В общем случае программная система помимо собственно программ содержит еще и аппаратное обеспечение, а также обычно рассматривается в окружении других программно-аппаратных систем.

Под жизненным циклом программной системы обычно понимают весь период времени существования программной системы, начинающийся с момента выработки первоначальной концепции системы и кончающийся тогда, когда система морально устаревает. Понятие ``жизненного цикла"" используется, когда предполагается, что программная система будет иметь достаточно большой срок действия, в отличие от экспериментального программирования, при котором программы прогоняются несколько раз и больше не используются.

Жизненный цикл традиционно моделируется в виде некоторого числа последовательных этапов (или стадий, фаз). В настоящее время не выработано общепринятого разбиения жизненного цикла программной системы на этапы. Иногда этап выделяется как отдельный пункт, иногда - входит в качестве составной части в более крупный этап. Могут варьироваться действия, производимые на том или ином этапе. Нет единообразия и в названиях этих этапов. Поэтому попытаемся вначале описать некоторый обобщенный жизненный цикл программной системы, а затем продемонстрируем несколько примеров различных жизненных циклов с указанием аналогий из этого обобщенного цикла.

Этапы жизненного цикла ПО

Жизненный цикл программного обеспечения - период разработки и эксплуатации программного обеспечения, в котором обычно выделяют этапы: -1- возникновение и исследование идеи; -2- анализ требований и проектирование; -3- программирование; -4- тестирование и отладка; -5- ввод программы в действие; -6- эксплуатация и сопровождение; -7- завершение эксплуатации.

Следует обратить внимание, что разбиение жизненного цикла на этапы иногда способствует затушевыванию некоторых важных аспектов создания программного обеспечения; особенно это проявляется по отношению к такому необходимому процессу, как итерационная реализация различных этапов жизненного цикла с целью исправления ошибок, изменения решений, которые оказались неправильными, или учета изменений в общих требованиях, предъявляемых к системе.

Примеры описания жизненного цикла

Рассмотрим несколько описаний жизненного цикла программного обеспечения, которые послужат своеобразным комментарием этапам обобщенного жизненного цикла.

В отечественных нормативных документах (например, ГОСТ ЕСПД) принято следующее разграничение на этапы, которое приводится с указанием аналогий из списка, данного в начале раздела:

разработка технического задания (этапы 1 и 2);

технический проект (третий этап до 3.2.1 включительно);

рабочий проект (3.2.2, 4.2.1 и, частично, 4.2, 4.3);

экспериментальное внедрение (4.2 и 4.3);

сдача в промышленную эксплуатацию (этап 5);

промышленная эксплуатация (этап 6).

Подобное описание имеет своим прообразом технологию разработки аппаратных средств и поэтому не вполне учитывает все отличительные особенности проектирования программ. Более подходящим выглядит описание жизненного цикла программного обеспечения, состоящее из 12 этапов, которые очень близки этапам обобщенного жизненного цикла (см. рис. 1.1). В скобках после имени фазы указывается аналог из обобщенного цикла. Практически все этапы заканчиваются проверкой результатов, полученных на соответствующем этапе.

Рис. 1.1 Пример жизненного цикла программных систем

Начало проекта и планирование (этап 1). Определяются необходимые действия, планы и организация управления проектом. Определяются меры по обеспечению непрерывного выполнения фаз жизненного цикла.

Анализ целевых требований (2.1). Определяются, без учета средств реализации, общие характеристики системы, которым она должна удовлетворять. Устанавливается, что и как должна делать система.

Анализ системных требований (2.2). Описывается, как должны удовлетворятся запросы пользователя, в терминах конкретных функциональных понятий описываются действия предполагаемой системы, хранимые данные, используемый интерфейс - все это без учета физической реализации. Проверяется пригодность этих конкретных понятий.

Проектирование системы (3.1). Устанавливается структура системы или, иначе говоря, ее архитектура в терминах основных компонентов этой системы и их предполагаемой реализации (аппаратной, программной, с помощью окружения и т.д.). Устанавливаются требования для каждого компонента, а также стратегию тестирования и интеграции.

Предварительное проектирование программного обеспечения (3.2.1). Определение конкретных программных компонент, которые будут разрабатываться и внедряться в конечную систему. Проверка этого множества компонент на непротиворечивость общим требованиям к программному обеспечению. Определение функциональных, эксплуатационных и тестовых требований к каждому конкретному компоненту.

Детальное проектирование программного обеспечения (3.2.2). В терминах используемых программных конструкций производится описание того, как каждый конкретный компонент будет разрабатываться. Описываются режимы использования каждого компонента в системе.

Кодирование и тестирование программного обеспечения (4.1.1 и 4.1.2). Создание, тестирование отдельных модулей, документирование и приемка программных компонентов, которые составляют программную систему.

Интеграция программного обеспечения (частично 4.2). Тестирование работоспособности и функциональной законченности программных частей системы в предсказуемом окружении (аппаратуре и окружающей среде).

Интеграция системы (4.3). Тестирование работоспособности и функциональной законченности частей общей системы в целом.

Приемка и поставка системы (5). Производится приемка системы заказчиком, и поставка ему системы.

Эксплуатация и сопровождение системы (6). Выпуск последующих вариантов или версий системы, необходимость в которых возникает из-за устранений дефектов, отработки измененных требований и т.д.

Завершение проекта (7). Формирование посториорной модели проектных действий с анализом достоинств, недостатков и т.д., и использование их в качестве основания для улучшения процесса разработки.

В качестве следующего примера рассмотрим неполный жизненный цикл программного обеспечения, без этапов эксплуатации и сопровождения (см. рис. 1.2). В этом варианте не фиксируется последовательность фаз или этапов, а предлагается перечень действий, которые должны быть выполнены на протяжении жизненного цикла программного обеспечения. Эти действия могут быть разбиты или, наоборот, сгруппированы в различные этапы, в зависимости от конкретных условий. Можно выделить следующие этапы жизненного цикла программных систем (в скобках, как и ранее, - аналоги из модели обобщенного цикла):

этап планирования, который определяет и координирует действия по разработке программной системы (этап 1);

этап разработки, на котором создается программная система:

постановку задачи (этап 2),

проектирование (3),

кодирование (4.1.1),

получение исполняемого кода (4.1.1, 4.3);

интегрированный этап, обеспечивающий коррекцию, проверку, и определение полноты программной системы, а также ее выпуск. Этот этап включает в себя верификацию, контроль за конфигурацией системы, оценку качества и проверку взаимодействия между этапами. Из названия этого этапа видно, что он выполняется совместно с другими этапами на протяжении жизненного цикла системы.

Рис. 1.2 Вариант упрощенного жизненного цикла программной системы.

Отсутствие интегрированного этапа в обобщенном жизненном цикле не означает, что проверка производится только там, где это явно указано в названии этапа (например 4.2.1 и 4.2). Каждый этап может считаться завершенным только тогда, когда результаты, полученные на данном этапе, были признаны удовлетворительными, а для этого необходимо производить проверку результатов на каждом этапе. В обобщенном жизненном цикле некоторые проверки были вынесены отдельными пунктами для демонстрации повышенных объемов, сложности и важности этих проверок.

Последовательность этапов жизненного цикла для разных программных систем определяется такими характеристиками как функциональные возможности, сложность, размер, устойчивость, использование ранее полученных результатов, разрабатываемая стратегия и аппаратное обеспечение.

На рис. 1.3. показана последовательность этапов разработки программного обеспечения для отдельных компонентов единой программной системы с различными жизненными циклами.

Рис. 1.3 Последовательность этапов разработки компонент программного обеспечения

Для компонента W из множества системных требований к единому продукту формируется подмножество требований, относящихся к данному компоненту, используются эти требования при формировании проекта программного компонента, реализовывают этот проект в исходном коде и тогда интегрирует компонент с аппаратурой. Компонент X показывает использование ранее разработанного программного обеспечения. Компонент Y показывает использование простой отдельной функции, которая может быть закодирована прямо на основе требований к программному обеспечению. Компонент Z показывает использование прототипной стратегии. Обычно, целями прототипирования является лучшее понимание требований к программному обеспечению и уменьшение технических рисков и рисков разработки при создании конечного продукта. Исходные требования используются как базис для получения прототипа. Этот прототип преобразуется в окружение, типичное для конкретного использования системы при разработке. Результатом преобразований является уточненные данные, которые используются для создания конечного программного продукта.

Практически все этапы жизненного цикла объединяются с верификацией.

Иногда люди не вполне отчетливо различают работы по управлению проектом и работы жизненного цикла проекта, так как для успешного выполнения проекта необходимы работы обоих видов. Основное различие между ними заключается в том, что управление проектом сосредоточено на определении, планировании, мониторинге и контроле, а также на закрытии проекта. Работы же, связанные с фактическим созданием результатов поставки проекта, принято относить к "жизненному циклу" проекта. В процессе управления проектом создается его график, но подавляющее большинство работ в этом графике составляют именно работы жизненного цикла проекта, в результате выполнения которых появляется выходная продукция.

Несмотря на уникальность всех проектов, подобно тому, как существуют общие процессы управления, применимые к большинству проектов, существуют также и общие модели, которые могут служить руководством по определению жизненного цикла большинства проектов. Эти общие модели ценны тем, что экономят время проектным командам при разработке графика проекта.

Примером одной из моделей жизненного цикла является распространенная классическая модель "водопад". Эта модель представляет базовый подход, который может применяться в любом проекте. Чаще всего Вам приходится начинать с понимания требований к результату проекта, затем следуют проектирование результата, создание и тестирование результата, и завершаете Вы внедрением результата. Каждая из этих областей концентрации внимания называется фазой (фаза анализа, фаза проектирования, фаза реализации и т.д.). Классический "водопадный" подход - это модель жизненного цикла, которую Вы, вероятно, сможете применить, ничего не зная о методологиях и планируя проект "с чистого листа".

Что может быть проще? Даже если у Вас очень маленький проект, Вы все равно проходите эти базовые шаги, хотя бы даже проделывая некоторые из них в голове. К примеру, если у Вас 40-часовой (на одну рабочую неделю) проект разработки или улучшения документа, может показаться что Вы сразу же бросаетесь в фазу "Реализация". Но так ли это? Наиболее вероятно, что Вы получили какого-либо рода поручение с требованиями или пожеланиями, которые придется осмыслить (Анализ) и трансформировать в замысел будущего содержания (Проектирование). Затем вы воплощаете замысел (Реализация), проверяете результат (Тестирование) и передаете для использования (Внедрение).

Водопадная (каскадная) схема включает несколько важных операций, применимых ко всем проектам:

* составление плана действий по разработке системы;

* планирование работ, связанных с каждым действием;

* применение операции отслеживания хода выполнения действий с контрольными этапами.

Графическая иллюстрация “водопадной модели” проектного цикла

Рисунок.3 Водопадная модель жизненного цикла проекта

Преимущества водопадной (каскадной) модели.

Каскадная модель имеет преимущества, если ее использовать в проекте, для которого она достаточно приемлема.

a. Модель хорошо известна потребителям, не имеющих отношения к разработке и эксплуатации программ, и конечным пользователям.

b. Она упорядоченно справляется со сложностями и хорошо срабатывает для тех проектов, которые достаточно понятны, но все же трудно разрешимы.

c. Она доступна для понимания, так как преследуется простая цель - выполнить необходимые действия.

d. Она проста и удобна в применении, так как процесс разработки выполняется поэтапно.

e. Она отличается стабильностью требований.

f. Она представляет собой шаблон, в который можно поместить методы для выполнения анализа, проектирования, кодирования, тестирования и обеспечения.

g. Она позволяет участникам проекта, завершившим действия на выполняемой ими фазе, принять участие в реализации других проектов.

h. Она определяет процедуры по контролю за качеством. Каждые полученные данные подвергаются обзору. Такая процедура используется командой разработчиков для определения качества системы.

i. Ход выполнения проекта легко проследить с помощью использования временной шкалы (диаграммы Ганта), поскольку момент завершения каждой фазы используется в качестве стадии.

Недостатки каскадной модели.

При использовании каскадной модели для проекта, который трудно назвать подходящим для нее, проявляются следующие недостатки:

a. В основе модели лежит последовательная линейная структура, в результате чего попытка вернуться на одну или две фазы назад, чтобы исправить какую-либо проблему или недостаток, приведет к значительному увеличению затрат и сбою в графике.

b. У клиента не всегда есть возможность ознакомиться с системой заранее, это происходит лишь в самом конце жизненного цикла.

c. Клиент не имеет возможности воспользоваться промежуточными результатами, и отзывы пользователей нельзя передать обратно разработчикам. Поскольку готовый продукт не доступен вплоть до окончания процесса, пользователь принимает участие в процессе только в самом начале - при сборе требований, и в конце во время приемочных испытаний.

d. Каждая фаза является предпосылкой для выполнения последующих действий, что превращает такой метод в рискованный выбор для систем, не имеющих аналогов, так как он не поддается гибкому моделированию.

e. Для каждой фазы создаются результативные данные, которые по его завершении считается замороженными. Это означает, что они не должны изменяться на следующих этапах жизненного цикла продукта. Если элемент результативных данных какого-либо этапа изменяется, на проект окажет негативное влияние изменение графика, поскольку ни модель, ни план не были рассчитаны на внесение и разрешение изменения на более поздних этапах жизненного цикла.

f. Все требования должны быть известны в начале жизненного цикла, но клиенты не всегда могут сформулировать все четко заданные требования на этот момент разработки.

В то время, как "водопад" универсален и может применяться в любом проекте, другие модели жизненного цикла могут оказаться более результативными и эффективными в зависимости от характеристик проекта. Например, если Вы устанавливаете пакет программного обеспечения, Вы пропускаете фазы проектирования и реализации. Подобным же образом, если Вы занимаетесь опытно-конструкторскими разработками, Вы можете использовать специфическую модель жизненного цикла R&D проекта, учитывающую, что проделанная работа или часть ее может пойти в мусорную корзину. Другие важные модели жизненного цикла могут использоваться для ускорения проектов определенного вида. Проекты в области информационных технологий, к примеру, часто используют итеративную либо быструю (Agile development) разработку.

Ниже приведены некоторые другие модели жизненного цикла проекта:

Итеративный подход (англ. iteration -- повторение) -- выполнение работ параллельно с непрерывным анализом полученных результатов и корректировкой предыдущих этапов работы. Проект при этом подходе в каждой фазе развития проходит повторяющийся цикл: Планирование -- Реализация -- Проверка -- Оценка (англ. plan-do-check-act cycle).

Преимущества итеративного подхода:

1. снижение воздействия серьезных рисков на ранних стадиях проекта, что ведет к минимизации затрат на их устранение;

2. организация эффективной обратной связи проектной команды с потребителем (а также заказчиками, стейкхолдерами) и создание продукта, реально отвечающего его потребностям;

3. акцент усилий на наиболее важные и критичные направления проекта;

4. непрерывное итеративное тестирование, позволяющее оценить успешность всего проекта в целом;

5. раннее обнаружение конфликтов между требованиями, моделями и 6.реализацией проекта;

8. эффективное использование накопленного опыта;

9. реальная оценка текущего состояния проекта и, как следствие, большая 10.уверенность заказчиков и непосредственных участников в его успешном завершении.

Спиральная модель жизненного цикла проекта . В рамках этой модели рассматривается зависимость эффективности проекта от его стоимости с течением времени. На каждом витке спирали выполняется создание очередной версии продукта, уточняются требования проекта, определяется его качество и планируются работы следующего витка.

Спиральная модель была впервые сформулирована Барри Боэмом (Barry Boehm) в 1988 году. Отличительной особенностью этой модели является специальное внимание рискам, влияющим на организацию жизненного цикла. Боэм формулирует “top-10” наиболее распространенных (по приоритетам) рисков

1. Дефицит специалистов.

2. Нереалистичные сроки и бюджет.

3. Реализация несоответствующей функциональности.

4. Разработка неправильного пользовательского интерфейса.

5. “Золотая сервировка”, перфекционизм, ненужная оптимизация и оттачивание деталей.

6. Непрекращающийся поток изменений.

7. Нехватка информации о внешних компонентах, определяющих окружение системы или вовлеченных в интеграцию.

8. Недостатки в работах, выполняемых внешними (по отношению к проекту) ресурсами.

9. Недостаточная производительность получаемой системы.

10. “Разрыв” в квалификации специалистов разных областей знаний.

Большая часть этих рисков связана с организационными и процессными аспектами взаимодействия специалистов в проектной команде.

Каждый виток спирали соответствует созданию фрагмента или версии программного обеспечения, на нем уточняются цели и характеристики проекта, определяется его качество и планируются работы следующего витка спирали. Таким образом углубляются и последовательно конкретизируются детали проекта и в результате выбирается обоснованный вариант, который доводится до реализации. Каждый виток разбит на 4 сектора:

оценка и разрешение рисков,

определение целей,

разработка и тестирование,

планирование.

Спиральная модель ориентирована на большие, дорогостоящие и сложные проекты.

Преимущества спиральной модели:

При использовании спиральной модели при выполнении проекта, для которого она в достаточной мере подходит, появляются следующие преимущества:

a Спиральная модель разрешает пользователям «увидеть» систему на ранних этапах, что обеспечивается посредством использования ускоренного прототипирования в жизненном цикле разработки проекта.

b Обеспечивается определение непреодолимых рисков без особых затрат.

c Модель разрешает пользователям активно принимать участие при планировании, анализе рисков, разработке, а также при выполнении оценочных действий.

d Она обеспечивает разбиение большого потенциального объема работы по разработке продукта на небольшие части.

e В модели предусмотрена возможность гибкого проектирования, поскольку в ней воплощены преимущества каскадной модели, и в то же время разрешены итерации по всем фазам этой же модели.

f Реализовано преимущество инкрементной модели, а именно выпуск инкрементов, сокращение графика посредством перекрывания инкрементов и неизменяемость ресурсов при постепенном росте системы.

Недостатки спиральной модели:

При использовании спиральной модели относительно проекта, для которого она не подходит в достаточной мере, проявляются следующие недостатки:

a Спираль может продолжаться до бесконечности.

b Большое количество промежуточных стадий может привести к необходимости в обработке внутренней дополнительной и внешней документации.

c Использование модели может стать дорогостоящим, так как время, затраченное на планирование, повторное определение целей, анализа рисков и прототипирование, может быть чрезмерным.

Инкрементная модель проектного цикла. Эта модель в большинстве случаев применяется при проведении сложных опытно-конструкторских работ, которые требуют большого количества участников, множества различных вопросов, которые необходимо решить. Ее суть заключается в разбиении большого объема работ на последовательность более мелких составляющих частей. Она представляет собой процесс частичной реализации всей системы и медленного наращивания функциональных возможностей или эффективности.

Эта модель предполагает разбиение жизненного цикла проекта на последовательность итераций, каждая из которых напоминает “мини-проект”, включая все фазы жизненного цикла в применении к созданию меньших фрагментов функциональности, по сравнению с проектом, в целом. Цель каждой итерации - получение работающей версии программной системы, включающей функциональность, определенную интегрированным содержанием всех предыдущих и текущей итерации. Результаты финальной итерации содержит всю требуемую функциональность продукта.

Преимущества инкрементной модели.

Применяя инкрементную модель при разработке проекта, для которого она подходит в достаточной мере, можно убедиться в следующих ее преимуществах:

a Не требуется заранее тратить средства на разработку всего проекта.

b В результате выполнения каждого инкремента получается функциональный продукт.

c Использование последовательных инкрементов позволяет объединить полученные пользователями опыт в виде усовершенствованного продукта, затратив при этом намного меньше средств, чем требуется для выполнения повторной разработки.

d Правило по принципу «разделяй и властвуй» позволяет разбить возникшую проблему на управляемые части, благодаря чему предотвращается формирование громоздких перечней требований, выдвигаемых перед командой разработчиков.

e В процессе разработки можно ограничить количество персонала таким образом, чтобы над поставкой каждого инкремента, последовательно работала одна и та же команда.

f В конце каждой инкрементной поставки существует возможность пересмотреть риски, связанного с затратами и соблюдением установленного графика.

g Поскольку переход из настоящего в будущее не происходит моментально, заказчик может привыкать к новой технологии постепенно.

h Риск распределяется на несколько меньших по размеру инкрементов, и не сосредоточен в одном большом проекте разработки.

Недостатки инкрементной модели.

При использовании этой модели относительно проекта, для которого она подходит не в достаточной мере, проявляются следующие недостатки:

a В модели не предусмотрены итерации в рамках каждого инкремента.

b Определение полной функциональной системы должно осуществляться в начале жизненного цикла, чтобы обеспечить определение инкрементов.

c Заказчик должен осознавать, что общие затраты на выполнение проекта не будут снижены.

Ранее говорилось о том, что сложную программную систему построить «простыми» методами невозможно. Ее разработка с неизбежностью будет тоже сложной деятельностью.

Разработка ПО имеет следующие специфические особенности:

неформальный характер требований к ПО и формализованный основной объект разработки – программы;

творческий характер разработки;

дуализм ПО, которое, с одной стороны, является статическим объектом – совокупностью текстов, с другой стороны, – динамическим, поскольку при эксплуатации порождаются процессы обработки данных;

при своем использовании (эксплуатации) ПО не расходуется и не изнашивается;

«неощутимость», «воздушность» ПО, что подталкивает к безответственному переделыванию, поскольку легко стереть и переписать, чего не сделаешь при проектировании зданий и аппаратуры.

Привести такое предприятие к успеху возможно на основе общих принципов работы со сложными системами: организовав его в виде набора модулей, используя разные уровни абстракции, повторное использование отдельных элементов в разных местах так, чтобы изменения в таком элементе автоматически отражались всюду, где он используется.

Разработка ПО – разновидность человеческой деятельности. Выделить ее компоненты можно, определив набор задач, которые нужно решить для достижения конечной цели – построения достаточно качественной системы в рамках заданных сроков и ресурсов. Для решения каждой такой задачи организуется вспомогательная деятельность, к которой можно также применить декомпозицию на отдельные, более мелкие деятельности, и т.д. В итоге должно стать понятно, как решать каждую отдельную подзадачу и всю задачу целиком на основе имеющихся решений для подзадач.

В качестве примеров деятельностей, которые нужно проводить для построения программной системы, можно привести проектирование – выделение отдельных модулей и определение связей между ними с целью минимизации зависимостей между частями проекта и достижения лучшей его обозримости в целом,кодирование – разработку кода отдельных модулей, разработку пользовательской документации, которая необходима для достаточно сложной системы. Инженерия ПО (softwareengineering) – совокупность инженерных методов и средств создания ПО. Фундаментальная идея программной инженерии: проектирование ПО является формальным процессом, который можно изучать и совершенствовать.

Освоение и правильное применение методов и средств программной инженерии позволяет повысить качество, обеспечить управляемость процесса проектирования.

Программная инженерия применяется для удовлетворения требований заказчика ПО. Основные цели программной инженерии:

системы должны создаваться в короткие сроки и соответствовать требованиям заказчика на момент внедрения;

качество ПО должно быть высоким;

разработка ПО должна быть осуществлена в рамках выделенного бюджета;

системы должны работать на оборудовании заказчика, а также взаимодействовать с имеющемся ПО;

системы должны быть легко сопровождаемыми и масштабируемыми

Однако для корректного с точки зрения инженерии и экономики рассмотрения вопросов создания сложных систем необходимо, чтобы были затронуты и вопросы эксплуатации системы, внесения в нее изменений, а также самые первые действия в ходе ее создания – анализ потребностей пользователей и выработка решений, «изобретение» функций, удовлетворяющих эти потребности. Без этого невозможно, с одной стороны, учесть реальную эффективность системы в виде отношения полученных результатов ко всем сделанным затратам и, с другой стороны, правильно оценивать в ходе разработки степень соответствия системы реальным нуждам пользователей и заказчиков.

Все эти факторы приводят к необходимости рассмотрения всей совокупности деятельности, связанной с созданием и использованием ПО , начиная с возникновения идеи о новом продукте и заканчивая удалением его последней копии. Весь период существования ПО, связанный с подготовкой к его разработке, разработкой, использованием и модификациями, начиная с того момента, когда принимается решение разработать/приобрести/собрать, до того момента, когда полностью прекращается всякое ее использование, называютжизненным циклом ПО .

Основным понятием программной инженерии является понятие жизненного цикла ПО .

Жизненный цикл (ЖЦ ) ПО (softwarelifecycle) – этот период времени, который начинается с момента принятия решения о необходимости создания ПО и заканчивается в момент его полного изъятия из эксплуатации.

С точки зрения статической структуры ЖЦ является совокупностью процессов ЖЦ.

Процесс ЖЦ – набор взаимосвязанных действий, преобразующих некоторые входные данные и ресурсы в выходные.

Каждый процесс характеризуется задачами, методами их решения, действующими лицами, результатами. Процессы ЖЦ протекают параллельно. Каждый процесс разделен на набор действий, каждое действие – на набор задач. Каждый процесс, действие или задача инициируется и выполняется по мере необходимости, причем не существует заранее определенных последовательностей выполнения:

основные (приобретение, поставка, разработка, эксплуатация, сопровождение);

вспомогательные (документирование, управление конфигурацией, обеспечение качества, верификация, аттестация, совместная оценка, аудит, разрешение проблем);

организационные (управление, создание инфраструктуры, усовершенствование, обучение).

В ходе жизненного цикла ПО проходит через анализ предметной области, сбор требований, проектирование, кодирование, тестирование, сопровождение и др.виды деятельности . Каждый вид представляет собой достаточно однородный набор действий, выполняемых для решения одной задачи или группы тесно связанных задач в рамках разработки и поддержки эксплуатации ПО.

При этом создаются и перерабатываются различного рода артефакты - создаваемые человеком информационные сущности, документы в достаточно общем смысле, участвующие в качестве входных данных и получающиеся в качестве результатов различных деятельностей. Примерами артефактов являются: модель предметной области, описание требований, техническое задание, архитектура системы, проектная документация на систему в целом и на ее компоненты, прототипы системы и компонентов, собственно, исходный код, пользовательская документация, документация администратора системы, руководство по развертыванию, база пользовательских запросов, план проекта, и пр.

На различных этапах в создание и эксплуатацию ПО вовлекаются люди, выполняющие различные роли . Каждая роль может быть охарактеризована как абстрактная группа заинтересованных лиц, участвующих в деятельности по созданию и эксплуатации системы и решающих одни и те же задачи или имеющих одни и те же интересы по отношению к ней. Примерами ролей являются: бизнес-аналитик, инженер по требованиям, архитектор, проектировщик пользовательского интерфейса, программист-кодировщик, технический писатель, тестировщик, руководитель проекта по разработке, работник отдела продаж, конечный пользователь, администратор системы, инженер по поддержке и т.п.

Похоже, что общую структуру жизненного цикла любого ПО задать невозможно, поскольку она существенно зависит от целей, для которых это ПО разрабатывается или приобретается, и от решаемых им задач. Структура жизненного цикла будет существенно отличаться у программы для форматирования кода, которая сначала делалась программистом для себя, а впоследствии была признана перспективной в качестве продукта и переработана, и у комплексной системы автоматизации предприятия, которая с самого начала задумывалась как таковая. Тем не менее, часто определяют основные элементы структуры жизненного цикла в виде модели жизненного цикла ПО .

Модель жизненного цикла ПО выделяет конкретные наборы видов деятельности (обычно разбиваемых на еще более мелкие активности), артефактов, ролей и их взаимосвязи, а также дает рекомендации по организации процесса в целом. Эти рекомендации включают ответы на вопросы о том, какие артефакты являются входными данными у каких видов деятельности, а какие появляются в качестве результатов; в какие роли вовлечены в различные деятельности; как различные деятельности связаны друг с другом; каковы критерии качества полученных результатов; как оценить степень соответствия различных артефактов общим задачам проекта и когда можно переходить от одной деятельности к другой.

Жизненный цикл ПО является составной частью жизненного цикла программно-аппаратной системы, в которую это ПО входит. Поэтому часто различные его аспекты рассматриваются в связи с элементами жизненного цикла системы в целом.

Существует набор стандартов, определяющих различные элементы в структуре жизненных циклов ПО и программно-аппаратных систем. В качестве основных таких элементов выделяют технологические процессы - структурированные наборы деятельностей, решающих некоторую общую задачу или связанную совокупность задач, такие, как процесс сопровождения ПО, процесс обеспечения качества, процесс разработки документации и пр. Процессы могут определять разные этапы жизненного цикла и увязывать их с различными видами деятельностей, артефактами и ролями заинтересованных лиц.

Стоит отметить, что процессом (или технологическим процессом) называют и набор процессов, увязанных для совместного решения более крупной задачи, например, всю совокупность деятельностей, входящих в жизненный цикл ПО. Таким образом, процессы могут разбиваться на подпроцессы, решающие частные подзадачи той задачи, с которой работает общий процесс.

В рамках специфических моделей жизненного цикла, которые предписывают правила организации разработки ПО в рамках данной отрасли или организации, определяются более конкретные процессы разработки. Отличаются они от стандартов, прежде всего, большей детальностью и четким описанием связей между отдельными видами деятельности, определением потоков данных (документов и артефактов) в ходе жизненного цикла. Таких моделей довольно много, ведь фактически каждый раз, когда некоторая организация определяет собственный процесс разработки, в качестве основы этого процесса разрабатывается некоторая модель жизненного цикла ПО. В рамках данной лекции мы рассмотрим лишь несколько моделей. К сожалению, очень тяжело выбрать критерии, по которым можно было бы дать хоть сколько-нибудь полезную классификацию известных моделей жизненного цикла. Такими моделями ЖЦ могут быть:

каскадная (водопадная);

эволюционная;

основанная на формальных преобразованиях;

итерационные (пошаговая и спиральная).

Принципы каскадной модели : фиксация требований к системе в начале проекта; переход со стадии на стадию только после полного завершения работ на текущей стадии; недопустимость возврата на пройденные стадии; жесткая привязка процессов ЖЦ к стадиям ЖЦ.

Стадия формирования требований включает процессы, приводящие к созданию документа, описывающего поведение ПО с точки зрения внешнего по отношению к нему наблюдателя с фиксацией требований относительно его качества.

Проектирование охватывает процессы: разработку архитектуры ПО, разработку структур программ в его составе и их детальную спецификацию.

Реализация или кодирование включает процессы создания текстов программ на языках программирования.

На этапе тестирования производится собственно тестирование, а также отладка и оценка качества ПО.

Ввод в действие – это развертывание ПО на целевой вычислительной системе, обучение пользователей и т.п.

Эксплуатация ПО – это использование ПО для решения практических задач на компьютере путем выполнения ее программ.

Сопровождение ПО – это процесс сбора информации о качестве ПО в эксплуатации, устранения обнаруженных в нем ошибок, его доработки и модификации, а также извещения пользователей о внесенных в него изменениях.

Достоинства: на каждой стадии формируется законченный набор проектной документации, отвечающий критериям полноты и согласованности; выполняемые в логичной последовательности стадии работ облегчают планирование сроков завершения всех работ и соответствующих затрат. Недостатки: позднее обнаружение проблем; выход из календарного графика, запаздывание с получением результатов; высокий риск создания системы, не удовлетворяющей изменившимся потребностям пользователей; избыточность документации; неравномерная нагрузка членов группы, работающей над проектом в ходе ЖЦ.

На самом деле невозможно двигаться строго поступательно, необходимо возвращаться, чтобы исправлять ошибки, сделанные на ранних стадиях, устранять недоделки, учитывать меняющиеся в ходе проекта требования. В этом кроется причина недостатков водопадной модели.

Особенности эволюционной модели : поэтапное уточнение требований к ПО с помощью прототипирования; параллельное осуществление анализа требований, разработки и верификации. Достоинства: полный учет требований заказчика, большее его участие в проекте; равномерная нагрузка на группу; раннее обнаружение проблем и их разрешение по мере возникновения. Недостатки: плохая документированность; запутанность создаваемого ПС и сложность внесения изменений; сложность планирования; необходимость специальных средств и технологий разработки ПС; годится лишь для небольших ПС (не более 50 Килострок).

Схема эволюционной модели ЖЦ

Особенности модели ЖЦ, основанной на формальных преобразованиях : использование специальных нотаций для формального описания требований; кодирование и тестирование заменяется процессом предобразования формальной спецификации в исполняемую программу. Достоинства: формальные методы гарантируют соответствие ПО спецификациям требований к ПО, т. о. вопросы надежности и безопасности решаются сами собой. Недостатки: большие системы сложно описать формальными спецификациями; требуются специально подготовленные и высококвалифицированные разработчики; есть зависимость от средств разработки и нотации спецификаций.

Особенности итерационных моделей :

процесс разработки разбивается на последовательность шагов, выполняемых циклически;

модель напоминает несколько последовательных «каскадов»;

разные виды деятельности не привязаны намертво к определенным этапам разработки, а выполняются по мере необходимости, иногда повторяются, до тех пор, пока не будет получен нужный результат;

с каждой пройденной итерацией ПО наращивается, в него интегрируются новые разработанные компоненты.

Рис. 3.1.3.-1 Схема пошаговой итерационной модели ЖЦ.

Особенности итерационной спиральной модели :

общая структура действий на каждой итерации – планирование, определение задач, ограничений и вариантов решений, оценка предложенных решений и рисков, выполнение основных работ итерации и оценка их результатов;

решение о начале новой итерации принимается на основе результатов предыдущей;

досрочное прекращение проекта в случае обнаружения его нецелесообразности.

Достоинства итерационных моделей:

полный учет требований заказчика, большее его участие в проекте;

раннее обнаружение проблем и их разрешение по мере возникновения, уменьшение рисков на каждой итерации.

Недостатки итерационных моделей: сложность планирования; плохая документированность создаваемого ПО.

Рис. 3.1.3.-2 Схема спиральной модели ЖЦ

Проблемой современной программной инженерии являются «тяжелые» процессы. Характеристики «тяжелого» процесса :

необходимость документировать каждое действие разработчиков;

множество рабочих продуктов (в первую очередь - документов), создаваемых в бюрократической атмосфере;

отсутствие гибкости;

детерминированность (долгосрочное детальное планирование и предсказуемость всех видов деятельности, распределение человеческих ресурсов на длительный срок, охватывающий большую часть проекта.

Противоположностью «тяжелого» процесса является «легковесный» процесс – основа быстрой разработки ПО (agilesoftwaredevelopment). Быстрая разработка ориентируется на эффективную коммуникацию между разработчиками, высокую квалификацию разработчиков и другие факторы, позволяющие сократить расходы на «бюрократию». Принципы быстрой разработки:

Диалог «лицом к лицу» – самый эффективный способ обмена информацией.

Избыточная «тяжесть» технологии (дополнительные рабочие продукты, планы, диаграммы, документы) стоит дорого.

Более многочисленные команды требуют более «тяжелых» технологий.

Большая «тяжесть» процесса подходит для проектов с большей критичностью.

Возрастание обратной связи и коммуникации сокращает потребность в промежуточных продуктах.

Дисциплина, умение и понимание противостоят процессу, формальности и документированию.

Потеря эффективности в некритических видах деятельности вполне допустима.

Под критичностью понимаются масштабы последствий отказа разрабатываемого ПО. Уровни критичности:

потеря удобства;

потеря важных данных и/или рабочего времени;

потеря невозместимых средств, дорогостоящего оборудования;

потеря человеческой жизни.

Основные направления развития современной программной инженерии:

Управление требованиями

Управление конфигурацией и изменениями

Управление качеством ПО

Итерационная разработка ПО

Использование компонентной архитектуры (объектно-ориентированный подход)

Визуальное моделирование ПО

Вопрос 143

модели ЖЦ ПО

Понятие жизненного цикла программного обеспечения (ЖЦ ПО) является одним из базовых в программной инженерии. Жизнен­ ный цикл программного обеспечения определяет­ся как период времени, который начинается с момента принятия ре­шения о необходимости создания ПО и заканчивается в момент его полного изъятия из эксплуатации.

Под моделью Ж Ц ПО понимается структура, определя­ющая последовательность выполнения и взаимосвязи процессов, дей­ствий и задач на протяжении ЖЦ. Модель ЖЦ зависит от специфи­ки, масштаба и сложности проекта и специфики условий, в которых система создается и функционирует.

Стандарт ISO/IEC 12207 не предлагает конкретную модель ЖЦ и методы разработки ПО. Его положения являются общими для лю­бых моделей ЖЦ, методов и технологий разработки ПО. Стандарт описывает структуру процессов ЖЦ ПО, но не конкретизирует в деталях, как реализовать или выполнить действия и задачи, вклю­ченные в эти процессы.

Модель ЖЦ любого конкретного ПО ЭИС определяет характер процесса его создания, который представляет собой совокупность упорядоченных во времени, взаимосвязанных и объединенных в стадии работ, выполнение которых необходимо и достаточно для создания ПО, соответствующего заданным требованиям.

К настоящему времени наибольшее распространение получили следующие две основные модели ЖЦ ПО: каскадная модель (1970 -1985 гг.) и спиральная модель (I986 - 1990 гг.).

В однородных ЭИС 70-х и 80-х гг. прикладное ПО представляло собой единое целое. Для разработки такого типа ПО применялся каскадный подход (другое название - водопад (waterfall)) (рис. 1.3). Принципиальной особенностью каскадного подхода является следу­ющее: переход на следующую стадию осуществляется только после того, как будет полностью завершена работа на текущей стадии, и возвратов на пройденные стадии не предусматривается. Каждая ста­дия заканчивается получением некоторых результатов, которые слу­жат в качестве исходных данных для следующей стадии. Требования к разрабатываемому ПО, определенные на стадии формирования требований, строго документируются в виде технического задания и фиксируются на все время разработки проекта. Каждая стадия за­вершается выпуском полного комплекта документации, достаточной для того, чтобы разработка могла быть продолжена другой командой разработчиков. Критерием качества разработки при таком подходе является точность выполнения спецификаций технического задания.

разработки ПО

При этом основное внимание разработчиков сосредоточивается на достижении оптимальных значений технических характеристик раз­рабатываемого ПО: производительности, объема занимаемой памя­ти и др.

Преимущества применения каскадного способа заключа­ются в следующем:

на каждой стадии формируется законченный набор проектной документации, отвечающий критериям полноты и согласованно­сти;

выполняемые в логичной последовательности стадии работ по­зволяют планировать сроки завершения всех работ и соответству­ющие затраты.

Каскадный подход хорошо зарекомендовал себя при построении ЭИС, для которых в самом начале разработки можно достаточно точно и полно сформулировать все требования, с тем чтобы предо­ставить разработчикам свободу реализовать их технически как мож­но лучше. В эту категорию попадают сложные системы с большим количеством задач вычислительного характера, системы реального времени и др.

В то же время этот подход обладает рядом недостатков, вызванных прежде всего тем, что реальный процесс создания ПО никогда полностью не укладывался в такую жесткую схему. Процесс создания ПО носит, как правило, итерационный характер: результа­ты очередной стадии часто вызывают изменения в проектных реше­ниях, выработанных на более ранних стадиях. Таким образом, по­стоянно возникает потребность в возврате к предыдущим стадиям и уточнении или пересмотре ранее принятых решений. В результате реальный процесс создания ПО принимает иной вид (рис. 1.4).

Изображенную на рис. 1.4 схему часто относят к отдельной модели, так называемой модели с промежуточным контролем , в которой межстадийные корректировки обеспечивают большую надежность по сравне­нию с каскадной моделью, хотя и увеличивают весь период разработки.

Основным недостатком каскадного подхода являются суще­ственное запаздывание с получением результатов и, как следствие, достаточно высокий риск создания системы, не удовлетворяющей изменившимся потребностям пользователей. Практика показыва­ет, что на начальной стадии проекта полностью и точно сформу­лировать все требования к будущей системе не удается. Это объяс­няется двумя причинами: 1) пользователи не в состоянии сразу изложить все свои требования и не могут предвидеть, как они изменятся в ходе разработки; 2) за время разработки могут про­изойти изменения во внешней среде, которые повлияют на требо­вания к системе. В рамках каскадного подхода требования к ЭИС фиксируются в виде технического задания на все время ее созда­ния, а согласование получаемых результатов с пользователями производится только в точках, планируемых после завершения каждой стадии (при этом возможна корректировка результатов по замечаниям пользователей, если они не затрагивают требования, изложенные в техническом задании). Таким образом, пользовате­ли могут внести существенные замечания только после того, как работа над системой будет полностью завершена. В случае неточ­ного изложения требований или их изменения в течение длительного периода создания ПО пользователи получают систему, не удовлетворяющую их потребностям. В результате приходится начинать новый проект, который может постигнуть та же участь.

Для преодоления перечисленных проблем в середине 80-х гг. была предложена спиральная модель ЖЦ (рис. 1.5).

Ее принципиальной особенностью является следующее: прикладное ПО создает­ся не сразу, как в случае каскадного подхода, а по частям с использо­ванием метода прототипирования. Под прототипом понимается действующий программный компонент, реализующий отдельные функции и внешние интерфейсы разрабатываемого ПО. Создание прототипов осуществляется в несколько итераций, или витков спи­рали. Каждая итерация соответствует созданию фрагмента или вер­сии ПО, на ней уточняются цели и характеристики проекта, оце­нивается качество полученных результатов и планируются работы следующей итерации. На каждой итерации производится тщатель­ная оценка риска превышения сроков и стоимости проекта, чтобы определить необходимость выполнения еще одной итерации, сте­пень полноты и точности понимания требований к системе, а так­же целесообразность прекращения проекта. Спиральная модель из­бавляет пользователей и разработчиков ПО от необходимости пол­ного и точного формулирования требований к системе на началь­ной стадии, поскольку они уточняются на каждой итерации. Таким образом, углубляются и последовательно конкретизируются детали проекта, и в результате выбирается обоснованный вариант, кото­рый доводится до реализации.

Спиральная модель не исключает использования каскадного подхода на завершающих стадиях проекта в тех случаях, когда тре­бования к системе оказываются полностью определенными.

Основная проблема спирального цикла - определение момента перехода на следующую стадию. Для ее решения необходимо ввести временные ограничения на каждую из стадий жизненного цикла. Пере­ход осуществляется в соответствии с планом, даже если не вся заплани­рованная работа закончена. План составляется на основе статистиче­ских данных, полученных в предыдущих проектах, и личного опыта разработчиков.

Под моделью ЖЦ понимается структура, определяющая последовательностьвыполнения и взаимосвязи процессов, действий и задач, выполняемых на протяжении ЖЦ ПО.

Модель ЖЦ зависит от специфики ПО и специфики условий, в которых оно создается и функционирует.

Стандарт ISO/IEC 12207 не предлагает конкретную модель ЖЦ и методы разработки ПО . Его регламенты являются общими для любых моделей ЖЦ, методологий и технологий разработки. Стандарт ISO/IEC 12207 описывает структуру процессов ЖЦ ПО, но не конкретизирует в деталях, как реализовать или выполнить действия и задачи, включенные в эти процессы.

Модель ЖЦ любого конкретного ПО определяет характер процесса его создания.

Процесс создания ПО представляет собой совокупность упорядоченных во времени, взаимосвязанных и объединенных в этапы работ , выполнение которых необходимо и достаточно для создания ПО, соответствующего заданным требованиям.

Под этапом создания ПО понимается часть процесса создания ПО , огра­ниченная некоторыми временными рамками и заканчивающаяся выпуском конкретного продукта (моделей ПО, программных ком­понентов, документации), определяемого заданными для данной стадии требованиями. Этапы создания ПО выделяются по сообра­жениям рационального планирования и организации работ, закан­чивающихся заданными результатами.

В состав ЖЦ ПО обычно включаются следующие этапы:

1) формирование требований, предъявляемых к ПО;

2) проектирование структуры ПО;

3) реализация;

4) тестирование;

5) ввод в действие;

6) эксплуатация и сопровождение;

7) снятие с эксплуатации.

На каждом этапе могут выполняться несколько процессов, оп­ределенных в стандарте 1SO/IEC 12207, и, наоборот, один и тот же процесс может выполняться на различных этапах.

Существующие модели ЖЦ определяют порядок исполнения этапов в ходе разработки, а также критерии перехода от этапа к этапу.

К настоящему времени наибольшее распространение получили следующие три основные модели ЖЦ .

1) Каскадная модель (1970-1980 гг.) предполагает переход на следующий этап после полного завершения работ предыдущего этапа.

2) Поэтапная модель с промежуточным контролем (1980-1985 гг.) — итерационная модель разработки ПО с циклами обратной связи между этапами.

3) Спиральная модель (1986-1990 гг.) делает упор на начальные этапы ЖЦ (анализ требований, проектирование спецификаций, предварительное и детальное проектирование).

Основные характеристики каскадного способа :

Разбиение всей разработки на этапы;

Переход с одного этапа на следующий происходит только после полного завершения работы на текущем этапе (рис. 4.1);

Возможность планировать сроки завершения всех работ исоответствующие затраты;

Результатами каждого этапа являются технические решения и полный комплект проектной документации, отвечающей критериям полноты и согласованности, достаточной для того, чтобы разработка могла быть продолжена другой командой разработчиков;

Исходными для каждого этапа являются документы и решения, полученные на предыдущем этапе.

Каскадный подход хорошо зарекомендовал себя при разработке несложного ПО, когда каждая программа представляет собой единое целое. При построении такого ПО в самом начале разработки можно достаточно точно и полно сформулировать все требования, с тем, чтобы предоставить разработчикам свободу реализовать их как можно лучше с технической точки зрения.

Рис. 4.1. Каскадная модель разработки программного обеспечения

Однако реальный процесс создания ПО практически никогда полностью не укладывается в такую жесткую схему. Постоянно возникает потребность в возврате к предыдущим этапам и уточнении или пересмотре ранее принятых решений.

Основной недостаток каскадного подхода : требования к ПО "заморожены" в виде технического задания на все время его создания. Пользователи могут внести свои замечания только после того, как работа над ПО будет полностью завершена.

Поэтому реально каскадная модель создания ПО имеет вид, показанный на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Модель с промежуточным контролем

В модели с промежуточным контролем (разновидности каскадной модели) меж-этапные корректировки обеспечивают большие гибкость и надежность по сравнению с каскадной моделью, хотя и увеличивают весь период создания.

Для преодоления перечисленных проблем была предложена спиральная модель ЖЦ (рис. 4.3), делающая упор на начальные этапы ЖЦ: анализ требований, определение спецификаций и проектирование (предварительное и детальное) .

Рис. 4.3. Спиральная модель жизненного цикла

На этих этапах реализуемость технических решений проверяется путем создания прототипов приложений , которые демонстрируются заказчику, обсуждаются.

Под прототипом обычно понимают набор программ, моделирующих (изображающих, эмулирующих) работу готовой системы. Цель прототипирования — более ясно представить себе будущую систему, предугадать ее недостатки на этапе проектирования, внести необходимые коррективы в техническое задание и технический проект, если он уже готов. Прототип системы удобно демонстрировать сотрудникам предприятия-заказчика, чтобы они могли понять, насколько удобно им будет пользоваться системой, какие функции следует добавить или исключить.

Каждый виток спирали соответствует созданию фрагмента или версии ПО , на нем уточняются цели и характеристики проекта, определяется его качество и планируются работы следующего витка спирали. Таким образом, углубляются и последовательно конкретизируются детали проекта.

Разработка итерациями отражает объективно существующий спиральный цикл создания ПО. Неполное завершение работ на каждом этапе позволяет переходить на следующий этап, не дожидаясь полного завершения работы на текущем этапе. При итеративном способе разработки недостающую работу можно будет выполнить на следующей итерации.

Главная задача — как можно быстрее показать пользователям работоспособный продукт, тем самым, активизируя процесс уточнения и дополнения требований, исправления ошибок, обусловленных неопределенностью или некорректностью технических заданий и спецификаций требований.

Спиральная модель не исключает использования каскадного подхода на завершающих стадиях проекта в тех случаях, когда тре­бования к системе оказываются полностью определенными.

Основная проблема спирального цикла — определение момента перехода на следующий этап. Для ее решения необходимо ввести временные ограничения на каждый из этапов ЖЦ. Переход осуществляется в соответствии с планом, даже если не вся запланированная работа закончена. План составляется на основе статистических данных, полученных в предыдущих проектах, и личного опыта разработчиков.

Другими недостатками спиральной модели являются:

Трудоемкость внесения изменений;

Большой объем документации по проекту, затрудняющий программирование;

Сложность переноса на другие платформы.

Поэтому, при всех достоинствах спиральной модели все же рекомендуется по возможности "обеспечивать поступательный ход процесса разработки ПО, без возвратов для уточнения или переделки компонентов или даже всего комплекса программ" — В.В. Липаев .

Главная особенность индустрии ПО состоит в концентрации сложности на начальных этапах ЖЦ — анализе, определении спецификаций и проектировании, при относительно невысокой сложности и трудоемкости последующих этапов. Более того, нерешенные вопросы и ошибки, допущенные на начальных этапах, порождают на последующих этапах трудные, часто неразрешимые проблемы и, в конечном счете, приводят к неуспеху всего проекта.