Gabriele Taentzer Philipps-Universität Marburg Wintersemester 2014/15

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1 Einführung in die Softwaretechnik Gabriele Taentzer Philipps-Universität Marburg Wintersemester 2014/15

2 Organisation der LV Umfang: 4 SWS, 6 ECTS Punkte Veranstalter: Gabriele Taentzer, Daniel Strüber und Tutoren Kontakt: taentzer@informatik.uni-marburg.de, Raum D5434, Tel: strueber@informatik.uni-marburg.de, Raum: D5432, Tel: Termine: VL: Di 14 16h, Seminarraum 04A30 UE: Mi h h, Raum 03C52 (nur eine Übung auswählen) Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 2

3 Organisation der LV LV ab 3. Semester Voraussetzung: Grundvorlesungen in Praktischer Informatik I + II Scheinkriterien: Übungsaufgaben Abschlussklausur am , h Homepage der LV: Kopien der Folien, Literaturhinweise, Übungen Anmeldung: Anmeldung über das LSF-System Online Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 3

4 Lehrveranstaltungsstil Konzeptvermittlung durch Folien und Literatur Folienkopien sind auf der Homepage verfügbar, kleinere Abweichungen (insb. Korrekturen) sind möglich Beispiele häufig an der Tafel Zwischenfragen und Kommentare während der Vorlesung sind grundsätzlich erwünscht. Tutorien: Praktische Übungen, auch am Rechner Übungen speziell für das Tutorium Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 4

5 Lernziele Überblick über Softwareentwicklungsprozesse Grundverständnis für die wesentlichen Aufgaben während der Softwareentwicklung Grundkenntnisse im Entwurf von Softwaresystemen mit der Unified Modeling Language Vertiefung der Kenntnisse in objektorientierter Programmierung in Java Grundkenntnisse in der Qualitätssicherung, insbesondere Testen, von Softwaresystemen Grundverständnis für die in der LV vorgestellten Werkzeuge, durch Übungen vertieft Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 5

6 Inhalt Einführung in die Softwaretechnik: Probleme, Prozesse und Techniken der Softwareentwicklung Kontinuierliche Softwareentwicklung Versions- und Konfigurationsmanagement Anforderungsanalyse für Softwaresysteme Softwareentwurf: Modellierung der wesentlichen Aspekte SW-Architekturen, Entwurfsmuster und Komponenten OO-Konzepte für Fortgeschrittene Software-Qualitätssicherung: speziell Testen von Softwaresystemen Software-Evolution Projektmanagement Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 6

7 Einführung in die Softwaretechnik 14. Oktober 2014

8 Überblick Bestandsaufnahme Wie haben wir bisher Softwaresysteme entwickelt? Welche Arten von Softwaresystemen gibt es? Welche Probleme können auftreten? Welche Prozesse/Verfahren zur Softwareentwicklung gibt es? Welche Aufgaben gibt es und wie können diese strukturiert werden? Wie kann die Arbeit einer größeren Gruppe von Entwicklern koordiniert werden? Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 8

9 Bestandsaufnahme Welche Softwaresysteme haben Sie bisher entwickelt? Wie groß sind diese? Von welcher Art sind diese? Wie lange haben Sie entwickelt? Allein oder im Team? Wie haben Sie die Anforderungen herausgefunden? Wie haben Sie die Software entworfen? Wie haben Sie implementiert? Mit welcher Programmiersprache? Mit einer Entwicklungsumgebung? Wie haben Sie die Software getestet? Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 9

10 Softwaretechnik: Herkunft und Einordnung Softwaretechnik (engl.: Software Engineering) ist ein etabliertes Teilgebiet der Informatik. Der Name Software Engineering wurde Ende der 1960-er Jahre geprägt. Er war als Antwort auf die damals aufkommende Rede von der Software-Krise gemeint. Innerhalb der Softwaretechnik befasst man sich mit der Konzeption und Herstellung von Softwaresystemen und den dazu eingesetzten Methoden und Werkzeugen (Softwareentwicklung) mit der Planung, Steuerung und Überwachung von Softwareprojekten (Softwareprojektmanagement) mit der Herstellung und Prüfung von Softwarequalität (Softwarequalitätssicherung) Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 10

11 Eine der ersten Erwähnungen der Softwarekrise [Die Hauptursache für die Softwarekrise liegt darin begründet,] dass die Maschinen um einige Größenordnungen mächtiger geworden sind! Um es ziemlich einfach auszudrücken: Solange es keine Maschinen gab, war Programmierung kein existierendes Problem; als wir ein paar schwache Computer hatten, wurde Programmierung zu einem geringen Problem, und nun da wir gigantische Computer haben, ist die Programmierung ein ebenso gigantisches Problem. Edsger Dijkstra: The Humble Programmer (1972) ( Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 11

12 Beispiele von Softwaresystemen Eingebettete Systeme Robotersteuerungen Echtzeit-Anwendungen (z.b. in Flugzeugen und Autos) mobile Systeme Daten- und Informationssysteme Systeme im Bank- und Versicherungswesen, im Verkehr, in der Touristik und in öffentlichen Verwaltungen Webanwendungen Softwaremanagementsysteme Programmierumgebungen, Versionsverwaltungssysteme Textsysteme und Office-Anwendungen Wissensbasierte Systeme Beratungs- und Expertensysteme, Lehr- und Lernsysteme Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 12

13 Spezielle Eigenschaften von Softwaresystemen Komplexität übertrifft die vieler anderer technischer Systeme Repräsentation von "Realwelt"-Systemen Software soll "Abbild" realer Strukturen und Abläufe herstellen, adäquate Ergebnisse liefern, simulieren, "reale" Vorgänge steuern Universalität: fast alles ist programmierbar ( Turingmaschine) Schnelle Innovationszyklen neue Probleme und neue Technologien in schneller Abfolge Fehler- und Störungsanfälligkeit besonders hoch wegen der Universalität und hoher Innovation Übertriebene, unrealistische Anforderungen führen z.t. zu Megaprojekten, mit hohen Risiken und Verlusten, sowie unnötigen Verkomplizierungen von Lebensvorgängen Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 13

14 Programmieren im Kleinen und im Großen In der Softwaretechnik geht es um das "Programmieren im Großen", d.h. um Methoden und Werkzeuge für die Entwicklung großer Softwaresysteme und für die Lösung komplexer Programmieraufgaben. Im Laufe der 1950/60-er Jahre waren Umfang und Komplexität von Programmieraufgaben dramatisch angewachsen. Man begann, von der "Software-Krise" zu sprechen. In den 1970-er Jahren stellten DeRemer und Kron die wesentlichen Charakteristika von "kleinen" und "großen" Programmieraufgaben grundsätzlich einander gegenüber und leisteten damit einen Beitrag zum Selbstverständnis der entstehenden Softwaretechnik. Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 14

15 Programmieren im Kleinen/ im Großen: Unterschiede Die folgende Tabelle zeigt einige charakteristische Unterschiede von Programmierprojekten im Kleinen bzw. im Großen: LoC: Lines of Code BJ: Bearbeiterjahr(e) Programmieren Softwaresysteme Komponenten/Module Aufwand Dauer Entwickler Projektmanagement Qualitätskontrolle Werkzeuggebrauch im Kleinen klein (<= ca LoC) wenige (<= 3) klein (<= 0,5 BJ) kurz (<= 1/2 Jahr) wenige (<= 3) kaum benötigt (selbstorganisierend) spontan, nach Bedarf vereinzelt, isoliert im Großen groß (> ca LoC) viele (> 10) groß (> 2 BJ) lang (> 1 Jahr) viele (> 10) notwendig: Planung, Synchronisation, Kontrolle etc. systematisch, geplant unentbehrlich, integriert Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 15

16 Softwaretechnik als Ingenieurdisziplin Als Ursachen der Software-Krise wurden seinerzeit u.a. erkannt: - unsystematisches, "künstlerisches" Programmieren, - fehlende oder unzureichende Zielsetzung, Planung, (Gesamt)Konzeption, - isolierte Arbeitsweise, individualistische Lösungen. Software Engineering versteht sich ausdrücklich als Ingenieursdisziplin. Damit möchte man u.a. erreichen: - überschaubare Projekt-, System- und Programmstrukturen, - systematisches, geplantes und kontrolliertes Vorgehen, - ökonomischen und effizienten Einsatz der Ressourcen (Menschen und Arbeitsmitteln), - nachvollziehbare und auf Andere übertragbare Dokumentation, - systematische Verfahren und Maßnahmen zur Qualitätssicherung, - flexibles, den Herausforderungen gewachsenes Projektmanagement. Nach heutigem Verständnis sind jedoch neben dem Ingenieursaspekt auch andere Aspekte maßgeblich, insbes. wirtschaftliche und psychologische. Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 16

17 Softwareentwicklung: Prinzipielle Schritte Welt der Benutzer Analyse & Definition Installation, Betrieb & Wartung Welt der Modelle Integration, Tests Entwurf Welt der Maschine Der Weg durch die SW-Entwicklung Implementierung Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 17

18 Vorgehensmodelle für die Softwareentwicklung

19 Überblick In einem größeren Softwareprojekt ist für einen längeren Zeitraum die Arbeit einer größeren Gruppe von Entwicklern zu koordinieren. Wie strukturiert man ein Softwareprojekt? Welche Arbeiten müssen koordiniert werden? Welche Vorgehensmodelle gibt es für die Softwareentwicklung? Diskussion anhand von konkreten Softwareprojekten Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 19

20 Auftragsprojekt Bewertung der Qualität von Lieferanten Eine größere Softwarefirma wird von einem Kunden aus der Maschinenbaubranche beauftragt, ein neues Softwaresystem zur Bewertung und kontinuierlichen Beobachtung von Lieferanten zu entwickeln. Wesentliche Funktionalität: Bewertung der Termin- und Mengentreue der Lieferanten Management von Eskalationsmaßnahmen mittelgroßes Projekt (ca SW-Entwickler/-innen) Die Kundenseite wird durch eine Firma vertreten. Die Auftragsabwicklung ist in der Hand einer SW-Firma. Ein Legacy-System mit Lieferantendaten ist vorhanden. Die Firma hat die Bewertung bisher auf dem Papierweg erledigt. Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 20

21 Auftragsprojekt egovernment Die Bundesregierung schreibt die Entwicklung eines neuen Softwaresystems aus, mit dem es möglich werden soll, Behördengänge elektronisch abzuwickeln. Das System soll bundesweit eingesetzt werden. Wesentliche Funktionalität: vollständig elektronische Abwicklung typischer Behördengänge, wie sie z.b. im KfZ-Wesen, Rentenwesen, etc. auftreten sehr großes Projekt (20-30 Einzelprojekte pro Jahr) Die Kundenseite wird durch die Bundesregierung vertreten. Die Auftragsabwicklung ist zweigeteilt: Anforderungsspezifikation Ausschreibung für die Realisierung der Software Die Ämter haben bisher einen kombinierten Arbeitsprozess. Anträge und Benachrichtigungen in Papierform Bearbeitung und Verwaltung in einem älteren System Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 21

22 Open-Source-Entwicklung im Kontext von Eclipse Die Eclipse Cooperation startet verschiedene Eclipse-Projekte, in denen Entwicklungswerkzeuge für Softwareentwickler/-innen realisiert werden. Plugin-Entwicklung: stark komponentenorientiert Entwicklung einzelner Plugins: kleine bis mittlere Projekte z.b. Entwicklung der Java Development Tools kein konkreter Auftrag, sondern Anforderungen und Wünsche von beteiligten SW-Firmen und Benutzern extrem verteilte SW-Entwicklung Nutzer werden teilweise zu Entwicklern, indem sie testen kleinere Fehler selbst beseitigen Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 22

23 Entwicklung eines neuen Computerspiels Eine kleinere Firma entwickelt ein neues Computerspiel, in dem mehrere Spieler auch verteilt spielen können. Wesentliche Funktionalität wird im Game-Design beschrieben: Konzepte der Spielvision, Spielwelt, Regeln und Charaktere mittelgroßes Projekt (ca SW-Entwickler/-innen) Produktentwicklung: Kein direkter Kunde, sondern viele Käufer. Erstellung eines Prototypen, mit dem sich schon früh ein Eindruck vom späteren Spiel gewinnen lässt. Eine erste spielbare Version des neuen Computerspiels wird Alpha- Version genannt. Eine für das erste Release vorgeschlagene Version wird Beta-Version genannt. Diese werden von professionellen Spieletestern auf Fehler geprüft. Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 23

24 Wie können Softwareprojekte systematisch entwickelt werden? Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 24

25 System Requirements Validation Software Requirements Validation Wasserfallmodell von B. BOEHM Preliminary Design nach [Boe81] Validation Detailed Design Validation Code and Debug Developm. Test Test and PreOperations Validation Test Operations + Maintenance Revalidation Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 25

26 Software-Lebenszyklus im V-Modell Probleme beschreiben Modell(e) entwickeln konkret Abstraktion (Problem) reale Welt installieren Ziel pflegen warten testen (Abn.-Test) Modell(e) beschreiben abstrakt Modell informal spez. konstr. spez. Maschine Ideen Prosa Pseudo- Code konstr. konkret formal spez. cod. Abstraktion (Masch.) formal testen Beschreibungsform Überprüfungsform informal Code Beweis Stichprobe Begutachtung Glaube Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 26 mont. Ausgangspunkt Probleme erkennen, bewerten debug. mont. testen testen

27 Inkrementelle Systementwicklung Ein Inkrement ist ein Software-Baustein bzw. eine Menge von Bausteinen, der (die) zu einem existierenden System oder Subsystem hinzugefügt wird, um dessen Funktionalität oder Leistung zu vergrößern oder zu verändern. Ein Inkrement kann muss aber nicht -- ein Subsystem, d.h. eine für sich allein genommen lauffähige Einheit, sein. Inkrementelle Systementwicklung bedeutet, mit einem (i.a. relativ kleinen) Kernsystem zu beginnen und diesen Kern schrittweise zu erweitern, bis die gewünschte Funktionalität erreicht ist. I4 I2 I3 I2 I3 I2 Inkremente I1 I1 I1 I1 Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 27

28 Vor- und Nachteile der inkrementellen Entwicklung Vorteile: schneller lauffähige Software Flexibler gegenüber sich ändernden Anforderungen mehr Feedback vom Kunden möglich Risiken können leichter gemanagt werden, da sie früher erkannt werden. Nachteile: Die Projekte brauchen mehr Planung und Design, damit sie erfolgreich abgeschlossen werden können. Voraussetzung ist ein klares und vollständiges Verständnis vom System, damit es vom Kern her inkrementell aufgebaut werden kann. Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 28

29 Unified Process (Anfang) (Vertiefung ) (Konstruktion) (Inbetriebnahme) (Geschäftsprozessmodellierung) (Softwareverteilung) Kern- Arbeitsschritte Unterstützende Arbeitsschritte Quelle: IBM - Rational Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 29

30 Prozessphasen 1. Anfang (inception): grundlegender Umfang des Projekts ist bekannt, endet mit der Zusage des Auftraggebenden 2. Vertiefung (elaboration): Endet mit Grundlegender Systemarchitektur Konstruktionsplan Identifizierten Risiken 3. Konstruktion (construction): iterativ, die längste Phase, endet mit Beta- Release 4. Inbetriebnahme (transition): Einführung des Systems beim Anwender Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 30

31 Unified Process ( UP ) Iterativ und inkrementell: Die Phasen sind zeitlich geordnet. Die Iterationen beschreiben verschiedene Abschnitte innerhalb einer Phase. Die Disziplinen beschreiben die Aktivitäten im Prozess. Der Prozess ist klar strukturiert. Der Prozess ist anwendungsfallgetrieben. Wichtige Anwendungsfälle werden zuerst behandelt. Der Prozess ist auf die Softwarearchitektur zentriert. Risiko-fokussiert: Risiken sollen frühzeitig identifiziert werden. Während des Projekts werden viele Softwareartefakte erzeugt: z.b.: Anforderungsspezifikation, Modelle, Projektpläne, Risikoabschätzungen, Code, Tests, Dokumentationen Parallel zur UML von Ivar Jacobson, Grady Booch und James Rumbaugh entwickelt Rational UP als Implementierung (aktuell: Ver. 9) Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 31

32 Agile Softwareentwicklung ist ein relativ neuer Ansatz, mit dem man versucht, nach wie vor bestehende Probleme bei der SW-Entwicklung zu lösen. Diese sieht man vorrangig im Spannungsfeld zwischen Qualität, Kosten und Zeit in ungenauen Kundenwünschen und instabilen Anforderungen, in langen Entwicklungszeiten und überzogenen Terminen, in unzureichender Qualität. Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 32

33 Manifest der agilen Softwareentwicklung Im "Manifest der agilen SW-Entwicklung" werden u.a. neue Prioritäten gefordert (vgl. [Coc 02]:) - Menschen und Kooperation - vor Werkzeugen und (automatisierten) Prozessen, - funktionsfähige Software - vor umfassender Dokumentation - Zusammenarbeit mit Kunden - vor bürokratischen Vertragsverhandlungen - dynamische Reaktion auf Veränderungen - vor statischer Planeinhaltung Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 33

34 Wesentliche agile Praktiken testgetriebene Entwicklung Die wesentliche Testart sind automatisch durchführbare Tests. Diese Tests werden von den Entwicklern geschrieben. Schreib erst die Tests und dann den Code. Schreib nicht mehr Code als nötig ist, um die Tests zu bestehen. ständige Refaktorisierungen Refactoring ist die strukturelle Verbesserung von Programmcode unter Beibehaltung des beobachtbaren Programmverhaltens. Refactoring soll den Code hinsichtlich Lesbarkeit, Wartbarkeit, Erweiterbarkeit und Testbarkeit verbessern. Nach einem Refactoring muss das Programm wieder getestet werden. Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 34

35 Extreme Programming Extreme Programming (XP) - Einige Grundsätze (vgl. [Bec 99]): Wenig Analyse- und Entwurfstätigkeiten, nur rudimentäre Spezifikationen, selbstdokumentierender Code ("simple design") Frühes Programmieren, prototypisches Umsetzen einzelner "stories" Testfälle stehen am Anfang und ersetzen Spezifikation ("test first") Ständige Kommunikation der Entwickler mit Management und Benutzern, kurze Rückkopplungsschleifen, schnelle Rückmeldungen Schrittweise Änderungen, schrittweise angepasste Tests ("refactoring"), fortlaufende Integration ("continuous integration") Fahrer-/Beifahrer-Prinzip beim Programmieren ("Pair programming") Gemeinsame Standards aller Entwickler, gemeinsames Eigentum am Code ("collective code ownership") leicht lesbarer, gut strukturierter Code (viele Code Reviews) Beispiele für weitere "agile" Methoden: Adaptive SW development, SCRUM, Crystal, Feature driven development Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 35

36 Vorteile: Vor- und Nachteile der agilen Praktiken sehr schnell lauffähige Software typischerweise gut getestet gut lesbarer Code Nachteile: Der ideale Kunde und die ideale Entwicklerin werden vorausgesetzt. Im Laufe der Zeit unklareres Design der Software: Eine Architekturänderung kann ggf. teurer als eine Neuimplementierung sein. Schwer testbare Komponenten werden ggf. zu wenig getestet. zu bewegliche Anforderungen beschränkte Team- und Projektgrößen nicht für Festpreisprojekte geeignet Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 36

37 Zusammenfassung Softwaretechnik (engl.: Software Engineering) gibt es seit ca als eigenständiges Fachgebiet der Informatik, wurde unter dem Namen Software Engineering als Antwort aus die damals konstatierte Software-Krise begründet, beschäftigt sich mit der Erstellung großer Softwaresysteme hat formale, ingenieurmäßige, technische, gestalterische und ökonomische Aspekte, gliedert sich in die Teilbereiche: Entwicklung und Anwendung, Projektmanagement und Qualitätssicherung. Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 37

38 Zusammenfassung kontinuierliche Entwicklung des Softwareentwicklungsmodells vom Wasserfallmodell zu iterativer Entwicklung Trend zu...kürzeren Entwicklungszyklen...systematischeren Entwicklungsschritten...systematischerer Qualitätssicherung Die Auswahl eines konkreten Entwicklungsprozesses hängt von der Art des Softwareprojekts ab. Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 38

39 Literatur Ältere Prozessmodelle: Barry W. Boehm, Software Engineering Economics, Englewood Cliffs, NJ : Prentice-Hall, 1981 Unified Process: Kruchten: Der Rational Unified Process, Addison Wesley, 1999 Zuser, Grechenig, Köhle: Software Engineering mit UML und dem Unified Process, Pearson Studium, München, 2004 Agile Softwareentwicklung: A. Cockburn. Agile Software Development. Addison Wesley 2002 Extremes Programmieren: K. Beck: Extreme Programming explained: Embrace change. Addison- Wesley 1999 Taentzer Einführung in die Softwaretechnik 39