모듈화, 응집도 , 결합도

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모듈화, 응집도, 결합도

 

I. 효과적인 프로그램 구성을 지원하는 모듈화의 개요

가. 모듈화의 정의(Modularity)

- 프로그램을 분해하고 추상화하여 소프트웨어의 성능을 향상시키거나, 프로그램의 시험, 통합 및 수정을 용이하게 하는 설계 및 구현 기법

나. 모듈화의 원리

구분	설명
분할과 지배 (Divide & Conquer)	- 복잡한 문제를 분해, 모듈 단위로 문제 해결
정보 은폐	- 어렵거나 변경 가능성이 있는 모듈 타 모듈로부터 은폐
자료 추상화	- 각 모듈 자료구조를 액세스하고 수정하는 함수 내에 자료 구조의 표현 내역을 은폐
모듈의 독립성	- 낮은 결합도와 높은 응집도를 가짐

다. 모듈의 특징

구분	설명	효과
비즈니스 측면	- 비즈니스 집중화 및 확장성 증가	- 비즈니스 변경사항에 대한 반영을 효율적으로 대처
관리적 측면	- 비즈니스 구현 기능이 구조적, 체계적으로 존재함으로 관리 수월	- 소프트웨어 개선, 유지보수 등에 소요되는 시간 및 비용 절감
기술적 측면	- 중복 기능 방지 및 재사용성 효율 증대	- 모듈의 컴포넌트화

라. 모듈화의 장점

- 프로그램의 효율적인 관리 및 성능향상

- 전체적인 소프트웨어 이해의 용이성 증대 및 복잡성 감소

- 소프트웨어 시험, 통합, 수정 시 용이성 제공

- 기능의 분리가 가능하고 인터페이스가 단순

- 오류 파급효과 감소

- 모듈의 재사용성 증대로 개발 및 유지보수 용이

 

마. 모듈화의 필요성

구분	설명
개발 측면	- 복잡도 감소로 프로그램 개발의 용이성, 시험, 통합 용이성 요구
유지보수 측면	- 프로그램 재사용을 통한 유지보수 용이성 요구
성능/비용 측면	- 오류 파급효과 최소화, 단위당 프로그램 개발 노력/비용 최소화 요구

II. 모듈화의 개념도 및 주요특성과 모듈화 기법

가. 모듈화의 개념도

1) 소프트웨어의 문제영역에서 시스템의 독립적인 부분으로 분활

2) 복잡한 문제를 작고 간결한 문제로 나누어 해결

3) 문제가 내포하는 특성을 고려하여 각 기능단위로 분할처리

나. 모듈화의 주요 특성

구분	설명	비고
모듈성 (Modularity)	- 프로그램을 효율적으로 관리할 수 있도록 하는 소프트웨어의 특성으로 시스템 분해 및 추상화를 통해 소프트웨어 성능 향상을 위한 적합한 프로그램 단위
응집도 (Cohesion)	- 모듈의 독립성을 나타내는 개념으로 하나의 모듈 내부 처리 요소들간에 기능적 연관도를 측정하는 척도	높을수록 좋음
결합도 (Coupling)	- 소프트웨어 구조에서 모듈 간 연관성을 측정하는 척도	낮을수록 좋음

 

다. 모듈화 기법의 종류 및 개념

구분	기법	내용 및 개념
설계	Module (Function)	- 설계 시 관련이 있는 기능을 모아 한 부분에 - 모아놓고 library 형태로 사용
	컴포넌트	- 바이너리형태의 재사용 가능한 형태로 - 인터페이스에 의해 로직을 수행 할 수 있는 모듈단위
	서비스	- 기존 컴포넌트 보다는 Loosely –coupled 한 형태의 기능을 제공하는 모듈단위
구현	Macro	- 프로그램 구현 시 반복되는 부분을 특정 이름을 - 부여하고 이름을 호출하여 실행할 수 있도록 하는 프로그래밍 기법. 단, 전 처리기는 macro가 사용된 모든 곳에 코드를 대체해 놓음
	Function	- 프로그램 구현 시 커다란 프로그램의 일부 코드로 - 특정한 작업을 수행하고 상대적으로 다른 코드에 비해 독립적인 모듈
	Inline	- 프로그램 구현 시 반복되는 부분을 특정 이름을 - 부여해 놓고 이름을 호출하여 실행 할 수 있도록 하는 프로그램 기법.단, 컴파일러는 이 inline이 사용된 모든 곳에 코드를 복사해 놓음

III. 모듈화와 개발 비용과의 관계

가. 소프트웨어 개발 단계별 모듈화와 개발 비용과의 관계

프로세스	모듈성	비용 요소와의 관계
분석	- 요구기능과 프로세스 모델링의 추상화 수준	- 요구도출, 검증 비용, 설계단계 생산성의 기반
설계	- 아키텍처 구성요소 정의수준과 관계의 복잡성	- 설계의 복잡성, 인터페이스 유연성, 구현 용이성
개발	- 프로시저, 객체, 컴포넌트, 서비스, 분리 기준	- 개발영역 분할과 개발자간 의사소통 노력
테스트	- 시스템, 서브 시스템, 모듈, 인터페이스	- 시스템 통합 및 테스트 비용
유지보수	- 모듈간 자료공유도, 모듈내의 응집도	- SW의 이해와 변경의 노력

나. 소프트웨어의 모듈성과 개발 비용간의 상관관계 그래프

- 모듈의 세분도가 증가 할수록 모듈당 비용은 감소하지만 인터페이스 비용은 증가하게 되므로 적정 수준의 모듈성 유지

 

IV. 모듈화의 주요특성, 응집도 (Cohesion) 및 결합도 (Coupling)

가. 소프트웨어 응집도(Cohesion)의 정의

- 정보은닉 개념의 확장개념으로, 하나의 모듈은 하나의 기능을 수행하는 집적성을 지칭함

- 모듈의 독립성을 나타내는 개념으로 모듈내부 구성원간의 연관도

나. 소프트웨어 응집도(Cohesion)의 단계

응집도	설명	낮음       높음 응집도는 높을수록 좋음
우연적	- 아무 관련성 없는 작업을 한 모듈에서 모음
논리적	- 유사한 성격의 작업들을 모음
시간적	- 같은 시간대에 처리되어야 하는 것들을 모음
절차적	- 모듈진행 요소들이 서로 관계되어지고 순서대로 진행
통신적	- 동일한 입, 출력 자료를 이용하여 서로 다른 기능을 수행하는 기능
순차적	- 작업의 결과가 다른 모듈의 입력자료로 사용
기능적	- 하나의 기능만 수행하는 모듈

다. 소프트웨어 결합도(Coupling)의 정의

- 모듈내부가 아닌 외부의 모듈과의 연관도(모듈간의 상호연관도)

- 소프트웨어 구조에서 모듈간의 관련성을 측정하는 척도

라. 소프트웨어 결합도(Coupling)의 단계

결합도	단계	낮음     높음 결합도는 낮을수록 좋음
자료	- 모듈들이 간단히 변수를 파라미터로 교환
스템프	- 모듈 사이에 자료구조 교환
제어	- 제어용 신호를 주고 받음
외부	- 모듈들이 소프트웨어의 외부환경과 연관 되는 경우
공통	- 많은 모듈들이 전역변수를 참조할 때 발생
내용	- 한 모듈이 다른 모듈의 내부자료나 제어정보를 사용

마. 결합도의 특징

- 서로 다른 상위 모듈에 의해 호출되어 처리 상 연관성이 없는 서로 다른 기능수행

- 자료전달이 인터페이스를 통과하므로 인터페이스복잡성에 의존적임

- 가능한 낮은 결합도가 복잡성을 감소시킴 (loosely coupled)

- 에러발생시 오류가 전파되어 다른 오류의 원인이 되는 리플 효과 (Ripple)를 최소화 해야 함.

 

 

 

 

 

 

 

V. 모듈화 개념의 진화 및 모듈과 컴포넌트의 비교

가. 모듈화 개념의 진화

- 모듈화는 기존 소스 코드부터 비즈니스 서비스를 제공하는 SOA의 서비스 레벨까지 진화했으며, 재사용 단위 및 규모가 증가 하고 있음

 

나.  모듈과 컴포넌트의 차이

구분	컴포넌트	모듈
정의	- 특정 기능 수행을 위한 독립적, 조립적 수행 가능한 SW 단위	- 시스템을 분해하고 추상화하여 SW성능을 향상 시키고, 시스템 의 디버깅, 시험, 수정 등을 용이 하게 하는 SW 설계기법 - - SW 유지보수 시에 편리
사용성	- 독자적으로 사용자에게 특정 서비스를 제공할 수 있음	- 다른 모듈과의 통합 및 연계에 의해서만 가치 있는 서비스 가능 - 모듈 + 모듈
서비스	- 다른 컴포넌트와의 인터페이스를 이루면서 하나의 독립 어플케이션으로 서비스 가능	- 여러 개의 모듈이 조합하여 어플리케이션을 구성하여 서비스 가능한 형태
이 기종 호환	- 플랫폼 혹은 구현 기능 독립적	- 플랫폼 및 구현기술에 종속적
응용형태	- 분산 어플리케이션	- 단일 어플리케이션
재사용방식	- 실행 코드 기반	- 주로 Source 기반
개발방식	- 객체지향, CBD 개발방법론	- 모듈화를 프로그래밍 기법 적용 - 정보공학, 구조적 개발방법론이 해당됨

 

 

VI. 효율적인 모듈화 추진 방안 및 고려사항

가. 모듈화 향상을 위한 비용 효율적인 프로젝트 추진 방안

단계	주요 활동	기법
기획	- 수학적 및 경험적 기반의 소프트웨어 규모 산정 - 프로젝트 수행 방법론 및 모듈성 평가 방법 정의	- Function Point, Delphi Method, Matrix 기법, Spreadsheet
분석	- 기능적으로 세분화된 Use Case 도출	- UML, Interview, - Quality Matrix
설계	- 초기 SW 구조 평가, 모듈성 개선 - 인터페이스 복잡성, 중복성 절감, 일관성 확보	- Fan-out 최소화, - Fan-in 최대화, - 추상화, 캡슐화, 다형성
구현	- 모듈 내 분기의 적절성, 코드 크기의 적합성 평가	- MDA, SCA 등
시험	- 모듈 중심의 테스트케이스 설계 및 테스트 수행	- Test Harness, - Mutation Test
운용	- 비효율적 모듈의 재구성 및 완전성 확보	- 재구조화, 재공학, - 순공학

나. 모듈화의 고려사항

- 초기 프로그램의 구조를 평가하여 결합도를 줄이고 응집도를 개선

- 높은 Fan-out를 가진 구조를 최소화하고 깊이가 증가할수록 Fan-in 노력

- 모듈의 제어영역 안에서 그 모듈의 영향영역을 유지함

- 모듈 인터페이스를 평가하여 복잡성과 중복성을 줄이고 일관성을 개선

- 기능이 예측 가능한 모듈을 정의하되 지나치게 제한적인 모듈은 피함       “끝”

 

 

프로그래밍 언어 수준에서 제공되는 모듈화 기법으로 macro, function(subroutine), inline 등을 들 수 있다. 이들 각각의 개념을 공통점, 차이점, 장•단점 위주로 성명하고, 임베디드 소프트웨어 개발 환경에서의 활용 지침을 제안하시오.

조직 90회 2교시

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1. S/W개발의 모듈화 기법의 개요 및 개념

가) S/W 개발에서의 모듈화 기법의 개념

(1) 모듈화의 개념

- 시스템을 분해하고 추상화하여 소프트웨어의 성능을 향상시키거나 시스템의 디버깅, 시험, 통합 및 수정을 용이하도록 하는 소프트웨어 설계 및 구현 기법

 

(2) 모듈화의 장점

- 프로그램의 효율적인 관리 및 성능향상 - 전체적인 소프트웨어 이해의 용이성 증대 및 복잡성 감소 - 소프트웨어 시험, 통합, 수정 시 용이성 제공

- 기능의 분리가 가능하고 인터페이스가 단순 - 오류의 파급 효과를 최소화 - 모듈의 재사용 가능으로 개발과 유지보수가 용이

 

나) 모듈화 기법의 종류 및 개념

구분	모듈화 기법	내용 및 개념
설계	Module (Function)	- 설계 시 관련 있는 기능을 모아 한 부분 (함수 또는 클래스 등)에 모아 놓고 이를 Library 형태로 사용
	컴포넌트	- 바이너리 형태의 재사용 가능한 형태로 인터페이스에 의해 로직을 수행할 수 있는 모듈 단위
	서비스	- 기존 컴포넌트보다는 Loosely – coupled 한 형태의 기능을 제공하는 모듈 단위
구현	macro	- 프로그램 구현 시 반복되는 부분을 특정 이름을 부여해 놓고 이름을 호출하여 실행할 수 있도록 하는 프로그래밍 기법 - 단, 전처리기는 macro가 사용된 모든 곳에 코드를 대체해 놓음
	Function	- 프로그램 구현 시 커다란 프로그램의 일부 코드로, 특정한 작업을 수행하고 상대적으로 다른 코드에 비해 독립적인 모듈
	Inline	- 프로그램 구현 시 반복되는 부분을 특정 이름을 부여해 놓고 이름을 호출하여 실행 할 수 있도록 하는 프로그램 기법 - 단, 컴파일러는 이 inline이 사용된 모든 곳에 코드를 복사해 놓음

 

 

2. 모듈화 기법 중 macro, function, inline의 특징 및 공통점, 차이점, 장단점

가) macro, function, inline의 특징 및 사용 사례

[표-2] macro, function, inline의 특징 및 사용사례 (C/C++ 기준)

구분	특징	사용사례
macro	- 임의의 문자열에 이름을 정의했다가 필요한 곳에서 정의된 이름으로 문자열을 치환 - 프리프로세서(preprocessor)에 의하여 정의된 문자열로 치환되었다가 번역시간에 내부코드를 생성 - 프로그램 실행 중에 값이 변하지 않는 상수 또는 복잡한 문자열을 간단하게 이해하기 쉽도록 표현하기 위하여 사용 - 매크로의 매개변수는 주로 수식이나 문 함수(statement function)와 같은 성질의 문자열을 치환할 때 사용	#define macro_name string #define MAX_SIZE 100 #define MIN(a, b) (a<b) ? a : b
Function	- 특정한 작업을 수행하는 프로그램의 부분단위로 Call을 위한 이름을 갖음 - 매개변수를 통하여 함수에서 처리할 데이터를 다양한 방법 (Call by Value, Call by Reference 등)으로 전달할 수 있음 - 정해진 처리를 한 후 결과 값을 반환할 수 있음 - 함수의 실행을 완료하면 그 함수를 호출한 곳으로 복귀	void function_name( arg1, arg2, …)
inline	- 함수 호출 위치에 함수의 처리 문장이 삽입되어 컴파일되는 함수 - 함수를 사용함으로써 얻을 수 있는 모듈화의 장점을 살리면서, 함수 호출과정에서 소비되는 부수적인 처리시간을 줄일 수 있음 - 매우 빈번히 호출되어 빠른 실행이 요구되는 함수를 inline 함수로 지정 - 컴파일러에 의해 다음과 같은 경우라면 일반함수로 번역 1. 함수가 너무 큰 경우 2. 순환 호출하는 경우 3. 프로그램 내에서 그 함수에 대한 포인터를 사용하는 경우	Inline int max (arg1, arg2) { .. }

- 프로그래밍 언어에 따른 노테이션의 차이는 존재하지만 위와 같은 개념을 유사하게 지원함.

 

나) macro, function, inline의 공통점, 차이점, 장단점

 

[표-3] macro, function, inline의 공통점, 차이점, 장단점

구분	macro	function	inline
공통점	- 반복되는 작업을 독립시켜 하나의 모듈로 작성하여 놓은 것
차이점	- 매크로의 호출문은 전처리기(프리프로세서)에 의해 정의된 문자열로 치환됨	- 함수의 호출문은 컴파일러에 의해 번역시간에 모두 내부코드로 전환	- 기존 C언어의 Macro 대신 쓰고자 허용 (type checking, no side effect의 장점을 가짐) - 매크로는 전처리기에 의해 처리 되지만 인라인 함수는 컴파일러에 의해 처리됨 - - 함수 자체가 메모리로 들어감.
장점	- 번역시간에 내부코드를 생성하기 때문에 함수에 비하여 프로그램 실행시간이 빠름 -> 간단한 문자열 치환에 사용하는 것이 효율적	- 프로그램의 여러 곳에서 반복적으로 사용되는 기능을 함수로 정의하면 동일한 코드를 중복하여 작성하지 않아도 됨 (저장공간 절약) - 의미 있는 작업 단위로 모듈화하여 프로그램을 분할 작성함으로써, 간결하고 이해하기 쉬운 프로그램 작성 가능	- 속도 향상 (일반 함수보다 빠름) - MACRO와 같은 efficiency를 보여주지만 컴파일러에 의해서 수행됨. 따라서 디버깅이 쉽고 그냥 함수처럼 정의하면 되기 때문에 구현이 쉬우면서 type을 정의할 수 있음.
단점	- 계속된 호출은 코드를 반복하여 치환하기 때문에 프로그램의 크기가 확장됨 - 메모리 사용이 많아질 수 있음	- 함수 호출 및 복귀 과정에서 처리 시간이 추가됨 - 실행이 느림	- 함수가 너무 크거나 복잡한 경우 인라인으로 정의하면 일반함수로 취급 - 프로그램 내에서 그 함수의 포인터를 사용하지 못함 (컴파일 타임 고려)

 

3. 임베디드 S/W 개발환경에서의 모듈화 기법 적용 및 활용지침

가) 임베디드 S/W 개발환경에서의 모듈화 기법 적용 전략

[그림-1] 임베디드 S/W 개발환경에서의 모듈화 기법 적용 전략

 

- 자원의 한계 및 도메인 요구사항에 맞는 모듈화 기법 적용이 필요

 

나) 임베디드 S/W 개발환경에서의 모듈화 기법 활용 지침

[표-4] 임베디드 S/W 개발환경에서의 모듈화 기법 활용지침

구분	기법	활용지침
실행시간(속도)  최적화	인라인 함수 사용	- C++에서는 모든 함수에 inline 키워드를 선언할 수 있다. - 일반적인 함수 호출에는 리턴 어드레스와 파라미터들이스택에 푸시되고 팝되는 과정이 수반되지만 - 인라인 함수가 사용되면 호출에 따른 이런 부수적인 처리들이 생략된다. - 그러나 인라인 함수는 사용(호출)되는 회수에 비례해서실행 파일의 크기가 늘어난다
	간접 함수 호출 (참조테이블 최적화)	- Switch Case 문에서 Case 문의 빈도를 알기 어려울 경우 Switch 문 자체를 간접함수 호출 형태로 변경
	적절한 전역변수 사용	- 함수에 파라미터를 전달하는 것보다 전역 변수를 사용하는 것이 함수 호출에 따른 오버헤드를 줄일 수 있어 효율적이다. - 그러나 전역 변수의 사용은 일반적인 소프트웨어 개발론에서 극단적으로 피해야 될 방법이다. 함수 단위의 모듈화를 불가능하게 만들며 재진입 가능한 함수의 구현 역시 불가능해진다. - 절충안은 클래스의 구현을 통해 전역 변수의 효과를 얻는 방법이다. 공유되는 데이터를 클래스 안으로 숨기고 이 데이터에 접근해야 되는 관련 함수들을 클래스 메소드로 구현한다.
코드 크기 최적화	표준라이브러리 미사용	- 모듈의 대명사인 표준 C/C++ 라이브러리를 사용하지 않는 것이다. - 무겁고 쓸데없는 라이브러리가 포함되기 때문에 포함시키지 않고 스몰 라이브러리 형태로 사용
	스택 사용 줄이기	- 함수 사용을 통해 중복된 코드 또는 기능을 수행하여 스택 (메모리) 사용량 줄이기

- 임베디드 시스템 개발에서는 크기 최적화를 통해 작은 크기의 실행 파일을 생성하는 것이 더 유리

- 인라인 함수의 적절한 사용 및 함수 구현을 통한 중복코드 제거를 통해 임베디드 S/W 개발을 좀 더 효율적으로 진행 할 수 있음.  “끝”