软件危机与软件工程化

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(7)软件成本在计算机系统成本中所占的比例逐年上升。随着互联网时代的到来,电子商务、移动互联网兴起,软件经济已经影响到社会经济生活中的方方面面。硬件成本逐年下降,然而软件开发需要大量人力,软件成本随着软件规模和数量的不断扩大而持续上升。

(8)软件开发生产率跟不上计算机应用系统迅速普及深入的速度。软件开发是一种高强度的脑力劳动,理论性和实践性都很强,软件开发人员的生产效率也对开发的周期和质量有很大影响。特别是软件工程,对软件开发的成功(按质按量,按期完成)有决定性作用。

(9)软件产品的特殊性和人类智力的局限性,导致人类无力处理“复杂问题”。“复杂问题”的概念是相对的,一旦人们采用先进的组织形式、开发方法和工具提高了软件开发效率和能力,新的、更大的、更复杂的问题又摆在人们的面前,所以“复杂问题”的解决需要诸多学科知识及技术的协同发展。

以上举例的仅仅是软件危机的一些典型表现,与软件开发和维护有关的问题远不止这些。

3.产生软件危机的原因

开发软件系统需要投入大量的人力和物力,但软件系统的质量却难以保证,也就是说,开发软件所需的高成本同产品的低质量之间有着尖锐的矛盾,这种现象就是所谓的“软件危机”。在软件开发和维护的过程中存在这么多严重问题,一方面与软件本身的特点有关,而另一方面的主要原因是软件开发和维护的方法不正确有关。

软件开发不同于一般的加工制造业、机械工业以及一般的加工业,这些行业都已经有了上百年的历史,产品的生产流程及工厂、车间、工种等的机构设置和角色分工都有了成熟的模式。但是,软件企业及软件产品的生产,历史不长,加之软件本身的智力劳动的特性,软件作为产品的生产流程及其相应的管理活动,还远远没有一个成熟的模式。此外,软件不同于一般程序,它的一个显著特点是规模庞大,而程序复杂性将随着程序规模的增加而呈指数上升。为了在预定时间内开发出规模庞大的软件,必须由许多人分工合作。然而,如何保证每个人完成的工作合在一起确实能够成一个高质量的大型软件系统,更是一个极端复杂困难的问题,这不仅涉及许多技术问题,如分析方法、设计方法、形式说明方法、版本控制等,更重要的是必须有严格而科学的管理。

与软件开发和维护有关的许多错误认识和做法的形成,可归因于在计算机系统发展的早期阶段软件开发的个体化特点。错误的认识和做法主要表现为忽视软件需求分析的重要性,认为软件开发就是写程序并设法使之运行,轻视软件维护等。另外,软件开发过程中如果缺乏有力的方法学和工具方面的支持会产生软件危机。由于软件开发不同于大多数其他工业产品,其开发过程是复杂的逻辑思维过程,其产品极大程度地依赖于开发人员高度的智力投入。由于过分地依靠程序设计人员在软件开发过程中的技巧和创造性,加剧软件开发产品的个性化,也是发生软件开发危机的一个重要原因。

软件项目管理(Software Project Management)的对象是软件工程项目。它所涉及的范围覆盖了整个软件工程过程。为使软件项目开发获得成功,关键问题是必须对软件项目的工作范围、可能风险、需要资源(人、硬件、软件)、要实现的任务、经历的里程碑、花费工作量(成本)、进度安排等做到心中有数。这种管理在技术工作开始之前就应开始,在软件从概念到实现的过程中继续进行,当软件工程过程最后结束时才终止。

软件项目管理是为了使软件项目能够按照预定的成本、进度、质量顺利完成,而对人员(People)、产品(Product)、过程(Process)和项目(Project)进行分析和管理的活动。软件项目管理的根本目的是为了让软件项目尤其是大型项目的整个软件生命周期(从分析、设计、编码到测试、维护全过程)都能在管理者的控制之下,以预定成本按期、按质地完成软件交付用户使用。研究软件项目管理要从已有的成功或失败的案例中总结出能够指导今后开发的通用原则、方法,同时避免前人的失误。软件工程学的一个重要目标就是结合软件开发技术和先进管理技术,以提高软件的可维护性,减少软件维护的代价。

4.消除软件危机的途径

软件工程作为一个新兴的工程学科,主要研究软件生产的客观规律性,建立与系统化软件生产有关的概念、原则、方法、技术和工具,指导和支持软件系统的生产活动,以期达到降低软件生产成本、改进软件产品质量、提高软件生产率水平的目标。软件工程学从硬件工程和其他人类工程中吸收了许多成功的经验,明确提出了软件生命周期的模型,发展了许多软件开发与维护阶段适用的技术和方法,并应用于软件工程实践,取得了良好的效果。

为了消除软件危机,首先应该对计算机软件有一个正确的认识。软件设计者应该彻底消除在计算机系统早期发展阶段形成的“软件就是程序”的错误观念。一个软件必须由一个完整的配置组成,事实上,软件是程序、数据及相关文档的完整集合。其中,程序是能够完成预定功能和性能的可执行的指令序列;数据是使程序能够适当处理信息的数据结构;文档是开发、使用和维护程序所需要的图文资料。1983年IEEE为软件下的定义是:计算机程序、方法、规则、相关的文档资料以及在计算机上运行程序时所必需的数据。

更重要的是,必须充分认识到软件开发不是某种个体劳动的神秘技巧,而应该是一种组织良好、管理严格、各类人员协同配合、共同完成的工程项目。必须充分吸取和借鉴人类长期以来从事各种工程项目所积累的行之有效的原理、概念、技术和方法,特别要吸取几十年来人类从事计算机硬件研究和开发的经验教训。

在软件开发过程中人们开始研制和使用软件工具,用以辅助进行软件项目管理与技术生产,人们还将软件生命周期各阶段使用的软件工具有机地集合成为一个整体,形成能够连续支持软件开发与维护全过程的集成化软件支持环境,以期从管理和技术两方面解决软件危机问题。应该推广使用在实践中总结出来的开发软件的成功的技术和方法,并且研究探索更好更有效的技术和方法,尽快消除在计算机系统早期发展阶段形成的一些错误概念和做法。

应该开发和使用更好的软件工具,在软件开发的每个阶段都有许多烦琐重复的工作需要做,在适当的软件工具辅助下,开发人员可以把这类工作做得既快又好。如果把各个阶段使用的软件工具有机地结合成一个整体,支持软件开发的全过程,则称为软件工程支撑环境。

此外,人工智能与软件工程的结合成为20世纪80年代末期活跃的研究领域。基于程序变换、自动生成和可重用软件等软件新技术研究也已取得一定的进展,把程序设计自动化的进程向前推进一步。软件标准化与可重用性得到了工业界的高度重视,在避免重用劳动、缓解软件危机方面起到了重要作用。

软件开发的风险之所以大,是由于软件过程能力低,其中最关键的问题在于软件开发组织不能很好地管理其软件过程,从而使一些好的开发方法和技术起不到预期的作用。而且项目的成功也是通过工作组的共同努力,所以仅仅建立在可得到特定人员上的成功不能为全组织的生产和质量的长期提高打下基础,必须在建立有效的软件如管理工程实践和管理实践的基础设施方面,坚持不懈地努力,才能不断改进,才能持续地成功。

软件质量,乃至于任何产品质量,都是一个很复杂的事物性质和行为。产品质量,包括软件质量,是人们实践产物的属性和行为,是可以认识、可以科学地描述的。还可以通过一些方法和人类活动,来改进质量。针对以上问题,可以在软件开发过程中实施能力成熟度模型来改进软件质量、控制软件生产过程、提高软件生产者组织性和软件生产者个人能力和开发效率。

能力成熟度模型(Capability Maturity Model,CMM)是一种开发模型。CMM是国际公认的对软件公司进行成熟度等级认证的重要标准。CMM的目标是改善现有软件开发过程,也可用于其他过程。CMM的基本思想是,因为软件危机问题是管理软件过程的方法引起的,所以新软件技术的运用不会自动提高生产率和利润率。CMM有助于组织建立一个有规律的、成熟的软件过程。改进的过程将会生产出质量更好的软件,使更多的软件项目免受时间和费用的超支之苦。软件过程包括各种活动、技术和用来生产软件的工具。因此,它实际上包括了软件生产的技术方面和管理方面。CMM策略力图改进软件过程的管理,而在技术上的改进是其必然的结果。CMM致力于软件开发过程的管理和工程能力的提高与评估。该模型在美国和北美地区已得到广泛应用,同时越来越多的欧洲和亚洲等国家的软件公司正积极采纳CMM,CMM实际上已成为软件开发过程改进与评估事实上的工业标准。

总之,为了解决软件危机,既要有技术措施(方法和工具),又要有先进的组织管理措施。软件工程正是从管理和技术两方面研究如何更好地开发和维护计算机软件的一门新兴学科。

二、软件开发工程化

软件作为人类纯智力的劳动成果,和其他科学、技术、文学、艺术一样是人类共享的社会财富。但与文学艺术这类纯精神产品不同的是,它要面向社会发展的方方面面,它的研制开发工作就必须从用户的要求和市场的需求出发。能否得到用户的欢迎,能否取得一定的市场份额,将取决于软件本身的功能、性能、可靠性、价格以及扩充能力等。软件产品的商品化是实现上述目标的必由之路。传统的“艺术创作”式的方式,极不适应提供低价格高品质软件产品的商品化需求。为此,人们将借鉴其他科技产品商品化的路子,提出软件产品的研制开发与生产必须工程化、标准化。

1.软件工程的定义

1968年“软件工程”这一名称被首次提出。软件工程的目标简而言之就是要使开发的软件产品具有可靠性、有效性、易维护性和可理解性。实现这一目标的软件工程原理就是:必须采用一种有效的方法和技术来降低开发活动的复杂性。

软件工程一直以来都缺乏一个统一的定义,很多学者、组织机构分别给出了自己认可的定义:

BarryBoehm:运用现代科学技术知识来设计并构造计算机程序及为开发、运行和维护这些程序所必需的相关文件资料。

IEEE在软件工程术语汇编中的定义:①将系统化的、严格约束的、可量化的方法应用于软件的开发、运行和维护,即将工程化应用于软件;②在①中所述方法的研究。

FritzBauer在NATO会议上给出的定义:建立并使用完善的工程化原则,以较经济的手段获得能在实际机器上有效运行的可靠软件的一系列方法。

此外,《计算机科学技术百科全书》中,软件工程是应用计算机科学、数学、逻辑学及管理科学等原理,开发软件的工程。软件工程借鉴传统工程的原则、方法,以提高质量、降低成本和改进算法。其中,计算机科学、数学用于构建模型与算法,工程科学用于制定规范、设计范型、评估成本及确定权衡,管理科学用于计划、资源、质量、成本等管理。

ISO 9000对软件工程过程的定义是:软件工程过程是输入转化为输出的一组彼此相关的资源和活动。

其他定义:①运行时,能够提供所要求功能和性能的指令或计算机程序集合;②程序能够满意地处理信息的数据结构;③描述程序功能需求以及程序如何操作和使用所要求的文档。以开发语言作为描述语言,可认为软件=程序+数据+文档。

综上,软件工程可以概括为:软件工程采用工程学的概念、原理、技术和方法来开发与维护软件,把经过时间考验而证明正确的管理技术和当前能够得到的最好的技术方法结合起来,研究和应用如何以系统性的、规范化的、可定量的过程化方法开发和维护软件的学科。

软件工程的目标是:在给定成本、进度的前提下,开发出具有适用性、有效性、可修改性、可靠性、可理解性、可维护性、可重用性、可移植性、可追踪性、可互操作性和满足用户需求的软件产品。追求这些目标有助于提高软件产品的质量和开发效率,减少维护的困难。

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