построении моделей, как правило, используют два принципа – дедуктивный (от общего к частному) и индуктивный (от частного к общему).
При дедуктивном подходе рассматривается частный случай общеизвестной фундаментальной модели, которая при заданных предположениях адаптируется к условиям моделируемого объекта.
Индуктивный подход предполагает выдвижение гипотез, декомпозицию сложного объекта, анализ, затем синтез. Здесь широко используются подобие, аналогичное моделирование, умозаключение с целью формирования каких-либо закономерностей в виде предположений о поведении системы.
Технология построения модели при индуктивном подходе включает в себя:
• эмпирический этап (умозаключение, интуиция, предположение, гипотеза);
• постановка задачи для моделирования;
• оценки, количественное и качественное описание;
• построение модели.
Разработка алгоритма
Выбор метода разработки зависит от постановки задачи, ее модели. На этом этапе необходимо провести анализ правильности алгоритма, что очень сложно и трудоемко. В общей методике доказательства правильности алгоритма предполагается, что алгоритм описан в виде последовательности шагов, для каждого из которых предлагается некое обоснование его правильности для всех входных и выходных данных. Затем предлагается доказательство конечности алгоритма с окончательными исходными входными и выходными данными.
Реализация алгоритма
На этом этапе происходят конструирование и реализация алгоритма, включающие кодирование, интеграцию, тестирование (сертификацию), – фактически производится перевод проекта в форму программы для конкретного компьютера, сборка системы и ее прогон при тестовых и нормальных условиях для подтверждения ее работы в соответствии со спецификациями системы. Этот этап зависит от выбора компьютера, языка программирования, типов данных, вводимых структур данных, связи с окружающей средой и т.п. Учитываются интерактивность, вид транслятора (компилятор или интерпретатор), наличие библиотек подпрограмм, модулей и объектов.
