6. Программный инструментарий разработки систем, основанных на знаниях

- Технологии разработки программного обеспечения — цели, принципы, парадигмы

- Методологии создания и модели жизненного цикла интеллектуальных систем

- Языки программирования для ИИ и языки представления знаний

- Инструментальные пакеты для ИИ

- WorkBench-системы

6.1. Технологии разработки программного обеспечения - цели, принципы, парадигмы

6.1.1. Основные понятия процесса разработки программного обеспечения (ПО)

Как известно, технология (от греческого технос — мастерство, логос — слово, наука) — это наука о мастерстве.

Под технологией программирования понимается [Брукс, 1979] совокупность знаний о способах и средствах достижения целей в области программного обеспечения ЭВМ, в том числе и таких, которые ранее никем не достигались.

В широком смысле технология разработки ПО должна обеспечивать последовательный подход к созданию программных систем. Наиболее очевидная цель в

разработке ПО состоит в соблюдении установленных заказчиком требований при реализации системы. Однако у заказчика редко имеются полные и последовательные определения требований. Обычно и заказчик и разработчик не до конца понимают проблему, и требования совершенствуются в процессе разработки системы. Необходимо отметить и факт изменения требований в течение жизненного цикла программной системы.

Изменения являются постоянным фактором разработки ПО. Для того чтобы преодолеть их разрушающий эффект, в качестве целей технологии разработки ПО принимаются следующие четыре свойства программных систем [Ross et al., 1975]:

1. Модифицируемость. Необходимость модификации ПО обычно возникает по двум причинам: чтобы отразить в системе изменение требований или чтобы исправить ошибки, внесенные ранее в процессе разработки.

2. Эффективность системы подразумевает, что при функционировании оптимальным образом используются имеющиеся в ее распоряжении ресурсы: время и память.

3. Надежность системы ПО означает, что она должна предотвращать концептуальные ошибки, ошибки в проектировании и реализации, а также ошибки, возникающие при функционировании системы.

4. Понимаемость. Последняя цель технологии ПО — Понимаемость — является мостом между конкретной проблемной областью и соответствующим решением. Для того чтобы система была понимаемой, она должна быть «прозрачной».

Цели технологии разработки ПО, рассмотренные выше, не могут лишь пассивно признаваться. Наоборот, по мере выполнения работ необходимо придерживаться определенного набора принципов, которые обеспечивают достижение этих целей. В качестве таких принципов обычно выделяют [Ross et al., 1975; Буч, 1992] абстракцию, сокрытие информации, модульность, локализацию, единообразие, полноту и подтверждаемость.

Абстракция является одним из основных средств для управления сложными системами ПО. Суть абстракции состоит в выделении существенных свойств с игнорированием несущественных деталей. По мере декомпозиции решения на отдельные компоненты каждая из них становится частью абстракции на соответствующем уровне. Абстрагирование применяется и к данным, и к алгоритмам. На любом уровне абстракции могут фиксироваться абстрактные типы данных, каждый из которых характеризуется множеством значений и множеством операций, применимых к любому объекту данного типа.

Сокрытие или упрятывание информации имеет целью сделать недоступными детали, которые могут повлиять на остальные, более существенные части системы. Упрятывание информации обычно скрывает реализацию объекта или операции и, таким образом, позволяет фиксировать внимание на более высоком уровне абстракции. Кроме того, сокрытие проектных решений нижнего уровня оберегает стратегию принятия решений верхнего уровня от влияния деталей.

Абстракция и сокрытие информации способствуют модифицируемости и понимаемости систем ПО. На каждом уровне абстракции допускается применение лишь определенного набора операций и делается невозможным применение любых операций, нарушающих логическую концепцию данного уровня, за счет чего повышается надежность программной системы.

Модульность является следующим фундаментальным свойством, помогающим управлять сложностью систем ПО. Она реализуется целенаправленным конструированием. В самом общем плане модули могут быть функциональными (процедурно-ориентированными) или декларативными (объектно-ориентирован-ными). Связность модулей определяется как мера их взаимной зависимости. В идеале должны разрабатываться слабо связанные модули. Другой мерой, применимой к модульности, является прочность, которая определяет, насколько сильно связаны элементы внутри модуля.

Локализация помогает создавать слабо связанные и весьма прочные модули. По отношению к целям технологии разработки ПО принципы модульности и локализации прямо способствуют достижению модифицируемости, надежности и понимаемости.

Абстракция и модульность считаются наиболее важными принципами, используемыми для управления сложностью систем ПО. Но они не являются достаточными, потому что не гарантируют получения согласованных и правильных систем. Для обеспечения этих свойств необходимо привлекать принципы единообразия, полноты и подтверждаемости.

Принципы технологии разработки ПО не должны применяться случайно — необходимо выполнять структуризацию системы определенным образом и, что самое важное, цоекольку происходит деление системы на модули, применять согласованные критерии декомпозиции. Можно выделить три основных подхода к разработке ПО, обеспечивающие такие критерии: нисходящее структурное проектирование [Йордан, 1979]; проектирование, структурированное по данным [Jackson, 1975], и объектно-ориентированное проектирование [Booch, 1986].

Нисходящее структурное проектирование определяет декомпозицию системы путем оформления каждого шага этого процесса в виде модуля. Это приводит к созданию функциональных программных модулей.

Проектирование, структурированное по данным, является альтернативой нисходящей методологии. При этом сначала определяются структуры дайных, а затем на их основе определяется структура программных модулей. Таким образом, здесь делается попытка сначала четко определить реализацию объектов, а затем сделать их структуру видимой в функциональных модулях, обеспечивающих операции над объектами.

Методы нисходящего проектирования императивны по своей природе. Они заставляют концентрировать внимание на операциях, мало заботясь о проектировании структур данных. Методы проектирования, основанные на структурировании по данным, находятся как бы на другом конце спектра. Они концентрируют внимание на объектах, а операции трактуют глобальным образом.

В идеале разработчикам ПО хотелось бы использовать подход, позволяющий строить решения прямо в соответствии с имеющимся представлением проблемы. Кроме того, как и в естественном языке, желательна сбалансированность объектов и операций на уровне принимаемых решений.

Такой подход получил название объектно-ориентированного [Booch, 1986]. Здесь учитывается важность трактовки объектов ПО как активных элементов, причем каждый объект наделен своим собственным набором допустимых операций. Легко убедиться, что объектно-ориентированная парадигма поддерживает основные принципы технологии разработки ПО.