01_Softwareentwurf_05032011 - Informatik

Vorlesung Informatik II
Universität Augsburg
Wintersemester 2011/2012
Prof. Dr. Bernhard Bauer
Folien von: Prof. Dr. Robert Lorenz
Lehrprofessur für Informatik
01. Softwareentwurf
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Softwareentwurf
Teilgebiet des Software-Engineering
Ziel: Systematisierung / Vereinheitlichung des Entwurfs
Teilweise computergestützt (Softwareentwicklungstools)
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Softwareentwurf
Forderungen
Systematischer und nachvollziehbarer Entwurf zur Erleichterung
der Pflege, Wartung und Erweiterung des Programms
Arbeitsteiliger Entwurf (bei großen Problemstellungen)
- frühzeitige Strukturierung
- Zerlegung in Teilprobleme
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Softwareentwurf
Entwurfsprinzipien
Allgemeingültige und anerkannte Konzepte, Richtlinien und
Techniken des Entwurfs
Unterstützen ingenieurmäßige Konstruktion von "guter" Software.
die wichtigsten Konzepte sind:
- Strukturierung
- Schrittweise Verfeinerung
- Modularisierung
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Strukturierung
Mit Strukturierung wird eine adäquate Darstellung der
logischen Eigenschaften von Daten und Abläufen und der
Zusammenhänge zwischen ihnen bezeichnet.
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Strukturierung
Algorithmische Strukturierung (Informatik 1):
Strukturierte Darstellung des logischen Ablaufs durch
Sequenzen, d.h. lineare Abfolgen von Anweisungen
Verzweigungen in Abhängigkeit von Bedingungen
Wiederholungen von Anweisungsfolgen
6
Strukturierung
Datenstrukturierung (Informatik 1+2):
Darstellung der logischen Eigenschaften und Beziehungen
zwischen den zu bearbeitenden Objekten durch geeignete
Datentypen
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Strukturierung
Vorgehen
Elementare Operationen (und Datenstrukturen) einer komplexen
Anwendung sind meist sehr einfach.
Wenn man die Funktionalitäten einer Anwendung als komplexe
Operationen auffasst, die sich aus vielen elementaren Operationen
und Ablaufstrukturen zusammensetzen, so stellt sich folgende
Frage:
Wie gestaltet man den Schritt von den elementaren
Operationen zu der komplexen Funktionalität einer Anwendung
und umgekehrt möglichst überschaubar und einfach?
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Schrittweise Verfeinerung
Prinzip 1: Top-Down-Vorgehen
 Programmiersprachen-unabhängiger Entwurf der groben
Funktionalität einer Anwendung mit abstrakten Operationen
und Datentypen (Benutzerorientiert)
Verfeinerung der im ersten Schritt benutzten Operationen,
d.h. "Implementierung" mit weniger abstrakten Operationen
und Datentypen.
Wiederholung des Verfeinerungsschrittes, bis nur noch
(Programmiersprachen-abhängig) zur Verfügung stehende
Ablaufstrukturen und Elementaroperationen verwendet werden.
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Schrittweise Verfeinerung
Prinzip 1: Top-Down-Vorgehen
Erfordert simultane, aufeinander abgestimmte Verfeinerung und
Konkretisierung von:
– Operationen,
– Kontrollflüssen (Ablaufstrukturen),
– Datenstrukturen
d.h. die einzelnen Bestandteile von Algorithmen sollten auf
gleichem Niveau verfeinert werden.
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Modularisierung
Prinzip 2: Bottom-Up-Vorgehen (Informatik 1)
Abgeschlossene Teilaufgaben werden zuerst durch
Programmstücke realisiert.
Anschließend Zusammenfügen der Teillösungen zu
größeren Einheiten.
Erfordert Modularisierung des Problems in Teilprobleme
(Teilaufgaben)
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Modularisierung
Beispiele für Bottom-Up-Vorgehen aus Informatik 1
Mathematische Aufgabenstellungen:
zunächst einfache arithmetische Operationen
später komplizierte Operationen (Matrizenrechnung,
numerische Integration)
Erstellung von Programmbibliotheken:
zunächst einfache Standardalgorithmen
spätere Verwendung beim Entwurf komplizierter Algorithmen
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Modularisierung
Definition Modularisierung
Zerlegung von Problemen in Teilprobleme, die
– klar voneinander abgegrenzt sind
– getrennt bearbeitet werden können
– weitgehend unabhängig voneinander sind
– deren Lösungen nebenwirkungsfrei gegen
Alternativlösungen austauschbar sind (keine "Seiteneffekte").
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Modularisierung
Vorteile
Reduzierung der Komplexität eines Problems durch Zerlegung
in überschaubare Einzelprobleme
Einzelne Module können unabhängig voneinander getestet oder
verifiziert werden
Einzelne Module sind austauschbar und erweiterbar
(Baukastenprinzip)
Erlaubt unproblematischen Übergang zu Nachfolgeversionen
eines Softwareprodukts durch Austausch einzelner Module
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Modularisierung
Charakteristika von Modulen:
Keine Berücksichtigung von Reihenfolgeabhängigkeiten
(im Unterschied zur schrittweisen Verfeinerung)
Spezifikation weitgehend unabhängiger Teilaufgaben mit klar
definierten Schnittstellen (Prinzip der Einkapselung)
Späteres Zusammenfügen der einzelnen Teillösungen über
die vereinbarten Schnittstellen
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Modularisierung
Prinzip der Einkapselung
Zusammenfassung bestimmter Programmteile (Daten, Funktionen)
Bereitstellung einer bestimmten Funktionalität
Implementierung für den Anwender nicht wichtig
Schutz dieser Programmteile vor direktem Zugriff
Implementierung darf nicht verwendet werden (wegen Austauschbarkeit)
Aufruf nur über fest definierte Schnittstelle
Sicherstellung von Datenstruktur-Invarianten
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Modularisierung
Datenstruktur-Invariante
Eine Eigenschaft einer Datenstruktur, die nach Initialisierung gilt
und durch alle Operationen darauf erhalten bleiben soll, heißt
Invariante der Datenstruktur.
Durch beliebigen Zugriff kann ein Zusammenhang zwischen
den beteiligten Variablen gestört werden.
(Bsp.: Fallstudie am Ende)
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Modularisierung
Beispiel für Einkapselung: Funktionen (siehe Informatik 1)
Wiederholt ausgeführte, ähnliche Teile werden durch
Parametrisierung zusammengefasst
Implementierung stellt Datenstruktur-Invarianten sicher
Implementierung ist für den Anwender einer Funktion nicht
wichtig, sondern die Funktionalität
Benutzung über die Schnittstelle von Eingabe- und
Ausgabeparametern
Aber: Funktionen reichen nicht, um Größen durch Einkapselung
vor beliebigem Zugriff zu schützen (Bsp.: Fallstudie am Ende)
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Modularisierung
Definition Modul
Ein Modul besteht aus einer Sammlung von VariablenVereinbarungen und Funktionen
Variablen und Funktionen werden in öffentliche und private
aufgeteilt.
Die öffentlichen sind außerhalb des Moduls verfügbar, die
privaten nur innerhalb (diese sind also eingekapselt)
Kein beliebiger Zugriff auf private Variablen und Funktionen
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Modularisierung
Typische Realisierung von Modulen
Eine Datenstruktur wird meist als Sammlung privater Variablen
realisiert
Die öffentlichen Funktionen werden dann so angelegt, dass sie
die erwünschten Datenstrukturinvarianten erhalten
Damit ist der unkontrollierte Zugriff auf private Variable
unterbunden
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Modularisierung
Schnittstelle eines Moduls
Die Sammlung der öffentlichen Variablen und FunktionsDeklarationen eines Moduls nennt man dessen
Schnittstelle (interface).
Angabe durch die Signatur:
Bezeichner der Variablen und Konstanten mit Typ
Prototypen der Funktionen
Beispiel: h-Datei in C
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Modularisierung
Fallstudie: Implementierung einer Menge ganzer Zahlen
Öffentlicher Teil der Schnittstelle für eine Datenstruktur Set zur
Repräsentation von Mengen in C:
Set * emptyset();
Initialisierung leere Menge
int iselem (int, Set *);
Enthaltensein eines Elements
Set * insert (int, Set *);
Einfügen eines Elements
Set * delete (int, Set *);
Löschen eines Elements
Set * union (set *, Set *);
Vereinigung von Mengen
Set * intersection (Set *,Set *); Durchschnitt von Mengen
int getsize (Set *);
Größe einer Menge
void printset (Set *);
Ausgabe einer Menge
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Modularisierung
Fallstudie: Implementierung einer Menge ganzer Zahlen
Implementiere Set als einfach verkettete Liste:
typedef struct knoten {
int wert;
struct knoten * next;
} Knoten;
typedef struct set {
knoten * start;
int size;
} Set;
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Modularisierung
Fallstudie: Implementierung einer Menge ganzer Zahlen
Implementiere Set als einfach verkettete Liste:
Datenstrukturinvarianten:
„Liste sortiert und wiederholungsfrei“
„Wert von size entspricht Anzahl der Knoten“
Leere Menge:
Menge {1,2,4}:
null
1
2
4
null
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Modularisierung
Fallstudie: Implementierung einer Menge ganzer Zahlen
Implementiere Set als Bitvektor fester Länge:
typedef struct set {
int werte[1000];
int size;
} Set;
25
Modularisierung
Fallstudie: Implementierung einer Menge ganzer Zahlen
Implementiere set als Bitvektor fester Länge:
Datenstrukturinvarianten:
„Vektor werte hat nur die Werte 0 und 1“
„Wert von size entspricht Anzahl der 1sen im Vektor werte“
Vektor
0
0 0
0
0
0
...
Index
0
1
2
3
4
5
...
Menge {1,2,4}: Vektor
0
1 1
0
1
...
Index
0
1
3
4
...
Leere Menge:
2
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Modularisierung
Fallstudie: Implementierung einer Menge ganzer Zahlen
DISKUSSION:
Welche Implementierung ist (in welchen Fällen) weniger
Speicherplatz- bzw. Zeitaufwendig?
Überlege verschiedene Möglichkeiten, wie ein Programmierer
dummerweise Datenstruktur-Invarianten zerstören könnte
ZUSÄTZLICHE SPRACHKONSTRUKTE FÜR
EINKAPSELUNG NOTWENDIG
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Modularisierung
Zusammenfassung
Zerlegung eines großen Programmsystems in einzelne,
überschaubare und sinnvolle Teile
Abschirmung und damit Schutz privater Variablen
Verbergen von Implementierungsdetails:
Trennung „Was wird getan“ (deklarativ) von
„Wie wird es getan“ (operationell)
Austauschbarkeit von Implementierungen
Möglichkeit zur unabhängigen Implementierung der Teile,
wenn die Schnittstellen geklärt sind.
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Modellbasierter Entwurf
Entwicklung komplexer Anwendungen benötigt Strukturierung
Modellbildung vor Programmierung
UML (Unified Modeling Language) zur
Programmiersprachen-unabhängigen Modellierung komplexer
Systeme:
Statische Modelle: Strukturierung der Daten
(Klassendiagramm)
Dynamische Modelle: Strukturierung der Abläufe
(Sequenzdiagramm)
29
UML
Charakteristika:
Modellierungssprache zur Dokumentation von Analyse, Entwurf
und Implementierung objektorientierter Software
Vereinigt eine Vielzahl graphischer und textueller
Beschreibungsmethoden (Diagrammtypen)
Beinhaltet kein Vorgehensmodell zur Software-Entwicklung, gibt
aber einen Rahmen vor.
Vorteile:
Unabhängigkeit von Programmiersprache
Graphische Darstellung (verständlich für Anwender)
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UML
UML in dieser Vorlesung
Sprachumfang zu umfangreich zur Darstellung in einer Vorlesung
Viele Details erst in der Anwendung voll verständlich
Vorlesung ist keine vollständige UML-Dokumentation!
Stattdessen:
Einführung in Grundkonzepte der wichtigsten Diagrammtypen
(Klassen-, Sequenz-Diagramm)
Entwicklung einer Basis für Entwicklung einfacherer Anwendungen
und selbstständige detailliertere Einarbeitung
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Ein Vorgehensmodell zur Modellierung
Top-Down-Vorgehen grob in 3 Phasen:
Analyse
Was soll gemacht werden? (UML)
Entwurf
Wie wird’s gemacht? (UML)
Implementierung
(konkrete
Programmiersprache)
Test
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Ein Vorgehensmodell zur Modellierung
Analys
e
Pflichtenheft
Analysemodell
Prototyp
Entwurf
Entwurfsmodell
Fachkonzept
Analysemodell
Bibliotheken
Benutzeroberfläche
Datenhaltung
Datenbank
(Java-)Programm
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Ein Vorgehensmodell zur Modellierung
Manche Diagramme lassen sich eindeutig einer der
Modellierungsphasen (Analyse, Entwurf) zuordnen
Andere Diagramme werden in beiden Phasen verwendet,
in der Analyse werden aber nicht alle Aspekt berücksichtigt
Die Trennung in Analyse und Entwurf erfährt man am besten
in der Praxis
Wir werden das Vorgehensmodell und die Trennung in
Analyse- und Entwurfsphase nicht besprechen
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Ein Vorgehensmodell zur Modellierung
Sinn, Zweck und Bedeutung von Vorgehensmodellen
„Die Qualität eines Programms kann nicht im Nachhinein
‚hineingetestet‘ werden“
(Produktverbesserung durch Prozessverbesserung,
d.h. durch Verbesserung der methodischen Vorgehensweise
zur Erstellung eines Produkts)
„If you wait for a complete and perfect concept to germinate
in your mind, you are likely to wait forever“ (deMarco)
(Die Methodik soll eine Hilfsstellung sein und nicht zu
bürokratisch ausgelegt werden)
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Ein Vorgehensmodell zur Modellierung
Womit fängt man an?
Beschreibung der Systemidee in 5-20 Sätzen: Was soll mit dem
System erreicht werden (nicht wie wird das Ziel erreicht)
Dokumentenanalyse: Formulare, Bedienungsanleitungen,
Fragebögen, …
Re-Engineering: Anleitungen, Hilfesystem, Bildschirmmasken,
Benutzerdialoge, Funktionalität
Pflichtenheft: Textuelle Beschreibung dessen, was das System
leisten soll, detaillierter als das Analysemodell
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