При создании любого программного проекта в качестве первого (и самого главного) этапа есть всегда проектирование. В любой инженерной дисциплине под проектированием обычно понимается какой-то унифицирован подход, с помощью которого мы ищем пути решения определенной проблемы, обеспечивая выполнение поставленной задачи. За предположением Страуструпа: "Цель проектирования - выявление ясной и относительно простой внутренней структуры, которая иногда называется архитектурой... Проект является окончательным продуктом процесса проектирования". Продуктами проектирования являются модели, которые позволяют нам понять структуру будущей системы, сбалансировать требования и наметить схему реализации.
Моделирование широко распространено во всех инженерных дисциплинах, в значительной
мере из-за того, что оно реализует принципы декомпозиции, абстракции и
иерархии. Каждая модель описывает определенную часть рассмотренной системы, а
мы в свою очередь строим новые модели на базе старых, в которых более-менее
уверенные. Модели позволяют нам контролировать наши неудачи. Мы оцениваем
поведение каждой модели в обычных и необычных ситуациях, а затем проводим
соответствующие доработки, если нас что-то не удовлетворяет.
Объектно-ориентированная технология основывается на так называемой объектной
модели. Основными ее принципами
является: абстрагирование, инкапсуляция, модульность, иерархичность, типизация,
параллелизм, и сохраняемость. Каждый из этих принципов собственно не новый, но
в объектной модели они впервые применены в совокупности. Первые четыре понятия
является обязательными в том понимании, что без каждого из них модель не будет
объектно-ориентированной. Другие являются дополнительными, имея в виду, что они
полезны в объектной модели, но не обязательные.
Объектная модель принципиально отличается от моделей, которые связаны с более традиционными методами структурного анализа, проектирования и программирования. Это не значит, что объектная модель требует отказа от всех ранее найденных и испытанных временами методов и приемов. Скорее, она вносит некоторые новые элементы, которые добавляются к предыдущему опыту. Объектный подход обеспечивает ряд существенных удобств, что другими моделями не предусматривались. Наиболее важно, что объектный подход позволяет создавать системы, которые удовлетворяют признакам хорошо структурированных сложных систем. Есть еще пять преимуществ, что дает объектная модель.
1. Объектная модель позволяет в полной мере использовать выразительные
возможности объектных и объектно-ориентированных словно программирование.
Страуструп отмечает: "Не всегда очевидно, как в полной мере использовать
преимущества такого языка, как С++. Существенно повысить эффективность и
качество кода можно просто за счет использования С++ в качестве "улучшившего
С" с элементами абстракции данных. Однако намного более значительным
достижением является введение иерархии классов в процессе проектирования.
Именно это называется объектно-ориентированным проектированием и именно здесь
преимущества С++ демонстрируются наилучшим образом". Опыт показал, что при
использовании таких языков, как Smalltalk, Object Pascal, С++, CLOS и Аdа, вне
объектной модели, их наиболее сильные бока или игнорируются, или применяются
неправильно.
2. Использование объектного подхода существенно повышает уровень унификации
разработки и пригодность для повторного использования не только программ, но и
проектов, что, в конечном итоге, ведет к созданию среды разработки.
Объектно-ориентированные системы часто выходят более компактными, чем их не
объектно-ориентированные эквиваленты. А это означает не только уменьшение
объема кода программ, но и удешевление проекта, за счет использования
предыдущих разработок, которое дает выигрыш в стоимости и времени
3. Использование объектной модели приводит к построению систем на основе
стабильных промежуточных описаний, что упрощает процесс внесения изменений. Это
дает системе возможность развиваться постепенно и не приводит к полной ее
переработке даже в случае существенных змей исходных требований.
4. Объектная модель уменьшает риск разработки сложных систем, в первую очередь
потому, что процесс интеграции растягивается на все время разработки, а не
превращается в одноразовое событие, Объектный подход состоит из ряда хорошо
продуманных этапов проектирования, которое также уменьшает степень риска и
повышает уверенность в правильности принятых решений.
5. Объектная модель ориентирована на человеческое восприятие мира, или, по
словам Робсона, "много из людей, которые не имеют понятие о том, как
работает компьютер, находят полностью естественным объектно-ориентированный
подход к системам".
Концептуальной основой объектно-ориентированного подхода является объектная модель. Основными принципами ее построения являются:
· абстрагирование (abstraction);
· инкапсуляция (encapsulation);
· модульность (modularity);
· иерархия (hierarchy).
Абстрагирование - это выделение наиболее важных, существенных характеристик некоторого объекта, которые отличают его от всех других видов объектов и, таким образом, четко определяют его концептуальные границы с точки зрения дальнейшего рассмотрения и анализа, и игнорирование менее важных или незначительных деталей.
Абстрагирование позволяет управлять сложностью системы, концентрируясь на существенных свойствах объекта. Абстрагирование концентрирует внимание на внешних особенностях объекта и позволяет отделить самые существенные особенности его поведения от деталей их реализации. Выбор правильного набора абстракций для заданной предметной области представляет собой главную задачу объектно-ориентированного проектирования. Абстракция зависит от предметной области и точки зрения - то, что важно в одном контексте, может быть не важно в другом. Объекты и классы - основные абстракции предметной области.
Инкапсуляция - физическая локализация свойств и поведения в рамках единственной абстракции (рассматриваемой как «черный ящик»), скрывающая их реализацию за общедоступным интерфейсом.
Инкапсуляция - это процесс отделения друг от друга отдельных элементов объекта, определяющих его устройство и поведение. Инкапсуляция служит для того, чтобы изолировать интерфейс объекта, отражающий его внешнее поведение, от внутренней реализации объекта. Объектный подход предполагает, что собственные ресурсы, которыми могут манипулировать только операции самого объекта, скрыты от внешней среды. Абстрагирование и инкапсуляция являются взаимодополняющими: абстрагирование фокусирует внимание на внешних особенностях объекта, а инкапсуляция (или иначе ограничение доступа) не позволяет объектам-пользователям различать внутреннее устройство объекта.
Инкапсуляция подобна понятию сокрытия информации (information hiding). Это возможность скрывать многочисленные детали объекта от внешнего мира. Внешний мир объекта - это все, что находится вне его, включая остальную часть системы. Сокрытие информации предоставляет то же преимущество, что и инкапсуляция, - гибкость.
Модульность - это свойство системы, связанное с возможностью ее декомпозиции на ряд внутренне сильно сцепленных, но слабо связанных между собой подсистем (модулей).
Модульность снижает сложность системы, позволяя выполнять независимую разработку отдельных модулей. Инкапсуляция и модульность создают барьеры между абстракциями.
Иерархия - это ранжированная или упорядоченная система абстракций, расположение их по уровням.
Основными видами иерархических структур применительно к сложным системам являются структура классов (иерархия по номенклатуре) и структура объектов (иерархия по составу). Примерами иерархии классов являются простое и множественное наследование (один класс использует структурную или функциональную часть соответственно одного или нескольких других классов), а иерархии объектов - агрегация.
Классы можно организовать в виде иерархической структуры, которая по внешнему виду напоминает схему классификации в понятийной логике. Иерархия понятий строится следующим образом. В качестве наиболее общего понятия или категории берется понятие, имеющее наибольший объем и, соответственно, наименьшее содержание. Это самый высокий уровень абстракции для данной иерархии. Затем данное общее понятие конкретизируется, то есть уменьшается его объем и увеличивается содержание. Появляется менее общее понятие, которое на схеме иерархии будет расположено на один уровень ниже исходного. Этот процесс конкретизации понятий может быть продолжен до тех пор, пока на самом нижнем уровне не будет получено понятие, дальнейшая конкретизация которого в данном контексте либо невозможна, либо нецелесообразна .
Прикладная система представляет собой множества взаимозависимых объектов. Каждый объект характеризуется набором свойств, значения которых определяют состояние объекта, и набором операций, которые можно применить к этому объекту.
При разработке прикладных систем удобно считать, что все свойства объектов являются закрытыми (т.е. они недоступны вне объекта). Операции объектов могут быть как открытыми, так и закрытыми.
Таким образом, каждый объект имеет строго определенный интерфейс, т.е. набор открытых операций, которые можно применять к этому объекту. Все объекты одного класса имеют одинаковый интерфейс.
Объектная модель представляет статистическую структуру проектируемой системы (подсистемы). Однако знания статической структуры недостаточно, чтобы понять и оценить роботу подсистемы. Необходимо иметь средства для описания изменений, которые происходят с объектами и их связями во время роботы подсистемы.
Одним из таких средств является динамическая модель подсистемы. Она строится после того, как объектная модель подсистемы построена и предварительно согласована и отлажена. Динамическая модель подсистемы состоит из диаграмм состояний ее объектов подсистем.
Текущее состояние объекта характеризуется совокупностью текущих значений его атрибутов и связей. Во время работы системы составляющие её объекты взаимодействуют друг с другом, в результате чего изменяются их состояния. Единицей влияния является событие : каждое событие приводит к смене состояния одного или нескольких объектов в системе, либо к возникновению новых событий. Работа системы характеризуется последовательностью происходящих в ней событий.
Событие происходит в некоторый момент времени. Примеры событий: старт ракеты, старт забега на 100 м, начало проводки, выдача денег и т.п. Событие не имеет продолжительности (точнее, оно занимает пренебрежимо малое время).
Если события не имеют причинной связи (т.е. они логически независимы), они называются независимыми (concurrent ). Такие события не влияют друг на друга. Независимые события не имеет смысла упорядочивать, так как они могут происходить в произвольном порядке. Модель распределенной системы обязательно должна содержать независимые события и активности.
Последовательность событий называется сценарием. После разработки и анализа сценариев определяются объекты, генерирующие и принимающие каждое событие сценария.
При возникновении события происходит не только переход объекта в новое состояние, но и выполняется действие, связанное с этим событием. Действием называется мгновенная операция, связанная с событием.
Процесс построения объектной модели включает в себя следующие этапы:
Определение объектов и классов;
Подготовка словаря данных:
Определение зависимостей между объектами;
Определение свойств объектов и связей;
Организация и упрощение классов при использовании наследования;
Дальнейшее исследования и усовершенствование модели.
Зависимости между классами (объектами)
С каждым объектом связана структура данных, полями которой являются атрибуты этого объекта и указатели функций (фрагментов кода), реализующих операции этого объекта (отметим, что указатели функций в результате оптимизации кода обычно заменяются на обращения к этим функциям). Таким образом, объект - это некоторая структура данных, тип которой соответствует классу этого объекта.
Между объектами можно устанавливать зависимости по данным. Эти зависимости выражают связи или отношения между классами указанных объектов. Примеры таких зависимостей изображены на рисунке 2.6 (первые две зависимости - бинарные, третья зависимость - тренарная). Зависимость изображается линией, соединяющей классы над которой надписано имя этой зависимости, или указаны роли объектов (классов) в этой зависимости (указание ролей - наиболее удобный способ идентификации зависимости).
Рис. 2.6. Зависимости между классами
Зависимости между классами являются двусторонними: все классы в зависимости равноправны. Это так даже в тех случаях, когда имя зависимости как бы вносит направление в эту зависимость. Так, в первом примере на рисунке 2.6 имя зависимости имеет_столицу предполагает, что зависимость направлена от класса страна к классу город (двусторонность зависимости вроде бы пропала); но следует иметь в виду, что эта зависимость двусторонняя в том смысле, что одновременно с ней существует и обратная зависимость является_столицей. Точно таким же образом, во втором примере на рисунке 2.6 можно рассматривать пару зависимостей владеет-принадлежит. Подобных недоразумений можно избежать, если идентифицировать зависимости не по именам, а по наименованиям ролей классов, составляющих зависимость.
В языках программирования зависимости между классами (объектами) обычно реализуются с помощью ссылок (указателей) из одного класса (объекта) на другой. Представление зависимостей с помощью ссылок обнаруживает тот факт, что зависимость является свойством пары классов, а не какого-либо одного из них, т.е. зависимость - это отношение. Отметим, что хотя зависимости между объектами двунаправлены, их не обязательно реализовать в программах как двунаправленные, оставляя ссылки лишь в тех классах, где это необходимо для программы.
Дальнейшие примеры зависимостей между классами приведены на рисунке 2.7. Первый пример показывает зависимость между клиентом банка и его счетами. Клиент банка может иметь одновременно несколько счетов в этом банке, либо вовсе не иметь счета (когда он впервые становится клиентом банка). Таким образом, нужно изобразить зависимость между клиентом и несколькими счетами, что и сделано на рисунке 2.7. Второй пример показывает зависимость между пересекающимися кривыми (в частности, прямыми) линиями. Можно рассматривать 2, 3, и более таких линий, причем они могут иметь несколько точек пересечения. Наконец, третий пример показывает необязательную (optional) зависимость: компьютер может иметь, а может и не иметь мышь.
Зависимостям между классами соответствуют зависимости между объектами этих классов. На рисунке 2.8 показаны зависимости между объектами для первого примера рисунка 2.6; на рисунке 2.9 показаны зависимости между объектами для примеров, изображенных на рисунке 2.7.
Рис. 2.7. Дальнейшие примеры зависимостей. Обозначения
Рис. 2.8. Зависимости между объектами
Отметим, что при изображении зависимостей между объектами мы, как правило, знаем количество объектов и не нуждаемся в таких обозначениях как "несколько", "два и более", "не обязательно".
При проектировании системы удобнее оперировать не объектами, а классами.
Рис. 2.9. Более сложные зависимости между объектами
Понятие зависимости перенесено в объектно-ориентированную технологию проектирования программных систем из технологии проектирования (и моделирования) баз данных, где зависимости используются с давних пор. Языки программирования, как правило, не поддерживают явного описания зависимостей. Тем не менее описание зависимостей очень полезно при разработке программных систем. Технология OMT использует зависимости при интерпретации диаграмм, описывающих систему.
Теперь у нас есть все необходимые понятия, чтобы описать процесс построения объектной модели. Этот процесс включает в себя следующие этапы:
Теперь у нас есть все необходимые понятия, чтобы описать процесс построения объектной модели. Этот процесс включает в себя следующие этапы:
· определение объектов и классов;
· подготовка словаря данных;
· определение зависимостей между объектами;
· определение атрибутов объектов и связей;
· организация и упрощение классов при использовании наследования;
· дальнейшее исследование и усовершенствование модели.
2.2.1. Определение классов. Анализ внешних требований к проектируемой ПС позволяет определить объекты и классы объектов, связанные с прикладной проблемой, которую должна решать эта система. Все классы должны быть осмыслены в рассматриваемой прикладной области; классов, связанных с компьютерной реализацией, как например список, стек и т.п. на этом этапе вводить не следует.
Начать нужно с выделения возможных классов из письменной постановки прикладной задачи (технического задания и другой документации, предоставленной заказчиком). Следует иметь в виду, что это очень сложный и ответственный этап разработки, так как от него во многом зависит дальнейшая судьба проекта.
При определении возможных классов нужно постараться выделить как можно больше классов, выписывая имя каждого класса, который приходит на ум. В частности, каждому существительному, встречающемуся в предварительной постановке задачи, может соответствовать класс. Поэтому при выделении возможных классов каждому такому существительному обычно сопоставляется возможный класс.
· избыточные классы: если два или несколько классов выражают одинаковую информацию, следует сохранить только один из них;
· нерелевантные (не имеющие прямого отношения к проблеме) классы : для каждого имени возможного класса оценивается, насколько он необходим в будущей системе (оценить это часто бывает весьма непросто); нерелевантные классы исключаются;
· нечетко определенные (с точки зрения проблемы) классы (см. п. 2.3.1);
· атрибуты : некоторым существительным больше соответствуют не классы, а атрибуты; такие существительные, как правило, описывают свойства объектов (например, имя, возраст, вес, адрес и т.п.);
· операции : некоторым существительным больше соответствуют не классы, а имена операций (например, телефонный_вызов вряд ли означает какой-либо класс);
· роли : некоторые существительные определяют имена ролей в объектной модели (например, владелец, водитель, начальник, служащий; все эти имена связаны с ролями в различных зависимостях объектов класса человек);
· реализационные конструкции : именам, больше связанным с программированием и компьютерной аппаратурой, не следует на данном этапе сопоставлять классов, так как они не отражают особенностей проектируемой ПС; примеры таких имен: подпрограмма, процесс, алгоритм, прерывание и т.п.
После исключения имен всех ненужных (лишних) возможных классов будет получен предварительный список классов, составляющих проектируемую систему.
2.2.2. Подготовка словаря данных. Отдельные слова имеют слишком много интерпретаций. Поэтому необходимо в самом начале проектирования подготовить словарь данных , содержащий четкие и недвусмысленные определения всех объектов (классов), атрибутов, операций, ролей и других сущностей, рассматриваемых в проекте. Без такого словаря обсуждение проекта с коллегами по разработке и заказчиками системы не имеет смысла, так как каждый может по-своему интерпретировать обсуждаемые термины. Пример словаря см. в п. 2.3.2.
2.2.3. Определение зависимостей. На следующем этапе построения объектной модели определяются зависимости между классами. Прежде всего из классов исключаются атрибуты, являющиеся явными ссылками на другие классы; такие атрибуты заменяются зависимостями. Смысл такой замены в том, что зависимости представляют собой абстракцию того же уровня, что и классы, и потому не оказывают непосредственного влияния на будущую реализацию (ссылка на класс лишь один из способов реализации зависимостей).
Аналогично тому, как имена возможных классов получались из существительных, встречающихся в предварительной постановке прикладной задачи, имена возможных зависимостей могут быть получены из глаголов или глагольных оборотов , встречающихся в указанном документе. Так обычно описываются: физическое положение (следует_за, является_частью, содержится_в), направленное действие (приводит_в_движение), общение (разговаривает_с), принадлежность (имеет, является_частью) и т.п. Пример выделения явных и неявных глагольных оборотов из предварительной постановки конкретной прикладной задачи рассмотрен в п. 2.3.3.
Затем следует убрать ненужные или неправильные зависимости, используя следующие критерии:
· зависимости между исключенными классами должны быть исключены, либо переформулированы в терминах оставшихся классов (см. п. 2.3.3);
· нерелевантные зависимости и зависимости, связанные с реализацией, должны быть исключены (см. п. 2.3.3);
· действия: зависимость должна описывать структурные свойства прикладной области, а не малосущественные события (см. п. 2.3.3);
· тренарные зависимости: большую часть зависимостей между тремя или большим числом классов можно разложить на несколько бинарных зависимостей, используя в случае необходимости квалификаторы (см. п. 2.3.3); в некоторых (редких) случаях такое разложение осуществить не удается; например, тренарная зависимость "Профессор читает курс в аудитории 628" не может быть разложена на бинарные без потери информации;
· производные зависимости: нужно исключать зависимости, которые можно выразить через другие зависимости, так как они избыточны (см. п. 2.3.3); при исключении избыточных (производных) зависимостей нужно быть особенно осторожным, так как не все дублирующие одна другую зависимости между классами избыточны; в некоторых случаях другие зависимости позволяют установить только существование еще одной производной зависимости, но не позволяют установить кратность этой зависимости; например, в случае, представленном на рис. 2.36, фирма имеет много служащих и владеет многими компьютерами; каждому служащему предоставлено для персонального использования несколько компьютеров, кроме того, имеются компьютеры общего пользования; кратность зависимости предоставлен_для_использования не может быть выведена из зависимостей служит и владеет; хотя производные зависимости и не добавляют новой информации, они часто бывают удобны; в этих случаях их можно указывать на диаграмме, пометив косой чертой.
Рис. 2.36. Неизбыточные зависимости
Удалив избыточные зависимости, нужно уточнить семантику оставшихся зависимостей следующим образом:
· неверно названные зависимости: их следует переименовать, чтобы смысл их стал понятен (см. п. 2.3.3);
· имена ролей: нужно добавить имена ролей там, где это необходимо; имя роли описывает роль, которую играет соответствующий класс в данной зависимости с точки зрения другого класса, участвующего в этой зависимости; если имя роли ясно из имени класса, его можно не указывать (см. п. 2.3.3);
· квалификаторы: добавляя квалификаторы там, где это необходимо, мы вносим элементы контекста, что позволяет добиться однозначной идентификации объектов; квалификаторы позволяют также упростить некоторые зависимости, понизив их кратность;
· кратность: необходимо добавить обозначения кратности зависимостей; при этом следует помнить, что кратность зависимостей может меняться в процессе дальнейшего анализа требований к системе;
· неучтенные зависимости должны быть выявлены и добавлены в модель.
2.2.4. Уточнение атрибутов. На следующем этапе уточняется система атрибутов: корректируются атрибуты классов, вводятся, в случае необходимости, новые атрибуты. Атрибуты выражают свойства объектов рассматриваемого класса, либо определяют их текущее состояние.
Атрибуты обычно соответствуют существительным; например цвет_автомобиля (свойство объекта), позиция_курсора (состояние объекта). Атрибуты, как правило, слабо влияют на структуру объектной модели.
Не следует стремиться определить как можно больше атрибутов: большое количество атрибутов усложняет модель, затрудняет понимание проблемы. Необходимо вводить только те атрибуты, которые имеют отношение к проектируемой прикладной системе, опуская случайные, малосущественные и производные атрибуты.
Наряду с атрибутами объектов необходимо ввести и атрибуты зависимостей между классами (связей между объектами).
При уточнении атрибутов руководствуются следующими критериями:
· Замена атрибутов на объекты . Если наличие некоторой сущности важнее, чем ее значение, то это объект, если важнее значение, то это атрибут: например, начальник - это объект (неважно, кто именно начальник, главное, чтобы кто-то им был), зарплата - это атрибут (ее значение весьма существенно); город - всегда объект, хотя в некоторых случаях может показаться, что это атрибут (например, город как часть адреса фирмы); в тех случаях, когда нужно, чтобы город был атрибутом, следует определить зависимость (скажем, находится) между классами фирма и город.
· Квалификаторы . Если значение атрибута зависит от конкретного контекста, его следует сделать квалификатором (см. п. 2.3.4).
· Имена . Именам обычно лучше соответствуют квалификаторы, чем атрибуты объектов; во всех случаях, когда имя позволяет сделать выбор из объектов некоторого множества, его следует сделать квалификатором (см. п. 2.3.4).
· Идентификаторы . Идентификаторы объектов связаны с их реализацией. На ранних стадиях проектирования их не следует рассматривать в качестве атрибутов.
· Атрибуты связей . Если некоторое свойство характеризует не объект сам по себе, а его связь с другим объектом (объектами), то это атрибут связи, а не атрибут объекта.
· Внутренние значения . Атрибуты, определяющие лишь внутреннее состояние объекта, незаметное вне объекта, следует исключить из рассмотрения.
· Несущественные детали . Атрибуты, не влияющие на выполнение большей части операций, рекомендуется опустить.
2.2.5. Организация системы классов, используя наследование. Далее необходимо постараться найти суперклассы для введенных классов. Это полезно, так как проясняет структуру модели и облегчает последующую реализацию. Пример рассмотрен в п. 2.3.5.
2.2.6. Дальнейшее исследование и усовершенствование модели. Лишь в очень редких случаях построенная объектная модель сразу же оказывается корректной. Модель должна быть исследована и отлажена. Некоторые ошибки могут быть найдены при исследовании модели без компьютера, другие - при ее интерпретации совместно с динамической и функциональной моделями на компьютере (эти модели строятся после того, как объектная модель уже построена).
Здесь мы рассмотрим приемы бескомпьютерного поиска и исправления ошибок в объектной модели. В их основе лежат внешние признаки, по которым можно находить ошибки в модели; эти признаки могут быть объединены в следующие группы.
Признаки пропущенного объекта (класса):
· несимметричности связей и обобщений (наследований); для исправления ошибки необходимо добавить пропущенные классы;
· несоответствие атрибутов и операций у класса; для исправления ошибки необходимо расщепить класс на несколько других классов, так чтобы атрибуты и операции новых классов соответствовали друг другу;
· обнаружена операция, не имеющая удовлетворительного целевого класса; для исправления ошибки необходимо добавить пропущенный целевой класс;
· обнаружено несколько зависимостей с одинаковыми именами и назначением; для исправления ошибки необходимо сделать обобщение и добавить пропущенный суперкласс.
Признаки ненужного (лишнего) класса:
· нехватка атрибутов, операций и зависимостей у некоторого класса; для исправления ошибки необходимо подумать, не следует ли исключить такой класс.
Признаки пропущенных зависимостей:
· отсутствуют пути доступа к операциям; для исправления ошибки необходимо добавить новые зависимости, обеспечивающие возможности обслуживания соответствующих запросов.
Признаки ненужных (лишних) зависимостей:
· избыточная информация в зависимостях; для исправления ошибки необходимо исключить зависимости, не добавляющие новой информации, или пометить их как производные зависимости;
· не хватает операций, пересекающих зависимость; для исправления ошибки необходимо подумать, не следует ли исключить такую зависимость.
Признаки неправильного размещения зависимостей:
· имена ролей слишком широки или слишком узки для их классов; для исправления ошибки необходимо переместить зависимость вверх или вниз по иерархии классов.
Признаки неправильного размещения атрибутов:
· нет необходимости доступа к объекту по значениям одного из его атрибутов; для исправления ошибки необходимо рассмотреть, нужно ли ввести квалифицированную зависимость.
Примеры практического применения описанных признаков см. в п. 2.3.6.
Пример объектной модели
Рассмотрим процесс построения объектной модели для системы банковского обслуживания в процессе анализа требований и предварительного проектирования этой системы. Для построения объектной модели рассматриваемой системы нам необходимо выполнить все этапы, перечисленные в п 2.2.
2.3.1. Определение объектов и классов. В п. 1.3 сформулирована задача и приведена схема сети банковского обслуживания (рис. 1.3). Анализируя эту постановку задачи, можно выделить возможные классы, сопоставив их существительным, упомянутым в ее предварительной формулировке; получится следующий список возможных имен классов (в алфавитном порядке):
Исследуем этот список, исключая из него имена классов в соответствии с рекомендациями п. 2.2.1:
· избыточные классы : ясно, что клиент и пользователь означают одно и то же понятие; для банковской системы более естественно оставить класс клиент;
· нерелевантные классы : таким классом является класс цена (он не имеет непосредственного отношения к работе банковской сети);
· нечетко определенные классы : такими классами являются служба_ведения_записей и проверка безопасности (эти службы входят в состав проводки), система (в нашем случае непонятно, что это такое), банковская_сеть (вся ПС будет обслуживать банковскую сеть);
· атрибуты : данные проводки, данные счета, деньги (имеются в виду реальные деньги, выдаваемые клиенту кассиром или банкоматом, либо принимаемые кассиром), квитанция (выдается клиенту вместе с деньгами) более естественно иметь в качестве атрибутов;
· реализационные конструкции выражают такие имена как программное_обеспечение и доступ; их тоже следует исключить из списка имен возможных классов.
После исключения всех лишних имен возможных классов получаем следующий список классов, составляющих проектируемую систему банковского обслуживания (эти классы представлены на рис. 2.5):
2.3.2. Подготовка словаря данных. Приведем часть словаря данных, содержащую определения классов, используемых в проекте.
ATM (банкомат) - терминал, который дает возможность клиенту осуществлять свою собственную проводку, используя для идентификации свою карточку. ATM (банкомат) взаимодействует с клиентом, чтобы получить необходимую информацию для проводки, посылает информацию для проводки центральному_компьютеру, чтобы он проверил ее и в дальнейшем использовал при выполнении проводки и выдает деньги и квитанцию клиенту. Предполагается, что ATM (банкомату) не требуется работать независимо от сети.
Банк - финансовая организация, которая содержит счета своих клиентов и выпускает карточки, санкционирующие доступ к счетам через сеть ATM (банкоматов).
Карточка - пластиковая карточка, врученная банком своему клиенту, которая санкционирует доступ к счетам через сеть ATM (банкоматов). Каждая карточка содержит код банка и номер карточки, закодированные в соответствии с национальными стандартами на банковские карточки. Код_банка однозначно идентифицирует банк внутри консорциума. Номер_карточки определяет счета, к которым карточка имеет доступ. Карточка не обязательно обеспечивает доступ ко всем счетам клиента. Каждой карточкой может владеть только один клиент, но у нее может существовать несколько копий, так что необходимо рассмотреть возможность одновременного использования одной и той же карточки с разных ATM (банкоматов).
Кассир - служащий банка, который имеет право осуществлять проводки с кассовых_ терминалов, а также принимать и выдавать деньги и чеки клиентам. Проводки, деньги и чеки, с которыми работает каждый кассир, должны протоколироваться и правильно учитываться.
Кассовый_терминал - терминал, с которого кассир осуществляет проводки для клиентов. Когда кассир принимает и выдает деньги и чеки, кассовый_терминал печатает квитанции. Кассовый_терминал взаимодействует с компьютером_банка, чтобы проверить и выполнить проводку.
Клиент - держатель одного или нескольких счетов в банке. Клиент может состоять из одного или нескольких лиц, или организаций. То же самое лицо, держащее счет и в другом банке рассматривается как другой клиент.
Компьютер_банка - компьютер, принадлежащий банку, который взаимодействует с сетью ATM (банкоматов) и собственными кассовыми_терминалами банка. Банк может иметь свою внутреннюю компьютерную сеть для обработки счетов, но здесь мы рассматриваем только тот компьютер_банка, который взаимодействует с сетью ATM.
Консорциум - объединение банков, которое обеспечивает работу сети ATM (банкоматов). Сеть передает в консорциум проводки банков.
Проводка - единичный интегрированный запрос на выполнение некоторой последовательности операций над счетами одного клиента. Было сделано предположение, что ATM (банкоматы) только выдают деньги, однако для них не следует исключать возможности печати чеков или приема денег и чеков. Хотелось бы также обеспечить гибкость системы, которая в дальнейшем обеспечит возможность одновременной обработки счетов разных клиентов, хотя пока этого не требуется. Различные операции должны быть правильно сбалансированы.
Счет - единичный банковский счет, над которым выполняются проводки. Счета могут быть различных типов; клиент может иметь несколько счетов.
Центральный_компьютер - компьютер, принадлежащий консорциуму, который распределяет проводки и их результаты между ATM (банкоматами) и компьютерами_банков. Центральный_компьютер проверяет коды банков, но не выполняет проводок.
2.3.3. Определение зависимостей. Следуя рекомендациям п. 2.2.3, выделяем явные и неявные глагольные обороты из предварительной постановки задачи и рассматриваем их как имена возможных зависимостей. Из постановки задачи о банковской сети (см. п. 1.3) можно извлечь следующие обороты:
Глагольные обороты (явные и неявные):
Банковская сеть включает кассиров и ATM"ы
Консорциум распределяет результаты проводок по ATM
Банк владеет компьютером банка
Компьютер банка поддерживает счета
Банк владеет кассовыми терминалами
Кассовый терминал взаимодействует с компьютером банка
Кассир вводит проводку над счетом
ATM"ы взаимодействуют с центральным компьютером во время проводки
Центральный компьютер взаимодействует с компьютером банка
ATM принимает карточку
ATM общается с пользователем
ATM выдает наличные деньги
ATM печатает квитанции
Система регулирует коллективный доступ
Банк предоставляет программное обеспечение
Консорциум состоит из банков
Консорциум владеет центральным компьютером
Система обеспечивает протоколирование
Система обеспечивает безопасность
Клиенты имеют карточки
Карточка обеспечивает доступ к счету
В банке служат кассиры
Затем исключаем ненужные или неправильные зависимости, используя критерии, сформулированные в п. 2.2.3:
· зависимости между исключенными классами: исключаются следующие зависимости: Банковская сеть включает кассиров и ATM"ы (класс банковская_сеть исключен), ATM печатает квитанции (класс квитанция исключен), ATM выдает наличные деньги (класс деньги исключен), Система обеспечивает протоколирование проводок (класс служба_ведения_записей исключен), Система обеспечивает безопасность ведения счетов (класс служба_безопасности исключен), Банки предоставляют программное обеспечение (класс программное_обеспечение исключен);
· нерелевантные зависимости и зависимости, связанные с реализацией: зависимость "Система регулирует коллективный доступ" исключается как связанная с реализацией;
· действия описываются такими зависимостями как "ATM принимает карточку" и "ATM общается с пользователем"; мы исключаем эти зависимости;
· тренарные зависимости: зависимость "Кассир вводит проводку над счетом" раскладывается на две бинарные зависимости "Кассир вводит проводку" и "Проводка относится к счету". Зависимость "ATM"ы взаимодействуют с центральным компьютером во время проводки" раскладывается на "ATM"ы взаимодействуют с центральным компьютером" и "Проводка начинается с ATM";
· производные зависимости: зависимость "Консорциум распределяет ATM"ы" является следствием зависимостей "Консорциум владеет центральным компьютером" и "ATM"ы взаимодействуют с центральным компьютером".
Удалив избыточные зависимости, получим следующий список зависимостей:
Банк владеет компьютером банка
Компьютер банка поддерживает счета
Банк владеет кассовыми терминалами
Кассовый терминал взаимодействует с компьютером банка
Кассир вводит проводку
Проводка относится к счету
ATM"ы взаимодействуют с центральным компьютером
Проводка начинается с ATM
Центральный компьютер взаимодействует с компьютером банка
Консорциум состоит из банков
Консорциум владеет центральным компьютером
Клиенты имеют карточки
Карточка обеспечивает доступ к счету
В банке служат кассиры
Уточним семантику оставшихся зависимостей следующим образом:
· переименуем неверно названные зависимости, чтобы смысл их стал более понятен; так зависимость Компьютер_банка поддерживает счета удобнее заменить зависимостью Банк держит счета.
· имена ролей можно не использовать, так как они ясны из имен классов, участвующих в зависимости, как например, для зависимости ATM"ы взаимодействуют с центральным компьютером;
· неучтенные зависимости: Проводка начинается с кассового_терминала, Клиенты имеют счета, Проводка регистрируется карточкой следует добавить в модель.
После уточнения зависимостей можно составить исходную версию объектной диаграммы. Для рассматриваемой задачи она будет иметь вид, представленный на рис. 2.37.
Рис. 2.37. Первая версия объектной диаграммы для банковской сети
2.3.4. Уточнение атрибутов. Применяя критерии, сформулированные в п. 2.2.4, получим:
Карточка содержит код_банка и код_карточки; их можно считать атрибутами объектов класса карточка, но удобнее использовать в качестве квалификаторов, так как код_банка обеспечивает выбор банка, сокращая кратность зависимости консорциум - банк; для аналогичного использования кода_карточки необходимо добавить зависимость Банк выпускает карточки, квалификатором которой будет код_карточки.
После внесения перечисленных изменений диаграмма примет вид, представленный на рис. 2.38.
2.3.5. Организация системы классов с использованием наследования. В рассматриваемом примере естественно определить суперклассы для объектов, определяющих различные терминалы: кассовый_терминал и ATM (банкомат), и для объектов, определяющих проводки: проводка_кассира и удаленная_проводка (с банкомата).
Внеся соответствующие изменения, получим объектную диаграмму, представленную на рис. 2.39.
Рис. 2.38. Объектная диаграмма для банковской сети после уточнения атрибутов и добавления квалификаторов
Рис. 2.39. Объектная диаграмма для банковской с учетом наследования
2.3.6. Дальнейшее усовершенствование модели. Карточка выступает в двух сущностях: как регистрационная единица в банке (сберкнижка), обеспечивающая клиенту доступ к его счетам, и как структура данных, с которой работает ATM. Поэтому удобно расщепить класс карточка на два класса: регистрация_карточки и карточка; первый из этих классов обеспечивает клиенту доступ к его счетам в банке, а второй определяет структуру данных, с которой работает ATM.
Класс проводка удобно представить как агрегацию классов изменение, так как проводка - это согласованная последовательность внесения изменений в счета и другие банковские документы; при работе с банковскими документами рассматривается три вида изменений: снятие, помещение и запрос.
Класс банк естественно объединить с классом компьютер_банка, а класс консорциум - с классом центральный_компьютер.
Рис. 2.40. Окончательный вид объектной диаграммы для банковской сети
После внесения перечисленных изменений объектная диаграмма примет вид, представленный на рис. 2.40. На этом построение объектной модели этапа предварительного проектирования заканчивается. Дальнейшие уточнения объектной модели будут производиться на следующих фазах ЖЦ системы.
Выделение подсистем
2.4.1. Понятие подсистемы. Итак, ПС представляет собой множество взаимозависимых объектов. Каждый объект характеризуется набором атрибутов, значения которых определяют состояние объекта, и набором операций, которые можно применять к этому объекту. При разработке ПС удобно считать, что все атрибуты объектов являются закрытыми (т.е. они не доступны вне объекта, и для того, чтобы в некотором объекте узнать значение атрибута другого объекта, или изменить его, необходимо воспользоваться одной из открытых операций этого объекта, если, конечно, такая операция определена). Операции объектов могут быть как открытыми, так и закрытыми.
Таким образом, каждый объект имеет строго определенный интерфейс , т.е. набор открытых операций, которые можно применять к этому объекту. Все объекты одного класса имеют одинаковый интерфейс. Интерфейс класса (а, следовательно, и каждого объекта этого класса) задается списком сигнатур его открытых (общедоступных) операций (и реализующих их методов); сигнатуры закрытых операций в интерфейс объектов соответствующего класса не входят.
Объектная модель системы задает множество взаимозависимых объектов, составляющих систему, и, следовательно, определяет набор интерфейсов, доступных внутри системы. Все возможности по обработке данных внутри системы (т.е. в каждом объекте, входящем в состав системы) определяются этим набором интерфейсов, который определяет внутреннее окружение (или среду) системы .
Наряду с внутренним окружением системы можно определить ее внешнее окружение . Оно определяется функциями (операциями), реализованными в составе системного программного обеспечения (т.е. операционной системы, системы программирования, различных редакторов, СУБД и т.п.), а также в других прикладных системах и библиотеках, используемых совместно с системой. Объекты и операции, составляющие внешнее окружение системы, тоже могут быть доступны внутри системы. Чтобы не упустить этого из виду, можно было бы добавить в объектную модель еще один объект, интерфейс которого представлял бы возможности внешнего окружения, используемые в системе (такой интерфейс обычно представляет лишь часть возможностей внешнего окружения). Но это было бы не совсем точно, так как внешнее окружение реализуется не одним, а несколькими объектами. С другой стороны внутри системы нет резона рассматривать структуру ее внешнего окружения. Выход из указанного противоречия во введении в рассмотрение еще одной сущности - подсистемы.
Подсистема - это набор объектов и подсистем, обеспечивающих некоторую функциональность, и взаимодействующих между собой в соответствии с их интерфейсами. Интерфейс подсистемы представляет собой подмножество объединения интерфейсов всех объектов и подсистем, составляющих эту подсистему. В состав подсистемы может входить один, или более взаимозависимых объектов и/или подсистем.
Множество интерфейсов объектов (и подсистем), которые в своей совокупности составляют некоторую подсистему, составляет внутреннее окружение этой подсистемы. В состав каждой подсистемы должна быть включена подсистема окружение, представляющая внешнее окружение этой подсистемы. Подсистема окружение для системы банковского обслуживания, рассматриваемой в качестве сквозного примера представлена на рис. 2.41. Интерфейс подсистемы окружение определяет в каком программном окружении будет работать проектируемая система и какие возможности этого окружения будут использоваться во время ее работы (это важно, когда возникает потребность модификации или замены отдельных компонентов окружения).
Отметим, что подсистема окружение представляет только интерфейс системы банковского обслуживания с ее внешним окружением. Внешнее окружение системы банковского обслуживания состоит из нескольких подсистем и библиотек, и для него тоже может быть разработана объектная модель, которая может содержать и разрабатываемую систему (в этой объектной модели она будет одной из подсистем).
Объектную модель системы банковского обслуживания и ее системного (внешнего) окружения тоже можно изобразить в виде объектной диаграммы (правда, в состав этой объектной диаграммы будут входить не объекты, а только подсистемы; каждая подсистема изображается на диаграмме в виде прямоугольника с двойными вертикальными сторонами). Зависимости между подсистемами, изображенные на этой объектной диаграмме (рис. 2.42), отражают взаимодействие проектируемой системы банковского обслуживания и соответствующих подсистем в процессе работы системы. Тем самым определяются требования проектируемой системы к ее системному окружению.
Рис. 2.41. Объектная диаграмма банковской сети, в которой указан интерфейс с системным окружением
Рис. 2.42. Объектная диаграмма банковской сети и ее системного окружения
Введение понятия подсистемы и возможность включать в объектную модель наряду с объектами (классами) и подсистемы определяет иерархическую структуру объектной модели и позволяет использовать методологию OMT при проектировании достаточно сложных ПС, содержащих большое число различных объектов и классов.
2.4.2. Интерфейсы и окружения. Объекты и подсистемы, составляющие подсистему более высокого уровня, будем называть компонентами последней. Как уже было отмечено, для каждого компонента, входящего в состав объектной модели подсистемы, определен его интерфейс , т.е. набор открытых (общедоступных) операций, которые можно применять к этому компоненту (объекту или подсистеме).
Интерфейс объекта определяется интерфейсом соответствующего класса и задается списком сигнатур его открытых операций (методов). Интерфейс подсистемы определяется через итерфейсы составляющих ее объектов и подсистем следующим образом: операция может быть включена в интерфейс подсистемы, если в составе этой подсистемы имеется объект (подсистема), интефейс которого содержит эту операцию. Интерфейсы описываются на языке описания интерфейсов IDL (Interface Definition Language) .
Все возможности по обработке данных внутри подсистемы (т.е. в каждом компоненте, входящем в ее состав) определяются набором интерфейсов ее компонентов, который определяет внутреннее окружение подсистемы .
Если для некоторой подсистемы оказывается, что ни один ее компонент не содержит операции, которую желательно включить в ее интерфейс, в ее состав можно добавить объект, реализующий такую операцию. Такой объект называется интерфейсным объектом . Интерфейсные объекты позволяют согласовать внешний интерфейс подсистемы с ее внешним окружением , т.е. с интерфейсами других объектов и подсистем, которые вместе с рассматриваемой подсистемой составляют подсистему более высокого уровня.
Поясним введенные понятия на примере системы банковского обслуживания. В ее составе можно выделить подсистему банк (на самом деле в системе будет несколько экземпляров подсистемы банк - по одной для каждого банка, входящего в консорциум). При этом объектная модель системы примет вид, изображенный на рис. 2.43.
Рис. 2.43. Объектная диаграмма банковской сети после выделения подсистемы банк
При этом внешние интерфейсы подсистем банк и окружение вместе с интерфейсами объектов ATM и консорциум образуют внутреннее окружениесистемы банковского обслуживания. Ее внешнее окружение представлено на рис. 2.42; оно состоит из внешних интерфейсов различных программных систем, используемых в системе банковского обслуживания (на рис. показана лишь часть этих систем), и ее собственного внешнего интерфейса.
