Страница:
Итак, в основе планирования разработки программ лежит ложное допущение, что все будет хорошо, т.е. каждая задача займет столько времени, сколько «должна» занять.
Глубокий оптимизм программистов заслуживает более серьезного изучения. Дороти Сэйерс (Dorothy Cayers) в своей превосходной книге «Разум творца» (“The Mind of the Maker”) выделяет в творческой деятельности три стадии: замысел, реализацию, взаимодействие. Соответственно, книга, компьютер или программа сначала возникают как идеальное построение, существующее не во времени и пространстве, а лишь в мозгу своего создателя. Реализация же во времени и пространстве происходит с помощью пера, чернил, бумаги, либо — проводов, кремния и феррита. Творение будет завершено, когда кто-либо прочтет книгу, воспользуется компьютером или запустит программу, тем самым вступив во взаимодействие с разумом их создателя.
Это описание используемое Сэйерс для освещения не только творческой деятельности человека, но и христианского догмата Троицы, поможет нам в нашей текущей задаче. Для человека, который что-то создает, неполнота и противоречивость идей выявляются только при их реализации. Поэтому для теоретика изложение на бумаге, экспериментирование, изготовление является неотъемлемыми частями творческого процесса.
Во многих видах творческой деятельность материал с трудом поддается обработке. Дерево колется, краски пачкаются, электрические цепи «звенят». Эти физические ограничения сужают круг идей, которые могут быть выражены, а также создают неожиданные трудности при реализации.
Реализация, таким образом, требует сил и времени как из-за физического материала, так и ввиду неадекватности основополагающих идей. Большую часть затруднений при реализации мы склонны объяснять недостатками физического материала, поскольку он «чужд» нам — в отличие от идей, которыми мы гордимся.
При создании же программ мы имеем дело с чрезмерно податливым материалом. Программист осуществляет свои построения на основе чистого мышления — понятий и очень гибких их представлений. Поскольку материал столь податлив, мы не ожидаем трудностей при реализации, отсюда и наш глубокий оптимизм. Из-за ошибочности наших идей возникают ошибки в программах. Следовательно, наш оптимизм не имеет оправдания.
Для отдельной задачи допущение, что все буде хорошо, оказывает на график работ вероятностный эффект. Все может действительно идти по плану, поскольку есть некоторое распределение вероятности для возможной задержки и существует конечная вероятность того, что задержки не будет. Однако большой программный проект состоит из множества задач, часть из которых может быть начата только после окончания других. Вероятность того, что все задачи будут завершены в срок, бесконечно мала.
Человеко-месяц
Вторая ошибка рассуждений заключена в самой единице измерения, используемой при оценивании и планировании: человеко-месяц. Стоимость действительно измеряется как произведения числа занятых на количество затраченных месяцев. Но не достигнутый результат. Поэтому использование человеко-месяца как единицы измерения объема работы является опасным заблуждением.
Рис. 2.1 Зависимость времени от числа занятых — полностью разделимая задача
Число занятых и число месяцев являются взаимозаменяемыми величинами лишь тогда, когда задачу можно распределить среди ряда работников, которые не имеют между собой взаимосвязи (рис. 2.1). Это верно, когда жнут пшеницу или собирают хлопок, но в системном программировании это далеко не так.
Рис. 2.2 Зависимость времени от числа занятых — неразделимая задача
Если задачу нельзя разбить на части, поскольку существуют ограничения на последовательность выполнения этапов, то увеличение затрат не оказывает влияния на график (рис. 2.2). Чтобы родить ребенка требуется девять месяцев независимо от того, сколько женщин привлечено к решению данной задачи. Многие задачи программирования относятся к этому типу, поскольку отладка по своей сути носит последовательный характер.
Рис. 2.3 Зависимость времени от числа занятых — разделимая задача, требующая обмена данными
Для задач, которые могут быть разбиты на части, но требуют обмена данными между подзадачами, затраты на обмен данными должны быть добавлены к общему объему необходимых работ. Поэтому достижимый наилучший результат оказывается несколько хуже, чем простое соответствие числа занятых и количества месяцев (рис. 2.3).
Дополнительная нагрузка состоит из двух частей — обучения и обмена данными. Каждого работника нужно обучить технологии, целям проекта, общей стратегии и плану работы. Это обучение нельзя разбить на части, поэтому данная часть затрат изменяется линейно в зависимости от числа занятых.
Рис. 2.4 Зависимость времени от числа занятых — задача со сложными взаимосвязями
С обменом данными дело обстоит хуже. Если все части задания должны быть отдельно скоординированы между собой, то затраты возрастают как n(n-2)/2. Для трех работников требуется втрое больше попарного общения, чем для двух, для четырех — вшестеро. Если помимо этого возникает необходимость в совещаниях трех, четырех и т.д. работников для совместного решения вопросов, положение становится еще хуже. Дополнительные затраты на обмен данными могут полностью обесценить результат дробления исходной задачи и привести к положению, описываемому рисунком 2.4.
Поскольку создание программного продукта является по сути системным проектом — практикой сложных взаимосвязей, затраты на обмен данными велики и быстро начинают преобладать над сокращением сроков, достигаемым в результате разбиения задачи на более мелкие подзадачи. В этом случае привлечение дополнительных работников не сокращает, а удлиняет график работ.
Системное тестирование
Из всех элементов графика работ наибольшему воздействию со стороны ограничений на последовательность выполнения действий подвержены отладка компонентов и системное тестирование. Кроме того, затраты времени зависят от количества выявленных ошибок и от того, насколько они «скрытые». Теоретически, ошибок быть не должно. Из-за своего оптимизма мы обычно склонны недооценивать действительное количество ошибок. Поэтому в программировании придерживаться графиков работ обычно труднее всего при отладке.
В течение ряда лет при планировании разработки программного обеспечения я пользуюсь следующим эмпирическим правилом:
1/3 — планирование,
1/6 — написание программ,
1/4 — тестирование компонентов и предварительное системное тестирование,
1/4 — системное тестирование при наличии всех компонентов.
Это правило имеет несколько важных различий с общепринятым планированием:
1. На планирование отводится больше времени, чем обычно. И все равно этого времени едва достаточно для разработки подробных и надежных технических условий и недостаточно для проведения исследовательских работ или поиска новейших технологий.
2. Половина графика работ, отведенная на отладку законченного кода, значительно выше нормы.
3. Та часть, которую легко оценить, т.е. написание кода, занимает всего одну шестую общего времени.
Изучая проекты, график которых был составлен традиционным образом, я обнаружил, что немногие из них отводили по графику половину времени на отладку, но на практике в большинстве случаев тратили на нее половину фактического времени. Многие проекты укладывались в график на всех этапах, исключая системное тестирование.[2]
Особенно катастрофические последствия может иметь недостаток времени для системного тестирования. Поскольку задержка происходит в конечной части графика, никто не подозревает о том, что график находится под угрозой срыва вплоть до дня сдачи продукта. Плохие вести, полученные поздно и без предупреждения, обескураживают клиентов и менеджеров.
Более того, задержка на этом этапе имеет особенно тяжелые материальные и психологические последствия. Проект осуществляется при полной
укомплектованности работниками и максимальных финансовых издержках. Что важнее, программное обеспечение должно обеспечить поддержку другой деловой активности (поставки компьютеров, запуска новых производственных мощностей и т.п.), и связанные с задержкой вторичные издержки очень высоки. На практике эти вторичные издержки могут быть выше, чем все прочие. Поэтому очень важно в изначальном графике работ отвести достаточно времени для системного тестирования.
Робость в оценках
Для программиста, как и для повара, давление со стороны хозяина может определять запланированный срок завершения задачи, но не может определять время ее фактического завершения. Омлет, обещанный через две минуты, может успешно жариться, но если через две минуты он не готов, то у клиента есть две возможности: ждать еще или съесть его сырым. Тот же выбор встает и перед заказчиком программного обеспечения.
У повара есть еще одна возможность: добавить жару. В результате омлет часто оказывается безнадежно испорченным: горелым с одного края и сырым — с другого.
Я не думаю, что у менеджеров программных продуктов меньше храбрости или твердости, чем у поваров или других менеджеров в инженерных областях. Но липовые графики, нацеленные на желательную хозяину дату, встречаются здесь значительно чаще, чем в любых других инженерных областях. Очень тяжело, рискуя потерять рабочее место, с энергией и любезностью отстаивать срок, который определен без применения каких-либо количественных методов при недостатке данных и подкреплен, в основном, интуицией менеджера.
Очевидно, необходимо сделать две вещи. Мы должны получить и сделать общедоступными численные данные, характеризующие производительность, частоту программных ошибок, методы оценки и т.д. Вся отрасль может только выиграть от опубликования таких данных.
Пока методы оценивания не получат более прочной основы, менеджерам остается только мужаться и защищать свои прогнозы, утверждая, что полагаться на их слабую интуицию все же лучше, чем основываться на одних желаниях.
Действия при срыве графика
Что делают, когда важный программный проект начинает отставать от графика? Естественно, добавляют людей. Как показывают рисунки 2.1-2.4, это не всегда помогает.
Рассмотрим пример.[3] Предположим, что трудоемкость задачи оценивается в 12 человеко-месяцев, и три человека должны выполнить ее за 4 месяца, причем в конце каждого месяца имеются четыре контрольные точки A, B, C и D, в которых можно произвести измерения (рис. 2.5).
Рис. 2.5
Предположим теперь, что первая контрольная точка была достигнута лишь по истечении двух месяцев. Какие альтернативы имеются у менеджера?
1. Допустим, что необходимо соблюсти срок выполнения задачи, и ошибочно оценена была только первая часть задачи, т.е. рисунок 2.6 верно отражает положение. Значит, остается 9 человеко-месяцев трудозатрат и два месяца, поэтому понадобится 4Ѕ человека, и к троим имеющимся нужно добавить еще двоих.
Рис. 2.6
2. Допустим, что необходимо соблюсти срок выполнения задачи, и одинаково занижена была вся оценка , т.е. положение соответствует рисунку 2.7. Значит, остается 18 человеко-месяцев трудозатрат и два месяца, поэтому понадобится 9 человек. К троим имеющимся нужно добавить еще шестерых.
Рис. 2.7
3. Изменить график. Мне нравится замечание, сделанное П. Фаггом (P. Fagg), опытным инженером по вычислительной технике: «Маленьких задержек не бывает». Это означает, что в новом графике должно быть достаточно времени, чтобы работа была исполнена тщательно и полностью, и не пришлось бы вновь переделывать график.
4. Сократить задачу. На практике этим всегда и кончается, когда команда обнаруживает, что не укладывается в график. Когда очень высоки вторичные издержки, это единственное, что можно сделать. Менеджеру предоставляется возможность официально и аккуратно сократить задачу, изменить график, либо наблюдать, как задача молча урезается при поспешном изменении проекта и неполном тестировании.
В первых двух случаях настаивать на том, чтобы задача в неизменном виде была выполнена за четыре месяца, чревато катастрофой. Рассмотрим, к примеру, восстановительный эффект первой альтернативы (рис. 2.8). Двое новых работников, какими бы знающими они ни были, и как бы быстро не удалось их найти, должны изучить задачу с помощью одного из опытных разработчиков. Если для этого потребуется месяц, то 3 человеко-месяца будут потрачены на работу, которая не учитывается в исходной оценке. Кроме того, задача, разбитая первоначально на три потока, должна быть теперь перекроена на пять частей. Поэтому часть уже сделанной работы будет потеряна, а системное тестирование нужно будет продлить. В результате в конце третьего месяца останется работы существенно больше, чем на 7 человеко-месяцев, а в распоряжении будет 5 подготовленных человек и один месяц. Согласно рисунку 2.8 продукт будет запаздывать так же, как если бы ни одного человека не было добавлено (см. рис. 2.6).
Если рассчитывать управиться за четыре месяца с учетом только времени обучения, но не перераспределения задач и дополнительного системного тестирования, то в конце второго месяца потребуется добавить 4, а не 2 человека. Чтобы компенсировать воздействие перераспределения задач и системного тестирования, потребуются еще новые люди. Теперь, однако, команда состоит не из 3, а, по крайней мере, 7 человек, и такие вопросы, как организация команды и распределение задач приобретают новый качественный уровень.
Обратите внимание, что к концу третьего месяца дело выглядит весьма мрачно. Несмотря на все административные усилия контрольная точка, намеченная на 1 марта, не достигнута. Возникает сильный соблазн повторить цикл, добавив еще людей. Это безумное решение.
Рис. 2.8
В предшествующих рассуждениях предполагалось, что только первая контрольная точка была неверно рассчитана. Если 1 марта сделать консервативное предположение, что весь график был излишне оптимистичен, как отражено на рисунке 2.7, требуется добавить 6 человек к исходной задаче. Расчет воздействия обучения, перераспределения задач и системного тестирования предоставляется сделать читателю в качестве упражнения. Нет сомнений, что при попытке уложиться в срок в итоге получится худший продукт, чем при изменении графика и сохранении первоначальных троих человек без усиления.
Крайне упрощая, сформулируем Закон Брукса:
Если проект не укладывается в сроки, то добавление рабочей силы задержит его еще больше.
Это развенчивает миф о человеко-месяце. Продолжительность осуществления проекта зависит от ограничений, накладываемых последовательностью работ. Максимальное количество разработчиков зависит от числа независимых подзадач. Эти две величины позволяют получить график работ, в котором будет меньше занятых разработчиков и больше месяцев. (Единственная опасность заключается в возможном устаревании продукта.) Нельзя, однако, составить работающие графики, в которых занято больше людей и требуется меньше времени. Программные проекты чаще проваливаются из-за нехватки календарного времени, чем по всем остальным причинам вместе взятым.
На встречах компьютерных специалистов можно постоянно слышать утверждения молодых менеджеров программных проектов, что им предпочтительней небольшие деятельные команды первоклассных специалистов, чем проекты, в которых участвуют сотни программистов, что подразумевает их средний уровень. И всем нам тоже.
Такое наивное представление альтернатив уходит от решения сложной задачи — как создавать большие системы в разумные сроки? Рассмотрим этот вопрос более подробно со всех сторон.
Проблема
Менеджеры программных проектов давно поняли, что хорошие и плохие программисты очень сильно различаются между собой по производительности. Однако реально измеренные величины поразительны. В одном из исследований Сакман (Sackman), Эриксон (Erikson) и Грант (Grant) измеряли производительность труда в группе опытных программистов. Внутри одной лишь этой группы соотношение между лучшими и худшими результатами составило примерно 10:1 по производительности труда и 5:1 по скорости работы программ и требуемой для них памяти! Короче, программист, зарабатывающий 20 тысяч долларов в год, может быть в десять раз продуктивнее программиста, зарабатывающего 10 тысяч долларов. Правда, возможно и обратное. Полученные данные не выявили какой-либо корреляции между стажем работы и производительностью. (Я не уверен, что это всегда справедливо.)
Выше я доказал, что само число разработчиков, действия которых нужно согласовывать, оказывает влияние на стоимость проекта, поскольку значительная часть издержек вызвана необходимостью общения и устранения отрицательных последствий разобщенности (системная отладка). Это также наводит на мысль, что желательно разрабатывать системы возможно меньшим числом людей. Действительно, опыт разработки больших программных систем, как правило, показывает, что подход с позиций грубой силы влечет удорожание, замедленность, неэффективность, а создаваемые в результате системы не являются концептуально целостными. Список, иллюстрирующий это, бесконечен: OS/360, Exec 8, Scop 6600, Multics, TSS, SAGE и другие.
Вывод прост: если над проектом работают 200 человек, включая менеджеров, являющихся наиболее знающими и опытными программистами, увольте 175 бойцов, и пусть менеджеры снова займутся программированием.
Давайте рассмотрим это решение. С одной стороны, ему не удается приблизиться к идеалу небольшой активной команды, в которой, по общему признанию, должно быть не более 10 человек. Поэтому размер бригады предполагает наличие как минимум двух уровней управления, или около пяти менеджеров. Потребуются дополнительны финансовые расходы, сотрудники, место для работы, секретари и операторы машин.
С другой стороны, исходная команда из 200 человек имела численность, недостаточную для создания действительно крупных систем методом грубой силы. Рассмотрим, к примеру, OS/360. Одно время в ее создании было занято больше 1000 человек — программистов, составителей документации, операторов, клерков, секретарей, менеджеров, вспомогательных групп и т.д. С 1963 по 1966 год на ее проектирование, реализацию и написание документации было затрачено, вероятно, около 5000 человеко-лет. Если бы строго соблюдалась пропорция между количеством занятых и продолжительностью работ, нашей предполагаемой команде из двухсот человек потребовалось бы 25 лет, чтобы довести продукт до сегодняшнего уровня!
В этом и состоит изъян идеи маленькой активной команды: для создания по-настоящему крупных систем ей потребуется слишком много времени. Посмотрим, как разработка OS/360 осуществлялась бы маленькой активной командой, допустим, из 10 человек. Положим, что они в семь раз более продуктивны средних программистов (что далеко от истины). Допустим, что уменьшение объема общения благодаря малочисленности команды позволило еще в семь раз повысить производительность. Допустим, что на протяжении всего проекта работает одна и та же команда. Таким образом, 5000/(10*7*7)=10, т.е. работу в 5000 человеко-лет они выполнят за 10 лет. Будет ли продукт представлять интерес через 10 лет после начала разработки или устареет благодаря стремительному развитию программных технологий?
Дилемма представляется жестокой. Для эффективности и концептуальной целостности предпочтительнее, чтобы проектирование и создание системы осуществили несколько светлых голов. Однако для больших систем желательно поставить под ружье значительный контингент, чтобы продукт мог увидеть свет вовремя. Как можно примирить эти два желания?
Предложение Миллза
Предложение Харлана Миллза дает свежее и творческое решение[2,3]. Миллз предложил, чтобы на каждом участке работы была команда разработчиков, организованная наподобие бригады хирургов, а не мясников. Имеется в виду, что не каждый участник группы будет врезаться в задачу, но резать будет один, а остальные оказывать ему всевозможную поддержку, повышая его производительность и плодотворность.
При некотором размышлении ясно, что эта идея приведет к желаемому, если ее удастся осуществить. Лишь несколько голов занято проектированием и разработкой, и в то же время много работников находится на подхвате. Будет ли такая организация работать? Кто играет роль анестезиологов и операционных сестер в группе программистов, а как осуществляется разделение труда? Чтобы нарисовать картину работы такой команды с включением всех мыслимых видов поддержки, я позволю себе вольное обращение к метафорам.
Хирург. Миллз называет его главным программистом. Он лично определяет технические условия на функциональность и эксплуатационные характеристики программы, проектирует ее, пишет код, отлаживает его и составляет документацию. Он пишет на языке структурного программирования, таком как PL/I, и имеет прямой доступ к компьютерной системе, на которой не только производится отладка, но и сохраняются различные версии его программ с возможностью легкой модификации файлов, а также осуществляет редактирование документации. Он должен обладать большим талантом, стажем работы свыше десяти лет и существенными знаниями в системных и прикладных областях, будто прикладная математика, обработка деловых данных или что-либо иное.
Второй пилот. Это второе «я» хирурга, может выполнять любую его работу, но менее опытен. Его главная задача — участвовать в проектировании, где он должен думать, обсуждать и оценивать. Хирург испытывает на нем свои идеи, но не связан его предложениями. Часто второй пилот представляет свою бригаду при обсуждении с другими группами функций и интерфейса. Он хорошо знает весь код программы. Он исследует возможности альтернативных стратегий программирования. Он, очевидно, подстраховывает на случай какой-либо беды с хирургом. Он может даже заниматься написанием кода, но не несет ответственности за какую-либо его часть.
Администратор. Хирург — начальник, и ему принадлежит последнее слово в отношении персонала, прибавок к жалованью, помещений и т.п., но на эти дела он должен тратить как можно меньше времени. Поэтому ему необходим профессиональный администратор, заботой которого будут деньги, люди, помещения, машины, и который будет контактировать с административным механизмом организации в целом. Бейкер считает, что на полный рабочий день администратор должен привлекаться лишь в случае, когда отношения с заказчиком определяют существенные юридические, контрактные, отчетные или финансовые требования к проекту. В остальных случаях один администратор может обслуживать две команды.
Редактор. Обязанность разработки документации лежит на хирурге. Чтобы она была максимально понятна, он должен писать ее сам. Это относится к описаниям, предназначенных как для внешнего, так и для внутреннего использования. Задача редактора — взять созданный хирургом черновик или запись под диктовку, критически переработать, снабдить ссылками и библиографией, проработать несколько версий и обеспечить публикацию.
Два секретаря. Администратору и редактору нужны секретари. Секретарь администратора обрабатывает переписку, связанную с проектом, а также документы, не относящиеся к продукту.
Делопроизводитель. Он отвечает за регистрацию всех технических данных бригады в библиотеке программного продукта. Он имеет секретарскую подготовку и несет ответственность за все файлы, предназначенные как для машины, так и для чтения.
Все данные для ввода в компьютер поступают делопроизводителю, который регистрирует их или вводит при необходимости с клавиатуры. Листинги вывода также поступают к нему для регистрации и хранения. Результаты самых свежих прогонов всех моделей заносятся в журнал результатов, а предыдущие хранятся в хронологическом порядке в архиве.
Жизненно важным для концепции Миллза является превращение программирования «из личного искусства в общественную деятельность» путем предоставления результатов всех прогонов всем членам команды и определения всех программ и данных, как общей собственности команды, а не чьей-то личной.
Особые обязанности, возлагаемые на делопроизводителя, освобождают активных программистов от рутинных работ, систематизируют и обеспечивают надлежащее выполнение тех рутинных операций, которыми часто пренебрегают, и приближают главное, для чего работает команда — ее программный продукт. Ясно, что предложенная концепция предполагает прогон пакетных заданий. Если используются интерактивные терминалы, в особенности без возможности печати, функции делопроизводителя не сокращаются, но претерпевают изменения. В этом случае он ведет учет всех изменений, вносимых в общий экземпляр программы из личных копий, осуществляет прогон всех пакетных заданий и со своего терминала осуществляет контроль целостности и работоспособности увеличивающегося в размерах продукта.
Глубокий оптимизм программистов заслуживает более серьезного изучения. Дороти Сэйерс (Dorothy Cayers) в своей превосходной книге «Разум творца» (“The Mind of the Maker”) выделяет в творческой деятельности три стадии: замысел, реализацию, взаимодействие. Соответственно, книга, компьютер или программа сначала возникают как идеальное построение, существующее не во времени и пространстве, а лишь в мозгу своего создателя. Реализация же во времени и пространстве происходит с помощью пера, чернил, бумаги, либо — проводов, кремния и феррита. Творение будет завершено, когда кто-либо прочтет книгу, воспользуется компьютером или запустит программу, тем самым вступив во взаимодействие с разумом их создателя.
Это описание используемое Сэйерс для освещения не только творческой деятельности человека, но и христианского догмата Троицы, поможет нам в нашей текущей задаче. Для человека, который что-то создает, неполнота и противоречивость идей выявляются только при их реализации. Поэтому для теоретика изложение на бумаге, экспериментирование, изготовление является неотъемлемыми частями творческого процесса.
Во многих видах творческой деятельность материал с трудом поддается обработке. Дерево колется, краски пачкаются, электрические цепи «звенят». Эти физические ограничения сужают круг идей, которые могут быть выражены, а также создают неожиданные трудности при реализации.
Реализация, таким образом, требует сил и времени как из-за физического материала, так и ввиду неадекватности основополагающих идей. Большую часть затруднений при реализации мы склонны объяснять недостатками физического материала, поскольку он «чужд» нам — в отличие от идей, которыми мы гордимся.
При создании же программ мы имеем дело с чрезмерно податливым материалом. Программист осуществляет свои построения на основе чистого мышления — понятий и очень гибких их представлений. Поскольку материал столь податлив, мы не ожидаем трудностей при реализации, отсюда и наш глубокий оптимизм. Из-за ошибочности наших идей возникают ошибки в программах. Следовательно, наш оптимизм не имеет оправдания.
Для отдельной задачи допущение, что все буде хорошо, оказывает на график работ вероятностный эффект. Все может действительно идти по плану, поскольку есть некоторое распределение вероятности для возможной задержки и существует конечная вероятность того, что задержки не будет. Однако большой программный проект состоит из множества задач, часть из которых может быть начата только после окончания других. Вероятность того, что все задачи будут завершены в срок, бесконечно мала.
Человеко-месяц
Вторая ошибка рассуждений заключена в самой единице измерения, используемой при оценивании и планировании: человеко-месяц. Стоимость действительно измеряется как произведения числа занятых на количество затраченных месяцев. Но не достигнутый результат. Поэтому использование человеко-месяца как единицы измерения объема работы является опасным заблуждением.
Число занятых и число месяцев являются взаимозаменяемыми величинами лишь тогда, когда задачу можно распределить среди ряда работников, которые не имеют между собой взаимосвязи (рис. 2.1). Это верно, когда жнут пшеницу или собирают хлопок, но в системном программировании это далеко не так.
Если задачу нельзя разбить на части, поскольку существуют ограничения на последовательность выполнения этапов, то увеличение затрат не оказывает влияния на график (рис. 2.2). Чтобы родить ребенка требуется девять месяцев независимо от того, сколько женщин привлечено к решению данной задачи. Многие задачи программирования относятся к этому типу, поскольку отладка по своей сути носит последовательный характер.
Для задач, которые могут быть разбиты на части, но требуют обмена данными между подзадачами, затраты на обмен данными должны быть добавлены к общему объему необходимых работ. Поэтому достижимый наилучший результат оказывается несколько хуже, чем простое соответствие числа занятых и количества месяцев (рис. 2.3).
Дополнительная нагрузка состоит из двух частей — обучения и обмена данными. Каждого работника нужно обучить технологии, целям проекта, общей стратегии и плану работы. Это обучение нельзя разбить на части, поэтому данная часть затрат изменяется линейно в зависимости от числа занятых.
С обменом данными дело обстоит хуже. Если все части задания должны быть отдельно скоординированы между собой, то затраты возрастают как n(n-2)/2. Для трех работников требуется втрое больше попарного общения, чем для двух, для четырех — вшестеро. Если помимо этого возникает необходимость в совещаниях трех, четырех и т.д. работников для совместного решения вопросов, положение становится еще хуже. Дополнительные затраты на обмен данными могут полностью обесценить результат дробления исходной задачи и привести к положению, описываемому рисунком 2.4.
Поскольку создание программного продукта является по сути системным проектом — практикой сложных взаимосвязей, затраты на обмен данными велики и быстро начинают преобладать над сокращением сроков, достигаемым в результате разбиения задачи на более мелкие подзадачи. В этом случае привлечение дополнительных работников не сокращает, а удлиняет график работ.
Системное тестирование
Из всех элементов графика работ наибольшему воздействию со стороны ограничений на последовательность выполнения действий подвержены отладка компонентов и системное тестирование. Кроме того, затраты времени зависят от количества выявленных ошибок и от того, насколько они «скрытые». Теоретически, ошибок быть не должно. Из-за своего оптимизма мы обычно склонны недооценивать действительное количество ошибок. Поэтому в программировании придерживаться графиков работ обычно труднее всего при отладке.
В течение ряда лет при планировании разработки программного обеспечения я пользуюсь следующим эмпирическим правилом:
1/3 — планирование,
1/6 — написание программ,
1/4 — тестирование компонентов и предварительное системное тестирование,
1/4 — системное тестирование при наличии всех компонентов.
Это правило имеет несколько важных различий с общепринятым планированием:
1. На планирование отводится больше времени, чем обычно. И все равно этого времени едва достаточно для разработки подробных и надежных технических условий и недостаточно для проведения исследовательских работ или поиска новейших технологий.
2. Половина графика работ, отведенная на отладку законченного кода, значительно выше нормы.
3. Та часть, которую легко оценить, т.е. написание кода, занимает всего одну шестую общего времени.
Изучая проекты, график которых был составлен традиционным образом, я обнаружил, что немногие из них отводили по графику половину времени на отладку, но на практике в большинстве случаев тратили на нее половину фактического времени. Многие проекты укладывались в график на всех этапах, исключая системное тестирование.[2]
Особенно катастрофические последствия может иметь недостаток времени для системного тестирования. Поскольку задержка происходит в конечной части графика, никто не подозревает о том, что график находится под угрозой срыва вплоть до дня сдачи продукта. Плохие вести, полученные поздно и без предупреждения, обескураживают клиентов и менеджеров.
Более того, задержка на этом этапе имеет особенно тяжелые материальные и психологические последствия. Проект осуществляется при полной
укомплектованности работниками и максимальных финансовых издержках. Что важнее, программное обеспечение должно обеспечить поддержку другой деловой активности (поставки компьютеров, запуска новых производственных мощностей и т.п.), и связанные с задержкой вторичные издержки очень высоки. На практике эти вторичные издержки могут быть выше, чем все прочие. Поэтому очень важно в изначальном графике работ отвести достаточно времени для системного тестирования.
Робость в оценках
Для программиста, как и для повара, давление со стороны хозяина может определять запланированный срок завершения задачи, но не может определять время ее фактического завершения. Омлет, обещанный через две минуты, может успешно жариться, но если через две минуты он не готов, то у клиента есть две возможности: ждать еще или съесть его сырым. Тот же выбор встает и перед заказчиком программного обеспечения.
У повара есть еще одна возможность: добавить жару. В результате омлет часто оказывается безнадежно испорченным: горелым с одного края и сырым — с другого.
Я не думаю, что у менеджеров программных продуктов меньше храбрости или твердости, чем у поваров или других менеджеров в инженерных областях. Но липовые графики, нацеленные на желательную хозяину дату, встречаются здесь значительно чаще, чем в любых других инженерных областях. Очень тяжело, рискуя потерять рабочее место, с энергией и любезностью отстаивать срок, который определен без применения каких-либо количественных методов при недостатке данных и подкреплен, в основном, интуицией менеджера.
Очевидно, необходимо сделать две вещи. Мы должны получить и сделать общедоступными численные данные, характеризующие производительность, частоту программных ошибок, методы оценки и т.д. Вся отрасль может только выиграть от опубликования таких данных.
Пока методы оценивания не получат более прочной основы, менеджерам остается только мужаться и защищать свои прогнозы, утверждая, что полагаться на их слабую интуицию все же лучше, чем основываться на одних желаниях.
Действия при срыве графика
Что делают, когда важный программный проект начинает отставать от графика? Естественно, добавляют людей. Как показывают рисунки 2.1-2.4, это не всегда помогает.
Рассмотрим пример.[3] Предположим, что трудоемкость задачи оценивается в 12 человеко-месяцев, и три человека должны выполнить ее за 4 месяца, причем в конце каждого месяца имеются четыре контрольные точки A, B, C и D, в которых можно произвести измерения (рис. 2.5).
Предположим теперь, что первая контрольная точка была достигнута лишь по истечении двух месяцев. Какие альтернативы имеются у менеджера?
1. Допустим, что необходимо соблюсти срок выполнения задачи, и ошибочно оценена была только первая часть задачи, т.е. рисунок 2.6 верно отражает положение. Значит, остается 9 человеко-месяцев трудозатрат и два месяца, поэтому понадобится 4Ѕ человека, и к троим имеющимся нужно добавить еще двоих.
2. Допустим, что необходимо соблюсти срок выполнения задачи, и одинаково занижена была вся оценка , т.е. положение соответствует рисунку 2.7. Значит, остается 18 человеко-месяцев трудозатрат и два месяца, поэтому понадобится 9 человек. К троим имеющимся нужно добавить еще шестерых.
3. Изменить график. Мне нравится замечание, сделанное П. Фаггом (P. Fagg), опытным инженером по вычислительной технике: «Маленьких задержек не бывает». Это означает, что в новом графике должно быть достаточно времени, чтобы работа была исполнена тщательно и полностью, и не пришлось бы вновь переделывать график.
4. Сократить задачу. На практике этим всегда и кончается, когда команда обнаруживает, что не укладывается в график. Когда очень высоки вторичные издержки, это единственное, что можно сделать. Менеджеру предоставляется возможность официально и аккуратно сократить задачу, изменить график, либо наблюдать, как задача молча урезается при поспешном изменении проекта и неполном тестировании.
В первых двух случаях настаивать на том, чтобы задача в неизменном виде была выполнена за четыре месяца, чревато катастрофой. Рассмотрим, к примеру, восстановительный эффект первой альтернативы (рис. 2.8). Двое новых работников, какими бы знающими они ни были, и как бы быстро не удалось их найти, должны изучить задачу с помощью одного из опытных разработчиков. Если для этого потребуется месяц, то 3 человеко-месяца будут потрачены на работу, которая не учитывается в исходной оценке. Кроме того, задача, разбитая первоначально на три потока, должна быть теперь перекроена на пять частей. Поэтому часть уже сделанной работы будет потеряна, а системное тестирование нужно будет продлить. В результате в конце третьего месяца останется работы существенно больше, чем на 7 человеко-месяцев, а в распоряжении будет 5 подготовленных человек и один месяц. Согласно рисунку 2.8 продукт будет запаздывать так же, как если бы ни одного человека не было добавлено (см. рис. 2.6).
Если рассчитывать управиться за четыре месяца с учетом только времени обучения, но не перераспределения задач и дополнительного системного тестирования, то в конце второго месяца потребуется добавить 4, а не 2 человека. Чтобы компенсировать воздействие перераспределения задач и системного тестирования, потребуются еще новые люди. Теперь, однако, команда состоит не из 3, а, по крайней мере, 7 человек, и такие вопросы, как организация команды и распределение задач приобретают новый качественный уровень.
Обратите внимание, что к концу третьего месяца дело выглядит весьма мрачно. Несмотря на все административные усилия контрольная точка, намеченная на 1 марта, не достигнута. Возникает сильный соблазн повторить цикл, добавив еще людей. Это безумное решение.
В предшествующих рассуждениях предполагалось, что только первая контрольная точка была неверно рассчитана. Если 1 марта сделать консервативное предположение, что весь график был излишне оптимистичен, как отражено на рисунке 2.7, требуется добавить 6 человек к исходной задаче. Расчет воздействия обучения, перераспределения задач и системного тестирования предоставляется сделать читателю в качестве упражнения. Нет сомнений, что при попытке уложиться в срок в итоге получится худший продукт, чем при изменении графика и сохранении первоначальных троих человек без усиления.
Крайне упрощая, сформулируем Закон Брукса:
Если проект не укладывается в сроки, то добавление рабочей силы задержит его еще больше.
Это развенчивает миф о человеко-месяце. Продолжительность осуществления проекта зависит от ограничений, накладываемых последовательностью работ. Максимальное количество разработчиков зависит от числа независимых подзадач. Эти две величины позволяют получить график работ, в котором будет меньше занятых разработчиков и больше месяцев. (Единственная опасность заключается в возможном устаревании продукта.) Нельзя, однако, составить работающие графики, в которых занято больше людей и требуется меньше времени. Программные проекты чаще проваливаются из-за нехватки календарного времени, чем по всем остальным причинам вместе взятым.
Эти исследования выявили большие индивидуальные различия в производительности между лучшими и худшими работниками, часто на порядок величин.
САКМАН, ЭРИКСОН И ГРАНТ[1]
На встречах компьютерных специалистов можно постоянно слышать утверждения молодых менеджеров программных проектов, что им предпочтительней небольшие деятельные команды первоклассных специалистов, чем проекты, в которых участвуют сотни программистов, что подразумевает их средний уровень. И всем нам тоже.
Такое наивное представление альтернатив уходит от решения сложной задачи — как создавать большие системы в разумные сроки? Рассмотрим этот вопрос более подробно со всех сторон.
Проблема
Менеджеры программных проектов давно поняли, что хорошие и плохие программисты очень сильно различаются между собой по производительности. Однако реально измеренные величины поразительны. В одном из исследований Сакман (Sackman), Эриксон (Erikson) и Грант (Grant) измеряли производительность труда в группе опытных программистов. Внутри одной лишь этой группы соотношение между лучшими и худшими результатами составило примерно 10:1 по производительности труда и 5:1 по скорости работы программ и требуемой для них памяти! Короче, программист, зарабатывающий 20 тысяч долларов в год, может быть в десять раз продуктивнее программиста, зарабатывающего 10 тысяч долларов. Правда, возможно и обратное. Полученные данные не выявили какой-либо корреляции между стажем работы и производительностью. (Я не уверен, что это всегда справедливо.)
Выше я доказал, что само число разработчиков, действия которых нужно согласовывать, оказывает влияние на стоимость проекта, поскольку значительная часть издержек вызвана необходимостью общения и устранения отрицательных последствий разобщенности (системная отладка). Это также наводит на мысль, что желательно разрабатывать системы возможно меньшим числом людей. Действительно, опыт разработки больших программных систем, как правило, показывает, что подход с позиций грубой силы влечет удорожание, замедленность, неэффективность, а создаваемые в результате системы не являются концептуально целостными. Список, иллюстрирующий это, бесконечен: OS/360, Exec 8, Scop 6600, Multics, TSS, SAGE и другие.
Вывод прост: если над проектом работают 200 человек, включая менеджеров, являющихся наиболее знающими и опытными программистами, увольте 175 бойцов, и пусть менеджеры снова займутся программированием.
Давайте рассмотрим это решение. С одной стороны, ему не удается приблизиться к идеалу небольшой активной команды, в которой, по общему признанию, должно быть не более 10 человек. Поэтому размер бригады предполагает наличие как минимум двух уровней управления, или около пяти менеджеров. Потребуются дополнительны финансовые расходы, сотрудники, место для работы, секретари и операторы машин.
С другой стороны, исходная команда из 200 человек имела численность, недостаточную для создания действительно крупных систем методом грубой силы. Рассмотрим, к примеру, OS/360. Одно время в ее создании было занято больше 1000 человек — программистов, составителей документации, операторов, клерков, секретарей, менеджеров, вспомогательных групп и т.д. С 1963 по 1966 год на ее проектирование, реализацию и написание документации было затрачено, вероятно, около 5000 человеко-лет. Если бы строго соблюдалась пропорция между количеством занятых и продолжительностью работ, нашей предполагаемой команде из двухсот человек потребовалось бы 25 лет, чтобы довести продукт до сегодняшнего уровня!
В этом и состоит изъян идеи маленькой активной команды: для создания по-настоящему крупных систем ей потребуется слишком много времени. Посмотрим, как разработка OS/360 осуществлялась бы маленькой активной командой, допустим, из 10 человек. Положим, что они в семь раз более продуктивны средних программистов (что далеко от истины). Допустим, что уменьшение объема общения благодаря малочисленности команды позволило еще в семь раз повысить производительность. Допустим, что на протяжении всего проекта работает одна и та же команда. Таким образом, 5000/(10*7*7)=10, т.е. работу в 5000 человеко-лет они выполнят за 10 лет. Будет ли продукт представлять интерес через 10 лет после начала разработки или устареет благодаря стремительному развитию программных технологий?
Дилемма представляется жестокой. Для эффективности и концептуальной целостности предпочтительнее, чтобы проектирование и создание системы осуществили несколько светлых голов. Однако для больших систем желательно поставить под ружье значительный контингент, чтобы продукт мог увидеть свет вовремя. Как можно примирить эти два желания?
Предложение Миллза
Предложение Харлана Миллза дает свежее и творческое решение[2,3]. Миллз предложил, чтобы на каждом участке работы была команда разработчиков, организованная наподобие бригады хирургов, а не мясников. Имеется в виду, что не каждый участник группы будет врезаться в задачу, но резать будет один, а остальные оказывать ему всевозможную поддержку, повышая его производительность и плодотворность.
При некотором размышлении ясно, что эта идея приведет к желаемому, если ее удастся осуществить. Лишь несколько голов занято проектированием и разработкой, и в то же время много работников находится на подхвате. Будет ли такая организация работать? Кто играет роль анестезиологов и операционных сестер в группе программистов, а как осуществляется разделение труда? Чтобы нарисовать картину работы такой команды с включением всех мыслимых видов поддержки, я позволю себе вольное обращение к метафорам.
Хирург. Миллз называет его главным программистом. Он лично определяет технические условия на функциональность и эксплуатационные характеристики программы, проектирует ее, пишет код, отлаживает его и составляет документацию. Он пишет на языке структурного программирования, таком как PL/I, и имеет прямой доступ к компьютерной системе, на которой не только производится отладка, но и сохраняются различные версии его программ с возможностью легкой модификации файлов, а также осуществляет редактирование документации. Он должен обладать большим талантом, стажем работы свыше десяти лет и существенными знаниями в системных и прикладных областях, будто прикладная математика, обработка деловых данных или что-либо иное.
Второй пилот. Это второе «я» хирурга, может выполнять любую его работу, но менее опытен. Его главная задача — участвовать в проектировании, где он должен думать, обсуждать и оценивать. Хирург испытывает на нем свои идеи, но не связан его предложениями. Часто второй пилот представляет свою бригаду при обсуждении с другими группами функций и интерфейса. Он хорошо знает весь код программы. Он исследует возможности альтернативных стратегий программирования. Он, очевидно, подстраховывает на случай какой-либо беды с хирургом. Он может даже заниматься написанием кода, но не несет ответственности за какую-либо его часть.
Администратор. Хирург — начальник, и ему принадлежит последнее слово в отношении персонала, прибавок к жалованью, помещений и т.п., но на эти дела он должен тратить как можно меньше времени. Поэтому ему необходим профессиональный администратор, заботой которого будут деньги, люди, помещения, машины, и который будет контактировать с административным механизмом организации в целом. Бейкер считает, что на полный рабочий день администратор должен привлекаться лишь в случае, когда отношения с заказчиком определяют существенные юридические, контрактные, отчетные или финансовые требования к проекту. В остальных случаях один администратор может обслуживать две команды.
Редактор. Обязанность разработки документации лежит на хирурге. Чтобы она была максимально понятна, он должен писать ее сам. Это относится к описаниям, предназначенных как для внешнего, так и для внутреннего использования. Задача редактора — взять созданный хирургом черновик или запись под диктовку, критически переработать, снабдить ссылками и библиографией, проработать несколько версий и обеспечить публикацию.
Два секретаря. Администратору и редактору нужны секретари. Секретарь администратора обрабатывает переписку, связанную с проектом, а также документы, не относящиеся к продукту.
Делопроизводитель. Он отвечает за регистрацию всех технических данных бригады в библиотеке программного продукта. Он имеет секретарскую подготовку и несет ответственность за все файлы, предназначенные как для машины, так и для чтения.
Все данные для ввода в компьютер поступают делопроизводителю, который регистрирует их или вводит при необходимости с клавиатуры. Листинги вывода также поступают к нему для регистрации и хранения. Результаты самых свежих прогонов всех моделей заносятся в журнал результатов, а предыдущие хранятся в хронологическом порядке в архиве.
Жизненно важным для концепции Миллза является превращение программирования «из личного искусства в общественную деятельность» путем предоставления результатов всех прогонов всем членам команды и определения всех программ и данных, как общей собственности команды, а не чьей-то личной.
Особые обязанности, возлагаемые на делопроизводителя, освобождают активных программистов от рутинных работ, систематизируют и обеспечивают надлежащее выполнение тех рутинных операций, которыми часто пренебрегают, и приближают главное, для чего работает команда — ее программный продукт. Ясно, что предложенная концепция предполагает прогон пакетных заданий. Если используются интерактивные терминалы, в особенности без возможности печати, функции делопроизводителя не сокращаются, но претерпевают изменения. В этом случае он ведет учет всех изменений, вносимых в общий экземпляр программы из личных копий, осуществляет прогон всех пакетных заданий и со своего терминала осуществляет контроль целостности и работоспособности увеличивающегося в размерах продукта.