Reiner Dumke. Softwareentwicklung nach MaB

Transkript

1 Reiner Dumke Softwareentwicklung nach MaB

2 ... -Aus dem Bereich... Informatik / Wirtschaftsinformatik Programmieren in COBOL 85 Eine umfassende Einfohrung von W.-M. Kahler Einfuhrung in die Methode des Jackson Structured Programming (JSP) von K. Kilberth Expertensystemwerkzeuge Produkte Aufbau. Auswahl von M. v. Bechtolsheim, K. Schweichhart und U. Winand Modernes Proiektmanagement Eine Anleitung zur effektiven Unterstutzung der Planung, Durchfohrung und Steuerung von Projekten von E. Wischnewski Softwareentwicklung nach MaB Schatzen. Messen. Bewerten von R. Dumke Zielorientiertes Informationsmanagement Ein Leitfaden zum Einsatz und Nutzen des Produktionsfaktors Information von H. Fickenscher, P. Hanke, K.-H. Kollmann Produktivitat durch Information Engineering von D. I Fisher Ostdeutsche Wirtschaft im Umbruch Computersimulation mit einem systemdynamischen Modell von P. Fleissner und U. Ludwig Software Engineering fur Programmierer Eine praxisgerechte Anleitung von H. Knoth Petri-Nette Eine anwendungsorientierte tinfohrung von B. Rosenstengel und U. Winand '- Vievveg --/

3 Reiner Dumke Softwareentwicklung nach MaB Schatzen Messen Bewerten ~ Vleweg

4 Das in diesem Buch enthaltene Programrn-Material ist mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Der Autor und der Verlag iibernehmen infolgedessen keine Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung iibernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieses Programrn-Materials oderteilen davon entsteht. Aile Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig/Wiesbaden, 1992 Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1992 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann International. Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzuliissig und strafbar. Das gilt insbesondere flir VervielHiltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Gedruckt auf saurefreiem Papier ISBN-13 : e-isbn-13: DOl: /

5 Fur meine Frau, Doris

6 VB Geleitwort Der Begriff Software-Engineering bedeutete in den letzten 25 Jahren u. a. die Entwicklung und BereitstelIung von Methoden, urn Software zu entwickeln und zu warten. Bedingt durch den Einsatz immer umfangreicherer Softwaresysteme in Bereichen, wo eine sehr hohe ZuverHissigkeit der Software gefordert wird, ist es immer mehr und mehr das Ziel, hoch qualitative, zuverhissige und wart bare Software zu erstellen. Dabei ist das Konzept des Software-Lebenszyklus ein zentraler Gegenstand der Software-Entwicklungsmethoden. Die Definition eines Software-Lebenszyklus soli helfen, den Software-EntwicklunsprozeB von der Spezifikation, uber den Entwurf, der Kodierung und der Wartung von Software besser verstehen und kontroliieren zu konnen. Besonders wichtig ist dabei, komplizierte Software-Systeme und Module schon in fruhen Phasen des Software-Entwicklungsprozesses zu erkennen. Aber trotz verschiedener ModelIe des Software-Lebenszyklus, der Entwicklung neuer Sprachen und des Einsatzes von Software-Werkzeugen bei der Software-Entwicklung, werden nach Aussagen von Barry Boehm immer noch mehr als 70 % der Entwicklungskosten von Software fur die Wartung der Software benotigt. Diese Tatsache hat seit Mitte der 70-er Jahre zu einer sturmischen Entwicklung von Methoden gefiihrt, urn den Software-EntwicklungsprozeB durch den Einsatz von Software-MaBen zu messen. Ais Pionierarbeit gelten die Veroffentlichungen von McCabe (1976) und Halstead (1977). Das Forschungsgebiet, welches sich mit der Messung der Eigenschaften von Software beschaftigt, wird in Deutschland mitsoftware-metrie und im englischen Sprachraum mit "software metrics" bezeichnet. Software MaBe werden zur KontrolIe von Ressourcen, Prozessen, Projekten und der Produktqualitat von Software eingesetzt. Ziel ist es, quantitative Aussagen uber die entwickelte Software wahrend des gesamten Software-Lebenszyklus zu erhalten. Ein weiteres Ziel ist, Software-MaBe schon fruh im Software-Lebenszyklus einzusetzen, urn Fehlentwicklungen rechtzeitig zu erkennen und teure Wartungskosten zu vermeiden. Obwohl das Gebiet der Software-Metrie noch eine junge und z. Z. nicht ausgereifte Wissenschaft ist, ist unbestritten, dab der Einsatz von Software-MaBen eine geeignete Methode ist, die Entwicklung von Soft-

7 Vlll ware im Software-Lebenszyklus zu kontrollieren und qualitativ hochwertige Software zu erstellen. Trotz dieser Teilerfolge gibt es z. Z. keine verbindlichen Regeln, welche von den hunderten von Software-MaBen fiir die Anwendung in der Praxis besser oder schlechter geeignet sind. Das vorliegende Buch hat zum Gegenstand die Erstellung bzw. Produktion von Software mit geeigneten Software-MaBen zu unterstiitzen. Der Autor gibt eine detaillierte Zusammenstellung der verschiedenen Modelle des Software- Lebenszyklus und der Anwendung von Software MaBen in den Phasen des Software-Lebenszyklus, wie die Spezifikation, den Entwurf, die Kodierung und die Wartung. Die vorgestellte Zusammenfassung von Software-MaBen fiir alle Phasen des Software Lebenszyklus fehlte bisher in der Literatur. Fiir den Anwender ist diese Auflistung von Software-MaBe mit Anwendungsbeispielen und die erganzende Beschreibung von Software-Werkzeugen eine sehr hilfreiche Unterstiitzung, urn einerseits Software-MaBe fiir seine Anwendungen auswahlen zu konnen und urn andererseits den Software EntwicklungsprozeB besser unterstiitzen zu konnen. Berlin, im Januar 1992 Dr. Horst Zuse

8 IX Vorwort Die Software-Entwicklung nach moglichst exakten und allgemein anerkannten bzw. giiltigen quantifizierten Angaben zu realisieren, ist nach wie vor ein angestrebtes Ziel. Bisher sind dazu nur Ansatze vorhanden, die die Software-Entwicklung durch i. a. geschatzte Kennzahlen beim Projektmanagement begleiten, konkrete Software-Messungen zumeist am Quellcode der Programme vornehmen und sie mit (ebenfalls "gemessenen") Fehlerund Aufwandsstatistiken in Korrelation setzen, konkrete Metriken herleiten und diese durch umfangreiche Auswertungen iiber konkrete Projekte bzw. Software-Bibliotheken iiberpriifen, erst einmal die eigentliche Validation derartiger Metriken betreffen und die immer breitere Anwendung von metrikgestiitzten Tools. Anliegen dieses Buches ist es nicht, eine PatentlOsung fur eine "ma6- geschneiderte" Software-Entwicklung zu geben, sondern erst einmal die Entwicklungsrichtungen bei der Software-Messung, der Aufstellung von Software-Kennzahlen aller Art und der zielgerichteten Anwendung aufzuzeigen. Die ersten Abschnitte dienen dabei zunachst der Grundlegung und beschreiben wesentliche Merkmale der Software-Entwicklung (nicht vollstandig und in allen Variationen, sondern nur als Grundlage fiir das bessere Verstandnis der nachfolgenden Kapitel). Bei der Beschreibung der Metriken konnten nur einige ausgewahlt werden. Dabei wurden vor allem auch klassische Ansatze (beispielsweise fiir imperative Sprachen) naher erlautert, da sie eine Reihe wichtiger Grundideen fur die "ma6gerechte" Software-Entwicklung mit neuen Methoden und Programmiersprachparadigmen enthalten. Fiir ein spezielleres Interesse - insbesondere fiir die Software-Metriken

9 x - ist eine umfangreiche Literatur angegeben. Der Autor hofft, vor allem dem praktischen Bereich eine Orientierung zu geben, aber auch die noch ausstehenden Probleme aufzuzeigen, die eine unbedenkliche Anwendung "gangiger" Software-Metriken mit sich bringen kann. Als wesentlich sind daher die Ausfiihrungen zu den Software-MaBen bzw. -Metriken hinsichtlich der Grundideen und Zielstellungen, dem Charakter des jeweiligen Wertebereichs fiir die Anwendung des Software-MaBes beim Vergleich oder bei der Bewertung nach bestirnrnten Zielkriterien sowie der Nachweise fiir die Giiltigkeit des MaBes (verwendete Statistiken und Software( -Bibliotheken)) anzusehen. Hierbei sind das allgemeine Verstandnis und auch die Standpunkte noch zu differenziert und weit von Standardisierungen entfernt. Andererseits soli dieses Buch noch mehr Software-Spezialisten anregen, sich an der Lasung der noch sehr umfangreichen Probleme bei einer Software-Entwicklung nach MafJ zu beteiligen. Mein besonderer Dank gilt Frau Jannasch, den Herren Berger, Kiihnel, Schaefer, Dr. SpieB, Dr. Winkler und vor ahem Dr. Zuse fiir die zahlreichen Anregungen und Hinweise. AuBerdem machte ich meinen Studentinnen Neumann, Staffier und Tiedge fiir die Unterstiitzung bei der Abfassung des Manuskriptes und dem Vieweg-Verlag fiir die verst andnisvolle Zusarnrnenarbeit danken. Magdeburg, im Januar 1992 Reiner Dumke

10 Inhaltsverzeichnis Xl Inhal tsverzeichnis 1 Einleit ung 2 Ziele der Software-Messung 2.1 Software-Entwicklungskosten 2.2 Software-Qualitatssicherung Der Begriff der Software-Qualitat Qualitatsmodelle 2.3 Software-Bewertung Bewertung des Leistungsverhalten Zertifikation von Software Eignungstest 3 Me6gegenstand 3.1 Software-Produkte 3.2 Software-Erstellung Software-Entwicklungsmodelle Die SA-Methode Cleanroom Engineering Objektorientierte Analyse und Design Das U-Diagramm Das Spiralmodell von Boehm

11 XlI Inhaltsverzeichnis Pro jektmanagemen t Software-Produktion Der S oft ware-entwickler Das Me:Bpersonal 30 4 Software-Messung Me:Btheoretische Grundlagen Messungen an Programmen Messung der Soft ware-entwicklung Eigenschaften von Software-Ma:Ben 40 5 Software-Metriken Metrikarten Metriken fur die Anforderungsanalyse Vollstandigkeitsma:Be Konformitatsma:Be Inkonsistenzmafie Lesbarkeitsma:Be Spezifikations-Metriken Die SLIM-Methode Die Albrechts-Metrik Die Bang-Metrik von DeMarco Das COCOMO-Modell von Boehm Zwei Schatzma:Be von DOD Zwei Schatzma:Be der NASA Eine Schatzformel fiir den Personalaufwand Design-Metriken Die Henry-Kafura-Metrik Die Chapin-Metrik Die Qualitatsma:Be von Troy /Zweben. 75

12 Inhaltsverzeichnis xiii Die Entwurfsma:6e von Balzert Das Entwurfstabilitatsmafi von Yau/Collofello Die Systemkomplexitat von Yin/Winchester Die Entwurfsstrukturmafie von Blaschek Die Van-Verth-Metrik Die Design-Ma:6e von SOFTCON Die MMC-Metrik von Harrison/Cook Die Design-Komplexitat von Card/Agresti Die Programmkomplexitat von Shatz Die Design-Metrik von McCabe Design-Metriken fur die objektorientierte Software- Entwicklung Code-Metriken Das LOC-Mafi Die Halstead-Metrik Die Anwendung der Halstead-Mafie fur die Modularisierung Eine Modifikation von Jensen. Gordon-Metrik.... Die Vereinfachung der Halstead-Metrik von Stetter.... Kritiken zur Halstead-Metrik Die McCabe-Metrik Die Erweiterung von Myers Die Hansen-Metrik Die Komplexitat von Entscheidungstabellen Die MIN-Metrik von Chen Die Logische Komplexitat von Gilb Die Woodward-Metrik Eine Programmkomplexitatsmetrik von Oviedo

13 XIV Inhaltsverzeichnis Die Programmkomplexitat nach Piwowarski Ein Charakteristisches Polynom fiir die Komplexitat Eine hybride Metrik von Basili/Hutchens Die Programma6e von Elshoff Die Tai-Metrik Lesbarkeitsma6e fiir den Programmcode Die Berns-Metrik Ein Komplexitatsma6 von Stetter Die Code-Metriken von Bell Code-Metriken fiir Bibliothekskonzepte Code-Metriken fiir nichtprozedurale Programmiersprachen Funktionale Programmiersprachen Logische Programmiersprachen Code-Metriken fiir objektorientierte Programmiersprachen. 5.6 Test-Metriken Metriken zur Bewertung des Testniveaus Metriken fiir die Software-Zuverlassigkeit Metriken fiir die Bestimmung der Testfalle Ein allgemeinstes Testma6 von Basili/Selby 5.7 Wartungs-Metriken Metriken fiir die Software-Anderung Metriken fiir die Zuverlassigkeits Portabilitats-Metriken Metriken fiir die Programmiererproduktivitat Metriken fiir den Programmservice Metriken fiir den Eignungstest

14 Inhaltsverzeichnis xv 6 Validation von Software-Metriken 6.1 Theoria cum praxi 6.2 Metrik-Anomalien Validitatsformen Die Interpretation von Software-Metriken Die Interpretation von Metriken mittels Basiskennzahlen Die Interpretation von Metriken nach Zuse Korrelationen Einfache Korrelationen Validation durch Korrelation mehrerer Metriken Mehrerer Korrelationsanalysen fur die Metriken- Validation Metriken-Standards MeB-Tools Arten von Mefi-Tools Experimentier-Tools Lern-Tools Tools zur Validationsunterstiitzung Metrikbasierte Compiler Das System ATHENA Der Compiler MCOMP Das System METRICS Der Design-Metrikbewerter DEMETER Analyse-Tools Quellcode-Analyse Einfache Metrikberechnungen Leistungsanalyse SQA-Toois Das Qualitatssicherungsprogramm QAP

15 XVI Inhaltsverzeichnis Das Kostenschatzsystem ESTIMACS Automatisierte Qualitatssicherung mittels SOFTDOC Die SQA-Toois von DEC Software-Bewertung mit QUALIGRAPH Das Bewertungsprogramm DATRIX Der Software-Bewertungsplatz SVS Das SQA-System ESQUT Das Analyse- und Bewertungs-Tool LOGISCOPE Weitere SQA-Tools Software-Entwicklung nach MaB Metrikbasierte Anwendungsprogrammierung Metrikbasierte Tools Metrikbasierte Software-Qualitatssicherung Zusammenfassung 203 Literaturverzeichnis 205 Sachwortverzeichnis 241

16 Abbildungsverzeichnis XVll A b bild ungsverzeichnis 2.1 Gegensatzliche Merkmale von Software-Produkten Entwurfsdokumente der SA-Methode U-Diagramm zur Charakteristierung der Software-Entwicklung Das Spiralmodell der Software-Entwicklung nach Boehm Function-Point-Kurve Beispiel einer Systemdarstellung mit drei Funktionselementen Entwurfsvarianten eines Texteditors als Structure Charts Beispiel einer Komplexitatsberechnung nach McCabe Reduzierbarkeit nach McCabe Reduzierung des Programmgraphen auf die aktuelle Komplexitat Bildung der MIN-Zahl fur zwei Programmstrukturen MIN-Berechnung fur eine Struktursequenz Anzahl von Kreuzungen in einem FORTRAN-Programmstuck Modifiziertes FORTRAN-Programmstuck mit geringerer Kreuzungsanzahl Programmbeispiele fur die Piwowarski-Metrik Berechnung der Charakteritischen Zahl eines Programmgraphen Berechnungsbeispiele fur das Charakteristische Polynom pen Definitions- und Anwendungspunkte in Steuerstrukturen Schrittweise Bestimmung der Tai-Zahl

17 XVlll Abbildungsverzeichnis 5.16 Berechnungsbeispiele zur Tai-Metrik Call-Graph einer funktionalen Anweisung Bestimmung der Testfalle in den einzelnen S oft ware- Entwicklungsstufen Beispiel einer LOGISCOPE-Auswertung 194

18 1 1 Einleitung Die Grundlage einer Software-Entwicklung nach MajJ sind Software Messungen bzw. Messungen des Software-Entwicklungsprozesses selbst und werden in der sogenannten Software-Metne ([129]) zusarnmengefa6t. Die Software-Metrie wird der Software- Technik bzw. dem Software Engineering zugeordnet. Dieses Fachgebiet der Informatik gliedert sich laut [184] in die Teilgebiete: Software-Entwicklung und -Anwendung - Entwicklung * Festlegung der Anforderungen * Konzeption des Software-Systems * Realisierung des Software-Systems - Anwendung des Software-Systems Unterstiitzung der Software-Entwicklung und -Anwendung - Software-Projektfiihrung - Software-Qualitatssicherung - Technische Unterstiitzung 1m Rahmen der CR-Klassifikation ([334]) ergibt sich unmittelbar eine Einordnung als "Metrics" (D 2.8, einschlie61ich dem "Performance") und hinsichtlich einer Anwendung als "Software Quality Assurance (SQA)" (D 2.9 (Management)). Bei dieser Zuordnung ergeben sich fiir den Inhalt der Software-Metrie folgende Fragestellungen: In welchen Teilgebieten konnen Messungen erfolgen? Welche Zielsetzung sollten diese Messungen haben? Was ist dabei zu messen und was ist dabei iiberhaupt me6bar? Wie kann die Messung von Software bzw. der Software Herstellung iiberhaupt erfolgen?

19 2 1 Einleitung Wie sind die MeBergebnisse zu interpretieren? In welcher Weise kann die Messung durch Tools unterstiitzt werden? Eine zunachst sehr allgemein gehaltene Anwort auf einige dieser Fragen gibt Basili in [25]: "If software development is to viewed as an engineering discipline, it requires a measurement component that allows us to better understand, evaluate, predict and control the software process and product. " Die Entwicklung des Software Measurement, wie er das hier beschriebene Fachgebiet nennt, vollzog sich dabei in folgenden Etappen (auch nach [25]): zu Beginn (Mitte der 70-er Jahre) gab es einige empirische Arbeiten, deren Ausgangspunkt Datenmodelle darstellten. Dann wurden erste sogenannte Metriken aufgestellt (Ende der 70- er Jahre), die erstmals den ProgrammierungsprozeB bewerteten. Diese Software-Metriken wurden haufig zur Bestatigung kontrollierter Experimente benutzt (80-er Jahre). Seit Ende der 80-er Jahre werden viele Aspekte des Software Erstellungsprozesses und des Software-Produktes in ihrer Beziehung zu verschiedenen Entwicklungsumgebungen betrachtet. Zur detaillierteren Beantwortung bzw. Antwortsuche auf die o. g. Fragen soli in den folgenden Abschnitten naher auf die Ziele der Software Messung, den MeBgegenstanden, den MaBzahlen und Metriken sowie den Me:Btools eingegangen werden.