Softwaresysteme und ihre Modellierung: Grundlagen, Methoden und Techniken

504 Pages·2005·2.16 MB·German

by  Peter Tabeling

eXamen.press
eXamen.pressisteineReihe,dieTheorieund
PraxisausallenBereichenderInformatikfür
dieHochschulausbildungvermittelt.
Peter Tabeling
Softwaresysteme
und ihre Modellierung
Grundlagen, Methoden und Techniken
Mit469Abbildungenund45Tabellen
123
PeterTabeling
Hasso-Plattner-InstitutfürSoftwaresystemtechnik
anderUniversitätPotsdam
Prof.-Dr.-Helmert-Straße2–3
14482Potsdam
[email protected]
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ISSN1614-5216
ISBN-103-540-25828-0SpringerBerlinHeidelbergNewYork
ISBN-13978-3-540-25828-5SpringerBerlinHeidelbergNewYork
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Für Andrea.
Fünfzehn!
Vorwort
Die ständig steigende Rechenleistung der Prozessoren sowie die immer weiter
zunehmenden Speicherkapazitäten haben immer umfangreichere und komplexere
Softwaresysteme ermöglicht, die nur noch mit hohem Personalaufwand entwickelt
werden können. Die Beherrschbarkeit der Softwaresysteme kann jedoch nicht
allein durch die Weiterentwicklung von Programmiersprachen und Entwicklungs-
werkzeugen gewährleistet werden, denn mit der Größe und Kompliziertheit der
Systeme nimmt auch der Bedarf nach arbeitsteiliger Entwicklung zu. Daher sind
nicht nur Kenntnisse der aktuell eingesetzten Technik gefragt, sondern in zuneh-
menden Maße auch planerische und kommunikative Fähigkeiten. Vor allem tech-
nische Entscheidungsträger wie z.B. der „Systemarchitekt“ müssen in der Lage
sein, Systeme als Ganzes und auf konzeptioneller Ebene zu erfassen sowie ihre
Ideen darzustellen und weiterzugeben. Die Modellierung von Systemen ist hier von
zentraler Bedeutung, denn die damit verbundene Abstraktion erlaubt erst die erfor-
derliche Reduktion vieler technischer Sachverhalte eines Systems auf dessen
wesentlichen Merkmale, während eine angemessene Darstellung die Weitergabe
dieses Wissens im arbeitsteiligen Prozess ermöglicht.
Die Vermittlung der hierzu erforderlichen Grundlagen sowie deren Vertiefung und
Anwendung sind das Hauptziel dieses Buches. Im Vordergrund stehen dabei
Begriffe und Darstellungsmittel, die möglichst unabhängig von Programmierspra-
chen, Entwicklungswerkzeugen und Trägersystemen sind. Auf diese Weise werden
Begriffe und Zusammenhänge vermittelt, die ihre Relevanz trotz des schnellen
technologischen Wandels nicht so schnell verlieren dürften. Da viele Ansätze
grundsätzlich auch zur Beschreibung von Hardwaresystemen geeignet sind, wird
auch die Modellierung heterogener bzw. eingebetteter Systeme unterstützt.
Erst eine klare, von allen Beteiligten geteilte Vorstellung des letztlich zu erstellen-
den Systems schafft die Voraussetzung für eine zielgerichtete und effiziente Soft-
wareentwicklung. Daher besteht ein Leitgedanke des Buches darin,
Softwaresysteme nicht als umfangreiche Zusammenstellung von Programmteilen
zu verstehen, sondern vorrangig das eigentlich gewollte System zu betrachten, wel-
ches als dynamisches Gebilde funktionieren und mit seiner Umgebung interagieren
soll – hier wird bewusst die Nähe zum Systembegriff „klassischer“ Ingenieurdiszi-
plinen gesucht.
Die Buchstruktur ist außerdem von der Überzeugung geprägt, dass vor dem Ver-
mitteln von Modellierungsnotationen eine solide begriffliche Basis gelegt werden
muss. Daher werden gerade zu Beginn sehr grundlegende Begriffe diskutiert sowie
Bezüge zu formalen Sprachen und der Mathematik hergestellt. Nach der Betrach-
tung grundsätzlicher Systemeigenschaften und -klassen wird die Verhaltensmodel-
lierung sequentieller Systeme behandelt, insbesondere das Automatenmodell.
Schließlich erfolgt eine Einführung in die Modellierung nebenläufigen Verhaltens
VIII Vorwort
mittels Petrinetzen. Die Verhaltensmodellierung von Systemen mit großen
Zustandsrepertoires erfordert die Unterscheidung von Steuer- und Operationszu-
ständen sowie die Berücksichtigung rekursiver Abläufe – dementsprechende Petri-
netz-Erweiterungen werden beschrieben.
Ein eigenes Kapitel behandelt Grundtypen programmierter Systeme und deren spe-
zielle Modellierungsaspekte. Dabei werden auch einfache Modelle für entspre-
chende Abwicklersysteme diskutiert, wodurch eine Verbindung zu Prozessoren,
virtuellen Maschinen und Betriebssystemen aufgezeigt wird.
Die weiteren Kapitel sind der Modellierung komplexer Systeme gewidmet, also
dem Kerngedanken des Buches. Die bereits vermittelten Inhalte werden vertieft
und weiterführende Konzepte und Darstellungsmittel eingeführt. Hier werden auch
Grundkonzepte der objektorientierten Modellierung und die Unified Modeling
Language (UML) beschrieben.
Eine besondere Bedeutung haben die Fundamental Modeling Concepts (FMC), die
einen übergreifenden Ansatz zur architekturorientierten Modellierung bilden und
eine Verbindung der verschiedenen Aspekte ermöglichen. Auf dieser Basis erfolgt
eine Betrachtung des Architekturbegriffs und typischer architektureller Sichten.
Dabei wird insbesondere die Nutzung von Modellen als Kommunikationsmittel,
deren Einsatz bei der Systementwicklung und verschiedene Typen von Mustern
behandelt. Abschließend werden spezielle Modellierungsaspekte verteilter
Systeme betrachtet, wobei auch ein Bezug zu transaktionsverarbeitenden Systemen
hergestellt wird.
Vielen Menschen, die auf verschiedenste Weise zum Entstehen dieses Buches bei-
getragen haben, schulde ich Dank. Siegfried Wendt möchte ich hier als Ersten nen-
nen. Seine tiefgreifenden Einsichten, sein Streben nach begrifflicher Klarheit und
akademischer Qualität waren und sind für mich wegweisend. Viele der in diesem
Buch vorgestellten Begriffe und Ansätze, insbesondere FMC, gehen auf ihn
zurück. Er hat auch die Vorlesung ins Leben gerufen, aus der dieses Buch entstan-
den ist.
Den Studenten, denen eine Vorabversion des Buches als Vorlesungsskript zur Ver-
fügung stand, möchte ich ebenfalls danken. Ihre kritischen Fragen in der Vorlesung
und die vielen Hinweise zum Skript haben sicherlich zur Verbesserung des Buches
beigetragen. Meinen Kollegen Andreas Knöpfel und Rasmus Hofmann danke ich
für die sorgfältige Durchsicht des Manuskriptes und die technische Unterstützung.
Besonderen Dank schulde ich meinem studentischen Mitarbeiter, Herrn Andreas
Fahle, ohne dessen engagierte Hilfe eine rechtzeitige Fertigstellung fraglich gewe-
sen wäre. Den Mitarbeitern des Springer Verlags möchte ich für die besonders
engagierte, unkomplizierte und entgegenkommende Zusammenarbeit danken.
Tiefer Dank gilt meiner Frau, die mit viel Geduld meine gelegentliche physische
und geistige Abwesenheit während der Arbeit an dem Buch ertragen hat.
Vorwort IX
Trotz vieler Mühe, Unterstützung und wertvoller Hinweise wird dieses Buch ver-
mutlich noch die eine oder andere Unzulänglichkeit aufweisen. Im Hinblick auf die
nächste Auflage sind Anregungen, Kritik und Verbesserungsvorschläge daher stets
willkommen!
Peter Tabeling, im Juni 2005.
Inhaltsverzeichnis
Vorwort.......................................................................................VII
Inhaltsverzeichnis......................................................................XI
1 Informationelle Systeme – begriffliche Abgrenzung
1.1 Dynamische vs. statische Systeme................................................1
1.2 Informationelle Systeme.................................................................2
2 Information und ihre Repräsentation
2.1 Information, Wissen, Daten, Form..................................................5
2.2 Informationsverarbeitung vs. Formverarbeitung.............................9
2.3 Grundtypen der Interpretation......................................................10
2.3.1 Wertunmittelbare Interpretation....................................................11
2.3.2 Werteverlaufsinterpretation..........................................................11
2.3.3 Mehrstufige Interpretation............................................................13
2.4 Strukturierter Aufbau von Formen................................................15
2.4.1 Symbol, Zeichen, Umschreibung.................................................16
2.4.2 Direkte vs. indirekte Umschreibung..............................................17
2.4.3 Wort, Alphabet..............................................................................17
2.4.4 Kontext, Kontextabhängigkeit.......................................................18
2.4.5 Begriffsübersicht...........................................................................19
2.5 Formale Sprachen........................................................................20
2.6 Sprache, Metasprache, Gegenstandssprache.............................21
2.7 Formale Systeme, axiomatische Systeme...................................22
2.8 Grammatiken................................................................................26
2.8.1 Ableitungsbaum............................................................................29
2.8.2 Attributierte Grammatiken............................................................31
3 Modell, System, Systembeschreibung
3.1 Systemmodelle – begriffliche Abgrenzung...................................35
3.2 Modell vs. System vs. Systembeschreibung................................38
3.3 Systemmodelle informationeller Systeme....................................40
3.4 Analyse- vs. Konstruktionsmodell................................................40
4 Modelle als mathematische Strukturen
4.1 Objekt, Attribut, Beziehung...........................................................45
4.2 Mathematische Struktur, Mengen und Relationen.......................46
4.2.1 Diskretheit und Endlichkeit von Strukturen...................................48
4.2.2 Menge, Klasse, Typ......................................................................49
4.3 Grundlegende Relationstypen und deren Darstellung.................49
4.3.1 Relationen....................................................................................50
XII Inhaltsverzeichnis
4.3.2 Darstellungsmöglichkeiten...........................................................51
4.3.3 Grundlegende Eigenschaften zweistelliger Relationen................54
4.3.4 Grundlegende Eigenschaften quadratischer Relationen..............56
4.3.5 Verkürzte Darstellung quadratischer Relationen..........................57
5 Grundlegende Eigenschaften von Verhaltensmodellen
5.1 Wertdiskretes vs. wertkontinuierliches System............................61
5.2 Zeitdiskretes vs. zeitkontinuierliches System...............................63
5.3 Analoges vs. digitales System.....................................................64
5.4 Gerichtetes vs. ungerichtetes System..........................................65
5.5 Determiniertes System.................................................................67
5.6 Kausales System.........................................................................68
5.7 Zustandsbasiertes Systemmodell................................................70
6 Verhaltensmodellierung sequentieller Systeme
6.1 Begriff des sequentiellen Systems...............................................73
6.2 Determiniertes sequentielles System...........................................75
6.3 Kausales determiniertes sequentielles System............................76
6.4 Zuordner.......................................................................................76
6.5 Automaten....................................................................................80
6.6 Darstellungsmittel für Automaten.................................................81
6.6.1 Automatengraph...........................................................................81
6.6.2 Automatentabelle.........................................................................84
6.6.3 Formelschreibweise.....................................................................84
6.6.4 Automat vs. Automatenbeschreibung..........................................86
6.6.5 Verkürzte grafische Darstellung von Automaten..........................86
6.7 Anschauliche Deutung von Zustandsübergängen.......................87
6.8 Mealy- vs. Moore-Automat...........................................................90
6.8.1 Mealy-Automat.............................................................................91
6.8.2 Moore-Automat............................................................................93
6.9 Unendliche Automaten.................................................................97
6.10 Zustandsminimierung.................................................................100
6.10.1 Verschmelzbarkeit von Zuständen.............................................100
6.10.2 Verfahren zur Minimierung.........................................................103
6.11 Eingabebeschränkung...............................................................106
6.12 Unspezifizierte Ausgaben..........................................................109
6.13 Zustandsminimierung bei unterspezifizierten Automaten..........111
7 Verhaltensmodellierung nichtsequentieller Systeme
7.1 Verhaltensbeschreibung auf Basis von Ereignissen..................117
7.1.1 Ereignisbegriff............................................................................117
7.1.2 Temporalordnung.......................................................................118
7.1.3 Kausalordnung...........................................................................121
7.2 Petrinetze...................................................................................123
7.2.1 Netzelemente.............................................................................124