Гради Буч - Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++ (1158635), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Вот «свободная», то есть невходящая в определение какого-либо класса, функция:9void balanceLevels(StorageTank& s1, StorageTank& s2);Вызов этой функции с экземплярами класса StorageTank или любых его подклассов вкачестве параметров будет согласован по типам, поскольку тип каждого фактического параметрапроисходит в иерархии наследования от базового класса StorageTank.При реализации этой функции мы можем иметь что-нибудь вроде:if (s1.level() > s2.level ()) s2.fill();В чем особенность семантики при использовании селектора level? Он определен только вклассе StorageTank, поэтому, независимо от классов объектов, обозначаемых переменными вмомент выполнения, будет использована одна и та же унаследованная ими функция. Вызов этойфункции статически связан при компиляции — мы точно знаем, какая операция будет запущена.Иное дело fill. Этот селектор определен в StorageTank и переопределен в WaterTank,поэтому его придется связывать динамически.
Если при выполнении переменная s2 будет классаWaterTank, то функция будет взята из этого класса, а если — NutrientTank, то из StorageTank. ВC++ есть специальный синтаксис для явного указания источника; в нашем примере вызов fillбудет разрешен, соответственно, как WaterTank::fill или StorageTank::fill.10Это особенность называется полиморфизмом: одно и то же имя может означать объектыразных типов, но, имея общего предка, все они имеют и общее подмножество операций, которыеможно над ними выполнять [74].
Противоположность полиморфизму называется мономорфизмом;он характерен для языков с сильной типизацией и статическим связыванием (Ada).Полиморфизм возникает там, где взаимодействуют наследование и динамическоесвязывание. Это одно из самых привлекательных свойств объектно-ориентированных языков(после поддержки абстракции), отличающее их от традиционных языков с абстрактными типамиданных. И, как мы увидим в следующих главах, полиморфизм играет очень важную роль вобъектно-ориентированном проектировании.ПараллелизмЧто такое параллелизм? Есть задачи, в которых автоматические системы должныобрабатывать много событий одновременно. В других случаях потребность в вычислительноймощности превышает ресурсы одного процессора. В каждой из таких ситуаций естественноиспользовать несколько компьютеров для решения задачи или задействовать многозадачность намногопроцессорном компьютере.
Процесс (поток управления) — это фундаментальная единицадействия в системе. Каждая программа имеет по крайней мере один поток управления,параллельная система имеет много таких потоков: век одних недолог, а другие живут в течениивсего сеанса работы системы. Реальная параллельность достигается только на многопроцессорных9Свободная функция — функция, не входящая ни в какой класс. В чисто объектно-ориентированныхязыках, типа Smalltalk, свободных процедур не бывает, каждая операция связана с каким-нибудь классом.10Так синтаксис C++ определяет явную квалификацию имени.системах, а системы с одним процессором имитируют параллельность за счет алгоритмовразделения времени.Кроме этого «аппаратного» различия, мы будем различать «тяжелую» и «легкую»параллельность по потребности в ресурсах.
«Тяжелые» процессы управляются операционнойсистемой независимо от других, и под них выделяется отдельное защищенное адресноепространство. «Легкие» сосуществуют в одном адресном пространстве. «Тяжелые» процессыобщаются друг с другом через операционную систему, что обычно медленно и накладно. Связь«легких» процессов осуществляется гораздо проще, часто они используют одни и те же данные.Многие современные операционные системы предусматривают прямую поддержкупараллелизма, и это обстоятельство очень благоприятно сказывается на возможности обеспеченияпараллелизма в объектно-ориентированных системах. Например, системы UNIX предусматриваютсистемный вызов fork, который порождает новый процесс.
Системы Windows NT и OS/2 —многопоточные; кроме того они обеспечивают программные интерфейсы для создания процессови манипулирования с ними.Лим и Джонсон отмечают, что «возможности проектирования параллельности в объектноориентированных языках не сильно отличаются от любых других, — на нижних уровняхабстракции параллелизм и OOP развиваются совершенно независимо. С OOP или без, всетрадиционные проблемы параллельного программирования сохраняются» [75]. Действительно,создавать большие программы и так непросто, а если они еще и параллельные, то надо думать овозможном простое одного из потоков, неполучении данных, взаимной блокировке и т.
д.К счастью, как отмечают те же авторы далее: «на верхних уровнях OOP упрощаетпараллельное программирование для рядовых разработчиков, пряча его в по-вторноиспользуемыеабстракции» [76]. Блэк и др. сделали следующий вывод: «объектная модель хороша дляраспределенных систем, поскольку она неявно разбивает программу на (1) распределенныеединицы и (2) сообщающиеся субъекты» [77].В то время, как объектно-ориентированное программирование основано на абстракции,инкапсуляции и наследовании, параллелизм главное внимание уделяет абстрагированию исинхронизации процессов [78]. Объект есть понятие, на котором эти две точки зрения сходятся:каждый объект (полученный из абстракции реального мира) может представлять собой отдельныйпоток управления (абстракцию процесса). Такой объект называется активным.
Для систем,построенных на основе OOD, мир может быть представлен, как совокупность взаимодействующихобъектов, часть из которых является активной и выступает в роли независимых вычислительныхцентров. На этой основе дадим следующее определение параллелизма:Параллелизм позволяет различным объектам действовать одновременноПараллелизм — это свойство, отличающее активные объекты от пассивных.Примеры параллелизма. Ранее мы обзавелись классом ActiveTemperatureSensor,поведение которого предписывает ему периодически измерять температуру и обращаться кизвестной ему функции вызова, когда температура отклоняется на некоторую величину отустановленного значения.
Как он будет это делать, мы в тот момент не объяснили. При всехсекретах реализации понятно, что это — активный объект и, следовательно, без параллелизма тутне обойтись. В объектно-ориентированном проектировании есть три подхода к параллелизму.Во-первых, параллелизм — это внутреннее свойство некоторых языков программирования. Так, для языка Ada механизм параллельных процессов реализуется как задача. ВSmalltalk есть класс process, которому наследуют все активные объекты. Есть много других языковсо встроенными механизмами для параллельного выполнения и синхронизации процессов —Actors, Orient 84/K, ABCL/1, которые предусматривают сходные механизмы параллелизма исинхронизации. Во всех этих языках можно создавать активные объекты, код которых постоянновыполняется параллельно с другими активными объектами.Во-вторых, можно использовать библиотеку классов, реализующих какую-нибудьразновидность «легкого» параллелизма.
Например, библиотека AT&T для C++ содержит классыShed, Timer, Task и т. д. Ее реализация, естественно, зависит от платформы, хотя интерфейсдостаточно хорошо переносим. При этом подходе механизмы параллельного выполнения невстраиваются в язык (и, значит, не влияют на системы без параллельности), но в то же времяпрактически воспринимаются как встроенные.Наконец, в-третьих, можно создать иллюзию многозадачности с помощью прерываний.Для этого надо кое-что знать об аппаратуре.
Например, в нашей реализации классаActiveTemperatureSensor мы могли бы иметь аппаратный таймер, периодически прерывающийприложение, после чего все датчики измеряли бы температуру и обращались бы, если нужно, ксвоим функциям вызова.Как только в систему введен параллелизм, сразу возникает вопрос о том, каксинхронизировать отношения активных объектов друг с другом, а также с остальными объектами,действующими последовательно.
Например, если два объекта посылают сообщения третьему,должен быть какой-то механизм, гарантирующий, что объект, на который направлено действие, неразрушится при одновременной попытке двух активных объектов изменить его состояние. В этомвопросе соединяются абстракция, инкапсуляция и параллелизм. В параллельных системах недостаточно определить поведение объекта, надо еще принять меры, гарантирующие, что он не будетрастерзан на части несколькими независимыми процессами.СохраняемостьЛюбой программный объект существует в памяти и живет во времени. Аткинсон и др.предположили, что есть непрерывное множество продолжительности существования объектов:существуют объекты, которые присутствуют лишь во время вычисления выражения, но есть итакие, как базы данных, которые существуют независимо от программы. Этот спектрсохраняемости объектов охватывает:• «Промежуточные результаты вычисления выражений.• Локальные переменные в вызове процедур.• Собственные переменные (как в ALGOL-60), глобальные переменные и динамическисоздаваемые данные.• Данные, сохраняющиеся между сеансами выполнения программы.• Данные, сохраняемые при переходе на новую версию программы.• Данные, которые вообще переживают программу» [79].Традиционно, первыми тремя уровнями занимаются языки программирования, апоследними — базы данных.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
