Конструирование объектной модели. Построение объектной модели программной системы

Концептуальной основой объектно-ориентированного подхода является объектная модель. Основными принципами ее построения являются:

· абстрагирование (abstraction);

· инкапсуляция (encapsulation);

· модульность (modularity);

· иерархия (hierarchy).

Абстрагирование - это выделение наиболее важных, существенных характеристик некоторого объекта, которые отличают его от всех других видов объектов и, таким образом, четко определяют его концептуальные границы с точки зрения дальнейшего рассмотрения и анализа, и игнорирование менее важных или незначительных деталей.

Абстрагирование позволяет управлять сложностью системы, концентрируясь на существенных свойствах объекта. Абстрагирование концентрирует внимание на внешних особенностях объекта и позволяет отделить самые существенные особенности его поведения от деталей их реализации. Выбор правильного набора абстракций для заданной предметной области представляет собой главную задачу объектно-ориентированного проектирования. Абстракция зависит от предметной области и точки зрения - то, что важно в одном контексте, может быть не важно в другом. Объекты и классы - основные абстракции предметной области.

Инкапсуляция - физическая локализация свойств и поведения в рамках единственной абстракции (рассматриваемой как «черный ящик»), скрывающая их реализацию за общедоступным интерфейсом.

Инкапсуляция - это процесс отделения друг от друга отдельных элементов объекта, определяющих его устройство и поведение. Инкапсуляция служит для того, чтобы изолировать интерфейс объекта, отражающий его внешнее поведение, от внутренней реализации объекта. Объектный подход предполагает, что собственные ресурсы, которыми могут манипулировать только операции самого объекта, скрыты от внешней среды. Абстрагирование и инкапсуляция являются взаимодополняющими: абстрагирование фокусирует внимание на внешних особенностях объекта, а инкапсуляция (или иначе ограничение доступа) не позволяет объектам-пользователям различать внутреннее устройство объекта.

Инкапсуляция подобна понятию сокрытия информации (information hiding). Это возможность скрывать многочисленные детали объекта от внешнего мира. Внешний мир объекта - это все, что находится вне его, включая остальную часть системы. Сокрытие информации предоставляет то же преимущество, что и инкапсуляция, - гибкость.

Модульность - это свойство системы, связанное с возможностью ее декомпозиции на ряд внутренне сильно сцепленных, но слабо связанных между собой подсистем (модулей).

Модульность снижает сложность системы, позволяя выполнять независимую разработку отдельных модулей. Инкапсуляция и модульность создают барьеры между абстракциями.

Иерархия - это ранжированная или упорядоченная система абстракций, расположение их по уровням.

Основными видами иерархических структур применительно к сложным системам являются структура классов (иерархия по номенклатуре) и структура объектов (иерархия по составу). Примерами иерархии классов являются простое и множественное наследование (один класс использует структурную или функциональную часть соответственно одного или нескольких других классов), а иерархии объектов - агрегация.

Классы можно организовать в виде иерархической структуры, которая по внешнему виду напоминает схему классификации в понятийной логике. Иерархия понятий строится следующим образом. В качестве наиболее общего понятия или категории берется понятие, имеющее наибольший объем и, соответственно, наименьшее содержание. Это самый высокий уровень абстракции для данной иерархии. Затем данное общее понятие конкретизируется, то есть уменьшается его объем и увеличивается содержание. Появляется менее общее понятие, которое на схеме иерархии будет расположено на один уровень ниже исходного. Этот процесс конкретизации понятий может быть продолжен до тех пор, пока на самом нижнем уровне не будет получено понятие, дальнейшая конкретизация которого в данном контексте либо невозможна, либо нецелесообразна .

При создании любого программного проекта в качестве первого (и самого главного) этапа есть всегда проектирование. В любой инженерной дисциплине под проектированием обычно понимается какой-то унифицирован подход, с помощью которого мы ищем пути решения определенной проблемы, обеспечивая выполнение поставленной задачи. За предположением Страуструпа: "Цель проектирования - выявление ясной и относительно простой внутренней структуры, которая иногда называется архитектурой... Проект является окончательным продуктом процесса проектирования". Продуктами проектирования являются модели, которые позволяют нам понять структуру будущей системы, сбалансировать требования и наметить схему реализации.

Моделирование широко распространено во всех инженерных дисциплинах, в значительной мере из-за того, что оно реализует принципы декомпозиции, абстракции и иерархии. Каждая модель описывает определенную часть рассмотренной системы, а мы в свою очередь строим новые модели на базе старых, в которых более-менее уверенные. Модели позволяют нам контролировать наши неудачи. Мы оцениваем поведение каждой модели в обычных и необычных ситуациях, а затем проводим соответствующие доработки, если нас что-то не удовлетворяет.

Объектно-ориентированная технология основывается на так называемой объектной модели. Основными ее принципами является: абстрагирование, инкапсуляция, модульность, иерархичность, типизация, параллелизм, и сохраняемость. Каждый из этих принципов собственно не новый, но в объектной модели они впервые применены в совокупности. Первые четыре понятия является обязательными в том понимании, что без каждого из них модель не будет объектно-ориентированной. Другие являются дополнительными, имея в виду, что они полезны в объектной модели, но не обязательные.

Преимущества объектной модели

Объектная модель принципиально отличается от моделей, которые связаны с более традиционными методами структурного анализа, проектирования и программирования. Это не значит, что объектная модель требует отказа от всех ранее найденных и испытанных временами методов и приемов. Скорее, она вносит некоторые новые элементы, которые добавляются к предыдущему опыту. Объектный подход обеспечивает ряд существенных удобств, что другими моделями не предусматривались. Наиболее важно, что объектный подход позволяет создавать системы, которые удовлетворяют признакам хорошо структурированных сложных систем. Есть еще пять преимуществ, что дает объектная модель.

1. Объектная модель позволяет в полной мере использовать выразительные возможности объектных и объектно-ориентированных словно программирование. Страуструп отмечает: "Не всегда очевидно, как в полной мере использовать преимущества такого языка, как С++. Существенно повысить эффективность и качество кода можно просто за счет использования С++ в качестве "улучшившего С" с элементами абстракции данных. Однако намного более значительным достижением является введение иерархии классов в процессе проектирования. Именно это называется объектно-ориентированным проектированием и именно здесь преимущества С++ демонстрируются наилучшим образом". Опыт показал, что при использовании таких языков, как Smalltalk, Object Pascal, С++, CLOS и Аdа, вне объектной модели, их наиболее сильные бока или игнорируются, или применяются неправильно.
2. Использование объектного подхода существенно повышает уровень унификации разработки и пригодность для повторного использования не только программ, но и проектов, что, в конечном итоге, ведет к созданию среды разработки. Объектно-ориентированные системы часто выходят более компактными, чем их не объектно-ориентированные эквиваленты. А это означает не только уменьшение объема кода программ, но и удешевление проекта, за счет использования предыдущих разработок, которое дает выигрыш в стоимости и времени
3. Использование объектной модели приводит к построению систем на основе стабильных промежуточных описаний, что упрощает процесс внесения изменений. Это дает системе возможность развиваться постепенно и не приводит к полной ее переработке даже в случае существенных змей исходных требований.
4. Объектная модель уменьшает риск разработки сложных систем, в первую очередь потому, что процесс интеграции растягивается на все время разработки, а не превращается в одноразовое событие, Объектный подход состоит из ряда хорошо продуманных этапов проектирования, которое также уменьшает степень риска и повышает уверенность в правильности принятых решений.
5. Объектная модель ориентирована на человеческое восприятие мира, или, по словам Робсона, "много из людей, которые не имеют понятие о том, как работает компьютер, находят полностью естественным объектно-ориентированный подход к системам".

Объектная модель существующего бизнеса показывает как, и за счет чего реализуются прецеденты. Данная модель раскрывает внутреннее устройство бизнеса, а именно: какие виды ресурсов используются для реализации прецедентов и каким образом они взаимодействуют. Описание объектной модели базируется на понятии "объект". Объекты представляют участников процессов и различного рода сущности (готовая продукция, заказ и т.д.).

Интерфейсные объекты, исследуемого бизнес-процесса:

• 1. Менеджер по работе с клиентами. Атрибуты: ФИО, должность, заработная плата. Обязанности: взаимодействует с клиентами, оформляет заказы, принимает оплату от клиентов за заказы.
• 2. Материально-ответственный кладовщик. Атрибуты: ФИО, должность, заработная плата. Обязанности: взаимодействие с поставщиками, принимает материалы и подписывает счет-фактуру.
• 3. Водитель-экспедитор. Атрибуты: ФИО, должность, заработная плата. Обязанности: доставка готового изделия клиенту.

Управляющие объекты, исследуемого бизнес-процесса:

• 1. Проектировщик. Атрибуты: ФИО, должность, заработная плата. Обязанности: проектирование изделия, управление исполнением проекта, контроль.
• 2. Оператор автоматизированного учета. Атрибуты: ФИО, должность, заработная плата. Обязанности: ведение автоматизированного учета, работа с базой данных.
• 3. Мебельный мастер (Сборщик). Атрибуты: ФИО, должность, заработная плата. Обязанности: изготовление продукта в соответствии с проектом.

Объекты-сущности, исследуемого бизнес-процесса:

• 1. Чек - документ, выдаваемый по факту оплаты заказа.
• 2. Каталог - документ отражающий ассортимент выпускаемой продукции.
• 3. Бланк заказа - документ, в который входит номер заказа, дата заказа, информация о клиенте, выбранный тип, эскиз изделия, пожелания клиента.
• 4. Проект изделия - проект заказанной мебели.
• 5. Заявка на материалы - документ, характеризующий необходимые материалы и их объемы.
• 6. База данных - программа, позволяющая вести материальный учет в фирме.
• 7. Материалы - необходимы для производства заказного изделия.
• 8. Счет-фактура - документ, подписываемый по факту отгрузки материалов.
• 9. Готовое изделие - результат производства, характеризуется принадлежностью к какому-либо заказу.

В таблице 5.1 приведено описание взаимосвязи объектов друг с другом.

Таблица 5.1 Описание взаимодействия объектов друг с другом

Примечание: В случае если необходимые материалы имеются на складе, то пункты 18, 19, 20, 21 данной таблицы пропускаются.

Динамическая модель взаимодействия подразделений и заказчика, в прецеденте "Продажа заказного продукта" изображена на рисунке 5.1 Динамическая модель взаимодействия подразделения, сотрудника и заказчика, в прецеденте "Оформление заказа" изображена на рисунке 5.2 Динамическая модель взаимодействия подразделения, сотрудников и заказчика, в прецеденте "Проектирование" изображена на рисунке 5.3 Динамическая модель взаимодействия сотрудников, в прецеденте "Изготовление" изображена на рисунке 5.4.

Рисунок 5.1 Диаграмма последовательности прецедента "Продажа заказного продукта"

Рисунок 5.2 Диаграмма последовательности прецедента "Оформление заказа"

Рисунок 5.3 Диаграмма последовательности прецедента "Проектирование"

Рисунок 5.4 Диаграмма последовательности прецедента "Изготовление"

Объектная модель

Объектно-ориентированная технология основывается на так называемой объектной модели. Основными принципами ее построения являются: абстрагирование, инкапсуляция, модульность, иерархичность, типизация, параллелизм и сохраняемость. Каждый из этих принципов сам по себе не нов, но в объектной модели они впервые применены в совокупности.

Объектно-ориентированный анализ и проектирование принципиально отличаются от традиционных подходов структурного проектирования: здесь нужно по-другому представлять себе процесс декомпозиции, а архитектура получающегося программного продукта в значительной степени выходит за рамки представлений, традиционных для структурного программирования. Отличия обусловлены тем, что структурное проектирование основано на структурном программировании, тогда как в основе объектно-ориентированного проектирования лежит методология объектно-ориентированного программирования.

Методы структурного проектирования помогают упростить процесс разработки сложных систем за счет использования алгоритмов как готовых строительных блоков. Аналогично, методы объектно-ориентированного проектирования созданы для того, чтобы помочь разработчикам применять мощные выразительные средства объектного и объектно-ориентированного программирования, использующего в качестве блоков классы и объекты.

. (object-oriented analysis, ООА) направлен на создание моделей реальной действительности на основе объектно-ориентированного мировоззрения.

Объектно-ориентированный анализ - это методология, при которой требования к системе воспринимаются с точки зрения классов и объектов, выявленных в предметной области.

. (object-oriented design, ООД)

Программирование прежде всего подразумевает правильное и эффективное использование механизмов конкретных языков программирования. Проектирование, напротив, основное внимание уделяет правильному и эффективному структурированию сложных систем. Определим объектно-ориентированное проектирование следующим образом:

Объектно-ориентированное проектирование - это методология проектирования, соединяющая в себе процесс объектной декомпозиции и приемы представления логической и физической, а также статической и динамической моделей проектируемой системы.

В данном определении содержатся две важные части: объектно-ориентированное проектирование

1) основывается на объектно-ориентированной декомпозиции;

2) использует многообразие приемов представления моделей, отражающих логическую (классы и объекты) и физическую (модули и процессы) структуру системы, а также ее статические и динамические аспекты.

Именно объектно-ориентированная декомпозиция отличает объектно-ориентированное проектирование от структурного, в первом случае логическая структура системы отражается абстракциями в виде классов и объектов, во втором - алгоритмами.

. (object-oriented programming, OOП)

Объектно-ориентированное программирование - это методология программирования, основанная на представлении программы в виде совокупности объектов, каждый из которых является экземпляром определенного класса, а классы образуют иерархию наследования.

В данном определении можно выделить три части:

1) OOП использует в качестве базовых элементов объекты, а не алгоритмы;

2) каждый объект является экземпляром какого-либо определенного класса;

3) классы организованы иерархически .

Программа будет объектно-ориентированной только при соблюдении всех трех указанных требований. В частности, программирование, не основанное на иерархических отношениях, не относится к OOП, а называется программированием на основе абстрактных типов данных.

Выделяют пять основных разновидностей стилей программирования, которые перечислены ниже вместе с присущими им видами абстракций:

Невозможно признать какой-либо стиль программирования наилучшим во всех областях практического применения. Например, для проектирования баз знаний более пригоден стиль, ориентированный на правила, а для вычислительных задач - процедурно-ориентированный. По накопленному опыту объектно-ориентированный стиль является наиболее приемлемым для широчайшего круга приложений; действительно, эта парадигма часто служит архитектурным фундаментом, на котором основываются другие парадигмы.

Каждый стиль программирования имеет свою концептуальную базу. Каждый стиль требует своего умонастроения и способа восприятия решаемой задачи. Для объектно-ориентированного стиля концептуальная база - это объектная модель. Она имеет четыре главных элемента:

• абстрагирование;
• инкапсуляция;
• модульность;
• иерархия.

Эти элементы являются главными в том смысле, что без любого из них модель не будет объектно-ориентированной. Кроме главных, имеются еще три дополнительных элемента:

• типизация;
• параллелизм;
• сохраняемость.

Называя их дополнительными, имеется в виду, что они полезны в объектной модели, но не обязательны.

Абстракция выделяет существенные характеристики некоторого объекта, отличающие его от всех других видов объектов и, таким образом, четко определяет его концептуальные границы с точки зрения наблюдателя.

Абстракция основывается на понятиях клиента и сервера.

Клиентом называется любой объект, использующий ресурсы другого объекта (называемого сервером ).

Мы будем характеризовать поведение объекта услугами, которые он оказывает другим объектам, и операциями, которые он выполняет над другими объектами. Такой подход концентрирует внимание на внешних проявлениях объекта и приводит к идее контрактной модели программирования, когда внешнее проявление объекта рассматривается с точки зрения его контракта с другими объектами, в соответствии с этим должно быть выполнено и его внутреннее устройство (часто во взаимодействии с другими объектами). Контракт фиксирует все обязательства, которые объект-сервер имеет перед объектом-клиентом. Другими словами, этот контракт определяет ответственность объекта, то есть то поведение, за которое он отвечает.

Каждая операция, предусмотренная этим контрактом, однозначно определяется ее формальными параметрами и типом возвращаемого значения. Полный набор операций, которые клиент может осуществлять над другим объектом, вместе с правильным порядком, в котором эти операции вызываются, называется протоколом. Протокол отражает все возможные способы, которыми объект может действовать или подвергаться воздействию. Он полностью определяет, тем самым, внешнее поведение абстракции со статической и динамической точек зрения.

Инкапсуляция - это процесс отделения друг от друга элементов объекта, определяющих его устройство и поведение. Инкапсуляция служит для того, чтобы изолировать контрактные обязательства абстракции от их реализации.

Абстракция и инкапсуляция дополняют друг друга: абстрагирование направлено на наблюдаемое поведение объекта, а инкапсуляция занимается внутренним устройством. Чаще всего инкапсуляция выполняется посредством скрытия информации, то есть маскировкой всех внутренних деталей, не влияющих на внешнее поведение. Обычно скрываются и внутренняя структура объекта, и реализация его методов. Практически это означает наличие двух частей в классе: интерфейса и реализации. Интерфейс отражает внешнее поведение объекта, описывая абстракцию поведения всех объектов данного класса. Внутренняя реализация описывает представление этой абстракции и механизмы достижения желаемого поведения объекта. Принцип разделения интерфейса и реализации соответствует сути вещей: в интерфейсной части собрано все, что касается взаимодействия данного объекта с любыми другими объектами; реализация скрывает от других объектов все детали, не имеющие отношения к процессу взаимодействия объектов.

Модульность - это свойство системы, которая была разложена на внутренне связные, но слабо связанные между собой модули.

В процессе разделения системы на модули могут быть полезными два правила. Во-первых, поскольку модули служат в качестве элементарных и неделимых блоков программы, которые могут использоваться в системе повторно, распределение классов и объектов по модулям должно учитывать это. Во-вторых, многие компиляторы создают отдельный сегмент кода для каждого модуля. Поэтому могут появиться ограничения на размер модуля. Динамика вызовов подпрограмм и расположение описаний внутри модулей может сильно повлиять на локальность ссылок и на управление страницами виртуальной памяти. При плохом разбиении процедур по модулям учащаются взаимные вызовы между сегментами, что приводит к потере эффективности кэш-памяти и частой смене страниц.

Свести воедино столь разноречивые требования довольно трудно, но главное – это уяснить, что вычленение классов и объектов в проекте и организация модульной структуры есть независимые действия. Процесс вычленения классов и объектов составляет часть процесса логического проектирования системы, а деление на модули - этап физического проектирования. Разумеется, иногда невозможно завершить логическое проектирование системы, не завершив физическое проектирование, и наоборот. Два этих процесса выполняются итеративно.

Иерархия - это упорядочение абстракций, расположение их по уровням.

Основными видами иерархических структур применительно к сложным системам являются структура классов (иерархия "is-a") и структура объектов (иерархия "part of").

Важным элементом объектно-ориентированных систем и основным видом иерархии "is-a" является упоминавшаяся выше концепция наследования. Наследование означает такое отношение между классами (отношение родитель/потомок), когда один класс заимствует структурную или функциональную часть одного или нескольких других классов (соответственно, одиночное и множественное наследование ). Иными словами, наследование создает такую иерархию абстракций, в которой подклассы наследуют строение от одного или нескольких суперклассов. Часто подкласс достраивает или переписывает компоненты вышестоящего класса.

Если иерархия "is а" определяет отношение "обобщение/специализация", то отношение "part of" (часть) вводит иерархию агрегации. В иерархии "part of" класс находится на более высоком уровне абстракции, чем любой из использовавшихся при его реализации.

Типизация - это способ защититься от использования объектов одного класса вместо другого, или по крайней мере управлять таким использованием.

Параллелизм - это свойство, отличающее активные объекты от пассивных.

Сохраняемость - способность объекта существовать во времени, переживая породивший его процесс, и (или) в пространстве, перемещаясь из своего первоначального адресного пространства.

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшими характеристиками любой системы являются ее структура и процесс функционирования. Под структурой системы понимают устойчивую во времени совокупность взаимосвязей между ее элементами или компонентами. Именно структура связывает воедино все элементы и препятствует распаду системы на отдельные компоненты. Структура системы может отражать самые различные взаимосвязи, в том числе и вложенность элементов одной системы в другую. В этом случае принято называть более мелкую или вложенную систему подсистемой. Процесс функционирования системы тесно связан с изменением ее свойств или поведения во времени. При этом важной характеристикой системы является ее состояние, под которым понимается совокупность свойств или признаков, которые в каждый момент времени отражают наиболее существенные особенности поведения системы. Общим свойством всех моделей является их подобие оригинальной системе. Важность построения моделей заключается в возможности их использования для получения информации о свойствах или поведении системы-оригинала. При этом процесс построения и последующего применения моделей для получения информации о системе-оригинале получил название моделирование. Общая модель системы содержит некоторую важную информацию о функциональных особенностях данной системы, которые дают представление о ее дальнейшем поведении.

Изучение процесса моделирования и является объектом исследования в настоящей курсовой работе. Построение конкретной объектной модели, изучение ее поведения будем считать предметом исследования. Для достижения поставленной цели используется следующие методы: изучение необходимой литературы, сравнение, примеры из жизненного опыта Поскольку построение объектной модели будет проводится на примере автосервиса, то необходимо изучить принцип работы этой организации. Для этого вполне достаточно посетить официальные сайты различных автосервисов. А вот для изучения принципов построения объектной модели я изучала научную отечественную и зарубежную литературу. Это оказалось очень увлекательным занятием.

В итоге целью моей курсовой работы стало: построить объектную модель информационной системы «Автосервис», изучить принцип построения объектной модели, описать процесс построения, доказать важность владения этими знаниями и возможность применить их на практике.

Структура курсовой работы такова: сначала изучается теория построения объективной модели, затем проверяется реализация теории на практическом примере.

1. Основные понятия объектно-орие нтированного подхода

Объектно-ориентированный подход основан на систематическом использовании моделей. В формулировке цели участвуют предметы и понятия реального мира, имеющие отношение к разрабатываемой программной системе. При объектно-ориентированном подходе эти предметы и понятия заменяются их моделями, т.е. определенными формальными конструкциями, представляющими их в программной системе.

Модель содержит не все признаки и свойства представляемого ею предмета или понятия, а только те, которые существенны для разрабатываемой программной системы. Тем самым модель проще представляемого ею предмета (понятия). Это упрощает как разработку и изучение (анализ) моделей, так и их реализацию на компьютере. В частности, формальный характер моделей позволяет получить формальную модель разрабатываемой программной системы как композицию формальных моделей ее компонентов.

Таким образом, объектно-ориентированный подход помогает справиться с такими сложными проблемами, как уменьшение сложности программного обеспечения; повышение надежности программного обеспечения; обеспечение возможности модификации отдельных компонентов программного обеспечения без изменения остальных его компонентов; обеспечение возможности повторного использования отдельных компонентов программного обеспечения.

Систематическое применение объектно-ориентированного подхода позволяет разрабатывать хорошо структурированные, надежные в эксплуатации, достаточно просто модифицируемые программные системы. Этим объясняется интерес программистов к объектно-ориентированному подходу. Объектно-ориентированный подход является одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений теоретического и прикладного программирования.

Объектно-ориентированная разработка программного обеспечения связана с применением объектно-ориентированных моделей при разработке программных систем и их компонентов.

Объектно-ориентированная разработка может начаться на самом первом этапе жизненного цикла; она не связана с языком программирования, на котором предполагается реализовать разрабатываемую программную систему: этот язык может и не быть объектно-ориентированным. На этапе разработки объекты - это некоторые формальные конструкции (например, прямоугольники с закругленными углами, с помощью которых они изображаются на схемах), никак пока не связанные с их будущей реализацией на одном из языков программирования.

Объектно-ориентированная разработка программного обеспечения связана с применением объектно-ориентированных методологий (технологий). Обычно эти объектно-ориентированные методологии поддерживаются инструментальными программными средствами, но и без таких средств они полезны, так как позволяют хорошо понять различные аспекты и свойства разрабатываемой программной системы, что в последующем существенно облегчает ее реализацию, тестирование, сопровождение, разработку новых версий и более существенную модификацию.

Проектирование прикладной программной системы начинается с анализа требований, которым она должна будет удовлетворять. Такой анализ проводится с целью понять назначение и условия эксплуатации системы настолько, чтобы суметь составить ее предварительный проект.

При объектно-ориентированном подходе анализ требований к системе сводится к разработке моделей этой системы. Моделью системы (или какого-либо другого объекта или явления) является формальное описание системы, в котором выделены основные объекты, составляющие систему, и отношения между этими объектами. Построение моделей - широко распространенный способ изучения сложных объектов и явлений. В модели опущены многочисленные детали, усложняющие понимание. Моделирование широко распространено и в науке, и в технике.

Модели помогают проверить работоспособность разрабатываемой системы на ранних этапах ее разработки, общаться с заказчиком системы, уточняя его требования к системе, вносить (в случае необходимости) изменения в проект системы (как в начале ее проектирования, так и на других фазах ее жизненного цикла).

Модели, разработанные и отлаженные на первой фазе жизненного цикла системы, продолжают использоваться на всех последующих его фазах, облегчая программирование системы, ее отладку и тестирование, сопровождение и дальнейшую модификацию.

Объектная модель описывает структуру объектов, составляющих систему, их атрибуты, операции, взаимосвязи с другими объектами. В объектной модели должны быть отражены те понятия и объекты реального мира, которые важны для разрабатываемой системы. В объектной модели отражается прежде всего прагматика разрабатываемой системы, что выражается в использовании терминологии прикладной области, связанной с использованием разрабатываемой системы.

Рассмотрим основные понятия, используемые при построении объектной модели.

Объект - это абстракция или любая вещь с четко очерченными границами, имеющую смысл в контексте рассматриваемой прикладной проблемы. Введение объектов преследует две цели: понимание прикладной задачи (проблемы) и введение основы для реализации на компьютере.

Цель разработки объектной модели - описать объекты, составляющие в совокупности проектируемую систему, а также выявить и указать различные зависимости между объектами.

Класс – это дескриптор набора объектов, имеющих одинаковые свойства. Класс описывает свойства ряда объектов. Каждый объект – это экземпляр только одного класса.

Все объекты одного и того же класса характеризуются одинаковыми наборами атрибутов. Однако объединение объектов в классы определяется не наборами атрибутов, а семантикой. Так, например, объекты конюшня и лошадь могут иметь одинаковые атрибуты: цена и возраст. При этом они могут относиться к одному классу, если рассматриваются в задаче просто как товар, либо к разным классам, что более естественно.

Объединение объектов в классы позволяет ввести в задачу абстракцию и рассмотреть ее в более общей постановке. Класс имеет имя (например лошадь), которое относится ко всем объектам этого класса. Кроме того, в классе вводятся имена атрибутов, которые определены для объектов. В этом смысле описание класса аналогично описанию типа структуры (записи); при этом каждый объект имеет тот же смысл, что и экземпляр структуры (переменная или константа соответствующего типа).

Атрибут объекта - это значение, характеризующее объект в его классе. Примеры атрибутов: марка, год выпуска, цвет (атрибуты объектов класса автомобиль) и т.д.

Операция - это функция (или преобразование), которую можно применять к объектам данного класса. Примеры операций: проверить, снять, поставить (для объектов класса запчасти).

Все объекты данного класса используют один и тот же экземпляр каждой операции (т.е. увеличение количества объектов некоторого класса не приводит к увеличению количества загруженного программного кода). Объект, из которого вызвана операция, передается ей в качестве ее неявного аргумента (параметра).

Одна и та же операция может, применяться к объектам разных классов: такая операция называется полиморфной, так как она может иметь разные формы для разных классов.

Зависимости между классами являются двусторонними: все классы в зависимости равноправны. Это так даже в тех случаях, когда имя зависимости как бы вносит направление в эту зависимость. Зависимостям между классами соответствуют зависимости между объектами этих классов. Зависимости, как и классы, могут иметь атрибуты.

Дискриминатор - это атрибут типа "перечисление", показывающий, по какому из свойств объектов сделано данное обобщение.

Роль определяет одну сторону зависимости. В бинарной зависимости определены две роли. Имя роли однозначно определяет одну сторону зависимости. Роли дают возможность рассматривать бинарную зависимость как связь между объектом и множеством зависимых объектов: каждая роль является обозначением объекта или множества объектов, связанных зависимостью с объектом на другом конце зависимости. Имя роли можно рассматривать как производный атрибут, множеством значений которого является множество связанных с этой ролью объектов. В бинарной зависимости пара имен ролей может использоваться для идентификации этой зависимости.

Имена ролей следует обязательно указывать в тех случаях, когда зависимость устанавливается между объектами одного и того же класса. Имена ролей должны быть уникальны, так как они используются для различения объектов, участвующих в зависимости.

Квалификатором называется некоторый атрибут, который позволяет снизить эффективную кратность зависимости. Квалификаторы применяются в зависимостях типов "один-ко-многим" или "много-ко-многим".

Агрегация - это зависимость между классом составных объектов и классами, представляющими компоненты этих объектов (отношение "целое"-"часть").

Обобщение и наследование позволяют выявить аналогии между различными классами объектов, определяют многоуровневую классификацию объектов. Так, в графических системах могут существовать классы, определяющие обрисовку различных геометрических фигур: точек, линий (прямых, дуг окружностей и кривых, определяемых сплайнами), многоугольников, кругов и т.п.

Дискриминатор - это атрибут типа "перечисление", показывающий, по какому из свойств объектов сделано данное обобщение.

Необходимо отметить, что следует избегать обширных многоуровневых классификаций, так как поведение подклассов низших уровней многоуровневой классификации бывает трудно понять: большая часть (а нередко и все) атрибутов и операций таких классов определена в их суперклассах различных уровней. Если количество уровней классификации стало непомерно большим, нужно слегка изменить структурирование системы.

Обобщение и наследование широко применяются не только при анализе требований к программным системам и их предварительном проектировании, но и при их реализации.

Иногда в подклассе бывает необходимо переопределить операцию, определенную в одном из его суперклассов. Для этого операция, которая может быть получена из суперкласса в результате наследования, определяется и в подклассе; это ее повторное определение "заслоняет" ее определение в суперклассе, так что в подклассе применяется не унаследованная, а переопределенная в нем операция. Напомним, что каждая операция определяется своей сигнатурой; следовательно, сигнатура переопределения операции должна совпадать с сигнатурой операции из суперкласса, которая переопределяется данной операцией.

Переопределение может преследовать одну из следующих целей:

расширение: новая операция расширяет унаследованную операцию, учитывая влияние атрибутов подкласса;

ограничение: новая операция ограничивается выполнением лишь части действий унаследованной операции, используя специфику объектов подкласса;

оптимизация: использование специфики объектов подкласса позволяет упростить и ускорить соответствующий метод;

удобство.

Целесообразно придерживаться следующих семантических правил наследования:

все операции-запросы (операции, которые используют значения атрибутов, но не изменяют их) должны наследоваться всеми подклассами;

все операции, изменяющие значения атрибутов, должны наследоваться во всех их расширениях;

все операции, изменяющие значения ограниченных атрибутов, или атрибутов, определяющих зависимости, должны блокироваться во всех их расширениях;

операции не следует переопределять коренным образом; все методы, реализующие одну и ту же операцию, должны осуществлять сходное преобразование атрибутов;

унаследованные операции можно уточнять, добавляя дополнительные действия.

Следуя этим правилам, которые, к сожалению, редко поддерживаются объектно-ориентированными языками программирования, можно сделать разрабатываемую программу более понятной, легче модифицируемой, менее подверженной влиянию различных ошибок и недосмотров.

Абстрактный класс не может иметь объектов, так как в нем не определены операции над объектами; объекты должны принадлежать конкретным подклассам абстрактного класса. Абстрактные классы используются для спецификации интерфейсов операций (методы, реализующие эти операции впоследствии определяются в подклассах абстрактного класса). Абстрактные классы удобны на фазе анализа требований к системе, так как они позволяют выявить аналогию в различных, на первый взгляд, операциях, определенных в анализируемой системе.

Множественное наследование позволяет классу иметь более одного суперкласса, наследуя свойства (атрибуты и операции) всех своих суперклассов. Класс, имеющий несколько суперклассов, называется объединенным классом. Свойства класса-предка, встречающегося более, чем один раз, в графе наследования, наследуются только в одном экземпляре. Конфликты между параллельными определениями порождают двусмысленности, которые должны разрешаться во время реализации. На практике следует избегать таких двусмысленностей или плохого понимания даже в тех случаях, когда конкретный язык программирования, выбранный для реализации системы, предоставляет возможность их разрешения, используя приоритеты или какие-либо другие средства.

В объектно-ориентированном проектировании мы имеем дело с множествами взаимосвязанных объектов. Каждый объект может рассматриваться как пере менная или константа структурного типа (при таком рассмотрении методы, описываемые в объекте, трактуются как адреса функций, которые разрешено применять к этому объекту). Следовательно, множество объектов - это множество взаимосвязанных данных, т.е. нечто очень похожее на базу данных. Поэтому применение понятий баз данных часто оказывается полезным при объектно-ориентированном анализе и объектно-ориентированном проектировании прикладных программных систем.

Метаданными называются данные, описывающие другие данные. Например, определение класса - это метаданные, так как класс описывает другие данные - объекты этого класса. Модели являются метаданными, так как они описывают моделируемые объекты. Еще одним примером метаданных является абстрактный класс.

Актеры – это роли, исполняемые сущностями, непосредственно взаимодействующими с системой.

Актер определяет роль, которую выполняет некоторая внешняя сущность при непосредственном взаимодействии с данной системой. Он может представлять роль пользователя или роль, исполняемую другой системой или частью аппаратных средств, которые касаются границ системы.

Мне очень понравилось описание понятия «актер» в работе Джима Арлоу и Айла Нейштадта «UML 2 и Унифицированный процесс»: «Для понимания актеров важно понимать концепцию ролей. Роль можно рассматривать как шляпу, которую надевают в определенной ситуации.» (стр 92).

Когда известны основные понятия, можно рассматривать построение самой модели

1. Построение объектной модели

1. Определение классов

Анализ внешних требований к проектируемой прикладной системе позволяет определить объекты и классы объектов, связанные с прикладной проблемой, которую должна решать эта система. Начать нужно с выделения возможных классов из письменной постановки прикладной задачи (технического задания и другой документации, предоставленной заказчиком). Это очень сложный и ответственный этап разработки, так как от него во многом зависит дальнейшая судьба проекта.

При определении возможных классов нужно постараться выделить как можно больше классов, выписывая имя каждого класса, который приходит на ум. В частности, каждому существительному, встречающемуся в предварительной постановке задачи, может соответствовать класс. Поэтому при выделении возможных классов каждому такому существительному обычно сопоставляется возможный класс.

избыточные классы: если два или несколько классов выражают одинаковую информацию, следует сохранить только один из них;

нерелевантные (не имеющие прямого отношения к проблеме) классы: для каждого имени возможного класса оценивается, насколько он необходим в будущей системе (оценить это часто бывает весьма непросто); нерелевантные классы исключаются;

нечетко определенные (с точки зрения рассматриваемой проблемы) классы;

атрибуты: некоторым существительным больше соответствуют не классы, а атрибуты; такие существительные, как правило, описывают свойства объектов (например, имя, возраст, вес, адрес и т.п.);

операции: некоторым существительным больше соответствуют не классы, а имена операций (например, телефонный_вызов вряд ли означает какой-либо класс);

роли: некоторые существительные определяют имена ролей в объектной модели (например, владелец, водитель, начальник, служащий; все эти имена связаны с ролями в различных зависимостях объектов класса человек);

реализационные конструкции: именам, больше связанным с программированием и компьютерной аппаратурой, не следует на данном этапе сопоставлять классов, так как они не отражают особенностей проектируемой прикладной системы; примеры таких имен: подпрограмма, процесс, алгоритм, прерывание и т.п.

После исключения имен всех ненужных (лишних) возможных классов будет получен предварительный список классов, составляющих проектируемую систему.

1. Подготовка словаря данных

Отдельные слова имеют слишком много интерпретаций. Поэтому необходимо в самом начале проектирования подготовить словарь данных, содержащий четкие и недвусмысленные определения всех объектов (классов), атрибутов, операций, ролей и других сущностей, рассматриваемых в проекте. Без такого словаря обсуждение проекта с коллегами по разработке и заказчиками системы не имеет смысла, так как каждый может по-своему интерпретировать обсуждаемые термины.

2.3. Определение зависимостей

На следующем этапе построения объектной модели определяются зависимости между классами. Прежде всего из классов исключаются атрибуты, являющиеся явными ссылками на другие классы; такие атрибуты заменяются зависимостями. Смысл такой замены в том, что зависимости представляют собой абстракцию того же уровня, что и классы, и потому не оказывают непосредственного влияния на будущую реализацию (ссылка на класс лишь один из способов реализации зависимостей).

Аналогично тому, как имена возможных классов получались из существительных, встречающихся в предварительной постановке прикладной задачи, имена возможных зависимостей могут быть получены из глаголов или глагольных оборотов, встречающихся в указанном документе. Так обычно описываются: физическое положение (следует_за, является_частью, содержится_в), направленное действие (приводит_в_движение), общение (разговаривает_с), принадлежность (имеет, является_частью) и т.п.

Затем следует убрать ненужные или неправильные зависимости, используя следующие критерии:

зависимости между исключенными классами должны быть исключены, либо переформулированы в терминах оставшихся классов;

нерелевантные зависимости и зависимости, связанные с реализацией, должны быть исключены;

действия: зависимость должна описывать структурные свойства прикладной области, а не малосущественные события;

тренарные зависимости: большую часть зависимостей между тремя или большим числом классов можно разложить на несколько бинарных зависимостей, используя в случае необходимости квалификаторы; в некоторых (очень редких) случаях такое разложение осуществить не удается; например, тренарная зависимость "Профессор читает курс в аудитории 628" не может быть разложена на бинарные без потери информации;

производные зависимости: нужно исключать зависимости, которые можно выразить через другие зависимости, так как они избыточны; при исключении избыточных (производных) зависимостей нужно быть особенно осторожным, так как не все дублирующие одна другую зависимости между классами избыточны; в некоторых случаях другие зависимости позволяют установить только существование еще одной производной зависимости, но не позволяют установить кратность этой зависимости.

Удалив избыточные зависимости, нужно уточнить семантику оставшихся зависимостей следующим образом:

неверно названные зависимости: их следует переименовать, чтобы смысл их стал понятен;

имена ролей: нужно добавить имена ролей там, где это необходимо; имя роли описывает роль, которую играет соответствующий класс в данной зависимости с точки зрения другого класса, участвующего в этой зависимости; если имя роли ясно из имени класса, его можно не указывать;

квалификаторы: добавляя квалификаторы там, где это необходимо, мы вносим элементы контекста, что позволяет добиться однозначной идентификации объектов; квалификаторы позволяют также упростить некоторые зависимости, понизив их кратность;

кратность: необходимо добавить обозначения кратности зависимостей; при этом следует помнить, что кратность зависимостей может меняться в процессе дальнейшего анализа требований к системе;

неучтенные зависимости должны быть выявлены и добавлены в модель.

2.4. Уточнение атрибутов

На следующем этапе уточняется система атрибутов: корректируются атрибуты классов, вводятся, в случае необходимости, новые атрибуты. Атрибуты выражают свойства объектов рассматриваемого класса, либо определяют их текущее состояние.

Атрибуты обычно соответствуют существительным; например цвет_автомобиля (свойство объекта), позиция_курсора (состояние объекта). Атрибуты, как правило, слабо влияют на структуру объектной модели.

Наряду с атрибутами объектов необходимо ввести и атрибуты зависимостей между классами (связей между объектами).

При уточнении атрибутов руководствуются следующими критериями:

Замена атрибутов на объекты. Если наличие некоторой сущности важнее, чем ее значение, то это объект, если важнее значение, то это атрибут: например, начальник - это объект (неважно, кто именно начальник, главное, чтобы кто-то им был), зарплата - это атрибут (ее значение весьма существенно); город - всегда объект, хотя в некоторых случаях может показаться, что это атрибут (например, город как часть адреса фирмы); в тех случаях, когда нужно, чтобы город был атрибутом, следует определить зависимость (скажем, находится) между классами фирма и город.

Квалификаторы. Если значение атрибута зависит от конкретного контекста, его следует сделать квалификатором.

Имена. Именам обычно лучше соответствуют квалификаторы, чем атрибуты объектов; во всех случаях, когда имя позволяет сделать выбор из объектов некоторого множества, его следует сделать квалификатором.

Идентификаторы. Идентификаторы объектов связаны с их реализацией. На ранних стадиях проектирования их не следует рассматривать в качестве атрибутов.

Атрибуты связей. Если некоторое свойство характеризует не объект сам по себе, а его связь с другим объектом (объектами), то это атрибут связи, а не атрибут объекта.

Внутренние значения. Атрибуты, определяющие лишь внутреннее состояние объекта, незаметное вне объекта, следует исключить из рассмотрения.

Несущественные детали. Атрибуты, не влияющие на выполнение большей части операций, рекомендуется опустить.

2.5. Выделение подсистем

Прикладная система представляет собой множество взаимозависимых объектов. Каждый объект характеризуется набором атрибутов, значения которых определяют состояние объекта, и набором операций, которые можно применять к этому объекту. При разработке прикладных систем удобно считать, что все атрибуты объектов являются закрытыми (т.е. они не доступны вне объекта, и для того, чтобы в некотором объекте узнать значение атрибута другого объекта, или изменить его, необходимо воспользоваться одной из открытых операций этого объекта, если, конечно, такая операция определена). Операции объектов могут быть как открытыми, так и закрытыми.

Таким образом, каждый объект имеет строго определенный интерфейс, т.е. набор открытых операций, которые можно применять к этому объекту. Все объекты одного класса имеют одинаковый интерфейс. Интерфейс класса (а, следовательно, и каждого объекта этого класса) задается списком сигнатур его открытых (общедоступных) операций (и реализующих их методов); сигнатуры закрытых операций в интерфейс объектов соответствующего класса не входят.