Существенное: модули и их зависимость
Диаграмма модулей показывает распределение классов и объектов по модулям в физическом проектировании системы. Каждая отдельная диаграмма модулей представляет некоторый ракурс структуры модулей системы. При разработке мы используем диаграмму модулей, чтобы показать физическое деление нашей архитектуры по слоям и разделам.
Некоторые языки, особенно Smalltalk, не имеют ничего подобного физической архитектуре, сформированной модулями; в таких случаях диаграммы модулей не употребляют.
Основными элементами диаграммы модулей являются модули и их зависимости.
Модули. На рис. 5-32 сведены обозначения различных типов модулей. Первые три значка - это файлы, различающиеся своими функциями. Значок главной программы обозначает файл, содержащий корневую программу. В C++, например, это соответствовало бы некоторому файлу с расширением .cpp содержащему привилегированную функцию-неэлемент, называемую main. Обычно существует ровно один такой модуль на программу. Значок описания и значок тела обозначают файлы, которые содержат, соответственно, описания и реализации. В C++, например, модуль описаний соответствует заголовочному файлу с расширением .h, а модуль тела - файлу с текстом программы с расширением .cpp.
Рис. 5-32. Значки модулей и подсистем.
Смысл значка подсистемы мы раскроем в следующем разделе. Каждый модуль должен иметь имя; обычно это имя соответствующего физического файла в каталоге проекта. Как правило, такие имена пишутся без суффиксов, которые опознаются по типу значка. Если имя чересчур длинно, мы, как обычно, либо сокращаем его, либо расширяем значок. Каждое полное имя файла должно быть уникально в содержащей его подсистеме. В соответствии с правилами конкретной среды разработки, мы можем наложить ограничения на имена, такие, как условие на префиксы или требование уникальности в системе.
Каждый модуль содержит либо описание, либо определение классов и объектов, а также другие конструкции языка. По идее, "раскрыв" значок модуля на диаграмме, мы должны попасть внутрь соответствующего файла.
Рис. 5-33. Диаграмма модулей гидропонной системы.
Зависимости. Единственная связь, которая может существовать между двумя модулями, - компиляционная зависимость - представляется стрелкой, выходящей из зависимого модуля. В C++, например, мы указываем такую зависимость директивой #include. Аналогично, в Ada компиляционная зависимость указывается фразой with. В множестве компиляционных зависимостей не могут встречаться циклы. Чтобы определить частичную упорядоченность компиляций, достаточно выполнить частичное упорядочение структуры модулей системы.
Пример. На рис. 5-33 показан пример обозначений модулей, в архитектуре системы тепличного гидропонного хозяйства. Мы видим здесь шесть модулей. Два из них, climatedefs и cropdefs, являются только описаниями и служат для предоставления общих типов и констант. Остальные четыре включают в себя и тела, и описания: это типичный стиль построения диаграмм модулей, так как описания и тела очень тесно связаны. На рисунке эти две части совмещены, и зависимость тела от описания получилась скрытой, хотя реально она существует. Также оказалось скрытым имя тела, но, по нашему соглашению, имена тела и описания различаются лишь суффиксами (.cpp и .h).
Зависимости на этой диаграмме предполагают частичное упорядочение компиляции. Например, тело модуля climate зависит от описания heater, которое, в свою очередь, зависит от описания climatedefs.Существенное: подсистемы. Как объяснялось в главе 2, большие системы могут быть разложены на несколько сотен, если не тысяч, модулей. Пытаться разобраться в физической архитектуре такой системы без ее дополнительного структурирования почти безнадежно. На практике разработчики стремятся следовать неформальному соглашению собирать связанные между собой модули в структуры типа каталогов. По этим соображениям мы введем понятие подсистемы на диаграмме модулей. Подсистемы представляют собой совокупности логически связанных модулей, примерно как категория классов представляет совокупность классов.
Подсистемы. Подсистемы служат частями физической модели системы. Подсистема - это агрегат, содержащий другие модули и другие подсистемы. Каждый модуль в системе должен жить в одной подсистеме или находиться на самом верхнем уровне.
На рис. 5-32 показано обозначение подсистемы. Как и модуль, подсистема должна быть именованной. Имена подсистем подчиняются тем же правилам, что и имена модулей, хотя полное имя подсистемы обычно не содержит суффиксов.
Некоторые модули, содержащиеся в подсистеме, могут быть общедоступны, то есть экспортированы из системы и видимы снаружи. Другие модули могут быть частью реализации подсистемы и не предназначаться для использования внешними модулями. По соглашению, каждый модуль подсистемы считается общедоступным, если явно не указано обратное. Ограничение доступа к модулям реализации достигается использованием тех же обозначений, что и для ограничения доступа в категории классов.
Подсистема может зависеть от других подсистем и модулей; модуль может также зависеть от подсистемы. Для единообразия мы используем прежнее обозначение зависимости. Система имеет один высший уровень, состоящий из подсистем и модулей высшего уровня абстракции. По его диаграмме разработчик получает представление об общей физической архитектуре системы.
Пример. На рис. 5-34 показан высший уровень диаграммы модулей для нашей системы тепличного хозяйства. Раскрыв любую из показанных семи подсистем, мы обнаружим все ее модули.
Рис. 5-34. Диаграмма модулей верхнего уровня для гидропонной системы.
Рассмотрим, как связаны физическая и логическая (рис. 5-7) архитектуры этой системы. Они практически изоморфны, хотя имеются небольшие различия. В частности, мы приняли решение отделить классы устройств нижнего уровня от категорий классов Климат и Удобрения, и поместить соответствующие им модули в одну подсистему, названную Устройства. Кроме того, мы разделили категорию классов Теплица на две подсистемы, названные УправлениеКлиматом и ВнесениеУдобрений.
Дополнительные понятия
Другие типы модулей. Некоторые языки, прежде всего Ada, определяют типы модулей, отличные от простейших, показанных на рис. 5-32. Например, Ada предусматривает обобщенные пакеты, обобщенные подпрограммы и задачи как раздельно компилируемые единицы. Поэтому есть основания дополнить основные обозначения значками типов модулей, специфических для данного языка.
Сегментация. Для платформ, имеющих ограничения по адресации или физической памяти, может быть принято решение генерировать код в различных сегментах, или даже организовать оверлейную структуру. Чтобы отразить такую сегментацию обозначения диаграммы модулей можно дополнить, снабдив каждый модуль меткой, обозначающей соответствующий сегмент кода или данных.
Спецификации. Так же, как диаграммы классов и объектов, каждый элемент диаграммы модулей может иметь спецификацию, которая определяет его полностью. Спецификации модулей и их зависимостей содержат только ту информацию, которая уже описана в этом разделе, поэтому мы не будем их рассматривать.
В интегрированной инструментальной среде, поддерживающей наши обозначения, разумно использовать диаграммы модулей для визуализации программных модулей системы. "Раскрытие" модуля или подсистемы на диаграмме модулей открывает соответствующий физический файл или каталог и наоборот.
5.7. Диаграммы процессов.
Существенное: процессоры, устройства и соединения
Диаграммы процессов используются, чтобы показать распределение процессов по процессорам в физическом проекте системы. Отдельная диаграмма процессов показывает один ракурс структуры процессов системы. При разработке проекта мы используем диаграмму процессов, чтобы показать физическую совокупность процессоров и устройств, обеспечивающих работу системы.
Основные элементы диаграммы процессов - процессоры, устройства и их соединения.
Процессоры. На рис. 5-35 показано обозначение процессора. Процессор - часть аппаратуры, способная выполнять программы. Каждый процессор должен иметь имя; никаких особых ограничений на имена процессоров нет, так как они обозначают "железо", а не программы.
Мы можем дополнить значок процессора списком процессов. Каждый процесс в таком списке обозначает или главную программу (функцию main из диаграммы модулей) или имя активного объекта (из диаграммы объектов).
Устройства. На рис. 5-35 показано обозначение устройства. Устройство - это часть аппаратной платформы, не способная выполнять программы (по крайней мере, в нашей логической модели). Как и процессорам, устройствам требуются имена, на которые не накладывается никаких существенных ограничений.
Рис. 5-35. Значки процессора и устройства нашей логической модели.
Соединения. Процессоры и устройства должны сообщаться друг с другом. На диаграмме процессов мы изображаем соединения между ними ненаправлеными линиями. Соединение обычно представляет непосредственную связь между аппаратурой, например, RS232, Ethernet, или даже доступ к разделяемой памяти, но эта связь может быть и не прямой, например, "Земля-спутник". Соединения обычно считаются двунаправленными, но при необходимости к их обозначению можно добавить стрелку, чтобы указать направление. Любое соединение может иметь необязательную именующую его метку.
Пример. На рис. 5-36 представлен пример использования этих обозначений, описывающий физическую архитектуру тепличной системы. Мы видим, что разработчики решили использовать четыре компьютера, один в качестве рабочего места оператора и по одному на каждую теплицу. Процессы, запущенные на выделенных теплицам компьютерах, не могут сообщаться друг с другом непосредственно, а только через рабочую станцию. Для простоты мы решили не показывать на этой диаграмме никаких устройств, хотя предполагаем, что система содержит большое число исполнительных устройств и датчиков.
Дополнительные понятия
Обозначения. На рис. 5-35 показаны стандартные обозначения, которые мы используем для процессора и устройства, но разумно и даже желательно учесть возможность их изменения. Например, можно было бы ввести специальные значки для встроенного микрокомпьютера (процессор), диска, терминала и выпрямителя тока (устройства), и использовать их на диаграммах процессов вместо стандартных.
Поступая таким образом, мы предлагаем визуализацию физической платформы нашей реализации, которая предназначена непосредственно техникам и системщикам, а также конечным пользователям системы, которые, вероятно, не являются специалистами в разработке программного обеспечения.
Вложенность. Физическая конфигурация системы бывает очень сложной и может представлять собой иерархию процессоров и устройств. В таких случаях полезно иметь возможность выделить группы процессоров, устройств и соединений, так же, как категории классов представляют логическое группирование классов и объектов. Мы изображаем такие группы именованными пунктирными прямоугольниками с закругленными углами. Мы можем раскрыть такой значок на диаграмме процессов и обнаружить вложенные процессоры и устройства. Не представляет затруднений определить соединения между этими группами.
Рис. 5-36. Диаграмма процессов гидропонной системыми с закругленными углами.
Планирование процессов. Мы должны некоторым образом определить порядок выполнения процессов на каждом процессоре. Имеется пять основных способов планирования, и мы можем указать на диаграмме для каждого процессора, какой из них использован, добавив к его значку одно из следующих имен:
| • Вытесняющее | Процесс с более высоким приоритетом, может отнимать процессор у исполняемого процесса с более низким приоритетом; обычно процессы с одинаковым приоритетом получают равные промежутки времени для выполнения, так что вычислительные ресурсы распределены справедливо. |
| • Невытесняющее | Текущий процесс продолжает выполняться на процессоре до тех пор, пока сам не уступит контроль над ним. |
| • Циклическое | Процессам по очереди выделяется равное количество процессорного времени, обычно называемое квантом времени, по истечении которого управление передается другому процессу. Процесс может получать время в квантах и подквантах. |
| • Алгоритмическое | Переключением процессов управляет некоторый алгоритм. |
| • Ручное | Пользователь извне системы управляет переключением процессов. |
Для более подробного описания диспетчеризации процессов на конкретном процессоре бывает полезно привести диаграмму объектов или взаимодействий, особенно если используется алгоритмическое переключение.
Спецификации. По аналогии с элементами других диаграмм, процессоры, устройства и соединения могут иметь спецификации, которые дают их исчерпывающее определение. Всю информацию, включаемую в эти спецификации, мы уже обсудили в текущем разделе.
5.8. Применение системы обозначений
Результат объектно-ориентированного проектирования
Обычно результатами анализа системы будут наборы диаграмм объектов (чтобы выразить поведение системы через сценарии), диаграмм классов (чтобы выразить роли и обязанности агентов по поддержанию заданного поведения системы) и диаграммы состояний и переходов (чтобы показать упорядоченное событиями поведение этих агентов). Проектирование системы, в которое входит разработка ее архитектуры и реализации, порождает диаграммы классов, объектов, модулей, процессов, а также динамические ракурсы этих диаграмм.
Существует сквозная связь между этими диаграммами, позволяющая нам проследить требования от реализации обратно к спецификации. Начав с диаграмм процессов, можно найти главную программу, которая определена на некоторой диаграмме модулей. Эта диаграмма модулей содержит наборы классов и объектов, определения которых мы найдем на подходящих диаграммах классов или объектов. Наконец, определения отдельных классов указывают на наши исходные требования, потому что эти классы, в общем, непосредственно отражают словарь предметной области.
Описанной в этой главе системой обозначений можно пользоваться вручную, хотя, конечно, она просто напрашивается на автоматизацию. Автоматизированным инструментам проектирования можно поручить проверку целостности, ограничений и полноты документации. Они также помогают разработчику легко и быстро просматривать результаты анализа и разработки. Например, глядя на диаграмму модулей, разработчик может пожелать выяснить устройство конкретного механизма, и автоматизированный инструмент поможет ему отыскать все классы, объявленные в каком-то модуле.
А от диаграммы объектов, описывающей сценарий, в котором использован один из классов, разработчик может перейти к структуре наследования этого класса. Наконец, если в сценарии есть активный объект, разработчик может использовать автоматизированный инструмент проектирования, чтобы отыскать процессор, которому выделен соответствующий поток управления, и увидеть анимированное поведение конечного автомата класса на этом процессоре. Использование автоматизированных инструментов позволяет освободить разработчика от бремени согласования деталей, позволяя ему сосредоточиться на творческих аспектах процесса проектирования.
Увеличение и уменьшение масштаба
Мы считаем, что описанная здесь система обозначений годится как для маленьких систем, содержащих несколько классов, так и для больших проектов с несколькими тысячами классов. Как мы покажем в следующих двух главах, эта система обозначений особенно удобна для организации итерационного процесса разработки. К диаграммам не следует относиться как к застывшему догмату, а скорее наоборот, нужно постоянно отражать на них все новые решения, принятые в процессе проектирования.
Мы также считаем, что эта система обозначений годится для реализации на разных языках объектно-ориентированного программирования.
В этой главе были описаны основные результаты процесса объектно-ориентированного проектирования, включая синтаксис и семантику. В двух последующих главах процесс разработки будет рассмотрен подробнее. Оставшиеся пять глав повествуют о применении метода на практике.
Выводы
Проектирование - это не рисование диаграмм; диаграммы просто отражают результаты проектирования.
При проектировании сложной системы важно рассмотреть ее в различных ракурсах - как с точки зрения логической/физической структуры, так и статической/динамической семантики.
Система обозначений объектно-ориентированного проектирования включает четыре основных диаграммы (классов, объектов, модулей, процессов) и две дополнительные (состояний и переходов, взаимодействий).
Диаграмма классов показывает, какие существуют классы и связи между ними в логической структуре системы. Конкретная диаграмма классов - один из ракурсов полной структуры классов системы.
Диаграмма объектов показывает, какие существуют объекты и связи между ними в логической структуре системы. Диаграмма объектов используется для представления сценария.
Диаграмма модулей показывает распределение классов и объектов по модулям в физической структуре системы. Диаграмма модулей - один из ракурсов модульной архитектуры системы.
Диаграмма процессов показывает распределение процессов по процессорам в физической структуре системы. Каждая диаграмма процессов - один из ракурсов архитектуры процессов системы.
Диаграмма состояний и переходов показывает: (1) пространство состояний экземпляров данного класса; (2) события, которые влекут переход из одного состояния в другое; (3) действия, которые происходят при изменении состояния.
Диаграмма взаимодействий позволяет следить за выполнением сценария в контексте диаграммы объектов.
Дополнительная литература
Со времени выхода первого издания этой книги я без устали старался ввести в метод Буча лучшие элементы обозначении, принадлежащие другим методологам, особенно Румбаху (Rumbaugh) и Джекобсону (Jacobson), удалял и упрощал элементы, неудачные или имеющие сомнительную пользу. В то же время, концептуальное единство системы обозначений береглось как зеница ока. Данная глава - кульминация этих усилий.
Об обозначениях в разработке программного обеспечения написано чрезвычайно много; книга Мартина и МакКлюра (Martin and McClure) [H 1988] служит хорошим общим справочником по многим традиционным подходам. Грэхам (Graham) [F 1991] дал обзор ряда нотаций, специфичных для объектно-ориентированных методов.
Ранняя форма описанной в этой главе системы обозначений была впервые документирована в работе Буча (Booch) [F 1981]. Эта система в дальнейшем развилась и включила выразительные средства: семантических сетей (Стилингс и др. (Stillings et al.) [A 1987] и Барри Фейгенбаум (Barrand Feigenbaum) [J 1981]),диаграммы "сущность-отношение" (Чэн (Chen) [Е 1976]), модели сущности (Росс (Ross) [F 1987]), сети Петри (Petri) (Пе-терсон (Peterson) [J 1977], Сахару (Sahraoui) [F 1987] и Бруон и Балзамо (Bruon and Balsamo) [F 1986]), ассоциации (Румбах (Rumbaugh) [F 1991]) и карты состояний (Харел (Harel) [F 1987]).Особенно интересна работа Румбаха, поскольку, как он заметил, в наших подходах больше сходства, чем различий.
Значки для объектов и классов были инспирированы iAPX 432 [D 1981]. За основу изображения для объектных диаграмм были взяты обозначения Сейдвица (Seidewitz) [F 1985]. Для семантики параллельности были приспособлены обозначения Бура (Buhr) [F1988,1989].
Чэн (Chang) [G 1990] дал хороший обзор более общих аспектов визуальных языков.
