Языки программирования / Книги / ob''ektno-orientirovannyj_analiz_i_proektirovanie

Рис. 5-28. Активные объекты и синхронизация.

Например, сообщение startUp() - синхронизированное, то есть клиент будет ждать до тех пор, пока сервер не примет сообщение. Посылка синхронизированного сообщения эквивалентна механизму свиданий задач в языке Ada (rendezvous). В случае сообщения isReady() клиент отложит сообщение, если сервер не сможет его немедленно обработать. Сообщение restart() будет отложено клиентом, если сервер не может его обработать за указанный промежуток времени.

В каждом из трех последних случаев клиент должен ждать, пока сервер обработает сообщение, или отложить пересылку, после чего может быть возобновлено управление. Сообщение failure имеет другую семантику. Это пример несинхронизированного сообщения, которое подразумевает, что клиент посылает событие серверу для обработки, сервер ставит сообщение в очередь, а клиент продолжает работать. Такие асинхронные сообщения сродни прерываниям.

Расписание. В программах, имеющих ограничения по времени, важно отслеживать чистое время с момента начала каждого сценария. Для обозначения относи тельного времени (в секундах) мы ставим знак плюс. Например, на рис. 5-29 сообщение startUp() вызывается в первый раз спустя 5 секунд после начала сценария далее, через 6.5 секунд после начала сценария следует сообщение ready() и затем, спустя 7 секунд после начала сценария, - сообщение turnOn().

Спецификации

Как и для диаграмм классов, за каждым элементом диаграммы объектов могут стоять спецификации. Спецификации объектов и их связей не несут никакой иной информации, кроме уже описанной. С другой стороны, спецификации диаграмм объектов как целого могут сообщить кое-что важное. Как упоминалось ранее, каждая диаграмма объектов существует в контексте. В спецификации контекст указывается следующим образом:

Context: глобальный | категория | класс | операция

В частности, область видимости диаграммы объектов может быть глобальной, или в контексте указанной категории классов, класса или операции (включая, как методы, так и свободные подпрограммы).

Рис. 5-29. Расписание.

5.5. Диаграммы взаимодействия

Существенное: объекты и их взаимодействия

Диаграмма взаимодействии используется, чтобы проследить выполнение сценария в том же контексте, что и диаграмма объектов [Эти диаграммы обобщают диаграммы трассировки событий Румбаха и диаграммы взаимодействий Джекобсона [15]]. В известной степени диаграмма взаимодействия есть просто другой способ представления диаграммы объектов. Например, на рис. 5-30 мы видим диаграмму взаимодействия, которая дублирует большую часть семантики диаграммы объектов, показанной на рис. 5-25. Преимущество диаграммы взаимодействий в том, что на ней легче читается порядок посылки сообщений, а преимущество диаграммы объектов в том, что она лучше подходит для многих объектов со сложными вызовами и допускает включение другой информации: связи, значения атрибутов, роли, блок-схемы и видимость. Так как оба типа диаграмм имеют неоспоримые достоинства, мы пользуемся в нашем методе обоими [Диаграммы объектов и диаграммы взаимодействий настолько близки по семантике, что инструментальные средства могут генерировать одну диаграмму из другой с минимальной потерей информации].

Диаграммы взаимодействия не вводят новых понятий или обозначений. Скорее, они берут существенные элементы диаграммы объектов и перестраивают их. Как показывает рис. 5- 30, диаграмма взаимодействий внешне напоминает таблицу. Имена объектов диаграммы взаимодействий (те же, что и на диаграмме объектов) записываются горизонтально в верхней ее строке. Под каждым из них рисуется вертикальная пунктирная линия. Отправления сообщений (которые могут обозначать события или вызовы операций) показываются горизонтальными стрелками, с тем же синтаксисом и обозначениями синхронизации, что и на диаграмме объектов. Линия, обозначающая посылку сообщения, проводится от вертикали клиента к вертикали сервера. Первое сообщение показывается на самом высоком уровне, второе ниже и т.д., таким образом отпадает надобность в их порядковых номерах.

Диаграммы взаимодействий часто лучше диаграмм объектов передают семантику сценариев на ранних этапах жизненного цикла разработки, когда еще не идентифицированы протоколы отдельных классов. Как мы расскажем в следующей главе, в начале разработки диаграммы взаимодействий обычно сконцентрированы скорее на событиях, чем на операциях, потому что события помогают определить границы системы. Когда же уточнились структуры классов, акцент смещается к диаграммам объектов, семантика которых более выразительна.

Рис. 5-31. Пояснения и переход управления.

Дополнительные понятия

Диаграммы взаимодействия концептуально очень просты, но есть два поясняющих элемента, которые позволяют сделать их более выразительными при наличии сложных шаблонов взаимодействия.

Пояснения. Для сложных сценариев, использующих условия или итерации, диаграмма объектов может быть дополнена пояснениями. Как показано на примере (рис. 5-31), пояснения могут быть подписаны к любому сообщению слева от диаграммы на соответствующем уровне простым текстом, с элементами структуризации, или с использованием синтаксиса языка реализации.

Передача управления. Ни простейшие диаграммы объектов, ни диаграммы взаимодействий не показывают передач управления. Например, если мы показали, что объект A посылает сообщения X и Y другим объектам, то остается неясным, являются ли сообщения X и Y независимыми сообщениями из A или они были вызваны как части некоторого объемлющего сообщения Z. Как показано на рис. 5-31, мы можем нарисовать на вертикальной линии каждого объекта полоски, показывающие периоды, когда управление находится в этом объекте. На этом примере мы видим, что всем руководит анонимный экземпляр класса GardeningPlan, который, выполняя климатический план, вызывает другие методы, которые, в свою очередь,вызывают следующие методы, и, в конце концов, управление возвращается обратно к нему же.

5.6. Диаграммы модулей

Существенное: модули и их зависимость

Диаграмма модулей показывает распределение классов и объектов по модулям в физическом проектировании системы. Каждая отдельная диаграмма модулей представляет некоторый ракурс структуры модулей системы. При разработке мы используем диаграмму модулей, чтобы показать физическое деление нашей архитектуры по слоям и разделам.

Некоторые языки, особенно Smalltalk, не имеют ничего подобного физической архитектуре, сформированной модулями; в таких случаях диаграммы модулей не употребляют.

Основными элементами диаграммы модулей являются модули и их зависимости.

Модули. На рис. 5-32 сведены обозначения различных типов модулей. Первые три значка - это файлы, различающиеся своими функциями. Значок главной программы обозначает файл, содержащий корневую программу. В C++, например, это соответствовало бы некоторому файлу с расширением .cpp содержащему привилегированную функциюнеэлемент, называемую main. Обычно существует ровно один такой модуль на программу. Значок описания и значок тела обозначают файлы, которые содержат, соответственно, описания и реализации. В C++, например, модуль описаний соответствует заголовочному файлу с расширением .h, а модуль тела - файлу с текстом программы с расширением .cpp.

Рис. 5-32. Значки модулей и подсистем.

Смысл значка подсистемы мы раскроем в следующем разделе. Каждый модуль должен иметь имя; обычно это имя соответствующего физического файла в каталоге проекта. Как правило, такие имена пишутся без суффиксов, которые опознаются по типу значка. Если имя чересчур длинно, мы, как обычно, либо сокращаем его, либо расширяем значок. Каждое полное имя файла должно быть уникально в содержащей его подсистеме. В соответствии с правилами конкретной среды разработки, мы можем наложить ограничения на имена, такие, как условие на префиксы или требование уникальности в системе.

Каждый модуль содержит либо описание, либо определение классов и объектов, а также другие конструкции языка. По идее, "раскрыв" значок модуля на диаграмме, мы должны попасть внутрь соответствующего файла.

Рис. 5-33. Диаграмма модулей гидропонной системы.

Зависимости. Единственная связь, которая может существовать между двумя модулями, - компиляционная зависимость - представляется стрелкой, выходящей из зависимого модуля. В C++, например, мы указываем такую зависимость директивой #include.

Аналогично, в Ada компиляционная зависимость указывается фразой with. В множестве компиляционных зависимостей не могут встречаться циклы. Чтобы определить частичную упорядоченность компиляций, достаточно выполнить частичное упорядочение структуры модулей системы.

Пример. На рис. 5-33 показан пример обозначений модулей, в архитектуре системы тепличного гидропонного хозяйства. Мы видим здесь шесть модулей. Два из них, climatedefs и cropdefs, являются только описаниями и служат для предоставления общих типов и констант. Остальные четыре включают в себя и тела, и описания: это типичный стиль построения диаграмм модулей, так как описания и тела очень тесно связаны. На рисунке эти две части совмещены, и зависимость тела от описания получилась скрытой, хотя реально она существует. Также оказалось скрытым имя тела, но, по нашему соглашению, имена тела и описания различаются лишь суффиксами (.cpp и .h).

Зависимости на этой диаграмме предполагают частичное упорядочение компиляции. Например, тело модуля climate зависит от описания heater, которое, в свою очередь, зависит от описания climatedefs.Существенное: подсистемы. Как объяснялось в главе 2, большие системы могут быть разложены на несколько сотен, если не тысяч, модулей. Пытаться разобраться в физической архитектуре такой системы без ее дополнительного структурирования почти безнадежно. На практике разработчики стремятся следовать неформальному соглашению собирать связанные между собой модули в структуры типа каталогов. По этим соображениям мы введем понятие подсистемы на диаграмме модулей. Подсистемы представляют собой совокупности логически связанных модулей, примерно как категория классов представляет совокупность классов.

Подсистемы. Подсистемы служат частями физической модели системы. Подсистема - это агрегат, содержащий другие модули и другие подсистемы. Каждый модуль в системе должен жить в одной подсистеме или находиться на самом верхнем уровне.

На рис. 5-32 показано обозначение подсистемы. Как и модуль, подсистема должна быть именованной. Имена подсистем подчиняются тем же правилам, что и имена модулей, хотя полное имя подсистемы обычно не содержит суффиксов.

Некоторые модули, содержащиеся в подсистеме, могут быть общедоступны, то есть экспортированы из системы и видимы снаружи. Другие модули могут быть частью реализации подсистемы и не предназначаться для использования внешними модулями. По соглашению, каждый модуль подсистемы считается общедоступным, если явно не указано обратное. Ограничение доступа к модулям реализации достигается использованием тех же обозначений, что и для ограничения доступа в категории классов.

Подсистема может зависеть от других подсистем и модулей; модуль может также зависеть от подсистемы. Для единообразия мы используем прежнее обозначение зависимости. Система имеет один высший уровень, состоящий из подсистем и модулей высшего уровня абстракции. По его диаграмме разработчик получает представление об общей физической архитектуре системы.

Пример. На рис. 5-34 показан высший уровень диаграммы модулей для нашей системы тепличного хозяйства. Раскрыв любую из показанных семи подсистем, мы обнаружим все ее модули.

Рис. 5-34. Диаграмма модулей верхнего уровня для гидропонной системы.

Рассмотрим, как связаны физическая и логическая (рис. 5-7) архитектуры этой системы. Они практически изоморфны, хотя имеются небольшие различия. В частности, мы приняли решение отделить классы устройств нижнего уровня от категорий классов Климат и Удобрения, и поместить соответствующие им модули в одну подсистему, названную Устройства. Кроме того, мы разделили категорию классов Теплица на две подсистемы, названные УправлениеКлиматом и ВнесениеУдобрений.

Дополнительные понятия

Другие типы модулей. Некоторые языки, прежде всего Ada, определяют типы модулей, отличные от простейших, показанных на рис. 5-32. Например, Ada предусматривает обобщенные пакеты, обобщенные подпрограммы и задачи как раздельно компилируемые единицы. Поэтому есть основания дополнить основные обозначения значками типов модулей, специфических для данного языка.

Сегментация. Для платформ, имеющих ограничения по адресации или физической памяти, может быть принято решение генерировать код в различных сегментах, или даже организовать оверлейную структуру. Чтобы отразить такую сегментацию обозначения диаграммы модулей можно дополнить, снабдив каждый модуль меткой, обозначающей соответствующий сегмент кода или данных.

Спецификации. Так же, как диаграммы классов и объектов, каждый элемент диаграммы модулей может иметь спецификацию, которая определяет его полностью. Спецификации модулей и их зависимостей содержат только ту информацию, которая уже описана в этом разделе, поэтому мы не будем их рассматривать.

В интегрированной инструментальной среде, поддерживающей наши обозначения, разумно использовать диаграммы модулей для визуализации программных модулей системы. "Раскрытие" модуля или подсистемы на диаграмме модулей открывает соответствующий физический файл или каталог и наоборот.

5.7. Диаграммы процессов.

Существенное: процессоры, устройства и соединения

Обозначения. На рис. 5-35 показаны стандартные обозначения, которые мы используем для процессора и устройства, но разумно и даже желательно учесть возможность их изменения. Например, можно было бы ввести специальные значки для встроенного микрокомпьютера (процессор), диска, терминала и выпрямителя тока (устройства), и использовать их на диаграммах процессов вместо стандартных. Поступая таким образом, мы предлагаем визуализацию физической платформы нашей реализации, которая предназначена непосредственно техникам и системщикам, а также конечным пользователям системы, которые, вероятно, не являются специалистами в разработке программного обеспечения.

Вложенность. Физическая конфигурация системы бывает очень сложной и может представлять собой иерархию процессоров и устройств. В таких случаях полезно иметь возможность выделить группы процессоров, устройств и соединений, так же, как категории классов представляют логическое группирование классов и объектов. Мы изображаем такие группы именованными пунктирными прямоугольниками с закругленными углами. Мы можем раскрыть такой значок на диаграмме процессов и обнаружить вложенные процессоры и устройства. Не представляет затруднений определить соединения между этими группами.

Рис. 5-36. Диаграмма процессов гидропонной системыми с закругленными углами.

Планирование процессов. Мы должны некоторым образом определить порядок выполнения процессов на каждом процессоре. Имеется пять основных способов планирования, и мы можем указать на диаграмме для каждого процессора, какой из них использован, добавив к его значку одно из следующих имен:

Процесс с более высоким приоритетом, может отнимать процессор у исполняемого процесса с более низким приоритетом; обычно процессы

· Вытесняющее с одинаковым приоритетом получают равные промежутки времени для выполнения, так что вычислительные ресурсы распределены справедливо.

· Невытесняющее Текущий процесс продолжает выполняться на процессоре до тех пор, пока сам не уступит контроль над ним.

Для более подробного описания диспетчеризации процессов на конкретном процессоре бывает полезно привести диаграмму объектов или взаимодействий, особенно если используется алгоритмическое переключение.

Спецификации. По аналогии с элементами других диаграмм, процессоры, устройства и соединения могут иметь спецификации, которые дают их исчерпывающее определение. Всю информацию, включаемую в эти спецификации, мы уже обсудили в текущем разделе.

5.8. Применение системы обозначений

Результат объектно-ориентированного проектирования

Обычно результатами анализа системы будут наборы диаграмм объектов (чтобы выразить поведение системы через сценарии), диаграмм классов (чтобы выразить роли и обязанности агентов по поддержанию заданного поведения системы) и диаграммы состояний и переходов (чтобы показать упорядоченное событиями поведение этих агентов). Проектирование системы, в которое входит разработка ее архитектуры и реализации, порождает диаграммы классов, объектов, модулей, процессов, а также динамические ракурсы этих диаграмм.

Существует сквозная связь между этими диаграммами, позволяющая нам проследить требования от реализации обратно к спецификации. Начав с диаграмм процессов, можно найти главную программу, которая определена на некоторой диаграмме модулей. Эта диаграмма модулей содержит наборы классов и объектов, определения которых мы найдем на подходящих диаграммах классов или объектов. Наконец, определения отдельных классов указывают на наши исходные требования, потому что эти классы, в общем, непосредственно отражают словарь предметной области.

Описанной в этой главе системой обозначений можно пользоваться вручную, хотя, конечно, она просто напрашивается на автоматизацию. Автоматизированным инструментам проектирования можно поручить проверку целостности, ограничений и полноты документации. Они также помогают разработчику легко и быстро просматривать результаты анализа и разработки. Например, глядя на диаграмму модулей, разработчик может пожелать выяснить устройство конкретного механизма, и автоматизированный инструмент поможет ему отыскать все классы, объявленные в каком-то модуле. А от диаграммы объектов, описывающей сценарий, в котором использован один из классов, разработчик может перейти к структуре наследования этого класса. Наконец, если в сценарии есть активный объект, разработчик может использовать автоматизированный инструмент проектирования, чтобы отыскать процессор, которому выделен соответствующий поток управления, и увидеть анимированное поведение конечного автомата класса на этом процессоре. Использование автоматизированных инструментов позволяет освободить разработчика от бремени согласования деталей, позволяя ему сосредоточиться на творческих аспектах процесса проектирования.