Параллельное и распределенное программирование на С++ - Хьюз Камерон

• Необходимые ресурсы (например, базы данных, специализированные процессоры, модемы, принтеры и т.п.) расположены на рааличных компьютерах. Клиентские объекты (объекты, формирующие запрос на обслуживание) взаимодействуют с серверными объектами (объектами, реагирующими на запрос обслуживания) для получения доступа к этим ресурсам.

• Для выполнения некоторой важной работы или решения насущной проблемы необходимо скооперировать объекты, различающиеся временем разработки, разработчиками и местоположением.

• Агенты, реализованные как объекты, отличающиеся узкой специализацией, требуют собственных адресных пространств, поскольку они запускаются как отдельные процессы.

• Объекты используются в качестве базовых модулей, которые реализованы как отдельные программы, каждая из которых имеет собственное адресное пространство.

• Объекты реализованы в SPMD- или МРМП-архитектуре, рассчитанной на использование параллельного программирования, причем эти объекты расположены в различных процессах и на различных компьютерах.

В объектно-ориентированном приложении выполняемая программой работа делится между несколькими объектами. Эти объекты представляют собой модели определенной реальной личности, реального места, предмета или идеи. Выполнение объектно-ориентированной программы вынуждает ее объекты взаимодействовать между собой в соответствии с правилами, заложенными в этой модели. В распределенном объектно-ориентированном приложении некоторые взаимодействующие объекты будут создаваться различными программами, которые, возможно, выполняются на различных компьютерах. В главе 3 упоминалось о том, что каждая выполняемал программа включает один или несколько процессов. Каждый процесс обладает собственными ресурсами. Например, любой процесс имеет собственную память, дескрипторы файлов, стековое пространство, идентификатор и т.п. Задачи, выполняемые в одном процессе, не имеют прямого доступа к ресурсам, принадлежащим другому процессу. Если задачам, выполняемым в одном процессе, необходима информация, хранимая в памяти другого процесса, то эти два процесса должны явно обменяться информацией с помощью файлов, каналов, общей памяти, переменных среды или сокетов. Объекты, которые принадлежат различным процессам и нуждаются во взаимодействии между собой, также должны использовать один из перечисленных выше способов явного обмена информацией. Как правило, С++-разработчик при разработке распределенного объектно-ориентированного приложения сталкивается с необходимостью решения следующих проблем.

• Деко м позиция задачи и ее решения на м ножество объектов, приче м некоторые из них будут принадлежать рааличным процесса м и раз м ещаться на разных компьютерах.

• Обеспечение связи между объектами, принадлежащими различным процесса м (адресным пространствам).

• Синхронизация взаимодействия между локальны м и и удаленны м и объектами.

• Обработка ошибок и исключений в распределенной среде.

Декомпозиция задачи и инкапсуляция ее решения

Проектирование объектно-ориентированного программного обеспечения — это процесс перевода требований к ПО в проект, в котором с помощью объектов моделируется каждый аспект разрабатываемой системы и выполняемой ею работы. Центральное место в этом проекте отводится структуре и иерархии коллекций объектов, а также их взаимоотношениям и взаимодействиям. Для поддержки понятия модели ПО в С++ используется ключевое слово class. Существует два базовых типа моделей. Первый тип модели — масштабированное представление некоторого процесса, концепции или идеи. Этот тип модели используется для анализа или экспериментирования. Например, класс применяется для разработки модели молекулы, т.е. с помощью концепции С++-класса можно смоделировать гипотетическую структуру некоторого химического процесса, происходящего в молекулах. Программным путем можно затем изучить поведение молекулы при внедрении новых групп атомов. Второй тип модели ПО — воспроизведение некоторой реальной задачи, процесса или идеи. Цель этой модели — заставить некоторую часть системы ПО или приложения функционировать подобно ее «прототипу». В этом случае ПО занимает место некоторого компонента или некоторого физического предмета в неавтоматизированной системе. Например, мы можем использовать концепцию класса для моделирования калькулятора. При корректном моделировании всех его характеристик и поведения можно создать экземпляр этого класса и использовать в качестве настоящего калькулятора. Программный калькулятор здесь будет играть роль реального калькулятора. Таким образом, смоделированный нами класс может служить в качестве виртуального лублера некоторого реального лица, места, предмета или идеи. Главное в программной модели — ухватить суть реального предмета.

Декомпозиция (decomposition) — это процесс разделения задачи и ее решения на ряд подзадач, коллекций объектов и принципов взаимоотношений между этими объектами. Аналогично инкапсуляция (encapsulation) — это моделирование характеристик, атрибутов и поведения некоторого лица, места, предмета или идеи с помощью С++-конструкции class. Такое моделирование (инкапсуляция) и декомпозиция являются частью этапа проектирования объектно-ориентированного ПО. Объектно-ориентированные приложения, которые содержат распределенные объекты, вносят в процесс проектирования дополнительный уровень сложности. С точки зрения «чистого» проектирования местоположение объектов в приложении не должно влиять на разработку атрибутов и характеристик этих объектов. Класс — это модель и, если местоположение не является частью этой модели, то даже самое «крайнее» расположение объектов (экземпляров этого класса) не должно иметь значение. Однако объекты существуют не в вакууме. Они взаимодействуют и обмениваются информацией с другими объектами. Если объекты (участники взаимодействия) расположены на разных компьютерах, и, возможно, даже в различных сетях, то оказывается, что фактор местоположения объектов необходимо с самого начала включать в процесс проектирования ПО. И хотя насчет того, на каком именно этапе проектирования следует рассматривать этот фактор, специалисты существенно расходятся во мнениях, тем не менее все единолушны в том, что его необходимо рассматривать. Дело в том, что обработка ошибок и исключений при взаимодействии объектов, расположенных в различных процессах или на различных компьютерах, отличается от обработки ошибок и исключений при взаимодействии объектов одного и того же процесса. Кроме того, связи и взаимодействия между объектами одного процесса реализуются совершенно не так, как при расположении объектов в различных процессах, которые могут выполняться на разных компьютерах. Это нужно иметь в виду еще на раннем этапе проектирования. В распределенном объектно-ориентированном приложении вся его работа делится между объектами и реализуется в виде функций-членов различных объектов. Объекты должны быть логически разделены согласно определенной модели декомпозиции работ (Work Breakdown Model — WBM). Они могут быть разделены согласно моделям типа «клиентс - сервер», «изготовитель-потребитель», равноправных узлов, «классной доски» или мультиагентной системы. Логическая структура каждой такой модели (с особенностями распределения объектов) показана на рис. 8.1.

Во всех моделях, показанных на рис. 8.1, предполагается, что объекты могут быть на одном и том же или на разных компьютерах (главное — они принадлежат разным процессам). Уже сам факт принадлежности рааличным процессам делает объекты распределенными [13]. Все модели представляют рааличные подходы к распределению работы приложения между объектами.

Взаимодействие между распределенными объектами