Informatik/Softwaretechnik 1.md

title	date	author
Softwaretechnik 1	Wintersemester 20/21	Robert Jeutter

Software: Menge von Programmen oder Daten zusammen mit begleitenden Dokumenten, die für Ihre Anwendung notwendig oder hilfreich sind [Hesse]

Gute Software ist schwer herzustellen

• Entspricht Kundenwünsche, Vollständigkeit
• Funktioniert Korrekt
• Kosten- und Termintreue bei der Erstellung
• weitere nicht-funktionale Qualitätsforderungen
  • Benutzerfreundlichkeit, Ergonomie
  • Sicherheit
  • Zuverlässigkeit, Fehlertoleranz
  • Performanz
  • Ressourcen-Effizienz, Skalierbarkeit, Übertragbarkeit
  • Wartbarkeit, Änder- und Erweiterbarkeit

Softwaretechnik

• Technische Disziplin der Software Herstellung
• Zielorientierte Bereitstellung uns systematische Verwendung von Prinzipien, Methoden und Werkzeugen für die arbeitsteilige, ingenieurmäßige Entwicklung und Anwendung von umfangreichen Softwaresystemen [Balzert]

Wie kann man Software besser entwickeln?

• Ingenieursmäßige Herangehensweise
  • Verwendung bekannter Prinzipien und Methoden
  • Systematische Vorgehensweise
• Verwendung von:
  • Abstraktion, Modelle, Notation, Simulation
  • Wiederverwendung:Muster, Komponenten, Framework
• Organisation
  • Arbeitsteilung, Integration, Planung
• Verwendung von Werkzeugen
  • IDE (Integrated Development Environment)
  • Versionierung, Bugtracker, Modellierungswerkzeug

Modellierungskonzepte

Modell: ist eine Abstraktion eines Systems mit der Zielsetzung, das Nachdenken über ein System zu vereinfachen, indem irrelevante Details ausgelassen werden [Brügge] \rightarrow Beschreibung eines Ausschnitts der Realität

• erstellen einer Abstraktion
• abbilden signifikanter Eigenschaften
• Deskriptiv/präskriptiv (real oder geplant)
• Sichtweise auf ein System (Struktur, Verhalten, Zustand,...)
• heißt Weglassen
• setzt Verstehen voraus
• ist nicht automatisierbar

Verschiedene Modelle:

• Analysemodell
• Entwurfsmodell
• Implementierung (-smodell)
• Vorgehensmodell
• Produktmodell
• Dokumentation, Alternativen-Auswahl

Modelle für:

• Sichten
• Funktionen
• Daten
• Algorithmen
• Systemumgebung
• Dynamisches Verhalten
• Objektorientierte Modelle

Klassische Modelle

• Funktionen:
  • Funktionsbaum
    • Hierarchische Dekomosition der Fkt
    • nummerieren der Ebenen/Funktionen möglich
    • Bsp: Abonnement Verwaltung
  • Blockschaltbild
    • eingebettetes System, HW/SW
• Daten
  • Data Dictionary
    • Verzeichnis von Daten mit Strukturinformationen
    • Backus-Naur-Form, kontextfreie Grammatik
  • Entity Relationship Diagram
    • Daten und ihre Beziehungen
• Systemumgebung
  • Datenflussdiagramm
    • Fluss und Transformation von Daten zwischen Funktionen, Speichern und Schnittstellen
    • kein Kontrollfluss
• Algorithmen
  • Entscheidungstabelle
    • Regelbasierte Beschreibung
    • Bedingung
    • Aktionen
    • Reduktionsregeln
  • Pseudocode
    • von Programmiersprache abstrahierende, detaillierte Beschreibung eines Algorithmus
  • Programmablaufplan
    • Grafische Beschreibung des Kontrollflusses
    • DIN 66001
    • Unstrukturiert
  • Struktogramm
    • Nassi-Shneidermann-Diagramm
    • keine Sprünge
• Dynamisches Verhalten (diskrete Zustände und atomare zustandübergänge)
  • Zustandsautomat
    • Verhalten mit Zuständen und -übergängen
    • Automatenmodelle und -theorie
    • Ggf zerlegung oder kommunizierende Automaten
  • Flow-Chart
  • Ereignisgesteuerte Prozesskette (EPK)
    • Geschäftsprozesse
    • BPM
  • Petri-Netz (ggf. mit Zeitmodell)
    • Grafische Beschreibung von Nebenläufigkeit und Synchronisation
• Objektorientierte Modelle
  • Klassendiagramme
  • UML

Objektorientierung

• bessere Strukturierung für komplexe Zusammenhänge
• Abstraktere Sichtweise
• Grundprinzip: Zerlegung; Teile und Herrsche
• ein System besteht aus vielen Objekten
• ein Objekt hat
  • definiertes Verhalten
    • Menge genau definierter Operationen
    • Operation wird beim Empfang einer Nachricht ausgeführt
  • inneren Zustand
    • Zustand des Objekts ist Privatsache
    • Resultat einer Operation hängt vom aktuellen Zustand ab
  • eindeutige Identität
    • Identität ist unabhängig von anderen Eigenschaften
    • Mehrere verschiedene Objekte mit identischem Verhalten und identischem inneren Zustand im gleichen System möglich
• Klasse
  • Gleichartige Objekte mit ggf. verschiedenen Zuständen
  • Verhaltensschema – Operationen
  • Innere Struktur – Attribute

Vorteile der Objektorientierung

• Zuständigkeitsbereiche
  • Daten, Operationen und Zustand: lokal und gekapselt
• Klare Schnittstellen
  • Definiertes Objektverhalten, Nachrichten
• Hierarchie
  • Vererbung und Polymorphie (Spezialisierung), Klassenschachtelung
• Baukastenprinzip
  • Benutzung vorgefertigter Klassenbibliotheken, Anpassung durch Spezialisierung (mittels Vererbung)

Unified Modeling Language

• Grafisches Beschreibungsmittel für Aspekte des Softwareentwurfs diskreter Systeme
  • Spezifikation, Entwurf, Visualisierung, Konstruktion, Dokumentation von Software
  • Für OO-Softwareentwicklung und -prozess geeignet
  • UML ist weder Methode noch Prozess

Warum UML?

• Objektorientierung ist zur Zeit das vorherrschende Modellierungs-Paradigma, Industrie-Standard
• Kombination von Struktur-, Verhaltens-, Interaktions-, und Verteilungsmodellen
• Für Analyse, Entwurf, Implementierung und Test einsetzbar
• Gute Werkzeugunterstützung für Editieren, Versionierung, Codegenerierung
• Erweiterbarkeit der UML mit Stereotypen und Tags
• Semi-formale Modelle, z.T. verschiedene Interpretationen
• Offenheit: Erweiterung mit stereotypes, tags, constraints

Nachteile UML

• UML ist in vielen Facetten nicht präzise festgelegt
• Werkzeuge für Transformation, Analyse etc. fehlen noch
• UML ist keine „kleine Sprache“: Lernaufwand notwendig
• Komponenten sind nicht adäquat darstellbar
• Sprachen wie die UML werden erlernt durch Übung!
• Aber: LV SWT ist kein kompletter UML-Kurs

Überblick über Modelle

• 14 Diagrammarten
• Struktur-Diagramme
  • Klassen-, Objekt-, Komponenten-, Kompositions-Struktur-,
  • Paket- und Verteilungsdiagramm
  • Profildiagramm – zur UML-Erweiterung
• Verhaltens-Diagramme
  • Use-Case-, Aktivitäts- und Zustandsdiagramms
  • Interaktionsdiagramme: Sequenz-, Kommunikations-, Timing- und Interaktionsübersichts-Diagramm

Use-Case-Diagramm

• Beschreiben Systemfunktion aus Benutzersicht (Was, nicht Wie)
• Erste Anforderungsspezifikation (requirements)
• Planbare Einheiten als Inkremente für die Entwicklung
• Keine Modellierung eines Ablaufs!
• Erstellen von Testfällen (test case generation)
• Grundelemente
  • Anwendungsfall: Use Case
  • Beteiligte: Aktor
• Verfeinerung mittels Use-Case-Realisierung notwendig
  • Textuelle Beschreibung
  • Verhaltensdiagramme

Klassendiagramm

• Modellierung der Struktur (Aufbau) eines Systems
• Modellierung von statischen Aspekten
• Modellierung der Struktur von Daten
• Klasse im Mittelpunkt
  • Aufbau: Attribute, Operationen
  • Beziehungen zueinander: Assoziationen, Vererbung
• Verbreitetstes und bekanntestes Diagramm der UML

Objektdiagramm

• Struktur des Systems zur Laufzeit zu einem Zeitpunkt
• Tatsächliche Zusammenhänge und Belegungen von Attributen von Objekten zu einem Zeitpunkt
• Eine detaillierte Sicht auf einen Aspekt
  • Keine vollständige Beschreibung (zu komplex)
  • Für kompliziertere Abhängigkeiten (z.B. Rekursion)
• Objektdiagramm für alle Arten von Exemplaren
  • z.B.: Klasse (Objekt), Komponente, Knoten, ...
• Keine Exemplare von Operationen -> Ablauf -> Verhaltensdiagramme / Interaktionsdiagramme
• Kein Verlauf der Wertebelegung über die Zeit

Paketdiagramm

• Gliederung (Strukturierung) des Systems in Teile (Pakete)
• Zuordnung von Elementen zu einem Paket
• Bildung von Hierarchien (Enthält-Beziehung)
• Abhängigkeiten zwischen den Paketen
  • "Include" von Quellcode-Dateien (<>)
• Anwendung:
  • Zum Grobentwurf von Systemen
  • Definition von Schichten

Komponentendiagramm

• Strukturierung des Systems durch Komponenten
• Komponente: Modulare, austauschbare Einheit (Substitution)
• Modellierung der Abhängigkeiten zwischen Komponenten
• Modellierung der inneren Struktur von Komponenten
• Definition von Schnittstellen

Kompositionsstrukturdiagramm

• Teile-Ganzes-Strukturen -> Kompositionsstruktur
• Strukturell statische Kompositionsstrukturen:
  • Kurzschreibweise bei vielen Kompositionen
  • Modellierung des Aufbaus komplexer Systeme
• Strukturell dynamische Kompositionsstrukturen:
  • Notwendige Strukturen zur Realisierung eines Verhaltens
  • Definition von Rollen, zur Lösung wiederkehrender Probleme -> Modellierung von Mustern
• Starke Verwandtschaft mit dem Klassendiagramm
• Spezialisierte Kompositionsbeziehung -> erweiterte Semantik

Aktivitätsdiagramm

• Modellierung von
  • Kontrollflüssen
  • Datenflüssen
  • Parallelem Verhalten
  • Verzweigungen, bedingten und gewichteten Abläufen
• Geschäftsprozessmodellierung möglich
• Abstrakte und detaillierte Verhaltensbeschreibung möglich
• Grundlage zur Codegenerierung
• Zur Verfeinerung von
  • Use-Cases
  • Operationen / Interaktionen
  • anderen Aktionen und Aktivitäten

Interaktionsdiagramme

• Modellierung von
  • Kommunikation zwischen Kommunikationspartnern (Lebenslinie)
  • Operationen (Modellierung eines Programms)
  • Informationsaustausch / Nachrichten
• Gemeinsames Grundkonzept der Interaktionsdiagramme
• Sehr detaillierte Diagramme
  • Meist nicht zur vollständigen Beschreibung eines Systems
  • Betrachtung eines wichtigen Teilaspekts
• Grundlage zur Codegenerierung

Sequenzdiagramm

• Genaue zeitliche Abfolge von Nachrichten
• Umfangreichstes Interaktionsdiagramm
• Kontrollelemente möglich (Schleifen, Verzweigungen)

Kommunikationsdiagramm

• Kommunikationsbeziehungen der Kommunikationspartner stehen im Vordergrund
• Welche Komponenten arbeiten wie zusammen, um eine Funktion zu erfüllen

Timing-Diagramm

• Genaue zeitliche Darstellung von Zustandsübergängen
• Kommunikation abhängiger Zustandsautomaten
• Modellierung einzelner Interaktion

Prinzipieller Aufbau

• Zeitlicher Verlauf senkrecht
• Kommunikationspartner waagerecht (unsortiert)
• Lebenslinie
  • Rechteck mit gestrichelter senkrechter Linie
  • Start, Ende und Dauer der Ausführung einer Operation
  • Rekursive Aufrufe möglich
• Ereignisspezifikation
  • Stelle des Sendens / Empfangens der Nachricht
  • Definition der Reihenfolge des Auftretens
  • Trace: Folge von Sende- und Empfangsereignissen

Weitere Elemente des Sequenzdiagramms

• Nachrichten ohne Sender
  • z.B. am Beginn einer Interaktion
• Verlorene Nachrichten (ohne Empfänger)
  • Nachricht ohne dargestellten Empfänger
  • z. B. am Ende einer Interaktion
• Erzeugen von Lebenslinien
  • Gestrichelte Linie mit geöffnetem Pfeil
  • Keine Rückgabenachricht
  • Zeitliche Einrückung des Rechtecks
• Zerstören von Lebenslinien
  • Durchgezogene Linie mit Dreieckende
  • Kann Rückgabenachricht erzeugen

Nachrichten in Interaktionsdiagrammen

• Ereignis des Sendens bzw. Empfangens von Nachrichten
• Typen:
  • Operationsaufruf (synchron / asynchron)
  • Antwort Nachricht
  • Signal (asynchron), Create-/ Delete Message
• Operationsaufruf: Parameterliste muss kompatibel sein
• Nachrichtentypen

Zustandsdiagramm

• Modellierung des (vollständigen?) Verhaltens
  • Zustände von Klassen / Objekten / Komponenten
  • Übergänge zwischen den Zuständen
  • Ereignisse, die Zustandswechsel auslösen
• Modellierung von endlichen Automaten (Zustandsmaschinen)
  • Deterministische
  • Nichtdeterministische
• Verfeinerung von Zuständen möglich
• Modellierung von verteilten Systemen / parallelem Verhalten
• Grundlage zur Codegenerierung

Analyse

Grobentwurf

Feinentwurf

Implementierung

Vorgehensweise

Projektmanagement