Глава 8 Модель и реквизит для съемки После того как вы получили представление о том, какую необходимую технику вам придется использовать в процессе съемки, можно приступать к рассмотрению того, что именно в данном процессе следует проконтролировать. Поскольку вы –

8. Лекция: Объектная модель в Java Эта лекция является некоторым отступлением от рассмотрения технических особенностей Java и посвящена в основном изучению ключевых свойств объектной модели Java, таких как статические элементы, абстрактные методы и классы, интерфейсы,

10.4. Объектная модель документа (DOM) Стандартный набор объектов в HTML-документе, их свойства и способ доступа к ним определяется объектной моделью документа (Document Object Model, сокращенно DOM). DOM позволяет управлять всеми элементами на веб-странице, изменять их свойства и

Объектная модель системы описывает структуру объектов, составляющих систему, их свойства, операции и взаимосвязи с другими объектами.

В объектной модели должны быть отражены те понятия и объекты реального мира, которые важны для разрабатываемой системы. В ней отражается прежде всего прагматика разраба­тываемой системы. Прагматика выражается в использовании терминологии прикладной области, связанной с использованием разрабатываемой системы.

Объектом называется понятие, абстракция или любая другая вещь с четко очерченными границами, имеющая смысл в кон­тексте рассматриваемой прикладной проблемы. Примеры объек­тов: форточка, центральный банк, школа № 42, Петр Сидоров, дело № 7461, сберкнижка и т.д.

Введение объектов преследует две цели:

Понимание прикладной задачи (проблемы);

Введение основы для реализации ее на компьютере.

Целью разработки объектной модели является выделение и описание объектов, составляющих в совокупности проекти­руемую систему, а также выявление и указание различных зависи­мостей между объектами. Этот процесс представляет собой декомпозицию системы (проблемы) на объекты - процесс творческий и плохо формализуемый.

Все объекты системы могут иметь свои, характеризующие их свойства, которые отличают один объект от другого. Например, объект «яблоко» может быть охарактеризован цветом, формой, весом, вкусом и пр. Между объектами можно установить отно­шение тождества. Тогда два объекта, удовлетворяющие этому отношению, считаются одинаковыми (тождественными) и при­надлежат к одному классу.

Все объекты одного и того же класса характеризуются одина­ковыми наборами свойств (атрибутов). Однако объединение объектов в классы определяется не наборами свойств, 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 (свойств), 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).

Пример класса СЧЕТ

Следует напомнить, что данный этап проектирования сис­темы не подразумевает использование какого-либо объектно-ориентированного языка программирования. Это, в частности, выражается в том, что на этом этапе следует рассматривать только такие свойства объектов, которые имеют смысл в реальности.

Свойства объектов связаны с особенностями общей реализации проекта. Например, если известно, что будет использоваться база данных, в которой каждый объект имеет уни­кальный идентификатор, то включать этот идентификатор в число атрибутов объекта на данном этапе не следует. Дело в том, что, вводя такие свойства, мы ограничиваем возможности реали­зации системы. Так, вводя в качестве атрибута уникальный идентификатор объекта в базе данных, мы уже в самом начале проектирования отказываемся от использования СУБД, которые такой идентификатор не поддерживают.

Над объектом можно выполнить некоторые операции. Напри­мер, «Проверить», «Снять», «Поместить» для объектов класса «Счет» или «Открыть», «Читать», «Закрыть» для объектов класса «Файл» и т. п.

Операция - это функция (или преобразование), которую можно применить к объекту. Все объекты одного класса исполь­зуют один и тот же экземпляр каждой операции (т.е. увеличение количества объектов некоторого класса не приводит к увели­чению количества загруженного программного кода).

Одна и та же операция может, вообще говоря, применяться к объектам разных классов. Такая операция называется поли­морфной, так как она может иметь разные формы для разных классов. Например, для объектов классов вектор и комплексное число можно определить операцию +; эта операция будет поли­морфной, так как сложение векторов и сложение комплексных чисел - разные по сути операции.

Каждой операции соответствует метод - реализация этой операции для объектов данного класса. Таким образом, операция - это спецификация метода, метод - реализация операции. Например, в классе файл может быть определена операция «Печать» (print ). Эта операция может быть реализована разными методами: (а) «Печать двоичного файла», (б) «Печать текстового файла» и др. Логически эти методы выполняют одну и ту же операцию, хотя реализуются они разными фрагментами кода.

Каждая операция всегда имеет один неявный аргумент - объект, к которому она применяется. Кроме того, операция может иметь и другие аргументы - свойства (параметры). Эти допол­нительные аргументы характеризуют операцию, и никак не связаны с выбором метода.

Метод связан только с классом и объектом. (Некоторые объектно-ориентированные языки, например C++, допускают одну и ту же операцию с разным числом аргументов, причем, используя то или иное число аргументов, мы практически выбираем один из методов, связанных с такой операцией. На этапе предварительного проектирования системы удобнее считать эти операции различными, давая им разные имена, чтобы не услож­нять проектирование).

Значения некоторых свойств объекта могут быть доступны только операциям этого объекта. Такие свойства называются закрытыми.

Итак, для задания класса объектов необходимо указать имя этого класса, а затем перечислить его свойства и операции (или методы).

Между объектами можно устанавливать зависимости по дан­ным. Эти зависимости выражают связи или отношения между классами указанных объектов.

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. Подобных недоразумений можно избежать, если иденти­фицировать зависимости не по именам, а по наименованиям ролей классов, составляющих зависимость.

В языках программирования зависимости между классами (объектами) обычно реализуются с помощью ссылок (указа­телей) из одного класса (объекта) на другой. Представление зависимостей с помощью ссылок обнаруживает тот факт, что зависимость является свойством пары классов, а не какого-либо, одного из них, т.е. зависимость - это отношение. Отметим, что хотя зависимости между объектами двунаправлены, их не обяза­тельно реализовывать в программах как двунаправленные. Остав­лять ссылки следует лишь в тех классах, где это необходимо для программы. При проектировании системы удобнее оперировать не объектами, а классами.

Зависимости, как и классы, могут иметь свои свойства. Например, при организации доступа пользователя к файлу «Разрешение на доступ» является свойством зависимости «Дос­тупен». Отметим, что разрешение на доступ связано как с пользо­вателем, так и с файлом, и не может быть атрибутом ни поль­зователя, ни файла в отдельности.

Иногда зависимости, имеющие много свойств, представляют с помощью классов. В базах данных такие зависимости представ­ляются временными таблицами, организуемыми в процессе работы с базой данных.

Обобщение и наследование позволяют выявить аналогии, оп­ределяющие 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.

Обобщение, например, позволяет выделить класс «Одно­мерные фигуры» и считать классы «Прямая», «Дуга» и «Сплайн» подклассами класса «Одномерные фигуры», а класс «Одно­мерные фигуры» - суперклассом классов «Прямая», «Дуга» и «Сплайн». Если при этом принять соглашение, что свойства (атрибуты) и операции суперкласса действительны в каждом из его подклассов (говорят, что эти свойства и операции насле­дуются подклассами), то одинаковые свойства и операции клас­сов «Прямая», «Дуга» и «Сплайн» (подклассов) могут быть вынесены в класс «Одномерные фигуры» (суперкласс).

Легко заметить, что отношения «Подкласс - суперкласс» (обобщение) и «Суперкласс - подкласс» (наследование) транзитивны. При этом свойства и операции каждого суперкласса наследуются его подклассами всех уровней (осуществляется как бы вынос за скобки одинаковых операций). Это значительно облегчает и сокращает описание классов.

Целесообразно придерживаться следующих правил наследова­ния:

Операции, которые используют значения свойств, но не изменяют их, должны наследоваться всеми подклассами;

Все операции, изменяющие значения свойств, должны наследоваться во всех их расширениях;

Все операции, изменяющие значения ограниченных свойств, или свойств, определяющих зависимости, должны блокироваться во всех их расширениях (например, операция «размер по оси Х» естественна для класса «эллипс», но должна быть заблокирована в его подклассе «круг»);

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.

Множественное наследование позволяет классу иметь более одного суперкласса, наследуя свойства (атрибуты и операции) всех своих суперклассов. Класс, имеющий несколько супер­классов, называется объединенным классом.

В объектно-ориентированном проектировании каждый объект может рассматриваться как переменная или константа струк­турного типа. Следовательно, множество объектов можно рассматривать как 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.

Объектно-ориентированный подход основывается на совокупности ряда принципов, называемой объектной моделью. Главными принципами являются

• - абстрагирование;
• - инкапсуляция;
• - модульность;
• - иерархичность.

Эти принципы являются главными в том смысле, что без них модель не будет объектно-ориентированной. Кроме главных, назовем еще три дополнительных принципа:

• - типизация;
• - параллелизм;
• - сохраняемость.

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

Абстрагирование

Люди развили чрезвычайно эффективную технологию преодоления сложности. Мы абстрагируемся от нее. Если мы не в состоянии полностью воссоздать сложный объект, то приходится игнорировать не слишком важные детали. В результате мы имеем дело с обобщенной, идеализированной моделью объекта.

Например, изучая процесс фотосинтеза у растений, мы концентрируем внимание на химических реакциях в определенных клетках листа и не обращаем внимание на остальные части - черенки, жилки и т.д.

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.

Абстрагирование концентрирует внимание на внешних особенностях объекта и позволяет отделить самые существенные особенности поведения от несущественных. Такое разделение смысла и реализации называют барьером абстракции. Установление того или иного барьера абстракции порождает множество различных абстракций для одного и того же предмета или явления реального мира. Абстрагируясь в большей или меньшей степени от различных аспектов проявления реальности, мы находимся на разных уровнях абстракции.

Для примера рассмотрим системный блок компьютера. Пользователю, использующему компьютер для набора текста, не важно, из каких частей состоит этот блок. Для него это - коробка белого цвета с кнопками и емкостью для дискеты. Он абстрагируется от таких понятий, как "процессор" или "оперативная память". С другой стороны, у программиста, пишущего программы в машинных кодах, барьер абстракции лежит намного ниже. Ему необходимо знать устройство процессора и команды, понимаемые им.

Является полезным еще один дополнительный принцип, называемый принципом наименьшего удивления. Согласно ему абстракция должна охватывать все поведение объекта, но не больше и не меньше, и не привносить сюрпризов или побочных эффектов, лежащих вне ее сферы применимости.

Например, нам необходимо использовать структуру данных, аналогичную стеку (с доступом, осуществляемым по правилу "первым вошел, последним вышел"), однако требуется проверять наличие в "стеке" некоторого элемента. Если мы назовем эту структуру данных стеком и предложим постороннему программисту, он очень удивится, заметив "лишнюю" операцию.

Все абстракции обладают как статическими, так и динамическими свойствами. Например, файл как объект требует определенного объема памяти на конкретном устройстве, имеет имя и содержимое. Эти атрибуты являются статическими свойствами. Конкретные же значения каждого из перечисленных свойств динамичны и изменяются в процессе использования объекта: файл можно увеличить или уменьшить, изменить его имя и содержимое.

Будем называть клиентом 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. Этот подход концентрирует внимание на внешних проявлениях объекта и реализует так называемую контрактную модель программирования. Эта модель заключается в следующем: 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 поведение, за которое он отвечает.

Каждая операция, предусмотренная контрактом, однозначно определяется ее сигнатурой - списком типов формальных параметров 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. Тем самым протокол полностью определяет внешнее поведение абстракции.

Пример. В тепличном хозяйстве, использующем гидропонику, растения выращиваются на питательном растворе без песка, гравия и другой почвы. Управление режимом работы парниковой установки - очень ответственное дело. Оно зависит как от вида выращиваемых культур, так и от стадии выращивания. Нужно контролировать целый ряд факторов: температуру, влажность, освещение, кислотность и концентрацию питательных веществ. В больших хозяйствах для решения этой задачи часто используют автоматические системы, которые контролируют и регулируют указанные факторы. Цель автоматизации состоит здесь в том, чтобы при минимальном вмешательстве человека добиться соблюдения режима выращивания.

Одна из ключевых абстракций в данной задаче - датчик. Известно несколько разновидностей датчиков. Все, что влияет на урожай, должно быть измерено. Таким образом, нужны датчики температуры воды, температуры воздуха, влажности, кислотности, освещения и концентрации питательных веществ.

С внешней точки зрения датчик температуры - это объект, который способен измерять температуру там, где он расположен. Температура - это числовой параметр, имеющий ограниченный диапазон значений и определенную точность и означающий число градусов по Цельсию.

Местоположение датчика - это некоторое однозначно определенное место в теплице, температуру в котором необходимо знать. Таких мест, вероятно, немного. Для датчика температуры при этом существенно не само местоположение, а только то, что данный датчик расположен именно в данном месте.

Рассмотрим элементы реализации нашей абстракции на языке С++.

typedef float Temperature; // Температура по Цельсию

typedef unsigned int Location; // Число, однозначно определяющее

// положение датчика

Здесь два оператора определения типов Temperature и Location вводят удобные псевдонимы для простейших типов, и это позволяет нам выражать свои абстракции на языке предметной области. Temperature - это числовой тип данных в формате с плавающей точкой для записи температур. Значения типа Location обозначают места, где могут располагаться температурные датчики.

Рассмотрим обязанности датчика температуры. Датчик должен знать значение температуры в своем местонахождении и сообщать ее по запросу. Клиент по отношению к датчику может выполнить такие действия: калибровать датчик и получать от него значение текущей температуры. Таким образом, объект "Датчик температуры" имеет две операции: "Калибровать" и "Текущая температура".

struct TemperatureSensor {

Temperature curTemperature; // текущая температура в

// местонахождении датчика

Location loc; // местонахождение датчика

void calibrate (Temperature actualTemperature); // калибровать

Temperature currentTemperature (); // текущая температура

Данным описанием вводится новый тип TemperatureSensor. Важным здесь является то, что, во-первых, данные и функции, изменяющие их, объединены вместе в одном описании и, во-вторых, мы не работаем непосредственно с данными, а изменяем их посредством соответствующих функций.

Объекты данного типа вводятся так же, как и переменные стандартных типов:

TemperatureSensor TSensors; // массив из ста объектов типа

// TemperatureSensor

Функции, объявленные внутри описания, называются функциями-членами. Их можно вызывать только для переменной соответствующего типа. Например, калибровать датчик можно так:

TSensors . calibrate (0.); // калибруется датчик номер 3

Поскольку имя объекта, для которого вызывается функция-член, неявно ей передается, в списках аргументов функций отсутствует аргумент типа TemperatureSensor, задающий конкретный датчик, над которым производятся действия. К этому объекту внутри функции можно явно обратиться по указателю this. Например, в теле функции calibrate можно написать один из двух эквивалентных операторов

this -> curTemperature = actualTemperature;

Центральной идеей абстракции является понятие инварианта. Инвариант - это некоторое логическое условие, значение которого (истина или ложь) должно сохраняться. Для каждой операции объекта можно задать предусловия (т.е. инварианты, предполагаемые операцией) и постусловия (т.е. инварианты, которым удовлетворяет операция).

Рассмотрим инварианты, связанные с операцией currentTemperature. Предусловие включает предположение, что датчик установлен в правильном месте в теплице, а постусловие - что датчик возвращает значение температуры в градусах Цельсия.

Изменение инварианта нарушает контракт, связанный с абстракцией. Если нарушено предусловие, то клиент не соблюдает свои обязательства и сервер не может выполнить задачу правильно. Если нарушено постусловие, то свои обязательства нарушил сервер, и клиент не может ему больше доверять.

Для проверки условий язык С++ предоставляет специальные средства в библиотеке assert.h.

В случае нарушения какого-либо условия возбуждается исключительная ситуация. Объекты могут возбуждать исключения, чтобы запретить дальнейшее выполнение операции и предупредить о проблеме другие объекты, которые в свою очередь могут принять на себя перехват исключения и справиться с проблемой.

С++ имеет специальный механизм обработки исключений, чувствительный к контексту. Контекстом для возбуждения исключения является блок try (пробный блок). Если при выполнении операторов, находящихся внутри блока try, происходит исключительная ситуация, то управление передается обработчикам исключений, которые задаются ключевым словом catch и находятся ниже блока try. Синтаксически обработчик catch выглядит подобно описанию функции с одним аргументом без указания типа возвращаемого значения. Для одного блока try может быть задано несколько обработчиков, отличающихся типом аргумента.

Исключение возбуждается посредством указания ключевого слова throw с необязательным аргументом-выражением. Исключение будет обработано посредством вызова того обработчика catch, тип параметра которого будет соответствовать типу аргумента throw. При наличии вложенных блоков try (например, из-за вложенности вызовов функций) будет использован обработчик самого глубокого блока. Если обработчика, соответствующего типу аргумента throw, на данном уровне не будет найдено, будет осуществлен выход из текущей функции и поиск в блоке try с меньшей глубиной вложенности и т.д. После обработки исключения управление передается на оператор, следующий за описаниями обработчиков catch.

Пример. Рассмотрим стек, реализованный с использованием массива фиксированной длины.

int stack; // не более ста элементов в стеке

int top=-1; // номер доступного элемента

void push (int el) {

if(top == 99) throw (1); // проверить на переполнение

else stack[++top] = el; // поместить элемент в стек

if(top == -1) throw (0); // проверить на пустоту

else return stack; // извлечь элемент из стека

try{ // пробный блок

catch(int error){. . .} // если error = 0, то стек пуст;

// если error = 1, то стек полон

Теперь у нас есть все необходимые понятия, чтобы описать процесс построения объектной модели. Этот процесс включает в себя следующие этапы:

· определение объектов и классов;

· подготовка словаря данных;

· определение зависимостей между объектами;

· определение атрибутов объектов и связей;

· организация и упрощение классов при использовании наследования;

· дальнейшее исследование и усовершенствование модели.

2.2.1. Определение классов. Анализ внешних требований к проектируемой ПС позволяет определить объекты и классы объектов, связанные с прикладной проблемой, которую должна решать эта система. Все классы должны быть осмыслены в рассматриваемой прикладной области; классов, связанных с компьютерной реализацией, как например список, стек и т.п. на этом этапе вводить не следует.

Начать нужно с выделения возможных классов из письменной постановки прикладной задачи (технического задания и другой документации, предоставленной заказчиком). Следует иметь в виду, что 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 проблемы) классы (см. п. 2.3.1);

· 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 ПС; 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.

2.2.2. 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. Пример словаря см. в п. 2.3.2.

2.2.3. 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. Пример выделения явных и неявных глагольных оборотов из предварительной постановки конкретной прикладной задачи рассмотрен в п. 2.3.3.

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

· зависимости между исключенными классами должны быть исключены, либо переформулированы в терминах оставшихся классов (см. п. 2.3.3);

· нерелевантные зависимости и зависимости, связанные с реализацией, должны быть исключены (см. п. 2.3.3);

· действия: зависимость должна описывать структурные свойства прикладной области, а не малосущественные события (см. п. 2.3.3);

· тренарные зависимости: большую часть зависимостей между тремя или большим числом классов можно разложить на несколько бинарных зависимостей, используя в случае необходимости квалификаторы (см. п. 2.3.3); в некоторых (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 (см. п. 2.3.3); 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; например, в случае, представленном на рис. 2.36, фирма имеет много служащих и владеет многими компьютерами; каждому служащему предоставлено для персонального использования несколько компьютеров, кроме того, имеются компьютеры общего пользования; кратность зависимости предоставлен_для_использования не может быть выведена из зависимостей служит и владеет; хотя производные зависимости и не добавляют новой информации, они часто бывают удобны; в этих случаях их можно указывать на диаграмме, пометив косой чертой.

Рис. 2.36. Неизбыточные зависимости

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

· неверно названные зависимости: их следует переименовать, чтобы смысл их стал понятен (см. п. 2.3.3);

· 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 (см. п. 2.3.3);

· 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.

2.2.4. 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.

Не следует стремиться определить как можно больше атрибутов: большое количество атрибутов усложняет модель, затрудняет понимание проблемы. Необходимо вводить только те атрибуты, которые имеют отношение к проектируемой прикладной системе, опуская случайные, малосущественные и производные атрибуты.

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 (см. п. 2.3.4).

· 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 (см. п. 2.3.4).

· 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.

2.2.5. Организация системы классов, используя наследование. Далее необходимо постараться найти суперклассы для введенных классов. Это полезно, так как проясняет структуру модели и облегчает последующую реализацию. Пример рассмотрен в п. 2.3.5.

2.2.6. Дальнейшее исследование и усовершенствование модели. Лишь в очень редких случаях построенная объектная модель сразу же оказывается корректной. Модель должна быть исследована и отлажена. Некоторые ошибки могут быть найдены при исследовании модели без компьютера, другие - при ее интерпретации совместно с динамической и функциональной моделями на компьютере (эти модели строятся после того, как объектная модель уже построена).

Здесь мы рассмотрим приемы бескомпьютерного поиска и исправления ошибок в объектной модели. В их основе лежат внешние признаки, по которым можно находить ошибки в модели; эти признаки могут быть объединены в следующие группы.

Признаки пропущенного объекта (класса):

· несимметричности связей и обобщений (наследований); для исправления ошибки необходимо добавить пропущенные классы;

· несоответствие атрибутов и операций у класса; для исправления ошибки необходимо расщепить класс на несколько других классов, так чтобы атрибуты и операции новых классов соответствовали друг другу;

· обнаружена операция, не имеющая удовлетворительного целевого класса; для исправления ошибки необходимо добавить пропущенный целевой класс;

· обнаружено несколько зависимостей с одинаковыми именами и назначением; для исправления ошибки необходимо сделать обобщение и добавить пропущенный суперкласс.

Признаки ненужного (лишнего) класса:

· нехватка атрибутов, операций и зависимостей у некоторого класса; для исправления ошибки необходимо подумать, не следует ли исключить такой класс.

Признаки пропущенных зависимостей:

· отсутствуют пути доступа к операциям; для исправления ошибки необходимо добавить новые зависимости, обеспечивающие возможности обслуживания соответствующих запросов.

Признаки ненужных (лишних) зависимостей:

· избыточная информация в зависимостях; для исправления ошибки необходимо исключить зависимости, не добавляющие новой информации, или пометить их как производные зависимости;

· не хватает операций, пересекающих зависимость; для исправления ошибки необходимо подумать, не следует ли исключить такую зависимость.

Признаки неправильного размещения зависимостей:

· имена ролей слишком широки или слишком узки для их классов; для исправления ошибки необходимо переместить зависимость вверх или вниз по иерархии классов.

Признаки неправильного размещения атрибутов:

· нет необходимости доступа к объекту по значениям одного из его атрибутов; для исправления ошибки необходимо рассмотреть, нужно ли ввести квалифицированную зависимость.

Примеры практического применения описанных признаков см. в п. 2.3.6.

Пример объектной модели

Рассмотрим процесс построения объектной модели для системы банковского обслуживания в процессе анализа требований и предварительного проектирования этой системы. Для построения объектной модели рассматриваемой системы нам необходимо выполнить все этапы, перечисленные в п 2.2.

2.3.1. Определение объектов и классов. В п. 1.3 сформулирована задача и приведена схема сети банковского обслуживания (рис. 1.3). Анализируя эту постановку задачи, можно выделить возможные классы, сопоставив их существительным, упомянутым в ее предварительной формулировке; получится следующий список возможных имен классов (в алфавитном порядке):

Исследуем этот список, исключая из него имена классов в соответствии с рекомендациями п. 2.2.1:

· избыточные классы : ясно, что клиент и пользователь означают одно и то же понятие; для банковской системы более естественно оставить класс клиент;

· нерелевантные классы : таким классом является класс цена (он не имеет непосредственного отношения к работе банковской сети);

· нечетко определенные классы : такими классами являются служба_ведения_записей и проверка безопасности (эти службы входят в состав проводки), система (в нашем случае непонятно, что это такое), банковская_сеть (вся ПС будет обслуживать банковскую сеть);

· атрибуты : данные проводки, данные счета, деньги (имеются в виду реальные деньги, выдаваемые клиенту кассиром или банкоматом, либо принимаемые кассиром), квитанция (выдается клиенту вместе с деньгами) более естественно иметь в качестве атрибутов;

· реализационные конструкции выражают такие имена как программное_обеспечение и доступ; их тоже следует исключить из списка имен возможных классов.

После исключения всех лишних имен возможных классов получаем следующий список классов, составляющих проектируемую систему банковского обслуживания (эти классы представлены на рис. 2.5):

2.3.2. Подготовка словаря данных. Приведем часть словаря данных, содержащую определения классов, используемых в проекте.

ATM (банкомат) - терминал, который дает возможность клиенту осуществлять свою собственную проводку, используя для идентификации свою карточку. ATM (банкомат) взаимодействует с клиентом, чтобы получить необходимую информацию для проводки, посылает информацию для проводки центральному_компьютеру, чтобы он проверил ее и в дальнейшем использовал при выполнении проводки и выдает деньги и квитанцию клиенту. Предполагается, что ATM (банкомату) не требуется работать независимо от сети.

Банк - финансовая организация, которая содержит счета своих клиентов и выпускает карточки, санкционирующие доступ к счетам через сеть ATM (банкоматов).

Карточка - пластиковая карточка, врученная банком своему клиенту, которая санкционирует доступ к счетам через сеть ATM (банкоматов). Каждая карточка содержит код банка и номер карточки, закодированные в соответствии с национальными стандартами на банковские карточки. Код_банка однозначно идентифицирует банк внутри консорциума. Номер_карточки определяет счета, к которым карточка имеет доступ. Карточка не обязательно обеспечивает доступ ко всем счетам клиента. Каждой карточкой может владеть только один клиент, но у нее может существовать несколько копий, так что необходимо рассмотреть возможность одновременного использования одной и той же карточки с разных ATM (банкоматов).

Кассир - служащий банка, который имеет право осуществлять проводки с кассовых_ терминалов, а также принимать и выдавать деньги и чеки клиентам. Проводки, деньги и чеки, с которыми работает каждый кассир, должны протоколироваться и правильно учитываться.

Кассовый_терминал - терминал, с которого кассир осуществляет проводки для клиентов. Когда кассир принимает и выдает деньги и чеки, кассовый_терминал печатает квитанции. Кассовый_терминал взаимодействует с компьютером_банка, чтобы проверить и выполнить проводку.

Клиент - держатель одного или нескольких счетов в банке. Клиент может состоять из одного или нескольких лиц, или организаций. То же самое лицо, держащее счет и в другом банке рассматривается как другой клиент.

Компьютер_банка - компьютер, принадлежащий банку, который взаимодействует с сетью ATM (банкоматов) и собственными кассовыми_терминалами банка. Банк может иметь свою внутреннюю компьютерную сеть для обработки счетов, но здесь мы рассматриваем только тот компьютер_банка, который взаимодействует с сетью ATM.

Консорциум - объединение банков, которое обеспечивает работу сети ATM (банкоматов). Сеть передает в консорциум проводки банков.

Проводка - единичный интегрированный запрос на выполнение некоторой последовательности операций над счетами одного клиента. Было сделано предположение, что ATM (банкоматы) только выдают деньги, однако для них не следует исключать возможности печати чеков или приема денег и чеков. Хотелось бы также обеспечить гибкость системы, которая в дальнейшем обеспечит возможность одновременной обработки счетов разных клиентов, хотя пока этого не требуется. Различные операции должны быть правильно сбалансированы.

Счет - единичный банковский счет, над которым выполняются проводки. Счета могут быть различных типов; клиент может иметь несколько счетов.

Центральный_компьютер - компьютер, принадлежащий консорциуму, который распределяет проводки и их результаты между ATM (банкоматами) и компьютерами_банков. Центральный_компьютер проверяет коды банков, но не выполняет проводок.

2.3.3. Определение зависимостей. Следуя рекомендациям п. 2.2.3, выделяем явные и неявные глагольные обороты из предварительной постановки задачи и рассматриваем их как имена возможных зависимостей. Из постановки задачи о банковской сети (см. п. 1.3) можно извлечь следующие обороты:

Глагольные обороты (явные и неявные):

Банковская сеть включает кассиров и ATM"ы

Консорциум распределяет результаты проводок по ATM

Банк владеет компьютером банка

Компьютер банка поддерживает счета

Банк владеет кассовыми терминалами

Кассовый терминал взаимодействует с компьютером банка

Кассир вводит проводку над счетом

ATM"ы взаимодействуют с центральным компьютером во время проводки

Центральный компьютер взаимодействует с компьютером банка

ATM принимает карточку

ATM общается с пользователем

ATM выдает наличные деньги

ATM печатает квитанции

Система регулирует коллективный доступ

Банк предоставляет программное обеспечение

Консорциум состоит из банков

Консорциум владеет центральным компьютером

Система обеспечивает протоколирование

Система обеспечивает безопасность

Клиенты имеют карточки

Карточка обеспечивает доступ к счету

В банке служат кассиры

Затем исключаем ненужные или неправильные зависимости, используя критерии, сформулированные в п. 2.2.3:

· зависимости между исключенными классами: исключаются следующие зависимости: Банковская сеть включает кассиров и ATM"ы (класс банковская_сеть исключен), ATM печатает квитанции (класс квитанция исключен), ATM выдает наличные деньги (класс деньги исключен), Система обеспечивает протоколирование проводок (класс служба_ведения_записей исключен), Система обеспечивает безопасность ведения счетов (класс служба_безопасности исключен), Банки предоставляют программное обеспечение (класс программное_обеспечение исключен);

· нерелевантные зависимости и зависимости, связанные с реализацией: зависимость "Система регулирует коллективный доступ" исключается как связанная с реализацией;

· действия описываются такими зависимостями как "ATM принимает карточку" и "ATM общается с пользователем"; мы исключаем эти зависимости;

· тренарные зависимости: зависимость "Кассир вводит проводку над счетом" раскладывается на две бинарные зависимости "Кассир вводит проводку" и "Проводка относится к счету". Зависимость "ATM"ы взаимодействуют с центральным компьютером во время проводки" раскладывается на "ATM"ы взаимодействуют с центральным компьютером" и "Проводка начинается с ATM";

· производные зависимости: зависимость "Консорциум распределяет ATM"ы" является следствием зависимостей "Консорциум владеет центральным компьютером" и "ATM"ы взаимодействуют с центральным компьютером".

Удалив избыточные зависимости, получим следующий список зависимостей:

Банк владеет компьютером банка

Компьютер банка поддерживает счета

Банк владеет кассовыми терминалами

Кассовый терминал взаимодействует с компьютером банка

Кассир вводит проводку

Проводка относится к счету

ATM"ы взаимодействуют с центральным компьютером

Проводка начинается с ATM

Центральный компьютер взаимодействует с компьютером банка

Консорциум состоит из банков

Консорциум владеет центральным компьютером

Клиенты имеют карточки

Карточка обеспечивает доступ к счету

В банке служат кассиры

Уточним семантику оставшихся зависимостей следующим образом:

· переименуем неверно названные зависимости, чтобы смысл их стал более понятен; так зависимость Компьютер_банка поддерживает счета удобнее заменить зависимостью Банк держит счета.

· имена ролей можно не использовать, так как они ясны из имен классов, участвующих в зависимости, как например, для зависимости ATM"ы взаимодействуют с центральным компьютером;

· неучтенные зависимости: Проводка начинается с кассового_терминала, Клиенты имеют счета, Проводка регистрируется карточкой следует добавить в модель.

После уточнения зависимостей можно составить исходную версию объектной диаграммы. Для рассматриваемой задачи она будет иметь вид, представленный на рис. 2.37.

Рис. 2.37. Первая версия объектной диаграммы для банковской сети

2.3.4. Уточнение атрибутов. Применяя критерии, сформулированные в п. 2.2.4, получим:

Карточка содержит код_банка и код_карточки; их можно считать атрибутами объектов класса карточка, но удобнее использовать в качестве квалификаторов, так как код_банка обеспечивает выбор банка, сокращая кратность зависимости консорциум - банк; для аналогичного использования кода_карточки необходимо добавить зависимость Банк выпускает карточки, квалификатором которой будет код_карточки.

После внесения перечисленных изменений диаграмма примет вид, представленный на рис. 2.38.

2.3.5. Организация системы классов с использованием наследования. В рассматриваемом примере естественно определить суперклассы для объектов, определяющих различные терминалы: кассовый_терминал и ATM (банкомат), и для объектов, определяющих проводки: проводка_кассира и удаленная_проводка (с банкомата).

Внеся соответствующие изменения, получим объектную диаграмму, представленную на рис. 2.39.

Рис. 2.38. Объектная диаграмма для банковской сети после уточнения атрибутов и добавления квалификаторов

Рис. 2.39. Объектная диаграмма для банковской с учетом наследования

2.3.6. Дальнейшее усовершенствование модели. Карточка выступает в двух сущностях: как регистрационная единица в банке (сберкнижка), обеспечивающая клиенту доступ к его счетам, и как структура данных, с которой работает ATM. Поэтому удобно расщепить класс карточка на два класса: регистрация_карточки и карточка; первый из этих классов обеспечивает клиенту доступ к его счетам в банке, а второй определяет структуру данных, с которой работает ATM.

Класс проводка удобно представить как агрегацию классов изменение, так как проводка - это согласованная последовательность внесения изменений в счета и другие банковские документы; при работе с банковскими документами рассматривается три вида изменений: снятие, помещение и запрос.

Класс банк естественно объединить с классом компьютер_банка, а класс консорциум - с классом центральный_компьютер.

Рис. 2.40. Окончательный вид объектной диаграммы для банковской сети

После внесения перечисленных изменений объектная диаграмма примет вид, представленный на рис. 2.40. На этом построение объектной модели этапа предварительного проектирования заканчивается. Дальнейшие уточнения объектной модели будут производиться на следующих фазах ЖЦ системы.

Выделение подсистем

2.4.1. Понятие подсистемы. Итак, ПС 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 ПС 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.

Объектная модель системы задает множество взаимозависимых объектов, составляющих систему, и, следовательно, определяет набор интерфейсов, доступных внутри системы. Все возможности по обработке данных внутри системы (т.е. в каждом объекте, входящем в состав системы) определяются этим набором интерфейсов, который определяет внутреннее окружение (или среду) системы .

Наряду с внутренним окружением системы можно определить ее внешнее окружение . Оно определяется функциями (операциями), реализованными в составе системного программного обеспечения (т.е. операционной системы, системы программирования, различных редакторов, СУБД и т.п.), а также в других прикладных системах и библиотеках, используемых совместно с системой. Объекты и операции, составляющие внешнее окружение системы, тоже могут быть доступны внутри системы. Чтобы не упустить этого из виду, можно было бы добавить в объектную модель еще один объект, интерфейс которого представлял бы возможности внешнего окружения, используемые в системе (такой интерфейс обычно представляет лишь часть возможностей внешнего окружения). Но это было бы не совсем точно, так как внешнее окружение реализуется не одним, а несколькими объектами. С другой стороны внутри системы нет резона рассматривать структуру ее внешнего окружения. Выход из указанного противоречия во введении в рассмотрение еще одной сущности - подсистемы.

Подсистема - это набор объектов и подсистем, обеспечивающих некоторую функциональность, и взаимодействующих между собой в соответствии с их интерфейсами. Интерфейс подсистемы представляет собой подмножество объединения интерфейсов всех объектов и подсистем, составляющих эту подсистему. В состав подсистемы может входить один, или более взаимозависимых объектов и/или подсистем.

Множество интерфейсов объектов (и подсистем), которые в своей совокупности составляют некоторую подсистему, составляет внутреннее окружение этой подсистемы. В состав каждой подсистемы должна быть включена подсистема окружение, представляющая внешнее окружение этой подсистемы. Подсистема окружение для системы банковского обслуживания, рассматриваемой в качестве сквозного примера представлена на рис. 2.41. Интерфейс подсистемы окружение определяет в каком программном окружении будет работать проектируемая система и какие возможности этого окружения будут использоваться во время ее работы (это важно, когда возникает потребность модификации или замены отдельных компонентов окружения).

Отметим, что подсистема окружение представляет только интерфейс системы банковского обслуживания с ее внешним окружением. Внешнее окружение системы банковского обслуживания состоит из нескольких подсистем и библиотек, и для него тоже может быть разработана объектная модель, которая может содержать и разрабатываемую систему (в этой объектной модели она будет одной из подсистем).

Объектную модель системы банковского обслуживания и ее системного (внешнего) окружения тоже можно изобразить в виде объектной диаграммы (правда, в состав этой объектной диаграммы будут входить не объекты, а только подсистемы; каждая подсистема изображается на диаграмме в виде прямоугольника с двойными вертикальными сторонами). Зависимости между подсистемами, изображенные на этой объектной диаграмме (рис. 2.42), отражают взаимодействие проектируемой системы банковского обслуживания и соответствующих подсистем в процессе работы системы. Тем самым определяются требования проектируемой системы к ее системному окружению.

Рис. 2.41. Объектная диаграмма банковской сети, в которой указан интерфейс с системным окружением

Рис. 2.42. Объектная диаграмма банковской сети и ее системного окружения

Введение понятия подсистемы и возможность включать в объектную модель наряду с объектами (классами) и подсистемы определяет иерархическую структуру объектной модели и позволяет использовать методологию OMT при проектировании достаточно сложных ПС, содержащих большое число различных объектов и классов.

2.4.2. Интерфейсы и окружения. Объекты и подсистемы, составляющие подсистему более высокого уровня, будем называть компонентами последней. Как уже было отмечено, для каждого компонента, входящего в состав объектной модели подсистемы, определен его интерфейс , т.е. набор открытых (общедоступных) операций, которые можно применять к этому компоненту (объекту или подсистеме).

Интерфейс объекта определяется интерфейсом соответствующего класса и задается списком сигнатур его открытых операций (методов). Интерфейс подсистемы определяется через итерфейсы составляющих ее объектов и подсистем следующим образом: операция может быть включена в интерфейс подсистемы, если в составе этой подсистемы имеется объект (подсистема), интефейс которого содержит эту операцию. Интерфейсы описываются на языке описания интерфейсов IDL (Interface Definition Language) .

Все возможности по обработке данных внутри подсистемы (т.е. в каждом компоненте, входящем в ее состав) определяются набором интерфейсов ее компонентов, который определяет внутреннее окружение подсистемы .

Если для некоторой подсистемы оказывается, что ни один ее компонент не содержит операции, которую желательно включить в ее интерфейс, в ее состав можно добавить объект, реализующий такую операцию. Такой объект называется интерфейсным объектом . Интерфейсные объекты позволяют согласовать внешний интерфейс подсистемы с ее внешним окружением , т.е. с интерфейсами других объектов и подсистем, которые вместе с рассматриваемой подсистемой составляют подсистему более высокого уровня.

Поясним введенные понятия на примере системы банковского обслуживания. В ее составе можно выделить подсистему банк (на самом деле в системе будет несколько экземпляров подсистемы банк - по одной для каждого банка, входящего в консорциум). При этом объектная модель системы примет вид, изображенный на рис. 2.43.

Рис. 2.43. Объектная диаграмма банковской сети после выделения подсистемы банк

При этом внешние интерфейсы подсистем банк и окружение вместе с интерфейсами объектов ATM и консорциум образуют внутреннее окружениесистемы банковского обслуживания. Ее внешнее окружение представлено на рис. 2.42; оно состоит из внешних интерфейсов различных программных систем, используемых в системе банковского обслуживания (на рис. показана лишь часть этих систем), и ее собственного внешнего интерфейса.