Software Engineering

Transkript

1 Software Engineering Informatik II. 1. Einführung Software Engineering als Problem Dipl.-Inform. Hartmut Petters

2 Vorwort was ich noch zu sagen hätte... Basis dieser Vorlesung sind vor allem die folgenden Ausarbeitungen Vorlesungsskript Software Engineering von Prof. Dr. Martin Glinz Universität Zürich Vorlesungsskript Informatik II Software Engineering von Frau Prof. Dr. Kühn FH Karlsruhe FB W Das Buch Software Engineering 6. Auflage/2001 von Prof. Ian Sommerville University of Lancaster (UK) Addison Wesley ISBN Konkret entnommene Beiträge sind i.d.r. mit einem Quellen-Verweis gekennzeichnet sollte dieser fehlen bitte ich um Nachsicht. Den roten Faden durch die Vorlesung habe ich dem Skript der Vorlesung von Prof. Dr. Martin Glinz entnommen und um eigene Beiträge erweitert bzw. aus den beiden anderen Quellen ergänzt. Für die Möglichkeit der Verwendung der wesentlichen Inhalte möchte ich mich an dieser Stelle bei den Autoren herzlich bedanken

3 Produkt von der Idee bis zum Support Kundenbeschreibung Verständnis Projektleiter Produktspezifikation Programmierung Business Consultant Software - Produktentstehungsprozess Projektdokumentation Fieldservice Installation Kundenbezahlung Produktunterstützung Kundenbedarf

4 Software Engineering - Inhalt Hintergründe + Allgemeines Historie Grundlagen Methodik Software-Analyse Software-Entwurf Software-Entwicklung Qualitätssicherung Werkzeuge / SE-Umgebung / CASE Projekt-Management (allgemein) Projekt-Management (Werkzeuge) Zusammenfassung + Ausblick

5 Ziel der Vorlesung Grundlagenwissen bzgl. Software Engineering vermitteln Auf dieser Grundlage können Sie Den Stellenwert + die Bedeutung von Software und Software Engineering beurteilen Das Wissen über Software Engineering systematisch einordnen Ursachen für Schwierigkeiten + Probleme bei Software-Projekten erkennen Eigene Software-Entwicklungsvorhaben systematisch + zielgerichtet angehen Als Anwender bzw. Manager erfolgreich mit Software-Entwicklern zusammenarbeiten

6 Was ist Software Scherzhaft (Hartmut Petters ;-) Die teuerste Art, magnetisierbare Oberflächen umzumagnetisieren. Software (Definition nach Roger S. Pressman) 1. Instruktionen, die bei der Ausführung auf einem Computer gewünschte Funktionen und Leistungen hervorbringen 2. Datenstrukturen, die eine adäquate Informationsverarbeitung durch die Programme ermöglichen 3. Dokumente, die Operationen und Benutzung der Programme beschreiben

7 Software ein immaterielles Produkt Beobachtbar nur In den Wirkungen beim Ablauf auf Computern Indirekt über die Software-Dokumentation Kein Materialwert Keine physikalischen Grenzen Fehler sind nur schwer erkennbar Entwicklungsgrad + Qualität sind nur sehr schwer zu beurteilen Scheinbar leicht zu ändern Indirekte Nebeneffekte durch Änderungen sind nur schwer auszuschließen

8 Software verhält sich unstetig Kleinste Änderungen in Programmteilen bewirkt u.u. massive Änderungen im Verhalten des Gesamtsystems Fehlerfreiheit nicht nachweisbar Nur der Nachweis, dass sich die Software unter bestimmten Randbedingungen wie beschrieben verhält, ist möglich Schwieriger als andere technische Produkte Da mit steigender Komplexität die Überprüfung des geplanten Systemverhaltens und der Nachweis der Fehlerfreiheit überproportional steigt und schwieriger wird!

9 Wozu Software? Um Probleme zu lösen Automatisierung oder Unterstützung Manueller Arbeiten Technischer Abläufe Problemlösung durch Software steht in ständiger Wechselwirkung mit Arbeits-/Geschäftsprozessen Produktionsprozessen Menschen

10 Konsequenzen für SW-Entwicklung Komplexe Probleme Führen zu komplexen Lösungen zwei Schwierigkeiten bei der Umsetzung Problem im Kontext verstehen Problemlösung mit Software abbilden Problemlösungen schaffen neue Realitäten und Bedürfnisse Software konstruiert + verändert die Realität

11 Software-Entwicklung Software-Entwicklung Ist die Umsetzung der Bedürfnisse von Benutzern in Software. Umfasst Spezifikation der Anforderungen, Konzept der Lösung, Entwurf und Programmierung der Komponenten, Zusammensetzung der Komponenten und ihre Einbindung in vorhandene Software, Inbetriebnahme der Software sowie Überprüfung des Entwickelten nach jedem Schritt. Verständnis der Probleme ist grundlegend wichtig Klein =/= Groß Aufwand steigt überproportional mit Produktgröße Software ist einer Evolution unterworfen Software wird von Menschen gemacht Software kann verschleißen

12 Software-Gegensätze: Klein - Groß 1 of 2 Klein Programme mit 1- ca. 300 Zeilen (Lines of Code) Für den Eigengebrauch Vage Zielsetzung genügt Ein Schritt vom Problem zur Lösung genügt: Lösung direkt programmiert Validieren am Endprodukt Eine Person entwickelt: keine Koordination erforderlich, keine Kommunikation erforder-lich Groß Längere Programme Für den Gebrauch durch Dritte Genaue Zieldefinition erforderlich Mehrer iterative Schritte erforderlich Jeder Entwicklungsschritt muss durch einen Prüfschritt abgesichert werden Mehrere Personen entwickeln gemeinsam: Koordination und Kommunikation unbedingt notwendig!

13 Software-Gegensätze: Klein - Groß 2 of 2 Klein Komplexität des Problems in der Regel klein Groß Komplexität des Problems größer bis sehr groß Übersicht behalten kein Problem Maßnahmen zur Strukturierung + Modularisierung erforderlich Software besteht aus wenigen Komponenten In der Regel keine Dokumentation Software besteht aus vielen Komponenten / Maßnahmen zur Komponenten-Verwaltung erforderlich Dokumentation zwingend Keine Planung + Projektorganisation erforderlich Planung, Controlling + Projekt- Organisation zwingend erforderlich

14 Was ist Software Engineering?

15 Anfänge des Software Engineering

16 Modernes Software Engineering

17 Entwicklung Software Engineering SE-Prinzipien - Theoretische Grundlagen - Strukturierte Programmierung - Schrittweise Verfeinerung - Das Geheimnisprinzip - SW-Lebenszyklus SE-Werkzeuge: - Erste 4GL Sprachen - Information Hidding als Standard - Höhere Programmiersprachen (C, C++) -SW-Versions- Management - 1. DB-Anwendungen CASE Technologie: - SE-Tools für objektorientierte Anwendungen - Projekt-Management komplexer Projekte - Trennung Oberfläche, Anwendung + DB - Grafische SE-Tools - Automatische Fehlererkennung SE-Methoden: - Entity Relationship Modell - SW-Entwurfs-Methoden - Definition von Regeln - Vom Datenentwurf zum Programmentwurf - Phasenspezifische Werkzeuge (ab 1975) - Übergreifende Methoden + Werkzeuge (ab 1980) SE-Technologie: - Komplexe SE- Umgebungen - KI-Sprachen - C++, Java Standard - DB als Datenspeicher ist Standard - Integrierte Lösungen - Normierte Schnittstellen - Erste grafische Entwurfsmethoden + Tools - Verbesserte Unterstützung zur Fehlererkennung

18 Das Software Engineering - Dreieck SE-Prinzipien wurden umgesetzt in SE-Methoden wurden realisiert durch SE-Werkzeuge

19 Was gehört zu Software Engineering? Idee Was möchte ich machen? Entwurf Wie soll es gemacht werden? Planung Was und wen brauche ich dazu? Planung Zeit, Budget, Menschen Doing Programmierung / Integration Doing Dokumentation Testing Funktionsprüfung Testing Fehlerbeseitigung Testing Benutzerakzeptanz Rollout Einführung + Schulung Pflege Weiterentwicklung + Anpassung

20 Wo wird SW + SE eingesetzt? Software-Häuser Oracle, SAP,... Leittechnik für Anlagen Siemens, ABB,... Telefon-Technik Nokia, Motorola,... TV, Video, Audio-Geräte Sony, Thompson,... Computer+Peripherie Mainboard, Brenner,... KFZ-Industrie Motor-Management, ABS,... Haustechnik Alarmanlagen, Sensorik,... Meß-+Regelungstechnik Kläranlagen,... Hausgeräte Waschmaschinen,... Aerospace + Defense Flugzeuge, Panzer,... Sport Zeitmessung, Weitenmessung,

21 Fehlerrate Hardware

22 Software Fehlerrate

23 Software Fehlerrate

24 Wie ißt man einen Elefanten? Am Stück... schwer verdaulich + langwierig!!!

25 Alternative bei komplexen Dingen!

26 Anteil der HW + SW-Kosten (zeitlich)

27 Jährliche Ausgaben für Software Weltweit werden riesige Summen für Software ausgegeben

28 Aufwand für SW+SE über die Lebensdauer Relativer Anteil am Gesamtaufwand über die gesamte Lebensdauer 40% 35% 36% 30% 25% 20% 15% 16% 16% 12% 12% 10% 8% 5% 0% Spezifikation + Archtekturentwurf Detailentwurf + Codierung Test + Abnahme Anpassung Erweiterung / Verbesserung Fehlerbehebung Entwicklung Wartung + Pflege

29 Was beeinflusst Software Engineering? Komplexität Anzahl Nutzer Art der Nutzer Art der Software / der Anwendung Integrationsfähigkeit Wiederverwendbarkeit Systemumgebung (SW + HW) Programmiersprache Datenvolumen / Datenaufkommen Datenspeicherung (Dateien / Datenbanken) Fremddaten-Integration (CAD, BDE,...) Anwendungsumgebung (Mission Critical)

30 Der Begriff Software Engineering Software Engineering ist eine Ingenieur-Wissenschaft, die sich mit den Prinzipien, Methoden, Werkzeugen und Menschen befasst, die Software unter industriellen Bedingungen planen, entwickeln, anwenden und warten. A. Schulz

31 Der Begriff Software Engineering Das Aufstellen und Benutzen fundierter, ingenieurmäßiger Prinzipien, um auf ökonomische Weise Software zu erstellen, die zuverlässig ist und effizient auf realen Maschinen läuft Roger S. Pressman

32 Der Begriff Software Engineering Software Engineering / Systemtechnik: Vorgehensweise zur systematischen Erstellung von Software nach ingenieurmäßigen Prinzipien. Prof. Dr. Kühn

33 Warum Software Engineering (SE)? Gründe für das Entstehen von SE ( ) Freies Künstlertum der Informatiker Mitarbeiter waren unabkömmlich Enorme, nicht kalkulierbare Folgekosten Unsystematische Systementwicklung Unplanbarkeit und Unkalkulierbarkeit der Software-Projekte Hohes Spezialistentum der Informatiker Folge aus dieser Bewegung für die Informatik Entwicklung vom freien Künstlertum zum Handwerker und zur systematischen SW-Produktion

34 Software Engineering Software Engineering ist ein Teilgebiet des Systems Engineering (deutsch: Allgemeine Systemtheorie) Die allgemeine Systemtheorie beschäftigt sich damit, ob es generelle Regeln für das Verhalten komplexer Systeme gibt. Systeme sind Anordnung von Elementen (Gleichartige oder nicht-gleichartige) Elemente, die miteinander in Beziehung stehen (damit definiert sich eine Systemstruktur) Die Elemente sind eindeutig von der Umgebung abgegrenzt. Unterteilung in möglichst unabhängige Sub-Systeme (wenig Beziehungen zwischen den Sub-Systemen)

35 Erkenntnisse der Systemtheorie Jedes System tendiert dazu sich zu vergrößern und verursacht Folgekosten Je größer ein System ist, desto höher ist sein Erhaltungsaufwand Je größer ein System ist, desto kleiner müssen seine Sub-Systeme sein, damit es funktioniert Je besser ein System seine Aufgabe erfüllt, desto unflexibler wird es

36 Ziele des Software Engineering Hilfe bei der Festlegung der richtigen Projektziele und deren Dokumentation + Ergebnisüberprüfung Klärung der Durchführbarkeit des Projekts Technisch Organisatorisch Politisch + psychologisch Angemessene Qualität des Ergebnisses Qualität + Optimierung der Geschäftsprozesse Inhaltliche Qualität des Produkts wie Funktionalität, Performance, Ergonomie Wirtschaftlichkeit des Gesamtprojekts Erstellungskosten + Folgekosten vs. Nutzen Betrachtung der Total Cost of Ownership (TCO)

37 Prinzipien des Software Engineering Klärung der Durchführbarkeit SW-Entwicklungsvorhaben Projekteinführung (SAP R/3,...) Überprüfung der möglichen Vorgehens-Modelle für die Abwicklung der Projekte Machbarkeits-Analyse Benchmarking Prototyping Abstraktion + Modellbildung durch Betrachtung der Aufgaben unter dem Gesichtspunkt Funktionen Daten / Daten-Beziehungen Objekte / Objekt-Beziehungen Struktur des zu erstellenden Systems

38 Projekt-Charakteristika Einmaliges Ereignis (nicht unbedingt erstmalig) Hohe Komplexität Viele Beteiligte Unterschiedliche Disziplinen Teamarbeit der Beteiligten Zeitlich begrenzt Klar definierte Anforderungen Festgelegtes Ergebnis / Funktionalität Vorgegebenes Budget Planbare Abwicklung Integration in bestehende Umgebung Klare Rahmenbedingungen und Durchführung nach Vorgehensmodell

39 Software Engineering - Phasenmodell

40 Vom Programm zum Produkt Einfache Programmentwicklung Faktor 1 Wiederverwendbare Programme/Funktionen Faktor 10 Software-Produkte Faktor

41 Kostenstruktur Software-Produkt Entwicklungs- Kosten ca. 35% IST-Aufnahme + Spezifikation ca. 55% technischer Entwurf, Programmierung + Test ca. 10% Einführung Betreuungs- Kosten Oft das 2-3 fache oder mehr der ursprünglichen Entwicklungs- Kosten

42 Arten von Programmen Sequentielle Programme Prozess-orientiert Vorgegebene fest Abläufe Programmfluss fest programmiert Immer gleich ohne Veränderung Ereignisgesteuerte Programme Ereignis-orientiert Reaktionen auf Ereignisse programmiert Objekte mit Daten + Methoden willkürliche Eingaben

43 Arten von Programmiersprachen Maschinennahe Sprachen Assembler PL/1 C Prozedurale Sprachen Fortran Pascal C Objektorientierte Sprachen Simula C++ Java

44 Wie kann SW klassifiziert werden Systemnahe Software (Steuerungen,...) Firmware (Bootloader, BIOS, Peripherie,...) Betriebssysteme (Windows XP, Unix,...) Basis-Software (Datenbanken,...) Entwicklungs-Software (Compiler, Linker,...) Embedded Software (Waschmaschine,...) Anwendungen Standard-Software (MSOffice,...) Standard-Software-Systeme (SAP R/3,...) Individual-Software

45 Warum Software Engineering? Standards + Richtlinien Unabhängigkeit Pflege + Wartbarkeit Entwicklung komplexer Systeme Systematische Tests + Nachvollziehbarkeit Erhöhung der Produktivität + Effizienz Kalkulierbarkeit Zeit Kosten Funktionalität Qualitätssicherung

46 Probleme bei der Software Entwicklung Unklare/ungenaue Spezifikation Unklare Schnittstellen Datenübergabe-Mechanismen Nebeneffekte Testbarkeit der Software Undokumentierte Funktionen Datenfehler Datenbereiche Speichergrenzen Speicher-Lecks Dokumentation + Wartbarkeit

47 Kommunikationsbedarf (Theorie) Die Komplexität, d.h. die Anzahl der Kommunikationspfade steigt nach der Formel: N (N + 1) N

48 Kommunikationsaufwand Der Kommunikationsaufwand steigt überproportional mit der Produktgröße

49 Ziele des Software Engineering Steigerung der Produktivität Verbesserung der Qualität Verbesserte Führbarkeit der Projekte

50 Mittel des Software Engineerings Wichtig: Die Mittel und Wirkungen im Software Engineering kennenlernen

51 Warum Zielsetzung? Zielgerichtetes Arbeiten ist notwendig Ohne Ziele keine Bewertung des Erreichten Ohne Zielsetzung ist die Qualität und das Ergebnis zufällig Software Engineering heißt Ziele setzen Ziele verfolgen / überprüfen Aber Kein natürliches Ziel Ziele können miteinander konkurrieren Ziele können voneinander abhängen Zielsetzung beeinflusst das Produkt erheblich Falls erforderlich Prioritäten setzen

52 Das Weinberg-Experiment Wie beeinflusst die Zielsetzung das Ergebnis?

53 Klassifikation von Zielen Projektziele Termine Kosten Sachziele Anforderungen Projekt- Attribute Funktionale Anforderungen Attribute Leistungs- Anforderungen Besondere Qualitäten Rand- Bedingungen Verfeinerung der Details Top Down

54 Zielverfolgung / Steuerung Zielsetzung ist notwendig Aber nicht hinreichend Langsame stetige Abweichungen Massive Zielverfehlung Zusätzlich unbedingt erforderlich Zielverfolgung Nur möglich, wenn Ziele messbar sind Steuerung Nur möglich, bei klarer Standortbestimmung SOLL IST-Abgleich

55 Problem: Ziele definieren Messgröße finden und definieren Referenzwerte festlegen Zielwert Schwellwert Beispiele Das System muss bei Übersäuerung schnell reagieren Unbrauchbar, da Übersäuerung und schnell undefinierte Begriffe Reaktionszeit < 0,1 Sek. bei ph-wert < 4 Stellbefehl an Schließventil Sinnvoll, da alle Größen definiert + messbar

56 Was ist messen? Merkmale eines Objekts quantitativ erfassen Randbedingungen bzgl. messen Menge von Gegenstände mit einem zu messenden Merkmal Mess-Skala Messverfahren Strukturähnlichkeit zwischen Merkmal + Skala Beispiel Menge von Stäben Zu messendes Merkmal: Länge Skala: reelle Zahlen >= 0 Messverfahren: Strukturähnlichkeit: Vergleich mit Urmeter Vergleichbarkeit Länge und Zahlen-Skala

57 Software-Maße Software-Maße werden Metriken genannt Software-Maße werden per Definition vorgegeben Beispiele für Software-Metriken Anzahl von Programmzeilen je Routine Anzahl von Schleifen in einer Routine Beispiel für eine Software-Metrik Programm-Größe Messkriterium: Lines of Code Skala: Nicht negative ganze Zahlen

58 Arten von Skalen Typ erlaubt Eigenschaft Nominal-Skala = Kategorisierung von Werten Skalenwerte nicht vergleichbar oder verknüpfbar Nur nicht-parametrische Statistik Ordinal-Skala = < > Zahlenwerte geordnet + vergleichbar Medianwert bestimmbar Im übrigen nur nicht-parametrische Statistik Intervall-Skala = < > Distanz Werte geordnet, Distanzen bestimmbar Nullpunkt der Skala willkürlich Mittelwert, Standard-Abweichung bestimmbar Verhältnis-Skala (auch: Rational-Skala) = < > Distanz, (+, -), Vielfaches, % Werte geordnet + in der Regel additiv Skala hat absoluten Nullpunkt Vielfache und Prozente von Messwerten bestimmbar, parametrische Statistik möglich Absolut-Skala = < > Distanz, (+, -), Vielfaches, % Skalenwerte sind absolute Größen in keine andere Skala umrechenbar Sonst wie Verhältnis-Skala

59 Beispiele für Mess-Skalen Nominal-Skala Testergebnis-Skala mit den Werten {erfüllt, nicht erfüllt, nicht getestet} Ordinal-Skala Eignungs-Skala mit den Werten {--, -, o, +, ++} Intervall-Skala Datums-Skala für Zeitmessung Verhältnis-Skala Anzahl-Codezeilen-Skala für Programmgröße Absolut-Skala Zählskala für die Anzahl gefundener Fehler

60 Direkte und Indirekte Maße Direkte Maße Direkt messbare Merkmale Beispiele: Kosten, Durchlaufzeit Indirekte Maße Kein direktes Maß vorhanden oder Messung zu aufwendig / zu teuer Messbare Indikatoren bestimmen Indikatoren müssen in dem zu messenden Merkmal korreliert sein Indikatormaße bilden zusammen ein indirektes Maß für zu messende Merkmale Beispiele: Portabilität, Benutzerfreundlichkeit

61 Beispiel: Messung von Portabilität Direktes Maß Verhältnis Portierungsaufwand vs. Neuentwicklungsaufwand Messung zu teuer / zu aufwendig Indirektes Maß mit 3 Indikatoren Anzahl Betriebssystem- / Prozedur-Aufrufe % Zählen im Code Indikator Skala Messverfahren Planwert Schwellwert 5 % 10 % Anteil HW oder BS abhängiger Module Anteil Nichtstandard Codezeilen % Zählen im Code % Zählen + Vergleich mit ISO-Standard 10 % 15 % 2 % 5 %

62 Maße für Software Engineering Ziele Produktziele Funktionserfüllung, Größe, Zuverlässigkeit, Benutzerfreundlichkeit, Wartbarkeit,... Meist nur indirekte Maße Messung oft schwierig Projektziele Aufwand, Durchlaufzeit (Dauer), Arbeitsfortschritt, Entwicklungskosten, Fehlerkosten,... Meist direkte Maße Messung nicht schwierig, wenn Ziele richtig definiert sind und die richtigen Basisdaten erhoben werden

63 Zusammenfassung Software Software / Software-Entwicklung Was ist Software Wo kommt Software überall vor Merkmale von Software Software-Probleme Was ist Software-Entwicklung Wozu Software-Entwicklung Probleme bei der Software-Entwicklung Warum ist bei SW klein =/= groß Warum verschließt Software Wie kann Software gemessen werden

64 Zusammenfassung Software-Engineering Software-Engineering (SE) Was ist Software-Engineering Begriffsdefinition Software-Engineering Prinzipien des Software-Engineering Ziele von Software-Engineeríng Was versteht man unter dem SE-Dreieck Was beeinflusst Software-Engineering Warum Software-Engineering Charakteristika von Projekten Wie beeinflusst Zielsetzung das Ergebnis Wie verhält sich der Kommunikationsaufwand

65 Literatur Software Engineering Skript Informatik II Prof. Dr. Kühn / Fb W FH Karlsruhe Skript Software Engineering Prof. Dr. Martin Glinz Universität Zürich Skript Software Engineering II Bernd Kahlbrandt FH Hamburg Software Engineering Ian Sommerville (ISBN ) Software Engineering - Grundkurs für Praktiker Roger S. Pressman (ISBN X) Software Entwurf - Methoden und Werkzeuge A. Schulz (ISBN ) Software Engineering und Prototyping Thorsten Spitta (ISBN ) CASE Helmut Balzert (ISBN ) Software-Qualitätssicherung Ernest Wallmüller (ISBN )

66 Software Engineering Informatik II. 2. Software-Entwicklung Der Software-Prozess