Grundlagen der Programm- und Systementwicklung

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Mina Kramer
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1 Grundlagen der Programm- und Systementwicklung Technische Universität München Institut für Informatik Software & Systems Engineering Prof. Dr. Dr. h.c. Manfred Broy Unter Mitarbeit von Dr. Maria Spichkova 1

Informatik Software & Systems Engineering Prof. Dr.

2 Vorlesungsplanung (siehe Webseite) Grundbegriffe und Definitionen, Bedeutung und Stellenwert Kernaufgaben, Aktueller Stand der Forschung und Praxis Themen Daten und Rechenstrukturen Konzepte Spezifikation Verifikation von Eigenschaften Funktionale Programme Konzepte Spezifikation Verifikation von Eigenschaften Anweisungs- und objektorientierte Programme Spezifikation Verifikation von Eigenschaften Referenzen und Zeiger 2

Spezifikation Verifikation von Eigenschaften Funktionale Programme Konzepte Spezifikation Verifikation

3 Grundlegende Begriffe 3

4 Wissenschaftliche Grundlagen Konzepte, Modelle, Strukturen von Software Beschreibungsmittel Notationen, Formalismen Tabellen, Diagramme Spezifikationssprachen und algorithmische formale Sprachen (Programmiersprachen) Theorien Regeln Kalküle, Logiken, Methoden, Entwicklungsprozesse für Datenstrukturen, Programme und Systeme... 4

Spezifikationssprachen und algorithmische formale Sprachen (Programmiersprachen)

5 Programmierung vs. Programmentwicklung Programme Beschreibungen von Daten und Algorithmen (+ Interaktion mit der Umgebung ) formale Syntax (Sprache) Programmierung Prozess der Erstellung von Programmen Programmentwicklung Prozess der Erstellung von Programmen (= Programmierung) Dazu anfallenden Tätigkeiten (die über die reine Erstellung des Programmtextes hinausgehen) 5 5

Umgebung ) formale Syntax (Sprache) Programmierung Prozess der Erstellung von Programmen

6 Software Softwaresystem besteht aus der Gesamtheit von Programmen und Daten, die eine ausführbare Einheit auf einem Rechensystem zur Lösung einer Aufgabe bilden. Datenmodellierung: Beschreibung von Daten und Operationen darauf Rechenstrukturen Modellierung von Rechenvorschriften und Algorithmen: Funktionale Programmstrukturen Prozedurale Programmstrukturen Objektorientierte Programmstrukturen 6

Datenmodellierung: Beschreibung von Daten und Operationen darauf Rechenstrukturen Modellierung von

7 IT-Systeme IT-Systeme Rechnerhardware + Software weitere elektronische oder elektromechanische Bestandteile (Übertragungseinheiten, Sensoren, Aktuatoren) Peripherie Nutzerschnittstelle / umgebende organisatorische Prozesse 7

Bestandteile (Übertragungseinheiten, Sensoren,

8 Theoretische/Methodische Aspekte Syntax und Semantik von Datenstrukturen Berechenbarkeit, Komplexität, effiziente Algorithmen formale Spezifikation Theoretische von Daten- und Themen Rechenstrukturen logische Verifikation... Programmiernotationen und -sprachen Datenstrukturen und ihre logischen Eigenschaften Schnittstellenbildung, Schnittstellenbeschreibung, Modularität, Modellbildung in der Programmentwicklung Methodische Themen Verbergen von Implementierungsinformation (Information Hiding) Abstraktionsebenen Schrittweise Verfeinerung, Top-Down-Entwicklung... 8

.. Programmiernotationen und -sprachen Datenstrukturen und ihre logischen Eigenschaften Schnittstellenbildung, Schnittstellenbeschreibung,

9 Themen- und Aufgabenkomplexen Aufbau von kleineren Softwarebausteinen Datenstrukturen, Module und Komponenten Entwicklung der Algorithmen Implementierungen für Datenstrukturen Im Vordergrund : Ablauf- und Kontrollstrukturen Struktur der Daten und der charakteristischen Funktionen Entwickeln und Programmieren im Kleinen Erfassung aller Anforderungen (Requirements Engineering) Aufbau großer Softwaresysteme (Softwarearchitektur) Fragen der Vereinheitlichung der Struktur und der Modularisierung (Datenmodellierung, Entwickeln und Schnittstellen), Programmieren im Großen Qualitätssicherung (Validierung, Verifikation, Test), Wiederverwendung (Produktlinie)... 9

Erfassung aller Anforderungen (Requirements Engineering) Aufbau großer Softwaresysteme (Softwarearchitektur) Fragen der Vereinheitlichung der Struktur und der

10 Praxis? 10

11 Software Engineering Software Engineering bezeichnet das ingenieurmäßige Vorgehen bei der Entwicklung von Softwaresystemen Zentrale Themen Entwickeln im Großen Vorgehensmodell (Prozess, Artefakte, Organisation) Projektorganisation und management Anforderungen (fachlich, technisch) Architektur Implementierung Integration und Verifikation Evolution und Wartung 11

(Prozess, Artefakte, Organisation) Projektorganisation und management Anforderungen

12 Praxis: V-Modell 12

13 Qualitätssicherung Validierung: Sicherstellung und Überprüfung der Angemessenheit der formalen Modellierung und Anforderungsspezifikation in Bezug auf die informelle Problemstellung Verifikation: Nachweis, dass das Ergebnis eines Programmentwicklungsschritts der vorgegebenen formalen Spezifikation entspricht 13

Bezug auf die informelle Problemstellung Verifikation: Nachweis, dass das

14 Vorgehensmodell Methodischer Rahmen für die systematische Entwicklung von Programmen Entwicklungsregeln zur Durchführung von Entwicklungsschritten Konzept, das die Schritte im Programmentwicklungsprozess in eine sinnvolle Reihenfolge bringt Top-Down Anfang: Umfassende, abstrakte Problemstellung Prozess: Zerlegung der Aufgabe in Teilaufgaben Ende: Einzelaufgaben, die für sich gelöst werden können. Bottom-Up Zwei Vorgehensweisen: Top Down Anfang: Vorgegebene oder erarbeitete Lösungen für kleine Einzelaufgaben Bottom Up Prozess: Schrittweise Zusammensetzung Ende: Lösung für die Gesamtaufgabe. 14

Prozess: Zerlegung der Aufgabe in Teilaufgaben Ende: Einzelaufgaben, die für sich gelöst werden können.

15 Top-Down Qualitätssicherung -schritte 15

16 Im Zentrum der Vorlesung: Fundierte Methodik Modellierung Formal Spezifikation Verfeinerung Eigenschaften Formal Verifikation Korrektheit Terminierung Daten- und Rechenstrukturen Programme Funktional Prozedural Objektorientiert 16

Verifikation Korrektheit Terminierung Daten- und

17 Grundprinzipien der Software- und Systementwicklung Die wesentlichen Grundprinzipien der Software- und Systementwicklung umfassen folgende Konzepte und Prinzipien: systematisches Vorgehen strukturiert durch Meilensteine, Trennung von Problem und Lösung, von Spezifikation und Realisierung (Abstraktion und Schnittstellenbildung), Dekomposition von Problemen in Teilprobleme (Divide-and-Conquer), Verstecken von Realisierungsdetails (Information Hiding), Schrittweise Verfeinerung (Stepwise Refinement), Strukturiertes Programmieren (Structured Programming), Qualitätssicherung durch Verifikation des Entwicklungsergebnisses (Formal Verification). 17

Schnittstellenbildung), Dekomposition von Problemen in Teilprobleme (Divide-and-Conquer), Verstecken von Realisierungsdetails (Information Hiding), Schrittweise

18 Strukturierung und Abstraktion Strukturierung Gliederung der Aufgabenstellung und der Erarbeitung der Lösung Strukturierung der Vorgehensweise (dem Vorgehensmodell) Strukturierung der Ergebnisse/ Modelle/ Beschreibungen/ Programme Abstraktion Elimination unwesentlicher Details Konzentration auf die Kerneigenschaften Buch: Gliederung Abstraktionsebenen Ebenen unterschiedlichen Detaillierungsgrads Verfeinerung 18

Beschreibungen/ Programme Abstraktion Elimination unwesentlicher Details Konzentration auf die

19 Black/White Box View Schnittstellensicht (Nutzungssicht, Zugriffssicht, funktionale Sicht, engl. Black Box View) zeigt das Programm oder System als eine funktionale Einheit (ohne Berücksichtigung seines strukturellen Aufbaus) in seiner Wirkung nach außen Implementierungssicht (Realisierungssicht, engl. Glass Box View, White Box View), berücksichtigt die innere Gliederung und den Aufbau eines Programms oder Systems (etwa seine Gliederung in Anweisungen oder seine Unterteilung in Komponenten und die Vernetzung der Komponenten) Abstraktion Information Hiding 19

Wirkung nach außen Implementierungssicht (Realisierungssicht, engl.

20 Schnittstelle (nach DIN 44300) Eine Schnittstelle ist der gedachte oder tatsächliche Übergang an der Grenze zwischen zwei Funktionseinheiten mit den vereinbarten Regeln für die Übergabe von Daten oder Signalen. Syntaktische Schnittstelle syntaktisch fehlerfreie Benutzung der Einheit Semantische Schnittstelle (Verhaltensschnittstelle, Nutzungsschnittstelle) Verhalten der Einheit (für den sinnvollen und korrekten Gebrauch) Schnittstellenabstraktion Kapselung/ Verbergen der für die Nutzung nicht relevanten Information 20

Syntaktische Schnittstelle syntaktisch fehlerfreie Benutzung der Einheit Semantische Schnittstelle (Verhaltensschnittstelle,

21 Modellbildung Modell: Vereinfachtes Abbild eines Ausschnitts der realen oder gedachten Welt Domänenmodell Abbild eines Ausschnitts der realen oder gedachten Welt des Anwendungsgebiets als Grundlage für die Problemspezifikation oder die Problemlösung Systemmodell Modellierung des Softwaresystems, seiner Struktur und seines Verhaltens als Grundlage für die Strukturierung und Formulierung der Lösung einer Entwicklungsaufgabe in Form eines Softwaresystems oder dessen Analyse 21

22 Zu Modellen Beschreibung des Modells Syntax (Text, Graphik, Formeln) Modellierungskonzept Formalisierungsgrad Durch das Modell beschriebene Eigenschaften Validität Gibt das Modell die Eigenschaften des modellierten Gegenstands korrekt wieder Komponierbarkeit Lassen sich Modelle/Modellteile zu größeren zusammensetzen Handhabbarkeit Verständlichkeit Aufwand bei der Erstellung Änderbarkeit Automatisierbarkeit 22

23 Modellbildung: Wofür? Modellbildung als Teil der Problemlösung: Beispiel Quizsendung: 3 gegebenetore (A, B, C) Gewinn: ein Auto Der Kandidat kann ein Auto gewinnen, wenn er von drei gegeben verschlossenen Toren A, B und C dasjenige Tor errät, hinter welchem sich das Auto befindet. Um den Ablauf spannender zu machen, läuft diese Auswahl wie folgt ab: Zuerst darf sich der Kandidat für eines der drei Tore entscheiden. Der Quizmaster öffnet darauf von den verbleibenden zwei Toren eines, hinter dem sich das Auto nicht befindet. Es verbleiben also noch zwei verschlossene Tore, hinter einem von denen das Auto steht. Nun erhält der Kandidat erneut die Möglichkeit, unter den verbleibenden zwei Toren zu wählen. 23

24 Modellbildung: Wofür? Mögliche Strategien 1. Spieler wählt eingangs ein Tor und revidiert diese Wahl später nicht. 2. Spieler wählt eingangs ein Tor und wählt dann frei unter den verbleibenden Toren. 3. Spieler wählt eingangs ein Tor und revidiert später seine Wahl und wählt somit das andere verbleibende Tor. 24

25 Modellbildung: Wofür? Strategie 1 A B C 1/3 Strategie 2 A B C 1/2 Strategie 3 A B C 2/3 25

26 Abschließende Bemerkungen Historie Denotationelle Semantik Zusicherungslogik Strukturierte Programmierung Abstrakte Datentypen Funktionale Programmiersprachen Modellierungssprachen 26

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