1.4. Про проектування складних систем
1.4.1. Інженерна справа як наука і мистецтво
На практиці будь-яка інженерна дисципліна, наприклад будівництво, механіка, хімія, електроніка або програмування, містить в собі елементи науки і мистецтва. Розроблення нових структур передбачає як політ фантазії, так і синтез досвіду і знань: все те, що необхідне художникові для реалізації свого задуму на полотні або папері. Після того, як цей задум дозрів в голові інженера-художника, він обов'язково має бути проаналізований з точки зору застосовності даного наукового методу інженером-вченим зі всією ретельністю, властивою сьогоденню вченому. Програмна постановка задачі є вправою вживання абстракції і вимагає здібностей як формального математика, так і компетентного інженера.
Коли розробляється абсолютно нова система, роль інженера як художника висувається на перший план. Це відбувається постійно під час проектування програм. А тим більше під час роботи із системами, що володіють зворотним зв'язком, і особливо в разі систем керування і контролю, коли нам доводиться писати програмне забезпечення, вимоги до якого нестандартні, і до того ж для спеціально сконструйованого процесора. У інших випадках, наприклад, під час створення прикладних наукових засобів, інструментів для досліджень в області штучного інтелекту або навіть для систем обробки інформації, вимоги до системи можуть бути точно визначеними, але визначені таким чином, що відповідний їм технічний рівень розроблення виходить за межі існуючих технологій. Нам, наприклад, можуть запропонувати створити систему, що володіє великою швидкодією, більшою місткістю або що має набагато потужніші функціональні можливості в порівнянні з тими, що вже існують. У всіх цих випадках ми прагнемо використовувати знайомі абстракції і механізми ("стійкі проміжні форми" в термінах Саймона) як основу нової системи. За наявності великої бібліотеки повторно використовуваних програмних компонентів, інженер-програміст повинен їх по-новому скомпонувати, аби задовольнити всі явні і неявні вимоги до системи. Але оскільки подібних бібліотек практично не існує, інженер-програміст зазвичай може використовувати, на жаль, лише відносно невеликий список готових модулів.
1.4.2. Сенс проектування
У будь-якій інженерній дисципліні під проектуванням зазвичай розуміють деякий уніфікований підхід, за допомогою якого ми шукаємо шляхи вирішення певної проблеми, забезпечуючи виконання поставленої задачі. Мета проектування розроблення ІС полягає в
задоволенні заданим (можливо, неформальним) функціональним специфікаціям;
погодженні з обмеженнями, що накладаються устаткуванням;
задоволенні явним і неявним вимогам з експлуатаційних якостей і необхідних ресурсів;
задоволенні явним і неявним критеріям дизайну продукту;
задоволенні вимогам до самого процесу розроблення, таким, наприклад, як тривалість і вартість, а також залучення додаткових інструментальних засобів.
Мета проектування - виявлення зрозумілої і відносно простої внутрішньої структури, яку інколи називають архітектурою. Проект є остаточний продукт процесу проектування. Результатом проектування є моделі, що дозволяють нам зрозуміти структуру майбутньої системи, збалансувати вимоги і намітити схему реалізації.
Важливість побудови моделі. Моделювання широко поширене у всіх інженерних дисциплінах, в значній мірі через те, що воно реалізує принципи декомпозиції, абстракції і ієрархії. Кожна модель описує певну частину системи, а ми у свою чергу будуємо нові моделі на базі старих, в яких ми впевнені. Моделі дозволяють нам контролювати наші невдачі. Ми оцінюємо поведінку кожної моделі в звичайних і незвичайних ситуаціях, а потім проводимо відповідні доопрацювання, якщо нас щось не задовольняє.
Як ми вже сказали вище, щоб зрозуміти у всіх тонкощах поведінку складної системи, доводиться використовувати не одну модель. Наприклад, проектуючи комп'ютер на одній платі, інженер-електрик повинен розглядати систему як на рівні окремих елементів схеми (мікросхеми), так і на рівні схеми. Схема допомагає інженерові розібратися в спільній поведінці мікросхем. Схема є планом фізичної реалізації системи мікросхем, в якому враховані розмір плати, споживана потужність і типи наявних інтегральних мікросхем. З цієї точки зору інженер може незалежно оцінювати такі параметри системи, як температурний розподіл і технологічність виготовлення. Проектувальник плати може також розглядати динамічні і статичні особливості системи. Аналогічно, інженер-електронщик використовує діаграми, що ілюструють статичні зв'язки між різними мікросхемами, і тимчасові діаграми, що відображають поведінку елементів в часі. Потім інженер може застосувати осцилограф або цифровий аналізатор для перевірки правильності статичної і динамічної моделей.
Елементи програмного проектування. Не існує універсального методу, "срібної кулі", який би провів інженера-програміста дорогою від вимог до складної програмної системи аж до їх виконання. Проектування складної програмної системи зовсім не зводиться до сліпого дотримання деякому набору рецептів. Швидше це поступовий і ітеративний процес. Використання методології проектування вносить до процесу розроблення певну організованість. Інженери-програмісти розробили десятки різних методів, які ми можемо класифікувати за трьома категоріями. Не дивлячись на відмінності, ці методи мають щось загальне. Їх, зокрема, об'єднує наступне:
умовні позначення - мова для опису кожної моделі;
процес - правила проектування моделі;
інструменти - засоби, які прискорюють процес побудови моделей, і в яких вже втілені закони функціонування моделей. Інструменти допомагають виявляти помилки в процесі розроблення.
Хороший метод проектування базується на міцній теоретичній основі і при цьому дає програмістові певну міру свободи самовираження.
Об'єктно-орієнтовані моделі. Чи існує найкращий метод проектування? На це питання немає однозначної відповіді. По суті справи це завуальоване попереднє питання: "Чи існує кращий спосіб декомпозиції складної системи?" Якщо і існує, то поки він нікому не відомий. Це питання можна поставити таким чином: "Яким найкращим способом розділити складну систему на підсистеми?" Ще раз нагадаємо, що корисно за все створювати такі моделі, які фокусують увагу на об'єктах, знайдених у ПО, і утворюють те, що ми назвали об'єктно-орієнтованою декомпозицією.
Об'єктно-орієнтований аналіз і проектування (ООАП) - це метод, що логічно приводить нас до об'єктно-орієнтованої декомпозиції. Застосовуючи ООП, ми створюємо гнучкі програми, написані економними засобами. При розумному розділенні простору станів ми добиваємося більшої впевненості в правильності нашої програми. У результаті, ми зменшуємо ризик під час розроблення складних програмних систем.
Оскільки побудова моделей вкрай важлива під час проектування ІС, ООП пропонує багатий вибір моделей, які представлені на рис. 1.7.
Рис. 1.7. Об'єктно-орієнтовані моделі.
Об'єктно-орієнтовані моделі проектування відображають ієрархію класів і об'єктів системи. Ці моделі покривають весь спектр найважливіших конструкторських рішень, які необхідно розглядати під час розроблення складної системи, і таким чином надихають нас на створення проектів, що володіють всіма п'ятьма атрибутами добре організованих складних систем.
У цій главі ми привели аргументи на користь вживання ООАП для подолання складності, пов'язаної з розробленням ІС. Крім того, ми визначили ряд фундаментальних переваг, що досягаються в результаті вживання такого підходу. Перш ніж ми представимо систему позначень і процес проектування, ми повинні вивчити принципи, на яких цей процес проектування базується: абстрагування, інкапсуляція, модульність, ієрархія, типізація, паралелізм і стійкість.
Висновки
1. Програмам властива складність, яка часто перевершує можливості людського розуму.
2. Завдання розробників ІС – створити у користувача системи ілюзію простоти.
3. Існує дві методології проектування ІС – структурна і об’єктно-орієнтована.
4. Складні структури часто набувають форми ієрархій: класів і об'єктів.
5. Складні системи зазвичай створюються на основі стійких проміжних форм.
6. Пізнавальні здібності людини обмежені; ми можемо розсунути їх рамки, використовуючи декомпозицію, виділення абстракцій і створення ієрархій.
7. Складні системи можна досліджувати, концентруючи основну увагу або на об'єктах, або на процесах; є вагомі підстави використовувати об'єктно-орієнтовану декомпозицію, в якій світ розглядається як впорядкована сукупність об'єктів, які в процесі взаємодії один з одним визначають поведінку системи.
8. Об'єктно-орієнтований аналіз і проектування - метод, що використовує об'єктну декомпозицію; об'єктно-орієнтований підхід має свою систему умовних позначень і пропонує багатий набір логічних і фізичних моделей, за допомогою яких ми можемо отримати уявлення про різні аспекти розроблюваної системи.
Контрольні питання
1. Причини складності систем.
2. Ознаки складності системи.
3. Організована та неорганізована складність.