Буч Г. - Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на C++ - 2001

так как конечный продукт, скорее всего, будет лучшего качества и окажется более приспособленным к изменениям.

Роли разработчиков

Полезно помнить, что разработка программного продукта в конечном счете производится людьми. Разработчики - не взаимозаменяемые части, и успешное создание любой сложной системы требует уникальных и разнообразных навыков всех членов целеустремленного коллектива.

Эксперименты показывают, что объектно-ориентированная разработка требует несколько иного разделения труда по сравнению с традиционными методами. Мы считаем следующие три роли разработчиков важнейшими в объектно-ориентированном подходе:

•архитектор проекта

•ответственные за подсистемы

•прикладные программисты.

Архитектор проекта - его творец, человек с сильно развитым воображением; он отвечает за эволюцию и сопровождение архитектуры системы. Для малых или средних систем архитектурное проектирование обычно выполняется одной, максимум двумя светлыми личностями. Для больших проектов эта обязанность может быть распределена в большом коллективе. Архитектор проекта - не обязательно самый главный разработчик, но непременно такой, который может квалифицированно принимать стратегические решения (как правило благодаря обширному опыту в построении систем такого типа). Благодаря опыту, разработчики интуитивно знают, какие общие архитектурные шаблоны уместны в данной предметной области и какие проблемы эффективности встают в определенных архитектурных вариантах. Архитекторы - не обязательно лучшие программисты, хотя они должны уметь программировать. Точно так же, как строительные архитекторы должны разбираться в строительстве, неблагоразумно нанимать архитектора программного обеспечения, который не является приличным программистом. Архитекторы проекта должны также быть сведущи в обозначениях и организации процесса объектноориентированной разработки, потому что они должны в конечном счете выразить свое архитектурное видение в терминах кластеров классов и взаимодействующих объектов.

Очень плохая практика - нанимать архитектора со стороны, который, образно выражаясь, въезжает на белом коне, провозглашает архитектурные принципы, а потом уматывает куда-то, в то время как другие пытаются справиться с последствиями его решений. Гораздо лучше привлечь архитектора к активной работе уже при проведении анализа и оставить его на как можно более длительный срок, даже на все время эволюции системы. Тогда он освоится с действительными потребностями системы и со временем испытает на себе последствия своих решений. Кроме того, сохраняя в руках одного человека или небольшой команды разработчиков ответственность за архитектурную целостность, мы повышаем шансы получить гибкую и простую архитектуру.

Ответственные за подсистемы - главные творцы абстракций проекта. Они отвечают за проектирование целых категорий классов или подсистем. Каждый ответственный в сотрудничестве с архитектором проекта разрабатывает, обосновывает и согласует с другими разработчиками интерфейс своей категории классов или подсистемы, а потом возглавляет ее реализацию, тестирование и выпуск релизов в течение всей эволюции системы.

Ответственные за подсистемы должны хорошо знать систему обозначений и организацию процесса объектно-ориентированной разработки. Обычно они программируют лучше чем архитекторы проекта, но не

располагают обширным опытом последних. Лидеры подсистем составляют от трети до половины численности команды.

Прикладные программисты (инженеры) - младшие по рангу участники проекта. На них возложено выполнение двух обязанностей. Некоторые из них отвечают за реализацию категории или подсистемы под руководством ее ведущего. Эта деятельность может включать в себя проектирование некоторых классов, но в основном связана с реализацией и последующим тестированием классов и механизмов, разработанных проектировщиками команды. Другие отвечают за написание классов, спроектированных архитектором и ответственными за подсистемы, реализуя тем самым функциональные точки системы. В некотором смысле, эти программисты занимаются написанием маленьких программ на языке предметной области, определенном классами и механизмами архитектуры.

Инженеры разбираются в системе обозначений и в организации процесса разработки, но не слишком блестяще; зато они, как правило, являются очень хорошими программистами, знающими основные идиомы и слабые места выбранных языков программирования. Инженеры составляют половину команды или более того.

Разница в квалификации ставит проблему подбора кадров перед всеми организациями, которые обычно имеют несколько сильных проектировщиков и большее количество менее квалифицированного персонала. Социальная польза нашего подхода к кадровой политике состоит в том, что он открывает путь для карьеры начинающим сотрудникам: молодые разработчики работают под руководством более опытных. Когда они наберутся опыта в использовании хорошо определенных классов, они смогут сами проектировать классы. Вывод: не обязательно каждому разработчику быть экспертом по абстракциям, но каждый разработчик может со временем этому научиться.

В больших проектах могут потребоваться и другие роли. Большинство из них (например, роль специалиста в средствах разработки) явно не связаны с объектно-ориентированной технологией, но некоторые непосредственно вытекают из нее (такие, как инженер, отвечающей за повторное использование):

• Менеджер проекта Отвечает за управление материалами проекта, заданиями, ресурсами и графиком работ.

• Аналитик

Отвечает за развитие и интерпретацию требований конечных пользователей; должен быть экспертом в проблемной области, однако его не следует изолировать от остальной команды разработчиков.

• Инженер по повторному использованию

Управляет хранилищем (репозитарием) материалов проекта; участвуя в просмотре и других действиях, активно ищет общее и добивается его использования; находит, разрабатывает или приспосабливает компоненты для общего использования в рамках конкретного проекта или целой организации.

• Контролер качества

Измеряет результаты процесса разработки; задает общее направление (на системном уровне) тестирования всех прототипов и релизов.

• Менеджер интеграции

Отвечает за сборку совместимых друг с другом версий категорий и подсистем в релизы; следит за их конфигурированием.

• Инструментальщик

Отвечает за создание и адаптацию инструментов программирования, которые облегчают производство программ и (особенно) генерацию кода.

Библиотека должна содержать семейство классов, объединенных согласованным внешним интерфейсом, но с разными представлениями, так чтобы разработчики могли выбрать то, семантика которого наиболее точно соответствует приложению.Предполагает тестирование отдельных классов и механизмов; является обязанностью инженера, который их реализовал.

Тестирование должно фокусироваться на внешнем поведении системы; его побочная цель - определить границы системы чтобы понять, как она может выходить из строя при определенных условиях.

7.4. Повторное использование

Элементы повторного использования Любой программный продукт (текст программы, архитектура, сценарий или документация)

может быть использован повторно. Как сказано в главе 3, в объектно-ориентированных языках программирования первичным лингвистическим средством повторного использования являются классы: класс может порождать подклассы, специализирующие или дополняющие его. Далее, в главе 4 говорилось о повторном использовании шаблонов классов, объектов и элементов проектирования в форме идиом, механизмов и сред разработки. Повторное использование шаблонов находится на более высоком уровне абстракции по сравнению с использованием индивидуальных классов и дает больший выигрыш (хотя оно труднее достижимо).

Не следует доверять цифрам, характеризующим повторное использование [9]. В удачных проектах, с которыми мы сталкивались, количество повторно использованных элементов доходило до 70% (то есть почти три четверти программного обеспечения системы было взято без изменений из некоторого другого источника), но бывало и нулевым. Не следует думать, что повторное использование должно достичь некоторой обязательной величины; возможность повторного использования сильно зависит от предметной области и нетехнических факторов, таких, например, как степень напряженности рабочего графика, природа отношений с субподрядчиками и соображения безопасности.

Безусловно, любой процент повторного использования лучше, чем нулевой, так как экономит ресурсы, которые иначе пришлось бы потратить еще раз.

Библиотека должна быть относительно небольших размеров; надо всегда помнить, что пользователь с большей охотой займется разработкой собственного кода, чем изучением чужого малопонятного класса.

Предполагается наличие трансляторов языка C++, поддерживающих параметризованные классы и обработку исключений. В целях обеспечения переносимости библиотеки она не должна зависеть от служб операционной системы.

Таким образом, первым результатом нашего анализа будет разделение всех абстракций на две категории:

•Структуры	Содержит все структурные абстракции
•Инструменты	Содержит все алгоритмические абстракции

Как мы скоро увидим, между этими двумя категориями существует отношение использования: некоторые инструменты построены на базе более примитивных свойств, обеспечиваемых структурами.

На втором этапе анализа мы постараемся выделить базовые классы, которые могут быть использованы в различных стандартных программах (чем шире будет круг рассмотренных приложений, тем лучше). Если в результате окажется, что некоторые из данных классов имеют много общего с абстракциями, определенными на первой стадии анализа, это будет знаком того, что ключевые абстракции были выявлены правильно. Можно составить длинный список специфических абстракций, присущих конкретным видам человеческой деятельности: валюта, астрономические координаты, единицы измерения массы и длины. Мы не будем включать подобные абстракции в нашу библиотеку, так как они либо слишком плохо поддаются формализации (валюта), либо очень специфичны (астрономические координаты), либо настолько примитивны, что нет смысла организовывать специально для них отдельные классы (единицы измерения массы и длины).

Проведя анализ, мы выделим следующие типы структур:

• Набор	Множество различных элементов (в том числе
дубликатов).
• Множество	Набор неповторяющихся элементов.
• Коллекция	Индексируемое множество элементов.
• Список	Последовательность элементов, имеющая начало;
структурное разделение допускается.
• Стек	Последовательность элементов; элементы могут
удаляться и добавляться только с одного конца.
• Очередь	Последовательность элементов, к которой можно
добавлять элементы с одного конца, а удалять - с другого.
• Дека	Последовательность элементов, к которой можно
добавлять и из которой можно удалять элементы с обоих концов.
• Кольцо	Последовательность элементов, к которой можно

добавлять и из которой можно удалять элементы, находящиеся на вершине круговой структуры.

• Строка	Индексируемая последовательность элементов, в
которой возможны операции с подстроками.
• Ассоциативный Словарь пар "элемент/значение". массив
• Дерево	Набор (имеющий начало - корень дерева) вершин и
ребер, которые не могут образовывать циклы и пересекаться;
структурное разделение допускается.
• Граф	Множество вершин и ребер (без выделенного

начального элемента), которое может содержать циклы и пересечения;

структурное разделение допускается.

Как уже говорилось в главе 4, упорядочение представленных выше абстракций есть проблема классификации. Мы выбрали именно такую модель из-за того, что она обеспечивает закрепление определенного поведения за каждой категорией объектов.

Обратите внимание на типы поведения, которые использовались в качестве критериев при разбиении на классы: некоторые структуры ведут себя как коллекции (наборы и множества), а другие - как последовательности (деки и стеки). В некоторых структурах (графы, списки и деревья) возможно структурное разделение, в то время как остальные более монолитны и не допускают структурного разделения своих элементов. Как мы увидим далее, подобная классификация поможет в дальнейшем сформировать достаточно простую архитектуру системы.

Для некоторых классов в процессе анализа выявилась желательность их функциональной изменчивости. В частности, нам могут понадобиться упорядоченные коллекции, деки и очереди (последние часто называют приоритетными очередями19). Кроме того, мы можем различать ориентированные и неориентированные графы, односвязные и двусвязные списки, бинарные, множественные и AVL-деревья 20. Эти специализированные абстракции могут быть получены уточнением одной из вышеперечисленных; их не следует выделять в отдельные большие категории.

Несмотря на то, что мы уже обнаружили признаки общности поведения, мы пока не будем заниматься проработкой иерархической структуры. На этапе анализа важно разобраться в ролях каждой абстракции.

Мы выделим следующие типы инструментов:

• Дата/Время	Операции с датой и временем.
• Фильтры	Ввод, обработка и вывод.
• Поиск по образцу	Операции поиска последовательностей внутри
других последовательностей
• Поиск	Операции поиска элементов внутри структур
• Сортировка	Операции упорядочивания структур
• Утилиты	Составные операции, базирующиеся на базовых
структурных операциях.

Несомненно, существует масса различных функциональных вариантов этих абстракций. Можно, например, выделить несколько видов сортировок (быстрая сортировка методом пузырька, сортировка кучи и т. д.) или поиска (последовательный, двоичный, различные способы обхода дерева и т. д.). Как и раньше, мы отложим решения относительно наследования этих абстракций.

Модели взаимодействий

Итак, мы определили основные функциональные элементы нашей библиотеки;

однако изолированные абстракции сами по себе - еще не среда разработки. Как отметил Вирфс-Брок: "Среда разработки предоставляет пользователю модель взаимодействий между объектами входящих в нее классов... Чтобы освоить среду разработки, прежде всего следует изучить методы взаимодействия и ответственности ее классов". Это и есть тот критерий, по которому можно отличить среду разработки от простого набора классов: среда - это совокупность классов и механизмов взаимодействия экземпляров этих классов.

Анализ показывает, что существует определенный набор основных механизмов, необходимый для библиотеки базовых классов:

•семантика времени и памяти

•управление хранением данных

•обработка исключений

•идиомы итерации

•синхронизация при многопоточности.

При проектировании системы базовых классов необходимо сохранять баланс между перечисленными техническими требованиями.21 Если мы будем пытаться решить каждую задачу по отдельности, то, скорее всего, получим ряд изолированных решений, не связанных между собой ни общими протоколами, ни общей концепцией, ни реализацией. Такой наивный подход приведет к изобилию различных подходов, которое испугает потенциального пользователя получившейся библиотеки.

Встанем на точку зрения пользователя нашей библиотеки. Какие абстракции представляют имеющиеся в ней классы? Как они взаимодействуют между собой? Как их можно приспособить к предметной области? Какие классы играют ключевую роль, а какие можно вообще не использовать? Вот те вопросы, на которые нужно дать ответ перед тем, как предлагать пользователям библиотеку для решения нетривиальных задач. К счастью для пользователя, ему не обязательно во всех деталях представлять себе, как работает библиотека, подобно тому, как не нужно понимать принципы работы микропроцессора для программирования на языке высокого уровня. В обоих случаях реализации нижнего уровня может быть продемонстрирована каждому пользователю, но только при его желании.

Рассмотрим описание абстракций нашей библиотеки с двух точек

зрения:

пользователя, который только объявляет объекты уже существующих классов, и клиента, который конструирует собственные подклассы на базе библиотечных. При проектировании с расчетом на первого пользователя желательно как можно сильнее ограничить доступ к реализациям абстракций и сконцентрироваться на их ответственностях; проектирование с учетом запросов второго пользователя предполагает открытость некоторых внутренних деталей реализации, однако, не настолько, чтобы стало возможным нарушить фундаментальную семантику абстракции. Таким образом, приходится отметить некоторую противоречивость основных требований к системе.

Одной из главных проблем при работе с большой библиотекой являются трудности в понимании того, какие, собственно, механизмы она включает в себя. Перечисленные выше модели представляют собой как бы душу архитектуры библиотеки:

чем больше разработчик знает об этих механизмах, тем легче ему будет использовать существующие в библиотеке компоненты, а не сочинять с нуля собственные. На практике получается так, что пользователь сначала знакомится с содержанием и работой наиболее простых классов, и только затем, проверив надежность их работы, постепенно начинает использовать все более сложные классы. В процессе разработки, по мере того как начинают вырисовываться новые, присущие предметной области пользователя, абстракции, они тоже могут добавляться в библиотеку. Развитие объектноориентированной библиотеки - это длительный процесс, проходящий через ряд промежуточных этапов.

Именно так мы будем строить нашу библиотеку: сначала определим тот архитектурный минимум, который реализует все пять выделенных нами механизмов, и затем начнем постепенно наращивать на этом остове все новые и новые функции.

9.2. Проектирование

Тактические вопросы

В соответствии с законом разработки программ Коггинса "прагматизм всегда должен быть предпочтительней элегантности, ведь Природу все равно ничем не удивить". Следствие: проектирование никогда не будет полностью независимым от языка реализации проекта. Особенности языка неизбежно наложат отпечаток на те или иные архитектурные решения, и их игнорирование может привести к тому, что нам придется работать в дальнейшем с абстракциями, не в полной мере учитывающими преимущества и недостатки конкретного языка реализации.

Как было отмечено в главе 3, объектно-ориентированные языки предоставляют три основных механизма упорядочения большего числа классов: наследование, агрегацию и параметризацию. Наследование является наиболее популярным свойством объектно-ориентированной технологии, однако далеко не единственным принципом структурирования. Как мы увидим, сочетание параметризации с наследованием и агрегацией помогает создать достаточно мощную и в то же время компактную архитектуру.

Рассмотрим усеченное описание предметно-зависимого класса очереди

в C++:

class NetworkEvent... // сетевое событие

class EventQueue {// очередь событий public:

EventQueue();

virtual ~EventQueue();

virtual void clear(); // очистить

virtual void add(const NetworkEvent&); // добавить virtual void pop(); // продвинуть

virtual const NetworkEvent& front() const; // первый элемент

...

};

Перед нами абстракция, олицетворяющая очередь событий: структура, в которую мы можем добавлять новые элементы в конец очереди и удалять элементы из начала очереди. C++ позволяет скрыть внутренние детали реализации класса очереди за его внешним интерфейсом (операциями clear ,

add, pop и front ).

Нам могут потребоваться также некоторые другие варианты очереди, например, приоритетная очередь, где события выстраиваются в соответствии с их срочностью. Разумно воспользоваться результатами уже проделанной работы и организовать новый класс на базе ранее определенного:

class PriorityEventQueue : public EventQueue { public:

PriorityEventQueue();

virtual ~PriorityEventQueue();

virtual void add(const NetworkEvent&);

…

};

Виртуальность функций (например функции add) поощряет переопределение операций в подклассах.

Комбинация наследования с параметризованными классами позволяет создавать еще более общие абстракции. Семантика класса очереди не зависит от того, что в ней: волки или овцы. Используя классы-шаблоны, можно переопределить наш базовый класс следующим образом:

template<class Item>

class Queue { public:

Queue ();

virtual ~Queue() ; virtual void clear();

virtual void add(const Item&); virtual void pop();

virtual const Item& front() const;

…

};

Это наиболее распространенный способ использования параметризованных классов: взять существующий конкретный класс, выделить в нем то, что не зависит от элементов, с которыми он оперирует, и сделать эти элементы аргументами шаблона.

Наследование и параметризация очень хорошо сочетаются. Наш подкласс PriorityQueue можно, например, обобщить следующим образом:

template<class Item>

class PriorityQueue : public Queue<Item> { public:

PriorityQueue();

virtual ~PriorityQueue();

virtual void add(const Item&);

…

};

Безопасность с точки зрения типов - ключевое преимущество данного подхода. Мы можем создать целый ряд различных классов конкретных очередей:

Queue<char> characterQueue;

typedef Queue<MetworkEvent> EventQueue;

typedef PriorityQueue<NetworkEvent> PriorityEventQueue;

Рис. 9-1. Наследование и параметризация

При этом язык реализации не позволит нам присоединить событие к очереди символов, а вещественное число - к очереди событий.

Рис. 9-1 иллюстрирует отношения между параметризованным классом (Queue), его подклассом (PriorityQueue), примером этого подкласса

(PriorityEventQueue) и одним из его экземпляров (mailQueue).

Этот пример подтверждает правильность одного из самых первых наших архитектурных решений: почти все классы нашей библиотеки должны быть параметризованными. Тогда будет выполнено и требование защищенности.

Макроорганизация

Как уже отмечалось в предыдущих главах, классы есть необходимое, но не достаточное средство декомпозиции системы. Это замечание в полной мере касается и библиотеки классов. Неупорядоченный набор классов, в котором разработчики копаются в поисках чего-либо полезного, - едва ли не худшее из возможных решений. Лучше разбить классы на отдельные категории (рис. 9-2). Такое решение позволяет удовлетворить требованию простоты библиотеки.

При первом взгляде на проблемную область легко заметить, что мы могли бы воспользоваться общими функциональными свойствами классов. Поэтому заведем общедоступную категорию Support (поддержка) для абстракций низкого уровня и классов, поддерживающих общие механизмы библиотеки.

Это наблюдение приводит нас ко второму принципу архитектуры библиотеки: четкое разделение между политикой и реализацией. Такие абстракции, как очереди, множества и кольца, отражают политику использования низкоуровневых структур: связных списков или массивов. Очередь, например, выражает политику, при которой можно только удалять элементы из начала структуры и добавлять элементы к ее концу. Множество, с другой стороны, не представляет никакой политики, требующей упорядочения элементов. Кольцо требует упорядочения, но предполагает, что начальный и конечный элемент соединены. К категории Support мы будем относить простые абстракции - те, над которыми надстраивается политика.

Поместив эту категорию классов в код библиотеки, мы поддерживаем библиотечное требование расширяемости. Основная масса разработчиков, может быть, и не будет использовать классы из Support. Однако разработчики библиотек и более

Рис. 9-2. Категории классов в библиотеке

продвинутые программисты смогут задействовать базовые абстракции из Support для конструирования новых классов или модификации поведения существующих.

Как видно из рис. 9-2, библиотека организована не в виде дерева, а в виде леса классов; здесь не существует единого базового класса, как этого требуют языки типа Smalltalk.

На рисунке этого не видно, но на самом деле классы категорий Graphs, Lists и Trees несколько отличаются от других структурных классов. Еще раньше мы отмечали, что абстракции типа деки и стека являются монолитными. С монолитной структурой можно иметь дело только как с единым целым: ее нельзя разбить на отдельные идентифицируемые компоненты, и таким образом гарантируется ссылочная целостность. С другой

стороны, в композитной структуре (такой как граф) структурное разделение допускается. В ней мы можем, например, получать доступ к подспискам, ветвям дерева, отдельным вершинам или ребрам графа. Фундаментальное различие между этими двумя категориями структур лежит в семантике операций копирования, присваивания и сравнения. Для монолитных абстракций подобные операции можно назвать "глубокими", а для композитных абстракций - "поверхностными", в том смысле, что при копировании происходит передача ссылки на часть общей структуры.

Семейства классов

Третий основной принцип проектирования библиотеки заключается в построении семейств классов, связанных отношением наследования. Для каждого типа структур мы создадим несколько различных классов, объединенных единым интерфейсом (как в случае с абстрактным классом Queue), но с разными конкретными подклассами, имеющими несколько различные представления и поэтому отличающимися Своим устройством и характеристиками "время/память". Таким образом мы обеспечим библиотечное требование полноты. Разработчик сможет выбрать тот конкретный класс, который в большей степени подходит для решения его задачи. В то же время этот класс обладает тем же интерфейсом, что и остальные классы семейства. Сознательное четкое разделение абстрактного базового класса и его конкретных подклассов позволяет пользователю системы выбрать, скажем, на первом этапе проектирования один из классов в качестве рабочего, а затем, в процессе доводки приложения, заменить его на другой, чем-то отличающийся класс того же семейства, затратив на это минимум времени и усилий (единственное, что ему потребуется, - это заново оттранслировать свою программу). При этом разработчик будет уверен в нормальном функционировании программы, так как все классы, принадлежащие одному семейству, обладают идентичным внешним интерфейсом и схожим поведением. Смысл в такой организации классов состоит еще и в возможности копирования, присваивания и сравнения объектов одного семейства даже в том случае, если их представления совершенно разнятся.

Можно сказать, что базовый абстрактный класс как бы содержит в себе все важные черты абстракции. Другое важное применение абстрактных базовых классов - это кэширование общего состояния, которое дорого вычислять заново. Так можно перевести вычисление O(n) в операцию порядка O(1) - простое считывание данных. При этом, естественно, требуется обеспечить соответствующий механизм взаимодействия между абстрактным базовым классом и его подклассами, чтобы гарантировать актуальность кэшируемого значения.

Элементы семейства классов представляют собой различные формы абстракции. Опыт показывает, что существуют две основные формы абстракций, которыми следует пользоваться разработчику при создании серьезных приложений. Во-первых, это форма конкретного представления абстракции в оперативной памяти машины. Существует два варианта такого представления: выделение памяти для структуры из стека или выделение оперативной памяти из кучи. Им соответствуют две формы абстракций:

ограниченная и неограниченная:

• Ограниченная	Структура хранится в стеке и, таким образом,
имеет статический размер (известный в момент создания объекта).
• Неограниченная	Структура хранится в куче и ее размеры могут
динамически изменяться.

Так как ограниченная и неограниченная формы абстракции имеют общие интерфейс и поведение, их обе можно представить в виде прямых