08 (Лекции)

Лекция 8. Проектирование программного обеспечения

Проектирование системы является поиском ответа на вопрос как следует сделать то, что следует сделать. Другими словами, внимание сосредоточено в первую очередь на удовлетворении нефункциональных требований и адаптации проекта к предстоящей реализации.

Этапы проектирования:

1. Проектирование архитектуры системы.

   1. Идентификация архитектурных решений и механизмов проектирования;

   2. Анализ взаимодействий между классами анализа, выявление проектных классов, подсистем и интерфейсов;

   3. Формирование архитектурных уровней;

   4. Проектирование структуры потоков управления;

   5. Проектирование конфигурации системы.

2. Проектирование элементов системы.

   1. Уточнение реализаций вариантов использования.

   2. Проектирование подсистем.

   3. Проектирование классов.

   4. Проектирование баз данных.

Проектирование архитектуры системы выполняется архитектором.

В процессе проектирования определяются детали реализации архитектурных механизмов, обозначенных в процессе анализа. Например, уточняется способ хранения данных, реализация дублирования для повышения надежности системы и т. п. Поскольку практически все механизмы – это некоторые типовые решения (образцы, шаблоны, каркасы), они документируются в проекте (модели) с помощью кооперации со стереотипом <<mechanism>>, при этом структурная часть механизма описывается с помощью диаграмм классов, а поведение – с помощью диаграмм взаимодействия.

Проектные механизмы являются переходным этапом от механизмов анализа к механизмам реализации. Механизм реализации – решение, имеющее конкретного поставщика, проектный механизм – каркас, максимально приближенный к реализации, имеющий конкретное наполнение, чем отличается от механизма анализа, являющегося лишь своеобразной меткой.

Взаимодействие экземпляров классов, в рамках механизма описывается диаграммами взаимодействия

Следующим этапом является выявление подсистем и интерфейсов. Декомпозиция системы на подсистемы реализует принципы модульности и инкапсуляции. Каждая подсистема скрывает от других частей системы свое внутреннее устройство за интерфейсом. Реализация подсистемы может быть изменена без существенного влияния на остальные части системы. Сложность системы снижается за счет сборки ее из крупных «строительных блоков» – подсистем, которые составлены из мелких строительных блоков – проектных классов.

Первым действием архитектора при выявлении подсистем является преобразование классов анализа в проектные элементы.

По каждому классу анализа принимается одно из двух решений:

• класс анализа отображается в проектный класс, если он представляет единственную логическую абстракцию или достаточно прост для реализации;

• сложный класс анализа может быть разбит на несколько классов, преобразован в пакет или в подсистему.

Совокупности проектных классов объединяются в пакеты или подсистемы. При объединении классов в пакеты учитывается, что:

• Пакеты – это единицы управления конфигурацией, поэтому члены пакета должны быть одинаково стабильны.

• Пакеты – средство распределения ресурсов между командами разработчиков.

• Разные пакеты могут соответствовать разным типам пользователей.

• Как пакет можно оформить повторно используемый код, встроенный в систему.

Например, если пользовательский интерфейс нестабилен, имеет смысл объединить все классы, его реализующие, в отдельный пакет. Если UI не будет подвергаться существенным изменениям, можно объединить в отдельные пакеты классы, взаимодействующие при реализации разных вариантов использования.

Распределяя классы по пакетам желательно добиться ситуации, когда через границы пакетов проходит значительно меньшее количество связей, чем находится внутри пакетов.

После выделения пакетов устанавливаются зависимости между ними и видимость членов пакета. К закрытым членам пакета доступ извне запрещен. Это позволяет скрыть внутреннее устройство пакета.

Несколько классов могут быть объединены в подсистему если:

• классы имеют функциональную связь (участвуют в реализации варианта использования и взаимодействуют только друг с другом);

• совокупность классов реализует функциональность, которая может быть удалена из системы или заменена на альтернативную;

• классы сильно связаны;

• классы размещены на одном узле вычислительной сети.

Заметим, что связь клиентского класса с подсистемой более гибкая, чем с пакетом, в том смысле, что изменения внутри подсистемы не затрагивают клиентский класс. Во втором случае изменения из пакета могут распространиться на клиента вдоль зависимости. Обратной стороной гибкости является такой неприятный факт – интерфейс должен быть стабильным. Любое изменение в интерфейсе затронет реализующую его подсистему (вдоль связи реализации), а также клиентский класс, которому требуется данный интерфейс (вдоль зависимости). Очень желательно сразу правильно описать интерфейсы!

Примеры возможных подсистем: подсистема безопасности, защиты данных, архивирования; подсистема пользовательского интерфейса или интерфейса с внешними системами; коммуникационное ПО, доступ к базам данных.

При создании подсистем в модели выполняются следующие преобразования:

• объединяемые классы помещаются в специальный пакет с именем подсистемы и стереотипом <<subsystem>>;

• спецификации операций классов, образующих подсистему, выносятся в интерфейс подсистемы – класс со стереотипом <<interface>>;

• характер использования операций интерфейса и порядок их выполнения документируется с помощью диаграмм взаимодействия, которые вместе с диаграммой классов подсистемы объединяются в кооперацию с именем интерфейса и стереотипом <<interface realization>>;

• в подсистеме создается класс-посредник со стереотипом <<subsystem proxy>>, управляющий реализацией операций интерфейса.

Все интерфейсы подсистем должны быть полностью определены в процессе проектирования архитектуры, поскольку они будут служить в качестве точек синхронизации при параллельной разработке системы. Описание интерфейса включает:

• Имя интерфейса: короткое (одно-два слова), отражающее его роль в системе.

• Описание интерфейса: должно отражать его ответственности (размер – небольшой абзац).

• Описание операций: имя, отражающее результат операции, ключевые алгоритмы, возвращаемое значение, параметры с типами.

• Документирование интерфейса: характер использования операций и порядок их выполнения (показывается с помощью диаграмм последовательности), тестовые планы и сценарии и т.д. Вся эта информация объединяется в специальный пакет.

Следующим этапом является формирование архитектурных уровней. В ходе анализа было принято предварительное решение о выделении архитектурных уровней. В ходе проектирования все проектные элементы системы должны быть распределены по данным уровням. С точки зрения модели это означает распределение проектных классов, пакетов и подсистем по пакетам со стереотипом «layer», соответствующим архитектурным уровням.

Следующий этап – проектирование структуры потоков управления. Оно выполняется при наличии в системе параллельных процессов (параллелизма). Цель проектирования – выявление существующих в системе процессов, характера их взаимодействия, создания, уничтожения и отображения в среду реализации. Требования параллелизма возникают в следующих случаях:

• необходимо распределение обработки между различными процессорами или узлами;

• система управляется потоком событий (event-driven system);

• вычисления в системе обладают высокой интенсивностью;

• в системе одновременно работает много пользователей.

Процесс – это ресурсоемкий поток управления, который может выполняться параллельно с другими потоками. Он выполняется в независимом адресном пространстве и в случае высокой сложности может разделяться на два или более потоков.

Поток (нить) – это облегченный поток управления, который может выполняться параллельно с другими потоками в рамках одного и того же процесса в общем адресном пространстве. Реализация процессов и потоков обеспечивается средствами операционной системы.

Для моделирования структуры потоков управления используются так называемые активные классы – классы со стереотипами <<process>> и <<thread>>. Активный класс владеет собственным процессом или потоком и может инициировать управляющие воздействия. Связи между процессами моделируются как зависимости. Потоки могут существовать только внутри процессов, поэтому связи между процессами и потоками моделируются как композиции. Модель потоков управления помещается в пакет Process View (представление процессов – одно из архитектурных представлений в модели «4+1»). В качестве примера приведена диаграмма классов, описывающая структуру процесса регистрации студента на курсы. Обратите внимание, что все классы на ней являются активными (выделены жирными границами).

Создание потоков во время инициализации приложения моделируется с помощью диаграмм взаимодействия.

Объекты любого проектного класса или подсистемы должны существовать внутри по крайней мере одного процесса. Связи между процессами и проектными классами моделируются на диаграммах классов. Ниже приведены примеры для системы регистрации:

Обратите внимание, что на диаграмме зависимости между процессами соответствуют ассоциациям и зависимостям между классами, экземпляры которых содержатся в процессах.

Следующий этап – проектирование конфигурации. Если создаваемая система является распределенной, то необходимо спроектировать ее конфигурацию в вычислительной среде, т. е., описать вычислительные ресурсы, коммуникации между ними и использование вычислительных ресурсов различными системными процессами.

Распределенная сетевая конфигурация системы моделируется с помощью диаграммы размещения. Диаграмма размещения – это единственная диаграмма, входящая в состав представления размещения – одного из архитектурных представлений, входящих в модель «4+1» Основные элементы диаграммы размещения:

• узел (node) – вычислительный ресурс (процессор или другое устройство: дисковая память, контроллеры различных устройств и т.д.). Для узла можно задать выполняющиеся на нем процессы.

• соединение (connection) – канал взаимодействия узлов (сеть).

Распределение процессов, составляющих структуру потоков управления, по узлам сети производится с учетом следующих факторов:

• используемые образцы распределения (трехзвенная архитектура клиент-сервер, «толстый клиент», «тонкий клиент», «точка-точка» и т. д.);

• время отклика;

• минимизация сетевого трафика;

• мощность узла;

• надежность оборудования и коммуникаций.

Следующий этап – уточнение реализаций вариантов использования. Уточнение заключается в модификации диаграмм взаимодействия и диаграмм классов с учетом вновь появившихся на шаге проектирования классов и подсистем, а также проектных механизмов. Вносятся изменения в описания потоков событий вариантов использования. Производится унификация классов и подсистем по следующим правилам:

• Имена элементов модели должны отражать их функции. Следует избегать подобных имен и синонимов.

• Элементы модели, реализующие сходное поведение или представляющие одно и то же явление, должны объединяться.

• Классы, представляющие одно и то же понятие или имеющие одинаковые атрибуты, должны объединяться, даже если их поведение различно.

• Для абстрактных элементов модели должно использоваться наследование, повышающее гибкость модели.

• При обновлении элемента модели должны обновляться соответствующие реализации вариантов использования.

Следующий этап – проектирование подсистем, осуществляемое разработчиками. Оно включает в себя следующие действия:

• Распределение поведения подсистемы по ее элементам

  • документирование взаимодействия элементов подсистемы в виде коопераций («реализаций интерфейса»);

  • построение одной или более диаграмм взаимодействия для каждой операции интерфейса подсистемы/

• Документирование элементов подсистемы (в виде диаграмм классов).

• Описание зависимостей между подсистемами.

После проектирования подсистем производится проектирование классов, которое включает следующие действия:

1. детализация проектных классов;

2. уточнение операций и атрибутов;

3. моделирование состояний для классов;

4. уточнение связей между классами.

Каждый граничный класс преобразуется в некоторый набор классов, в зависимости от своего назначения. Это может быть набор элементов пользовательского интерфейса, зависящий от возможностей среды разработки, или набор классов, реализующий системный или аппаратный интерфейс.

Классы-сущности с учетом соображений производительности и защиты данных могут разбиваться на ряд классов. Основанием для разбиения является наличие в классе атрибутов с различной частотой использования или видимостью. Такие атрибуты, как правило, выделяются в отдельные классы.

классы, реализующие простую передачу информации от граничных классов к сущностям, могут быть удалены. Сохраняются классы, выполняющие существенную работу по управлению потоками событий (управление транзакциями, распределенная обработка и т.д.).