Урок 9.Документирование результатов анализа и проектирования

Существует два наиболее популярных подхода (парадигмы) к анализу и проектированию информационных систем: структурный и объектно-ориентированный. Первое отличие этих подходов друг от друга заключается в принципах декомпозиции и структурной организации элементов (компонентов, модулей) системы. Согласно этим принципам система представляет собой структуру, состоящую из четко выраженных модулей, связанных между собой определенными отношениями.

При использовании структурного подхода (первый вид декомпозиции) выполняется функциональная (процедурная, алгоритмическая) декомпозиция системы, т. е. она представляется в виде иерархии (дерева) взаимосвязанных функций. На высшем уровне система представляется единым целым с наивысшей степенью абстракции и по мере детализации (добавления уровней) разбивается на функциональные компоненты с более конкретным содержанием.

Второй вид декомпозиции – объектно-ориентированный. В рамках этого подхода система разбивается на набор объектов, соответствующих объектам реального мира, взаимодействующих между собой путем посылки сообщений.

Вторым отличием является объединение в объекте как атрибутивных данных (характеристики, свойства), так и поведения (функции, методы).
В функционально-ориентированных системах функции и данные хранятся (существуют) отдельно.

Третье отличие двух подходов заключается в структурной организации внутри модулей системы. В структурном подходе модуль состоит из функций, иерархически связанных между собой отношением композиции (англ. part-of – часть-целое), т. е. функция состоит из подфункций, подфункция из подподфункций и т.д. В объектно-ориентированном подходе иерархия выстраивается с использованием двух отношений: композиции и наследования (англ. is-a – это есть). При этом в объектно-ориентированном подходе «объект-часть» может включаться сразу в несколько «объектов-целое». Таким образом, модуль в структурном подходе представляется в виде дерева, а в объектно-ориентированном подходе – в виде ориентированного графа, т. е. с помощью более общей структуры.

Структурный подход к анализу и проектированию систем, а также поддерживающие его методологии.
Наиболее популярными методологиями, поддерживающими данный подход, в настоящий момент являются:

· унифицированный процесс (Unified Process, UP);

· экстремальное программирование (eXtreme Programming, XP);

· гибкое моделирование (Agile Modeling, AM).

Базовым средством фиксации (документирования) результатов проектирования систем посредством этих методологий является унифицированный язык моделирования (Unified ModelingLanguage, UML).

Сущность объектно-ориентированного подхода

При разработке программного обеспечения термин «объект» впервые был введен в языке Simula 67 для моделирования сущностей предметной области.

объект – это абстракция реальной или воображаемой сущности с четко выраженными концептуальными границами, индивидуальностью (идентичностью), состоянием и поведением.

Абстракция (лат. abstractio – отвлечение) – форма познания, основанная на мысленном выделении существенных свойств и связей предмета и отвлечении от других, частных его свойств и связей [15]. При этом «существенное» и «частное» должны рассматриваться с точки зрения решаемой задачи (предметной области). В объектно-ориентированном подходе абстракция – это модель сущности, описывающая ее свойства и поведение.

Примерами реальных (физических, осязаемых) сущностей могут служить поезд, стрелочный перевод или инженер службы пути, а воображаемых – технология проведения капитального ремонта пути или оптимальная траектория движения поезда (режимы и скорость в зависимости от текущего положения поезда на участке).

Индивидуальность – это свойство сущности, с помощью которого ее можно отличить от других. Т. е., говоря об объекте «поезд», имеется в виду не обобщенное понятие поезд, как нечто состоящее из локомотивов и вагонов, а конкретный грузовой поезд с номером 1025, весом 4600 т, ведомый электровозом переменного тока ВЛ80Т с серийным номером 027, состоящий из четырехосных полувагонов с конкретными номерами и т. д. В то же время степень абстракции с точки зрения решаемой задачи может быть и более высокой. Например, при выполнении тяговых расчетов к графику движения поездов не требуется информация о серийных номерах локомотивов и вагонов, т. е. нет потребности в отличии друг от друга электровозов ВЛ80Т с серийными номерами 027 и 028.

Для концептуальной группировки однотипных объектов в объектно-ориентированном подходе используется понятие «класс». Класс – это множество объектов, имеющих общую структуру и поведение [1–4]. Таким образом, класс – это шаблон, на основе которого генерируются (создаются) однотипные объекты. В качестве синонима понятия «объект» часто употребляют понятие «экземпляр класса».

Каждый класс и соответственно объект характеризуются строго определенным набором атрибутов и методов. Текущие значения атрибутов четко определяют текущее состояние объекта. Набор методов и их алгоритмическая реализация определяют поведение объекта (класса объектов).

Говоря об объектно-ориентированном подходе, в первую очередь отмечают наследование, инкапсуляцию и полиморфизм. Эти механизмы и принципы проектирования более естественно и полно реализованы в объектно-ориентированном подходе по сравнению со структурным.

Наследование – принцип, в соответствии с которым знание об общей категории разрешается применять для более узкой. Применительно к классам это означает, что дочерний класс (узкая категория) полностью включает в себя (наследует) все атрибуты и методы, определенные в родительском классе (общей категории). При этом в дочернем классе могут быть определены дополнительные атрибуты и методы. Например, дочерний класс «круг» будет наследовать от родительского класса «геометрическая фигура» все атрибуты (x, у – координаты центра фигуры, color – цвет фона и т. д.) и все методы (draw() – нарисовать фигуру, move(dx, dy) – переместить фигуру и т. д.), а также иметь дополнительный атрибут (r – радиус).

Инкапсуляция (информационная закрытость) – принцип, в соответствии с которым содержание внутреннего устройства элементов системы должно быть скрыто друг от друга. Этот принцип предписывает обмен информацией между объектами системы только в минимально необходимом объеме, ограничение доступа к атрибутам и методам объектов (классов) со стороны других объектов (классов) и полное скрытие алгоритмической реализации методов от других объектов (классов).

Полиморфизм – принцип построения элементов модели так, чтобы они могли принимать различные внешние формы или функциональность (поведение) в зависимости от обстоятельств. Например, методы draw() (нарисовать) или calculateS() (рассчитать площадь) для классов «круг» и «ромб», определенных путем наследования атрибутов и методов родительского класса «фигура», алгоритмически должны быть реализованы по-разному.

С учетом приведенных выше определений сущность объектно-ориентированного подхода к анализу и проектированию информационных систем заключается в декомпозиции системы на классы, которые соответствуют однотипным объектам предметной области, и построении из них иерархии в виде ориентированного графа с использованием отношений композиции и наследования.

Базовые составляющие объектно-ориентированного подхода

Базовыми составляющими объектно-ориентированного подхода являются:

· унифицированный процесс;

· унифицированный язык моделирования;

· шаблоны проектирования.

Унифицированный процесс – это процесс разработки программного обеспечения (ПО), который обеспечивает упорядоченный подход к распределению задач и обязанностей в организации-разработчике Унифицированный процесс охватывает весь жизненный цикл ПО, начиная c определения требований и заканчивая сопровождением, и представляет собой обобщенный каркас (шаблон, скелет), который может быть применен (специализирован) для разработки и сопровождения широкого круга систем.

Неотъемлемой частью Унифицированного процесса является UML – язык (система обозначений) для определения, визуализации и конструирования моделей системы в виде диаграмм и документов на основе объектно-ориентированного подхода Следует отметить, что Унифицированный процесс и UML разрабатывались совместно.

На стадиях анализа и проектирования часто используются так называемые шаблоны (паттерны) проектирования. Шаблон – это именованная пара «проблема/решение», содержащая готовое обобщенное решение типичной проблемы Как правило, шаблон помимо текстового описания содержит также одну или несколько диаграмм UML (например, диаграммы классов, кооперации и/или последовательности), графически иллюстрирующих состав и структуру классов, а также особенности их взаимодействия при решении поставленной проблемы. Шаблоны разрабатываются опытными профессионалами и являются проверенными, эффективными (порой оптимальными) решениями. Применение шаблонов может резко сократить затраты и повысить качество разработки ПО.

Преимущества объектно-ориентированного подхода

В отличие от структурного подхода объектно-ориентированный имеет ряд преимуществ:

· описание системы в виде объектов больше соответствует содержательному смыслу предметной области. Например, при использовании структурного подхода БД должна удовлетворять требованиям нормализации, в соответствии с которыми данные по одному и тому же объекту (сущности из реального мира) могут храниться в нескольких таблицах;

· сущности реального мира, как правило, обладают поведением, что в объектно-ориентированном проектировании отражается с помощью определения методов класса. В структурном подходе данные (атрибуты) и алгоритмы (методы) существуют отдельно друг от друга;

· объединение атрибутов и методов в объекте (классе), а также инкапсуляция позволяют добиться большей внутренней и меньшей внешней связности между компонентами системы. Это облегчает решение проблем:

· адаптации системы к изменению существующих или появлению новых требований;

· сопровождения системы на разных стадиях жизненного цикла;

· повторного использования компонентов;

o объектно-ориентированный подход позволяет легче организовать параллельные вычисления, так как каждый объект обладает собственными значениями характеристик (атрибутов) и поведением, за счет чего можно добиться его автономной работы;

o Case-средства, поддерживающие объектно-ориентированный подход, на основе информации об объектах позволяют достичь большей степени автоматизации кодогенерации. Case-средства, поддерживающие структурный подход, хорошо справляются с генерацией структур БД. Однако следует отметить, что эта структура должна удовлетворять требованиям нормализации. В связи с чем автоматическая кодогенерация (например, экранов или функций обработки данных) возможна лишь в редких случаях.

Урок 10.Основы языка UML(Unified Modeling Language)

Язык UML — это графический язык моделирования общего назначения, предназначенный для спецификации, визуализации, проектирования и документирования всех артефактов, создаваемых при разработке программных систем.

Унифицированный язык моделирования (UML, Unified Modeling Language) является преемником методов объектно-ориентированного анализа и проектирования (OOA&D), которые появились в конце 80-х и начале 90-х годов.

Первое упоминание об унифицированном методе (Unified Method) версии 0.8 появилось в 1995 году на конференции OOPSLA ’95. Данный метод был предложен Гради Бучом и Джимом Рамбо. В дальнейшем к ним присоединился Айвар Якобсон и в течение 1996 года Г. Буч, Д. Рамбо, А. Якобсон, получившие широкую известность как «трое друзей» (amigos) продолжали работа над своим методом, который к тому времени получил название унифицированный язык моделирования (UML). Однако помимо данного метода сообществом разработчиком были предложены и другие методы. Для стандартизации этих методов в рамках OMG (Object Management Group) была сформирована инициативная группа.

UML – это название языка моделирования, но не метода. Следует различать эти понятия. Большинство методов включают в себя помимо языка моделирования процесс. Язык моделирования – это нотация (главным образом графическая), которая используется разработчиками для описания проекта. Процесс – это рекомендация относительно этапов, которых необходимо придерживаться при выполнении проекта.

UML — это язык визуализации. Написание моделей на UML преследует одну простую цель — облегчение процесса передачи информации о системе. За каждым символом UML стоит строго определенная семантика, что позволяет избегать ошибок интерпретации (ответы на вопросы типа «а что имел в виду разработчик Х, когда он описал иерархию классов Y…» и т.п. будут достаточно прозрачны).
UML — это язык спецификаций и точных определений. В этом смысле моделирование на UML означает построение моделей, которые точны, недвусмысленны и полны.
UML — это язык конструирования. UML не является визуальным языком программирования, но модели в терминах UML могут быть отображены на определенный набор объектно-ориентированных языков программирования. UML предоставляет возможности прямого (существующая модель ® новый код) и обратного (существующий код ® новая модель) проектирования. Достаточно часто средства UML-моделирования реализуют отображения UML-моделей в коде на языках Java, C++, CORBA, VB, Smalltalk.
UML — это язык документирования. Процесс разработки программного обеспечения предусматривает не только написание кода, но и создание таких артефактов, как список требований, описание архитектуры, дизайн, исходный код системы, планирование проекта, тесты, набор прототипов, релизы продукта. В зависимости от культуры разработки продукта в той или иной компании степень формализации данных документов существенно различается, варьируясь от строго определенных шаблонов и формата документов до разговоров на произвольную тему по e-mail или лично. Тем не менее все эти артефакты критичны для успешного процесса разработки продукта. UML предоставляет средства отображения требований к системе, построения документации, тестов, моделирования необходимых действий для планирования проекта и для управления поставленными конечному пользователю релизами.
Основными элементами UML являются сущности (Thing), отношения (Relationship), диаграммы (Diagram). Сущности являются ключевыми абстракциями языка, отношения связывают сущности вместе, диаграммы группируют коллекции сущностей, которые представляют интерес.

Основное назначение UML — предоставить, с одной стороны, достаточно формальное, с другой стороны, достаточно удобное, и, с третьей стороны, достаточно универсальное средство, позволяющее до некоторой степени снизить риск расхождений в толковании спецификаций.

Не следует думать, что UML — это панацея от всех детских болезней программирования. Для ясного понимания назначения и области применения UML полезно сопоставить UML с другими родственными явлениями.

ü Во-первых, UML не является языком программирования.

ü Во-вторых, UML не является спецификацией инструмента

Сам язык никоим образом не навязывает то, как его нужно поддерживать инструментальными средствами. Решение всех вопросов, связанных с реализацией UML на компьютере полностью отдано на откуп разработчикам инструментов.

ü В-третьих, UML не является моделью процесса разработки приложений

Конечно, у авторов UML есть собственная модель процесса — Rational Unified Process (RUP), которую они не могли не иметь в голове, разрабатывая язык, но, тем не менее, ими сделано все для того, чтобы устранить прямое влияние RUP на UML и сделать UML пригодным для использования в любой модели процесса или даже без оной.

Из сказанного выше видно, что UML предназначен для решения различных задач, соответственно он может быть использован и практически используется по-разному.

Урок 11.Создание абстрактных типов данных.(практика)

Абстра́ктный тип да́нных (АТД)— это тип данных, который предоставляет для работы с элементами этого типа определённый набор функций, а также возможность создавать элементы этого типа при помощи специальных функций. Вся внутренняя структура такого типа спрятана от разработчика программного обеспечения — в этом и заключается суть абстракции. Абстрактный тип данных определяет набор независимых от конкретной реализации типа функций для оперирования его значениями. Конкретные реализации АТД называются структурами данных.

В программировании абстрактные типы данных обычно представляются в виде интерфейсов, которые скрывают соответствующие реализации типов. Программисты работают с абстрактными типами данных исключительно через их интерфейсы, поскольку реализация может в будущем измениться. Такой подход соответствует принципу инкапсуляции в объектно-ориентированном программировании. Сильной стороной этой методики является именно сокрытие реализации. Раз вовне опубликован только интерфейс, то пока структура данных поддерживает этот интерфейс, все программы, работающие с заданной структурой абстрактным типом данных, будут продолжать работать. Разработчики структур данных стараются, не меняя внешнего интерфейса и семантики функций, постепенно дорабатывать реализации, улучшая алгоритмы по скорости, надежности и используемой памяти.

Различие между абстрактными типами данных и структурами данных, которые реализуют абстрактные типы, можно пояснить на следующем примере. Абстрактный тип данных список может быть реализован при помощи массива или линейного списка, с использованием различных техник динамического выделения памяти. Однако каждая реализация определяет один и тот же набор функций, который должен работать одинаково (по результату, а не по скорости) для всех реализации.

Абстрактные типы данных позволяют достичь модульности программных продуктов и иметь несколько альтернативных взаимозаменяемых реализаций отдельного модуля.

Примеры АТД

ü Список

ü Стек

ü Очередь

ü Ассоциативный массив

ü Очередь с приоритетом

Дружественная (friend) функция — это функция, которая, не будучи членом класса, имеет доступ к его приватным членам.

Абстрактные типы данных (abstract data type, в дальнейшем АТД) позволяют создавать программы с использованием высокоуровневых абстракций. За счет применения абстрактных типов данных появляется возможность отделять абстрактные (концептуальные) преобразования, которые программы выполняют над данными, от любого конкретного представления структуры данных и любой конкретной реализации алгоритма.

Абстрактные типы данных предоставляют в наше распоряжение постоянно расширяющийся набор инструментальных средств, позволяющий приниматься за решение все новых и новых задач.

Абстрактные конструкции более высокого уровня часто создаются на основе более простых конструкций. На всех уровнях действует один и тот же основной принцип: в своих программах надо найти наиболее важные операции и наиболее важные характеристики данных, затем точно определить и те и другие на абстрактном уровне и разработать эффективные конкретные механизмы для их поддержки.

Для разработки нового уровня абстракции потребуется определить абстрактные объекты, с которыми необходимо манипулировать, и операции, которые должны выполняться над ними; мы должны представить данные в некоторой структуре данных и реализовать операции.

Абстрактный тип данных (АТД) — это тип данных (набор значений и совокупность операций для этих значений), доступ к которому осуществляется только через интерфейс.

Class share

{

public:

share() {}

virtual void draw() {}

private:

};

Class circle: public share

{

circle () {}

void draw() {}

private:….

};

Все методы должны функционировать нормально в производных классах, но не в классе share, поскольку невозможно создать экземпляр формы как таковой. Программа должна быть защищена от попытки пользователя создать объект этого класса. Класс shareсуществует только для того, чтобы поддерживать интерфейс, общий для всех производных классов, поэтому об этом типе данных говорят как об абстрактном, или АТД.

Абстрактный тип данных представляет общую концепцию, такую как форма, а не отдельные объекты. В С++ АТД по отношению к другим классам всегда выступает как базовый, для которого невозможно создать функциональный объект абстрактного класса.