Учебно-методический комплекс дисциплины «Технология программирования» (стр. 3 )

Конструктивные критерии качества ПО более или менее инвариантны ( независимы) к их целевому назначению и основным функциям. К ним относятся сложность программ, надежность функционирования, используемые ресурсы ЭВМ и т. д.

Таблица 2.2.1. Критерии качества и определяющие их факторы

Проектирование	Эксплуатация	Сопровождение
ОСНОВНЫЕ КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА КОМПЛЕКСА ПРОГРАММ
1.  Сложность создания ПО	1.  Функциональная сложность ПО	1.  Способность к модернизации программ
2.  Корректность программ	2.  Надежность функционирования	2.  Мобильность программ относительно типов ЭВМ
3.  Трудоемкость разработки ПО	3.  Эффективность использования ресурсов	3.  Трудоемкость обучения и модернизации ПО
	4.  Объем исходных и результирующих данных
ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ КАЧЕСТВО
1.  Структурная упорядоченность программ и данных	1.  Корректность постановки задачи	1.  Структурная упорядоченность комплекса программ и данных
2.  Степень стандартизации структуры модулей и переменных	2.  Полнота и точность спецификаций	2.  Степень стандартизации структуры модулей и переменных
3.  Документированность компонент и комплекса	3.  Уровень языков программирования	3.  Документированность для модификаций
4.  Методическая обеспеченность технологии проектирования	4.  Полнота тестирования программ	4.  Уровень языков программирования
5.  Степень комплексной автоматизации технологии проектирования	5.  Степень помехозащищенности программ	5.  Степень комплексной автоматизации технологии проектирования
6.  Уровень языков спецификаций, программирования и отладки	6.  Документированность для эксплуатации	6.  Обеспеченность контроля изменений версий и распространения копий
7.  Квалификация специалистов и методы организации работ

Выделенные факторы, определяющие качество проектирования программ, можно разделить на группы структурного проектирования (п. 1-3), технологического обеспечения (п. 4-6) и организационно- человеческие факторы (п. 7). В заключение следует особо выделить временные показатели жизненного цикла ПО:

·  длительность проектирования;

·  продолжительность эксплуатации очередной версии и длительность проведения каждой модификации.

Продолжительность проведения этих работ в ряде случаев может быть более важным критерием, чем трудоемкость. В некоторых случаях суммарная длительность эффективной эксплуатации является доминирующим критерием качества программ.

Рассмотрим управление качеством ПО. Такое управление включает:

·  анализ системных требований к ПО и ранжирование показателей качества с выделением обязательных и желательных значений характеристик;

·  разработку методик и стандартов контроля степени выполнения заданной технологии модульно-иерархического проектирования комплекса программ и его компонент;

·  создание методов, средств, технологии объективного измерения и поэтапного контроля степени выполнения заданных требований к качеству программ;

·  создание средств инструментальной технологической поддержки автоматизации программирования, отладки, испытаний, обеспечивающих создание комплекса программ с заданными показателями качества;

·  организацию коллектива специалистов и организацию процесса проектирования с целевой задачей максимального удовлетворения требований заказчика к качеству комплекса программ.

Управление качеством можно разделить на подготовительную фазу и фазу активного контроля и управления. На подготовительной фазе разрабатываются стандарты, методы и средства, потенциально способствующие созданию комплекса программ с заданными характеристиками качества. Выбор и подготовка технологии проектирования в значительной мере определяют последующее качество программ.

Важнейшим для качества программ является этап системного анализа, формирования технического задания и общей спецификации на комплекс программ. При этом для управления качеством ПО необходимо учитывать два типа ограничений. Первый тип ограничений характеризует уровень современных знаний теории и методов решения поставленных задач, как с позиции формализации основных функциональных алгоритмов, так и с точки зрения методов структурного построения сложных систем и технологии их проектирования. Второй тип ограничений составляют в основном технические параметры средств, на которых предполагается реализовать комплекс программ, трудовые и финансовые ресурсы, которые могут быть выделены на разработку и эксплуатацию ПО.

Сложность комплексов программ

Понятие сложности интуитивно ассоциируется с ресурсами, необходимыми для решения задачи. Задача считается простой, если невелики все ресурсы, используемые для ее решения. Если хотя бы один из ресурсов, необходимых для решения, очень велик или оказывается на пределе, доступном для использования, то такую задачу вряд ли назовут простой. Программа простая по количеству модулей и длине может оказаться сложной по объему вычислений или по числу обрабатываемых переменных, и наоборот. Сложность программ для систем реального времени преимущественно определяется допустимым временем отклика, а для информационно-поисковых систем - количеством типов обрабатываемых переменных.

Таблица 2.2.2. Значения показателей сложности ПО

Показатели сложности	Уровень сложности ПО
	простой	средней сложности	сложный	сверхсложный, уникальный
1.  Длина программы, операторы	10Е+3	10Е+4	10Е+5	10Е+6-10Е+7
2.  Количество модулей, шт.	1-3	10Е+1 -10Е+2	10Е+3	10Е+4 - 10Е+5
3.  Количество обрабатываемых переменных, типы	10	10Е+2 -10Е+3	10Е+4-10Е+5	10Е+6 - 10Е+8
4.  Длительность решения варианта задачи, ч	10Е-2 -10Е-1	1	10	10Е+2 -10Е+3
5.  Допустимое время отклика, с	10Е+6 -10Е+4	10Е+3 - 10Е+2	10-0.1	0
6.  Трудоемкость создания, чел. - годы	0.1	1 - 10	100	10Е+3 - 10Е+4
7.  Длительность разработки, годы		1 - 2	2-5	3 - 10
8.  Количество разрабатывающих специалистов, чел.	1 - 2	3 - 10	10-10Е+2	10Е+2 - 10Е+3

Надежность комплексов программ

Надежность свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортировки. В соответствии с этим определением надежность является внутренним свойством системы, заложенным при ее изготовлении и проявляющимся при эксплуатации. Это свойство проявляется только во времени, и без более или менее длительного наблюдения и учета значений времени нельзя сделать заключения о надежности систем.

Для количественной оценки надежности применяется ряд показателей, выбор и приоритет которых зависят от конкретного типа и области применения объекта или системы. В основе этих характеристик лежат понятия о возможных состояниях системы: работоспособном и неработоспособном. Работоспособным называется такое состояние программного обеспечения, при котором ПО способно выполнять заданные функции с параметрами, установленными требованиями технической документации. В процессе функционирования ПО возможен переход из работоспособного состояния в неработоспособное и обратно. С этими переходами связаны события отказа и восстановления.

По полноте мероприятий, которые необходимо проводить для восстановления, различаются отказы: устойчивые, самоустраняющиеся и перемежающиеся. Для устранения устойчивого отказа требуется проведение специальных мероприятий по восстановлению работоспособности. Самоустраняющийся отказ или сбой характеризуется достаточно быстрым восстановлением работоспособности без внешнего вмешательства. Перемежающийся отказ представляет собой многократно повторяющиеся сбои, для полного устранения которых требуется внешнее вмешательство. По возможности восстановления работоспособности в процессе эксплуатации объекты делятся на восстанавливаемые и невосстанавливаемые. Невосстанавливаемые объекты не допускают ремонта или замены отказавших компонент и не обладают самовосстанавливаемостью во время выполнения своих функций. Такие объекты могут эксплуатироваться либо до первого отказа, либо до полного выполнения своих функций.

Основная цель контроля работоспособности состоит в своевременном выявлении фактов отказов или сбоев, в накоплении и обобщении данных, характеризующих работоспособность системы. Для контроля необходимы соответствующие ресурсы и затраты, которые в свою очередь могут влиять на работоспособность системы. Характеристики контроля - глубина и полнота проверок, степень автоматизации контрольных операций, длительность и порядок их выполнения и другие параметры - непосредственно влияют на оценку степени работоспособности системы.

Кроме контроля работоспособности применяется диагностический контроль, основное назначение которого состоит в локализации отказа, установлении его характера и причин. Диагностический контроль может способствовать установлению степени работоспособности системы, однако его основная цель заключается в обеспечении скорейшего восстановления. Для этого создаются методы и средства, позволяющие достаточно быстро обнаруживать причину отказа и локализовать ее с достаточной степенью детальности для быстрого устранения.

Критерии надежности

Критерии, используемые в теории надежности, являются вероятностными, статистическими, учитывающими временные показатели. Для анализа показателей надежности, в зависимости от целевого назначения, системы делятся на два класса: невосстанавливаемые и восстанавливаемые. Для невосстанавливаемых систем основным критерием является длительность наработки до первого отказа Т. Вероятностные характеристики этой случайной величины могут рассматриваться как критерии надежности.

Вероятностью безотказной работы P(t) называется вероятность того, что при заданных условиях эксплуатации в течени интервала времени t не возникнет отказ.

Вероятностью отказа Q(t) = 1 - P(t) является вероятность того, что в течение заданного времени произойдет хотя бы один отказ.

Интегральным критерием является интенсивность отказов (t), которая характеризует плотность распределения наработки до первого отказа, рассчитанную при условии, что до рассмотренного момента времени система проработала безотказно:

(t) = , t 0.

Для оценки надежности восстанавливаемых систем используют характеристики: H(t) - среднее количество отказов за время t ; Т(t) - наработка на отказ

.

Процесс восстановления достаточно полно описывается показателями: вероятностью восстановления за время t, плотностью распределения времени восстановления и средним временем восстановления. Кроме того, используются показатели среднего числа восстановлений за некоторое время и параметр потока восстановлений. В перечисленных показателях процессы отказов и восстановлений могут рассматриваться как независимые. Объединение характеристик отказов и восстановлений производится в критерий - коэффициент готовности K(t). Этот показатель характеризует вероятность застать в заданный момент времени восстанавливаемую систему в работоспособном состоянии. Значение коэффициента готовности соответствует доле времени полезной работы системы на достаточно большом интервале, содержащем отказы и восстановления.

Сбой, отказ, восстановление

Чтобы глубже понять проблемы надежности функционирования комплексов программ остановимся на уточнении фундаментальных понятий, таких как сбой, отказ, восстановление.

Отказ при функционировании комплекса программ может проявляться как следствие нарушения кодов записи программ в памяти команд, стирания или искажения данных в оперативной или долговременной памяти ЭВМ, нарушения нормального хода вычислительного процесса. Отказ может проявляться в виде программного останова или зацикливания, систематического пропуска исполнения некоторой группы программ, однократного или систематического искажения накопленных данных и т. д. Первопричиной нарушения работоспособности программ при безотказности вычислительных средств, всегда является конфликт между реальными исходными данными, подлежащими обработке, и программой, осуществляющей эту обработку. При этом под исходными данными понимается вновь поступившие сообщения или вся информация, накопленная за время предыдущего функционирования программ.

Сбой - это самоустраняющийся отказ, не требующий внешнего вмешательства. Основным принципом классификации сбоев и отказов в программе является разделение по временному показателю длительности восстановления после любого искажения программ, данных или вычислительного процесса, регистрируемого как нарушение работоспособности. При длительности восстановления меньшей порога, аномалии при функционировании программ следует относить к сбоям, а при восстановлении, превышающем по длительности пороговое значение, происходящие искажения соответствуют отказу.

Сделаем следующее важное замечание. Между понятиями правильная и надежная программа отсутствует тождественность. Понятие правильной или корректной программы может рассматриваться статически вне временного функционирования. Корректная программа должна обеспечивать выходные данные соответствующие эталонным в области изменения исходных данных, заданных требованиями технического задания или спецификации. Надежная программа, прежде всего, должна обеспечивать низкую вероятность отказа в процессе функционирования. Быстрое реагирование на искажение программ, данных или вычислительного процесса и восстановление работоспособности за время меньшее, чем порог, позволяют обеспечить высокую надежность программ. При этом некорректная программа может функционировать в принципе абсолютно надежно.

Для решения задачи восстановления в комплексе программ должны быть средства, позволяющие:

·  проводить систематический контроль и оперативно обнаруживать аномалии процесса функционирования или состояния программ и данных;

·  диагностировать обнаруженные искажения;

·  вырабатывать решения и выбирать методы и средства восстановления;

·  реализовывать оперативное восстановление нормальной работоспособности;

·  регистрировать каждый сбой или отказ и обобщать с данными предыдущих искажений для выявления систематических случаев, требующих доработки программ или аппаратуры.

Таблица 2.2.3.

Факторы, определяющие надежность программ	Методы проектирования корректных программ	Методы контроля
Особенности внешних абонентов и пользователей: ·  требования к показателям надежности; ·  инерционность внешних абонентов; ·  необходимое время отклика на входные данные. Искажения исходных данных: ·  искажения данных, поступающих от человека; ·  искажение данных, поступающих по телекодовым каналам связи; ·  искажение данных в процессе накопления и хранения в ЭВМ. Ошибки в программах и их проявление: ·  статистические характеристики ошибок и искажений: ·  программ; ·  массивов данных; ·  вычислительного процесса.	Структурное проектирование программ и данных: ·  структурное проектирование программных модулей; ·  структурное проектирование взаимодействия модулей; ·  структурирование данных Тестирование программ: ·  детерминированное тестирование; ·  статистическое тестирование; ·  динамическое тестирование и контроль пропускной способности в реальном времени.	Методы использования избыточности: ·  временной; ·  информационной; ·  программной. Методы контроля программ, данных и вычислительного процесса: ·  предпусковой контроль; ·  оперативный контроль. Методы программного восстановления: ·  восстановление текстов программ; ·  исправление данных; ·  корректировка вычислительного процесса. Методы испытаний на надежность: ·  испытания в нормальных условиях эксплуатации; ·  форсированные испытания; ·  расчетно-экспериментальные методы определения надежности. Методы обеспечения надежности при сопровождении: ·  обеспечение сохранности программ эталонных версий; ·  обеспечение корректности внесения изменений и развитии версий.

2.3. Алгоритмы сортировки

Введение