Основы проектирования программных средств. Этапы и его место в жизнненом цикле конструирования программных систем

Модель абстрактной машины отображает многослойную систему.

Каждый текущий  слой реализуется с использованием средств, обеспечиваемых слоем-фундаментом. 
Моделирование управления 

Известны два  типа моделей управления:

• модель централизованного управления;
• модель событийного управления.

В модели централизованного  управления одна подсистема выделяется как системный контроллер. Ее обязанности - руководить работой других подсистем. Различают две разновидности  моделей централизованного управления: модель вызов-возврат и модель менеджера, которая используется в системах параллельной обработки.

В модели событийного  управления системой управляют внешние  события. Используются две разновидности  модели событийного управления: широковещательная  модель и модель, управляемая прерываниями.

В широковещательной модели каждая подсистема уведомляет обработчика о своем интересе к конкретным событиям. Когда событие происходит, обработчик пересылает его подсистеме, которая может обработать это событие. Функции управления в обработчик не встраиваются.

В модели, управляемой прерываниями, все прерывания разбиты на группы - типы, которые образуют вектор прерываний. Для каждого типа прерывания есть свой обработчик. Каждый обработчик реагирует на свой тип прерывания и запускает свой процесс. 
Декомпозиция подсистем на модули

Известны два  типа моделей модульной декомпозиции:

• модель потока данных;
• модель объектов.

В основе модели потока данных лежит разбиение по функциям.

Модель объектов основана на слабо сцепленных сущностях, имеющих собственные наборы данных, состояния и наборы операций.

Очевидно, что  выбор типа декомпозиции должен определяться сложностью разбиваемой подсистемы.

Модульность 

Модуль - фрагмент программного текста, являющийся строительным блоком для физической структуры системы. Как правило, модуль состоит из интерфейсной части и части-реализации.

Модульность - свойство системы, которая может подвергаться декомпозиции на ряд внутренне связанных и слабо зависящих друг от друга модулей.

По определению  Г. Майерса, модульность - свойство ПО, обеспечивающее интеллектуальную возможность создания сколь угодно сложной программы.

Информационная  закрытость

Принцип информационной закрытости (автор - Д. Парнас, 1972) утверждает: содержание модулей должно быть скрыто друг от друга. Модуль должен определяться и проектироваться так, чтобы его содержимое (процедуры и данные) было недоступно тем модулям, которые не нуждаются в такой информации (клиентам).

Информационная  закрытость означает следующее:

1) все модули  независимы, обмениваются только  информацией, необходимой для  работы;

2) доступ к  операциям и структурам данных  модуля ограничен.

Достоинства информационной закрытости:

• обеспечивается возможность разработки модулей различными, независимыми коллективами;
• обеспечивается легкая модификация системы (вероятность распространения ошибок очень мала, так как большинство данных и процедур скрыто от других частей системы).

Идеальный модуль играет роль «черного ящика», содержимое которого невидимо клиентам. Он прост в использовании - количество «ручек и органов управления» им невелико (аналогия с эксплуатацией телевизора). Его легко развивать и корректировать в процессе сопровождения программной системы. Для обеспечения таких возможностей система внутренних и внешних связей модуля должна отвечать особым требованиям. Обсудим характеристики внутренних и внешних связей модуля.

 
Связность модуля

Связность модуля (Cohesion) - это мера зависимости его частей. Связность - внутренняя характеристика модуля. Чем выше связность модуля, тем лучше результат проектирования, то есть тем «черней» его ящик (капсула, защитная оболочка модуля), тем меньше «ручек управления» на нем находится и тем проще эти «ручки».

Для измерения  связности используют понятие силы связности (СС). Существует 7 типов связности:

1. Связность по совпадению (СС=0). В модуле отсутствуют явно выраженные внутренние связи.

2. Логическая связность (СС=1). Части модуля объединены по принципу функционального подобия. Например, модуль состоит из разных подпрограмм обработки ошибок. При использовании такого модуля клиент выбирает только одну из подпрограмм.

Недостатки:

• сложное сопряжение;
• большая вероятность внесения ошибок при изменении сопряжения ради одной из функций.

3. Временная связность (СС=3). Части модуля не связаны, но необходимы в один и тот же период работы системы.

Недостаток: сильная  взаимная связь с другими модулями, отсюда - сильная чувствительность внесению изменений.

4. Процедурная связность (СС=5). Части модуля связаны порядком выполняемых ими действий, реализующих некоторый сценарий поведения.

5. Коммуникативная связность (СС=7). Части модуля связаны по данным (работают с одной и той же структурой данных).

6. Информационная (последовательная) связность (СС=9). Выходные данные одной части используются как входные данные в другой части модуля.

7. Функциональная связность (СС=10). Части модуля вместе реализуют одну функцию.

Отметим, что типы связности 1,2,3 - результат неправильного планирования архитектуры, а тип связности 4 - результат небрежного планирования архитектуры приложения.

Общая характеристика типов связности представлена в  табл. 4.1.  

Таблица 4.1. Характеристика связности модуля

 
Функциональная  связность

Функционально связный модуль содержит элементы, участвующие в выполнении одной  и только одной проблемной задачи. Примеры функционально связных  модулей:

• вычислять синус угла;
• проверять орфографию;
• читать запись файла;
• вычислять координаты цели;
• вычислять зарплату сотрудника;
• определять место пассажира.

Каждый из этих модулей имеет единичное назначение. Когда клиент вызывает модуль, выполняется  только одна работа, без привлечения  внешних обработчиков. Например, модуль определять место пассажира должен делать только это; он не должен распечатывать заголовки страницы.

Некоторые из функционально  связных модулей очень просты (например, вычислять синус угла или читать запись файла), другие сложны (например, вычислять координаты цели). Модуль вычислять синус угла, очевидно, реализует единичную функцию, но как может модуль вычислять зарплату сотрудника выполнять только одно действие? Ведь каждый знает, что приходится определять начисленную сумму, вычеты по рассрочкам, подоходный налог, социальный налог, алименты и т. д.. Дело в том, что, несмотря на сложность модуля и на то, что его обязанность исполняют несколько подфункций, если его действия можно представить как единую проблемную функцию (с точки зрения клиента), тогда считают, что модуль функционально связен.

Приложения, построенные  из функционально связных модулей, легче всего сопровождать. Соблазнительно думать, что любой модуль можно  рассматривать как однофункциональный, но не надо заблуждаться. Существует много  разновидностей модулей, которые выполняют  для клиентов перечень различных  работ, и этот перечень нельзя рассматривать  как единую проблемную функцию. Критерий при определении уровня связности этих нефункциональных модулей - как связаны друг с другом различные действия, которые они исполняют.

Информационная  связность

При информационной (последовательной) связности элементы-обработчики  модуля образуют конвейер для обработки данных - результаты одного обработчика используются как исходные данные для следующего обработчика.

Сопровождать  модули с информационной связностью почти так же легко, как и функционально  связные модули. Правда, возможности  повторного использования здесь  ниже, чем в случае функциональной связности. Причина - совместное применение действий модуля с информационной связностью полезно далеко не всегда. 
Коммуникативная связность

При коммуникативной  связности элементы-обработчики  модуля используют одни и те же данные, например внешние данные. С точки зрения клиента проблема применения коммуникативно связного модуля состоит в избыточности получаемых результатов. Почти всегда разбиение коммуникативно связного модуля на отдельные функционально связные модули улучшает сопровождаемость системы.

Попытаемся провести аналогию между информационной и  коммуникативной связностью.

Модули с коммуникативной  и информационной связностью подобны  в том, что содержат элементы, связанные  по данным. Их удобно использовать, потому что лишь немногие элементы в этих модулях связаны с внешней  средой. Главное различие между ними - информационно связный модуль работает подобно сборочной линии; его обработчики действуют в определенном порядке; в коммуникативно связном модуле порядок выполнения действий безразличен. В нашем примере не имеет значения, когда генерируется отчет (до, после или одновременно с вычислением средней зарплаты).

Процедурная связность

При достижении процедурной связности мы попадаем в пограничную область между  хорошей сопровождаемостью (для  модулей с более высокими уровнями связности) и плохой сопровождаемостью (для модулей с более низкими  уровнями связности). Процедурно связный  модуль состоит из элементов, реализующих  независимые действия, для которых  задан порядок работы, то есть порядок  передачи управления. Зависимости по данным между элементами нет. 
Временная связность

При связности  по времени элементы-обработчики  модуля привязаны к конкретному  периоду времени (из жизни программной  системы).

Модуль со связностью по времени испытывает те же трудности, что и процедурно связный модуль. Программист соблазняется возможностью совместного использования кода (действиями, которые связаны только по времени), модуль становится трудно использовать повторно.

Процедурно связные  модули и модули с временной связностью очень похожи. Степень их непрозрачности изменяется от темного серого до светло-серого цвета, так как трудно объявить функцию  такого модуля без перечисления ее внутренних деталей. Различие между  ними подобно различию между информационной и коммуникативной связностью. Порядок  выполнения действий более важен  в процедурно связных модулях. Кроме  того, процедурные модули имеют тенденцию  к совместному использованию  циклов и ветвлений, а модули с  временной связностью чаще содержат более линейный код.