Grundlagen der Programm- und Systementwicklung

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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. Alexander Malkis, Diego Marmsoler, Veronika Bauer 1

2 Vorlesungsplanung (siehe Webseite) Einführung 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

3 Grundlegende Begriffe 3

4 Ein C Programm aus dem Web Fragen: Spezifikation: Wie genau beschreiben, was das Programm leistet Analyse und Verifikation: Wie analysieren, was ein Programm leistet? Wie eindeutig zeigen, dass das das Programm leistet? Terminiert das Programm? Wie zeigt man das? Konzepte: Welche Konzepte nutzt das Programm: Datenstrukturen Ablaufstrukturen 4

5 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... 5

6 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) 6

7 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 7

8 IT-Systeme IT-Systeme Rechnerhardware + Software weitere elektronische oder elektromechanische Bestandteile (Übertragungseinheiten, Sensoren, Aktuatoren) Peripherie Nutzerschnittstelle / umgebende organisatorische Prozesse 8

9 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... 9

10 Themen- und Aufgabenkomplexe 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)... 10

11 Praxis und Theorie Spezifikation: Beschreibung der Effekte von Datenstrukturen und den Operationen darauf sowie von Programmen Theorie: Formeln Praxis: Verbale Beschreibung Korrektheitsnachweis: Nachweis, dass Programm die Spezifikation erfüllt Theorie: Formaler Nachweis durch logisches Ableitungssystem Praxis: Test, Manuelle Inspektion 11

12 Praxis - Anforderungsspezifikation? Es geht nicht nur darum, die Anforderungen präzise unmissverständlich zu formulieren es geht insbesondere darum die validen Anforderungen zu finden Stichwort: Validierung! Formalisierung kann hier helfen Konzeptualisierung Erarbeitung Modelle der Informatik (formaler Modelle) für die betrachteten Zusammenhänge Beispiel: Operationen auf einem Konto Auffinden von Unvollständigkeiten oder Widersprüchen in den Anforderungen Validierung ist aber keine formale Aufgabe Siehe Vorlesung Requirements Engineering 12

13 Praxis? Missverständnisse zwischen den Stakeholdern! 13

14 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 14

15 Praxis: V-Modell 15

16 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 Dies betrifft gleichermaßen funktionale und nicht-funktionale Anforderungen Die Vorlesung beschränkt sich auf funktionale Eigenschaften von Programmen, Daten- und Rechenstrukturen 16

17 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 Anfang: Vorgegebene oder erarbeitete Lösungen für kleine Einzelaufgaben Prozess: Schrittweise Zusammensetzung Ende: Lösung für die Gesamtaufgabe. Zwei Vorgehensweisen: Top Down Bottom Up 17

18 Top-Down Qualitätssicherungsschritte 18

19 Im Zentrum der Vorlesung: Fundierte Methodik Modellierung Formal Spezifikation Verfeinerung Eigenschaften Formal Verifikation Korrektheit Terminierung Daten- und Rechenstrukturen Programme Funktional Prozedural Objektorientiert 19

20 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). 20

21 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 Beispiel: Buch: Gliederung Abstraktionsebenen Ebenen unterschiedlichen Detaillierungsgrads Verfeinerung 21

22 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 22

23 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 23

24 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 (Programmiermodell, Datenmodell) 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 24

25 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 25

26 Modellbildung: Wofür? Modellbildung als Teil der Problemlösung: Beispiel Quizsendung: 3 gegebene Tore (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. 26

27 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. 27

28 Modellbildung: Wofür? Strategie 1 A B C 1/3 Strategie 2 A B C 1/2 Strategie 3 A B C 2/3 28

29 Abschließende Bemerkungen Historie Denotationelle Semantik mathematische Modelle zur Repräsentation von Semantik Zusicherungslogik Anreicherung von Programmen um logische Formeln Strukturierte Programmierung Abstrakte Datentypen Funktionale Programmiersprachen Modellierungssprachen 29

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