Основы объектно-ориентированного программирования - Бертран Мейер

Модульное программирование ранее понималось как сборка программ из небольших частей, обычно подпрограмм. Но такой подход не может обеспечить реальную расширяемость и повторное использование программного продукта, если не гарантировать, что элементы сборки - модули - являются самодостаточными и образуют устойчивые структуры. Любое достаточно полное определение модульности должно обеспечивать реализацию этих свойств.

Таким образом, метод проектирования программного продукта является модульным, если он помогает проектировщикам создать систему, состоящую из автономных элементов с простыми и согласованными структурными связями между ними. Цель этой лекции - детализация этого неформального определения и выяснение того, какими конкретно свойствами должен обладать метод, заслуживающий название "модульного". Наше внимание будет сосредоточено на этапе проектирования, но все идеи применимы и к ранним этапам - анализа и спецификации, также как и к этапам разработки и сопровождения.

Рассмотрим модульность с разных точек зрения. Введем набор дополнительных свойств: пять критериев (criteria), пять правил (rules) и пять принципов (principles) модульности, обеспечивающих при их совместном использовании выполнение наиболее важных требований, предъявляемых к методу модульного проектирования.

Для практикующего разработчика ПО принципы и правила не менее важны, чем критерии. Различие лишь в причинной связи: критерии являются взаимно независимыми (метод может удовлетворять одному из них и в тоже время противоречить оставшимся), в то время как правила следуют из критериев, а принципы следуют из правил.

Можно было бы ожидать, что эта лекция начнется с подробного описания того, как выглядит модуль. Но это не так, и для этого есть серьезные основания. Задача этой и двух следующих лекций - анализ свойств, которыми должна обладать надлежащим образом спроектированная модульная структура. Вопросом о виде модулей мы займемся в конце нашего обсуждения, а не в его начале. И пока мы не дойдем до этой точки, слово "модуль" будет означать компонент разбиения рассматриваемой системы. Если вы знакомы с не ОО-методами, то, вероятно, вспомните о подпрограммах, имеющихся в большинстве языков программирования и проектирования, или, быть может, о пакетах (packages) языка Ada и (правда, под другим названием) языка Modula. Наконец, в последующих лекциях наше обсуждение приведет к ОО-виду модуля - классу. Даже если вы уже знакомы с классами и ОО-методами, все же следует прочитать эту лекцию для понимания требований, предъявляемых к классам, - это поможет правильному их конструированию.

Метод проектирования, который можно называть "модульным", должен удовлетворять пяти основным требованиям:

[x]. Декомпозиции (decomposability).

[x]. Композиции (composability).

[x]. Понятности (understandability).

[x]. Непрерывности (continuity).

[x]. Защищенности (protection).

Декомпозиция

Метод проектирования удовлетворяет критерию Декомпозиции, если он помогает разложить задачу на несколько менее сложных подзадач, объединяемых простой структурой, и настолько независимых, что в дальнейшем можно отдельно продолжить работу над каждой из них.

Такой процесс часто будет циклическим, поскольку каждая подзадача может оказаться достаточно сложной и потребует дальнейшего разложения.

Рис. 3.1.  Декомпозиция

Следствием требования декомпозиции является разделение труда (division of labor): как только система будет разложена на подсистемы, работу над ними следует распределить между разными разработчиками или группами разработчиков. Это трудная задача, так как необходимо ограничить возможные взаимозависимости между подсистемами:

[x]. Необходимо свести такие взаимозависимости к минимуму; в противном случае разработка каждой из подсистем будет ограничиваться темпами работы над другими подсистемами.

[x]. Эти взаимозависимости должны быть известны: если не удастся составить перечень всех связей между подсистемами, то после завершения разработки проекта будет получен набор элементов программы, которые, возможно, будут работать каждая в отдельности, но не смогут быть собраны вместе в завершенную систему, удовлетворяющую общим требованиям к исходной задаче.

Наиболее очевидным примером обсуждаемого метода3.1), удовлетворяющим критерию декомпозиции, является метод нисходящего (сверху вниз) проектирования (top-down design). В соответствии с этим методом разработчик должен начать с наиболее абстрактного описания функции, выполняемой системой. Затем последовательными шагами детализировать это представление, разбивая на каждом шаге каждую подсистему на небольшое число более простых подсистем до тех пор, пока не будут получены элементы с настолько низким уровнем абстракции, что становится возможной их непосредственная реализация. Этот процесс можно представить в виде дерева.

Рис. 3.2.  Иерархия нисходящего проектирования

Типичным контрпримером (counter-example) является любой метод, предусматривающий включение в разрабатываемую систему модуля глобальной инициализации. Многие модули системы нуждаются в инициализации - открытии файлов или инициализации переменных.

Каждый модуль должен произвести эту инициализацию до начала выполнения непосредственно возложенных на него операций. Могло бы показаться, что все такие действия для всех модулей системы неплохо сосредоточить в одном модуле, который проинициализирует сразу все для всех. Подобный модуль будет обладать хорошей "согласованностью во времени" (temporal cohesion) в том смысле, что все его действия выполняются на одном этапе работы системы. Однако для получения такой "согласованности во времени", придется нарушать автономию других модулей. Придется модулю инициализации дать право доступа ко многим структурам данных, принадлежащим различным модулям системы и требующим специфических действий по их инициализации. Это означает, что автор модуля инициализации должен будет постоянно следить за структурами данных других модулей и взаимодействовать с их авторами. А это несовместимо с критерием декомпозиции.

Термин "согласованность во времени" пришел из метода, известного как структурное проектирование (см. комментарии к библиографии).

Модульная Композиция

Метод удовлетворяет критерию Модульной Композиции, если он обеспечивает разработку элементов программного продукта, свободно объединяемых между собой для получения новых систем, быть может, в среде, отличающейся от той, для которой эти элементы первоначально разрабатывались.

Композиция определяет процесс, обратный декомпозиции: элементы программного продукта извлекаются из того контекста, для которого они были первоначально предназначены, для использования их вновь в ином контексте.

Рис. 3.3.  Композиция

Метод модульного проектирования облегчает этот процесс, создавая автономные элементы программного продукта достаточно независимыми от первоначально поставленной задачи, что делает такое извлечение возможным.

Композиция непосредственно связана с повторным использованием. Этот критерий отражает старую мечту - превратить процесс конструирования программного продукта в работу по складыванию кубиков так, чтобы строить программы из фабрично изготовленных элементов.

[x]. Пример 1: Библиотеки подпрограмм. Библиотеки подпрограмм создаются как наборы компонуемых элементов. Одной из областей, где они успешно используются, являются численные вычисления, основанные на тщательно подготовленных библиотеках подпрограмм для решения задач линейной алгебры, метода конечных элементов, дифференциальных уравнений и др.

[x]. Пример 2: Соглашения, принятые в командном языке Shell операционной системы UNIX. Основные команды системы UNIX оперируют с входным потоком последовательных символов и выдают результат, имеющий такую же стандартную структуру. Потенциальная возможность композиции поддерживается оператором | командного языка "Shell". Запись A | B означает композицию программ. Вначале запускается программа A, ее результаты поступают на вход программы B, начинающей свою работу по завершении работы программы А. Такое системное соглашение благоприятствует композиции программных средств.

[x]. Контрпример: Препроцессоры. Общепринятым способом расширения языка программирования, а иногда и преодоления его недостатков, является использование "препроцессора", принимающего входные данные в расширенном синтаксисе и отображающего их в стандартной для этого языка форме. Типичные препроцессоры для Fortran'а и C поддерживают графические примитивы, расширенные управляющие структуры или операции над базами данных. Однако обычно такие расширения не являются взаимно совместимыми; что не позволяет сочетать два таких препроцессора, и приходится выбирать между, например, графикой или базой данных.