Лекция: Критерии качества программного обеспечения

Программное обеспечение как товар. Создание программного обеспечения для персональных компьютеров за какой-то десяток лет превратилось из занятия программистов-одиночек в важную и мощную сферу промышленности. Только в США более 50 фирм – производителей программного обеспечения имеют объемы продаж более 10 млн. дол., а у десяти из них (в частности, Microsoft, Lotus, Novell, Borland, Autodesk, Symantec и Computer Associates) объемы продаж превышают 100 млн. дол. Поэтому развитие программного обеспечения, предназначенного для широкого круга пользователей, происходит уже не в состязании индивидуальных программистов, а в процессе ожесточенной конкурентной борьбы между фирмами-производителями программного обеспечения. Доля некоммерческого программного обеспечения постоянно снижается и все более ограничивается программами, создаваемыми в процессе научных исследований или для собственного удовольствия. Важнейшие свойства программ. При разработке коммерческих программ основной задачей фирм-разработчиков является, естественно, обеспечение их успеха на рынке. Для этого необходимо, чтобы программы обладали следующими качествами: функциональность программы, т.е. полнота удовлетворения ею потребностей пользователя; наглядный, удобный, интуитивно понятный и привычный пользователю интерфейс (т.е. способ взаимодействия программы с пользователем); простота освоения программы даже начинающими пользователями, для чего используются информативные подсказки, встроенные справочники и подробная документация; надежность программы, т.е. устойчивость ее к ошибкам пользователя, отказам оборудования и т.д., и разумные ее действия в этих ситуациях. Стандартизация. Во многих областях совместная работа различных производителей программного обеспечения приводит к стандартизации отдельных элементов интерфейса программ, форматов данных и т.д., что весьма удобно для пользователей. Это происходит прежде всего потому, что разработчики программ перенимают друг у друга удачные находки и приемы и стремятся обеспечить совместимость с другими наиболее популярными программами. В результате использования ниспадающих (pull-down) меню или вид таблицы табличного процессора будут приблизительно одинаковыми во всех программах, хотя они созданы различными разработчиками, подобно тому, как похожи кнопки в лифтах, изготовленных разными заводами. Удобство пользовательского интерфейса программ является важнейшим фактором, определяющим приемлемость программы для пользователей, а значит, и ее успеха на рынке. Большинство выпускаемых на рынок программ используют достаточно стандартные методы организации интерфейса: ниспадающее меню, панели для выбора ответа, встроенные диалоговые справочники и т.д. Как правило, пользователь может работать не только с клавиатурой, но и с мышью. В последнее время все большее количество программ используют графический пользовательский интерфейс (graphical user interface, GUI), в котором, в частности, для упрощения работы пользователя вместо надписей на экране употребляются рисунки (пиктограммы). При этом графический интерфейс используется не только в таких программах, как графические редакторы или издательские системы, но и в табличных процессорах, текстовых редакторах и т.д. Многие из программ с графическим интерфейсом работают под управлением системы Windows. Увеличение мощности программ. Важнейшей тенденцией развития программного обеспечения является неуклонное увеличение их мощности – программы могут обрабатывать большие количества данных, делать это быстрее, предоставляют пользователю больше выполняемых функций и т.д. Таким образом, разработчики программного обеспечения используют возможности, появляющиеся из-за увеличения мощности компьютеров. Весьма заметно и стремление к интеграции функций программного обеспечения. Например, в табличный процессор включаются функции базы данных, в издательскую систему – функции текстового редактора и т.д. Оборотной стороной увеличения мощности программ является повышение их требований к аппаратуре. Коммерческие разновидности программ. В настоящее время большинство программ распространяется на коммерческой основе. Для приобретения таких программ необходимо вначале заплатить за них определенную сумму денег. Такие программы называются коммерческими. Существуют и такие программы, которые распространяются бесплатно. Чаще всего эти программы написаны каким-нибудь опытным программистом для себя, затем переданы для общего пользования. Такие программы называются бесплатными (freeware). Иногда разработчики программы указывают, что их программа является бесплатной для индивидуальных пользователей, но для использования в организациях должна покупаться соответствующая лицензия. Промежуточное положение между бесплатными и коммерческими программами занимают условно-бесплатные программы (shareware). Эти программы можно получить и опробовать бесплатно, но для систематического их использования необходимо уплатить разработчикам или распространителям программы определенную сумму. Качество произведенного программного продукта, как и для всякого производства, является важным технологическим понятием: достижение приемлемого качества должно планироваться, а в процессе технологического цикла разработки качество должно быть предметом инспекций и контроля. Классически исходное представление о качестве связано с тем, что разработанный продукт подтверждает свою спецификацию, при этом спецификация должна быть ориентирована на характеристики, которые желает получить клиент [1 P. Crosby. Quality is Free/McGraw-Hill, N.Y., 1979.]. В работе [2 P. Nesi. Objective Quality, 1995//Objective Software Quality, LNCS № 926, Springer, 1995, p. 1-9.] отмечается, что иная, не менее, широкая трактовка понятия качества может быть выражена утверждением «пригодность для цели». Так или иначе, понятие качества программного обеспечения – это прежде всего внешняя оценка. Степень качества связана с удовлетворением потребностей пользователя. Современные технологические стандарты и учебники по технологии программирования уточняют понятие качества, вводя совокупность аспектов, в свете которых и должно рассматриваться качество. В работе [3 I. Sommerville. Software Engineering/Addison-Wesley Pub. Co., 1996], например, в роли таких аспектов выступают: безопасность, защищенность, надежность, устойчивость, понимаемость, тестируемость, адаптируемость, модульность, сложность, переносимость, доступность пользователю, повторная используемость, эффективность, изучаемость и сопровождаемость. Этот список достаточно полон и, по-видимому, включает все интересные для рассмотрения аспекты качества. Похожий перечень приводится и в монографии российского автора [4 В. Липаев. Качество программного обеспечения//Финансы и статистика, М., 1983.], однако с учетом того, что за десяток лет, разделяющий эти работы, понятие качества программного обеспечения претерпело определенную эволюцию. С другой стороны, все или по крайней мере большинство из перечисленных аспектов качества определенным образом связано с некоторыми свойствами компонентов программной системы, а также со свойствами структуры программного обеспечения как системы компонентов. Негласно существует программистский «гамбургский счет» оценки качества программной реализации. Кстати, знакомство с исходными текстами ряда весьма уважаемых и широко используемых программных продуктов показывает, что по этому «гамбургскому счету» они выглядят не очень хорошо. Действительно, разумная организация потока управления и информационных потоков в реализованной программе заведомо улучшает такие аспекты, как устойчивость, понимаемость, тестируемость, адаптируемость, переносимость, повторная используемость, сопровождаемость, да, возможно, и другие. Для оценки внутренних достоинств реализации программы с технической стороны в работе [5 И. Поттосин. «Хорошая программа»: попытка точного определения понятия//Программирование.-1997. — № 2. — С.3-17.] было предложено понятие добротности программы (в английском переводе [6 .V. Pottosin. A «Good Program»: An Attempt at an Exact Definition of the Term.//Programming and Computer Software. — v. 23, № 2. — 1997. — p.59-69] приведен соответствующий англоязычный термин «soundness»). В термин «добротность» вкладывается такой аспект хорошей программы, который заключается в том, что программа разумно, рационально реализована, с достаточно продуманной организацией потоков управления и информационных потоков, не слишком переусложнена. Выбором этого термина подчеркивается чисто техническая сторона оценки – важна отнюдь не красота или изящество программы, которые, как правило, являются следствием оригинальной и интеллектуально сильной идеи, реализованной в программе, а именно качество собственно реализации, ее профессионализм, продуманность, что и соответствует русскому слову «добротность». При такой оценке «за бортом» остаются многие аспекты качества ПО, прежде всего касающиеся функционального соответствия программного продукта запросам клиента. Однако вместе с тем, как уже и отмечалось, хорошая оценка этой внутренней характеристики программ, составляющих программный продукт, дает определенную уверенность, что другие важные характеристики качества программного обеспечения тоже будут выглядеть неплохо. Достоинством такого технического подхода к оценке качества программ является возможность предложить достаточно точные методы или дисциплины оценки добротности программ при инспекции и контроле качества ПО на этапе кодирования, иначе говоря – на этапе создания собственно программного текста. Недостаток этого подхода в том, что чаще всего можно говорить о добротности компонентов, но не о добротности всей программной системы в целом. Само понятие добротности нуждается в уточнении, что и будет сделано при описании критериев добротности. Критерии добротности программ. Определив добротность программ как разумную, рациональную, непереусложненную организацию информационных потоков управления в программе и разумное построение вычислений, мы не избавились от множественности критериев оценки этой добротности. Содержание понятия добротности допускает разные классы оценок. Пытаясь оценить различные критерии добротности программ, можно свести их к следующим классам. Количественные критерии. Количественные критерии добротности программ, как правило, в отличие от всех последующих классов критериев, относительны – они не отвечают на вопрос о том, добротна ли данная программа, а позволяют сравнивать близкие программы и на основании сравнения определять, какая программа добротнее. Примерами таких оценок, составляющих основу количественных критериев, являются: мера «совершенства» Холстеда, оценка сложности управляющего графа программы, выражаемая цикломатическим числом; различные оценки сложности программных систем и компонентов в них и т.п. Достоинство количественных критериев в том, что с их помощью можно оценивать добротность как компонентов, так и самих систем. При модификации программы или системы можно оценивать, не изменилась ли заметно их сложность, не нарушена ли добротность. Итак, с точки зрения количественных критериев добротная программа – это не переусложненная программа, а программа приемлемой степени сложности. Генетические критерии. Известен следующий практический подход к оценке качества программ: программа признается хорошей, если она произведена по технологии, вызывающей доверие. Класс критериев, основанный на таком подходе – оценке добротности программ, так сказать, «по происхождению», мы назвали (может быть, не очень удачно) генетическим. Действительно, всякая «хорошая» технология программирования предполагает хорошо продуманную дисциплину разработки, надежно переходящую от спецификации продукта к его реализации. Поскольку при такой дисциплине гарантируется – в достаточной степени – соответствие реализованной программы ее спецификации, то, привлекая широкое понятие качества ПО, качество продукта должно быть довольно высоким – лишь бы спецификация была полной и адекватной нуждам пользователя. Для добротности интересно то, что продуманная дисциплина перехода от спецификации к программному тексту должна давать хорошую его организованность, разумную реализацию в нем потоков управления и информационных потоков. Итак, с точки зрения генетических критериев можно быть уверенным в добротности программы или системы, если они произведены по технологии, признаваемой хорошей. Структурные критерии. Разумная организация потока управления предполагает его ясное синтаксическое отображение в программном тексте. Подход к такому отображению сформулирован давно и выражается понятием структурированной программы. В такой программе управление представлено в виде иерархии регулярных управляющих структур, каждая из которых имеет один вход и один выход. Помимо такого простого требования, исключающего хаотичное переплетение потоков управления («спагетти»), для добротной программы с регулярностью управления важно иметь хорошо продуманную процедурную основу (или, для объектно-ориентированного случая – систему классов). Все подобные требования к добротности программ мы относим к структурным критериям. Ясная и четко выраженная структура управления, требуемая структурными критериями, легко сопоставляется с внешними аспектами качества программного обеспечения. Недаром большая часть известной заметки [9 E.Dijkstra. Go to Statement Considerеd Harmful//Commun. ACM. — 1968. — V. 11, № 3, — p.147-148], положившей основу структурному программированию, посвящена тому, что в структурированных программах текст легко сопоставить с множеством отображенных в нем вычислительных процессов, иначе говоря, структурированные программы резко повышают понимаемость, а значит, и ряд других аспектов качества. Если оценка процедурной основы или системы классов требует нетривиальных умозаключений (частично поддерживаемых некоторыми вычисляемыми мерами сложности), то структурированность программы легко усматривается из программного текста, и ее мы считаем неотъемлемым свойством добротных программ. Итак, структурные критерии диктуют нам, что добротной признается структурированная программа с разумной организацией процедурной основы и/или системы классов. Прагматические критерии. В работе [5] вводится и определяется специальный класс критериев добротности программ, названный прагматическими критериями. Давно было замечено, что можно формально обнаружить в программе некоторые несообразности или излишества – в [7] они названы «несовершенствами», в работе [10 V. Kasjanov, I. Pottosin. Application of optimization techniques to correctness problems//Consructing Quality Software. — North-Holland, 1978. — pp.237-248] – «неправдоподобностями». В статье [11 S.Pan, R.G.Dromey. Bejond Structured Programming//Proc. ICSE-18. -Berlin. -pp.268-278] предложены правила, определяющие так называемую каноническую форму, автоматически исключающую ряд подобных несообразностей. Прагматические критерии добротности связаны с тем, что формально можно выявить некоторые свойства программы, которые содержательно трактуются как цели, достижению которых и служит программа. Такой целью может быть конечное состояние переменных, порождаемое программой, множество ее истинных (подтверждаемых программным текстом) результатов, подтверждаемые таким текстом потоки управления и информационные потоки и т.п. Развитые методы анализа программ могут обнаруживать подобные цели и находить те фрагменты и объекты данной программы, которые заведомо никак не служат достижению такой формально выявляемой цели. Наличие данных излишеств и служит основанием для того, чтобы признать программу недобротной в соответствии с прагматическими критериями. Источником таких излишеств может быть невнимание к реальным связям в программе, рудименты при неаккуратной модификации программы и т.п. – в общем, недосмотр и непрофессионализм. Итак, прагматические критерии добротности требуют, чтобы программа соответствовала своей формально выявляемой цели. Заметим, что прагматические критерии относятся скорее к компонентам, чем к системам.