Современные технологии разработки программного обеспечения

Современные 
технологии разработки 
программного
обеспечения 

И. А. Уринцов
В. О. Староверова
А. А. Кузякина

Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”
2016

Современные технологии разработки программного
обеспечения

2-е издание, исправленное

И. Уринцов А.
В. Староверова О.
А. Кузякина А.

Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”
2016

2

Современные технологии разработки программного обеспечения/ А. И. Уринцов, О. В. Староверова,
А. А. Кузякина - М.: Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”, 2016

Целью изучения учебного курса «Современные технологии разработки программного обеспечения»
является формирование у студентов теоретических знаний и практических навыков по технологиям
разработки и использования программных средств вычислительной техники.
Вы узнаете особенности современных методологий и технологий создания программных средств;
историю Unix систем; задачи и методы тестирования и отладки программных средств;
классификационную схему программных ошибок; типовые средства и методы разработки надежного
программного обеспечения. Сумеете проектировать, конструировать и отлаживать программные
средства в соответствии с заданными критериями качества и стандартами; выявлять основные
факторы, определяющие качество и надежность программных средств; осуществлять тестирование
программных средств с целью повышения их качества и надежности; осуществлять моделирование
требуемого уровня надежности в соответствии с заданными критериями; оформлять документацию
на программные средства; разрабатывать эффективные алгоритмы различных классов с учетом
накопленного опыта их реализации.

(c) ООО “ИНТУИТ.РУ”, 2014-2016
(c) И. Уринцов А., В. Староверова О., А. Кузякина А., 2014-2016

3

Современные технологии разработки программного обеспечения

История UNIX систем

ссылка: Презентация к лекции - http://old.intuit.ru/department/se/modsoftdevtech/1/01.pdf

UNIX- семейство переносимых, многозадачных и многопользовательских операционных
систем.

Идеи, заложенные в основу UNIX, оказали огромное влияние на развитие
компьютерных операционных систем. В настоящее время UNIX-системы признаны
одними из самых исторически важных ОС.

Первая система UNIX была разработана в подразделении Bell Labs компании AT&T. С
тех пор было создано большое количество различных UNIX-систем. Юридически
право называться “UNIX” имеют лишь те операционные системы, которые прошли
сертификацию на соответствие стандарту Single UNIX Specification. Остальные же,
хотя и используют сходные концепции и технологии, называются UNIX-подобными
операционными системами.

Особенности

Основное отличие UNIX-подобных систем от других операционных систем заключается
в том, что это изначально многопользовательские многозадачные системы. То есть в
один и тот же момент времени сразу множество людей может выполнять множество
вычислительных задач (процессов). Даже популярную во всём мире систему Microsoft

Windows нельзя назвать полноценной многопользовательской системой, так как кроме
как на некоторых серверных версиях, в один и тот же момент за одним компьютером с

Windows может работать только один человек. В Unix может работать сразу много
людей, при этом каждый из них может выполнять множество различных
вычислительных процессов, которые будут использовать ресурсы именно этого
компьютера.

Вторая колоссальная заслуга Unix в её мультиплатформенности. Ядро системы
написано таким образом, что его легко можно приспособить практически под любой
микропроцессор, а не только под популярное семейство i-386 (i-686).

UNIX имеет и другие характерные особенности:

использование простых текстовых файлов для настройки и управления системой;
широкое применение утилит, запускаемых из командной строки;
взаимодействие с пользователем посредством виртуального устройства терминала;
представление физических и виртуальных устройств и некоторых средств
межпроцессового взаимодействия в виде файлов;

4

использование конвейеров из нескольких программ, каждая из которых выполняет
одну задачу.

Применение

В настоящее время UNIX-системы распространены в основном среди серверов, а также
как встроенные системы для различного оборудования. Среди ОС для рабочих станций
и домашнего применения UNIX и UNIX-подобные ОС занимают после Microsoft Windows
второе (OS X), третье (GNU/Linux) и многие последующие места.

Первые UNIX-системы

История операционной системы UNIX началась в 1969 году в одном из подразделений

AT&T Bell Laboratories, когда на “малоиспользуемой” машине DEC PDP-7 Кен
Томпсон, Деннис Ричи и другие, прежде занимавшиеся созданием ОС Multics, начали
работу над операционной системой, названной ими первоначально Unics (UNiplexed

Information and Computing System). В течение первых 10 лет развитие UNIX
происходило, в основном, в Bell Labs. Соответствующие начальные версии
назывались “Version n” (Vn) и предназначались для ЭВМ DEC PDP-11 (16-битовая) и VAX
(32-битовая).

Версии Vn разрабатывались группой Computer Research Group (CRG) в Bell Labs.
Поддержкой занималась другая группа, Unix System Group (USG) . Разработкой также
занималась группа Programmer’s WorkBench (PWB) , привнесшая систему управления
исходным кодом sccs, именованные каналы и ряд других идей. В 1983 году эти группы
были объединены в одну, Unix System Development Lab.

Основные характеристики

ОС UNIX имеет следующие основные характеристики:

переносимость;
вытесняющая многозадачность на основе процессов, работающих в
изолированных адресных пространствах в виртуальной памяти;
поддержка одновременной работы многих пользователей;
поддержка асинхронных процессов;
иерархическая файловая система;
поддержка независимых от устройств операций ввода-вывода (через специальные
файлы устройств);
стандартный интерфейс для программ (программные каналы, IPC) и пользователей
(командный интерпретатор, не входящий в ядро ОС);
встроенные средства учета использования системы.

5

Архитектура ОС UNIX

Архитектура ОС UNIX - многоуровневая. На нижнем уровне, непосредственно над
оборудованием, работает ядро операционной системы. Функции ядра доступны через
интерфейс системных вызовов, образующих второй уровень. На следующем уровне
работают командные интерпретаторы, команды и утилиты системного
администрирования, коммуникационные драйверы и протоколы, - все то, что обычно
относят к системному программному обеспечению. Наконец, внешний уровень
образуют прикладные программы пользователя, сетевые и другие коммуникационные
службы, СУБД и утилиты.

Основные функции ядра

Основные функции ядра UNIX (которое может быть монолитным или модульным)
включают:

планирование и переключение процессов;
управление памятью;
обработку прерываний;
низкоуровневую поддержку устройств (через драйверы);
управление дисками и буферизация данных;
синхронизацию процессов и обеспечение средств межпроцессного
взаимодействия (IPC).

Системные вызовы

Системные вызовы обеспечивают:

сопоставление действий пользователя с запросами драйверов устройств;
создание и прекращение процессов;
реализацию операций ввода-вывода;
доступ к файлам и дискам;
поддержку функций терминала.

Системные вызовы преобразуют процесс, работающий в режиме пользователя, в
защищенный процесс, работающий в режиме ядра. Это позволяет процессу вызывать
защищенные процедуры ядра для выполнения системных функций.

Системные вызовы обеспечивают программный интерфейс для доступа к процедурам
ядра. Они обеспечивают управление системными ресурсами, такими как память,
пространство на дисках и периферийные устройства. Системные вызовы оформлены в
виде библиотеки времени выполнения. Многие системные вызовы доступны через
командный интерпретатор.

Пользовательские процессы и процессы ядра

6

Пользовательские процессы образуют следующие два уровня и:

защищены от других пользовательских процессов;
не имеют доступа к процедурам ядра, кроме как через системные вызовы;
не могут непосредственно обращаться к пространству памяти ядра.

Пространство (памяти) ядра - это область памяти, в которой процессы ядра (процессы,
работающие в контексте ядра) реализуют службы ядра. Любой процесс,
выполняющийся в пространстве ядра, считается работающим в режиме ядра.
Пространство ядра - привилегированная область; пользователь получает к ней доступ
только через интерфейс системных вызовов. Пользовательский процесс не имеет
прямого доступа ко всем инструкциям и физическим устройствам, - их имеет процесс
ядра. Процесс ядра также может менять карту памяти, что необходимо для
переключения процессов (смены контекста).

Пользовательский процесс работает в режиме ядра, когда начинает выполнять код ядра
через системный вызов.

Обмен данными между пространством ядра и пользовательским
пространством

Поскольку пользовательские процессы и ядро не имеют общего адресного
пространства памяти, необходим механизм передачи данных между ними. При
выполнении системного вызова, аргументы вызова и соответствующий идентификатор
процедуры ядра передаются из пользовательского пространства в пространство ядра.
Идентификатор процедуры ядра передается либо через аппаратный регистр
процессора, либо через стек. Аргументы системного вызова передаются через
пользовательскую область вызывающего процесса.

Пользовательская область процесса содержит информацию о процессе, необходимую
ядру:

корневой и текущий каталоги, аргументы текущего системного вызова, размеры
сегмента текста, данных и стека для процесса;
указатель на запись в таблице процессов, содержащую информацию для
планировщика, например, приоритет;
таблицу дескрипторов файлов пользовательского процесса с информацией об
открытых файлах;
стек ядра для процесса (пустой, если процесс работает в режиме пользователя).

Пользовательский процесс не может обращаться к пространству ядра, но ядро может
обращаться к пространству процесса.

Системное программное обеспечение

ОС UNIX обеспечивает ряд стандартных системных программ для решения задач

7

администрирования, переконфигурирования и поддержки файловой системы, в
частности:

для настройки параметров конфигурации системы;
для перекомпоновки ядра (если она необходима) и добавления новых драйверов
устройств;
для создания и удаления учетных записей пользователей;
создания и подключения физических файловых систем;
установки параметров контроля доступа к файлам.

Для решения этих задач системное ПО (работающее в пользовательском режиме) часто
использует системные вызовы.

Операционная система FreeBSD

FreeBSD - свободно распространяемая, Unix-подобная операционная система с
открытым исходным кодом. Является потомком AT&T Unix, ответвление BSD,
образовавшееся в Калифорнийском университете в Беркли. Работает на PCсовместимых системах x86, в том числе Microsoft Xbox, а также на DEC Alpha, Sun

UltraSPARC, IA-64, AMD64, PowerPC, NEC PC-98, ARM.

Краткая история операционной системы FreeBSD

Операционная система Unix, зародилась в 1969 году, в научно-исследовательском
подразделении, компании AT&T, Bell Labs. В то время, монополия на компьютерную
индустрию принадлежала государству, и кампания AT&T не могла продавать свое
программное обеспечение. В результате, в 1976, AT&T решила бесплатно предоставить
свое программное обеспечение и его исходные коды, университетской среде. Одни в
этом случае получили возможность сэкономить значительные средства, и доступ к
технологии, вторые, бесплатную площадку для экспериментов и целое поколение
специалистов, выросших на их оборудовании.

В конце 70-х годов, в компании AT&T, была создана рабочая группа поддержки Unix
(Unix Support Group, USG), в последствии преобразованная в систему лабораторий

Unix (Unix System Laboratories, USL). В задачи USL, входила раскрутка операционной
системы Unix, в качестве коммерческого продукта, что с успехом и делалось, система
продавалась предприятиям за большие деньги. Разработка системы продолжалась и в

Bell Labs и в USG.

Группа по исследованию компьютерных систем (Computer Systems Research Group,

CSRG) Калифорнийского университета, участвовавшая в разработке и
усовершенствовании системы Unix, стала центральным хранилищем исходных кодов и
их улучшений. Группа собирала изменения, оценивала, упаковывала и передавала
остальным обладателям действительной лицензии AT&T Unix. Кроме того, CSRG,
работала с подразделением министерства обороны США, управлением перспективных

8

исследовательских проектов (Advanced Research Projects Agency, ARPA), с целью
реализации в Unix, различных функциональных возможностей, например, стек
протоколов TCP/IP. Итоговая коллекция программного обеспечения Калифорнийского
университета, получила название BSD (Berkley Software Distribution). Первый
выпуск BSD был создан в 1977 году. В конце концов финансирование CSRG
прекратилось, после чего, университетом в Беркли, было принято решение, открыть
исходный код BSD для широкой публики.

Первым дистрибутивом операционной системы FreeBSD, стала FreeBSD версии 1.0,
выпущенная в 1993 году. За основу была взята лента 4.3BSD-Lite (“Net/2“),
университета в Беркли, с многочисленными добавлениями из проекта 386BSD, и уже в
мае 1994 года, была выпущена FreeBSD 1.1 RELEASE.

Другие BSD системы

4.4BSD-Lite породила не только операционную систему FreeBSD, но и массу других
проектов, из которых можно выделить следующие:

NetBSD - во многом подобна FreeBSD, а их команды делят между собой
разработчиков и сам программный код. Основное назначение NetBSD,
предоставить надежную и безопасную операционную систему, которая может
быть перенесена практически на любую аппаратную платформу с минимальными
усилиями. Так NetBSD работает на VAX, PocketPC, высокопроизводительных
серверах SPARC и Alpha.

OpenBSD - ответвилась от проекта NetBSD в 1996 году. Основным отличием от
других BSD систем, изначальная ориентированность на повышенную безопасность.
Одним из дочерних проектов OpenBSD, является пакет OpenSSH, использующийся
практически всеми операционными системами и производителями аппаратного
обеспечения.

MacOS X - Стабильная операционная система с дружественным интерфейсом,
использующаяся на компьютерах компании Apple, на процессорах PowerPC и

Intel, так-же содержит в себе значительные участки кода BSD.

Возникновение GNU

GNU -свободная Unix-подобная операционная система, разрабатываема/

Акроним GNU был выбран из-за того что GNU является Unix-подобной операционной
системой, но отличается от Unix тем, что является свободным и не содержит его кода.

История возникновения GNU

К 1990 году в рамках проекта GNU, основанного Ричардом Столлманом, были
разработаны и постоянно развивались свободные программы, составляющие основной

9

инструментарий для разработки программ на языке Си: текстовый редактор Emacs,
компилятор языка Си gcc, отладчик программ gdb, командная оболочка bash,
библиотека важнейших функций для программ на Си libc. Все эти программы были
написаны для операционных систем, похожих на UNIX. Поэтому в них использовались
стандартные для UNIX системные вызовы - POSIX. При помощи системных вызовов
программы получают доступ к оперативной памяти, файловой системе, устройствам
ввода и вывода. Благодаря тому, что системные вызовы выглядели более-менее
стандартно во всех реализациях UNIX, программы GNU могли работать (с минимальными
изменениями или вообще без изменений) в любой UNIX-подобной операционной
системе.

С помощью имевшихся инструментов GNU можно было бы писать программы на Си,
пользуясь только свободными программными продуктами, однако свободного UNIXсовместимого ядра, на основе которого могли бы работать все эти инструменты, не
существовало. В такой ситуации разработчики GNU вынуждены были использовать одну
из патентованных реализаций UNIX, то есть вынуждены были следовать принятым в
этих операционных системах архитектурным решениям и технологиям и основывать на
них свои собственные разработки. Мечта Столлмана о научной разработке ПО,
свободной от решений, движимых коммерческими целями, была неосуществима, пока
в основе свободной разработки лежало патентованное UNIX-совместимое ядро,
исходные тексты которого оставались тайной для разработчиков.

Становление LINUX систем

В 1991 году Линус Торвальдс, финский студент, чрезвычайно увлёкся идеей написать
совместимое с UNIX ядро операционной системы для своего персонального компьютера
с процессором ставшей очень широко распространённой архитектуры Intel 80386.
Прототипом для будущего ядра стала операционная система MINIX: совместимая с UNIX
операционная система для персональных компьютеров, которая загружалась с дискет и
умещалась в очень ограниченной в те времена памяти персонального компьютера.

MINIX был создан Эндрю Таненбаумом в качестве учебной операционной системы,
демонстрирующей архитектуру и возможности UNIX. Именно полноценное ядро для
своего ПК и хотел сделать Линус Торвальдс. Название своему ядру он дал freax, но
позже оно было изменено хозяином ftp сервера на Linux - гибрид имени создателя и
слова UNIX.

В 1991 году Линус Торвальдс, финский студент, чрезвычайно увлёкся идеей написать
совместимое с UNIX ядро операционной системы для своего персонального компьютера
с процессором ставшей очень широко распространённой архитектуры Intel 80386.
Прототипом для будущего ядра стала операционная система MINIX: совместимая с UNIX
операционная система для персональных компьютеров, которая загружалась с дискет и
умещалась в очень ограниченной в те времена памяти персонального компьютера.

MINIX был создан Эндрю Таненбаумом в качестве учебной операционной системы,
демонстрирующей архитектуру и возможности UNIX. Именно полноценное ядро для
своего ПК и хотел сделать Линус Торвальдс. Название своему ядру он дал freax, но
позже оно было изменено хозяином ftp сервера на Linux - гибрид имени создателя и

10