Softwareentwicklung als Prozess

Parameter	Kursinformationen
Veranstaltung:	`Vorlesung Softwareentwicklung`
Teil:	`1/27`
Semester	@config.semester
Hochschule:	@config.university
Inhalte:	@comment
Link auf den GitHub:	https://github.com/TUBAF-IfI-LiaScript/VL_Softwareentwicklung/blob/master/01_Software.md
Autoren	@author

Softwareentwicklung

Was ist Software, welche Abläufen kennzeichnen den zugehörigen Entwicklungsprozess?

00000000  48 69 65 72 20 69 73 74  20 65 69 6e 20 42 65 69  |Hier ist ein Bei|
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00000020  65 78 64 75 6d 70 20 69  73 74 20 61 75 66 20 64  |exdump ist auf d|
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00000090  6e 0a 43 6f 64 65 2e 28  30 61 29 2e 2e 2e 0a 0a  |n.Code.(0a).....|

Begriffsdefinition

Begriff	Definitionsansatz
Software als "Medium"	Software [ist] all das, was zum Funktionieren eines Computers notwendig, aber nicht Hardware ist.
	Software ist sinnlich nicht wahrnehmbar ... . Sie ist komplex und besteht aus umfangreichen Texten
Software als Ziel	Software macht den Computer nutzbar
	Software ermöglicht die Abbildung von Prozessen auf einem Rechner
Software als Ganzes	Dabei sind Computerprogramme nicht nur als Beschreibung der auszuführenden Funktionen ... Vereinbarung zur Nutzung, ... Dokumentationsinhalte.

Software beschreibt die Umsetzung von Algorithmen, Datenstrukturen, Nutzerinterfaces usw. in Code, der auf einem Computer ausgeführt werden kann.

Lebenszyklus einer Software

Ein Software-Lebenszyklus beschreibt den gesamten Prozess der Herstellung und des Betriebs Implementierung ausgehend von der kundenseitigen Problemstellung über die Realisierung und den Betrieb bis hin zur Ablösung der Software durch einen Nachfolger.

Problemstellung
Analyse Entwurf
Implementierung
Test
Markteinführung
Pflege/Wartung

Welche Querbeziehungen ("Während der Tests wird erkannt, dass die Implementierung Mängel aufweist.") zwischen den einzelnen Stufen sehen Sie?

Welche Definitionen ergeben sich daraus für den Entwicklungsprozess?

"Unter dem Begriff Softwareentwicklung versteht man die Konzeption und standardisierte Umsetzung von Softwareprojekten und die damit verbundenen Prozesse." [^Freund, S. 25]

... oder insbesondere auf große Projekte zielend

„Zielorientierte Bereitstellung und systematische Verwendung von Prinzipien, Methoden und Werkzeugen für die arbeitsteilige, ingenieurmäßige Entwicklung und Anwendung von umfangreichen Softwaresystemen.“ [^Balzert, S. 36]

Methodische Ziele

Was heißt das, "ingenieurmäßig" oder "standardisiert"?

Gemäß ISO 9126 gibt es die sechs folgenden Qualitätsmerkmale für Softwareprodukte:

¹

Nachfolger ISO 25010: Zusätzlich

Kompatibilität
Sicherheit

Die Norm kann als eine Art Checkliste verstanden werden.

Und warum der ganze Aufwand?

Komplexität von Software

                              {{0-1}}

Steigende Komplexität der Softwareprodukte ...

Projekt/Produkt	Lines of Code	Jahr
Unix v 1.0	10.000	1971
Win32/Smile Virus	10.000	2002
Space shuttle	400.000
Windows 3.1	2.300.000	1992
HD DVD Player (XBox)	4.500.000	2001
Firefox	9.900.000	2010
Android	12.000.000
F-35 Flugzeug	24.000.000	2013
Facebook	62.000.000
Autonomes Fahrzeug	100.000.000

Quelle unter anderem ² und [^McCandless]

                              {{1-2}}

Und wann entsteht der Aufwand? Wann muss ein Team Kosten in die Entwicklung investieren?

Projektphase		Relativer Kosteanteil
Spezifikation und Architekturentwurf	Entwicklung	16%
Detailentwurf und Kodierung		8%
Test		16%
Anpassung	Wartung	12%
Erweiterung und Verbesserung		36%
Fehlerbehebung		12%

Zahlwerte aus einem Diagramm in ³

                                   {{2-3}}

Merke: Die Entwicklung kleiner Programme unterscheidet sich von der Entwicklung großer Programme!

Kriterium	Kleine Programme	Große Programme
Zeilenzahl	bis zu ein paar 1000 Zeilen	Millionen von LOC
Einsatz	"Eigengebrauch"	kommerzieller Einsatz von Dritten
Anforderungsanalyse	vage Idee	präzise Spezifikation
Vorgehensmodell	unstrukturiert	strukturierter Entwicklungsprozesse
Test und Validierung	unter Realbedingungen am Endprodukt	Systematische Prüfstrategie
Komplexität	Überschaubare Zahl von Komponenten, Abhängigkeiten usw.	Hohe Komplexität, explizite Organisation in Struktureinheiten und Modulen
Dokumentation	Fehlt in der Regel	zwingend erforlderlich, permanente Pflege
Planung und Organisation	Kaum Planung und Projektorganisation	zwingend erforderlich

Darstellung entsprechen motiviert aus ⁴.

[^McCandless] David McCandless [https://informationisbeautiful.net/visualizations/million-lines-of-code/)] (https://informationisbeautiful.net/visualizations/million-lines-of-code/)

Fehler in der Softwareentwicklung

Die Zusammenfassung wurde durch die Ausführungen von ³ motiviert

Management
- Es wird mit der Codierung sofort angefangen.
- Eine Festlegung der Anforderungen/Qualitätsmerkmale fehlt
- Eine Abnahme der Phasenergebnisse erfolgt nicht
- Ein Vorgehensmodell fehlt, bzw. wird nicht verfolgt
- Die Schulung für die Software-Ersteller und -Anwender wird vernachlässigt oder als nicht notwendig angesehen
- Die Terminvorgaben sind unrealistisch und nicht koordiniert.
- Begriffe werden nicht definiert
Architektur
- Die Systemarchitektur ist nicht oder nur sehr umständlich erweiterbar (fehlende Datenkapselung, fehlende Modularität)
- Es wird ein unnützes Maß an Komplexität in den Entwurf integriert: "Es könnte doch sein, dass ..."
Entwicklungfluss
- Die Auswahl der Werkzeuge/Methoden ist unzureichend vorbereitet
- Es wird nicht systematisch bzw. unzureichend getestet.
- Standards und Richtlinien werden nicht beachtet.
Dokumentation
- Schlechte Namensvergabe wie z.B. File-, Klassen-, Methoden- und Variablennamen
- Die Dokumentation fehlt bzw. ist veraltet, unzureichend oder nicht adäquat

Konsequenzen von Fehlern im Prozess

Ariane Jungfernflug

                                {{1-2}}

V88 war die Startnummer des Erstflugs der europäischen Schwerlast-Trägerrakete Ariane 5 am 4. Juni 1996. Die Rakete trug die Seriennummer 501. Der Flug endete etwa 40 Sekunden nach dem Start, als die Rakete nach einer Ausnahmesituation in der Software der Steuereinheit plötzlich vom Kurs abkam und sich kurz darauf selbst zerstörte. Vier Cluster-Forschungssatelliten zur Untersuchung des Erdmagnetfelds gingen dabei verloren (Schaden 290 Millionen Euro).

⁵

-- Overflow is correctly handled for the vertical component
L_M_BV_32 := TBD.T_ENTIER_16S((1.0 / C_M_LSB_BH) *
                                   G_M_INFO_DERIVE(T_ALG.E_BH));
if L_M_BV_32 > 32767 then
 P_M_DERIVE(T_ALG.E_BV) := 16#7FFF#;      -- largest 16Bit number (Two's complement)
elseif L_M_BV_32 < -32768 then
 P_M_DERIVE(T_ALG.E_BV) := 16#8000#;      -- smallest negative 16Bit number
else
 P_M_DERIVE(T_ALG.E_BV) := UC_16S_EN_16NS(TBD.T_ENTIER_16S(L_M_BV_32));
end if;

-- But not for the horizontal one
P_M_DERIVE(T_ALG.E_BH) := UC_16S_EN_16NS(TBD.T_ENTIER_16S
                                   ((1.0 / C_M_LSB_BH) *
                                   G_M_INFO_DERIVE(T_ALG.E_BH));

Mars Rover

                               {{2-3}}

Mars Pathfinder war ein US-amerikanischer Mars-Lander, der 1996 von der NASA eingesetzt wurde. Er brachte 1997 den ersten erfolgreichen Mars-Rover Sojourner auf die Marsoberfläche.

Nach dem Beginn der Aufzeichnung von meteorologischen Daten mit dem Sojourner traten plötzlich scheinbar zufällige System-Zurücksetzungen auf. Das Betriebssystem bootete neu, was mit einem Datenverlust einher ging. Diese Fehler waren aber auch schon auf der Erde aufgetreten ...

Durch Analyse des Logbuches zu diesem Zeitpunkt konnte festgestellt werden, dass es bei der Programmierung von "Sojourner" ein Problem gab. Dabei schlug die sogenannte Prioritäten-Inversion zu, die sich zeigt, wenn mehrere Prozesse ein und die selbe Ressource nutzen.

Weitere Informationen unter What the media coudn't tell you about Mars Pathfinder

Aggressiver Gandhi

                                  {{3-4}}

Der als friedlich bekannte Inder Mahatma Gandhi ist im Spiele Civilization 5 dafür bekannt, besonders gerne nukleare Waffen zu nutzen. Diese Affinität ist einen Programmierfehler im ersten Teil zuzuordnen, in welchem der Agressionswert bestimmt, wie wahrscheinlich es ist, dass der Herrscher eine atomare Waffe benutzt. Gandhi startet dort mit einem Aggressionswert von 1, jedoch bekommt jede Demokratie bei Spielstart -2 Aggresionspunkte, was zu einem Wert von -1 führt. Binär betrachtet entspricht das folgender 8 Bit Zahl:

1111 1111

Dieser Wert wird intern aber als ein unsigned char, also wie eine 8 Bit vorzeichenlosen Ganzzahl behandelt. Dies führt dazu, dass nicht eine -1 gelesen wird, sondern der Maximalwert dieses Datentyps 255.

Und im Kleinen ...

                                 {{0-3}}

Das folgende anschauliche Beispiel und die zugehörige Analyse ist durch ein Beispiel der Vorlesung "Software Engineering" von Prof. Dr. Schürr, (TU Darmstadt) motiviert.

Achtung: Das folgende Codebeispiel enthält eine Fülle von Fehlern!

#include <stdio.h>

FILE *fp;

void main()
{
    fp = fopen("numbers.txt", "r");
    int a[10];
    int num = 0, l = 0;

    while(1){
      if (fscanf(fp, "%d", &num) == 1) {
          a[l] = num;
          l++;
      } else {
          break;
      }
    }
    for(int i=0; i<l; i++)
        printf("%5i ",a[i]);
    printf("\n");

    int aux;
    for(int i=2; i<l; i++){
      for(int j=l; j>i; j--){
        if (a[j-1] > a[j]){
          aux = a[j-1];
          a[j-1] = a[j];
          a[j] = aux;
        }
      }
    }
    for(int i=0; i<l; i++)
        printf("%5i ",a[i]);

    printf("\nAus Maus!\n");
}

Aufgabe: Lesen Sie den Code, erklären Sie die Aufgabe, die er löst und identifizieren Sie Fehlerquellen.

                                {{1-2}}

Welche Probleme sehen Sie im Hinblick auf die zuvor genannten Qualitätsmerkmale

Aspekt	Bewertung
Funktionalität	?
Zuverlässigkeit
Benutzbarkeit
Effizienz
Wartungsfreundlichkeit
Übertragbarkeit

                                 {{2}}

Aspekt	Bewertung
Funktionalität	feste Feldlänge, das Programm stürzt bei mehr als 10 Einträgen ab
Zuverlässigkeit	keine Überprüfung der Existenz der Datei, kein Schließen der Datei
Benutzbarkeit	im Programmcode enthaltene Dateinamen, feste Feldlänge
Effizienz	quadratischer Aufwand der Sortierung
Wartungsfreundlichkeit	fehlende Dokumentation, unverständliche Variablenbezeichner, redundante Codeelemente
Übertragbarkeit

Herausforderungen

Warum ist Softwareentwicklung so herausfordernd

Die Größe der zu lösenden Probleme. Software ist nicht einfacher, als die Probleme, die sie löst. Je größer und schwieriger die Software, desto aufwendiger und schwieriger ist die Entwicklung.
Die Tatsache, dass Software ein immaterielles Produkt ist. Die Immaterialität macht das Arbeiten mit Software schwieriger als dasjenige mit materiellen Produkten vergleichbarer Komplexität, da die Risiken auch schwerer zu erkennen sind.
Sich permanent verändernde Ziele aufgrund der Evolution. Schon das Bestimmen und Erreichen fixierter Ziele bei der Entwicklung ist keine leichte Aufgabe. Sich verändernde Ziele machen das ganze nochmal um eine Größenordnung schwieriger.
Fehler infolge von Fehleinschätzungen zur Skalierung ("was im Kleinen geht, geht genauso im Großen"). Software-Entwicklung wird daher unbewusst meist als viel einfacher eingeschätzt, als sie tatsächlich ist. Dies führt zu unrealistischen Erwartungen und zu von Beginn an zu tiefen Kosten- und Terminschätzungen.
Funktionierende Einzelkomponenten stellen noch lange kein funktionierendes Gesamtsystem sicher.

Der Faktor Mensch

In einem Projekt stellt sich die Frage wie viele Personen involviert sind und damit welche Komplexität der Entwicklungsfluss hat. In einem Team von 3 Personen wird muss sichergestellt sein, dass eine Information bei 2 Partnern ankommt. Die maximale Anzahl ergibt sich zu

$$N = \frac{n\cdot(n-1)}{2}$$.

  ^
  | Kommunikationspfade           o
  |
  |
  |
  |                        o <- ab hier mehr Kommunikationspfade
  |                             als involvierte Personen
  |
  |                 o  <- bis hierher linear
  |          o
  +---o--------------------------------------->                               .
      1      2      3      4      5      6

Grafik motiviert aus ⁴

Hier ist eine koordinierte Interaktion und Kommunikation notwendig!

Ansätze zur Strukturierung der Aufgaben

Ein Vorgehensmodell zur Softwareentwicklung ist ein für die Softwareentwicklung angepasstes Vorgehensmodell bei der professionellen („ingenieursmäßigen“) Anwendungsentwicklung. Es ist ein standardisierter, organisatorischer Rahmen für den idealen Ablauf eines Entwicklungsprojektes und dient dazu, die Softwareentwicklung übersichtlicher zu gestalten und in der Komplexität beherrschbar zu machen. ⁶

Die zwei erstgenannten Vorgehensweisen setzen auf eine Planbarkeit des Projektes, während die agilen Methoden auf die Flexibilität in den Vordergrund stellen.

Erweitertes Wasserfallmodell


 Anforderungen                          Problemanalyse, Systemspezifikation
   \
    Entwurf                             Grobentwurf, Feinentwurf
     \
      Umsetzung                         Implementierung, Integration
       \
        Überprüfung                     Testen des Systems
         \
          Betrieb und Wartung           Installation, Anpassung                .

Eigenschaften des Wasserfallmodells:

Aktivitäten sind in der vorgegebenen Reihenfolge und in der vollen Breite vollständig durchzuführen.
Am Ende jeder Aktivität steht ein fertiggestelltes Dokument, d.h. das Wasserfallmodell ist ein „dokumentgetriebenes“ Modell.
Der Entwicklungsablauf ist sequentiell und als Top-down-Verfahren realisiert.
Es ist einfach, verständlich und benötigt nur wenig Managementaufwand.

Vorteile:

klare Abgrenzung der Phasen – einfache Möglichkeiten der Planung und Kontrolle
bei stabilen Anforderungen und klarer Abschätzung von Kosten und Umfang ein sehr effektives Modell

Nachteile:

Das Modell ist nur bei einfachen Projekten anwendbar – Unflexibel gegenüber Änderungen und im Vorgehen
Frühes festschreiben der Anforderungen ist sehr problematisch und kann zu teuren Änderungen führen
Fehler werden eventuell erst sehr spät erkannt und müssen mit erheblichen Aufwand entfernt werden

V-Modell

                         Szenarien
Anforderungen        ................>              Abnahmetest
   \ ^                                              / ^
    v \                  Testfälle                 v /
    Grobentwurf      ................>        Systemtest
      \ ^                                       / ^
       v \               Testfälle             v /
      Feinentwurf    ................>     Integrationstest
         \ ^                                 / ^
          v \            Testfälle          v /
        Modulimpl.   ................>    Modultest
            \ \                           / /
             \ +-------------------------+ /
              +---------------------------+                                    .

Tätigkeitsbereiche des V-Modell: Softwareerstellung, Qualitätssicherung, Konfigurationsmanagement, Projektmanagement

Vorteile:

Integrierte und detaillierte Darstellung von den Tätigkeitsbereichen
Generisches Modell mit definierten Möglichkeiten zur Anpassung an projektspezifische Anforderungen
Gut geeignet für große Projekte

Nachteile:

Für kleine und mittlere Softwareentwicklungen führt das V-Modell zu einem unnötigen Overhead
Die im V-Modell definierten Rollen (bis zu 25) sind für gängige Softwareentwicklungen nicht realistisch
explizite Werkzeuge notwendig

Agile Softwareentwicklung

Wesentliche Gründe für agile Herangehensweisen sind, dass sich die Ziele und das Umfeld (beteiligte Personen, Marktanforderungen, technisches Umfeld/Schnittstellen) im Laufe des Projektes ändern. Die agilen Methoden eignen sich daher besonders gut, um auf geänderte Anforderungen zu reagieren, da die Entwicklungszyklen in der Regel kurz angelegt sind. Die Anforderungen werden häufig nur knapp beschrieben und erst kurz vor Beginn von Umsetzung und Test ausformuliert. Durch die kurzen Zeiträume sind (nachträgliche) Änderungen der Anforderungen relativ leicht möglich.

	Klassische Methoden	Agile Methoden
Anforderungen am Projektbeginn	klar definiert	unscharf
Änderungsbereitschaft	gering	explizit
Anforderungsbeschreibung	technische Sicht / Perspektive des Unternehmens	Kundensicht (Anwendungsfälle)
Entscheidungsfindung	Gremien	Team
Planung	durch Projektleiter	im Team
Kundeninteraktion	Kunde oft unbekannt	Kunde als aktiver Teil

Agile Methoden sind z.B.:

Scrum
Kanban
Extreme Programming (XP)
Crystal

Ok, wir brauchen Unterstützung

CASE is the use of computer-based support in the software development process

                                {{0}}

Klassifikation nach dem Einsatzzweck

Anforderungsanalyse
- Spezifikation
- Modellierung
Code-Erstellung (Editoren)
- Editor, IDE
- Dokumentation
Ausführung und Testen
- Compiler, Interpreter
- IDE, Build-System
- Debugger
Koordination Entwicklungsprozess
- Projektverwaltung
- Code-Base Management und Versionierung
- Deployment
- Support

                               {{1}}

Grad der Integration verschiedener Funktionalitäten

Tools - einzelne Aktivitäten im Software Life-cycle
Workbenches - mehrere Werkzeuge
Integrated Development Environments - Kombination mehrerer Workbenches und Werkzeuge zur Unterstützung des kompletten Software Life-cycle

Texteditor vs. Integrated Development Environment (IDE) ... worfür soll ich mich entscheiden?

Analyse des Workflows und der Formen der Zusammenarbeit
Analyse der verwendeten Spezifikations und Modellierungstechniken, Programmiersprachen, etc.
Analyse der Komplexität des Vorhabens, der erforderlichen Unterstützung
Analyse der Rahmenbedingungen (Betriebssysteme, Kosten)

Aufgaben

Betrachten Sie die Darstellung unter Webseite Programmwechsel und versuchen Sie die überspitzten Missverständnisse der einzelnen Protagonisten im Kontext eines Softwareprojektes zu stellen.
Korrigieren Sie das allesFalsch.c Beispiel, verbessern Sie die Lesbarkeit des Codes.

Quizze

Wo entsteht der größte Zeit- bzw. Kostenaufwand bei kommerzieller Software?

[( )] Entwurf
[( )] Programmierung
[(X)] Service/Wartung

Wann ist eine Software-Dokumentation wichtig?

[[ ]] immer, man sollte auch bei kleinsten Projekten eine möglichst detaillierte Dokumentation schreiben
[[X]] bei (mittel-)großen Projekten
[[x]] bei kleinen Projekten mit komplexem Code
[[ ]] die Dokumentation ist generell nicht wichtig, erfahrene Programmierer finden sich selber zurecht

Footnotes

Von Sae1962 - Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=52216179 ↩
Dragan Radovanovic, Kif Leswing, "Google runs on 5000 times more code than the original space shuttle", 2016, Link ↩
Prof. Dr. Thorsten Lemburg, Einführung in die Softwareentwicklung, Link ↩ ↩²
Prof. Dr. Thorsten Lemburg, Einführung in die Softwareentwicklung - Seminar: Softwareentwicklung in der Wissenschaft, Link ↩ ↩²
Wikimedia, Autor Phrd, Fragment fallout zone of failed Ariane 501 launch. [Link](http://www.esa.int/esapub/bulletin/bullet89/images/dalm89f4.gif, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ariane_501_Fallout_Zone.svg) ↩
Wikipedia ↩

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