Основы программирования

Сцепление (Coupling) — мера взаимозависимости модулей поданным [58], [70], [77]. Сцепление — внешняя характеристика модуля, которую желательно уменьшать.

Количественно сцепление измеряется степенью сцепления (СЦ). Выделяют 6 типов сцепления.

1. Сцепление по данным (СЦ=1). Модуль А вызывает модуль В.

Все входные и выходные параметры вызываемого модуля — простые элементы данных (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Сцепление поданным

2. Сцепление по образцу (СЦ=3). В качестве параметров используются структуры данных (рис. 4.14).

Рис. 4.14. Сцепление по образцу

3. Сцепление по управлению (СЦ=4). Модуль А явно управляет функционированием модуля В (с помощью флагов или переключателей), посылая ему управляющие данные (рис. 4.15).

Рис. 4.15. Сцепление по управлению

4. Сцепление по внешним ссылкам (СЦ=5). Модули А и В ссылаются на один и тот же глобальный элемент данных.

5. Сцепление по общей области (СЦ=7). Модули разделяют одну и ту же глобальную структуру данных (рис. 4.16).

6. Сцепление по содержанию (СЦ=9). Один модуль прямо ссылается на содержание другого модуля (не через его точку входа). Например, коды их команд перемежаются друг с другом (рис. 4.16).

Рис. 4.16. Сцепление по общей области и содержанию

На рис. 4.16 видим, что модули В и D сцеплены по содержанию, а модули С, Е и N сцеплены по общей области.

Сложность программной системы

В простейшем случае сложность системы определяется как сумма мер сложности ее модулей. Сложность модуля может вычисляться различными способами.

Например, М. Холстед (1977) предложил меру длины N модуля [33]:

N » n₁log₂ (n₁) + n₂log₂(n₂),

где n₁ — число различных операторов, п₂ — число различных операндов.

В качестве второй метрики М. Холстед рассматривал объем V модуля (количество символов для записи всех операторов и операндов текста программы):

V = N x log₂ (n₁ + n₂).

Вместе с тем известно, что любая сложная система состоит из элементов и системы связей между элементами и что игнорировать внутрисистемные связи неразумно.

Том МакКейб (1976) при оценке сложности ПС предложил исходить из топологии внутренних связей [49]. Для этой цели он разработал метрику цикломатической сложности:

V(G) = E-N + 2,

где Е — количество дуг, a.N — количество вершин в управляющем графе ПС. Это был шаг в нужном направлении. Дальнейшее уточнение оценок сложности потребовало, чтобы каждый модуль мог представляться как локальная структура, состоящая из элементов и связей между ними.

Таким образом, при комплексной оценке сложности ПС необходимо рассматривать меру сложности модулей, меру сложности внешних связей (между модулями) и меру сложности внутренних связей (внутри модулей) [28], [56]. Традиционно со внешними связями сопоставляют характеристику «сцепление», а с внутренними связями — характеристику «связность».

Вопросы комплексной оценки сложности обсудим в следующем разделе.

Характеристики иерархической структуры программной системы

Иерархическая структура программной системы — основной результат предварительного проектирования. Она определяет состав модулей ПС и управляющие отношения между модулями. В этой структуре модуль более высокого уровня (начальник) управляет модулем нижнего уровня (подчиненным).

Иерархическая структура не отражает процедурные особенности программной системы, то есть последовательность операций, их повторение, ветвления и т. д. Рассмотрим основные характеристики иерархической структуры, представленной на рис. 4.17.

Рис. 4.17. Иерархическая структура программной системы

Первичными характеристиками являются количество вершин (модулей) и количество ребер (связей между модулями). К ним добавляются две глобальные характеристики — высота и ширина:

q высота — количество уровней управления;

q ширина — максимальное из количеств модулей, размещенных на уровнях управления.

В нашем примере высота = 4, ширина = 6.

Локальными характеристиками модулей структуры являются коэффициент объединения по входу и коэффициент разветвления по выходу.

Коэффициент объединения по входу Fan_in(i) — это количество модулей, которые прямо управляют i-м модулем.

В примере для модуля n: Fan_in(n)=4.

Коэффициент разветвления по выходу Fan_out(i) — это количество модулей, которыми прямо управляет i-й модуль.

В примере для модуля m: Fan_out(m)=3.

Возникает вопрос: как оценить качество структуры? Из практики проектирования известно, что лучшее решение обеспечивается иерархической структурой в виде дерева.

Степень отличия реальной проектной структуры от дерева характеризуется невязкой структуры. Как определить невязку?

Вспомним, что полный граф (complete graph) с п вершинами имеет количество ребер

е_с=n(n-1)/2,

а дерево (tree) с таким же количеством вершин — существенно меньшее количество ребер

e_t=n-l.

Тогда формулу невязки можно построить, сравнивая количество ребер полного графа, реального графа и дерева.

Для проектной структуры с п вершинами и е ребрами невязка определяется по выражению

.

Значение невязки лежит в диапазоне от 0 до 1. Если Nev = 0, то проектная структура является деревом, если Nev = 1, то проектная структура — полный граф.

Ясно, что невязка дает грубую оценку структуры. Для увеличения точности оценки следует применить характеристики связности и сцепления.

Хорошая структура должна иметь низкое сцепление и высокую связность.

Л. Констентайн и Э. Йордан (1979) предложили оценивать структуру с помощью коэффициентов Fan_in(i) и Fan_out(i) модулей [77].

Большое значение Fan_in(i) — свидетельство высокого сцепления, так как является мерой зависимости модуля. Большое значение Fan_out(i) говорит о высокой сложности вызывающего модуля. Причиной является то, что для координации подчиненных модулей требуется сложная логика управления.

Основной недостаток коэффициентов Fan_in(i) и Fan_out(i) состоит в игнорировании веса связи. Здесь рассматриваются только управляющие потоки (вызовы модулей). В то же время информационные потоки, нагружающие ребра структуры, могут существенно изменяться, поэтому нужна мера, которая учитывает не только количество ребер, но и количество информации, проходящей через них.

С. Генри и Д. Кафура (1981) ввели информационные коэффициенты ifan_in(i) и ifan_out(j) [35]. Они учитывают количество элементов и структур данных, из которых i-й модуль берет информацию и которые обновляются j-м модулем соответственно.

Информационные коэффициенты суммируются со структурными коэффициентами sfan_in(i) и sfan_out( j), которые учитывают только вызовы модулей.

В результате формируются полные значения коэффициентов:

Fan_in (i) = sfan_in (i) + ifan_in (i),

Fan_out (j) = sfan_out (j) + ifan_out (j).

На основе полных коэффициентов модулей вычисляется метрика общей сложности структуры:

S = length(i) x (Fan_in(i) + Fan_out(i))²,

где length(i) — оценка размера i-го модуля (в виде LOC- или FP-оценки).