Объектно-ориентированное проектирование
Автор: Патрикеев Ю. Н.
Объектно-ориентированное проектирование
Автор: Патрикеев Ю. Н.
Деловые компьютерные программы, используемые в бизнесе и научных исследованиях, строятся на основе моделей реального мира. В таких моделях реальным процессам и системам ставится в соответствие совокупность величин, называемых переменными состояния. Изменение состояния исследуемого процесса или системы отображается изменением переменных состояния модели. В общем случае математическая модель описывается набором переменных состояния и отношениями (связями) между этими переменными. Переменные состояния могут быть как числовыми, так и не числовыми, в том числе словами и предложениями естественного языка. Проектирование и разработка программ, реализующих модели сложных процессов и явлений достаточно сложны и трудоемки. Одним из подходов, обеспечивающих структурирование математической модели и упрощение ее программирования, является объектный подход, в котором реальный процесс или система представляются совокупностью объектов, взаимодействующих друг с другом.
Понятию “объект” сопоставляют ряд дополняющих друг друга определений. Ниже приведены некоторые из них.
Объект может быть охарактеризован структурой, состоянием объекта, его поведением и индивидуальностью.
Состояние объекта определяется перечнем всех возможных (обычно статических) свойств и текущими значениями (обычно динамическими) каждого из этих свойств. Свойства объекта характеризуются значениями его параметров.
Поведение объекта описывает, как объект воздействует на другие объекты или как он подвергается воздействию со стороны других объектов с точки зрения изменения его собственного состояния и состояния других объектов. Говорят также, что поведение объекта определяется его действиями.
Определенное воздействие одного объекта на другой с целью вызвать соответствующую реакцию называют операцией. В объектно-ориентированных языках программирования операции называют методами. Можно выделить пять типов операций:
Известна и другая классификация методов объекта, когда выделяют функции управления, реализации, доступа и вспомогательные функции.
Под индивидуальностью объекта понимают свойство объекта, позволяющее отличать этот объект от всех других объектов.
Объекты могут находиться в определенных отношениях друг к другу. Эти отношения могут быть иерархическими. Основные иерархические отношения - это отношения использования и включения.
Отношение использования реализуется посылкой сообщений от объекта A к объекту B. При этом объект A может выступать в роли:
Отношение включения имеет место, когда составной объект содержит другие объекты.
Структура и поведение сходных объектов определяют класс объектов.
Между классами также могут быть установлены отношения:
Объект, обладающий перечисленными характеристиками, в общем случае служит моделью реальной сущности, поскольку при описании объекта пренебрегают второстепенными или несущественными в конкретной ситуации свойствами.
Выделение надлежащим образом совокупности объектов и отношений между ними позволяет построить объектную модель определенной предметной области, а на основе такой модели разработать программные средства для исследования этой предметной области и принятия решений.
Приведенная выше характеристика объектного подхода соответствует применению его для построения и программирования имитационных моделей реальных процессов и систем.
С точки зрения собственно программирования объектный подход можно рассматривать как развитие понятия типов данных. Тип данного определяет множество значений, которые может принимать данное, и набор операций, которые могут быть выполнены над данными этого конкретного типа. В языках программирования предусматриваются некоторые предопределенные (базовые) типы данных, обычно это целые и вещественные числовые типы, символьные и строковые типы, а в ряде случаев и преобразования данных одного типа в другой. В языках программирования со строгой типизацией каждое данное принадлежит только одному типу и разрешаются только явные преобразования данных одного типа в другой. Строгая типизация повышает надежность разрабатываемых программ, позволяет выявить многие ошибки еще на этапе отладки программы. В языках программирования предусматривается и возможность построения новых типов данных, определяемых программистом, но для таких типов, как правило, отсутствует перечень допустимых операций.
Объектно-ориентированные языки программирования позволяют распространить требования строгой типизации на типы данных, определяемых программистом.
Объектно-ориентированный подход к проектированию программных изделий предполагает:
Объектно-ориентированный анализ (ООА) - это метод отождествления важных сущностей реального мира для понимания и объяснения того, как они взаимодействуют между собой. Говорят также, что ООА - это моделирование проблемы с целью формирования словаря предметной области, определения объектов и классов.
Известны несколько подходов к проведению ООА.
В книге Салли Шлеер и Стефана Меллора "Объектно-ориентированный анализ: моделирование мира в состояниях" выделено три этапа ООА:
В книге Гради Буча “Объектно-ориентированное проектирование с примерами применения” отмечаются альтернативные подходы к ООА:
Пусть требуется разработать пакет программ для решения расчетных задач, настраиваемый на конкретную предметную область. Каждая предметная область определяется совокупностью переменных и связей между этими переменными - формулами и алгоритмами для вычисления некоторых переменных по известным значениям других переменных. Такой пакет должен состоять из двух частей, универсальной, обеспечивающей ввод и представления данных пользователям и общее управление работой пакета, и функциональной части, содержащей алгоритмы вычислений для конкретной предметной области.
Предметная область ППП для решения расчетных задач может быть формально описана совокупностью трех множеств:
При использовании пакета пользователь может вводить некоторые данные из заранее определенного набора данных и запрашивать решение одной или нескольких задач, а затем выводить вычисленные данные на экран, в файл или на принтер. Пакет должен настраиваться на конкретную предметную область путем определения множеств X, F и R и подключения соответствующего набора обрабатывающих модулей (подпрограмм).
Объектно-ориентированный анализ проще всего начать с неформального описания и построения словаря предметной области. В данном случае такой словарь может включать понятия:
Данные (множество X):
множество данных,
элемент множества данных.
Элемент множества данных должен описываться его типом, уровнем агрегирования и наличием или отсутствием конкретного значения.
Задачи (множество F):
множество задач,
элемент множества задач (конкретная задача),
набор аргументов (входных и выходных данных задачи),
аргумент задачи.
Связи по определению (множество R):
множество связей,
элемент множества связей,
тип связи (старший - младший, функция-предикат).
Поскольку каждая задача должна реализовываться вызовом некоторого обрабатывающего модуля (подпрограммы), добавим соответствующие понятия.
Модули (множество M):
множество модулей,
элемент множества модулей,
список параметров модуля,
параметр модуля.
Элементы перечисленных множеств находятся в определенных отношениях между собой. Элемент множества задач использует элементы множества данных для передачи аргументов связанному с задачей модулю. Элементы множества связей либо связывают между собой пары данных, либо описывают некоторый предикат, аргументами которого служат элементы множества данных.
Кроме понятий - существительных следует выделить понятия - глаголы (действия), относящиеся к понятиям - существительным. В рассматриваемом примере действиями могут быть:
Предполагается, что перечисленные действия должны выполняться по командам пользователя. следовательно, все предыдущие рассуждения следует повторить для процесса диалога с пользователем. Отличие будет лишь в том, что для организации диалога, как правило, применяются готовые инструментальные средства и свойственные им основные понятия: диалоговое окно, объект ввода строкового данного, независимые и зависимые, списки строк.
Результаты ООА документируются наборами диаграмм и таблиц, отражающих как структуру выделенных классов объектов, так и отношения между ними.
Понятия, которые принимаются как кандидаты в используемые классы, описываются более подробно по специальному шаблону, который включает следующие характеристики класса:
Здесь под структурой понимаются как атрибуты класса (элементы-данные), так и действия (методы). Данные и методы разбиваются по уровням доступа, например, предполагая использование при программировании C++, выделяются уровни доступа public, protected и private.
Под интерфейсом класса понимаются элементы-данные, доступные из экземпляров других классов, и методы, которые могут вызываться из других классов.
Для классов желательно определить жизненные циклы экземпляров класса: когда, при каких условиях создается экземпляр класса, когда изменяется его состояние и когда он уничтожается. .
Поскольку в объектно-ориентированной системе экземпляры классов обмениваются сообщениями, следует определить для каждого класса поступающие его экземплярам сообщения и на их основе построить диаграммы перехода (описать класс как конечный автомат). В ряде случаев целесообразно построить модели состояний для каждого объекта и определить списки событий, изменяющих состояние объектов.
После выделения классов и их неформального описания могут быть построены модели процессов, которые должны быть реализованы в будущем программном изделии. В такой модели отражаются внешние события (действия пользователя) и вызываемые этими событиями действия с экземплярами классов.
Например, в рассматриваемом примере процесс определения нового данного должен включать ввод имени данного и его описания, включающего тип данного, уровень агрегирования, границы индексов для массива. После ввода пользователем имени данного нужно проверить, является ли это имя уникальным.
После ввода границ индекса для массива также нужно проверить их допустимость.
Если пользователь указал все характеристики данного правильно, нужно построить экземпляр объекта “данное” и включить его в множество данных.
Объектно-ориентированное проектирование (Object-Oriented Design - OOD) - это поступательный итеративный процесс. Граница между объектно-ориентированным анализом и проектированием расплывчата и построение проекта программного изделия состоит из ряда циклов, в которых уточняются описания классов и взаимодействия между ними, разрабатываются реализующие их программы, проводится их отладка и тестирование и по результатам каждого этапа уточняются рабочие документы предыдущих этапов, дорабатываются описания классов и программы. Эти циклы повторяются до получения требуемого результата.
В рассмотренном выше примере были выделены классы “множество данных” и “данное”. Пусть классу “множество данных” присвоено имя TXSet.
С учетом имеющихся инструментальных средств класс TXSet может быть построен на основе класса Array из библиотеки CLASSLIB, т.е. это множество может быть интерпретировано массивом. Массив представляет собой упорядоченную совокупность однотипных элементов, в то же время данные могут принадлежать различным типам и каждому тип соответствует свой набор характеристик. Это противоречие можно преодолеть, если элементами массива TXSet будут указатели на экземпляры данных.
Чтобы использовать указатели на экземпляры данных как элементы массива, все классы, определяющие типы данных, должны быть образованы из общего базового класса.
Пусть требуется обеспечить возможность использования числовых скалярных данных и массивов (векторов и прямоугольных матриц), а также данных типа строк и массива строк. Естественно определить для каждого такого типа свой класс: TDScal, TDArray, TDString, TDStringArray. В каждом из этих классов должно быть поле идентификатора данного ident, поле описания данного head и, возможно, поле flags, представляющее собой набор битов, дополняющих описание данного. Может оказаться удобным иметь и поля, содержащие количество знаков при представлении скаляра или элементов массивов (width) и количество цифр в дробной части для представления чисел (dec). Все эти данные можно объединить в классе TData, базовом для остальных классов данных. Таким образом, вместо одного класса “данное”, выделенного на этапе анализа, появилось пять классов. После этого следует вернуться к этапу анализа и оформить рабочие документы анализа для новых классов.
Аналогичным образом следует уточнить состав и определения остальных классов, выбранных на этапе анализа.
После определение перечня классов следует разработать семантику каждого класса - определить состав и назначение методов класса. При этом также может возникнуть необходимость выделения новых классов и, следовательно, повторение отдельных частей этапа анализа и новое уточнение ранее описанных классов.
Таким образом, процесс объектно-ориентированного проектирования состоит из циклического выполнения четырех основных шагов:
На каждом повторении этого цикла уточняются описания классов и перерабатываются проектные документы.