Метрика программного обеспечения.

Современная программная индустрия за полвека исканий накопила внушительную коллекцию моделей и метрик, оценивающих отдельные производственные и эксплуатационные свойства ПО. Однако погоня за их универсальностью, неучет области применения разрабатываемого ПО, игнорирование этапов жизненного цикла программного обеспечения и, наконец, необоснованное их использование в разноплановых процедурах принятия производственных решений, существенно подорвало к ним доверие разработчиков и пользователей ПО.

Тем не менее, анализ технологического опыта лидеров производства ПО показывает, насколько дорого обходится несовершенство ненаучного прогноза разрешимости и трудозатрат, сложности программ, негибкость контроля и управления их разработкой и многое другое, указывающее на отсутствие сквозной методической поддержки и приводящее в конечном итоге к его несоответствию требованиям пользователя, требуемому стандарту и к последующей болезненной и трудоемкой его переделке. Эти обстоятельства, требуют тщательного отбора методик, моделей, методов оценки качества ПО, учета ограничений их пригодности для различных жизненных циклах и в пределах жизненного цикла, установления порядка их совместного использования, применения избыточного разномодельного исследования одних и тех же показателей для повышения достоверности текущих оценок, накопления и интеграции разнородной метрической информации для принятия своевременных производственных решений и заключительной сертификации продукции.

Ниже, в таблице 1.3., приведены модели и метрики, хорошо зарекомендовавшие себя при оценке качества ПО, пригодные для прогнозирования и констатации различных показателей сложности и надежности программ.

Таблица 1.3.

Название модели	Формула, обозначение
МЕТРИКИ СЛОЖНОСТИ
Метрики Холстеда Длина программы; Объем программы Оценка ее реализации; Трудность ее понимания; Трудоемкость кодирования; Уровень языка выражения; Информационное содержание; Оптимальная модульность;	N = n 1 log 1 n 1 + n 2 log 2 n 2 L * = (2 n 2)/ (n 1 N 2) D = (n 1 N 2) (2n 2) = 1/ L * * = V/ D 2 = V/ L * 2
Метрики Джилба Количество операторов цикла; Количество операторов условия; Число модулей или подсистем; Отношение числа связей между модулями к числу модулей; Отношение числа ненормальных выходов из множества операторов к общему числу операторов;	f = N 4 SV / L mod f * = N * SV / L
Метрики Мак-Кейба Цикломатическое число; Цикломатическая сложность;	(G) = m – n + p (G) = (G) +1 = m – n + 2
Метрика Чепена Мера трудности понимания программ на основе входных и выходных данных;	H = 0.5T+P+2M+3C
Метрика Шнадевида Число путей в управляющем графе
Метрика Майерса Интервальная мера;
Метрика Хансена Пара (цикломатическое число, число операторов)
Метрика Чена Топологическая мера Чена;	M(G) = ((G), С, Q 0)
Метрика Вудворда Узловая мера (число узлов передач управления);
Метрика Кулика Нормальное число (число простейших циклов в нормальной схеме программы);
Метрика Хура Цикломатическое число сети Петри, отражающей управляющую структуру программы;
Метрики Витворфа, Зулевского Мера сложности потока управления Мера сложности потока данных;
Метрика Петерсона Число многовходовых циклов;
Метрики Харрисона, Мэйджела Функциональное число (сумма приведенных сложностей всех вершин управляющего графа); Функциональное отношение (отношение числа вершин графа к функциональному числу); Регулярные выражения (число операндов, операторов и скобок в регулярном выражении управляющего графа программы);	f * = N 1 / f 1
Метрика Пивоварского Модифицированная цикломатическая мера сложности;	N(G) = * (G) + P i
Метрика Пратта Тестирующая мера;
Метрика Кантоне Характеристические числа полиномов, описывающих управляющий граф программы;
Метрика Мак-Клура Мера сложности, основанная на числе возможных путей выполнения программы, числе управляющих конструкций и переменных;	C(V) = D(V)J(V)/ N
Метрика Кафура Мера на основе концепции информационных потоков;
Метрика Схуттса, Моханти Энтропийные меры;
Метрика Коллофело Мера логической стабильности программ;
Метрика Зольновского, Симмонса, Тейера Взвешенная сумма различных индикаторов: - (структура, взаимодействие, объем, данные); - (сложность интерфейса, вычислительная сложность, сложность ввода/вывода, читабельность);
Метрика Берлингера Информационная мера;	I(R) = (F * (R) F - (R)) 2
Метрика Шумана Сложность с позиции статистической теории языка;
Метрика Янгера Логическая сложность с учетом истории вычислений; Сложность проектирования Насыщенность комментариями Число внешних обращений Число операторов	C c = log 2 (i + 1)[ n Cxy (n)]
ПРОГНОЗ МОДЕЛИ
Модели Холстеда Прогноз системных ресурсов; Прогноз числа ошибок. Модель фирмы IBM Модель общей сложности Модели связности Сплайн-модель	P=3/8 (R a – 1) 2 Ra B = Nlog 2 n / 3000 B = 23M 1 + M 1 0 B = 21.1 + 0.1 V + COMP (S) P ij = 0.15 (S i + S j) + 0.7 C ij P ij = Ѕ i (Z ij 2 + N ij 2) ln (Z ij 2 + N ij 2) + + Z i + N 1
ОЦЕНОЧНЫЕ МОДЕЛИ
Джелински – Моранды	R(t) = e - (Т – 1 + 1) t
Вейса-Байеса	R 1 (t) = e - - (i –1))t (, /t 1 ,…,t i-1)dd
Шика-Волвертона	R 1 (t) = e - (N – 1 + 1) t i 2 / 2
Литтлвуда	R 1 (t) = (+ / ++ t) (N – i + 1)
Нельсона	R j (t) = exp { ln (1 – P j)}
Халецкого	R j (t) = P- (1- nj) / n j
Модель отлаженности	R j (t) =P- f j (,)
Мозаичная модель	R j (t) = 1 - (- j - 1)

В таблице представлены разнообразные метрики сложности ПО для различных форм их представления, модели прогнозирующие ход развития процессов разработки ПО и вероятностные модели по оценке надежности.

Кратко рассмотрим метрики сложности. Одной из основных целей научно-технической поддержки является уменьшение сложности ПО. Именно это позволяет снизить трудоемкость проектирования, разработки, испытаний и сопровождения, обеспечить простоту и надежность производимого ПО. Целенаправленное снижение сложности ПО представляет собой многошаговую процедуру и требует предварительного исследования существующих показателей сложности, проведения их классификации и соотнесения с типами программ и их местоположением в жизненном цикле.

Теория сложности программ ориентирована на управление качеством ПО и контроль ее эталонной сложности в период эксплуатации. В настоящее время многообразие показателей (в той или иной степени описывающих сложность программ) столь велико, что для их употребления требуется предварительное упорядочение. В ряде случаев удовлетворяются тремя категориями метрик сложности. Первая категория определяется как словарная метрика, основанная на метрических соотношениях Холстеда, цикломатических мерах Мак-Кейба и измерениях Тейера. Вторая категория ориентирована на метрики связей, отражающих сложность отношений между компонентами системы - это метрики Уина и Винчестера. Третья категория включает семантические метрики, связанные с архитектурным построением программ и их оформлением.

Согласно другой классификации, показатели сложности делятся на две группы: сложность проектирования и сложность функционирования. Сложность проектирования, которая определяется размерами программы, количеством обрабатываемых переменных, трудоемкостью и длительностью разработки и др. факторами, анализируется на основе трех базовых компонентов: сложность структуры программы, сложность преобразований (алгоритмов), сложность данных. Во вторую группу показателей отнесены временная, программная и информационная сложности, характеризующие эксплуатационные качества ПО.

Существует еще ряд подходов к классификации мер сложности, однако они, фиксируя частные стороны исследуемых программ, не позволяют (пусть с большим допущением) отразить общее, то, чьи замеры могут лечь в основу производственных решений.

Общим, инвариантно присущим любому ПО (и связанной с его корректностью), является его СТРУКТУРА . Важно связать это обстоятельство с определенным значением структурной сложности в совокупности мер сложности ПО. И более того, при анализе структурной сложности целесообразно ограничиться только ее топологическими мерами, т.е. мерами, в основе которых лежат топологические характеристики граф-модели программы. Эти меры удовлетворяют подавляющему большинству требований, предъявляемых к показателям: общность применимости, адекватность рассматриваемому свойству, существенность оценки, состоятельность, количественное выражение, воспроизводимость измерений, малая трудоемкость вычислений, возможность автоматизации оценивания.

Именно топологические меры сложности наиболее часто применяются в фазе исследований, формирующей решения по управлению производством (в процессах проектирования, разработки и испытаний) и составляют доступный и чувствительный эталон готовой продукции, контроль которого необходимо регулярно осуществлять в период ее эксплуатации.

Первой топологической мерой сложности является цикломатическая мера Мак-Кейба. В ее основе лежит идея оценки сложности ПО по числу базисных путей в ее управляющем графе, т.е. таких путей, компонуя которые можно получить всевозможные пути из входа графа в выходы. Цикломатическое число (G) орграфа G с n-вершинами, m-дугами и p-компонентами связности есть величина (G) = m – n + p.

Имеет место теорема о том, что число базисных путей в орграфе равно его цикломатическому числу, увеличенному на единицу. При этом, цикломатической сложностью ПО Р с управляющим графом G называется величина (G) = (G) +1 = m – n + 2. Практически цикломатическая сложность ПО равна числу предикатов плюс единица, что позволяет вычислять ее без построения управляющего графа простым подсчетом предикатов. Данная мера отражает “психологическую” сложность ПО.

К достоинствам меры относят простоту ее вычисления и повторяемость результата, а также наглядность и содержательность интерпретации. В качестве недостатков можно отметить: нечувствительность к размеру ПО, нечувствительность к изменению структуры ПО, отсутствие корреляции со структурированностью ПО, отсутствие различия между конструкциями Развилка и Цикл, отсутствие чувствительности к вложенности циклов. Недостатки цикломатической меры привело к появлению ее модификаций, а также принципиально иных мер сложности.

Дж. Майерс предложил в качестве меры сложности интервал [ 1 2 ], где 1 - цикломатическая мера, а 2 - число отдельных условий плюс единица. При этом, оператор DO считается за одно условие, а CASE c n - исходами за n - 1- условий. Введенная мера получила название интервальной мерой.

У. Хансену принадлежит идея брать в качестве меры сложности ПО пару {цикломатической число, число операторов}. Известна топологическая мера Z(G), чувствительная к структурированности ПО. При этом, она Z(G) = V(G) (равна цикломатической сложности) для структурированных программ и Z(G) V(G) для неструктурированных. К вариантам цикломатической меры сложности относят также меру М(G) = (V(G),C,Q), где С - количество условий, необходимых для покрытия управляющего графа минимальным числом маршрутов, а Q - степень связности структуры графа программы и ее протяженность.

К мерам сложности, учитывающим вложенность управляющих конструкций, относят тестирующую меру М и меру Харрисона-Мейджела, учитывающих уровень вложенности и протяженности ПО, меру Пивоварского - цикломатическую сложность и глубину вложенности, и меру Мак-Клура - сложность схемы разбиения ПО на модули с учетом вложенности модулей и их внутренней сложности.

Функциональная мера сложности Харрисона-Мейджела предусматривает приписывание каждой вершине графа своей собственной сложности (первичной) и разбиение графа на “сферы влияния” предикатных вершин. Сложность сферы называют приведенной и слагают ее из первичных сложностей вершин, входящих в сферу ее влияния, плюс первичную сложность самой предикатной вершины. Первичные сложности вычисляются всеми возможными способами. Отсюда функциональная мера сложности ПО есть сумма приведенных сложностей всех вершин управляющего графа.

Мера Пивоварского ставит целью учесть в оценке сложности ПО различия не только между последовательными и вложенными управляющими конструкциями, но и между структурированными и неструктурированными программами. Она выражается отношением N(G) = * (G) + P i , где * (G) - модифицированная цикломатическая сложность, вычисленная так же, как и V(G), но с одним отличием: оператор CASE с n- выходами рассматривается как один логический оператор, а не как n – 1 операторов. Р i – глубина вложенности i – той предикатной вершины.

Для подсчета глубины вложенности предикатных вершин используется число “сфер влияния”. Под глубиной вложенности понимается число всех “сфер влияния” предикатов, которые либо полностью содержаться в сфере рассматриваемой вершины, либо пересекаются с ней. Глубина вложенности увеличивается за счет вложенности не самих предикатов, а “сфер влияния”. Сравнительный анализ цикломатических и функциональных мер с обсуждаемой для десятка различных управляющих графов программы показывает, что при нечувствительности прочих мер этого класса, мера Пивоварского возрастает при переходе от последовательных программ к вложенным и далее к неструктурированным.

Мера Мак-Клура предназначена для управления сложностью структурированных программ в процессе проектирования. Она применяется к иерархическим схемам разбиения программ на модули, что позволяет выбрать схему разбиения с меньшей сложностью задолго до написания программы. Метрикой выступает зависимость сложности программы от числа возможных путей исполнения, числа управляющих конструкций и числа переменных (от которых зависит выбор пути). Методика расчета сложности по Мак-Клуру четко ориентирована на хорошо структурированные программы.

Тестирующей мерой М называется мера сложности, удовлетворяющая следующим условиям:

1. Мера сложности простого оператора равна 1;

2. М ({F1; F2; …;Fn}) = i n M(Fi);

3. М (IF P THEN F1 ELSE F2) = 2 MAX (M (F1), M (F2));

4. М (WHILE P DO F) = 2 M(F).

Мера возрастает с глубиной вложенности и учитывает протяженность программы. К тестирующей мере близко примыкает мера на основе регулярных вложений. Идея этой меры сложности программ состоит в подсчете суммарного числа символов (операндов, операторов, скобок) в регулярном выражении с минимально необходимым числом скобок, описывающим управляющий граф программы. Все меры этой группы чувствительны к вложенности управляющих конструкций и к протяженности программы. Однако возрастает уровень трудоемкости вычислений.

Рассмотрим меры сложности, учитывающие характер разветвлений. В основе узловой меры Вудворда, Хедли лежит идея подсчета топологических характеристик потока управления. При этом, под узловой сложностью понимается число узлов передач управления. Данная мера отслеживает сложность линеаризации программы и чувствительна к структуризации (сложность уменьшается). Она применима для сравнения эквивалентных программ, предпочтительнее меры Холстеда, но по общности уступает мере Мак-Кейба.

Топологическая мера Чена выражает сложность программы числа пересечений границ между областями, образуемыми блок–схемой программы. Этот подход применим только к структурированным программам, допускающим лишь последовательное соединение управляющих конструкций. Для неструктурированных программ мера Чена существенно зависит от условных и безусловных переходов. В этом случае можно указать верхнюю и нижнюю границы меры. Верхняя - есть m+1, где m – число логических операторов при их гнездовой вложенности. Нижняя – равна 2. Когда управляющий граф программы имеет только одну компоненту связности, мера Чена совпадает с цикломатической мерой Мак-Кейба.

Метрики Джилба оценивают сложность графоориентированных модулей программ отношением числа переходов по условию к общему числу исполняемых операторов. Хорошо зарекомендовала себя метрика, относящаяся число межмодульных связей к общему числу модулей. Названные метрики использовались для оценки сложности эквивалентных схем программ, в особенности схем Янова.

Используются также меры сложности, учитывающие историю вычислений, характер взаимодействия модулей и комплексные меры.

Совокупность цикломатических мер пригодна для оценивания сложности первичных формализованных спецификаций, задающих в совокупности исходные данные, цели и условия построения искомого ПО. Оценка этой “первичной” программы или сравнение нескольких альтернативных ее вариантов позволит изначально гармонизировать процесс разработки ПО и от стартовой точки контролировать и управлять его текущей результирующей сложностью.

С учетом новых методик, таких как экстремальное программирование или Scrum, разработка может осуществляться быстрее, а наличие новых платформ и абстрагирование от нижних уровней позволяют избегать многих ошибок. Тем не менее контроль качества должен осуществляться на самых различных уровнях – начиная с методологического и заканчивая технологическим уровнем, когда процессы контроля качества протекают в автоматическом режиме, например при автоматических сборках проекта. Однако любой контроль предполагает наличие метрик, которые позволяют оценить достижение того или иного уровня качества программного проекта.

Метрики кода

Метрика программного обеспечения (software metric) – численная мера, позволяющая оценить определенные свойства конкретного участка программного кода. Для каждой метрики обычно существуют ее эталонные показатели, указывающие, при каких крайних значениях стоит обратить внимание на данный участок кода. Метрики кода разделяются на категории и могут оценивать совершенно различные аспекты программной системы: сложность и структурированность программного кода, связность компонентов, относительный объем программных компонентов и др. Наиболее простая для понимания метрика – количество строк кода в программной системе, – хотя и элементарно вычисляется, но в совокупности с другими метриками может служить для получения формализованных данных для оценки кода. Например, можно построить соотношение между количеством строк кода в классе и количеством методов/свойств в классе, получив характеристику, показывающую, насколько методы данного класса являются объемными. Кроме того, такие оценки можно использовать в совокупности с метриками сложности (например, цикломатической сложностью Мак-Кейба) для определения наиболее сложных участков в программном коде и принятия соответствующих мер.

Метрики кода могут служить также для выявления архитектурных особенностей. Наибольший эффект применение таких метрик дает при анализе больших программных систем, когда ручной анализ и просмотр исходного кода может занимать значительное время. Например, можно различным образом визуализировать метрики, как указано на рис. 1, где каждый программный блок представляется в виде прямоугольника, при этом длина каждой стороны прямоугольника отражает значение какой-либо из метрик (например, сложность, структурированность и т.д.). Подобное представление можно строить как для высокоуровневых программных сущностей (сборки, библиотеки, пространства имен), так и для более частных элементов (свойства, методы). При этом при анализе высокоуровневой диаграммы можно быстро выявить проблемные библиотеки и спуститься на уровень ниже, чтобы исследовать проблемные сущности.

Метрики программного кода являются важным инструментом и уже сегодня используются многими производителями ПО. Так, при сертификации на более высокие уровни по моделям ISO/IEC или CMM/CMMI использование метрик кода является обязательным, что позволяет в определенной степени достичь контролируемости процесса разработки.

Существует множество различных классификаций метрик программного обеспечения, трактующих метрики с различных позиций и ранжирующих одни и те же характеристики по различным критериям. Одной из таких классификаций может служить разделение метрик на группы по субъектам оценки:

размер – сравнительная оценка размеров ПО;

сложность – оценка архитектуры и алгоритмов программной системы (отрицательные показатели этой группы метрик говорят о проблемах, с которыми можно столкнуться при развитии, поддержке и отладке программного кода);

поддерживаемость – оценка потенциала программной системы для последующей модификации.

Безусловно, существуют и другие группы, которые не вошли в эту классификацию, например, метрики удовлетворенности пользователя или показатели соответствия исходным требованиям, но в данном случае нас будет интересовать качество программного обеспечения с точки зрения именно технической реализации.

Имеет ли значение размер?

Метрика SLOC (source lines of code) отражает количество строк исходного кода. Данный показатель не всегда может использоваться для объективной оценки объемов программной системы – его числовое значение зависит от множества случайных факторов, например стиля кодирования. Сравнивать две программные системы лишь по этому критерию вряд ли правомерно, поэтому для SLOC появилось множество производных показателей: количество пустых строк; количество строк, содержащих комментарии; процентное соотношение комментариев; количество строк кода, содержащихся в методах/функциях; среднее количество строк кода на метод/функцию; среднее количество строк кода на класс/пакет; среднее количество строк кода на модуль и т.д.

Кроме SLOC, при оценке размера часто используют показатель «логических» строк кода LSI (logical source instructions), вычисляемый после нормализации (приведения исходного кода к надлежащему виду) листинга: устранение размещения нескольких инструкций на одной строке, пустых строк, очистка от комментариев, форматирование строк кода для инициализации данных и т.д. Такой показатель может служить для более объективной оценки объема системы (показатель с применением нормализации выглядит так же, как и SLOC, – количество строк, но не физических, а логических). У LSI также существуют производные, например метрика, вычисляемая не как физическое количество строк кода на исходном языке программирования, а как количество инструкций на языке более низкого уровня (язык Ассемблера, MSIL и др.), что устраняет необходимость в нормализации.

Другие метрики этого типа базируются на сущностях, относящихся к конкретной парадигме программирования. Наиболее популярной на сегодняшний день является парадигма объектно-ориентированного программирования, однако для функционального и процедурного подхода к программированию также имеется свой специфический набор метрик. С точки зрения объектно-ориентированного подхода размер системы можно вычислять как количество содержащихся в ней классов. Показатель количества классов является одной из основных метрик в данном подходе, однако в зависимости от используемого языка программирования могут применяться такие метрики, как количество пространств имен в проекте, количество структур, перечислений, количество методов и др. Кроме того, можно вычислить «плотность» этих показателей, определив соотношение значений этих метрик. Например, можно вычислить соотношение количества классов к количеству методов и понять, сколько методов в среднем содержится в одном классе. Однако для определения пороговых значений для такого типа метрик требуются дополнительные исследования. Наиболее простым способом определения граничных величин может быть эксперимент, в котором значения этих метрик вычисляются для уже существующих систем. Вычисление подобных соотношений позволит скорректировать представление о системе, которое сложилось на основе количественных метрик.

Напрямую качество системы не зависит от использования данных показателей, однако опытные разработчики со временем могут примерно прогнозировать объем системы на заданный функционал, необходимый заказчику. В этом случае при заметном отклонении от заданных показателей (например, существенном увеличении количества классов при низком количестве методов на класс) стоит задуматься о том, что в системе может присутствовать избыточное количество объектов, и на более ранней стадии выполнить рефакторинг кода.

Сложность

Для оценки и контроля качества кода могут непосредственно использоваться метрики сложности: цикломатическая сложность, связность кода, глубина наследования и др.

Метрика цикломатической сложности (cyclomatic complexity) показывает количество ветвлений управляющего потока программы, увеличенное на единицу. Для вычисления данной метрики на основе исходного кода строится ориентированный граф, содержащий один вход и один выход. При этом вершины графа соотносят с теми участками кода программы, в которых содержатся лишь последовательные вычисления и отсутствуют операторы ветвления и цикла. Дуги в этом случае соотносят с переходами от блока к блоку. При этом каждая вершина графа достижима из начальной, а конечная точка достижима из любой другой. В этом случае цикломатическую сложность можно вычислить как разницу количества дуг и количества вершин, увеличенную на два. Такой показатель может отразить сложность управляющего потока программы и дать сигнал о возможном наличии некачественного участка кода. К сожалению, несмотря на очевидную практическую полезность, эта метрика не способна различать циклические операторы. Кроме того, программные коды, представленные одними и теми же графами, могут иметь совершенно различные по сложности предикаты (логические выражения, содержащие переменную). По этой причине иногда цикломатическую сложность используют одновременно с другими метриками, например с метрикой числа операторов.

Метрика связности классов позволяет определить степень зависимости программных компонентов системы друг от друга. Повышенные значения данной метрики относительно пороговых значений могут говорить о чрезмерной связанности системы, которая появляется из-за слабой модульной инкапсуляции. Такое свойство программной системы может привести к трудностям при повторном использовании кода. На данную метрику можно ориентироваться при построении и переработке архитектуры программной системы. Основными способами уменьшения связности объектов является более строгая инкапсуляция логики в объекты, пересмотр работы алгоритмов с концептуальной точки зрения и структурная декомпозиция. При этом используются фабрики объектов, которые позволяют избежать лишней связности в момент создания экземпляров классов. Благодаря применению сырых значений данной метрики удается снизить связность программной системы, а следовательно, и сложность кода.

Иногда используют вариацию метрики, отражающей связность кода, – количество вызовов операции. Эта метрика позволяет определить количественный показатель связности системы в виде вызовов методов. Метрика подсчитывает вызовы только тех операций, которые определены пользователем. Например, если метод A() вызывает метод B() три раза, то значение этой метрики будет равно единице; если же метод B() вызывается по одному разу из методов A(), C() и D(), то значение метрики будет равняться трем. Однако абсолютное значение данной метрики может существенно изменяться от проекта к проекту в зависимости от подходов к проектированию и кодированию программных систем. Даже в рамках одной и той же команды разработчиков на идентичных проектах значение данной метрики может отличаться в силу субъективных факторов (например, стиля конкретного разработчика при выделении логики в отдельные методы), которые оказывали влияние при построении программной системы.

Прямой результат вычисления этой метрики имеет сомнительное практическое значение, однако в совокупности с суммарным значением метрики количество методов в классе может дать объективную оценку связности системы. Например, если использовать эту метрику наряду с метрикой сложности, а также объемными характеристиками, то по совокупности значений этих метрик можно обнаружить недостаточно качественный код.

Еще одной важной метрикой оценки сложности является средняя глубина наследования, которая вычисляется как среднее значение глубины наследования для всех классов системы, определенных пользователем. При этом не учитываются классы, стоящие не на самом нижнем уровне иерархии наследования. Высокие значения метрики могут сигнализировать о том, что архитекторы программной системы слишком увлеклись приемами объектно-ориентированного программирования, а это может негативно сказываться на дальнейшем развитии системы. Наследование существенно повышает связность, которая при этом может не отражаться остальными метриками оценки системы. Зачастую при построении программного кода можно избежать применения наследования, заменив его равноценными приемами. Например, вместо этого можно использовать инъекцию зависимостей и IoC-контейнеры. Результат вычисления данной метрики, как правило, используется в сыром виде в практических задачах построения архитектуры и рефакторинга. Полученные показатели метрики также можно использовать в более сложных комплексных метриках. Иначе говоря, если значение этой метрики велико, то можно сразу выявить аномалию. Кроме того, эту метрику можно использовать в совокупности с другими, например подсчитать сложность системы по Мак-Кейбу и ее объем, чтобы точнее измерить программную систему.

В целом метрики сложности могут оказать существенную помощь производителям программного обеспечения в процессе контроля и управления качеством программного обеспечения.

Поддерживаемость

Метрики данного типа показывают трудоемкость процесса поддержки и развития программного кода и, как правило, тесно связаны с метриками сложности, но имеют свои особенности, отражающие возможности поддержки системы.

Одной из основных метрик этой категории является метрика Холстеда, в рамках которой определяют четыре измеряемые характеристики программы: число уникальных операторов программы, включая символы-разделители, имена процедур и знаки операций (словарь операторов); число уникальных операндов программы (словарь операндов); общее число операторов в программе; общее число операндов в программе. На основании этих характеристик производятся базовые оценки: составляется словарь программы; определяется длина программы, ее объем и сложность. Далее предлагается вычислить различные меры, которые позволяют оценить программный код. Например, выражение для вычисления качества программирования, сложности понимания программы, умственные затраты на создание программы и др.

Метрика Холстеда носит исключительно информационный характер, тем не менее она остается одной из немногих, которые позволяют количественно оценить показатель поддерживаемости системы в будущем, при этом данный показатель имеет прямую корреляцию с качеством выпускаемого продукта.

Инструмент анализа кода

Разработчики на платформе Microsoft могут воспользоваться версией Visual Studio 2008, которая позволяет вычислять базовый набор основных метрик и отслеживать их в режиме реального времени (рис. 2). Тем не менее основной сценарий использования метрик – это информирование менеджеров разработки о том, что качество продукта, возможно, понизилось или повысилось. Поэтому имеет смысл вычислять такие метрики в процессе сборки проекта.

Visual Stuido 2008 и Microsoft Build не позволяют выстроить серьезную иерархию метрик, и для этого следует воспользоваться другими инструментами, например NDepend, позволяющим для платформы.NETрассчитывать различные типы связности, наследования и абстрактности, интегрируясь в процесс создания программ в соответствии с требованиями конкретной команды разработчиков.

Проблемы при использовании метрик кода

Несмотря на то что метрики позволяют контролировать процесс разработки, работа с ними сопряжена с рядом проблем.

Во-первых, все известные на сегодняшний день метрики кода недостаточно значимы и точны. Они не способны обеспечить получение объективной картины о состоянии программной системы, а лишь выдают показатели, которые вычислены по заданному алгоритму. Во-вторых, процесс измерения может быть искусственно искажен за счет того, что сотрудники будут «оптимизировать» свой программный код так, чтобы метрики выдавали лучшие результаты. Кроме того, формальное использовании метрик не учитывает опыт сотрудников, уровень компании и может принести не только пользу, но и вред.

Тем не менее метрики являются достаточно полезным инструментом в руках разработчиков и менеджеров проектов, позволяющим выявить моменты ухода разработки на более низкий качественный уровень и распознать наиболее сложные участки в системе. Определение числовых показателей может дать новые сведения о разрабатываемом продукте и помочь более грамотно планировать расходы на его дальнейшее развитие.

Сергей Звездин ([email protected]) – аспирант Южно-Уральского государственного университета (Челябинск).

В МГУ открыт портал дистанционного обучения

Школа дистанционного образования Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова открыла собственный Internet-портал . На нем предлагается доступ к совместной открытой электронной библиотеке МГУ и Российской академии наук, учебникам и курсам, аудио- и видеоматериалам, а также к образовательным программам с применением дистанционных образовательных технологий. Часть ресурсов портала доступна только слушателям дистанционных программ, оплатившим обучение согласно договору с университетом. Видеоматериалы МГУ теперь доступны на канале университета в YouTube. Образовательный канал содержит записи лекций, а также мероприятий университета.

eLearning только для 17% российских компаний

Исследовательский центр портала SuperJob.ru представил результаты опроса, посвященного онлайн-обучению персонала российских компаний. Среди отечественных работодателей использование электронного обучения в работе с персоналом не слишком распространено. Только 17% компаний предлагают персоналу подобную форму обучения. В основном эти технологии применяют в крупных компаниях со штатом от 5 тыс. человек (50%). Вообще не применяют подобную практику 79% работодателей. Причины кроются либо в отсутствии необходимого технического оборудования, либо в нежелании руководства применять такой вид обучения. В целом опыт дистанционного обучения имеют лишь 11% россиян. Из этого числа 9% респондентов остались довольны результатом, а 2% – недоучились и бросили. Среди тех, кто прошел обучение, мужчин оказалось почти вдвое больше, чем женщин (11% и 6% соответственно). При этом россияне в возрасте от 35 до 55 лет учатся через Internet чаще, чем молодежь. Успешным опытом дистанционного обучения может похвастаться 12% респондентов в возрасте от 40-50 лет и лишь 9% россиян в возрасте до 23 лет.

Итоги конкурса «Максимальная масштабируемость 2009»

Конкурс проектов по высокопроизводительным вычислениям «Максимальная масштабируемость», как и в прошлом году, был приурочен к международному форуму по нанотехнологиям. На победу в нем претендовали ученые из двадцати городов России, однако организаторы, компания Intel и «Российская корпорация нанотехнологий», отдали все призовые места столичным проектам. Гран-при получил Владимир Боченков с химического факультета МГУ им. Ломоносова за проект «Разработка и реализация параллельного алгоритма температурно-ускоренной динамики». Предложенная автором система позволяет исследовать конденсацию наноструктур, молекулярно-лучевую эпитаксию и взаимодействие биологических молекул.

Стартовал чемпионат мира по программированию

В финале 34-го ежегодного командного чемпионата мира по программированию (International Collegiate Programming Contest, ICPC), который проводится ассоциацией Association for Computing Machinery (ACM) и спонсируется IBM, встретятся сто победивших в региональных соревнованиях студенческих команд. Перед ними будут поставлены как минимум восемь задач, которые потребуется решить за 5 часов. Финал пройдет 5 февраля 2010 года в Харбинском инженерном университете (Китай). Среди задач прошлых лет были, например, такие как поиск потерянного в море корабля, триангуляция местоположения испорченного радиопередатчика, вычисление препятствий при игре в гольф, кодирование и декодирование сообщений, печать шрифтом Брайля, поиск выхода из лабиринта. В прошлом году три из четырех золотых медалей завоевали российские команды. На стадии отборочных соревнований в чемпионате участвовало 7109 команд из 1838 университетов 88 стран мира. Второй год подряд чемпионом мира стала команда Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Черников Алексей

1. Введение

В отличие от большинства отраслей материального производства, в вопросах проектов создания ПО недопустимы простые подходы, основанные на умножении трудоемкости на среднюю производительность труда. Это вызвано, прежде всего, тем, что экономические показатели проекта нелинейно зависят от объема работ, а при вычислении трудоемкости допускается большая погрешность.

Поэтому для решения этой задачи используются комплексные и достаточно сложные методики, которые требуют высокой ответственности в применении и определенного времени на адаптацию (настройку коэффициентов).

Современные комплексные системы оценки характеристик проектов создания ПО могут быть использованы для решения следующих задач:

• предварительная, постоянная и итоговая оценка экономических параметров проекта: трудоемкость, длительность, стоимость;
  
• оценка рисков по проекту: риск нарушения сроков и невыполнения проекта, риск увеличения трудоемкости на этапах отладки и сопровождения проекта и пр.;
  
• принятие оперативных управленческих решений – на основе отслеживания определенных метрик проекта можно своевременно предупредить возникновение нежелательных ситуаций и устранить последствия непродуманных проектных решений.

1 Введение
2 Метрики
2.1 Размерно-ориентированные метрики (показатели оценки объема)
2.1.1 LOC-оценка (Lines Of Code)
2.1.1.1 Метрика стилистики и понятности программ
2.1.2 Итого по SLOC
2.2 Метрики сложности
2.2.2 Метрики Холстеда
2.2.4 Метрики Чепина

2.4 Общий списочный состав метрик
2.4 Подведение итогов
6 Ресурсы интернет

2. Метрики

Метрики сложности программ принято разделять на три основные группы:

• метрики размера программ;
  
• метрики сложности потока управления программ;
  
• метрики сложности потока данных программ.
  

Метрики первой группы базируются на определении количественных характеристик, связанных с размером программы, и отличаются относительной простотой. К наиболее известным метрикам данной группы относятся число операторов программы, количество строк исходного текста, набор метрик Холстеда. Метрики этой группы ориентированы на анализ исходного текста программ. Поэтому они могут использоваться для оценки сложности промежуточных продуктов разработки.

Метрики второй группы базируются на анализе управляющего графа программы. Представителем данной группы является метрика Маккейба.

Управляющий граф программы, который используют метрики данной группы, может быть построен на основе алгоритмов модулей. Поэтому метрики второй группы могут применяться для оценки сложности промежуточных продуктов разработки.

Метрики третьей группы базируются на оценке использования, конфигурации и размещения данных в программе. В первую очередь это касается глобальных переменных. К данной группе относятся метрики Чепина.

2.1 Размерно - ориентированные метрики (показатели оценки объема)

2.1.1 LOC-оценка (Lines Of Code)

Размерно-ориентированные метрики прямо измеряют программный продукт и процесс его разработки. Основываются такие метрики на LOC-оценках.

Этот вид метрик косвенно измеряет программный продукт и процесс его разработки. Вместо подсчета LOC-оценок при этом рассматривается не размер, а функциональность или полезность продукта.

Наибольшее распространение в практике создания программного обеспечения получили размерно-ориентированные метрики. В организациях, занятых разработкой программной продукции для каждого проекта принято регистрировать следующие показатели:

• общие трудозатраты (в человеко-месяцах, человеко-часах);
  
• объем программы (в тысячах строках исходного кода -LOC);
  
• стоимость разработки;
  
• объем документации;
  
• ошибки, обнаруженные в течение года эксплуатации;
  
• количество людей, работавших над изделием;
  
• срок разработки.
  

На основе этих данных обычно подсчитываются простые метрики для оценки производительности труда (KLOC/человеко-месяц) и качества изделия.

Эти метрики не универсальны и спорны, особенно это относится к такому показателю как LOC, который существенно зависит от используемого языка программирования.

Количество строк исходного кода (Lines of Code – LOC, Source Lines of Code – SLOC) является наиболее простым и распространенным способом оценки объема работ по проекту.

Изначально данный показатель возник как способ оценки объема работы по проекту, в котором применялись языки программирования, обладающие достаточно простой структурой: «одна строка кода = одна команда языка». Также давно известно, что одну и ту же функциональность можно написать разным количеством строк, а если возьмем язык высокого уровня (С++, Java), то возможно и в одной строке написать функционал 5-6 строк – это не проблема. И это было бы полбеды: современные средства программирования сами генерируют тысячи строк кода на пустяковую операцию.

Потому метод LOC является только оценочным методом (который надо принимать к сведению, но не опираться в оценках) и никак не обязательным.

В зависимости от того, каким образом учитывается сходный код , выделяют два основных показателя SLOC:

1. количество «физических» строк кода – SLOC (используемые аббревиатуры LOC, SLOC, KLOC, KSLOC, DSLOC) – определяется как общее число строк исходного кода, включая комментарии и пустые строки (при измерении показателя на количество пустых строк, как правило, вводится ограничение – при подсчете учитывается число пустых строк, которое не превышает 25% общего числа строк в измеряемом блоке кода).
   
2. Количество «логических» строк кода – SLOC (используемые аббревиатуры LSI, DSI, KDSI, где «SI» - source instructions) – определяется как количество команд и зависит от используемого языка программирования. В том случае, если язык не допускает размещение нескольких команд на одной строке, то количество «логических» SLOC будет соответствовать числу «физических», за исключением числа пустых строк и строк комментариев. В том случае, если язык программирования поддерживает размещение нескольких команд на одной строке, то одна физическая строка должна быть учтена как несколько логических, если она содержит более одной команды языка.
   

Для метрики SLOC существует большое число производных, призванных получить отдельные показатели проекта, основными среди которых являются:

• число пустых строк;
  
• число строк, содержащих комментарии;
  
• процент комментариев (отношение строк кода к строкам комментария, производная метрика стилистики);
  
• среднее число строк для функций (классов, файлов);
  
• среднее число строк, содержащих исходный код для функций (классов, файлов);
  
• среднее число строк для модулей.
  

2.1.1.1 Метрика стилистики и понятности программ

Иногда важно не просто посчитать количество строк комментариев в коде и просто соотнести с логическими строчками кода, а узнать плотность комментариев. То есть код сначала был документирован хорошо, затем – плохо. Или такой вариант: шапка функции или класса документирована и комментирована, а код нет.

Fi = SIGN (Nкомм. i / Ni – 0,1)

Суть метрики проста: код разбивается на n-равные куски и для каждого из них определяется Fi

2.1.2 Итого по SLOC

Потенциальные недостатки SLOC, на которые нацелена критика:

• некрасиво и неправильно сводить оценку работы человека к нескольким числовым параметрам и по ним судить о производительности. Менеджер может назначить наиболее талантливых программистов на сложнейший участок работы; это означает, что разработка этого участка займёт наибольшее время и породит наибольшее количество ошибок, из-за сложности задачи. Не зная об этих трудностях, другой менеджер по полученным показателям может решить, что программист сделал свою работу плохо.
  
• Метрика не учитывает опыт сотрудников и их другие качества
  
• Искажение: процесс измерения может быть искажён за счёт того, что сотрудники знают об измеряемых показателях и стремятся оптимизировать эти показатели, а не свою работу. Например, если количество строк исходного кода является важным показателем, то программисты будут стремиться писать как можно больше строк и не будут использовать способы упрощения кода, сокращающие количество строк (см. врезку про Индию).
  
• Неточность: нет метрик, которые были бы одновременно и значимы и достаточно точны. Количество строк кода - это просто количество строк, этот показатель не даёт представления о сложности решаемой проблемы. Анализ функциональных точек был разработан с целью лучшего измерения сложности кода и спецификации, но он использует личные оценки измеряющего, поэтому разные люди получат разные результаты.
  

И главное помнить: метрика SLOC не отражает трудоемкости по созданию программы
.

Пример из жизни : В одной из компаний при внедрении мы применили данную метрику – считали строки кода. Руководитель организации был в отпуске, но по возвращении из него решил воспользоваться прозрачностью и трассируемостью изменений и посмотреть, как же идут дела в проектах у его менеджеров. И чтоб полностью войти в курс , опустился на самый низкий уровень (то есть не стал оценивать плотность дефектов, количество исправленных багов) – на уровень исходных текстов. Решил посчитать, кто и сколько строк написал. А чтоб было совсем весело – соотнести количество рабочих дней в неделю и количество написанного кода (логика проста: человек работал 40 часов в неделю, значит, должен много чего написать). Естественно, нашелся человек, который за неделю написал всего одну строку, даже не написал, а только откорректировал существующую… Гневу руководителя не было предела – нашел бездельника! И плохо было бы программисту, если бы менеджер проекта не объяснил, что: была найдена ошибка в программе, нашел ее VIP- клиент, ошибка влияет на бизнес клиента и ее нужно было срочно устранить, для этого был выбран вот этот конкретный исполнитель, который развернул стенд, залил среду клиента, подтвердил проявление ошибки и начал ее искать и устранять. Естественно, в конце концов, он поменял фрагмент кода, в котором было неправильное условие и все заработало.

Согласитесь, считать трудозатраты по данной метрике глупо – необходима комплексная оценка…

2.2 Метрики сложности

Помимо показателей оценки объема работ по проекту очень важными для получения объективных оценок по проекту являются показатели оценки его сложности. Как правило, данные показатели не могут быть вычислены на самых ранних стадиях работы над проектом, поскольку требуют, как минимум, детального проектирования. Однако эти показатели очень важны для получения прогнозных оценок длительности и стоимости проекта, поскольку непосредственно определяют его трудоемкость.

2.2.1 Объектно-ориентированные метрики

В современных условиях большинство программных проектов создается на основе ОО подхода, в связи с чем существует значительное количество метрик, позволяющих получить оценку сложности объектно-ориентированных проектов.

Метрика	Описание
Взвешенная насыщенность класса 1 (Weighted Methods Per Class (WMC)	Отражает относительную меру сложности класса на основе цикломатической сложности каждого его метода. Класс с более сложными методами и большим количеством методов считается более сложным. При вычислении метрики родительские классы не учитываются.
Взвешенная насыщенность класса 2 (Weighted Methods Per Class (WMC2))	Мера сложности класса, основанная на том, что класс с большим числом методов, является более сложным, и что метод с большим количеством параметров также является более сложным. При вычислении метрики родительские классы не учитываются.
Глубина дерева наследования (Depth of inheritance tree)	Длина самого длинного пути наследования, заканчивающегося на данном модуле. Чем глубже дерево наследования модуля, тем может оказаться сложнее предсказать его поведение. С другой стороны, увеличение глубины даёт больший потенциал повторного использования данным модулем поведения, определённого для классов-предков.
Количество детей (Number of children)	Число модулей, непосредственно наследующих данный модуль.Большие значения этой метрики указывают на широкие возможности повторного использования; при этом слишком большое значение может свидетельствовать о плохо выбранной абстракции .
Связность объектов (Coupling between objects)	Количество модулей, связанных с данным модулем в роли клиента или поставщика. Чрезмерная связность говорит о слабости модульной инкапсуляции и может препятствовать повторному использованию кода.
Отклик на класс (Response For Class)	Количество методов, которые могут вызываться экземплярами класса; вычисляется как сумма количества локальных методов, так и количества удаленных методов

2.2.2 Метрики Холстеда

Метрика Холстеда относится к метрикам, вычисляемым на основании анализа числа строк и синтаксических элементов исходного кода программы.

Основу метрики Холстеда составляют четыре измеряемые характеристики программы:

• NUOprtr (Number of Unique Operators) - число уникальных операторов программы, включая символы-разделители, имена процедур и знаки операций (словарь операторов);
  
• NUOprnd (Number of Unique Operands) - число уникальных операндов программы (словарь операндов);
  
• Noprtr (Number of Operators) - общее число операторов в программе;
  
• Noprnd (Number of Operands) - общее число операндов в программе.
  

На основании этих характеристик рассчитываются оценки:

• Словарь программы
  (Halstead Program Vocabulary, HPVoc): HPVoc = NUOprtr + NUOprnd;
  
• Длина программы
  (Halstead Program Length, HPLen): HPLen = Noprtr + Noprnd;
  
• Объем программы
  (Halstead Program Volume, HPVol): HPVol = HPLen log2 HPVoc;
  
• Сложность программы
  (Halstead Difficulty, HDiff): HDiff = (NUOprtr/2) × (NOprnd / NUOprnd);
  
• На основе показателя HDiff предлагается оценивать усилия программиста при разработке при помощи показателя HEff (Halstead Effort) : HEff = HDiff × HPVol.
  

2.2.3 Метрики цикломатической сложности по Мак-Кейбу

Показатель цикломатической сложности является одним из наиболее распространенных показателей оценки сложности программных проектов. Данный показатель был разработан ученым Мак-Кейбом в 1976 г., относится к группе показателей оценки сложности потока управления программой и вычисляется на основе графа управляющей логики программы (control flow graph). Данный граф строится в виде ориентированного графа, в котором вычислительные операторы или выражения представляются в виде узлов, а передача управления между узлами – в виде дуг.

Показатель цикломатической сложности позволяет не только произвести оценку трудоемкости реализации отдельных элементов программного проекта и скорректировать общие показатели оценки длительности и стоимости проекта, но и оценить связанные риски и принять необходимые управленческие решения.

Упрощенная формула вычисления цикломатической сложности представляется следующим образом:

C = e – n + 2,

где e – число ребер, а n – число узлов
на графе управляющей логики.

Как правило, при вычислении цикломатической сложности логические операторы не учитываются.

В процессе автоматизированного вычисления показателя цикломатической сложности, как правило, применяется упрощенный подход, в соответствии с которым построение графа не осуществляется, а вычисление показателя производится на основании подсчета числа операторов управляющей логики (if, switch и т.д.) и возможного количества путей исполнения программы.

Цикломатическое число Мак-Кейба показывает требуемое количество проходов для покрытия всех контуров сильносвязанного графа или количества тестовых прогонов программы, необходимых для исчерпывающего тестирования по принципу «работает каждая ветвь».

Показатель цикломатической сложности может быть рассчитан для модуля, метода и других структурных единиц программы.

Существует значительное количество модификаций показателя цикломатической сложности.

• «Модифицированная» цикломатическая сложность – рассматривает не каждое ветвление оператора множественного выбора (switch), а весь оператор как единое целое.
  
• «Строгая» цикломатическая сложность – включает логические операторы.
  
• «Упрощенное» вычисление цикломатической сложности – предусматривает вычисление не на основе графа, а на основе подсчета управляющих операторов.
  

2.2.4 Метрики Чепина

Существует несколько ее модификаций. Рассмотрим более простой, а с точки зрения практического использования – достаточно эффективный вариант этой метрики.

Суть метода состоит в оценке информационной прочности отдельно взятого программного модуля с помощью анализа характера использования переменных из списка ввода-вывода.

Все множество переменных, составляющих список ввода-вывода, разбивается на четыре функциональные группы.

Q = a1P + a2M + a3C + a4T, где a1, a2, a3, a4 – весовые коэффициенты.

Q = P + 2M + 3C + 0.5T.

2.3 Предварительная оценка на основе статистических методов в зависимости от этапов разработки программы

При использовании интегрированных инструментальных средств у компаний, разрабатывающих типовые решения (под эту категорию попадают так называемые «инхаузеры» – компании, занимающиеся обслуживанием основного бизнеса) появляется возможность строить прогнозы сложности программ, основываясь на собранной статистике. Статистический метод хорошо подходит для решения подобных типовых задач и практически не подходит для прогноза уникальных проектов. В случае уникальных проектов применяются иные подходы, обсуждение которых находится за рамками данного материала.

Типовые задачи как из рога изобилия падают на отделы разработки из бизнеса, потому предварительная оценка сложности могла бы сильно упростить задачи планирования и управления, тем более что есть накопленная база по проектам, в которой сохранены не только окончательные результаты, но и все начальные и промежуточные.

Выделим типовые этапы в разработке программ:

• разработка спецификации требований к программе;
  
• определение архитектуры;
  
• проработка модульной структуры программы, разработка интерфейсов между модулями. Проработка алгоритмов;
  
• разработка кода и тестирование.
  

Теперь попробуем рассмотреть ряд метрик, часто используемых для предварительной оценки на первых двух этапах.

2.3.1 Предварительная оценка сложности программы на этапе разработки спецификации требований к программе

Для оценки по результатам работы данного этапа может быть использована метрика прогнозируемого числа операторов Nпрогн программы:

Nпрогн =NF*Nед

Где: NF – количество функций или требований в спецификации требований к разрабатываемой программе;
Nед – единичное значение количества операторов (среднее число операторов, приходящихся на одну среднюю функцию или требование). Значение Nед - статистическое.

2.3.2 Предварительная оценка сложности на этапе определения архитектуры

Си = NI / (NF * NIед * Ксл)

Где:
NI – общее количество переменных, передаваемых по интерфейсам между компонентами программы (также является статистической);
NIед–единичное значение количества переменных, передаваемых по интерфейсам между компонентами (среднее число передаваемых по интерфейсам переменных, приходящихся на одну среднюю функцию или требование);
Ксл – коэффициент сложности разрабатываемой программы, учитывает рост единичной сложности программы (сложности, приходящейся на одну функцию или требование спецификации требований к программе) для больших и сложных программ по сравнению со средним ПС.

2.4 Общий списочный состав метрик

Таблица 1 содержит краткое описание метрик, не вошедших в детальное описание выше, но тем не менее даные метрики нужны и важны, просто по статистике они встречаются гораздо реже.

Также отметим, что цель этой статьи показать принцип, а не описать все возможные метрики во множестве комбинаций.

Свежие подборки материалов для скачивания! Мы собрали пакеты материалов по актуальным темам, включающие презентации экспертов, вебинары, статьи, примеры внедрений и пр.
Для загрузки материалов нажмите на соответствующую кнопку:

Наиболее широко известным и используемым стандартом для организации процессов контроля качества является серия стандартов ISO 9000. Для процесса разработки программ используется стандарт ISO 9001, предусматривающий проектирование в процессе производства. Следует отметить, что данный стандарт затруднительно использовать непосредственно в управлении качеством разработки программного обеспечения, поскольку изначально он ориентирован на разработку промышленных изделий. Специально для обеспечения процессов разработки программных систем организацией ISO, разработано руководство ISO 9000-3 , которое формулирует требования модели качества ISO 9001 к организации процесса разработки программного обеспечения.

Таким образом, для оценки качества процесса разработки в собственной организации или в организации подрядчиков могут использоваться требования руководства ISO 9000-3. В настоящее время повсеместно вводится в использование версия стандарта 2000 года, в котором во главу угла ставится управление процессом, однако в данной версии стандарта специфика, связанная с разработкой ПО отсутствует.

Недостатком стандарта ISO 9000 является трудность измерения уровня качества процесса разработки программного обеспечения в соответствии с предложенной моделью качества.

Среди разработчиков программного обеспечения в особенности за рубежом (в первую очередь в США) большим рейтингом пользуется альтернативная модель качества: СММ - SEI. Указанная модель качества разработана в институте инженерии программного обеспечения (Software Engineering Institute) при спонсорстве министерства обороны США. Первоначально данная модель качества использовалась государственными, в частности военными, организациями при размещении заказов на разработку программного обеспечения. В настоящее время стандарт широко используется для анализа и сертификации процессов разработки программного обеспечения фирм, производящих сложное программное обеспечение в критичных областях применения. Важными преимуществами модели СММ является иерархическая вложенность моделей качества, которая позволяет измерять и сравнивать уровни качества процессов в различных организациях и обеспечивать эффективное совершенствование качество процессов.

В настоящее время организацией ISO также разработана модель качества, обеспечивающая измерение и совершенствование качества .

В определенном отношении модели качества СММ и ISO являются взаимозаменяемыми, однако, по сути, они не противоречат друг другу, поскольку основаны на одной парадигме качества – TQM – Total Quality Management.

Важно отметить, что само по себе наличие процесса разработки программного обеспечения, удовлетворяющего высокому уровню качества, не гарантирует выпуска продукта высокого качества. Наличие качественного процесса означает, что качество результирующего продукта будет раз за разом неуклонно повышаться. Поэтому при принятии решений необходимо принимать во внимание время, в течение которого установлен и функционирует процесс требуемого уровня качества в заданной технологической области. При этом отсутствие информации о качестве процесса означает, что качество разрабатываемого продукта является непредсказуемым.

Качество программного продукта

Качество программных компонент

Разработка современных больших программных систем в настоящее время все более базируется на компонентной разработке (Component Base System – CBS). Технология построения CBS позволяет значительно снизить стоимость и время разработки. В то же время возрастает риск, связанный с использованием в системе программных компонент разработанных различными производителями.

Наиболее действенный способ решения данной проблемы состоит в использовании метрик для управления качеством и рисками при построении CBS, с целью измерения различных факторов влияющих на конечное качество продукта и устранения источников риска . Метрики качества при этом должны быть использованы для обеспечения принятия решений на различных этапах жизненного цикла разработки по экономической целесообразности использования компонент.

Исходные коды компонент, как правило, являются недоступными для конструкторов системы, кроме того, в них предусматривается сложный структурированный интерфейс. Следствием этого является значительное различие между метриками, которые обычно применимы для традиционных систем и метриками для CBS. Большинство традиционных метрик используются на этапе планирования и разработки. Ключевым для управления качеством при использовании метрик в разработке компонентных систем является выбор метрик качества применимых на всех этапах жизненного цикла и оценивающих как качество процесса, так и качество продукта.

Подход к определению метрик изначально разрабатывался исключительно для целей управления проектом и для достижения соответствия требованиям контракта. После того как поставленные цели были достигнуты, они стали практическим примером для изучения. Выполнение проекта CCPDS-R никогда даже не приближалось к оптимальному; в процессе выполнения постоянно совершалось большое количество ошибок. Подобное утверждение справедливо и для программы по определению метрик: иногда измерялось не то, что надо, иногда измерялось не так, как надо. Она не способствовала ранней интерпретации, и в ней применялись ручные методы там, где была необходима автоматизация. Тем не менее работа с метриками привела к улучшению командного труда, к улучшению процессов, к лучшему пониманию рисков и, безусловно, к созданию более эффективного продукта. На ранних стадиях проекта существовало сопротивление со стороны управления, со стороны практических разработчиков и даже со стороны наблюдателей за ходом выполнения.

контракта. По истечении первого года, после нескольких усовершенствований в интерпретации, автоматизации, представлении и определении ощущалась практически единодушная поддержка. Все стороны использовали объективные данные из программы по определению метрик для обоснования своих планов, рисков, направлений разработок и результатов.

Все представленные метрики Подсистемы общего назначения извлекались непосредственно из ежемесячных обзоров по управлению проектом. Ни одно из этих значений не создавалось постфактум. Хотя программа по определению метрик и являлась требованием, содержащимся в контракте, правительство не определило, какие именно метрики должны использоваться. Это было оставлено на усмотрение подрядчика с тем, чтобы команда, выполняющая проект, самостоятельно приняла на себя ответственность за выбранную программу по определению метрик.

Компания TRW сформулировала четыре задачи программы по определению метрик:.

Обеспечение данными для оценки текущих тенденций выполнения проекта и определения того, на что следует обратить внимание при управлении проектом.

Обеспечение данными для планирования последующих этапов и создания других подсистем.

Обеспечение данными для оценки относительной сложности достижения соответствия окончательным требованиям по качеству.

Обеспечение данными, позволяющими определить, какие требуются усовершенствования процесса, и обосновать их необходимость.

Ниже приводятся конкретные примеры метрик, рекомендованных в главе 13. Дается несколько примеров метрик для определения прогресса, а также качественных показателей дефектов, доработок и завершенности. Описываются основы, необходимые для автоматизации; они требуют некоторых интересных технических подходов, которые заключены непосредственно внутри рабочих продуктов, связанных с проектированием и кодированием.

D.7.1 Прогресс разработки.

Точное измерение прогресса разработки при наличии нескольких параллельных видов деятельности, находящихся на различных стадиях, являлось сложной проблемой для команды, управляющей созданием Подсистемы общего назначения. Значительные усилия пришлось затратить на формирование согласованного подхода, который предоставил бы точную информацию относительно состояния на уровне подсистем и состояния версий. Целью было получение взвешенной оценки, в которую включалось бы следующее:.

■ Метрики Ada/ADL. Позволяли довольно точно определять непосредственные показатели технического прогресса. Сами по себе эти метрики абсолютно точно отражали прогресс в разработке и реализации. Однако они плохо подходили для описания завершенных частей контракта и финансового состояния.

■ Метрики добавленной стоимости. Позволяли довольно точно определять финансовое состояние и готовые к поставке заказчику части контракта. Вообще говоря, они являются плохими показателями реального технического прогресса.

Как и в случае большинства других метрик ПО, оба эти подхода изначально давали неточные оценки абсолютного прогресса. Однако они являлись превосходными оценками относительного прогресса, если отслеживались регулярно (в нашем случае - ежемесячно). По мере накопления опыта работы с этими метриками абсолютные оценки постепенно настраивались для предсказания успеха или риска. Общие оценки сводились в единую диаграмму. На рис. D.9 показан итоговый прогресс на самом верхнем уровне для каждой отдельной версии и для Подсистемы общего назначения в целом. Длина заштрихованного участка внутри каждой версии относительно пунктирной линии (относящейся к текущему месяцу) определяет, опережает ли выполнение существующее расписание или отстает от него. Например, на рисунке изображено состояние после 17 месяца: НТ-тестирование версии 2 отстает от графика на один месяц, разработка версии 3 опережает график на один месяц, разработка

Рис. D.9. Общий прогресс разработки.

Подсистемы общего назначения соответствует расписанию, а НТ-тестирование Подсистемы общего назначения отстает от графика на один месяц. Заштрихованные области - это оценка главного разработчика, который объединял ежемесячные значения метрик прогресса с ежемесячными значениями метрик финансового состояния в некую обобщенную (а потому, в некотором смысле, субъективную) оценку.

Ежемесячный сбор значений метрик обеспечивал необходимое для управления детальное понимание прогресса, увеличения объема кода и других показателей, достигнутых на каждой из версий. Метрики собираются по каждой версии и по CSCI с тем, чтобы иметь возможность рассмотрения под различными углами зрения. Менеджеры*каждого отдельного CSCI собирали и оценивали свои метрики, прежде чем они сводились воедино для проекта в целом. Этот процесс являлся объективным, эффективным и осмысленным. Самый нижний уровень оценок TBD_Statements был, конечно, субъективным, однако они определялись наиболее осведомленными людьми: непосредственными разработчиками. Оценки хранились в формате исходного кода. В этом случае возрастала вероятность того, что в данном виде рабочих продуктов будет храниться самая последняя информация. Такой процесс позволял также непротиворечиво и единообразно сравнивать прогресс по различным направлениям проекта.

На рис. D.10 представлены ежемесячные оценки прогресса для Подсистемы общего назначения и для каждой версии. Планируемый объем изменений основывался на грубом средневзвешенном подсчете для каждой версии, выполнявшемся согласно указаниям, данным в разделе D.5.3: 30% объема создается к моменту ПСКП и 70% объема - к моменту КСКП. В целом Подсистема общего назначения практически полностью соответствовала своему плану за одним исключением. Прогресс, достигнутый к моменту ППОП (намного опережая график), отразил неожиданное позитивное влияние инструментария, генерирующего исходный код. С его помощью для САПО было сгенерировано более 50 ООО SLOC.

Соответствие работы планам менялось в зависимости от конкретной версии. Прогресс, достигнутый для Подсистемы и для каждой версии, оценивался ежемесячно внутренним руководством и заказчиком в процессе обзоров управления проектом. Метрики прогресса являлись объективным механизмом и согласованным языком для описания изменений, вносимых в планы и архитектуру, проблем, возникающих при разработке, рисков при составлении графиков и других связанных с управлением аспектов. Объективность такого подхода являлась основной составляющей неантагонистических отношений, установившихся между всеми заинтересованными сторонами.

Все понимали, что, хотя значения метрик были не точны на ранних стадиях жизненного цикла, они были верны. Абсолютные значения редко когда оказывались важными. Более важными являлись относительные тенденции, и по мере развития процесса точность всех метрик возрастала. К моменту ПОП значения метрик стали краеугольным камнем при обмене информацией в рамках проекта.

Рис. D.10. Прогресс в разработке Подсистемы общего назначения D.7.2 Прогресс в тестировании.

Организация, осуществлявшая тестирование, должна была создать тесты интеграции версий и тесты на соответствие требованиям (некоторые НТ-, ФТ- и ОКТ-тесты). Тестирование интеграции версий оказалось менее эффективным с точки зрения выявления проблем, чем ожидалось. ИТВ-тесты должны были содержать полный набор процедур тестирования интеграции - от базовых возможностей до особых граничных условий. Большая часть этой работы, в частности основные потоки, перекрывалась с работами по интеграции для демонстрации. Соответственно, ИТВ-тесты зачастую дублировали подготовку к демонстрациям, что было менее эффективно по стоимости, чем если бы деятельность по подготовке к демонстрациям была совмещена с ИТВ, а ответственность за нее.

возложена на организацию, выполняющую тестирование. В таблице D.6 представлены результаты ИТВ этапа 2, которые отражают интегрированное состояние продукта. Однако на планирование, подготовку и проведение ИТВ было затрачено больше усилий, чем требовалось. Совмещение подготовки к демонстрациям с деятельностью по проведению ИТВ позволило бы меньшему числу сотрудников сделать работу лучше. Такой подход позволил бы увеличить степень интеграции (являясь составной частью работ по подготовке демонстраций) перед проведением повторной проверки и более эффективно выполнить обратное тестирование после проведения повторной проверки с целью убедиться в том, что все предыдущие проблемы разрешены.

<.>

Таблица D.6.

Характеристики SCO для ИТВ-тестирования версии 2

Источник проблем		Умеренный (	Большой 0 1 дня)
Интерпретация требований
Проблемы при независимом тестировании
Проблемы с интерфейсами
Неправильное выполнение
Желательное расширение (это не проблема)
Несовместимая конфигурация

Таблица D.7 и рис. D.11 позволяют взглянуть на метрики прогресса с различных точек зрения, которые применялись при планировании и отслеживании программы тестирования в проекте CCPDS-R. На рисунке изображен график зависимости прогресса относительно планируемого для тестирования соответствия требованиям. НТ-, ФТ- и ОКТ-тесты являлись источниками вариантов тестирования, использовавшимися организацией-разработчиком ПО. За НТ отвечали команды разработчиков, но оно должно было проводиться в формальной среде управления конфигурацией и под контролем (визуальным наблюдением) персонала, ответственного за тестирование. ФТ состояло из функционально связанных между собой групп сценариев, которые демонстрировали соответствие требованиям, охватывающим сразу несколько компонентов. ОКТ-тесты позволяли определять такие аспекты соответствия требованиям, которые не могли быть показаны до полного создания системы. Количественные требования к производительности (КТП) охватывали все CSCI.

Формальное НТ-тестирование (проверка на соответствие требованиям, выполняемая в форме независимого тестирования) оказалось более трудным, чем планировалось. Это произошло прежде всего из-за того, что спецификации требований и обзоры проекта оказались перегружены деталями, касающимися разработки, а также процедурами согласования.

Проведение формального НТ-тестирования тщательно контролировалось правительством и заняло чрезвычайно много времени на подготовку обзора. Правительство потребовало использовать подробнейшие процедуры тестирования для множества отдельных деталей проекта, которые на самом деле не следовало рассматривать как требования. В горячке разработки выполнение НТ-процедур редко когда оказывалось доступным за 30 - 60 дней до повторной проверки, как это предусматривал контракт для любых видов тестирования на соответствие требованиям. Процесс формального НТ-тестирования явился одной из основных причин того, что повторные рассмотрения постоянно завершались позже, чем было запланировано.

Таблица D.7.

Работа по проверке соответствия требованиям с помощью различных типов тестов для различных CSCI

Рис. D.11. Прогресс тестирования Подсистемы общего назначения

Тип теста
Версия 0/1 НТ
Версия 2 НТ
Версия 3/4/5 НТ

D.7.3 Стабильность.

На рис. D.12 приводится общий уровень изменений базовой конфигурации. Он показывает суммарное количество SLOC, признанных негодными (изъятых из базовой версии для доработки из-за обнаруженного дефекта, для расширения или для внесения другого вида изменений), и число восстановленных SLOC (тех, что были вновь включены в базовую версию с исправлениями, расширениями или какими-то другими изменениями). Скорость выявления дефектов, отличающаяся от скорости их исправления, приводила в результате к пристальному вниманию руководства, к изменению приоритетов при распределении ресурсов и к корректирующим мероприятиям, предпринимавшимся с целью убедиться в том, что отвечающая за тестирование организация (выявляющая дефекты) и организация-разработчик (выполняющая восстановление) находятся в относительном равновесии. В целом ситуация, изображенная на рисунке, относится к чрезвычайно благополучному проекту.

D.7.4 Коэффициент дефектности.

На рис. D.13 общее количество дефектов определяется относительно программной подсистемы в целом. Эта метрика оценивает суммарную дефектность, выявленную в процессе разработки Подсистемы общего назначения, приблизительно как 25% от объема всего продукта. В среднем в индустрии по созданию ПО средний объем дефектов колеблется в диапазоне от 40% до 60%. Начальная базовая конфигурация была создана к моменту ПОП, на 14 месяце. После этого в нее было внесено 1600 отдельных изменений.

Месяц выполнения контракта Рис. D.13. Коэффициент дефектности в Подсистеме общего назначения.

D.7.5 Адаптируемость

Для Подсистемы общего назначения в целом на доработку базовой версии ПО было затрачено около 5% от всего объема работ. Средняя стоимость внесения одного изменения составляла около 24 ч на один SCO. Эти значения позволяют оценить ту легкость, с которой могли вноситься изменения в базовую версию ПО. Уровень адаптируемости, достигнутый в рамках проекта CCPDS-R, был примерно в четыре раза выше, чем для обычных проектов, в которых затраты на доработки на протяжении жизненного цикла обычно превышают 20% от общего уровня затрат.

На рис. D.14 показана средняя стоимость одного изменения в процессе создания Подсистемы общего назначения. К моменту ОКТ было обработано 1600 SCO, касающихся изменения основ конфигурации, что привело к стабильной стоимости одного изменения. Проект CCPDS-R оказался одним из немногих контрпримеров утверждения: «чем более поздние стадии жизненного цикла вы проходите, тем больше дорогостоящих проблем обнаруживаете».

Большинство SCO на ранних этапах (на рис. D.14 они изображены в прямоугольнике с надписью «Изменения в проекте») являлись изменениями, затрагивающими большое число сотрудников и большое количество компонентов (изменения в интерфейсах и архитектуре). Более поздние SCO (обозначены как «Изменения в реализации») обычно касались одного человека и одного компонента. Последний участок кривой отражает нетипичное возрастание дефектов, что стало результатом большого технического предложения о полном изменении набора входящих сообщений для Подсистемы общего назначения. Эта область являлась одной из тех областей, внесение изменений в которые было не таким простым делом, как хотелось бы. Хотя проект был устойчивым и приспособленным к большому числу предусмотренных заранее сценариев внесения изменений, пересмотр всего набора входных сообщений никогда не предполагался, да и проект не был для этого приспособлен.

Рис. D.14. Адаптируемость Подсистемы общего назначения.

D.7.6 Завершенность.

К проекту CCPDS-R предъявлялись особенные требования по надежности, в связи с чем ПО было распределено особым образом. Выполняющая тестирование независимая команда создала автоматизированный набор тестов. Он проводился в неурочное время и испытывал базовую версию ПО по сценариям случайных сообщений. Такая стратегия привела к проведению широкого тестирования в условиях, близких к реальным на протяжении длительного времени. По результатам удалось определить значение MTBF для ПО. Критичные по надежности компоненты, принудительно перенесенные в плане итераций на самые ранние стадии, подвергались наиболее жесткому тестированию на надежность. Результаты показаны на рис. D.15.

Для современных распределенных архитектур такой способ статистического тестирования с одной стороны необходим для обеспечения максимального тестового покрытия, а с другой ~ полезен для обнаружения проблем, связанных с борьбой за ресурсы, тупиками, перегрузкой ресурсов, утечкой памяти и другими ошибками Гейзенберга. Выполнение случайных и ускоренных сценариев в течение длительных интервалов времени (на протяжении всей ночи или выходных) позволяет получить на ранних стадиях понимание общей целостности ресурсов системы.

Рис. D.15. Завершенность Подсистемы общего назначения.

D.7.7 Затраты финансов/работы на отдельные виды деятельности.

В таблице D.8 рассматривается общая подробная структура затрат на Подсистему общего назначения в проекте CCPDS-R. Эти данные были получены из окончательного WBS-набора затрат и структурированы в соответствии с рекомендациями, приведенными в разделе 10.1. Элементы более низкого уровня описываются в таблице D.9.

■ Проценты, указанные в таблице D.8, приблизительно соответствуют процентам, приведенным в главе 10. Однако некоторые из элементов таблицы D.9, касающихся управления, были распределены по нескольким элементам таблицы D.8 для выделения видов деятельности, находящихся на уровне управления проектом.

■ Общие трудозатраты команды, осуществлявшей тестирование, оказались относительно низкими по сравнению с затратами в проектах, использующих традиционный процесс. Основная причина такого положения дел заключается в том, что команда по разработке архитектуры передавала интегрированный программный продукт команде, которая выполняла тестирование и оценку и отвечала прежде всего за тестирование интегрированного продукта.

Таблица D.8.

Финансовые затраты на Подсистему общего назначения по WBS-элементам самого верхнего уровня

WBS-элемент