Методы проектирования программных систем

Метод структурного анализа и проектирования (SADT – Structured Analysis and Design Technique) представляет собой совокупность концепций, правил и процедур, предназначенных для построения функциональной модели объекта какой-либо предметной области [19, 23, 91, 118]. Метод SADT разработан Дугласом Россом в 70-х гг. ХХ века. Функциональная (структурно-функциональная) модель – это модель, описывающая функциональную структуру объекта на основании иерархии взаимосвязанных диаграмм с требуемой степенью детализации. Функциональная модель SADT отображает функциональную структуру объекта, т.е. производимые им действия и связи между этими действиями. В основе этой методологии лежат следующие концепции:

· графическое представление блочного моделирования. Графика блоков и дуг SADT-диаграммы отображает функцию в виде блока, а интерфейсы входа/выхода представляются дугами, соответственно входящими в блок и выходящими из него. Взаимодействие блоков друг с другом описывается посредством интерфейсных дуг, которые определяют каким образом функции выполняются и управляются;

· строгость и точность. Выполнение правил SADT требует достаточной строгости и точности, не накладывая чрезмерных ограничений на действия аналитика. Правила SADT включают: ограничение количества блоков на каждом уровне декомпозиции (3-6 блоков), связность диаграмм (номера блоков), уникальность меток и наименований (отсутствие повторяющихся имен), синтаксические правила для блоков и дуг, разделение входов, выходов управлений и механизмов выполняемых функций;

· отделение организации от функции, то есть исключение влияния организационной структуры на функциональную модель.

Результатом применения метода SADT является модель, которая состоит из диаграмм, фрагментов текстов и глоссария, имеющих ссылки друг на друга. Диаграммы - главные компоненты модели, все функции программной системы и интерфейсы на них представлены как блоки и дуги. Место соединения дуги с блоком определяет тип интерфейса. Входная информация поступает в блок слева, управляющая информация поступает в блок сверху, выходная информация выходит из блока с правой стороны. Выполняющий функцию механизм, представляется входящей в блок снизу дугой (рис. 2.9).

Одной из наиболее важных особенностей метода SADT является введение все большего числа уровней детализации по мере создания диаграмм, отображающих модель. Модель SADT представляет собой серию диаграмм с сопроводительной документацией, разбивающих сложный объект на составные части, которые изображаются в виде блоков. Каждая диаграмма является декомпозицией блока более общей диаграммы. На каждом шаге декомпозиции общая диаграмма называется родительской для диаграммы детализации. Метод SADT используется для определения требований и функций при моделировании широкого круга систем, которые должны удовлетворять этим требованиям и реализовывать эти функции. На основании этого метода разработан известный метод IDEF0 (Icam DEFinition-0), который является подмножеством SADT и был впервые использован в рамках программы ВВС США ICAM (Интегрированная компьютеризация производства).

Диаграммы потоков данных (DFD – Data Flow Diagram) являются графическим средством моделирования, которое позволяет описывать потоки данных между различными процессами (функциональными компонентами) в проектируемой системе [23, 42, 43, 118]. С их помощью требования к системе разбиваются на функциональные компоненты (процессы) и представляются в виде сети, связанной потоками данных. Главная цель таких средств – продемонстрировать, как каждый процесс преобразует свои входные данные в выходные, а также выявить отношения между этими процессами.

Для изображения DFD традиционно используются две различные нотации: Йордана и Гейна-Сарсона. Нотация представляет собой совокупность графических объектов, которые используются в моделях, она является синтаксисом языка моделирования. Основные объекты DFD изображены на рис. 2.10. Поток данных является механизмом DFD, использующимся для моделирования передачи информации из одной части системы в другую или между физическими компонентами системы. Важность этого объекта очевидна: он дает название целому инструменту. Потоки на диаграммах обычно изображаются именованными стрелками, ориентация которых указывает направление движения информации. Процесс – это объект DFD, который продуцирует выходные потоки из входных в соответствии с действием, задаваемым алгоритмом процесса. Каждый процесс имеет имя. Это имя должно содержать глагол в неопределенной форме с последующим дополнением. Кроме того, каждый процесс должен иметь уникальный номер для ссылок на него внутри диаграммы. Хранилище данных (накопитель) – это объект DFD, позволяющий определить данные, которые будут сохраняться в процессе функционирования системы. Фактически хранилище представляет «срезы» потоков данных во времени. Информация, которую оно содержит, может использоваться в любое время после ее занесения в хранилище, при этом данные могут выбираться в любом порядке. Имя хранилища должно идентифицировать его содержимое и быть существительным. Внешняя сущность (терминатор) – это объект DFD, представляющий сущность вне контекста системы, являющуюся источником данных для системы или приемником данных от системы. Предполагается, что объекты, представленные такими узлами, не должны участвовать ни в какой обработке.

Декомпозиция DFD осуществляется на основе процессов: каждый процесс может раскрываться с помощью DFD нижнего уровня. Важную роль в модели играет специальный вид DFD – контекстная диаграмма, моделирующая систему наиболее общим образом. Контекстная диаграмма - это DFD диаграмма верхнего уровня, которая описывает информационные потоки между системой и внешними сущностями, с которыми она должна быть связана. Она идентифицирует эти внешние сущности, а также единственный процесс, отражающий главную функцию системы. И хотя контекстная диаграмма выглядит тривиальной, ее полезность заключается в том, что она устанавливает границы анализируемой системы. Каждый проект должен иметь одну контекстную диаграмму, при этом нет необходимости в нумерации единственного ее процесса. DFD первого уровня строится как декомпозиция процесса, который присутствует на контекстной диаграмме. Построенная диаграмма первого уровня также имеет множество процессов, которые в свою очередь могут быть декомпозированы в DFD нижнего уровня. Таким образом, строится иерархия DFD с контекстной диаграммой в корне дерева. Этот процесс декомпозиции продолжается до тех пор, пока процессы можно будет эффективно описать с помощью коротких спецификаций процессов.

Диаграммы «сущность-связь» (ERD – Entity-Relationship Diagram) предназначены для разработки моделей данных и обеспечивают стандартный способ определения данных и отношений между ними [42, 118]. Фактически с помощью ERD осуществляется детализация хранилищ данных проектируемой системы, а также документируются сущности системы и способы их взаимодействия, включая идентификацию объектов, важных для предметной области (сущностей), свойств этих объектов (атрибутов) и их отношений с другими объектами (связей). Нотация ERD была впервые введена Ченом П. [94]. Она предоставляет богатый набор средств моделирования данных, включая собственно ERD, а также диаграммы атрибутов и диаграммы декомпозиции. Эти диаграммные техники используются, для проектирования реляционных баз данных (хотя могут применяться как для иерархических, так и сетевых баз данных).

Нотация Чена П. содержит следующие понятия. Сущность - реальный либо воображаемый объект, имеющий существенное значение для рассматриваемой предметной области, информация о котором подлежит хранению. Связь - поименованная ассоциация между двумя сущностями, значимая для рассматриваемой предметной области. Атрибут - любая характеристика сущности, значимая для рассматриваемой предметной области и предназначенная для квалификации, идентификации, классификации, количественной характеристики или выражения состояния сущности. Уникальный идентификатор - это атрибут или совокупность атрибутов и/или связей, предназначенная для уникальной идентификации каждого экземпляра данного типа сущности. Каждая сущность должна обладать хотя бы одним возможным ключом. Возможный ключ сущности - это один или несколько атрибутов, чьи значения однозначно определяют каждый экземпляр сущности. При существовании нескольких возможных ключей один из них обозначается в качестве первичного ключа, а остальные - как альтернативные ключи.

Дальнейшее развитие ER-подход получил в работах Баркера P., предложившего оригинальную нотацию, которая позволила на верхнем уровне интегрировать предложенные Ченом П. средства описания моделей [19, 94]. В нотации Баркера Р. используется только один тип диаграмм - ERD. Сущность на ERD представляется прямоугольником любого размера, содержащим внутри себя имя сущности, список имен атрибутов (возможно, неполный) и указатели ключевых атрибутов. Все связи являются бинарными и представляются линиями с двумя концами (соединяющими сущности), для которых должно быть определено имя, степень множественности (один или много объектов участвуют в связи) и степень обязательности (т.е. обязательная или необязательная связь между сущностями).

Метод IDEF1, разработанный Ремэем Т., основан на подходе Чена П. и позволяет построить модель данных, эквивалентную реляционной модели [94]. В настоящее время на основе совершенствования метода IDEF1 создана его новая версия - метод IDEF1X, который разработан с учетом таких требований, как простота изучения и возможность автоматизации. Сущность в методе IDEF1X является независимой от идентификаторов или просто независимой, если каждый экземпляр сущности может быть однозначно идентифицирован без определения его отношений с другими сущностями. Сущность называется зависимой от идентификаторов или просто зависимой, если однозначная идентификация экземпляра сущности зависит от его отношения к другой сущности. Связь может дополнительно определяться с помощью указания степени или мощности (количества экземпляров сущности-потомка, которое может существовать для каждого экземпляра сущности-родителя). В IDEF1X могут быть выражены следующие мощности связей:

· каждый экземпляр сущности-родителя может иметь ноль, один или более связанных с ним экземпляров сущности-потомка;

· каждый экземпляр сущности-родителя должен иметь не менее одного связанного с ним экземпляра сущности-потомка;

· каждый экземпляр сущности-родителя должен иметь не более одного связанного с ним экземпляра сущности-потомка;

· каждый экземпляр сущности-родителя связан с некоторым фиксированным числом экземпляров сущности-потомка. Если экземпляр сущности-потомка однозначно определяется своей связью с сущностью-родителем, то связь называется идентифицирующей, в противном случае - не идентифицирующей.

Диаграммы потоков работ IDEF3 (WorkFlow Diagram) являются стандартом документирования работ, технологических процессов и предоставляют инструментарий для исследования и моделирования их сценариев [86, 87]. Сценарием называется описание последовательности изменений свойств объекта, в рамках рассматриваемого процесса. Метод IDEF3 включает элемент «перекресток», что позволяет описывать логику взаимодействия элементов системы, работ, процессов. Диаграммы IDEF0, DFD, IDEF3, IDEF1X поддерживаются рядом распространенных CASE-средств (BPwin, Design/IDEF, ERwin).