46223 (Аспектно-ориентированные методы в управлении информационными потоками баз данных ДП АСУТП)

Аспектно-ориентированные методы в управлении информационными потоками баз данных ДП АСУТП

Богданов Николай Константинович

В классах баз данных ДП АСУТП, также как и в классах программных систем, наблюдается проблема усложнения структуры из-за необходимости поддержки в них различных ограничений и требований к информационной системе в целом. Использование методов аспектно-ориентированного программирования позволяет отделить средства реализации контрактов классов от описываемых ими абстракций сущностей.

Введение. Сущность аспектно-ориентированного программирования

Методы объектно-ориентированного анализа и проектирования позволяют создать модель (архитектуру) информационной системы; провести анализ и создать на его основе модель предметной области. Типизации проектных решений служит широко распространенная концепция шаблонов, эффективные методы анализа и проектирования могут быть оформлены как стратегии.

Однако при разработке программной системы требуется также обеспечить выполнение различных требований к ней. Это могут быть требования к безопасности (необходимость авторизации при проведении транзакций клиент-сервер), качеству обслуживания, синхронизации операций чтения/записи и обеспечению целостности данных и др.

Ранее для специфицирования необходимости обеспечения некоторым классом определенных требований было введено понятие контракта [14]. Однако поддержка любого требования, не относящегося к сущности, описываемой классом, усложняет его структуру, более того, существует ряд требований, общих для многих различных классов или не являющихся функциональными, реализация которых в отдельных классах исключительно затруднена (такие требования называют “пересекающими” (crosscutting)). Требуется введение некоторого дополнительного программного “слоя”, на который было бы возложено выполнение “контрактных обязательств” классов, абстрагирующих сущности предметной области.

Для этого в 1997 г. группой разработчиков из Xerox PARC во главе с Г. Кикзалесом была предложена концепция аспектно-ориентированного программирования (АОП) [13]. Ими было явно введено понятие аспекта, которым является то свойство системы, которое не может быть явно реализовано в виде процедуры. “Аспекты имеют тенденцию не быть элементами функциональной декомпозиции системы, но скорее быть свойствами, которые системно воздействуют на производительность или семантику компонентов”. В этом аспекты противоположны компонентам, “имеющим тенденцию быть единицами функциональной декомпозиции системы”. Цель АОП – “поддержать программиста в четком разделении компонентов и аспектов друг от друга, обеспечивая механизмы, которые сделают возможным абстрагировать их и объединять для получения системы в целом”. (На русском языке концепции и преимущества АОП описаны в [3]).

В работе [11] рассматривается переход от контрактного проектирования к использованию аспектов. Имея в виду под словом “контракт” “спецификацию ограничений, которые должны быть соблюдены некоторой сущностью, запрашивающей услугу от другой сущности”, авторы указывают, что “обычно части проекта, которые реализуют определенный контракт, “рассеяны” (scattered) по всему проекту”. На те же проблемы “рассеивания”, а также на “запутывание” (tangling) структуры классов вследствие необходимости реализации в них механизмов поддержки требований, не связанных с описываемыми ими абстракциями, указывали С. Кларк и Р. Уолкер [8], подчеркивая, что “рассеивание и запутывание имеют негативное влияние на жизненный цикл разработки, с точек зрения возможностей понимания, отладки, развития, повторного использования” (классов и архитектуры системы в целом).

Неотъемлемой частью среды разработки, поддерживающей АО-парадигму, также является инструмент “связывания” (weaving), выполняющий генерацию результирующего программного кода (на этапе компиляции или даже во время выполнения) из двух, в общем случае независимых, проектов: реализующих функциональные требования и вынесенную в аспекты логику.

Для успешного применения любой техники программирования требуется не только ее поддержка языком программирования, но и возможность формализации принятых решений на этапе проектирования. Из этого следует необходимость наличия как минимум графической нотации для записи моделей, как максимум – методологии, формализующей процесс проектирования, и поддержки новой технологии в CASE-средствах разработки.

Обзор методов моделирования аспектов

Как отмечают авторы [16], в то время как существует поддерживающий АО- концепции язык программирования AspectJ [5], отсутствует реализованный язык моделирования, поддерживающий проектирование AspectJ-программ. Предложениям по разработке подобного языка посвящено большое количество работ, представленных на различных конференциях в 1998-2002 гг.

Подавляющее большинство исследователей предлагают основываться на существующем стандарте UML [2] и применить существующие в нем механизмы расширения графической нотации сущностей и отношений (стереотипы, ограничения, помеченные значения) для описания дополнительных концепций AO-проектирования.

Так, в работе [15] предлагается ввести три новых концепции: группы (для целей классификации гетерогенных и распределенных сущностей), пересекающие отношения (позволяющие программисту определить “точки пересечения” аспекта с функциональной программой), аспектные классы (реализующие расширения программы в точках пересечения). Графически это предполагает использование имеющихся в UML элементов: классов и ассоциаций с добавлением стереотипов “group”, “pointcut”, “aspect”. Для методов аспектного класса вводятся стереотипы “before”, “after”, “around”, описывающие момент их вызова по отношению к вызову “пересекаемых” функций, а также предлагается набор правил определения и интерпретации семантики ролей и кратностей для пересекающих отношений.

В [12] рассматривается выделение аспектов в программной системе. Примеры диаграмм в этой работе похожи на приводимые в [15]: аспект рассматривается как диспетчер взаимодействия двух взаимозависимых классов и других, предоставляющих некоторую функциональность. Но, в отличие от [15], в модель явно вводится понятие “точки пересечения”, которую предлагается моделировать как вариант класса, а не как вариант ассоциации, более подробно рассмотрены “точки соединения” – места взаимодействия с аспектом, прерывания/возобновления выполнения основной программы. “Точки соединения могут быть объединены для построения интерфейса аспекта, также как множество интерфейсов в UML могут быть объединены в форму интерфейса класса”. Вводится понятие парных (conjugated) точек соединения, в которых происходит вызов методов с одинаковыми сигнатурами, но направления потока управления противоположны (в которых управление передается аспекту и возвращается им).

С. Кларк и Р. Уолкер предлагают свой вариант нотации [8] для описания аспектов средствами UML. Они предлагают использовать параметризируемые пакеты (что само по себе является непредусмотренным расширением UML) со стереотипом “subject”, поскольку в принципе рассматривают аспекты как элементы субъектно-ориентированного проекта. Внутри пакета могут быть размещены диаграммы классов и взаимодействия, что позволяет графически показать поведение программы после связывания. Такой пакет является в терминологии авторов “композиционным шаблоном”. При этом, “параметризируя проектный субъект и обеспечивая механизм для привязки этих параметров к элементам модели в других проектных субъектах, мы можем определить композицию пересекающего поведения с основным проектом способом, допускающим повторное использование”. Предлагаемая семантика (отношение композиции, расширяемое строкой bind) оперирует классами и методами связываемых субъектов.

В [16] авторы рассматривают моделирование “пересекающих эффектов” отдельно в структуре типов и в поведении некоторой системы. Оригинальность их подхода заключается в предложении использовать параметризируемые, помеченные стереотипом “introduction” кооперации для определении свойств (атрибутов, операций) и отношений каждого из “пересечений” аспектных и обычных классов. Параметр кооперации используется для определения правил связывания (фактически – инстанцирования кооперации и ее встраивания в существующую систему классов). Помимо этих коопераций, в аспектных классах вводятся, независимо от методов, элементы со стереотипами “pointcut” и “advice”: “точки пересечения” и “извещения”, определяющие пересечение логики аспекта и программной системы, и вводящие механизм перехвата управления. Предложенная нотация базируется на концепциях языка AspectJ, но является излишне усложненной.

Разработчики UML указывают, что “На практике для именования класса используют одно или несколько коротких существительных, взятых из словаря моделируемой системы” [2]. Аналогично, в большинстве рассмотренных работ имя аспектного класса является наречием и показывает выполняемую операцию.

Помимо рассмотренных выше четырех работ, предлагающих проработанные, готовые к практическому применению графические нотации, доступно большое количество статей теоретической направленности. Так, в [4] делается попытка формализовать использование средств расширений UML для специфицирования понятий АО-методологии. Для этого используется понятие “профиля” UML – механизма, позволяющего описать правила использования средств расширения языка в некоторой предметной области. Расширяя метамодель UML, авторы определяют набор стереотипов и их приложение к таким элементам метамодели, как класс и ассоциация. Авторы [17] также предлагают расширить метамодель UML для описания аспектных классов и отношений, но основной акцент сделан на предложении основанного на правилах XML языка разметки для описания проектных моделей, в частности, содержащих аспекты. Выгоды его введения обосновываются необходимостью наличия “нейтрального по отношению к приложениям формата” для коммуникации между разработчиками, облегчением повторного использования описаний аспектов, а также их разделением между различными средствами проектирования, связывания, кодогенерации. Комплексным подходом отличается статья известных разработчиков из IBM У. Харрисона, П. Терра и Г. Оссхера [9], в которой они рассматривают способы, какими информация об аспектах может быть отражена на различных диаграммах UML. Здесь же следует упомянуть работы С. Кларк [6, 7], в которых она “представляет подход к разработке систем, базирующийся на объектно-ориентированной модели, но расширяющий ее добавлением новых возможностей декомпозиции”. В докладе [10] представлен прототип автоматизированного средства для преобразования высокоуровневых моделей UML, поддерживающих абстракции АОП, к низкоуровневым детализированным моделям, по которым может быть сгенерирован программный код, т.е. предложено проводить связывание на уровне моделей.

Целью следующей части настоящей статьи является дать представление о применимости АО-методов в обработке информационных потоков в объектно-ориентированной среде, вариантом реализации которой является объектная (объектно-иерархическая) база данных программного комплекса диспетчерского пункта (ДП) АСУТП. При составлении диаграмм мы будем придерживаться нотации, предложенной в [15].

Базы данных ДП АСУТП и задачи управления информационными потоками

Большинство СУБД ДП АСУТП используют модели набора сущностей или иерархическую, а не распространенную в остальных классах систем хранения данных реляционную [1]. Это связано с более высоким быстродействием выборки данных, простотой программной реализации, возможностью отразить в иерархии групп данных структуру автоматизируемого производства, наличием методов относительной адресации. При использовании модели набора сущностей область хранения данных организована линейно, но производится упорядочивание объектов с использованием методов наименования, а логические взаимосвязи между ними с необходимостью приводят к построению некоторого графа. Исходя из этого, в данной работе рассматривается класс так называемых объектно-иерархических СУБД, предоставляющих механизмы упорядочивания хранимых объектов и программный интерфейс манипулирования ими.

База данных ДП АСУТП является как приемником, запрашивающим данные от внешних систем, так и их пассивным источником и таким образом выполняет роль маршрутизатора информационных потоков от систем автоматики и телемеханики к графическим приложениям, системам коммерческого учета и планирования производства, экспертным системам. При этом возникают общие для систем хранения и обработки данных задачи: выполнение функциональных операций; поддержание целостности и эквивалентности реплик данных; а также специализированные – взаимодействие с подсистемой информационного обмена и т.п.

Реализация функциональных операций

Простейший случай использования аспекта – реализация некоторого функционального требования, необходимого разным (не имеющим общего базового) классам. В этом случае аспект становится похож на статический класс-утилиту (utility class), с более четко формализованным в проекте правилом его использования.

Для примера рассмотрим класс, хранящий некоторое значение и его метку времени, имеющий два полиморфных метода записи нового значения: один с передаваемой меткой времени, другой – без нее. Тогда в случае, когда метка времени не передана, необходимо определить текущее время системы и записать его. Для этих целей введем аспектный класс TimeStamping. Его можно показать на диаграмме классов (рис. 1а), при этом мы показываем связанность аспекта не с одним, а с группой классов, объединяет которые в данном случае только необходимость получения значения текущего времени. То, что в принятой нотации группа моделируется как вариант класса, а не пакета UML, позволяет указать для нее методы, подразумевая, что они присутствуют во всех классах, составляющих группу. (Здесь и далее мы задаем имя группы Signal, подчеркивая, что оперируем с множеством классов, хранящих значение некоторого аналогового, дискретного, логического измерения; единицу справочной информации или производную от этих значений величину). Диаграмма взаимодействия (рис. 1б) показывает последовательность выполняемых операций после выполнения связывания (генерации программного кода). При вызове метода SetValue(value) происходит “пересечение”; мы показываем это тем, что на “линии жизни” объекта класса Signal не отмечен фокус управления, который сначала переходит экземпляру аспектного класса, и только потом возвращается им.

Рис. 1. Реализация функциональных операций аспектным классом.