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.

Рис. 1. Возможная визуализация метрик кода части программной системыМетрики 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 (sergey.zwezdin@gmail.com) – 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.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Купить номер с этой статьей в PDF