Whitepaper Wesentliche Aspekte der Java Softwareentwicklung. von. Dr. Peter Vieten, Applides GmbH am

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1 Whitepaper Wesentliche Aspekte der Java Softwareentwicklung von Dr. Peter Vieten, Applides GmbH am Applides GmbH Betzenweg München Telefon Seite 1-10

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung...3 Manifest für Agile Softwareentwicklung...3 Für wen ist dieses Dokument?...3 Was will dieses Dokument?...3 Java Softwareentwicklung...3 Java Entwicklungsprozess...3 Anforderungen...4 Software Architektur...5 Java Programmierung...5 Integration mit anderen Systemen...6 Testen...7 Statische Code Qualität...8 Continuous Integration...8 Releasebildung und Auslieferung...9 Applides GmbH Betzenweg München Telefon Seite 2-10

3 Einleitung Manifest für Agile Softwareentwicklung Wir erschließen bessere Wege, Software zu entwickeln, indem wir es selbst tun und anderen dabei helfen. Durch diese Tätigkeit haben wir diese Werte zu schätzen gelernt: Individuen und Interaktionen mehr als Prozesse und Werkzeuge Funktionierende Software mehr als umfassende Dokumentation Zusammenarbeit mit dem Kunden mehr als Vertragsverhandlung Reagieren auf Veränderung mehr als das Befolgen eines Plans Das heißt, obwohl wir die Werte auf der rechten Seite wichtig finden, schätzen wir die Werte auf der linken Seite höher ein. von der Webseite Für wen ist dieses Dokument? Zielgruppe dieses Dokuments sind alle Beteiligten eines Java Projekt. Was will dieses Dokument? Sie erfahren in diesem Dokument die wesentlichen Aspekte einer erfolgreichen Projektplanung und Projektdurchführung. Die nachfolgenden Abschnitte sind jeweils dreigeteilt: Als erstes beschreibe ich die nach unserer Erfahrung aus erfolgreichen und gescheiterten Projekten notwendigen Mechanismen für den Gesamterfolg eines Java Projekts. Anschließend listen wir die Projektunterstützung (durch interne oder externe Experten) auf, die ein erfolgreiches Projekt benötigt. Zuletzt folgt eine Liste der Techniken und Technologien in dem jeweiligen Bereich, mit welchen wir in erfolgreichen Projekten intensiv gearbeitet und gute Erfahrung gemacht haben. Java Softwareentwicklung Java Entwicklungsprozess Der Software Entwicklungsprozess ist ein organisatorischer Rahmen für die Entwicklung von Software zur Unterstützung eines fachlichen Anliegens oder Lösung eines fachlichen Problems. Ein Software Entwicklungsprozesses wird geplant und eingeführt, wenn eine fachliche Beratung bzw. Diskussion sich einem Ergebnis nähert. Der Entwicklungsprozess legt dann den Rahmen fest, innerhalb dessen die Anforderungen an die Software, die Softwarearchitektur, die Integration mit anderen Systemen, ein Test- und Qualitätsmanagement sowie die Releasebildung und schlussendlich die Auslieferung und Inbetriebnahme der Software vonstatten geht. Applides GmbH Betzenweg München Telefon Seite 3-10

4 Agile Vorgehensweisen, die ich als die mit Abstand erfolgversprechendsten kennengelernt habe, betrachten dabei die genannten Punkte als immerwährende Begleiter während der gesamten Softwareentwicklung (Im Gegensatz zu jede Art von Wasserfallmodellen, bei denen die genannte Reihenfolge eine chronologische Abfolge bei der Softwareentwicklung darstellt). Beratung und Etablierung eines Software Entwicklungsprozesses erfordert daher sowohl technisches Knox-How als auch den Willen und die Fähigkeit, sich in die fachliche relevanten Fragen einzuarbeiten und Anforderungen gemeinsam mit dem Kunden zu detaillieren. Aufsetzen und Etablieren von SCRUM Prozessen Übernahme der Rollen des SCRUM Master und des Product Owner. SCRUM mit Confluence, JIRA, Planning, Review, Taskboard, usw. Anforderungen Das Ergebnis einer Analyse der Geschäftsprozesse, einer Optimierung von Betriebsabläufen, einer Strategie zur Vermeidung von Fehlern in der Produktion, etc. sind grobe Anforderungen an eine zu erstellende Software, die das analysierte fachliche Anliegen unterstützt. Diese groben Anforderungen liegen vor, wenn die Entwicklung einer Software startet. Wird eine Software im Java Umfeld entwickelt, liegt insbesondere auch diese technische Entscheidung bereits vor. Die Anforderungen im Rahmen des Entwicklungsprozesses dienen der Detaillierung der groben Anforderungen. Zu Beginn eines Meilensteins ist es sehr bedeutsam, die Anforderungen für den Meilenstein vollständig zu spezifizieren. Die Anforderungen sind vollständig spezifiziert, wenn keine Anforderungen vergessen wurden. In dieser Phase geht es nicht darum, die Anforderungen detailliert zu spezifizieren. So sollte z.b. nicht vergessen werden, wenn am Ende des Meilensteins das Ausdrucken eines Report mit der Software möglich sein soll. Es ist aber nicht nötig, bereits zu diesem Zeitpunkt das exakte Aussehen des Report oder gar technische Umsetzungsvarianten zu diskutieren. Zu Beginn eines Sprints (In der Vor-Scrum-Zeit waren das die Iterationen) werden die in diesem Sprint umzusetzenden Anforderungen detailliert spezifiziert und ein technisches Design zur Umsetzung erstellt. Auf dieser Basis kann die Komplexität der Umsetzung dieser Anforderung abgeschätzt werden, was dann in einer Aufwandsschätzung mündet. Da Sprints in der Regel 1-2 Wochen dauern, führt dies zu einer permanenten Formulierung detaillierter Anforderungen während der Dauer der Softwareentwicklung. Entwurf von Use Cases und fachliche Prozessmodellierung Feinspezifikation fachlicher Anforderungen als Basis der Softwareentwicklung, der Testspezifikation und der Benutzerdokumentation Use Cases nach Alistair Cockburn SCRUM Sprintplanung und Komplexitätsschätzung Applides GmbH Betzenweg München Telefon Seite 4-10

5 UML Prozess- und Objektmodellierung mit Enterprise Architect, Rational Rose, Paradigm Plus, Innovator Testfallspezifikation mit FIT gemeinsam mit Fachabteilungen Software Architektur Zu Beginn der Softwareentwicklung muss eine grober Rahmen für die technische Umsetzung der Software festgelegt werden wie z.b. Programmiersprache, Betriebssysteme oder Netzinfrastruktur. Darüber hinaus müssen während der gesamten Laufzeit der Softwareentwicklung Architekturentscheidungen getroffen werden. Dies betrifft sowohl die technische Architektur des Systems (Wird ein in C geschriebener Algorithmus via Java Native Interface oder via Webservice angebunden? Kommt ein J2EE Application Server zum Einsatz?) als auch die logische Architektur (Wie sehen die logischen Layer aus? Welche fachlichen Komponenten hat die Software und wo finden sich diese im Source Code wieder?). Technische Architekturentscheidungen stehen insbesondere bei der Nutzung von Drittkomponenten (z.b. Application Server, Datenbank, TCP/IP-Connectivity, etc.) oder der Integration bestehender Systeme an. Logische Architekturentscheidungen betreffen maßgeblich die innere Struktur der Software und haben eine sehr großen Einfluss auf Testbarkeit, Wartbarkeit und Flexibilität der Software. Besonders wichtig ist es dabei, fachliche und technische Aspekte der Software strikt zu trennen. Nur so können technische Komponenten einfach auf innovative Produkte umgestellt werden. Und nur so können spontane fachliche Änderungen ohne große technische Debatten einfach umgesetzt werden. Model Driven Architecture Design und Dokumentation geeigneter technischer Architekturen im Java Umfeld Design, Dokumentation und Überwachung zyklenfreier, testbarer und wartbarer Java Architekturen Architekturschulung für Java Entwickler Model Driven Architecture u.a. mit Rational Rose, Eclipse XText und Waran. Java Enterprise Architekturen u.a. mit JBoss, JMS, Apache CXF, JAXB sowie JNI und SWIG Architekturdesign und -dokumentation, u.a. mit Sonargraph, Enterprise Architekt Automatisierte Überprüfung logischer Architekturen mit Sonargraph, Maven und Sonar Java Programmierung Jeder Software Entwickler bestimmt mit jeder Zeile im Source Code sowohl die fachliche Funktionalität als auch die tatsächliche Architektur der Software im Kleinen. Software Entwickler benötigen deshalb sowohl Wissen über die fachlichen Anforderungen an die Software als auch über Architekturprinzipien, Software Design Patterns und die zum Einsatz gebrachten Java Bibliotheken. Applides GmbH Betzenweg München Telefon Seite 5-10

6 Java Programmierung und Teamunterstützung bei Java Programmierung Erarbeiten von Mikro-Architekturen und Design Patterns im Team Extraktion und Dokumentation wiederverwendbarer Komponenten und Patterns Frameworkentwicklung Code Reviews Java Schulung Graphical User Interfaces u.a. mit Eclipse SWT und Vaadin Java Enterprise Entwicklung u.a. mit JBoss, Hibernate, JMS MDA Frameworkentwicklung u.a. mit Eclipse XText und Velocity Code Generierung Software Design Patterns u.a. nach GOF Integration mit anderen Systemen Die größte Herausforderung bei der Integration einer Software mit anderen Systemen ist fast immer eine fachliche: Wie sind die Informationen zu interpretieren, die vom anderen System (dem Producer ) kommen bzw. wie interpretiert das andere System (der Consumer ) die Daten, welche die Software versendet. Unterschiedliche Datentypen, proprietäre Protokolle, zusammengefasste oder aufgesplittete Daten (z.b. Straße und Hausnummer in einem Datum oder verteilt auf zwei Daten) sind nur einige Beispiele von Informationen, die interpretiert werden müssen, bevor eine Weiterverarbeitung im jeweils anderen System möglich ist. Um diese Herausforderung zu meistern bedarf es häufig akribischer Arbeit der auf beiden Seiten beteiligten Personen. Technisch ist das Feld deutlich überschaubarer: Dateiaustausch mit standardisierten (z.b. XML oder YAML) oder proprietären Dateiformaten TCP/IP mit standardisierten Protokollen (z.b. REST oder SOAP Webservices, JMS) oder proprietären Protokollen Datenaustausch über gemeinsam genutzte Datenbanken Java Native Interface zur Anbindung nativer C- oder C++-Bibliotheken Für welche der Varianten man sich entscheidet hängt von den Anforderungen an Stabilität, Flexibilität, Performance und nicht zuletzt vom bereits vorhandenen technischen Umfeld ab. Design und Dokumentation externer Schnittstellen Adapter Entwurf und Programmierung zur Kapselung unterschiedlicher Semantik der beteiligten Systeme Programmierung von Consumern und Producern externer Schnittstellen unter Einsatz der nachfolgend beschriebenen Technologien Applides GmbH Betzenweg München Telefon Seite 6-10

7 Webservices mit Apache AXIS und CXF Java XML-Binding mit JAXB, Apache XML Beans JMS mit JBoss (HornetQ) Java Native Interface, u.a. mit SWIG Testen Automatisierte Regressionstests sind manuell durchgeführten Tests haushoch überlegen, weil sie nach jeder Änderung an der Software durchgeführt werden und so vermieden wird, dass bereits getestete Funktionalität neue Fehler enthält. Dies ist mit manuellen Tests allein wegen mangelnder Ressourcen in keinem Projekt zu leisten. Regressionstests mit einer hohen Testabdeckung erfordern eine bestimmte logische Architektur. Diese Architektur muss es ermöglichen, das die implementierte Fachlogik von außen, ohne Benutzeroberfläche, angesteuert werden kann. Darüber hinaus muss die Benutzeroberfläche frei von fachlicher Logik sein. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass Fehler in der Software bei erfolgreich durchgeführten Regressionstests nur noch in UI Elementen auftreten können - der manuelle Testaufwand wird auf diese Weise drastisch reduziert. Man mag nun einwenden, dass man ja auch Testwerkzeuge verwenden kann, welche direkt auf der Oberfläche ansetzen. Leider habe ich in vielen Projekten keinen überzeugenden Ansatz für das Testen mit solchen Tools gesehen. Dazu kommt, dass solche Tools nur dort eingesetzt werden können, wo die Oberflächentechnologie auch zur Verfügung steht. Wird z.b. unter Windows entwickelt und der Continuous Integration Server ist ein Linux Rechner ohne Benutzeroberfläche, so fällt dieser Ansatz flach. Zudem wird Fachlogik nicht ausschließlich durch Benutzeroberflächen angesteuert: Z.B Batch Jobs oder Webservices bieten ebenfalls Fachlogik an, die getestet sein will. Gute Software entsteht nur, wenn jeder Software Entwickler bemüht ist, Bestehendes zu verbessern und offensichtliche Schwachstellen zu korrigieren. Regressionstests geben Entwickler den dafür notwendigen Rückhalt: Vermeintliche Verbesserungen, die Fehler produzieren, werden sofort erkannt und können weiterentwickelt oder verworfen werden. Ohne diesen Rückhalt ist es fast unmöglich, Änderungen an bestehenden Komponenten vorzunehmen. Entwurf testbarer Architekturen Testfalldokumentation Desgin und Programmierung von Unit- und Integrationstests Aufbau und Pflege von Testumgebungen für Regressionstests mit den nachfolgend beschriebenen Techniken und Technologien Regressionstests auf Basis von JUnit und FIT als Unit- und Integrationstests Messung der Testabdeckung mit Cobertura und JaCoCo Einbindung der Tests in den Entwicklungsprozess via Maven und Eclipse sowie in Continuous Integration via Maven und Jenkins, Cobertura und JaCoCo Applides GmbH Betzenweg München Telefon Seite 7-10

8 Statische Code Qualität Ein zentrales Anliegen eines Qualitätsmanagement für Java Software ist die Überwachung von Abhängigkeiten logischer Layer und Komponenten: Wenn z.b. ein Entwickler aus einem Businessobjekt (Layer: Business logic) auf ein Textfeld (Layer: User interface) zugreift, zerstört er dadurch die Möglichkeit, dieses Businessobjekt in einem Regressionstest einzubinden, der ohne User Interface läuft. Die Abhängigkeiten haben außerdem einen sehr massiven Einfluss auf die Stabilität der Software: Änderungen an einer Komponente haben immer nur Auswirkungen auf die Komponenten, die von ihr abhängen. Geringe Abhängigkeiten zwischen den Komponenten macht es deshalb unwahrscheinlicher, dass Änderungen an einer Stelle zu Problemen an anderer Stelle führen. Die schon erwähnte Trennung fachlicher und technischer Aspekte ist ein weiterer wichtiger Grund, Abhängigkeiten zu managen. Statische Source Code Metriken helfen kritische Code Passagen zu finden (z.b. hohe Cylomatic Complexity) oder die Qualität der Software insgesamt zu bewerten. Darüber hinaus gibt es Java Coding Conventions, die eine einheitliche Struktur des Source Codes sicherstellen. Viele diese Coding Conventions werden projekt- und firmenübergreifend eingehalten, so dass es für neue Entwickler einfacher ist, bestehenden Sourcecode zu verstehen und weiterzuentwickeln. Zudem gibt es Does and don'ts guten Sourcecodes (z.b. vermeide leere catch-blöcke, nutze Java assert ), deren Beachtung die Stabilität und Wartbarkeit der Software deutlich erhöht. Alle die Aspekte sollten so weit wie möglich automatisch überprüft und durch Code Reviews ergänzt werden. Java Style Guide und Coding Conventions Auswahl statischer Source Code Metriken sowie Definition und Überwachung von Grenzen für diese Metriken. Entwurf und Überwachung zyklenfreier Architekturen Definition technischer Layer und fachlicher Komponenten sowie erlaubte Abhängigkeiten; Überwachung der Abhängigkeiten. Aufsetzen von Entwicklungsumgebungen zur Unterstützung der Java Entwickler Oracle/Sun Java Coding Conventions sowie entsprechende Eclipse Formatters Maven Plugin zur Überprüfung zyklenfreier Packages Sonar und Sonargraph zur Definition und Überprüfung erlaubter Abhängigkeiten Sonar mit Checkstyle, PMD und FindBugs zur Überprüfung statischer Source Code Metriken und Coding Conventions. Continuous Integration Continuous Integration stellt sicher, dass jederzeit eine getestete und somit lauffähige Version der Software vorliegt. Dahinter steckt einerseits der Gedanke, dass der Kunde jederzeit die Möglichkeit Applides GmbH Betzenweg München Telefon Seite 8-10

9 haben soll, den aktuellen Stand der Software zu begutachten und die daraus gewonnenen Erkenntnisse in die nächste Sprint Planung einfließen zu lassen. Anderseits soll damit vermieden werden, dass am Ende eines Meilensteins nichts Lauffähiges vorliegt: Wer kennt nicht das Phänomen, das alles implementiert ist, aber nichts funktioniert. Continuous Integration erfordert deshalb vom Projektleiter: Plane eine vertikale Entwicklung, keine horizontale, Entwicklung: Anforderungen werden in kleine Einheiten geteilt, die vollständig umgesetzt werden. Auf diese Weise entsteht bereits nach kurzer Zeit eine voll funktionsfähige Software mit einer sehr geringen Funktionalität, die Stück für funktional und technisch weiterentwickelt wird. Continuous Integration erfordert deshalb vom Build Manager: Sorge für einen Gesamtbuild, der aus dem Bestand des Sourcecode Repositories auf Knopfdruck ein auslieferbares Artefakt erzeugt. Sorge dafür, dass der Gesamtbuild alle automatiserten Regressionstests und alle automatisch überprüfbaren statischen Code Analysen ausführt. Führe diesen Gesamtbuild auf einem unabhängigen Rechner automatisch durch, sobald sich der Sourcecode im Repository ändert. Continuous Integration erfordert vom Software Entwickler: Sorge für eine hohe Testabdeckung und stelle sicher, dass alle Tests erfolgreich durchlaufen. Führe den Gesamtbuild auf dem Entwicklungsrechner aus, bevor der Sourcecode commited wird. Führe ein häufiges Commit des Sourcecodes in kurzen Abständen durch. Projekt- und Taskplanung unter Berücksichtigung fachlicher Prioritäten Aufbau, Dokumentation, Konfiguration und Pflege einer Continuous Integration Umgebung Schulung zum Thema Continuous Integration SCRUM Tasks, Planning und Review Maven Projekte und Multiprojekte, Gradle Builds, ANT Buildfiles Installation und Konfiguration von Jenkins und Sonar Releasebildung und Auslieferung Releasebilung und Auslieferung variieren je nach Anforderungen des Projekts. Alle Variationen sind aber im Wesentlichen Spielarten des folgenden Vorgehens: Ein Sprint endet mit der Erstellung eines Releases der Software: Im Source Code Repository gibt es einen Release Zweig der Software. Dieser Release Zweig ist fixiert. Dort werden keine Änderungen mehr durchgeführt. Aus diesem Release Zweig wird ein Gesamtbuild durchgeführt. Die dabei produzierte Version der Software wird an das Testteam und den Kunden Applides GmbH Betzenweg München Telefon Seite 9-10

10 ausgeliefert. Manuelle Tests und Reviews durch den Kunden werden mit dieser Version durchgeführt und die Ergebnisse werden in den nächsten Sprint eingearbeitet. Damit diese permanente Releasebildung funktioniert ist eine komplette Automatisierung des Releaseprozesses unabdingbar. Am Ende eines Meilensteins findet dasselbe Prozedere statt, mit dem Unterschied, dass die Software anschließend in Betrieb geht. Außerdem wird nun ein weiterer Bugfix Zweig der ausgelieferten Version erstellt. Dieser Bugfix Zweig dient der Beseitigung von Fehlern der installierten Software. Der Bugfix Zweig unterliegt denselben Release Regeln wie der Hauptentwicklungszweig. Bei einer Produktentwicklung können weitere Zweige für kundenspezifische Varianten des Produkt hinzukommen. Auch diese Zweige sollte wieder denselben Release Regeln wie der Hauptzweig unterliegen. Konzeption für Versionierung, Releasebildung und Verzweigung Automatisierung der Releasebildung und der Erzeugung der auslieferbaren Artefakte. Verzahnung der Releasebildung mit Entwicklungsumgebung und Continuous Integration Erstellung auslieferbarer Artefakte: Web Archive (war) mit Maven, Windows Executables mit launch4j, Windows Installationsskripte mit innosetup, Linux RPM Packages mit Maven CVS, Subversion oder GIT Struktur für Entwicklungs-, Release- und Bugfixzweige Maven Release Plugin für Projekte und Multiprojekte Releasebildung via Jenkins Applides GmbH Betzenweg München Telefon Seite 10-10

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