Разработка любой программы, от несложной учебной задачи до профессионального приложения, может быть разбита на ряд этапов. Кратко опишем и охарактеризуем их.
1. Определение входных и выходных данных, требований к программе.
На первом этапе определяются входные и выходные данные программы, способ ее взаимодействия (интерфейса ) с пользователем, язык и среда программирования, в которой она будет разрабатываться, а также требования к аппаратному и системному программному обеспечению компьютеров, на которых будет работать приложение.
2. Разработка алгоритма.
На этом шаге производится определение последовательности действий, ведущих к решению задачи и запись их в одной из указанных в п. 1.3 форм.
3. Кодирование (программирование).
Третий этап -- это перевод алгоритма на язык программирования и создание исходного текста программы в одной из систем программирования. Программа на любом языке состоит из операторов -- так называются отдельные действия, разрешенные в языке. Число операторов в любом языке ограничено и правила их написания жестко заданы.
4. Компиляция и отладка.
Исходный текст на Паскале не будет непосредственно исполняться компьютером -- для работы программы ее требуется откомпилировать , т. е., перевести в машинный код. Эту работу выполняет специальная программа-компилятор или оболочка языка. Оболочка Паскаля, с помощью которой мы будем разрабатывать свои программы, называется Turbo Pascal 7.1, она разработана компанией Borland International в 1983-97 гг. В результате преобразования компилятором исходного текста программы в машинный код получается исполняемый файл с расширением exe, который можно запустить (выполнить ) в той операционной системе (ОС), для которой разработан компилятор. Наша оболочка Паскаля создавалась для ОС MS-DOS, однако, в современных ОС семейства Windows программа, написанная на Паскале, работать все же будет, правда, без удобных интерфейсных возможностей Windows.
Итак, компиляция -- это процесс преобразования программы в машинный код. Программа, которую удалось откомпилировать, не обязательно работает правильно. Она может содержать ошибки, для выявления которых предназначен этап отладки -- поиска ошибок в программе. Как правило, компиляция и отладка выполняются программистом в тесной взаимосвязи.
Возможны программные ошибки трех видов:
· синтаксические (ошибки в правилах языка);
· алгоритмические (ошибки в логике программы);
· ошибки времени исполнения , возникающие в процессе работы запущенной программы.
Компилятор способен найти только синтаксические ошибки, для выявления же алгоритмических ошибок служит этап тестирования программы. Ошибки времени исполнения возникают как результат некорректных действий пользователя, недопустимых операций над данными (например, попытки извлечь квадратный корень из отрицательного числа, поделить на ноль) или ошибок программного и аппаратного обеспечения ЭВМ. Об их обработке будет рассказано в гл. 8.
5. Тестирование.
Тестированием называют проверку правильности работы программы на наборах "пробных" (тестовых ) данных с заранее известным результатом. Конечно же, тестирование всей программы сразу возможно лишь для несложных учебных задач. Реальные программы, как правило, тестируются "по частям" -- отдельными функциями и модулями.
6. Документирование и поддержка.
Этот этап включает в себя создание справочной системы и документации к программе, возможно, расширение ее функциональности, выпуск новых версий, исправление ошибок, которые практически неизбежны в любой сложной программной системе. В наших учебных задачах этап поддержки будет отсутствовать.
Как осуществляется программирование, какие процессы происходят при этом?
Решение любой сложной задачи состоит из четырех этапов :
1) Осознание и формулирование задачи, когда решающий задачу определяет, что дано и какова цель (что требуется получить в итоге);
2) Разработка плана, в котором раскрывается стратегия решения (стратегия достижения цели);
3) Выполнение (реализация) плана. При этом любой сложный план преобразуется в определенную последовательность достаточно простых (по сравнению с исходной задачей) действий;
4) Проверка правильности решения;
5) Документирование;
6) Сдача решения потребителю.
Эти этапы применительно к программированию называют соответственно так:
1) определение требований к ПО и целей проектирования ПО (постановка задачи, ее формализация и разработка ТЗ);
2) проектирование ПО (разработка метода решения, структуры программы и алгоритмов);
3) кодирование (написанием собственно программы на выбранном языке программирования) и отладка программы;
4) тестирование программы, в том числе и на стороне Заказчика (по ПМИ);
5) выпуск документации (руководство программиста, руководство системного программиста и т.п.);
6) выпуск программного продукта для передачи потребителю (Заказчику).
По ГОСТ 19.102-77 «Стадии разработки» определены следующие этапы разработки ПО:
1) разработка ТЗ (ему соответствует названный выше этап «Постановка задачи и ее формализация»)
2) разработка ЭП (им соответствует названный выше этап «разработка метода решения,
3) разработка ТП структуры программы и алгоритмов»)
4) разработка РП (он включает названные выше этапы «Кодирование и отладка», «Тестирование» и «Документирование».
5) внедрение (ему соответствует названный выше этап «Выпуск программного продукта для передачи потребителю (Заказчику)»).
Более подробно о некоторых этапах (или подэтапах) разработки ПО.
Постановка задачи
Выполняется на языке предметной области, т.е. с использованием используемой в предметной области технической терминологии (антенна, телевизор, резистор...). На этом этапе:
Указываются (выбираются из предметной области) исходные объекты (объекты предметной области, относительно которых поставлена задача), их типы (структура, организация) а так же отношения между ними (исходными объектами);
Формулируется цель (разработки), состоящая или в получении нового объекта, или в обработке характеристик исходных объектов (с целью нахождения какой-то статистики, например);
Выбираются, согласовываются и фиксируются ограничения (на исходные данные и метод решения).
После исходной (первоначальной) постановки задачи выполняется формальная или математическая постановка задачи . Слово математическая понимается в том смысле, что мы переопределяем поставленную задачу в терминах моделей объектов (абстракций) и отношений между ними (обычно в виде математических формул). Этот этап часто называется формализацией.
В процессе формализации проводится углубленный анализ задачи и переход от нечеткого словесного описания задачи к описанию в знаковой форме с использованием какого-либо искусственного языка с фиксированными значениями (изображениями) каждого термина. Формализация обеспечивает однозначную постановку задачи. В качестве формализмов часто используются:
Теория графов;
Теория вероятностей;
Теория массового обслуживания;
Теория множеств
При формализации используется аппарат абстрагирования . Абстрагирование – это метод научного познания, заключающийся в переходе от реальных объектов к их абстракциям. При этом происходит мысленное отвлечение от тех свойств реальных объектов и связей между ними, которые в данной постановке задачи (с точки зрения решаемой задачи) представляются несущественными . В результате абстрагирования получается модель (абстакция), т.е. некий искусственный объект, сохраняющий (при определенных допущениях) (в рамках сделанной постановки) основные свойство объекта-оригинала (напомнить про Вольтметр и Секундомер для измерения высоты). Далее задача решается уже в математической простановке.
Хорошая математическая постановка задачи часто позволяет сразу увидеть способ решения .
Поиск метода решения задачи (на этапе проектирования)
Очевидно, что невозможно точно и в нужном порядке описать действия по решению задачи (т.е. алгоритм решения) не зная метода ее решения. Поэтому разработка алгоритма всегда связана с необходимостью вначале отыскать такой метод. Под методом решения задачи понимается указание последовательности, в которой необходимо решить некоторые известные задачи , чтобы получить требуемый результат. Известные задачи – это :
Те, которые уже ранее встречались, и решение их уже известно;
Те, для которых известна постановка, и решение их не представляет (для программиста) труда.
Таким образом, метод решения определяет замену исходной задачи на некоторую эквивалентную ей последовательность известных задач.
Откуда эти известные задачи появляются в поле зрения разработчика, зависит от выбранного им подхода к разработке программ (алгоритмов) - восходящий или нисходящий .
Замечание : Кроме названных двух подходов к разработке алгоритмов (программ) обычно выделяют следующие методологии (парадигмы ) программирования:
Процедурная (включает восходящий и нисходящий подходы) - только здесь в обязательном порядке требуется разработка алгоритмов;
Объектно-ориентированная (по сути тоже восходящий подход, но не процедурный);
Логическая (логико-ориентированная);
Функциональная.
Мы об этих парадигмах поговорим чуть позже.
Кодирование проходит обычно следующие шаги:
1).Перевод алгоритма на один из языков программирования , в результате чего получается (вначале на бумаге) рукописный (исходный) текст программы.
2).Подготовка программы для ПЭВМ , т.е. перенос рукописного текста программы с бумаги на машинный носитель информации. Для этого используется текстовый редактор.
3).Компиляция текста программы в машинный код с помощью программы, называемой компилятором.
| ЭВМ |
Машинный код
(понятен ЭВМ)
Замечание : фраза, что программа – это алгоритм, составленный на языке, понятном ЭВМ , означает, что при наличии посредника-компилятора текст, написанный на ЯВУ, уже считается понятным ЭВМ. Этот посредник-компилятор занимается переводом текста программы с ЯВУ на машинный язык.
Замечание : Кроме компиляторов есть еще интерпретаторы. Они разбирают каждую инструкцию текста программы и немедленно ее исполняют (инструкцию за инструкцией). При этом файл на машинном языке не создается. Работают интерпретаторы гораздо медленнее, чем компиляторы. Зато с их помощью проще отлаживать программы (искать в них ошибки)
Успешное завершение компиляции (перевода) возможно при полной синтаксической правильности программы. Поэтому на данном этапе может потребоваться несколько попыток компиляции с целью устранения всех синтаксических ошибок из текста программы.
Результатом компиляции обычно является программа в машинных кодах, называемая объектным модулем (*.obj) . Однако она не может быть непосредственно выполнена , т.к. не содержит код так называемых стандартных подпрограмм (они выполняют действия по, например, вводу и выводу). Кроме того, компилятором часто допускается компиляция программы по частям, т.е. результатом компиляции может оказаться машинный код лишь части программы. Поэтому после компиляции надо выполнить компоновку.
4).Компоновка (линковка) программы : т.е. объединение отдельных частей программы, добавление стандартных подпрограмм и установление необходимых связей между частями программы. Эти действия выполняются программой, называемой линкером (компоновщиком).
На этапе компиляции все обращения (адреса обращений) из программы к чужим (внешним, не реализованным в данной программе) функциям заменяются нуль-кодами, т.к. реальные адреса загрузки функций в память в момент компиляции неизвестны. На этапе компоновки эти места корректируют с учетом реального размещения программы и функций в разных частях программы. Эта работа выполняется компоновщиком (линковщиком). В результате получается исполняемая программа (загрузочный модуль), т.е *.exe.
Замечание: компилятор Турбо-Паскаля (и Free Pascal) производит компиляцию сразу в исполняемый код (отдельный этап линковки не требуется).
Все адресные ссылки в загрузочном модуле - относительны (относительно начала загрузочного модуля). Перед передачей программе управления надо настроить все адресные ссылки на начальный адрес размещения программы в оперативной памяти. Эту функцию выполняет Загрузчик .
Отладка и Тестирование: После получения готового к выполнению кода программы начинается этап ее отладки и тестирования - поиск ошибок в программе (debugging), например, ошибок при работе с данными, логических ошибок и т.п.
Правильность выполнения программы здесь проверяют при использовании специально подготовленных исходных данных (тестовых данных), для каждого из которых определяется: а) цель теста (что нужно найти) б) исходные данные (что нужно задать) в) ожидаемые результаты при заданных исходных данных. В случае ошибочных результатов при прохождении какого-то конкретного теста можно определить ошибку в конкретной функции программы или в конкретной ветви программы.
Различают методы тестирования : а) белого ящика (структурное тестирование) и б) черного ящика (функциональное тестирование - может начинаться сразу после получения ТЗ).
Различают виды тестирования : а) альфа-тестирование (проводит сам программист) б) бета-тестирование (проводится у Заказчика или потенциального Потребителя).
По завершении (успешном) тестирования программа готова к передаче ее заказчику.
Замечание:
Все перечисленные выше программы (редактор, компилятор, линковщик, отладчи и т.д.) могут быть запущены и использованы по отдельности (в описанном порядке), но в Турбо-Паскале они объединяются в так называемую интегрированную среду разработки (IDE), позволяющею создавать, отлаживать и запускать программы не выходя из среды с помощью системы меню .
4. Средства записи и классификация алгоритмов .
Разработка любой программы, будь то небольшая процедура по обработке поступающей на консоль информации или комплексный программный продукт, состоит из нескольких этапов, грамотная реализация которых является обязательным условием для получения хорошего результата. Четкое следование выверенным временем этапам разработки программного обеспечения становится основополагающим критерием для занимающихся созданием ПО компаний и их заказчиков, заинтересованных в получении превосходно выполняющей свои функции программы. Подробно рассмотрим каждую стадию общепризнанной методологии разработки ПО, чтобы оценить их высокую значимость для достижения поставленной перед исполнителями цели.
Анализ требований
Самым первым этапом разработки программного обеспечения по праву называется процедура проведения всестороннего анализа выдвинутых заказчиком требований к создаваемому ПО, чтобы определить ключевые цели и задачи конечного продукта. В рамках этой стадии происходит максимально эффективное взаимодействие нуждающегося в программном решении клиента и сотрудников компании-разработчика, в ходе обсуждения деталей проекта помогающих более четко сформулировать предъявляемые к ПО требования. Результатом проведенного анализа становится формирование основного регламента, на который будет опираться исполнитель в своей работе — технического задания на разработку программного обеспечения. ТЗ должно полностью описывать поставленные перед разработчиком задачи и охарактеризовать конечную цель проекта в понимании заказчика.
Проектирование
Следующий ключевой этап — стадия проектирования, то есть моделирования теоретической основы будущего продукта. Самые современные средства программирования позволяют частично объединить этапы проектирования и кодирования, то есть технической реализации проекта, будучи основанными на объектно-ориентированном подходе, но полноценное планирование требует более тщательного и скрупулезного моделирования. Качественный анализ перспектив и возможностей создаваемого продукта станет основой для его полноценного функционирования и выполнения всего комплекса возлагаемых на ПО задач. Одной из составных частей этапа проектирования, к примеру, является выбор инструментальных средств и операционной системы, которых сегодня на рынке присутствует очень большое количество.
В рамках данного этапа стороны должны осуществить:
Кодирование
Следующим шагом становится непосредственная работа с кодом, опираясь на выбранный в процессе подготовки язык программирования. Описывать особенности и тонкости самого трудоемкого и сложного этапа вряд ли стоит, достаточно указать, что успех реализации любого проекта напрямую зависит от качества предварительного анализа и оценки конкурирующих решений, с которыми создаваемой программе предстоит «бороться» за право называться лучшей в своей нише. Если речь идет о написании кода для выполнения узкоспециализированных задач в рамках конкретного предприятия, то от грамотного подхода к этапу кодирования зависит эффективность работы компании, заказавшей разработку. Кодирование может происходить параллельно со следующим этапом разработки — тестированием программного обеспечения, что помогает вносить изменения непосредственно по ходу написания кода. Уровень и эффективность взаимодействия всех элементов, задействованных для выполнения сформулированных задач компанией-разработчиком, на текущем этапе является самым важным — от слаженности действий программистов, тестировщиков и проектировщиков зависит качество реализации проекта.
Тестирование и отладка
После достижения задуманного программистами в написанном коде следуют не менее важные этапы разработки программного обеспечения, зачастую объединяемые в одну фазу — тестирование продукта и последующая отладка, позволяющая ликвидировать огрехи программирования и добиться конечной цели — полнофункциональной работы разработанной программы. Процесс тестирования позволяет смоделировать ситуации, при которых программный продукт перестает функционировать. Отдел отладки затем локализует и исправляет обнаруженные ошибки кода, «вылизывая» его до практически идеального состояния. Эти два этапа занимают не меньше 30% затрачиваемого на весь проект времени, так как от их качественного исполнения зависит судьба созданного силами программистов программного обеспечения. Нередко функции тестировщика и отладчика исполняет один отдел, однако самым оптимальным будет распределить эти обязанности между разными исполнителями, что позволит увеличить эффективность поиска имеющихся в программном коде ошибок.
Внедрение
Процедура внедрения программного обеспечения в эксплуатацию является завершающей стадией разработки и нередко происходит совместно с отладкой системы. Как правило, ввод в эксплуатацию ПО осуществляется в три этапа:
Ключевой целью поэтапного внедрения разработанной программы становится постепенное выявление не обнаруженных ранее ошибок и недочетов кода. В рамках этого этапа разработки программного обеспечения и заказчик, и исполнитель могут столкнуться с рядом достаточно узкого спектра ошибок, связанных с частичной рассогласованностью данных при их загрузке в БД, а также срывов выполнения программных процедур в связи с применением многопользовательского доступа. Именно на этой стадии выкристаллизовывается окончательная картина взаимодействия пользователя с программой, а также определяется степень лояльности последнего к разработанному интерфейсу. Если выход системы на проектную мощность после ряда проведенных доработок и улучшений произошел без особых осложнений, значит предварительная работа над проектом и реализация предыдущих стадий разработки осуществлялась правильно.
Заключение
Создание даже небольшого и технически простого ПО зависит от четкого выполнения каждой фазы, то есть деятельности всех отделов, задействованных в процессе разработки. Четкий план выполнения необходимых мероприятий с указанием конечных целей становится неотъемлемой частью работы разработчиков, планирующих оставаться широко востребованными на рынке труда специалистами. Только правильно составленное техническое задание позволит добиться нужного результата и осуществить разработку по-настоящему качественного и конкурентного ПО для любой платформы — серверной, стационарной или мобильной.
Неотъемлемой частью завершающего этапа разработки программного обеспечения также является последующая техническая поддержка созданного продукта в процессе его эксплуатации на предприятии заказчика. Грамотно организованная служба техподдержки зачастую становится ключевым фактором при выборе исполнителя в рамках достижения поставленной цели.
Моделирование – исследование каких либо явлений или систем путем построения и изучения их моделей.
Формализация – представление и изучение каких либо содержательных областей знания в виде формальной системы.
Рассмотрим, из чего складывается процесс разработки задачи на компьютере, какие необходимо пройти этапы, чтобы достичь конечной цели – решить задачу.
Первый этап - постановка задачи. На этом этапе участвует разработчик, который хорошо представляет предметную область задачи. Он должен четко определить цель задачи, выбрать необходимый объем исходной информации, привести описание каждого исходного данного и указать место его хранения, дать словесное описание содержания задачи и предложить общий подход к её решению.
Второй этап - математическое описание задачи. Этот этап выполняет разработчик, способный разработать математическое описание задачи. Цель этого этапа – создать математическую модель решаемой задачи, которая может быть реализована в компьютере.
Третий этап - алгоритмизация задачи. На основе математического описания необходимо разработать алгоритм решения. Чаще всего алгоритм изображается в виде блок-схемы с четко определенной последовательностью действий. Алгоритм должен быть понятным любому пользователю и пригодным для решения задач, с схожих с поставленной. На этом этапе алгоритмист использует принципы структурного программирования – идет по пути нисходящего проектирования, т.е. разрабатывает алгоритм на модульной основе.
Четвертый этап - программирование задачи. Этот этап выполняет разработчик, умеющий программировать. Программа – это представление алгоритма с помощью специальных символов, воспринимаемых компьютером. Составление программы обеспечивает возможность физической реализации алгоритма и соответственно поставленной задачи.
При составлении программы возможно уточнение алгоритма – введение новых блоков, замена одних блоков на другие и т.д.
Пятый этап - разработка тестовой задачи (теста). Для того, чтобы убедиться в правильности составленной программы, необходимо разработать тестовую задачу, которая позволит осуществить проверку всех ветвей алгоритма. Тест или контрольный пример – это по сути дела совокупность таких исходных данных, на основании которых заранее определяется значения выходных данных. Тестовую задачу разрабатывает программист
Шестой этап - перенос программы на машинный носитель. При работе на ПК программа и исходные данные вводятся с клавиатуры.
Седьмой этап - отладка программы. Программа и исходные данные тестовой задачи вводятся в оперативную память компьютера. Результаты решения сравниваются с полученными на пятом этапе расчетными значениями. По результатам сравнения делается заключение: программа работает правильно, если результаты совпадают. В противном случае в программе есть ошибки.
Восьмой этап - получение и анализ результатов. После устранения всех ошибок, выявленных тестовой задачей, можно перейти к получению результатов решения поставленной задачи. Подготавливаются исходные данные этой задачи и вводятся в компьютер. Полученные в результате решения выходные данные анализируются постановщиком задачи. На основании этого анализа вырабатываются решения, рекомендации, выводы. Оформляется техническая документация на разработанную программу.
Выражение "написать программу" отражает только один из этапов созданиякомпьютерной программы, когда разработчик программы (программист)действительно пишет команды (инструкции) на бумаге или при помощитекстового редактора.Программирование - это процесс создания (разработки) программы, который может быть представлен последовательностью следующих шагов:
1. Спецификация (определение, формулирование требований к программе).
2. Разработка алгоритма.
3. Кодирование (запись алгоритма на языке программирования).
4. Отладка.
5. Тестирование.
6. Создание справочной системы.
7. Создание установочного диска (CD-ROM).
Спецификация - Спецификация, определение требований к программе - один из важнейших этапов, на котором подробно описывается исходная информация, формулируются требования к результату, повеление программыв особых случаях (например, при вводе неверных данных), разрабатываются диалоговые окна, обеспечивающие взаимодействие пользователяи программы.
Разработка алгоритма - На этапе разработки алгоритма необходимо определить последовательностьдействий, которые надо выполнить для получения результата. Если задачаможет быть решена несколькими способами и, следовательно, возможныразличные варианты алгоритма решения, то программист, используя некоторый критерий, например, скорость решения алгоритма, выбирает наиболее подходящее решение. Результатом этапа разработки алгоритма являетсяподробное словесное описание алгоритма или его блок-схема,
Кодирование- После того как определены требования к программе и составлен алгоритмрешения, алгоритм записывается на выбранном языке программирования.В результате получается исходная программа.
Отладка - это процесс поиска и устранения ошибок. Ошибки в программеразделяют на две группы: синтаксические (ошибки в тексте) и алгоритмические. Синтаксические ошибки - наиболее легко устраняемые. Алгоритмические ошибки обнаружить труднее. Этап отладки можно считать законченным, если программа правильно работает на одном-двух наборах входныхданных.
Тестирование - Этап тестирования особенно важен, если вы предполагаете, что вашей программой будут пользоваться другие. На этом этапе следует проверить, какведет себя программа на как можно большем количестве входных наборовданных, в том числе и на заведомо неверных.
Создание справочной системы - Если разработчик предполагает, что программой будут пользоваться другие, то он обязательно должен создать справочную систему и обеспечить пользователю удобный доступ к справочной информации во время работы с программой. В современных программах справочная информация представляется в форме СНМ-или HLP-файлов. Помимо справочной информации,доступ к которой осуществляется из программы во время ее работы, в состав справочной системы включают инструкцию по установке (инсталляции) программы, которую оформляют в виде Readme-файла в одном из
форматов: TXT, DOC или НТМ.
Создание установочного диска - Установочный диск или CD-ROM создаются для того, чтобы пользователь мог самостоятельно, без помощи разработчика, установить программу на свой компьютер. Обычно помимо самой программы на установочном диске находятся файлы справочной информации и инструкция поустановке программы (Readme-файл). Следует понимать, что современные программы, в том числе разработанные в Delphi, в большинстве случаев (за исключением самых простых программ) не могут быть установлены на компьютер пользователя путем простого копирования, так какдля своей работы требуют специальных библиотек и компонентов, которых может и не быть у конкретного пользователя. Поэтому установкупрограммы на компьютер пользователя должна выполнять специальнаяпрограмма, которая помещается на установочный диск. Как правило, установочная программа создает отдельную папку для устанавливаемойпрограммы, копирует в нее необходимые файлы и, если надо, выполняетнастройку операционной системы путем внесения дополнений и изменений в реестр.
