Параллельное и распределенное программирование на С++ - Хьюз Камерон

Узел обозначается в виде куба. Узлы соединяются связями. Компоненты и узлы также могут соединяться связями. Как упоминалось выше, узел может содержать список компонентов, либо компонент может быть отображен отдельно от узла, но при этом необходимо показать связь между ними. Компонент можно представить в виде прямоугольника с указанием тегов в его левой части. Имя компонента указывается внутри его символьного обозначения.

Для отображения более крупных частей системы компоненты можно сгруппировать в пакеты или подсистемы. Пример диаграммы развертывания показан на рис. 10.18. Здесь пользователи подключаются к системе через intranet. Узлы являются частью кластера компьютеров. Они группируются в пакет. Пользователи подключаются к кластеру как к единому элементу. В каждом узле перечисляются программные компоненты, которые на немустановлены. Взаимодействие межлуузлами обеспечивается посредством сетевого узла.

Рис. 10.18. Диаграмма развертывания, использующая пакеты

Архитектура системы

Моделирование и документирование архитектуры системы — это ее описание па самом высоком уровне. Гради Буч, Джеймс Рамбау и Айвар Джекобсон определяю, архитектуру как

набор важных решений по организации системы программного обеспечения, выбор структурных элементов и их интерфейсов, посредством которых составляется система, вместе с их поведением, определенным на периоды их сотрудничества, объединение этих структурных и поведенческих элементов в более крупные подсистемы и архитектурный стиль, который направляет эту организацию — эти элементы и их интерфейсы, их варианты взаимодействия и их композицию.

Моделирование и документирование архитектуры системы должно охватывать ее логические и физические элементы, а также структуру и поведение системы на самом высоком уровне.

Архитектура системы — это ее описание с различных точек зрения, но с акцентом на структуре и организации системы. Ниже представлены различные точки зрения.

Прецедент (вариант использования)  Описывает поведение системы с точки зрения конечно г о пользователя

Процесс  Описывает процессы и потоки, используемые в механизмах обеспечения параллелизма и синхронизации

Назначение  Описывает функции системы и услу г и, предоставляемые конечному пользователю

Реализация  Описывает аппаратные компоненты, используемые для создания физической системы

Развертывание  Описывает про г раммные компоненты и узлы, на которых они выполняются, в поставляемой системе

Очевидно, что эти «поля зрения» (представления о системе) частично перекрываются и взаимодействуют между собой. Например, в описании назначения системы могут упоминаться прецеденты, а при описании ее реализации процессы часто представляют в качестве компонентов. Программные компоненты используются как в части реализации, так и части развертывания системы. При описании архитектуры системы очень полезно строить диаграммы, которые отражают каждый из перечисленных выше ее «портретов».

Систему можно разложить иа подсистемы и модули. Подсистемы и модули могут быть подвергнуты дальнейшей декомпозиции и разложены на компоненты, узлы, классы, объекты и интерфейсы. В языке UML подсистемы и модули, используемые на архитектурном уровне документации, называются пакетами. Пакет можно использовать для организации элементов в группу, которая описывает общую цель этих элементов. Пакет представляется в виде прямоугольника со вкладкой (ярлыком), расположенной над его верхним левым углом. Символ пакета должен содержать его название. Пакеты в системе могут связывать отношения, построенные на основе композиции, агрегирования, зависимости и наследования. Для того чтобы отличать один тип пакета от другого, можно использовать индикаторы стереотипов. На рис. 10.19 показаны пакеты, входящие в систему составления расписаний. Для системного пакета используется индикатор <<system>> (<<система>>), а для пакета уровня подсистемы — индикатор «subsystem>> (<<подсистема>>). Подсистемы связаны с системой отношением агрегирования.

Одни пакеты могут содержать другие пакеты. В этом случае имя пакета указывается во вкладке. На рис. 10.19 также показано содержимое каждой подсистемы.

Резюме

Рис. 10.19. Пакеты, используемые в системе составления расписаний (NLI- естественно-языковый интерфейс; NLP — обработка данных на естественном языке; NLG — генерация словаря естественного языка)

Модель системы представляет собой своего рода информационное тело, «собранное» с целью изучения системы. При моделировании любой системы не обойтись без документирования ее различных аспектов. Поскольку в создании системы обычно занято множество людей, очень важно, чтобы все они пользовались одним языком. Таким языко м стал у н ифицированный язык м оделирования (United Modeling Language — UML), который представляет собой совокупность графических средств, используемых для проектирования, визуализации, моделирования и документирования артефактов системы программного обеспечения. Этот язык создан Гради Бучем, Джеймсом Рамбау и Айваром Джекобсоном. Язык UML стал фактическим стандартом для моделирования объектно-ориентированных систем. Его средства также успешно можно использовать для моделирования параллельных и распределенных систем в плане описания ее структурных и поведенческих аспектов.

Диа г ра мм ы UML м ожно использовать для моделирования основных модулей системы, отдельных объектов и системы в целом. Объект — это основная «единица» моделирования, используемая во многих диаграммах UML. Композиция, агрегирование, зависимость и наследование — это некоторые из отношений, который могут существовать между объектами. Для отображения поведения объектов и идентификации параллелизма в системе используются диаграммы взаимодействия. Диаграммы сотрудничества позволяют отобразить взаимодействие между объектами, совместно работающими над выполнением некоторой конкретной задачи. Для представления взаимодействия между объектами во времени используются диаграммы последовательностей. С помощью диаграмм состояний можно отобразить действия одного объекта в течение всего периода его существования. Для распределенных объектов преусмотрена возможность указать их местоположение в системе.

Диаграммы развертывания используются для моделирования системы с точки зрени я их поставки. Базовыми элементами диаграммы развертывания являются узлы и компоненты. Узлы представляют блоки оборудования, а компоненты— части программного обеспечения. В символах узлов указывается, какие объекты или компоненты установлены на них. При моделировании всей системы базовым элементом является пакет. Пакеты можно использовать для представления систем и подсистем. Межлу пакетами могут существовать отношения, которые также отражаются на диаграмме.

Проектирование компонентов для поддержки параллелизма

«Как только мы пересекаем черту, чтобы реализовать себя в компьютерной технологии, наши успехи начинают зависеть от способности нашего ума к эволюции. Мы становимся частью программного, а не аппаратного обеспечения.» Рей Курзвейл (Ray Kurzweil), The Age of Spiritual Machines

При реализации параллелизма в программном обеспечении необходимо следовать одному важном)- правилу: параллелизм нужно обнаружить, а не внести извне. Иногда цель увеличения быстродействия программы не является достаточно оп-равданной для насаждения параллелизма в логику программы, которая по своей природе является последовательной. Параллелизм в проекте должен быть естественным следствием требований системы. Если параллельность определена в технических требованиях ксистеме, то следует с самого начала рассматривать варианты архитектуры и алгоритмы, которые поддерживают параллелизм. В противном случае необходимость паралле-лизма «всплывет» в уже существующей системе, которая изначально была нацелена лишь на выполнение последовательных действий. Такал участь часто постигает системы, которые первоначально разрабатывались как однопользовательские, а затем постепенно вырастали во многопользовательские, или системы, которые с функциональной точки зрения слишком далеко отошли от исходных спецификаций. В таких системах намерение внести в систему параллелизм можно сравнить с попыткой «махать руками после драки», и в этом случае для поддержки параллельности остается лишь делать архитектурные «пристройки». В этой книге мы описываем методы реализации естественного параллелизма. Другими словами, если мы знаем, что нам нужно обеспечить параллелизм, нас интересует, как это сделать, используя средства С++?