Языки программирования / Книги / ob''ektno-orientirovannyj_analiz_i_proektirovanie

23]. С другой стороны, наблюдения показывают, что при вызове методов динамический поиск действительно необходим примерно в 20% случаев. В строго типизированных языках компилятор часто может определять, какие вызовы могут быть связаны статически и сгенерировать для них вызов процедуры вместо динамического поиска.

Другая причина снижения производительности кроется не столько в природе объектноориентированных языков, сколько в способе их использования в процессе объектноориентированной разработки. Как говорилось уже много раз, объектно-ориентированная технология порождает многослойные системы абстракций. Одно из следствий этого расслоения в том, что каждый метод оказывается очень маленьким, так как он строится на методах нижнего уровня. Другое следствие расслоения: иногда методы служат лишь для того, чтобы получить доступ к защищенным атрибутам объекта. В результате происходит слишком много вызовов. Вызов метода на высшем уровне абстракции обычно влечет каскад других вызовов; методы верхних уровней вызывают методы нижних уровней и т.д. Для приложений, в которых время - ограниченный ресурс, недопустимо слишком большое количество вызовов методов. Опять же, с позитивной стороны такое слоение способствует пониманию системы; к некоторым сложным системам невозможно даже подступиться, если не начать с проектирования слоев. Мы рекомендуем сначала проектировать систему с желаемыми функциональными свойствами, а потом определять узкие места. Часто их можно "расшить", объявив соответствующие методы как подстановки (выигрывая тем самым время), "подчистив" иерархию классов или нарушив инкапсуляцию атрибутов класса.

Похожий риск для потери производительности происходит из-за большого количества наследуемого кода. Класс, лежащий глубоко в структуре наследования, может иметь много суперклассов; при компоновке программы должно быть подгружено описание их всех. Для маленьких приложений это практически может означать, что нужно избегать глубоких иерархий классов, потому что они требуют чрезмерного количества объектного кода. Проблему можно несколько смягчить, используя высокоразвитые компиляторы и компоновщики, которые могли бы устранять бесполезные участки программы.

Еще один источник проблем для производительности объектно-ориентированных программ - их поведение в системе со страничной организацией памяти. Большинство компиляторов выделяет память сегментами, размещая каждый компилируемый модуль (обычно файл) в одном или более сегментах. Это подразумевает локальность большинства ссылок: процедуры в одном сегменте вызывают в основном процедуры в том же сегменте. В больших объектно-ориентированных системах все не так. Код каждого класса размещается в отдельном файле, а раз его методы интенсивно используют методы других (особенно вышестоящих) классов, при их выполнении происходит интенсивное переключение сегментов. Это поведение противоречит тому, чего большинство компиляторов ожидает от программ, особенно в системах с конвейерным процессором и страничной организацией памяти. Это еще один пример того, почему нужно разделять логические и физические аспекты проекта. Если программа работает слишком медленно из-за чрезмерно частого переключения страниц, можно попробовать изменить физическое расположение классов в модулях. Это проектное решение, касающееся физической модели системы - на логику программы оно не повлияет.

Наконец, еще одна составляющая риска - динамическое размещение и уничтожение объектов. Динамическое выделение памяти из "кучи" сопряжено с дополнительными вычислительными расходами по сравнению с размещением данных в стеке и (конечно) статическим резервированием при компиляции. Во многих системах это не вызывает никаких практических проблем, но иногда дополнительные накладные расходы

непозволительны. Существуют простые решения: откажитесь от динамического создания объектов и разместите их все заранее, или замените стандартный алгоритм выделения памяти на специально приспособленный для ваших нужд.

И опять о хорошем: положительные свойства объектно-ориентированных систем часто окупают все перечисленные выше неприятности. Например, Руссо и Каплан сообщают, что производительность программы на C++ часто бывает выше, чем ее функционального эквивалента на С. Выигрыш, как они полагают, связан с использованием виртуальных функций, благодаря которым можно сэкономить на проверке типов и опустить многие управляющие конструкции. Согласно нашему опыту, код объектно-ориентированной программы и в самом деле обычно короче.

Для некоторых проектов начальные затраты на переход к объектно-ориентированной технологии могут оказаться непреодолимыми. Как при всякой смене технологии, придется вкладывать деньги в покупку новых инструментальных средств разработки. Кроме того, если какой-либо объектно-ориентированный язык используется организацией впервые, то нет и предметно-специфического задела для повторного использования. Короче говоря, приходится начинать все сначала или найти какой-то способ использовать существующие программы в объектно-ориентированном окружении. Наконец, первая попытка объектно-ориентированной разработки наверняка провалится, если не было проведено соответствующее обучение. Объектная ориентация - это не "еще один" язык программирования, который можно выучить на трехдневных курсах или по книжке. Как мы многократно указывали, требуется время, чтобы освоить объектно-ориентированное проектирование как новое мировоззрение, которое должно быть усвоено как разработчиками, так и менеджерами.

Выводы

•Успешная разработка и внедрение сложных программных систем - это нечто больше, чем просто программирование.

•Многие приемы традиционного менеджмента программных разработок, например, просмотр, применимы и в объектно-ориентированной технологии.

•В стабильном состоянии объектно-ориентированные проекты требуют меньших ресурсов, а роли, необходимые для управления этими ресурсам, несколько отличаются от традиционных.

•В процессе объектно-ориентированной разработки нельзя производить интеграцию всего сразу и за один раз; структурными единицами управления для релизов должны быть категории классов и подсистемы, а не отдельные файлы и классы.

•Повторным использованием надо заниматься специально.

•График числа обнаруженных ошибок за определенное время и плотность ошибок - полезные количественные меры качества объектно-ориентированных программ. Существует ряд полезных количественных характеристик, ориентированных на классы.

•Документация никогда не должна ставиться во главу угла при разработке.

•Объектно-ориентированная разработка требует иного инструментария по сравнению с традиционными методами.

•Переход организации на объектно-ориентированные технологии - это смена мировоззрения, а не просто изучение нового языка программирования.

•Объектно-ориентированные технологии связаны как с выгодами, так и с опасностями, но опыт показывает, что выгод много больше.

Дополнительная литература

Ван Генучтен (Van Genuchten) [H 1991] и Джоунс (Jones) [H 1992] изучали понятие риска в программном обеспечении. Об образе мышления отдельного разработчика см. работу Вейнберга (Weinberg) [J 1971, H 1988]. Абдель-Хамид и Мэдник (Abdel-Hamid and Madnick) [H 1991] изучали динамику программистских групп.

Глиб (Gilb) [H 1988] и Чаретте (Charette) [H 1989] - это основные ссылки по практике менеджмента разработки программного обеспечения. Работа Арона (Aron) [H 1974] предлагает сравнительный взгляд на управление индивидуальным программистом и командой программистов. Что практически происходит, когда прагматика выталкивает теорию в окно, см. в работах Гласса (Glass) [G 1982], Ламмерса (Lammers) [H 1986] и

Хэмфри (Hamphrey) [H 1989].ДeMapко и Листер(DeMarco and Lister) [H 1987], Иордан (Yourdon) [H 1989], Реттиг (Rettig) [H 1990] и Томсет (Thomsett) [H 1990] предложили ряд рекомендаций, интересных для менеджера разработки.

Детали управления просмотром см. в работах Вейнберга и Фридмана (Weinberg and Freedman) [H 1990] и Иордана (Yourdon) [H 1989a].

Шулмейер и МакМанус (Schulmeyer and McManus) [H 1992] - прекрасная традиционная ссылка по вопросу гарантирования качества программного обеспечения. Чидамбер и

Keмеpep(ChidamberandKemerer)[H 1991] и Вош(Walsh) [H 1992, 1993] изучают обеспечение качества и количественные характеристики в контексте объектноориентированных систем.

Советы по поводу перехода на объектную модель (как индивидуальные, так и для целых организаций) можно найти в работах Голдберга (Goldberg) [G 1978], Голдберга и Кэя

(Goldberg and Kay) [G 1977] и Кемпфа (Kempf) [G 1987].

ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ Примеры приложений

Чтобы построить теорию, необходимо как следует знать основные феномены изучаемой области. Что касается теории вычислений, то мы не знаем этого предмета настолько, чтобы изложить его на высоком уровне абстракции. Напротив, нам следует объяснять хорошо изученные конкретные примеры, на основе которых мы сможем догадаться об общих принципах и обосновать их.

Марвин Минский (Marvin Minsky)

Форма и содержание в компьютерной науке

(Form and Content in Computer Science)

Глава 8

Система сбора данных: метеорологическая станция

Теория теорией, но сточки зрения инженера-практика никакая, даже самая элегантная методология, предлагаемая учеными, не стоит и ломаного гроша, если она не помогает в построении реальных, работающих систем. Предыдущие семь глав были лишь прелюдией к данному разделу книги, где будут рассмотрены приложения объектно-ориентированного анализа к решению практических задач. В этой и в оставшихся четырех главах мы будем придерживаться следующей схемы: рассмотрев требования к той или иной системе, формализуем задачу, используя стандартные условные обозначения, и далее, в процессе объектно-ориентированной разработки, придем к некоторому решению. В качестве примеров был выбран ряд самых разнообразных областей, включая обработку данных, информационные системы, искусственный интеллект и управление. Каждой из них присущи свои особенности. Здесь вы не найдете подробного описания полученных решений, так как в этой книге мы обращаем основное внимание на анализ и проектирование, а не на программирование как таковое. Мы, однако, включили достаточно полное описание перехода от анализа к проектированию и, затем, к реализации проекта, а также обратили внимание на наиболее интересные аспекты, связанные с особенностями архитектуры рассматриваемых систем.

Требования к метеорологической станции

Система должна обеспечивать автоматический мониторинг следующих первичных погодных параметров:

•скорость и направление ветра;

•температура;

•барометрическое давление;

•влажность воздуха.

Система также должна вычислять некоторые производные параметры, в число которых

входят:

•коэффициент резкости погоды;

•точка росы;

•относительное изменение температуры;

•относительное изменение барометрического давления.

Всистеме должна быть предусмотрена возможность определения текущего времени и даты, которые будут использоваться при генерации сообщении о максимальных и минимальных значениях первичных параметров за последние 24 часа.

Система должна обеспечивать постоянный вывод на дисплей текущих значений всех восьми первичных и производных параметров, а также текущее время и дату. Пользователь должен иметь возможность увидеть максимальные и минимальные значения любого из первичных параметров за 24 часа, сопровождаемые информацией о времени произведения соответствующего замера.

Система должна позволять пользователю проводить калибровку датчиков по известным опорным значениям, а также устанавливать текущие время и дату.

8.1. Анализ

Определение границ рассматриваемой задачи

Врезка ознакомила вас с требованиями к системе мониторинга погоды. Это довольно простая задача, решение которой позволяет обойтись всего несколькими классами. Инженер, не вполне искушенный во всех особенностях объектно-ориентированного анализа, может сделать поспешный вывод о том, что в данном случае наиболее простым и эффективным будет отказ от объектно-ориентированного подхода. Он обратится к рассмотрению потоков данных и входных/выходных значений. Тем не менее, как мы увидим в дальнейшем, даже для такой небольшой системы лучше ввести объектноориентированную архитектуру, которая прекрасно проиллюстрирует некоторые основные принципы, лежащие в основе объектно-ориентированной разработки.

Мы начнем наш анализ с рассмотрения аппаратной части системы. Это задача системного анализа. Она включает в себя такие вопросы, как технологичность и стоимость системы, которые выходят за рамки данной книги. Для того, чтобы сузить проблему, ограничившись анализом и проектированием только программных средств, сделаем следующие стратегические предположения об аппаратной части:

•Используется компьютер с одним процессором i486 [Это решение может показаться

избыточным, но сейчас платформы на базе 486-го процессора ненамного дороже компьютеров с процессорами предыдущих поколений. Закладывая в требования избыточную производительность

компьютера, мы обеспечиваем больший срок жизни разрабатываемой системы].

•Системные время и дата поддерживаются встроенными часами, соответствующие значения отображаются в оперативную память.

•Температура, барометрическое давление и влажность определяются встроенными контроллерами, которые соединены с соответствующими датчиками; показания контроллеров также отображены в оперативную память.

•Направление ветра измеряется с помощью флюгера с точностью до одного из 16 направлений; скорость ветра определяется анемометром со счетчиком оборотов.

•Ввод команд пользователем осуществляется с помощью клавишной панели (похожей на телефонную), сигналы которой обрабатываются с помощью встроенной платы. Эта же плата обеспечивает звуковой сигнал после каждого нажатия клавиши. Последняя команда пользователя сохраняется в памяти.

•Экраном служит обычный жидкокристаллический дисплей. Встроенный контроллер дисплея обеспечивает вывод на экран небольшого набора графических примитивов: линий и дуг, закрашенных областей и текста.

•Встроенный таймер посылает прерывания через каждую 1/60 долю секунды.

На рис. 8-1 приведена диаграмма, иллюстрирующая состав аппаратной части системы.

Рис. 8-1. Аппаратное обеспечение системы мониторинга погоды.

Мы решили несколько упростить аппаратную модель для того, чтобы уделить больше внимания программной части. Очевидно, можно было бы вообще не определять типы устройств ввода команд и вывода информации на экран, что почти не затронуло бы архитектуру системы. Одной из особенностей объектно-ориентированного подхода является стремление говорить на языке проблемной области, что облегчает проведение параллелей между программными абстракциями и ключевыми понятиями исходной задачи. Изменения в аппаратной части оказывают влияние лишь на некоторые нижние уровни системы.

Что касается особенностей организации ввода/вывода посредством отображения в память, то нам не хотелось бы подробно на них останавливаться, так как эти детали в большой степени зависят от способа реализации проекта. Мы можем легко изолировать наши программные абстракции от этих "неинтересных" подробностей, скрыв их в реализациях соответствующих классов. Например, имеет смысл создать простой класс для определения текущего времени и даты: для этого надо провести небольшой анализ, в процессе которого придется рассмотреть роли и обязанности данной абстракции [На самом деле, прежде чем создавать класс, полезно порыться в доступных вам библиотеках и постараться найти там что-нибудь похожее. Класс времени и даты - хороший кандидат на повторное использование, и скорее всего кто-нибудь уже разработал и отладил подобную абстракцию. Однако, для целей нашего изложения лучше предположить, что такого класса в готовом виде не нашлось]. Мы, в частности, могли бы прийти к решению, что данный класс ответственен за отслеживание информации о текущем времени в часах, минутах и секундах, а также о дате (текущий месяц, день и год). В результате анализа мы также могли бы сделать вывод о том, что среди обязанностей класса необходимо выделить две услуги: предоставление информации о текущем времени (currentTime) и о текущей дате (currentDate). Операция currentTime возвращает текстовую строку следующего формата:

13:56:42

показывающую текущие час, минуту и секунду. Операция currentDate возвращает строку следующего формата:

3-20-98

показывающую текущие месяц, день и год.

Дальнейший анализ подсказывает, что могут понадобиться более полные абстракции, позволяющие клиенту выбирать между 12- и 24-часовым форматом времени. Одно из возможных решений - введение дополнительного модификатора setFormat, меняющего формат представления текущего времени.

Определив поведение данной абстракции с точки зрения клиента, мы предлагаем затем четко разделить интерфейс класса и его реализацию. Основная идея состоит в том, чтобы сначала определить внешний интерфейс каждого класса, не задумываясь при этом об особенностях его внутреннего строения. Реализация интерфейса класса через его внутреннее устройство происходит на этапе разработки. Реализация класса осуществляет связь между внешним представлением об абстракции и ее воплощением в конкретной аппаратной платформе, которую, как правило, инженер-программист изменить не в силах. Но при этом, конечно, надо следить, чтобы разрыв между программной абстракцией и внутренним устройством не был слишком большим и не требовал от программиста громадных усилий по "склеиванию" совершенно разнородных понятий.

Рис. 8-2. Жизненный цикл класса TimeDate.

Предположим, что наша аппаратная модель обеспечивает доступ ко времени и дате как к 16-битовому целому числу, которое показывает, сколько секунд прошло со времени включения компьютера [В простейшем случае может использоваться аппаратно реализованный счетчик, увеличивающий свое значение на единицу каждую секунду. Более изощренная реализация может использовать микросхему времени/даты с питанием от батарейки. В любом случае, внешний вид этого класса (контракт с клиентами) должен быть одним и тем же. Наша реализация класса отвечает за поддержание этого контракта на данной аппаратной платформе]. Тогда наш класс времени и даты должен обеспечивать пересчет этой сырой информации в полезные значения, что, в свою очередь, диктует необходимость добавления новых операций setHour, setSecond, setDay, setMonth и setYear, определяющих на основе первичных данных текущие час, секунду, день, месяц и год.

Теперь подведем итоги. Абстракция класса времени и даты выглядит так:

Имя:

TimeDate

Ответственность:

Поддержание информации о текущем времени и о текущей дате. Операции:

CurrentTime - текущее время currentDate - текущая дата setFormat - установка формата setHour - установка часа setMinute - установка минут setSecond - установка секунд setMonth - установка месяца setDay - установка дня setYear - установка года Атрибуты:

time - время date - дата

Экземпляры этого класса имеют динамический жизненный цикл, который отражен в диаграмме состояний и переходов на рис. 8-2. Мы видим, что при инициализации экземпляра класса происходит обнуление значений атрибутов и безусловный переход в рабочее состояние в режиме 24-часового формата. В рабочем состоянии можно переключать режимы с помощью операции setFormat. Операция переустановки времени и даты нормализует его атрибуты вне зависимости от текущего вложенного состояния объекта. Запрос относительно текущего времени или даты приводит к выполнению необходимых вычислений и генерации текстовой строки.

Мы достаточно детально определили поведение этой абстракции и теперь можем использовать ту же схему при изучении других сценариев, обнаруженных при анализе. Но прежде рассмотрим поведение других объектов нашей системы.

Класс TemperatureSensor (температурный датчик) служит аналогом аппаратного температурного датчика нашей системы. Изолированный анализ поведения этого класса дает в первом приближении следующий результат:

Имя:

TemperatureSensor

Ответственность:

Поддержание информации о текущей температуре. Операции:

currentTemperature - текущая температура setLowTemperature - установка минимальной температуры setHighTemperature - установка максимальной температуры Атрибуты:

temperature - температура

Название операции currentTemperature (текущая температура) говорит само за себя. Назначение двух других операций (установка минимальной и максимальной температур) прямо определяется требованием к системе, а именно необходимостью проведения калибровки датчиков. Сигнал от каждого датчика - это число с фиксированной точкой из некоторого рабочего диапазона, граничные значения которого должны быть заданы. Промежуточные значения температуры вычисляются простой линейной интерполяцией между этими двумя точками, как показано на рис. 8-3.

Внимательный читатель может задать закономерный вопрос: зачем мы создаем специальный класс для данной абстракции, когда в требованиях к системе ясно сказано, что температурный датчик может быть только один? Это верно, но в целях обеспечения возможности повторного использования абстракции мы все же выделяем ее в отдельный класс. На самом деле количество температурных датчиков не должно влиять на архитектуру нашей системы, и, выделяя отдельный класс TemperatureSensor, мы открываем возможность его использования в других программах подобного типа.

Абстракция для датчика барометрического давления может выглядеть следующим образом:

Имя:

PressureSensor

Отвественность:

Поддержание информации о текущем барометрическом давлении. Операции:

currentPressure - текущее давление

setLowPressure - установка минимального давления setHighPressure - установка максимального давления Атрибуты:

pressure - давление

Рис. 8-3. Калибровка класса-датчика TemperatureSensor.

Однако, при более подробном рассмотрении требований к системе выясняется, что мы упустили одну важную характеристику поведения данных классов. А именно, требования к системе предусматривают определение тенденций изменения температуры и барометрического давления (относительное изменение, тренд). В настоящий момент (на этапе анализа) мы обратим основное внимание на природу этого поведения и, самое важное, выясним, какая абстракция должна отвечать за него.

И для температурного датчика, и для датчика давления тренд может быть определен как вещественное число, изменяющееся в диапазоне от -1 до 1 и представляющее собой наклон графика изменений температуры и давления на некотором интервале времени

[Значение 0 показывает, что температура или давление стабильно. Значение 0.1 указывает на небольшой рост, значение -0.3 соответствует резкому уменьшению. Значения, близкие к -1 и 1 намекают на природный катаклизм, выходящий за рамки тех сценариев, в которых наша система должна исправно работать]. Таким образом, к описанию двух вышеупомянутых классов можно добавить еще одну ответственность и соответствующую ей операцию:

Ответственности:

Определение тренда давления или температуры как наклона графика (в линейном приближении) изменения их значений за данный интервал времени.

Операции: trend - тренд

Отметив сходство поведения обоих классов, разумно было бы создать общий суперкласс, ответственный за определение тренда. Назовем его TrendSensor.

Вообще говоря, подобная схема не является единственно возможной. Мы решили передать ответственность за определение тренда датчикам. Можно было бы создать внешний по отношению к датчикам класс, который бы периодически их опрашивал и вычислял тренд, но мы отвергли такой вариант, так как он неоправданно усложнил бы систему. Первоначальное описание классов температурного датчика и датчика давления уже подразумевало возможность вычисления тренда "своими силами", а выявив общность (организовав суперкласс TrendSensor), мы получили в результате простую и связную систему абстракций.

Абстракцию, соответствующую датчику влажности, можно определить следующим образом:

Имя:

HumiditySensor

Ответственность:

Поддержание информации о текущей влажности, выраженной в процентах от 0% до

100%.

Операции:

currentHumidity - текущая влажность setLowHumidity - установка минимальной влажности

setHighHumidity - установка максимальной влажности Атрибуты:

humidity - влажность

Нам не ставится задача определения тренда влажности, поэтому класс HumiditySensor, в отличие от классов TemperatureSensor и PressureSensor, не является потомком класса

TrendSensor.

Однако требования к системе подразумевают наличие общего поведения для всех трех вышеперечисленных классов. В частности, мы должны обеспечить показ максимального и минимального значений каждого параметра за 24-часа. Эту обязанность можно отразить в следующем описании, общем для всех трех классов:

Отвественность:

Генерация сообщений о максимальных и минимальных значениях параметров за 24-часа.

Операции:

highValue - максимальное значение lowValue - минимальное значение