Мифический человеко-месяц или как создаются программные системы

Брукс Фредерик

Вкратце, метод Вирта определяет разработку как последовательность уточняющих шагов. Набрасывается примерное описание задачи и грубый метод решения, позволяющий получить основной результат. Затем определение изучается более пристально, чтобы увидеть, в чем отличие полученного результата от требуемого, и крупные этапы решения разбиваются на более мелкие. Каждое уточнение в определении задачи становится уточнением алгоритма решения и может сопровождаться уточнением представления данных.

В этом процессе выявляются модули решения или данных, дальнейшее уточнение которых может быть продолжено независимо от основной работы. Степень такой модульности определяет гибкость и изменяемость программы.

Вирт

считает необходимым использование на каждом шаге нотации как можно более высокого уровня, чтобы выделить понятия и скрыть детали, пока не станет необходимым дальнейшее уточнение.

Правильно осуществляемое нисходящее проектирование позволяет избегать ошибок по нескольким причинам. Во-первых, прозрачность структуры и представления облегчает точную формулировку требований к модулям и их функций. Во-вторых, расчленение и независимость модулей помогают избежать системных ошибок. В-третьих, проект можно тестировать на каждом уточняющем шаге, поэтому тестирование моно начать раньше и на каждом шаге сосредоточиться на подходящем уровне детализации.

Процесс пошагового уточнения не означает, что в случае столкновения с какой-нибудь неожиданно затруднительной деталью не приходится возвращаться назад, отбрасывать самый верхний уровень и начинать все сначала. На практике это часто случается. Но становится значительно легче точно увидеть, когда и почему нужно отбросить весь проект и начать сначала. Многие слабые системы появляются в результате попыток сохранить скверный первоначальный проект путем разного рода косметических заплаток. Нисходящее проектирование уменьшает такой соблазн.

Я убежден, что нисходящее проектирование является важнейшей новой формализацией программирования за десятилетие.

Структурное программирование. Другой важный круг идей для разработки, сокращающих число ошибок в программе, исходит то Дейкстры (Dijkstra) [3] и построен на теоретической структуре Бёма (Boehm) и Джакопини (Jacopini). [4]

В своей основе подход заключается в разработке программ, управляющие структуры которых состоят только из циклов, определяемых такими операторами, как DO WHILE и группами условно выполняемых операторов, ограниченных скобками с использованием операторов условия IF…THEN…ELSE. Бём и Джакопини показывают теоретическую достаточность таких структур. Дейкстра доказывает, что альтернативное неограниченное применение ветвление с помощью GO TO образует структуры, располагающие к появлению логических ошибок.

В основе, несомненно, лежат здравые мысли. При обсуждении сделано много критических замечаний — в частности, большое удобство представляют дополнительные управляющие структуры, такие как n-вариантный переход (так называемый оператор CASE) для различения среди нескольких случаев и аварийный выход (GO TO ABNORMAL END). Кроме того, некоторые догматически избегают всех GO TO , что представляется чрезмерным.

Важной и существенной для создания программ, не содержащих ошибок, является необходимость рассматривать управляющие структуры системы как управляющие структуры, а не как отдельные операторы перехода. Такой образ мысли является большим шагом вперед.

Отладка компонентов

За последние двадцать лет процедуры отладки программ прошли большой круг и в некоторых отношениях вернулись к начальной точке. Цикл прошел четыре этапа и любопытно проследить их, отметив мотивацию перехода.

Отладка в активном режиме. У первых машин было сравнительно слабое оборудование ввода-вывода, обусловливавшее большие задержки. Обычно машина использовала для чтения и записи бумажные и магнитные ленты, а для подготовки лент и печати использовались автономные средства. Из-за этого ввод-вывод на ленту был невыносимо неудобен для отладки, и для нее использовалась консоль.

Поэтому отладка организовывалась таким образом, чтобы обеспечить за сеанс работы с машиной возможно большее число проверок.

Программист тщательно разрабатывал свои процедуры отладки, планируя места остановки, адреса памяти для просмотра, их возможное содержимое и дальнейшие действия в зависимости от содержимого. Это дотошное программирование самого себя в качестве отладчика вполне могло занять половину времени написания отлаживаемой программы.

Главным грехом было смело нажать кнопку START, не разбив предварительно программу на отлаживаемые секции с запланированными остановками.

Дампы памяти. Отладка в активном режиме была очень эффективной. За двухчасовую отладку можно было запустить программу раз десять. Но компьютеры были малочисленны и очень дороги, и мысль о такой напрасной трате машинного времени ужасала.

Поэтому, когда появились скоростные принтеры, подключаемые в активном режиме, технология изменилась. Программа запускалась и работала до возникновения ошибки, после чего распечатывался дамп памяти. Тогда начинался кропотливый труд за столом по изучению содержимого каждого адреса. Времени уходило примерно столько же, сколько и при отладке на машине, но это было уже после контрольного прогона, и работа состояла в расшифровке данных, а не в планировании, как прежде. Для каждого отдельного пользователя отладка занимала значительно больший срок, поскольку тестовые запуски зависели от оборачиваемости пакетной обработки. Однако процедура в целом была предназначена для сокращения времени использования компьютера и обслуживания возможно большего числа программистов.

Снимки моментального состояния. Машины, для которых были разработаны дампы памяти, имели память размером 2000-4000 слов, или 8-16 Кбайт. Однако размер памяти рос огромными темпами, и делать дамп памяти стало нереальным. Поэтому разработали методы выборочного дампа, выборочной трассировки и вставки в программы команд для моментальных снимков. Вершиной развития этого направления стал TESTRAN в OS/360, позволявший вставлять в программу моментальные снимки без повторной сборки и компиляции.

Интерактивная отладка. В 1959 году Кодд (Codd) с коллегами [5] и Стрейчи (Strachey) [6] сообщили о работе, целью которой была отладка в режиме разделения времени, позволяющая одновременно достичь мгновенной оборачиваемости отладки в активном режиме и эффективно использовать машинное время, как при пакетной обработке заданий. Компьютер должен был иметь в памяти несколько программ, готовых к запуску. Терминал, управляемый только программой, должен был быть связан с каждой из отлаживаемых программ. Отладка должна была проходить под управлением программы-супервизора. Когда программист за терминалом останавливал свою программу, чтобы изучить ее выполнение или внести изменения, супервизор запускал другую программу, занимая таким образом машину.

Мультипрограммная система Кодда была разработана, но акцент был сделан на увеличение производительности благодаря эффективному использованию ввода-вывода, и интерактивная отладка не была осуществлена. Идеи Стрейчи были улучшены и в 1963 году воплощены Корбато с коллегами в МТИ в экспериментальной системе 7090. Это разработке привела к MULTICS, TSS и другим сегодняшним системам разделения времени.

Главными ощущаемыми пользователем различиями между отладкой в активном режиме, как она осуществлялась ранее, и сегодняшней интерактивной отладкой являются возможности, полученные в результате присутствия программы-супервизора и связанных с ней интерпретаторов языков программирования. Можно программировать и производить отладку на языках высокого уровня. Эффективные средства редактирования позволяют легко делать изменения и моментальные снимки.