Vorlesung Softwaretechnologie

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1 Vorlesung Softwaretechnologie 2 Software-Entwicklungsprozesse SS 2014 TU Chemnitz Fakultät für Informatik Dr.-Ing. habil. Dirk Müller

2 Übersicht Einführung Software-Entwicklungsprozesse planlos: Code and Fix Monumentale Modelle sequenzielle Modelle, z. B. Wasserfallmodell V-Modell Agile Methoden iterative/evolutionäre Entwicklungsmodelle Spiralmodell Extreme Programming weitere Ansätze, z. B. Rational Unified Process Prozessanalyse und -modellierung Objekt-orientierte Analyse UML Entwurf Testen 2/43

3 Software-Lebenszyklus Abschaltung bzw. Ablösung Funktionale Angemessenheit Benutzbarkeit Leistungseffizienz Zuverlässigkeit Betrieb Start der Entwicklung Spezifikation Installation Kompatibilität Übertragbarkeit Änderbarkeit Änderbarkeit Entwurf Implemen tierung Funktionale Angemessenheit Benutzbarkeit Sicherheit Quelle: [Bal11], S. 1 f. 3/43

4 Code and Fix vorherrschend in 1950er und 1960er Jahren für Software mit mehreren Versionen, die im Team entwickelt wird, völlig unangemessen potenziell unendliche Schleife Abbruch bei Schwellwert Implementieren Test: Fehler? Fehlerbehebung [ja] einer Anzahl von Iterationen [nein] Probleme Struktur und damit Änderbarkeit Erfüllung der Anforderungen Kunst statt ingenieurmäßiges Vorgehen 4/43

5 Monumentale Modelle Begriff durch Martin Fowler geprägt auch: schwergewichtige Modelle detaillierte Beschreibung, wie Prozess- und Qualitätsziele erreichbar, incl. Struktur von Dokumenten klare konzeptuelle und zeitliche Trennung von Entwurf und Implementierung Metapher von Bauingenieurwesen und Maschinenbau übernommen Versprechen der Vorhersagbarkeit Quelle: [3] 5/43

6 Beispiel Brückenbau: Tower Bridge Bauplan Entwurf (Wettbewerb) Bau Quelle: Foto von DAVID ILIFF. Lizenz: CC-BY-SA 3.0 6/43

7 Softwareentwicklung monumental Modell in UML Entwurf Quelltext in Hochsprache Implementierung Kompilierung Assemblierung Bau (automatisch) 7/43

8 Neun-Stufen-Modell Nine-phase stage-wise model, Benington 1956 [1] sequenzielles Top-down-Modell streng, keine Rückkopplung Anwendung: Militär erstes computergestütztes US-Luftverteidigungssystem Semi-Automatic Ground Environment (SAGE) Anweisungen Geburt der Softwaretechnik aus Ingenieurwissenschaften übernommen Quelle: [1] 8/43

9 Wasserfallmodell Systemanforderungen Softwareanforderungen Analyse Entwurf Royce 1970 [2] Anwendung: Raumfahrt Codierung jetzt 7 Phasen mit Rückkopplung Testen Betrieb sequenzielles Modell mit lokaler Rückkopplung 9/43

10 Kritik am Wasserfallmodell Royce [2]: The testing phase which occurs at the end of the development cycle is the first event for which timing, storage, input/output transfers, etc., are experienced as distinguished from analyzed. [..] Either the requirements must be modified, or a substantial change in the design is required. In effect the development process has returned to the origin and one can expect up to a 100-percent overrun in schedule and/or costs. mangelnde Flexibilität bzgl. Anforderungen Änderung durch Fehler, die beim (späten) Testen gefunden Änderung durch Kunden oder Umgebung dokumentengetrieben, leicht für Management Kunde nur am Anfang einbezogen Vorschlag [2]: Erweiterung mit Iterationen 10/43

11 V-Modell Anwendungsszenarien Abnahmetest Testfälle Grobentwurf Testfälle ModulTestfälle implementierung Systemtest Integrationstest Verifikation Feinentwurf Validierung Anforderungsdefinition Modultest Qualitätssicherung wird integriert Verifikation: Korrektes Produkt? (bzgl. Spezifikation) Validierung: Richtiges Produkt? (bzgl. Nutzer) 11/43

12 V-Modell: Geschichte 1980er, Militär in BRD und USA: Projekte zu teuer, zu lang und liefern zu schlechte Qualität Ziele Reduzierung von Projektrisiken (Kosten + Zeit) Qualitätsgarantien Total Cost of Ownership (TCO) reduzieren (geringere Abhängigkeit von Drittanbietern durch Vergleichbarkeit) Transparenz durch Standardisierung BundeswehrV-Modell 1988 Entwicklungsstandard der Bundeswehr 1991 Ziviles V-Modell 1993 V-Modell V-Modell XT V-Modell XT XT: extreme tailoring, Anpassbarkeit Standardvorgehensmodell für IT-Projekte in D, A, CH 12/43

13 V-Modell XT: Struktur und erste Bewertung monumental Projektdurchführungsstrategie sehr viele Dokumente größte Ersparnis beim Wartungsaufwand PA Problem- und Änderungsmanagement Overhead zu groß für kleine Projekte Quelle: 13/43

14 Schwächen der Ingenieurs-Metapher Ing.-wesen SW-Erstellung Entwurf Kostenverteilung Entwurf Ing.wesen SWErstellg. 0 Bau (teuer, langwierig, vorhersagbar) Implementierung (unvorhergsagbar) Entwurf Bau gehören zusammen Bau Entwurf und Implementierung 50% incl. Codeund Modultests Bau 100% Quelle: [3] 14/43

15 Änderungen in den Anforderungen Anforderungen häufig nicht stabil unvollständig, nicht konkret genug widersprüchlich Änderung, da sich Kunde erst später bewusst wird, was er will Änderung durch neue Umgebung: Software, Technologien, Gesellschaft Tower Bridge ( ) Hafengebiete im East End mussten permanent verbunden werden und gleichzeitig Passage großer Schiffe ermöglichen kombinierte Hänge- und Klappbrücke aber: ab 1960er Verlagerung der Hafenanlagen flussabwärts SAGE ( ) Abwehr von sowjetischen Langstreckenbombern aber: ab 1957 Interkontinentalraketen als neue Bedrohung (30 min statt mehrere Stunden Flug) 15/43

16 Agile Methoden a gil <lat.-fr.;»leicht zu führen, beweglich«>: behände, flink, gewandt; regsam, geschäftig [7] Revolution: Manifest für eine agile SW-Entw [4] Einzelpersonen und Interaktionen wichtiger als Prozesse und Werkzeuge Lauffähige Software wichtiger als umfassende Dokumentation Zusammenarbeit mit dem Kunden wichtiger als Vertragsverhandlungen Reagieren auf Veränderungen wichtiger als das Befolgen eines Plans auch: leichtgewichtige Modelle/Methoden 12 Prinzipien, 17 Unterzeichner These days, to say that you're not agile is the equivalent of saying that you're not potent. (Ivar Jacobsen, 2006) Kompromiss aus keinem Prozess und zu viel Prozess wenig Dokumente, bis zu Der Code ist das Dokument. iterative Entwicklung, Prototypen, frühes + häufiges Testen 16/43

17 Manifest für eine agile Softwareentwicklung We are uncovering better ways of developing software by doing it and helping others do it. Through this work we have come to value: this declaration may be freely copied in any form, but only in its entirety through this notice. 17/43

18 12 Prinzipien der Agilen Allianz 1) Kundenzufriedenheit: frühe und kontinuierliche Auslieferung 2) Änderungen in den Anforderungen, auch späte, willkommen => Wettbewerbsvorteil des Kunden als Ziel 3) häufige Lieferung von lauffähiger SW, Periode mehrere Wochen bis mehrere Monate, lieber kürzere Periode 4) Manager und Entwickler arbeiten täglich zusammen 5) motivierte Mitarbeiter: Umgebung, Unterstützung und Vertrauen 6) direktes Gespräch als beste Methode, um zu informieren 7) lauffähige Software als primäres Fortschrittsmaß 8) nachhaltige Entwicklung zusammen mit Auftraggebern, Entwicklern und Benutzern 9) ständiges Streben nach technischer Perfektion und gutem Design 10)Einfachheit: unnötige Arbeit nicht tun 11)Selbstorganisation: beste Architekturen, Anforderungen und Entwürfe 12)Prozessverbesserung: regelmäßige Treffen, um effektiver zu werden Quelle: [4] 18/43

19 Inkrementelle und evolutionäre Modelle inkrementell Spezifikation Entwicklung Welches Teilprodukt als nächstes und wie? evolutionär Spezifikation Produkt Iteration [noch nicht OK] Entwicklung Evaluation [OK] Produkt Iteration [noch nicht OK] Evaluation [OK] sogar Ziele adaptiv 19/43

20 Prototypen Kunde wird sehr stark beteiligt schnelle und häufige Rückkopplung => Risikosenkung Demonstrations-Prototypen Quelle: Foto von BERT FORBES. Lizenz: CC-BY-3.0 werden dem Kunden präsentiert und mit ihm besprochen Beginn bei Teilen, die gut verstanden werden können bei Zufriedenheit als marktfähiges Produkt dienen Wegwerf-Prototypen dienen der experimentellen Prüfung von Hypothesen Beginn bei Teilen, die schlecht verstanden werden Vernachlässigung bestimmter Qualitätsanforderungen möglich 20/43

21 Horizontaler und vertikaler Prototyp Darstellung horizontaler Prototyp Dienste Datenzugriff vertikaler Prototyp (Durchstich) Quelle: Download am /43

22 Spiralmodell Barry Boehm 1988 Metamodell Risikoreduzierung als oberstes Ziel evolutionär, Prototypen möglich Abweichung vom Plan als Regel Qualitätssicherung integriert Was jetzt? Für wie lang? viel und anspruchsvoller Overhead (Risikomanagement) Quelle: [6] 22/43

23 Extreme Programming (XP): C3 Protagonisten: Kent Beck, Ward Cunningham, Ron Jeffries [8] C3-Projekt (Chrysler Comprehensive Compensation System) bei Chrysler: Lohnabrechnungssoftware, Programmiersprache Smalltalk 5 Werte von XP Altsystem in COBOL, ab 2000 wieder genutzt Smalltalk zu exotisch, Java war stark im Kommen Finanzierung abgebrochen (1998 Fusion Daimler + Chrysler) trotz des Misserfolgs: Geburtsstunde von Extreme Programming Modultests (unit tests) Design for Change umgesetzt, Veränderung ist normal 23/43

24 14 Prinzipien des XP 1) Menschlichkeit: Selbstverwirklichung + Sicherheit 2) Wirtschaftlichkeit: Projektabbruch bei Sackgasse 3) wechselseitiger Vorteil: Win-win-Situation für alle 4) Selbstähnlichkeit: Wiederverwendung 5) Verbesserung: keine Zufriedenheit 6) Mannigfaltigkeit: Vielfalt als Chance für Verbesserung 7) Reflexion: aus Fehlern lernen 8) Fluss: kontinuierliche Entwicklung 9) Gelegenheit: Probleme als Chance 10)Redundanz: nicht im Quellcode, aber im Prozess 11)Fehlschlag: aus Fehlern lernen 12)Qualität: Stolz, Identifikation mit Produkt 13)Babyschritte: Risiko reduziert 14)akzeptierte Verantwortung: Story => Entwurf, Impl. + Test 24/43

25 13 Primärpraktiken des XP 1) beieinander sitzen: alle in 1 Raum 2) vollständiges Team: fachl./techn. Wissen intern, ) informative Arbeitsumgebung: Aushänge über Fortschritt 4) energiegeladene Arbeit: Engagement bei allen 5) Paarprogrammierung: Entwicklung immer zu zweit 6) Storys: Anforderungen als informelle Geschichten 7) Wochenzyklus: Iteration Timeboxing 8) Quartalszyklus: Release 9) Freiraum: Zeit für Weiterbildung während (!) des Projekts 10)Zehn-Minuten-Build: jederzeit ausführbare Version mgl. 11)fortlaufende Integration: ermöglicht Test durch ges. Team 12)Test vor Programmierung: erst Testfälle, dann Code 13)inkrementeller Entwurf incl. Refactoring: Anforderungen 25/43

26 11 Folgepraktiken des XP 1) echte Kundenbeteiligung: Kunde/Nutzer mit im Team 2) inkrementelle Auslieferung: bereits Einsatz beim Kunden 3) Team-Kontinuität: Personalwechsel vermeiden 4) schrumpfende Teams: höhere Produktivität 5) Hauptursachen-Analyse: nicht nur Symptome 6) gemeinsamer Code: jederzeit Verbesserungen durch alle 7) Code und Tests: als Dokumentation 8) eine Codebasis: Zweige nur temporär 9) tägliche Auslieferung: jede Nacht an Kunden 10)Vertrag mit aushandelbarem Umfang: Zeit, Kosten, Qualität fest, aber Funktionsumfang variabel 11)Bezahlung nach Benutzung: Gewinnbeteiligungsmodell 26/43

27 Paarprogrammierung Fahrer mit Maus und Tastatur Beifahrer beobachtet und kommentiert häufiger Rollenwechsel Teambildung dynamisch bessere Qualität eine Art kontinuierliche Inspektion schneller Quelle: Foto von Lisamarie Babik. Lizenz CC-BY-2.0 Qualität + 15% aber: zunächst höherer Aufwand (Personenstunden) Zeit - 15% Kosten + 50% 27/43

28 Testgetriebene Entwicklung Tests vor Implementierung schreiben implizit Schnittstelle und Spezifikation Mehrdeutigkeiten/Lücken in Spezifikation besser erkennbar schrittweise Entwicklung von Tests aus Storys Tests schreiben alle Tests pos. Refactoring min. 1 Test neg. Implementierung Kunden-Einbeziehung in Testentwicklung und Validierung Testautomatisierung mit Test-Harnischen Testausführungs-Engine Testdaten-Repository (Testskripte, Testprogramme) unterstützt hervorragend Refactoring (Strukturverbesserung unter Verhaltensgleichheit) Paradigmenwechsel, schwer zu erlernen Kompensation für fehlende Entwurfsphase Quelle: [Som10] 28/43

29 Bewertung von XP Passende Antwort auf Problem der sich ändernden Anforderungen während der Entwicklung Risikoreduzierung Abwurf unnötigen Ballasts, Konzentration auf Kerngeschäft Code Mensch im Mittelpunkt (Entwickler, Kunden, Nutzer) Entwicklungspraktiken sehr konkret Überlegenheit einiger Praktiken umstritten Code und Tests als Dokumentation Arbeitsweise (1 Raum, Paarprogrammierung, etc.) Tests vor Programmierung Skalierung auf große Projekte? Timeboxing mit Wochen- und Quartalszyklus ambitioniert Quelle: [Bal08], S /43

30 Scrum (1/2) Ken Schwaber 1995 Gedränge bei Spielneustart im Rugby, agiles Projektmanagement Selbstorganisation in kleinen Teams Quelle: (bis 10 Leute) Foto von PierreSelim. Lizenz: CC-BY-SA-3.0 Ideen aus Automobilbranche Säulen [9] Transparenz: Fortschritte und Herausforderungen zeigen Überprüfung: Produktfunktionalitäten periodisch geliefert + geprüft Anpassung: zu große Abweichungen => sofortige Änderung 30/43

31 Scrum (2/2) fachliche und technische Anforderungen: Product Backlog Timeboxing Meeting 15 min Was hast Du gestern getan? Was hast Du heute zu tun? Schwierigkeiten? Sprint Review Meeting Demonstration der implementierten Funktionalität Folien sind verboten Retrospektive mit Verbesserungsvorschlägen 31/43

32 Crystal-Familie Alistair Cockburn 2001: Bausteinkasten von Prozessen Schlüsselerfolgsfaktoren: Kommunikation + Teamgeist Kriterien für Auswahl des angemessenen Prozesses Kritikalität (Welcher Verlust droht beim Scheitern?) L Leben, E essenzielles Geld, D frei verfügbares Geld, C Komfort Teamgröße (-6, -20, -40, -100, -200, -500, -1000): Art der Komm. Priorität im (erweiterten) magischen Dreieck kurze Entwicklungszeit, minimale Kosten, Einhaltung gesetzlicher Vorgaben L L6 L20 L40 L100 L200 L500 L1000 E E6 E20 E40 E100 E200 E500 E1000 D D6 D20 D40 D100 D200 D500 D1000 C C6 C20 C40 C100 C200 C500 C1000 Crystal Yellow Crystal Orange Crystal Red Crystal Red Crystal Crystal Magenta Blue Methode Crystal Clear 32/43

33 Crystal Clear für C6- und D6-Projekte Kommunikation in einem Raum evtl. auch für E6 und D20 Kommunikation und Testen müssen beachtet werden wesentliche Unterschiede zu XP Quelle: Foto von Piotr Włodarczyk, Lizenz: CC-BY-SA-2.0 Endnutzer (statt Kunde) wird direkt einbezogen Dokumentation ist Pflicht, aber Art muss ausgehandelt werden Konfigurations- und Versionsmanagement Wechsel zwischen XP und Crystal Clear möglich Crystal Clear ist weniger produktiv als XP, da weniger strikt, aber auch leichter zu befolgen 33/43

34 Weitere Ansätze: komponentenbasiert Komponente: Softwarebaustein mit semantisch zusammengehörender Funktionalität, die nach außer über Schnittstellen genutzt werden kann zielt auf Wiederverwendbarkeit Bottom-up-Methode Zeit- und Kostenminimierung (auf lange Sicht) als Ziel Probleme (Aufwand und Qualität) Suche, Anpassung (glue code) und Integration von Komponenten ungenutzter Code als Ballast heterogener Verbund von SW, schwer zu testen, warten, pflegen Kompromisse bei Anforderungen 34/43

35 Weitere Ansätze: Rational Unified Process (1/2) Grady Booch, Ivar Jacobson, James Rubaugh 1999 Firma Rational Software (Kauf durch IBM) für objektorientierte und modellbasierte SW-Entwicklung, eng mit UML verbunden Konzeption ganzer Baukasten oder Framework von Methoden und Prozessen monumental/ schwergewichtig SW-Verteilung als explizite Aktivität 35/43

36 Weitere Ansätze: Rational Unified Process (2/2) flexibel und anpassbar, aber schwer erlernbar Test C : Rational Unified Process v7.0: 75 min für 52 Fragen, von denen 32 richtig sein müssen Quelle: Best Practices iterative Entwicklung Qualitätsmanagement mit Schwerpunkt Testen komponentenbasierte Architektur visuelle Modellierung mit UML Änderungsmanagement Anforderungsmanagement (Kunde/Nutzer bestimmt) Martin Fowler: It's struck me that the desire of people to market the RUP as the single process led to a result where people can do just about anything and call it RUP resulting in RUP being a meaningless phrase. [3] 36/43

37 Weitere Ansätze: Produktlinien Wiederverwendung eines gemeinsamen Kerns, dann Customization zu einer Variante Plattformen (Betriebssysteme) Technologien, z. B. Kommunikationssysteme Globalisierung (Sprachen, Maß- und Währungssysteme, Gesetze) Anforderungen (z. B. Bibliothekstyp: Uni- oder Referenzbibliothek) schnell und flexibel, aber Anfangsaufwand für Entwicklung der generischen Software mittels eines Domänenmodells Produktivität steigt mit Anzahl der Varianten, Rentabilitätsschwelle passt sehr gut zu modellgetriebener SW-Entwicklung typische Branchen: Versicherungen, Banken, Telekommunikation 37/43

38 Zusammenfassung: monumental vs. agil Monumentales Modell vorhersagbarer Prozess prozessorientiert formale Kommunikation umfangreiche, formale Doku kein Timeboxing Kunde nur am Anfang und Ende einbezogen Festpreisauftrag Teamgröße über 50 Agiles Modell adaptiver Prozess menschen- und teamorientiert informelle Kommunikation Code und Tests als min. Doku häufig Timeboxing Kunde durchgehend in Entwicklung einbezogen Auftrag nach Aufwand Teamgröße bis 50 Quelle: basiert auf [Bal08], S /43

39 CHAOS-Report 2011: Wasserfall vs. agil Wasserfall-Prozess 14% Agiler Prozess 9% 29% 42% 57% 49% erfolgreich (Zeit- und Kostenplan eingehalten, alle Features) problematisch (Zeit- oder Kostenüberschreitung oder weniger Features) gescheitert (abgebrochen oder ausgeliefert, aber nie genutzt) Quelle: [10] 39/43

40 Kritik am CHAOS-Report schlank, alles bzgl. Wert für Kunden z.b. RUP Code and Fix Wasserfall Lösung mit akzeptabler Abweichung von Zielen keine Lösung Quelle: [11] Lösung mit inakzeptabler Abweichung von Zielen 40/43

41 Quelle: [11] 41/43

42 Zusammenfassung: Geschichte und Trends Grad der Planung Agilität Code and Fix Ingenieurs-Metapher 1956, 1970 Agile Modelle z.b. XP, Scrum, Crystal Clear Monumentale Modelle z.b. V-Modell XT, RUP Agiles Manifest 2001 Abmagerung Erweiterung Hybride Modelle? 42/43

43 Literatur [1] Benington HD, Production of Large Computer Programs, Proc. Symp. on Advanced Computer Programs for Digital Computers', June Republ. in Annals of the History of Computing, Oct. 1983, pp [2] Royce, Winston W. "Managing the development of large software systems." Proc. of IEEE WESCON. Vol. 26. No [3] Martin Fowler, The New Methodology, 2005, Download am , [4] Download am [5] Craig Larman, Victor R. Basili, Iterative and Incremental Development: A Brief History, Computer, vol. 36, no. 6, pp , June, 2003 [6] Boehm, B.W., A spiral model of software development and enhancement, Computer, vol.21, no.5, pp.61,72, May 1988 [7] Duden - Das Fremdwörterbuch, 8. Aufl. Mannheim 2005 [CD-ROM] [8] Kent Beck and Cynthia Andres Extreme Programming Explained: Embrace Change (2nd Edition). Addison-Wesley Professional. [9] Ken Schwaber and Jeff Sutherland: The Scrum Guide, https://www.scrum.org/scrum-guide, Download am [10] The Standish Group (Hrsg.): Chaos Manifesto - The Laws of CHAOS and the CHAOS 100 Best PM Practices S. 25. [11] Scott Ambler: The Non-Existent Software Crisis: Debunking the Chaos Report, Dr. Dobb's, 43/43

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