Структурные методы анализа

 

Структурным анализом принято называть метод исследования си­стемы, который начинается с общего обзора ее и затем детализиру­ется, приобретая иерархическую структуру со все большим числом уровней. Для таких методов характерно:

• разбиение на уровни абстракции с ограничением числа эле­ментов на каждом из уровней (обычно от 3 до 7, при этом верхняя граница соответствует возможностям человеческого мозга воспринимать определенное количество взаимоувязан­ных объектов, а нижняя выбрана из соображений здравого смысла);

•ограниченный контекст, включающий лишь существенные на каждом уровне детали;

• использование строгих формальных правил записи;

• последовательное приближение к конечному результату.

Методы структурного анализа позволяют преодолеть сложность больших систем путем расчленения их на части («черные ящики») и иерархической организации этих черных ящиков. Преимущество ис­пользования черных ящиков заключается в том, что их пользователю не требуется знать, как они работают, необходимо знать лишь его входы и выходы, а также его назначение (т. е. функцию, которую он выполняет). В окружающем нас мире черные ящики встречаются в большом количестве: магнитофон и телевизор на бытовом уровне, предприятие с позиций клиента и т. п. Проиллюстрируем преимуще­ства систем, составленных из них, на примере музыкального центра.

• Конструирование системы черных ящиков существенно упро­щается. Намного легче разработать магнитофон или проигры­ватель, если не беспокоиться о создании встроенного усили­тельного блока.

• Облегчается тестирование таких систем. Если появляется пло­хой звук одной из колонок, можно поменять колонки места­ми. Если неисправность переместилась с колонкой, то имен­но она подлежит ремонту; если нет, тогда проблема в усили­теле, магнитофоне или местах их соединения.

• Имеется возможность простого реконфигурирования системы черных ящиков. Если колонка неисправна, то можно отдать ее в ремонтную мастерскую и продолжать слушать записи в моно­режиме.

•Облегчается доступность для понимания и освоения. Можно стать специалистом по магнитофонам без углубленных зна­ний о колонках.

• Повышается удобство при модификации. Можно приобрести колонки более высокого качества и более мощный усилитель, но это совсем не означает, что необходим проигрыватель боль­ших размеров.

Таким образом, первым шагом упрощения сложной системы является ее разбиение на черные ящики (принцип «разделяй и вла­ствуй» — принцип решения трудных проблем путем разбиения их на множество независимых задач, легких для понимания и решения), при этом такое разбиение должно удовлетворять следующим крите­риям:

• каждый черный ящик должен реализовывать единственную функцию системы;

•функция каждого черного ящика должна быть легко понимае­ма независимо от сложности ее реализации (например, в си­стеме управления ракетой может быть черный ящик для рас­чета места ее приземления: несмотря на сложность алгорит­ма, функция черного ящика очевидна — расчет точки при­земления);

•связь между черными ящиками должна вводиться только при наличии связи между соответствующими функциями систе­мы (например, в бухгалтерии один черный ящик необходим для расчета общей заработной платы служащего, а другой — для расчета налогов необходима связь между этими черными ящиками: размер заработанной платы требуется для расчета налогов);

• связи между черными ящиками должны быть простыми, на­сколько это возможно, для обеспечения независимости меж­ду ними.

Второй важной идеей, лежащей в основе структурных методов,' является идея иерархии. Для понимаемости сложной системы недо­статочно разбиения ее на части, необходимо эти части организовать определенным образом, а именно в виде иерархических структур. Все сложные системы Вселенной организованы в иерархии. Да и сама она включает галактики, звездные системы, планеты, молеку­лы, атомы, элементарные частицы. Человек при создании сложных систем также подражает природе. Любая организация имеет дирек­тора, заместителей по направлениям, иерархию руководителей под­разделений, рядовых служащих. Таким образом, второй прин­цип структурного анализа (принцип иерархического упорядочения) в дополнение к тому, что легче понимать проблему, если она разби­та на части, декларирует, что устройство этих частей также суще­ственно для понимания. Понимаемость проблемы резко повышается при организации ее частей в древовидные иерархические структу­ры, т. е. система может быть понята и построена по уровням, каж­дый из которых добавляет новые детали.

Наконец, третий принцип: структурные методы широко исполь­зуют графические нотации, также служащие для облегчения пони­мания сложных систем. Известно, что «одна картинка стоит тысячи слов».

Соблюдение указанных принципов необходимо при организации работ на начальных этапах ЖЦ независимо от типа разрабатывае­мой системы и используемых при этом методологий. Руководство всеми принципами в комплексе позволяет на более ранних стадиях разработки понять, что будет представлять собой создаваемая сис­тема, обнаружить промахи и недоработки, что, в свою очередь, облегчит работы на последующих этапах ЖЦ и понизит стоимость разработки.

Для целей структурного анализа традиционно используются три группы средств, иллюстрирующих:

• функции, которые система должна выполнять,

• отношения между данными,

•зависящее от времени поведение системы (аспекты реальноговремени).

Среди многообразия графических нотаций, используемых для ре­шения перечисленных задач, в методологиях структурного анализа наиболее часто и эффективно применяются следующие:

DFD (Data Flow Diagrams) — диаграммы потоков данных совмес­тно со словарями данных и спецификациями процессов (мини-специ­фикациями);

ERD (Entity-Relationship Diagrams) — диаграммы «сущность-связь»;

STD (State Transition Diagrams) — диаграммы переходов состо­яний.

Все они содержат графические и текстовые средства моделиро­вания: первые — для удобства отображения основных компонент модели, вторые — для обеспечения точного определения ее компо­нент и связей.

Классическая DFD показывает внешние по отношению к систе­ме источники и стоки (адресаты) данных, идентифицирует логи­ческие функции (процессы) и группы элементов данных, связыва­ющие одну функцию с другой (потоки), а также идентифицирует хранилища (накопители) данных, к которым осуществляется дос­туп. Структуры потоков данных и определения их компонент хра­нятся и анализируются в словаре данных. Каждая логическая функ­ция (процесс) может быть детализирована с помощью DFD нижне­го уровня; когда дальнейшая детализация перестает быть полезной, переходят к выражению логики функции при помощи специфика­ции процесса (мини-спецификации). Содержимое каждого храни­лища также сохраняют в словаре данных, модель данных хранили­ща раскрывается с помощью ERD. В случае наличия реального вре­мени DFD дополняется средствами описания зависящего от време­ни поведения системы, раскрывающимися с помощью STD. Эти взаимосвязи показаны на рис. 20.

Необходимо отметить, что для функционального моделирова­ния наряду с DFD достаточно часто применяется и другая нота­ция — SADT (точнее, ее стандартизованное подмножество IDEFO). Сравнительный анализ этих двух подходов к моделированию фун­кций системы будет приведен ниже.

Таким образом, перечисленные выше средства позволяют сде­лать полное описание системы независимо от того, является ли она существующей или разрабатываемой с нуля. Такое подробное опи­сание того, что должна делать система, освобожденное насколько это возможно от рассмотрения путей реализации, получило назва­ние спецификации требований, дающей проектировщику, реализу­ющему следующий этап ЖЦ, четкое представление о конечных ре­зультатах, которые должны быть достигнуты.

Перечисленные выше графические нотации используются (в том или ином наборе) практически во всех современных методологиях структурного системного анализа. Роль этих методологий заключает­ся в регламентации основ разработки сложных систем. Они описывают последовательность шагов, модели и

 

Рис. 20

подходы, тщательное сле­дование которым приведет к хорошо работающим системам. Хотя методологии, вообще говоря, не гарантируют качества построен­ных систем, тем не менее они помогают охватить и учесть все важ­ные этапы, шаги и моменты разработки, помогают справиться с проблемами размерности и, в конечном итоге, оценить продвиже­ние вперед. Более того, методологии обеспечивают организацион­ную поддержку, позволяющую большим коллективам разработчи­ков функционировать скоординированным образом.

Другими словами, методология структурного анализа определя­ет руководящие указания для построения и оценки модели требова­ний разрабатываемой системы, шаги работы, которые должны быть выполнены, их последовательность, а также правила распределе­ния и назначения применяемых при этом операций и методов.

В настоящее время успешно используются практически все из­вестные методологии структурного анализа, однако наибольшее распространение получили методологии SADT (Structured Analysis and Design Technique), структурного системного анализа Гейна—Сарсона (Gane—Sarson), структурного анализа и проектирования Йодана—Де Марко (Yourdon—DeMarko), развития систем Джексо­на (Jackson), развития структурных систем Варнье—Орра (Warmer— Orr), анализа и проектирования систем реального времени Уорда— Меллора (Ward—Mellor) и Хатли (Hatley), информационного моде­лирования Мартина (Martin).

Перечисленные структурные методологии жестко регламентиру­ют фазы анализа требований и проектирования спецификаций и отражают подход к системной разработке с позиций рецептов «ку­линарной книги». Спецификации требований включают особеннос­ти целевой системы и ее прогнозируемые характеристики, проекты пользовательских интерфейсов (меню, экраны и формы), критерии работоспособности системы, программное и аппаратное окружение. Полученный документ спецификации требований в дальнейшем преобразуется в проектные спецификации, детализирующие пред­полагаемую реализацию ПЧ. Проектные спецификации идентифи­цируют главные модули, маршруты связи поданным и управлению между модулями, основные подпрограммы внутри каждого модуля, структуры данных, спецификации форматов входных и выходных файлов. Для ключевых процессов проектные спецификации часто включают детали алгоритмов на языке проектирования мини-спе­цификаций. В дальнейшем структурные методологии предлагают ме­тодику трансляции проектных спецификаций в программные коды. Кодогенерация предполагает наличие кодовых стандартов, специ­фицирующих формат заголовков подпрограмм, ступенчатый вид вложенных блоков, номенклатуру для спецификации переменных и имен подпрограмм и т. п.

Современные структурные методологии классифицируются по трем следующим признакам:

• по отношению к школам — Software Engineering (SE) и Information Engineering (IE);

• по порядку построения модели — процедурно-ориентирован­ные и информационно-ориентированные;

• по типу целевых систем — для систем реального времени (СРВ) и информационных систем (ИС).

SE является универсальной дисциплиной разработки програм­мных систем всех типов (ИС, СРВ). IE является дисциплиной пост­роения ИС вообще, а не только их программной компоненты и вклю­чает этапы более высокого уровня (например, стратегическое пла­нирование), однако на этапе анализа требований к программной части эти дисциплины аналогичны.

Традиционный процедурно-ориентированный подход регламен­тирует первичность проектирования функциональных компонент по отношению к проектированию структур данных: требования к данным раскрываются через функциональные требования. При инфор­мационно-ориентированном подходе вход и выход являются наибо­лее важными — структуры данных определяются первыми, а проце­дурные компоненты являются производными отданных.

Основная особенность систем реального времени заключается в том, что они контролируют и контролируются внешними события­ми; реагирование на эти события во времени — главная и первооче­редная функция таких систем. Принципиальные отличия информа­ционных систем от систем реального времени приведены в табл. 2;

Таблица 2

Информационные системы	Системы реального времени
Управляемы данными	Управляемы событиями
Сложные структуры данных	Простые структуры данных
Большой объем входных данных	Малое количество входных данных
Интенсивный ввод/вывод	Интенсивные вычисления
Машинная независимость	Машинная зависимость

 

Средствами поддержки этих особенностей и различаются соответ­ствующие структурные методологии. Необходимо отметить, что для целей анализа требований к системам реального времени использу­ются специальные типы структурных диаграмм: диаграммы потоков управления, диаграммы переходов состояний, матрицы состояний/ событий, таблицы решений и др. Однако многие из них являются вариациями структурных диаграмм для анализа требований к ин­формационным системам. Более того, известные методологии ана­лиза и проектирования СРВ (в частности, методологии Хатли и Уор-да—Меллора) базируются на перечисленных методологиях анализа и проектирования ИС, расширяя их соответствующими диаграмм­ными техниками.

В табл. 3 приведена классификация наиболее часто используемых методологий в соответствии с вышеперечисленными признаками (данные по частоте использования получены на основе анализа ин­формации по 127 CASE-пакетам).

Как уже отмечалось, наиболее существенное различие между разновидностями структурного анализа заключается в методах и сред­ствах функционального моделирования. С этой точки зрения все раз­новидности структурного системного анализа могут быть разбиты на две группы: применяющие методы и технологию DFD (в различ­ных нотациях) и использующие SADT-методологию. По материа­лам наиболее авторитетной в рассматриваемой области исследовательской компании CASE Consulting Group соотношение примене­ния этих двух разновидностей структурного анализа на практике составляет 90% для DFD и 10% для SADT.

 

Таблица 3

Методологии	Частота использования	Школа	Порядок построения	Тип целевых систем
Йодан— Де Марко	36.5%	SE	процедурно-ориентированная	ИС. СРВ
Гейн— Сарсон	20.2%	SE	процедурно-ориентированная	ИС. СРВ
Константайн	10.6%	SE	процедурно-ориентированная	ИС. СРВ
Джексон	7,7%	SE	информационно-ориентированная	ИС. СРВ
Варнье—Орр	5.8%	SE	информационно-ориентированная	ИС
Мартин	22.1%	IE	информационно-ориентированная	ИС
SADT	3.3%	IE	процедурно-ориентированная	ИС

 

Предваряя сравнительный анализ DFD- и SADT-подходов, в ка­честве примера рассмотрим верхний уровень модели требований к системе автоматизации управления компанией, занимающейся рас­пределением товаров по заказам (рис. 21 и рис. 22 соответственно). Заказы подвергаются входному контролю и сортировке. Если заказ не отвечает номенклатуре товаров или оформлен неправильно, то он аннулируется с соответствующим уведомлением заказчика. Если заказ не аннулирован, то определяется, имеется ли на складе соот­ветствующий товар. В случае положительного ответа выписывается счет к оплате и предъявляется заказчику, при поступлении платежа товар отправляется заказчику. Если заказ не обеспечен складскими запасами, то отправляется заявка на товар производителю. После поступления требуемого товара на склад компании заказ становится обеспеченным и повторяет вышеописанный маршрут.

 

 

	Рис. 21

 

 

Сравнительный анализ этих двух разновидностей методологий проводится по следующим параметрам:

•адекватность средств рассматриваемой проблеме;

• согласованность с другими средствами структурного анализа;

• интеграция с последующими этапами разработки (и прежде всего с этапом проектирования).

1) Адекватность. Выбор той или иной структурной методологии напрямую зависит от предметной области, для которой создается модель. В нашем случае методологии применяются к автоматизиро­ванным системам управления предприятием, а не к системам вооб­ще, как это предполагается в SADT. Для рассматриваемых задач DFD вне конкуренции.

Во-первых, SADT-диаграммы значительно менее выразительны и удобны для моделирования АСУП (сравните рис. 21 и рис. 22). Так, дуги в SADT жестко типизированы (вход, выход, управление, меха­низм). В то же время применительно к АСУП стирается смысловое различие между входами и выходами, с одной стороны, и управле­ниями и механизмами, с другой: входы, выходы, механизмы и уп­равления являются потоками данных и/или управления и правила­ми их трансформации. Анализ системы при помощи потоков данных и процессов, их преобразующих, является более прозрачным и не­двусмысленным.

 

 

ких систем (например, хранилища данных являются прообразами файлов или баз данных, внешние сущности отражают взаимодействие моделируемой систе­мы с внешним миром).

Во-вторых, в SADT вообще отсутствуют выразительные средства для моделирования особенностей АСУП. DFD с самого начала со­здавались как средство проектирования информационных систем, являющихся ядром АСУП, и имеют более богатый набор элемен­тов, адекватно отражающих специфику та третьих, наличие мини-спецификаций DFD-процессов ниж­него уровня позволяет преодолеть логическую незавершенность SADT (а именно обрыв модели на некотором достаточно низком уровне, когда дальнейшая ее детализация становится бессмысленной) и построить полную функциональную спецификацию разрабатывае­мой системы.

2) Согласованность. Главным достоинством любых моделей явля­ется возможность их интеграции с моделями других типов. В данном случае речь идет о согласованности функциональных моделей со средствами информационного и событийного (временного) моде­лирования. Согласование SADT-модели с ERD и/или STD практи­чески невозможно или носит тривиальный характер. В свою очередь, DFD, ERD и STD взаимно дополняют друг друга и по сути являют­ся согласованными представлениями различных аспектов одной и той же модели (см. рис. 20). В табл. 4 отражена возможность такой интеграции для DFD- и SADT-моделей.

Таблица 4

Название	ERD	STD	Структурные карты
DFD	+	+	+
SADT	+	-	-

 

Отметим, что интеграция DFD-STD осуществляется за счет рас­ширения классической DFD специальными средствами проектиро­вания систем реального времени (управляющими процессами, по­токами, хранилищами данных), и STD является детализацией уп­равляющего процесса, согласованной по управляющим потокам и хранилищам. Интеграция DFD-ERD осуществляется с использова­нием отсутствующего в SADT объекта — хранилища данных, струк­тура которого описывается с помощью ERD и согласуется по соот­ветствующим потокам и другим хранилищам на DFD.

3) Интеграция с последующими этапами. Важная характеристика методологии — ее совместимость с последующими этапами приме­нения результатов анализа (и прежде всего с этапом проектирова­ния, непосредственно следующим за анализом и опирающимся на его результаты). DFD могут быть легко преобразованы в модели про­ектирования (структурные карты) — это близкие модели. Более того, известен ряд алгоритмов автоматического преобразования иерархии DFD в структурные карты различных видов, что обеспечивает логич­ный и безболезненный переход от этапа анализа требований к проек­тированию системы. С другой стороны, неизвестны формальные ме­тоды преобразования SADT-диаграмм в проектные решения АСУП.

Тем не менее необходимо отметить, что рассмотренные разно­видности структурного анализа по сути — два приблизительно оди­наковых по мощности языка для передачи понимания. И одним из основных критериев выбора является следующий: насколько хоро­шо каждым из этих языков владеет консультант или аналитик, на­сколько грамотно он может на этом языке выражать свои мысли.

 

ЛЕКЦИЯ 11