LecTP15 (Лекции в ворде)

10

Не умножай число имеющихся сущностей.

Вильям Оккам

Лекция 15.

ОЪЕКТНЫЙ ПОДХОД К РАЗРАБОТКЕ

ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ

15.1. Объекты и отношения в программировании. Сущность объектного подхода к разработке программных средств.

Окружающий нас мир состоит из объектов и отношений между ними [15.1]. Согласно В. Далю [15.2] объект (предмет)  это все, что представляется чувствам (объект вещественный) или уму (объект умственный). Таким образом, объект воплощает некоторую сущность и имеет некоторое состояние, которое может изменяться со временем как следствие влияния других объектов, находящихся с первым в каких-либо отношениях. Он может иметь внутреннюю структуру: состоять из других объектов, также находящихся между собой в некоторых отношениях. Исходя из этого, можно построить иерархическое строение мира из объектов. Однако, при каждом конкретном рассмотрении окружающего нас мира некоторые объекты считаются неделимыми, причем в зависимости от целей рассмотрения такими (неделимыми) могут приниматься объекты разного уровня иерархии. Отношение связывает некоторые объекты: можно считать, что объединение этих объектов обладает некоторым свойством. Если отношение связывает n объектов, то такое отношение называется n-местным (n-арным). На каждом месте объединения объектов, которые могут быть связаны каким-либо конкретным отношением, могут находиться разные объекты, но вполне определенные (в этом случае говорят: объекты определенного класса). Одноместное отношение называется простым свойством объекта (соответствующего класса). Многоместное отношение объектов будем называть ассоциативным свойством объекта, если этот объект участвует в этом отношении. Состояние объекта может быть изучено по значению простых или ассоциативных свойств этого объекта. Множество всех объектов, которые обладают каким-то общим набором свойств, называется классом объектов.

В процессе познания или изменения окружающего нас мира мы всегда принимаем в рассмотрение ту или иную упрощенную модель мира (модельный мир), в которую включаем объекты и отношения некоторых интересующих нас классов из окружающего нас мира. Каждый объект, имеющий внутреннюю структуру, может представлять свой модельный мир, включающий объекты этой структуры и отношения, которые их связывают. Таким образом, окружающий нас мир, можно рассматривать (в некотором приближении) как иерархическую структуру модельных миров.

В настоящее время в процессе познания или изменения окружающего нас мира широко используется компьютерная техника для обработки различного рода информации. В связи с этим применяется компьютерное (информационное) представление объектов и отношений. Каждый объект информационно может быть представлен некоторой структурой данных, отображающей его состояние. Простые свойства этого объекта могут задаваться непосредственно в виде отдельных компонент этой структуры, либо специальными функциями над этой структурой данных. Ассоциативные свойства (n-местные отношения для n>1) можно представить либо в активной форме, либо в пассивной форме. В активной форме n-местное отношение представляется некоторым программным фрагментом, реализующим либо n-местную функцию (определяющую значение свойства соответствующего объединения объектов), либо процедуру, осуществляющую по состоянию представлений объектов, связываемых представляемым отношением, изменение состояний некоторых из них. В пассивной форме такое отношение может быть представлено некоторой структурой данных (в которую могут входить и представления объектов, связываемых этим отношением), интерпретируемую на основании принятых соглашений по общим процедурам, независящим от конкретных отношений (например, реляционная база данных). В любом случае представление отношения определяет некоторые действия по обработке данных.

При исследовании модельного мира пользователи могут по-разному получать (или захотеть получать) информацию от компьютера.

В одних случаях пользователей может интересовать получение информации об отдельных свойствах определенных объектов или результаты какого-либо взаимодействия между некоторыми объектами модельного мира. Для удовлетворения таких запросов разрабатываются соответствующие ПС, которые выполняют интересующие пользователей функции, или подходящие информационные системы, способные выдавать информацию об интересующих пользователей отношениях. В начальный период развития компьютерной техники (при не достаточно высокой мощности компьютеров) такой подход к исследованию модельного мира был вполне естественным. Именно он и провоцировал функциональный (реляционный) подход к разработке ПС, который был подробно рассмотрен в предшествующих лекциях. Сущность этого подхода состоит в систематическом использовании декомпозиции функций (отношений) для описания и построения структуры ПС (включая тексты программ). При этом сами объекты модельного мира, с которыми связаны заказываемые и реализуемые функции, представлялись фрагментарно (в том объеме, который необходим для выполнения этих функций) и в форме, удобной для реализации этих функций. Тем самым обеспечивалась эффективная реализация требуемых функций, но не создавалось цельного и адекватного компьютерного представления модельного мира, интересующего пользователя. Попытки даже незначительного расширения объема и характера информации об этом модельном мире, которую можно получить от ПС, могло потребовать серьезной модернизации этого ПС.

В других случаях пользователя может интересовать наблюдение за изменением состояний объектов модельного мира в результате их взаимодействий. Это требует использования подходящих информационных моделей таких объектов, создания программных средств, моделирующих процессы взаимодействия объектов модельного мира, и предоставление пользователю доступа к этим информационным моделям (к пользовательским объектам). С помощью традиционных методов разработки это оказалось довольно трудоемкой задачей. Наиболее полно отвечает решению этой задачи объектный подход к разработке ПС. Сущность его состоит в систематическом использовании декомпозиции объектов при описании и построении ПС. При этом функции (отношения), выполняемые таким ПС, будут выражаться через отношения объектов других уровней, т.е. их декомпозиция будет существенно зависеть от декомпозиции объектов.

С точки зрения разработчиков ПС следует различать следующие категории объектов (и, соответственно, их классов):

• объекты модельного (вещественного или умственного) мира,

• информационные модели объектов реального мира (будем называть их пользовательскими объектами),

• объекты процесса выполнения программ,

• объекты процесса разработки ПС (технологические объекты программирования).

Кроме того, в зависимости от способа представления в компьютере модельного мира и характера взаимодействия с ним со стороны пользователя следует различать пассивные и активные объекты. Пассивный объект представляет собой некоторый фрагмент информационной среды, который способен хранить разные данные определенного типа (представляющие разные состояния этого объекта) и с которым связан некоторый набор операций (применимых к этому объекту). Операции над таким объектом применяются под воздействием некоторой внешней по отношению к этому объекту активной силы, исходящей либо от пользователя, либо от какого-либо программного фрагмента в процессе его выполнения. Активный объект представляет собой такое расширение пассивного объекта, в котором фрагмент информационной среды способен также хранить и программные фрагменты, способные находиться в процессе выполнения (в активном состоянии). Активный объект, у которого какие-либо программные фрагменты находятся в активном состоянии, способен воспринимать сообщения или сигналы из операционной среды, в которую он погружен, и самостоятельно выполнять некоторые операции как реакцию на эти сообщения или сигналы. Таким образом, можно считать, что активный объект обладает внутренней активной силой.

Когда говорят об объектно-ориентированном подходе к разработке ПС, имеют в виду объектный подход с ориентацией на описание объектов модельного мира и построением их информационных моделей, причем используются, в основном, активные объекты. При этом многие процессы разработки ПС приобретают специфические («объектные») черты:

• использование системы понятий, позволяющих описывать объекты и их классы,

• декомпозиция объектов является основным средством упрощения ПС,

• использование внепрограммных абстракций для упрощения процессов разработки,

• предпочтение (приоритет) разработки структуры данных перед реализацией функций.

Основные из этих специфических особенностей разработки ПС покажем в рамках водопадной модели технологии.

15.2. Особенности объектного подхода к разработке внешнего описания программного средства.

При объектном подходе этап внешнего описания ПС оказывается существенно более емким и содержательным по сравнению с реляционным подходом [15.3, 15.4, 15.5].

Определение требований заключается в неформальном описании модельного мира, который пользователь собирается изучать или просто использовать с помощью требуемого ПС. При этом повышается роль прототипирования, которое при этом подходе часто окупается уменьшением объема работы на последующих этапах разработки ПС.

Спецификация качества сохраняет свое содержание.

Существенно изменяется содержание процесса спецификации требований: вместо разработки функциональной спецификации ПС создается формальное описание модельного мира, состоящее из трех частей:

• объектной модели,

• динамической модели,

• функциональной модели.

Назначение этих частей можно образно определить следующим образом [15.3]: объектная модель определяет то, с чем что-то случается; динамическая модель определяет, когда это случается; функциональная модель определяет то, что случается.

Объектная модель показывает статическую объектную структуру модельного мира, который должно представлять разрабатываемое ПС (программная система). Она включает определения используемых классов объектов и отношений между этими классами, а также определение используемых объектов этих классов и отношения между этими объектами.

Обычно класс объектов в объектной модели представляется в виде тройки

(Имя класса, Список атрибутов, Список операций).

Каждый атрибут представляется некоторым именем и может принимать значения определенного типа. По существу, атрибут класса выражает некоторое простое свойство объектов этого класса. Представление некоторых простых свойств объектов атрибутами весьма удобно, особенно когда по значениям этих атрибутов осуществляется классификация объектов. Операции, указываемые в представлении класса, отражают другие свойства объектов этого класса (как простые, так и ассоциативные). Они показывают, что можно делать с объектами этого класса (или что могут делать сами эти объекты).

В объектной модели отношение между объектами обобщаются в отношения между этими классами, к которым относятся эти объекты. При этом используются, как правило, только одноместные и двуместные отношения между объектами. Более сложные отношения приводит к неоправданному усложнению объектных моделей, а с другой стороны, такие отношения всегда могут быть сведены к двуместным за счет определения дополнительных классов. Одноместные отношения называют атрибутами, причем некоторые атрибуты объекта получаются из атрибутов класса присвоением им конкретных значений. Отношение между двумя (и более) объектами называют связями, а их обобщение (отношение между классами) обычно называют ассоциацией. Ассоциации играют важную роль в объектной модели  они определяют допустимые связи между объектами. Различают следующие виды ассоциаций:

• взаимодействия состояний объектов,

• агрегирования (структурирования) объектов,

• абстрагирования (порождения) классов.

Ассоциация «взаимодействие», по существу, означает, что объекты классов, находящихся в таком отношении, могут быть параметрами некоторых операций. Ассоциация «агрегирование» означает, что объект одного из классов, находящихся в таком отношении, включает (или может включать) в себя (как часть) объекты другого из этих классов. Ассоциация «абстрагирование» означает, что один из классов, находящихся в таком отношении, наследует свойства другого из этих классов и может обладать также и другими (дополнительными) свойствами.

Рис. 15.1. Пример отношения между классами объектов.

Для представления объектной модели часто используются графические языки спецификации объектов (например, язык UML [15.5]). На таких языках классы и объекты задаются прямоугольниками, которых указывается специфицирующая их информация. Для задания отношений между двумя классами соответствующие им прямоугольники связываются линией, снабженной различными графическими значками и некоторыми надписями. Графические значки специфицируют характер (вид) отношения между этими классами, а надписи обеспечивают полную идентификацию этого отношения (делают его конкретным). Например, на рис. 15.1 заданное отношение между классами Страна и Город имеет характер «один к одному». Более конкретно это отношение означает, что каждый объект класса Страна обязательно связан отношением «имеет столицей» с одним и только одним объектом класса Город, и этот объект класса Город не связан таким отношением ни с каким другим объектом класса Страна.

Для описания декомпозиции объектов используется отношение вида агрегирования. Например, отношение «программа состоит из одного или нескольких модулей» представлено на рис. 15.2.

Рис. 15.2. Пример отношения агрегирования между классами объектов.