Vorlesung Software Engineering I

Transkript

1 Vorlesung Software Engineering I 1 Einführung: Software, Qualität und Prinzipien Prof. Dr. Dirk Müller

2 Software-Enthusiasmus in 1950ern Software mit riesigen Vorteilen gegenüber Hardware auf Universalrechnern für alle Zwecke einsetzbar ja, aber das zeigt die Verantwortung eines Informatikers einfach zu schreiben, testen und zu pflegen 2012 nur 39% aller Projekte erfolgreich einfach zu replizieren zu kopieren ja, aber zu portieren nein kein Verschleiß ja, aber relative Alterung keine flüchtigen Fehler für einfache Programme ja, aber bei Multithreading auf Mehrkern-Prozessoren Heisenbugs durch z. B. Race Conditions sogar typisch 2/22

3 Software Kosten von Software im Automobilbereich Quelle: [Bal09], S. 11 3/22

4 Übersicht Einführung Organisatorisches Begriff Qualität von Software Prinzipien der Softwaretechnik Software-Entwicklungsprozesse Anforderungsanalyse Prozessanalyse und -modellierung Objekt-orientierte Analyse UML 4/22

5 Organisatorisches Modul: I-150 Software Engineering I Gruppen: 17/043/ Vorlesung Mittwoch Uhr Uhr, Raum S Termine 120-minütige Klausur am Semesterende (mit Unterlagen) Die APL (Beleg) für Software Engineering II im Sommersemester 2019 wird vorbereitet. Die Vorbereitung (Dez/Jan) zählt in SE I als PVL. Praktikum: Herr J. Roeper, Raum S /043/01 Di 13:20-14:50 in W1, Mi 11:10-12:30 in W2 (13 Sitzg.) 17/043/61 Do 13:20-14:50 (beide Wochen) (15 Sitzg.) 17/043/62 Fr 13:20-14:50 in W1, Do 9:20-10:50 in W2 (15 Sitzg.) 5/22

6 Lehrbücher Ian Sommerville: Software Engineering 9, Addison-Wesley, 2010 Helmut Balzert: Lehrbuch der Softwaretechnik. Softwaremanagement, 2. Auflage, Springer-Verlag, 2008 [Som10] [Bal08] Helmut Balzert: Lehrbuch der Softwaretechnik. Basiskonzepte und Requirements Engineering, 3. Auflage, Springer-Verlag, 2009 [Bal09] Helmut Balzert: Lehrbuch der Softwaretechnik. Entwurf, Implementierung, Installation und Betrieb, 3. Auflage, Springer-Verlag, 2011 [Bal11] Heinz-Peter Gumm, Manfred Sommer: Einführung in die Informatik, 10. Auflage, Oldenbourg-Verlag, Kapitel 12 6/22

7 Begriffe Software-Engineering (engl.), F. L. Bauer, 1968 Softwaretechnik, auch: Softwaretechnologie, Abk.: SWT, SE Software, John W. Tukey, 1958 Programm + Dokumentation + Konfigurationsdaten + Modelle Gegensatz: Hardware, Zwischenstufe Firmware spezielle Form von Daten, die zusammen mit Hardware und Anwendungsdaten einen Computer ausmachen Engineering, ca planvolles, gezieltes Vorgehen zum Entwurf, Bau, zur Erhaltung und Verbesserung von Maschinen, Geräten, Systemen, Strukturen und Prozessen Gegensatz: Kunst und Wissenschaft military engineering vs. civil engineering Metapher liefert Bezeichnung, aber Analogien begrenzt 7/22

8 Software und Computer Software als eine spezielle Form von Daten immateriell, keine physikalischen Gesetze kein Verschleiß, aber relative Alterung keine SI-Einheit, aber Anzahl der Codezeilen (lines of code, LOC) oft genutzt: SW-Metriken fragwürdiges Leistungsmaß Produktivität in LOC/Monat (motiviert aufgeblähten Code) Wiss. Leistung in eingeworbener Drittmittelrate z. B. in /Jahr (Geld ist ein Mittel, nicht das Forschungsziel) Energieeffizienzklasse Pkws (Bezug des CO2-Ausstoßes auf Masse, nicht auf Nutzfläche oder -volumen, Masse ist Mittel und nicht Ziel) Freiheit: sehr flexibel Verantwortung: sehr komplex Computer nicht einfach neue Maschinen, sondern neue Qualität: digitale Revolution 8/22

9 Kritik am Begriff Donald Knuth: Kunst und Wissenschaft, aber keine Ingenieurwissenschaft [2] Edsger W. Dijkstra: Engineering ist der falsche Begriff, Ziel ist widersprüchlich in sich, How to program if you cannot. [3] nur sehr selten als anerkannter Berufsabschluss Revolutionen statt Evolution legen nahe, dass es sich (noch?) nicht um eine Ingenieurwissenschaft handelt. Strukturierte Programmierung seit ca Objekt-orientierte Programmierung seit ca Modellgetriebene Programmierung seit ca Aspektorientierte Programmierung seit ca /22

10 Definitionen Ziel: kostengünstige Entwicklung von SW hoher Qualität David Parnas [1]: Design for Change multi-person construction of multi-version programs Helmut Balzert: Zielorientierte Bereitstellung und systematische Verwendung von Prinzipien, Methoden und Werkzeugen für die arbeitsteilige, ingenieurmäßige Entwicklung und Anwendung von umfangreichen Softwaresystemen. Zielorientiert bedeutet die Berücksichtigung z. B. von Kosten, Zeit, Qualität. [Bal09], S. 17 IEEE [4]: The application of a systematic, disciplined, quantifiable approach to the development, operation, and maintenance of software; that is, the application of engineering to software. 10/22

11 Qualität von Software: ISO/IEC 9126 von 2001 Was? Wie? (nichtfunktionale Eigenschaften) Design for Change 11/22

12 Qualität von Software: ISO/IEC 250mn von 2011 Software product Quality Requirements and Evaluation (SQuaRE) zwei neue Hauptkriterien, somit jetzt insgesamt acht Sicherheit (Security) Kompatibilität: Koexistenz und Interoperabilität Funktionalität heißt jetzt funktionale Angemessenheit Effizienz heißt jetzt Leistungseffizienz Änderbarkeit mit Modularität und Wiederverwendbarkeit Zuverlässigkeit mit Verfügbarkeit 12/22

13 Herausforderungen der SW-Technik im 21. Jahrhundert Heterogenität verteilte Systeme, Internet Betriebssysteme Altsysteme (Legacy-Software) Programmiersprachen Auslieferungsdruck (Produktzyklen) vs. hohe Qualität und geringe Kosten Vertrauen Zeit Internet: potenziell jeder hat Zugriff medizinische Daten (z. B. elektronische Gesundheitskarte) Bankdaten (Online-Banking) diplomatische/politische Geheimnisse Wahlen über Internet Quelle: [Som10] Windows Linux Mac OS Qualität COBOL Pascal Fortran Kosten 13/22

14 Umfang von Software-Systemen Quelle: [Bal09], S /22

15 Disziplinen der Softwaretechnik 1. Software requirements Anforderungen 2. Software design Entwurf 3. Software construction Konstruktion 4. Software testing Testen 5. Software maintenance Wartung 6. Software configuration management z. B. Versionsverwaltung 7. Software engineering management z. B. Projektplanung 8. Software engineering process Verbesserung der Prozesse 9. Software engineering tools and methods Werkzeuge und Methoden 10. Software quality Qualität Quelle: [4] 15/22

16 Prinzipien der Softwaretechnik Quelle: [Bal09], S /22

17 Prinzipien der Softwaretechnik Abstraktion, auch: Modellierung [5] Abbildung (von etwas) Verkürzung (Abb. nur der relevanten Aspekte) Pragmatismus (Für wen? Wann? Wozu?) Strukturierung Zusammenhänge z. B. durch Graphen mit Knoten und Kanten Hierarchisierung gerichtete, azyklische Graphen (DAGs); Bäume Modularisierung Gliederung, z. B. Klassen, Methoden, Funktionen und Prozeduren Bindung und Kopplung Bindung: Grad des Intrakomponenten-Datenaustauschs max. Kopplung: Grad des Interkomponenten-Datenaustauschs min. 17/22

18 Prinzipien der Softwaretechnik Geheimnisprinzip information hiding, David Parnas [6] Trennung in Schnittstellen und Implementierungen nur benötigte Daten nach außen erleichtert konsistente Haltung der internen Daten Lokalität jeweils alle semantisch zusammengehörenden Daten sind auf einer Seite (max. 30 Anweisungen) zu finden. Verbalisierung Namensgebung (Bezeichner) geeignete Kommentare selbstdokumentierende Konzepte und Sprachen (z. B. Ada vorbildlich, C++ als Gegenteil) 18/22

19 Software-Lebenszyklus meist Unterschätzung der Lebensdauer von SW-Systemen Design for Change z. B. Space Shuttle der NASA Betrieb ist normalerweise die längste und teuerste Phase Größenordnung Jahrzehnte ist typisch Wartung und Evolution Software-Alterung [7] kein Verschleiß wie bei materiellen Dingen Umgebung ändert sich (Anforderungen und Hardware sowie andere Software) => relative Alterung Anpassungen verschlechtern Struktur, was zu noch mehr Alterung führt (Gegenmaßnahme: Refactoring) Hardware Alterung Anforderungen SW-Umgebung Änderungen 19/22

20 Software-Lebenszyklus Funktionale Angemessenheit Benutzbarkeit Leistungseffizienz Zuverlässigkeit Abschaltung bzw. Ablösung Betrieb Start der Entwicklung Spezifikation Änderbarkeit Installation Entwurf Kompatibilität Übertragbarkeit Änderbarkeit Implementierung Funktionale Angemessenheit Benutzbarkeit Sicherheit Quelle: [Bal11], S. 1 f. 20/22

21 Zusammenfassung Softwaretechnik als Reaktion auf Softwarekrise seit 1968 Umfang und Komplexität wachsen exponentiell Heterogenität Auslieferungsdruck (Produktzyklen immer kürzer) Vertrauen Erstellung von Programmen mit mehreren Versionen durch mehrere Personen Qualität von Software: Funktionale Angemessenheit und nichtfunktionale Eigenschaften mit wichtigster darunter Änderbarkeit: Design for Change Magisches Dreieck aus Qualität, Zeit und Kosten meist Fokussierung auf zwei der drei Ziele nötig SW-Lebenszyklus mit 5 Phasen: Spezifikation, Entwurf, Implementierung, Installation und Betrieb 21/22

22 Literatur [1] David Lorge Parnas : Software engineering or methods for the multiperson construction of multi-version programs, Programming Methodology, Springer Berlin Heidelberg, 1975, S [2] Knuth, Donald. Computer Programming as an Art. Comm. of the ACM 17 (12): , 1975, Transcript of the 1974 Turing Award lecture. [3] Dijkstra, E. W. On the cruelty of really teaching computing science. 1988, Download am [4] Abran, A. and J.W. Moore (exec. eds); P. Borque and R. Dupuis (eds.) SWEBOK: Guide to the Software Engineering Body of Knowledge. Piscataway, NJ, USA: IEEE [5] Herbert Stachowiak. Allgemeine Modelltheorie. Springer Wien, 1973 [6] Parnas, D. L. Information Distribution Aspects of Design Methodology, in: Proc. Information Proc. 71, Amsterdam, North-Holland, 1971, S [7] Parnas, D. L.: Software Aging. In: Int'l Conf. on Software Engineering. IEEE Computer Society Press, Sorrento, Italy 1994, S /22