Этапы разработки программ. Тестирование и отладка. Документирование программ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт математики и компьютерных наук

Кафедра математики и информатики













Курсовая работа

По дисциплине: «Основы программирования»

На тему:

Этапы разработки программ. Тестирование и отладка. Документирование программ





















	Тюмень, 2010

	
Оглавление

	

Введение

Глава 1. Этапы разработки программ

1.1 Постановка задачи

1.1.1 Формулировка и анализ физической задачи

1.1.2. Составление математической модели

1.1.3 Составление алгоритма задачи

1.2 Создание программы

1.2.1 Составление текста программы

1.2.2 Синтаксическая отладка программы

1.2.3 Тестирование и семантическая отладка

1.3 Документирование программы

1.3.1 Пользовательская документация программы

1.3.2 Документация по сопровождению программы

1.4 Запуск готовой программы и анализ полученных результатов




Введение



Внедрение электронно-вычислительных машин, современных средств переработки и передачи информации послужило началом нового процесса, называемым информатизацией общества. Широкое распространение получил научно-технический прогресс. В настоящее время одним из направлений научно-технического прогресса является компьютеризация практически всех сфер человеческой деятельности.

Сейчас компьютер является неотъемлемой частью работы людей. Компьютеры используются в школах и университетах. Они помогают систематизации полученные данных, как в рабочих целях, так и в учебных. Но, ни один компьютер не обходится без программ и программных обеспечений.

Целью данной курсовой работы является рассмотрение не маловажной, для начинающих программистов, темы - «Этапы создания программы». Практическое применение теоретических навыков было опробовано в процессе написания программного приложения - игра «Виселица». Что также стало целью данной курсовой.




Глава 1. Этапы разработки программ



Разработка программы – это не только написание программы. Написание программы является одним из этапов. Для начала перечислим все этапы разработки программ, а затем подробно расскажем о них.

	Этапы разработки программ:

	Постановка задачи 

	Формулировка и анализ физической задачи

	Составление математической модели

	Составление алгоритма задачи

	Создание программы 

	Составление текста программы

	Ввод текста программы в компьютер

	Синтаксическая отладка программы

	Тестирование и семантическая отладка

	Документирование программы

	Запуск готовой программы и анализ полученных результатов

Рассмотрим подробно каждый этап.



1.1 Постановка задачи



Первый этап - это этап разбора задачи по кусочкам, для упрощения написания программы. Его ещё называют математическим этапом.



1.1.1Формулировка и анализ физической задачи

Формулировка задачи – это само её объявление, её постановка. 

Но просто формулировка ничем не поможет программистам. Для этого и существует второй подэтап – это анализ задачи.

 Анализ задачи – это подробный просмотр задачи с определением и выявлением входной и выходной информации. (Входная информация по задаче — это данные, поступающие на вход задачи и используемые для её решения. Выходная информация – это результат.) 

После проведения анализа поставленной задачи программисту более или менее понятно, с какими проблемами ему придется столкнуться.



1.1.2 Составление математической модели

Начнем опять же с определения. Для более четкого понимания рассмотрим определения математической модели, объявленные в разных (математических, физических, экономических и т.д.) источниках и попробуем создать собственное определение, подходящее для программирования.

«Математическая модель - система уравнений и концепций, используемых для описания и прогнозирования данного феномена или поведения объекта. Математические модели находят как практическое, так и теоретическое применение (иногда одновременно). Практические задачи, в которых используются математические модели, включают создание новых материалов, предсказание погоды, проверку прочности мостов, самолетов и тому подобного» - это определение используется в физике, химии и математической биологии.

«Математическая модель — это упрощенное описание реальности с помощью математических понятий. Существует два основных класса задач, связанных с математическими моделями: прямые и обратные. В первом случае все параметры модели считаются известными, и нам остается только исследовать её поведение. А во втором какие-то параметры модели неизвестны, и требуется их найти, сопоставляя поведение реальной системы с её моделью.» - данное определение используется в основном в экономике.

«Математическая модель — это математическое представление реальности» - это определение созданное математиками.

Делаем выводы: математическая модель в программировании – это система математических соотношений, приближенно отражающий сформулированную задачу. И она позволяет осуществить предварительный выбор оптимальных вариантов решений по определенным критериям.

Создание математической модели не займет у нас много времени, т.к. мы должны были подробно разобрать задачу по предыдущему пункту.



1.1.3 Составление алгоритма задачи

Изначально появление алгоритма связывают с возникновением математики. Алгоритм – описание последовательности действий (план), строгое исполнение которых приводит к решению поставленной задачи за конечное число шагов.

	У алгоритма есть 2 обязательных условия:

	Алгоритм должен быть представлен в форме, понятной человеку, который его разрабатывает.

	Алгоритм должен быть представлен в форме, понятной тому объекту (в том числе и человеку), который будет выполнять описанные в алгоритме действия.

	Так же у алгоритмов есть свойства:

	Дискретность, т. е. алгоритм должен состоять из конкретных действий, следующих в определенном порядке.

	Детерминированность, т. е. любое действие должно быть строго и недвусмысленно определено в каждом случае.

	Конечность, т. е. каждое действие и алгоритм в целом должны иметь возможность завершения.

	Массовость, т. е. один и тот же алгоритм можно использовать с разными исходными данными.

	Результативность, т. е. отсутствие ошибок, алгоритм должен приводить к правильному результату для всех допустимых входных значениях.

	В мире существует несколько видов алгоритмов:

	Линейный алгоритм (описание действий, которые выполняются однократно в заданном порядке);

	Циклический алгоритм (описание действий, которые должны повторятся указанное число раз или пока не выполнено условие);

	Разветвляющий алгоритм (алгоритм, в котором в зависимости от условия выполняется либо одна, либо другая последовательность действий);



1.2 Создание программы



Процесс создание программы, а точнее разработка программного обеспечения – это второй этап создания программы.



1.2.1 Составление текста программы

Это, наверное, самый сложный из этапов, требующий наибольшего внимания. По сути, составление текста программы – это запись алгоритма задачи при помощи одного из языков программирования. Чтобы этот текст был понятен пользователю и составителю, используются комментарии.



1.2.2 Синтаксическая отладка программы

Отладка программы — это специальный этап в разработке программы, состоящий в выявлении и устранении программных ошибок, факт существования которых уже установлен.

Синтаксическая отладка – поиск синтаксических ошибок в тексте программы. Обнаружив ошибку, транслятор выводит сообщение, указывая на место ошибки в программе и ее характер. Получив такое сообщение, программист должен исправить ошибку и снова повторить трансляцию. Так продолжается до тех пор, пока не будут исправлены все синтаксические ошибки.

Если вы сталкиваетесь с синтаксической ошибкой, то чаще всего вы можете решить проблему с помощью справочной системы, из которой можно получить дополнительную информацию об ошибке, и исправить эту ошибку, уделив дополнительное внимание точному синтаксису используемых вами функций, объектов, методов и свойств.



1.2.3 Тестирование и семантическая отладка

Тестирование – это динамический контроль программы, т.е. проверка правильности программы при ее выполнении на компьютере.

Каждому программисту известно, сколько времени и сил уходит на отладку и тестирование программ. На этот этап приходится около 50% общей стоимости разработки программного обеспечения. Но не каждый из разработчиков программных средств может верно, определить цель тестирования. Нередко можно услышать, что тестирование - это процесс выполнения программы с целью обнаружения в ней ошибок. Но эта цель недостижима: ни какое самое тщательное тестирование не дает гарантии, что программа не содержит ошибок. Другое определение: это процесс выполнения программы с целью обнаружения в ней ошибок. Отсюда ясно, что “удачным” тестом является такой, на котором выполнение программы завершилось с ошибкой. Напротив, “неудачным” можно назвать тест, не позволивший выявить ошибку в программе. Определение также указывает на объективную трудность тестирования: это деструктивный ( т.е. обратный созидательному ) процесс. Поскольку программирование - процесс конструктивный, ясно, что большинству разработчиков программных средств сложно “переключиться” при тестировании созданной ими продукции. Основные принципы организации тестирования: 

	необходимой частью каждого теста должно являться описание ожидаемых результатов работы программы, чтобы можно было быстро выяснить наличие или отсутствие ошибки в ней; 

	следует по возможности избегать тестирования программы ее автором, т.к. кроме уже указанной объективной сложности тестирования для программистов здесь присутствует и тот фактор, что обнаружение недостатков в своей деятельности противоречит человеческой психологии (однако отладка программы эффективнее всего выполняется именно автором программы); 

	по тем же соображениям организация - разработчик программного обеспечения не должна “единолично ” его тестировать (должны существовать организации, специализирующиеся на тестировании программных средств);

	должны являться правилом доскональное изучение результатов каждого теста, чтобы не пропустить малозаметную на поверхностный взгляд ошибку в программе; 

	необходимо тщательно подбирать тест не только для правильных (предусмотренных ) входных данных, но и для неправильных (непредусмотренных);

	при анализе результатов каждого теста необходимо проверять, не делает ли программа того, что она не должна делать;

	следует сохранять использованные тесты (для повышения эффективности повторного тестирования программы после ее модификации или установки у заказчика); 

	тестирования не должно планироваться исходя из предположения, что в программе не будут обнаружены ошибки (в частности, следует выделять для тестирования достаточные временные и материальные ресурсы); 

	следует учитывать так называемый “принцип скопления ошибок” : вероятность наличия не обнаруженных ошибок в некоторой части программы прямо пропорциональна числу ошибок, уже обнаруженных в этой части;

	следует всегда помнить, что тестирование - творческий процесс, а не относиться к нему как к рутинному занятию.

Существует два основных вида тестирования: функциональное и структурное. При функциональном тестировании программа рассматривается как “черный ящик” (то есть ее текст не используется). Происходит проверка соответствия поведения программы ее внешней спецификации. Возможно ли при этом полное тестирование программы? Очевидно, что критерием полноты тестирования в этом случае являлся бы перебор всех возможных значений входных данных, что невыполнимо. 

Поскольку исчерпывающее функциональное тестирование невозможно, речь может идти о разработки методов, позволяющих подбирать тесты не “вслепую”, а с большой вероятностью обнаружения ошибок в программе. При структурном тестировании программа рассматривается как “белый ящик” (т.е. ее текст открыт для пользования). Происходит проверка логики программы. Полным тестированием в этом случае будет такое, которое приведет к перебору всех возможных путей на графе передач управления программы (ее управляющем графе). Даже для средних по сложности программ числом таких путей может достигать десятков тысяч. 

Таким образом, ни структурное, ни функциональное тестирование не может быть исчерпывающим. Рассмотрим подробнее основные этапы тестирования программных комплексов. В тестирование многомодульных программных комплексов можно выделить четыре этапа:

	тестирование отдельных модулей; 

	совместное тестирование модулей; 

	тестирование функций программного комплекса (т.е. поиск различий между разработанной программой и ее внешней спецификацией ); 

	тестирование всего комплекса в целом (т.е. поиск несоответствия созданного программного продукта, сформулированным ранее целям проектирования, отраженным обычно в техническом задании). 

На первых двух этапах используются, прежде всего, методы структурного тестирования, т.к. на последующих этапах тестирования эти методы использовать сложнее из-за больших размеров проверяемого программного обеспечения; последующие этапы тестирования ориентированы на обнаружение ошибок различного типа, которые не обязательно связаны с логикой программы.



1.2.3.1 Структурное тестирование

Поскольку исчерпывающее структурное тестирование невозможно, необходимо выбрать такие критерии его полноты, которые допускали бы их простую проверку и облегчали бы целенаправленный подбор тестов.

Наиболее слабым из критериев полноты структурного тестирования является требование хотя бы однократного выполнения (покрытия) каждого оператора программы. Более сильным критерием является так называемый критерий С1: каждая ветвь алгоритма (каждый переход) должна быть пройдена (выполнена) хотя бы один раз.

 Использование критерия покрытия условий может вызвать подбор тестов, обеспечивающих переход в программе, который пропускается при использовании критерия С1 (например, в программе на языке Паскаль, использующей конструкцию цикла WHILE х AND y DO... , применение критерия покрытия условий требует проверки обоих вариантов выхода из цикла: NOT x и NOT y). С другой стороны покрытие условий может не обеспечивать покрытия всех переходов. 

Например, конструкция IF A AND B THEN... требует по критерию покрытия условий двух тестов (например, A=true, B=false и A=false, B=true), при которых может не выполняться оператор, расположенный в then - ветви оператора if. Практически единственным средством, предоставляемым современными системами программирования, является возможность определения частоты выполнения различных операторов программы. Но с помощью этого инструмента поддержки тестирования можно проверить выполнение только слабейшего из критериев полноты - покрытие всех операторов. Правда, с помощью этого же инструмента можно проверить и выполнение критерия С1. Но для этого предварительно текст программы должен быть преобразован таким образом, чтобы все конструкции условного выбора (IF, CASE или SWITCH) содержали ветви ELSE или DEFAULT, хотя бы и пустые. В этом случае все ветви алгоритма, не выполнявшиеся на данном тесте, будут “видимы” из таблицы частоты выполнения операторов преобразованной программы. 

Актуальной остается задача создания инструментальных средств, позволяющих: 

	накапливать информации о покрытых и непокрытых ветвях для всех использованных тестов; 

	выделять разработчику еще не покрытые при тестировании участки программы, облегчая выбор следующих тестов; 

	поддерживать более мощные критерии полноты структурного тестирования.

	

1.2.3.2 Совместимое тестирование модулей

Известны два подхода к совместному тестированию модулей: пошаговое и монолитное тестирование. При монолитном тестировании сначала по отдельности тестируются все модули программного комплекса, а затем все они объединяются в рабочую программу для комплексного тестирования. При пошаговом тестировании каждый модуль для своего тестирования подключается к набору уже проверенных модулей.

В первом случае для автономного тестирования каждого модуля требуется модуль – драйвер (то есть вспомогательный модуль, имитирующий вызов тестируемого модуля и один или несколько модулей - заглушек то есть вспомогательных модулей, имитирующих работу модулей, вызываемых из тестируемого). При пошаговом тестировании модули проверяются не изолированно друг от друга, поэтому требуются либо только драйверы, либо только заглушки. При сравнении пошагового и монолитного тестирования можно отметить следующие преимущества первого подхода: 

	меньшая трудоемкость (при монолитном тестировании требуются 5 драйверов и 5 заглушек; при пошаговом тестировании требуются или только 5 драйверов - если модули подключаются “снизу вверх ”, - или только 5 заглушек - если модули подключаются “сверху вниз”); 

	более раннее обнаружение ошибок в интерфейсах между модулями (их сборка начинается раньше, чем при монолитном тестировании); 

	легче отладка, то есть локализация ошибок (они в основном связаны с последним из подключенных модулей); 

	более совершенные результаты тестирования (более тщательная проверка совместного использования модулей). 

При использовании пошагового тестирования возможны две стратегии подключения модулей: нисходящая и восходящая. 

Нисходящее тестирование начинается с главного (или верхнего) модуля программы, а выбор следующего подключаемого модуля происходит из числа модулей, вызываемых из уже протестированных. 

Одна из основных проблем, возникающих при нисходящем тестировании, - создание заглушек. Другая проблема, которую необходимо решать при нисходящем тестировании, - форма представления тестов в программе, так как, как правило, главный модуль получает входные данные не непосредственно, а через специальные модули ввода, которые при тестировании сначала заменяются заглушками. Для передачи в главный модуль разных тестов нужно или иметь несколько разных заглушек, или записать эти тесты в файл во внешней памяти и с помощью заглушки считывать их. Поскольку после тестирования главного модуля процесс проверки может продолжаться по-разному, следует придерживаться следующих правил: 

	модули, содержащие операции ввода-вывода, должны подключаться к тестированию как можно раньше; 

	критические (т.е. наиболее важные) для программы в целом модули также должны тестироваться в первую очередь. 

Основные достоинства нисходящего тестирования: уже на ранней стадии тестирования есть возможность получить работающий вариант разрабатываемой программы; быстро могут быть выявлены ошибки, связанные с организацией взаимодействия с пользователем. 

Проблемы, которые могут возникать при нисходящем тестировании: появляется соблазн совмещения нисходящего проектирования с тестированием, что, как правило, неразумно, т.к. проектирование - процесс итеративный и в нем неизбежен возврат на верхние уровни и исправление принятых ранее решений, что обесценивает результаты уже проведенного тестирования; может возникнуть желание перейти к тестированию модуля следующего уровня до завершения тестирования предыдущего по объективным причинам (необходимости создания нескольких версий заглушек, использования модулями верхнего уровня ресурсов модулей нижних уровней).

При восходящем тестировании проверка программы начинается с терминальных модулей (т.е. тех, которые не вызывают не каких других модулей программы). Эта стратегия во многом противоположна нисходящему тестированию (в частности, преимущества становятся недостатками и наоборот). Нет проблемы выбора следующего подключаемого модуля - учитывается лишь то, чтобы он вызывал только уже протестированные модули. В отличие от заглушек драйверы не должны иметь несколько версий, поэтому их разработка в большинстве случаев проще.

Другие достоинства восходящего тестирования: поскольку нет промежуточных модулей (тестируемый модуль является для рабочего варианта программы модулем самого верхнего уровня), нет проблем, связанных с возможностью или трудностью задания тестов; нет возможности совмещения проектирования с тестированием; нет трудностей, вызывающих желание перейти к тестированию следующего модуля, не завершив проверки предыдущего. Основными недостатком восходящего тестирования является то, что проверка всей структуры разрабатываемого программного комплекса возможна только на завершающей стадии тестирования. Хотя однозначного вывода о преимущества той или иной стратегии пошагового тестирования сделать нельзя (нужно учитывать конкретные характеристики тестируемой программы), в большинстве случаев более предпочтительным является восходящее тестирование.



1.2.3.3 Семантическая отладка

Ошибки этапа выполнения или семантические ошибки происходят, когда вы компилируете полную программу, которая при ее выполнении делает что-то недопустимое. То есть, программа содержит допустимые операторы, но при их выполнении что-то происходит неверно. Например, программа может пытаться открыть для ввода несуществующий файл или выполнить деление на ноль.

Семантическая отладка - это процесс нахождения и исправления ошибок, связанных с неправильным указанием логических страниц данных.

Существует 3 способа отладки программы:

	Пошаговая отладка программ с заходом в подпрограммы;

	Пошаговая отладка программ с выполнением подпрограммы как одного оператора;

	Выполнение программы до точки остановки.

Пошаговая отладка программ заключается в том, что выполняется один оператор программы и, затем контролируются те переменные, на которые должен был воздействовать данный оператор.

Если в программе имеются уже отлаженные подпрограммы, то подпрограмму можно рассматривать, как один оператор программы и воспользоваться вторым способом отладки программ.

Если в программе существует достаточно большой участок программы, уже отлаженный ранее, то его можно выполнить, не контролируя переменные, на которые он воздействует. Использование точек остановки позволяет пропускать уже отлаженную часть программы. Точка остановки устанавливается в местах, где необходимо проверить содержимое переменных или просто проконтролировать, передаётся ли управление данному оператору.



1.3 Документирование программы



Последней составляющей процесса программирования является документирование. Оно включает широкий спектр описаний, облегчающих процесс программирования и обогащающих результирующую программу. Постоянное документирование должно составлять неотъемлемую часть каждого шага программирования. Постановка задачи, проектные документы, алгоритмы и программы – все это документы. Внутренняя документация, включенная непосредственно в программу, облегчает чтение кода. Назначение учебного пособия (еще одной формы документации) – научить пользователя применять новую программу; справочное руководство позволяет ознакомиться с описанием команд программного обеспечения.

При разработке программы создается большой объем разнообразной документации. Она необходима как средство передачи информации между разработчиками программы, как средство управления разработкой программы и как средство передачи пользователям информации, необходимой для применения и сопровождения программы.



1.3.1 Пользовательская документация программы

Пользовательская документация программы объясняет пользователям, как они должны действовать, чтобы использовать данную программу. Она необходима, если программа предполагает какое-либо взаимодействие с пользователями. К такой документации относятся документы, которыми руководствуется пользователь при установке программы.

Состав пользовательской документации зависит от аудиторий, на которую ориентировано данное ПО, и от режима использования документов. Аудитория – это пользователи, у которых есть необходимость в определенной пользовательской документации. Хороший пользовательский документ зависит от правильного выбора аудитории, для которой он предназначен.

Качество пользовательской документации существенно определяет успех самой программы. Она должна быть достаточно просто, понятна и удобна для пользователя. Поэтому не редко к созданию конечного варианта документации не редко привлекаются профессиональные технические писатели. Кроме того, для обеспечения более качественной пользовательской документации разработан ряд стандартов, в которых предписывается порядок разработки этой документации.



1.3.2 Документация по сопровождению программы

Документация по сопровождению программы описывает программу с точки зрения её разработки. Эта документация необходима, если программа предполагает изучение того, как она сконструирована.

Сопровождение – это продолжающаяся разработка, поэтому если созданную программу совершенствуют и обновляют не сами её создатели, то чаще всего привлекают специальную команду разработчиков – сопроводители. Этой команде придется иметь дело с такой же документацией, с той лишь разницей, что им нужно будет подробно просматривать и изучать документацию, созданную первоначальными (основными) разработчиками, с той целью, чтоб понять строение и процесс разработки изменяемой программы, и внести в эту документацию необходимые изменения, повторяя в значительной степени технологический процессы, с помощью которых создавалась первоначальная программа.

Документация по сопровождению программы можно разбить на две группы: 

1. документация, определяющая строение программ и структур данных программы и технологию их разработки; 

2. документацию, помогающую вносить изменения в программу. 

Документация первой группы содержит итоговые документы каждого технологического этапа разработки. Она включает следующие документы:

	Внешнее описание;

	Описание архитектуры программы, включая внешнюю спецификацию;

	Описание модульной системы, включая внешнюю спецификацию каждого включенного модуля;

	Для каждого модуля - его спецификация и описание его строения;

	Тексты модулей на выбранном языке программирования;

	Документы второй группы содержат:

	Руководство по сопровождению программы, которое описывает известные проблемы вместе с программой, описывает, какие части программы являются аппаратно и программно зависимыми.



1.4 Запуск готовой программы и анализ полученных результатов



После полученного нами файла с *.exe (обычно) разрешением мы можем запустить его и ещё раз проверить (проанализировать) верно, ли работает программа. На этом этапы создания программы закончены. 

4