Seminar "Komplexität und Software" im WS 2002/2003

Studierende im Studiengang Informatik, Hauptstudium

Komplexität ist nicht ohne Grund ein Modewort: Immer komplexere technische und soziale Systeme entstehen, und die wissenschaftliche Erforschung der Komplexität hat in den letzten 50 Jahren stark an Bedeutung gewonnen.

Im Alltag bezeichnen wir Systeme als komplex, die wir nicht oder nur mit großem Aufwand verstehen.

Verständlichkeit ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal von Dokumenten und technischen Systemen: Verständliche Dokumente sind fehlerärmer und übermitteln die Botschaft des Autors effektiver. Verständliche technische Systeme haben weniger unvorhergesehene Wirkungen, sind besser wartbar und erweiterbar.

Ziel des Seminars ist es, mehr Klarheit darüber zu gewinnen, was Software leicht oder schwer verständlich macht. Dazu wird zunächst untersucht, was "Verstehen" bedeutet. Dann werden einige Systeme betrachtet, an denen sich der Zusammenhang zwischen Systemstruktur und Verständlichkeit besonders gut studieren lässt. Auf dieser Grundlage werden schließlich Ansätze zur Bewertung und Verbesserung der Verständlichkeit von Software diskutiert.

Allgemeine Lernziele:

• Lesen wissenschaftlicher Arbeiten,
• Verfassen einer wissenschaftlichen Arbeit,
• Vorbereiten und Halten eines Vortrags,
• Diskutieren von Vorträgen.

• Diskutieren verschiedener Sichten auf Verstehen, Verständlichkeit und Komplexität von Software und anderen Systemen,
• Erstellen verständlicher Texte, Software-Entwürfe und Programme durch Kenntnis von Merkmalen der Komplexität,
• Einblick in einen wichtigen wissenschaftlichen Trend und das Denken einiger der bedeutendsten Wissenschaftler.

• Die inhaltliche Gestaltung, die Betreuung und die Moderation der Seminare wird von zwei Mitarbeitern des Lehrstuhls Software-Systemtechnik vorgenommen: Andreas Noack und Dirk Beyer.
• In der Vorbesprechung werden die Themen kurz erläutert, an die Teilnehmer vergeben und die Vortagstermine festgelegt.

Die Betreuer geben Hinweise zu Literaturrecherche, schriftlicher Ausarbeitung, Vortragstechniken und Zeitmanagement.
• Jeder Seminarteilnehmer beginnt spätestens 6 Wochen vor seinem Vortragstermin mit dem Literaturstudium zu seinem Thema.
• 2 Wochen vor dem Vortragstermin wird die schriftliche Ausarbeitung (ca. 10 Seiten) beim Betreuer abgegeben. Die Ausarbeitung besteht aus den folgenden Gliederungsteilen: Titelseite mit Zusammenfassung (max. 10 Zeilen), 1. Einleitung (thematische Einführung, Überblick über die bearbeitete Literatur), 2. Hauptteil (detaillierte Ausführung zum Seminarthema, wird weiter untergliedert), 3. Schlussfolgerungen (die wichtigsten Punkte, ggf. offene Fragen), 4. Literaturverzeichnis. Eine pdf-Version der Ausarbeitung wird nach dem Vortrag auf dieser Web-Seite für alle anderen Seminarteilnehmer bereitgestellt.
• In der letzten Woche vor dem Seminar-Vortrag wird das Vortragskonzept (falls Folien verwendet werden, die Vortragsfolien) mit dem Betreuer besprochen. Die Dauer des Vortrags soll 45 Minuten betragen. Der Vortrag muss nicht auf Folien-Projektion basieren.
• Scheinkriterium für den Seminarschein: Abgabe einer akzeptierten schriftlichen Ausarbeitung, Halten eines Vortrags, Teilnahme an der Diskussion der Vorträge der anderen Seminarteilnehmer.
• Hinweise für die Ausarbeitungen zum Seminar.

• Vorbesprechung: Dienstag, 8.10.2002, 2. Block, 9:15-10:45 Uhr, EHS 213, Dirk Beyer, Andreas Noack.
• Seminar: Donnerstag, 4. Block, AB, 13:45-15:15 Uhr, EHS 005, Dirk Beyer, Andreas Noack.

Zu jedem der folgenden Themen wird es eine zusätzliche Seite bzw. eine Besprechung mit dem Vortragenden geben, um das Thema zu präzisieren und auf weiteres Material hinzuweisen.

1. Systeme, emergente Eigenschaften, ungeordnete und organisierte Komplexität. [1] (chapter 3), [2]

Verstehen

2. Induktives und deduktives Verstehen, Phänomenologie und Reduktion. [3], [4] (chapter 8, 9)
3. Induktives Verstehen ist Kompression. Shannon-Information, Algorithmische Komplexität, und der Kompromiss zwischen Wissen und Ignoranz. [5]
4. Deduktives Verstehen erfordert Dekomposition. [6]

Komplexe Systeme

5. Gehirne und Ameisenkolonien: Beschreibungsebenen und die Schwierigkeit, zwischen ihnen Brücken zu bauen. [7] (chapter 10, ... Ant Fugue, chapter 11)
6. The Game of Life: Vorhersagbarkeit in Systemen mit einfachen, lokalen Regeln. [8], [9]
7. Boolesche Netzwerke: Abhängigkeit der Vorhersagbarkeit von der Struktur des Netzwerks. [10]
8. Particle Swarm Optimization: Abhängigkeit der Dynamik von der Struktur sozialer Netzwerke. [11] (chapter 7)
9. Die Struktur wirklicher Systeme: Small Worlds und Scale-Free Networks. [12] (chapter 3), [13]

Software-Komplexität messen

10. Messtheorie: Modelle, Relationen, Skalen. [14] (chapter 3, 4), [15] (chapter 2)
11. Klassische Software-Komplexitätsmaße: Größe und Aufwand, Halstead's software science, McCabe's cyclomatic number. [14] (ch. 5), [15] (ch. 7)
12. Komplexität objektorientierter Software: Größe, Kopplung, Kohäsion. [14] (chapter 6)
13. Kognitive Software-Komplexität: die Schwierigkeit, Software zu verstehen. [16], [17]

Mit Komplexität umgehen

14. Prinzipien für verständliche SW: strukturierte und OO-Programmierung, ADTs. [18], [19], [20]
15. Verstehen von Software-Systemen durch den Einsatz von Mess- und Visualisierungswerkzeugen. [21]

[1] Ludwig von Bertalanffy. General Systems Theory. George Braziller, New York, 1968.
[2] Warren Weaver. Science and complexity. American Scientist, 36:536–544, 1948.
[3] Philip W. Anderson. More is different. Science, 177:393–396, 1972.
[4] Murray Gell-Mann. The Quark and the Jaguar. W. H. Freeman and Company, New York, 1994.
[5] Murray Gell-Mann and Seth Lloyd. Information measures, effective complexity, and total information. Complexity,2(1):44–52, 1996.
[6] Herbert A. Simon. The architecture of complexity. In Proc. American Philosophical Society, volume106, pages 467–482, 1962.
[7] Douglas R. Hofstadter. Gödel, Escher, Bach: an Eternal Golden Braid. Basic Books, New York, 1979.
[8] Martin Gardner. The fantastic combinations of John Conway’s new solitaire game "life". Scientic American,223(4):120–123, 1970.
[9] Elwyn R. Berlekamp, John H. Conway, and Richard K. Guy. Gewinnen: Strategien für mathematische Spiele, Band 4. Vieweg, Braunschweig, 1985.
[10] Stuart A. Kauffman. Requirements for evolvability in complex systems: Orderly dynamics and frozen components.Physica D, 42:135–152, 1990.
[11] James Kennedy and Russell C. Eberhart. Swarm Intelligence. Academic Press, San Diego, CA, 2001.
[12] Duncan J. Watts. Small Worlds. Princeton University Press, Princeton, NJ, 1999.
[13] Albert-Laszlo Barabasi and Reka Albert. Emergence of scaling in random networks. Science, 286:509–512, 1999.
[14] Brian Henderson-Sellers: Object-Oriented Metrics: Measures of Complexity. Prentice Hall, ISBN 0132398729, 1995.
[15] Norman E. Fenton, Shari Lawrence Pfleeger. Software Metrics: A Rigorous & Practical Approach. International Thomson Computer Press, London, 1996.
[16] George A. Miller: The Magical Number Seven, Plus or Minus Two. The Psychological Review, volume 63, pages 81–97, 1956.
[17] B. Shneiderman and R. Mayer. Syntactic/semantic interactions in programmer behavior. Computer and Information Sciences, 8(3):219–238, 1979.
[18] David L. Parnas. On the Criteria To Be Used in Decomposing Systems into Modules. Communications of the ACM, 15(12):1053–1058, 1972.
[19] David L. Parnas, Paul C. Clements and David M. Weiss. The Modular Structure of Complex Systems. In Proc. Software Engineering, pages 408–419, 1984.
[20] Bertrand Meyer. Object-Oriented Software Construction. Prentice Hall, Upper Saddle River (NJ), 1997.
[21] Claus Lewerentz, Frank Simon and Frank Steinbrückner. CrocoCosmos. In Proc. Graph Drawing 2001. LNCS 2265, pages 446-447, Springer, 2002.