Программных средств

Основные компоненты объектно-ориентированного проектирования

 

Компоненты	Содержание и функции
I Классы	Объединения однородных объектов, имеющих одинаковые атрибуты, структуру и поведение
Объекты	Реальности (сущности), описываемые границами, индивидуальными состояниями и поведением
Атрибуты	Характеристики класса, отражающие идентификацию, состояние и поведение конкретного объекта этого класса
Ассоциации	Отношение между классами, отражающее связи между объектами этих классов
Интерфейсы	Множества операций взаимодействия между объектами
Сообщения	Взаимодействия объектов, имеющие стимулы, отправителя и получателя
Операции	Возможные воздействия объекта на другой объект того же класса с целью вызвать отклик
Состояние	Ситуация, в течение которой объект выполняет деятельность или ожидает события
Инкапсуляция	Выделение и сокрытие части информации об объекте
Наследование	Совместное использование атрибутов и поведения объектов в пределах иерархической структуры для построения новых классов
Диаграмма последовательности	Диаграмма взаимодействия объектов, упорядоченных по времени их проявления

Существует ряд подходов к определению классов объектов:

— использование грамматического анализа естественного языкового описания системы, объекты и атрибуты — это существительные, операции и сервисы — глаголы, такой подход реализован в иерархическом методе объектно-ориентированного проектирования, который широко используется;

— использование в качестве объектов ПС событий, объектов и ситуаций реального мира из области приложения (например самолетов, ролевых ситуаций менеджера) для реализации таких объектов, могут потребоваться специальные структуры хранения данных (абстрактные структуры данных);

— применение подхода, основанного на сценариях, в котором по очереди определяются и анализируются различные сценарии использования системы; группа, отвечающая за анализ, должна идентифицировать необходимые объекты, атрибуты и операции; метод анализа, при котором аналитики и разработчики присваивают роли объектам, отражают эффективность подхода, основанного на сценариях.

Для описания классов можно использовать информацию, полученную из разных источников. Объекты и операции, первоначально определенные на основе неформального описания системы, могут служить отправной точкой при ООП. Затем для усовершенствования и расширения описания первоначальных объектов можно использовать дополнительную информацию, полученную из области применения ПС или анализа сценариев. Дополнительную информацию также можно получить в ходе обсуждения с пользователями разрабатываемой системы или анализа имеющихся систем.

Объект является отдельным (особенным) экземпляром класса. Объекты — это исполняемые сущности с атрибутами и сервисами класса объектов. Объекты представляют собой реализацию класса, на основе одного класса можно создать много различных объектов. Обычно при разработке объектных моделей основное внимание сосредоточено на классах объектов и их отношениях. Во всех случаях применяется общее правило, согласно которому объект инкапсулирует данные о своем внутреннем строении.

Объект — это сущность, способная пребывать в различных состояниях и имеющая определенное множество операций. Состояние определяется как набор атрибутов объекта. Операции, связанные с объектом, предоставляют сервисы (функциональные возможности) другим объектам (клиентам) для выполнения определенных вычислений. Объекты создаются в соответствии с определением класса объектов, которое служит шаблоном для создания объектов. В него включены объявления всех атрибутов и операций, связанных с объектом данного класса. Нотация, которая используется для обозначения классов объектов, определена в UML.

Все объекты из класса имеют значения атрибутов, соответствующие атрибутам из полного дескриптора классов. Эти объекты будут также поддерживать операции, описываемые дескриптором классов. Объекты являются экземплярами класса и совместно используют свойства (атрибуты и операции) данного класса. Каждый объект отличается собственной идентичностью и имеет характерный набор значений для атрибута. Он является сущностью, инкапсулированной в двух воплощениях — состояния и поведения. Состояние представлено с помощью атрибутов и связей; операции и механизмы состояния представляют поведение. Состояние сохраняет эффекты от производимых некоей сущностью операций. Диаграммы объектов отображают объекты, их ассоциации и отношения (связи) в их развитии во времени. Объектом (если он подобен сущности) может быть:

— материальный предмет (или индивидуум);

— выполняемая роль;

— событие;

— взаимодействие (контракт);

— операционная процедура (обзор);

— организационная единица;

— место (банк);

— структура.

Объект является экземпляром, который структурирован и функционирует в соответствии со своим классом. Все объекты, порожденные одним и тем же классом, структурированы одним способом, хотя каждый из них имеет свой собственный набор связей атрибутов. Каждая связь атрибута имеет ссылку на экземпляр, обычно на значение данных. Объект может порождаться несколькими классами. В этом случае объект обладает всеми свойствами, которые объявлены во всех этих классах, как структурными, так и поведенческими. К объекту можно добавлять новые классы, а старые классы отделять. Это значит, что свойства новых классов динамически добавляются к данному объекту, а свойства, объявленные ранее в классе, удаляемые из объекта, динамически также удаляются из объекта.

Интерфейсом называется набор операций, характеризующих поведение элемента. Интерфейсы можно использовать для установки атрибута, возвращения значения атрибута и для запроса объекта с целью выполнения операции. Важной частью любого процесса ООП является специфицирование интерфейсов между различными компонентами системы. Интерфейсы необходимо определять так, чтобы объекты и другие компоненты можно было проектировать параллельно. Определив интерфейс, разработчики других объектов могут считать, что интерфейс уже реализован. Один и тот же объект может иметь несколько интерфейсов, причем каждый из них предполагает свой способ поддержки методов. Проектирование интерфейсов объектов связано со спецификацией интерфейса в объекте или группе объектов. Интерфейсы можно определить подобно диаграмме классов. По мере усложнения интерфейсов такой подход оказывается более эффективным, так как для обнаружения ошибок и противоречий в описании интерфейса можно воспользоваться средствами проверки синтаксиса языка программирования.

Сообщения — содержат объект назначения (включающий операцию, предназначенную для выполнения), название выполняемого оператора и параметры, которые необходимы для выполнения операции. Эти интерфейсы определяют средства взаимодействия между объектами. Каждому объекту пересылаются сообщения других объектов. Интерфейсы относятся к общедоступным методам, поскольку они имеют отношение к другим объектам. Полезно определять интерфейсы заранее, т.е. в начале жизненного цикла ПС. В этом случае команда программистов может быть разделена с учетом границ между объектами, что может быть предпочтительнее разделения по функциональным границам. После того как интерфейсы и набор ответственностей четко определены, они могут функционировать независимо, объединяясь лишь позднее, в цикле по тестированию модели.

Сообщение является спецификацией по транспортировке информации из одного экземпляра объекта в другой, причем ожидается, что эта деятельность имеет результат (сообщение может указывать на формирование сигнала или на вызов операции). Стимул определяет передачу информации из одного экземпляра объекта в другой, например, формирование сигнала или вызов операции; получение сообщения означает обработку стимула, который передается из экземпляра отправителя. Получатель (объект) является объектом для обработки стимула, который передается из экземпляра отправителя. Отношение представляет семантическую связь между элементами модели (примеры отношений включают ассоциации и обобщения). Ответственность является контрактом или обязательством создателя классов; для пересылки сообщения стимул передается из экземпляра объекта отправителя к экземпляру получателя. Отправитель (объект) представляет собой объект, передающий стимул в объект получателя.

Атрибут представляет собой описание набора значений, которые могут вызываться экземплярами объектов данного класса. Эта информация является для объекта внутренней и имеет следующие особенности:

— представление с помощью существительного;

— описание объекта в терминах реального времени;

— возможность служить индикатором состояния;

— обладание типом данных;

— идентичность для объектов одного класса — может отличаться по значению, но не по сути;

— возможность получения значения, определенного с помощью домена пересчета (набор определенных значений).

Операция представляет собой услугу, которая может запрашиваться из объекта для оказания влияния на его поведение. Операции можно описывать согласно следующим параметрам:

— инкапсулирование внутри объекта;

— отклик на стимул-(сообщение);

— возможность действия, выполняемого объектом с помощью другого объекта;

— возможность преобразования, которому подвергается объект.

Метод является специфической реализацией операции. Операция (метод) является средством, с помощью которого объект может реализовать свою ответственность. Операция для объекта вызывается с помощью сообщения, пересылаемого из другого объекта. Все объекты имеют методы, применяемые для их инициализации и выявления в рамках модели, а также возможности для приобретения атрибутов и избавления от них. Методы представляют собой способы взаимодействия объектов между собой, сообщений для вызова (стимулирования) определенной деятельности (поведения) в пределах объекта получателя. В ходе проведения анализа для этого к каждому объекту, имеющему ссылку на другие объекты, добавляется внешний ключ. Метод представляет реализацию для операции — указывает алгоритм или процедуру, которая ассоциируется с операцией.

Ассоциация отражает важное соединение (связь) между понятиями или классами (объектами). Рассматриваемое понятие включает, по крайней мере, два ассоциативных конца. Свойство множественности для концов ассоциации показывает, какое число экземпляров объектов можно ассоциировать с отдельным экземпляром класса.

Процесс инкапсуляции состоит из отделения внешних аспектов объекта от последствий внутренней реализации этого объекта. Другим термином инкапсуляции является сокрытие информации. Внешние аспекты объекта доступны другим объектам с помощью методов самого объекта, в то время как внутренние реализации этих методов скрыты от внешнего объекта, пересылающего сообщения. Инкапсуляция важна для получения потенциала или для поддержки объектно-ориентированных моделей. Поскольку подробности реализации скрыты от других объектов, они содержатся в пределах объекта. Влияние изменений, вносимых в реализацию метода, минимально для всей модели.

Потенциально все объекты являются повторно используемыми компонентами, так как они независимо инкапсулируют данные о состоянии и операции. Архитектуру ПС можно разрабатывать на базе объектов, уже созданных в предыдущих проектах. Такой подход снижает стоимость проектирования, программирования и тестирования ПС. Кроме того, появляется возможность использовать стандартные объекты, что уменьшает риск, связанный с разработкой программного средства. Однако иногда повторное использование эффективнее всего реализовать с помощью коллекций объектов (компонентов или объектных структур), а не через отдельные объекты.

Наследование определяет совместное использование атрибутов и поведение объектов в пределах иерархической структуры (суперклассов и/или подклассов). Каждый подкласс наследует все свойства — (атрибуты и операции) суперкласса (предка) и добавляет свои собственные уникальные свойства. Класс содержит описание всех атрибутов, ассоциаций и операций, входящих в объект, что является обобщением объекта. Каждый класс имеет набор наследуемых свойств — атрибутов, операций и ассоциаций. Эти структуры данных и алгоритмы немедленно становятся доступными для подклассов наследников. Класс может иметь потомков (подклассы), где потомок является специализацией предшественника. Потомок наследует (включает в себя) эту структуру и поведение общих предшественников, при этом он способен добавлять свои собственные атрибуты и операции. Такое отношение также известно как обобщение (генерализация). Наследование/специализация/обобщение является преимуществом метода ООП, поскольку поддерживает повторное использование классов. Благодаря применению этих понятий свойства суперклассов повторяются в каждом объекте подкласса, и таким образом поддерживается высокий фактор обновления. Изменения для атрибутов или операций немедленно наследуются всеми подклассами.

Модели систем, разрабатываемые при формировании требований, должны отображать реальные сущности, принадлежащие классам объектов. Все объекты связаны с различными уровнями в архитектуре системы. Конкретные решения по архитектуре системы можно принимать в процессе ее реализации. Когда связи между разработчиками требований, проектировщиками и программистами не очень тесные (например, если система проектируется в одном подразделении предприятия, а реализуется в другом), требуется более детализированная модель. Следовательно, в процессе проектирования важно решить, какие требуются модели и какой должна быть степень их детализации. Это решение зависит также от типа разрабатываемой системы.

Классы не должны содержать информацию об отдельных системных объектах. Можно разработать различные типы объектных моделей, показывающие, как классы связаны друг с другом, как объекты агрегируются из других объектов, как объекты взаимодействуют с другими объектами. Эти модели расширяют понимание разрабатываемой системы. Идентификация объектов и классов объектов считается наиболее сложной задачей в процессе объектно-ориентированной разработки систем. Определение объектов — это основа для анализа и проектирования системы.

Модель окружения системы и модель использования системы представляют собой две дополняющие друг друга модели взаимоотношений между данной системой и ее окружением. Модель окружения системы — это статическая модель, которая описывает другие системы из окружения разрабатываемого ПС. Модель использования системы — динамическая модель, которая показывает взаимодействие данной системы со своим окружением. Модель окружения системы можно представить с помощью схемы связей, которая дает простую блок-схему общей архитектуры системы. С помощью пакетов языка UMLее можно представить в развернутом виде как совокупность подсистем. Такое представление показывает, что рабочее окружение системы находится внутри подсистемы, занимающейся сбором данных. При моделировании взаимодействия проектируемой системы с ее окружением при ООП применяется абстрактный подход, который не требует больших объемов данных для описания этих взаимодействий. Подход, применяемый в UML,состоит в том, чтобы разработать модель вариантов использования, в которой каждый вариант представляет собой определенное взаимодействие с системой.

Объектные модели, разработанные для формирования требований, могут использоваться как для представления данных, так и для процессов их обработки. В этом отношении они объединяют модели потоков данных и семантические модели данных. Они также полезны для классификации системных сущностей и могут представлять сущности, состоящие из других сущностей. Для некоторых классов систем объектные модели — естественный способ отображения реально существующих объектов, которые находятся под управлением системы. Например, для систем, обрабатывающих информацию относительно конкретных объектов (таких, как автомобили, самолеты, книги), которые имеют четко определенные атрибуты. Более абстрактные высокоуровневые сущности (например, библиотеки, медицинские регистрирующие системы или текстовые редакторы) труднее моделировать в виде классов объектов, поскольку они имеют достаточно сложный интерфейс, состоящий из независимых атрибутов и методов.

Объектные модели, разработанные во время анализа требований, упрощают переход к объектно-ориентированному проектированию и программированию. Однако конечные пользователи часто считают объектные модели неестественными и трудными для понимания. Часто они предпочитают функциональные представления процессов обработки данных. Поэтому полезно дополнить их моделями потоков данных, чтобы показать сквозную обработку данных в системе.

Модели данных — больших программных систем используют информационные базы данных. В одних случаях эта база данных существует независимо от программной системы, в других — специально создается для разрабатываемой системы. Важной частью моделирования систем является определение логической формы данных, обрабатываемых системой. Наиболее широко используемой методологией моделирования данных является моделирование типа «сущность — связь — атрибут», которое показывает структуру данных, их атрибуты и отношения между ними.

Для описания структуры обрабатываемой информации модели данных часто используются совместно с моделями потоков данных. Проекты структуры ПС представляются ориентированными графами. Они состоят из набора узлов различных типов, соединенных дугами, отображающими связи между структурными узлами. В системе проектирования присутствуют средства вывода на дисплей этого графа (т.е. структурной диаграммы) и его преобразования к виду, удобному для хранения в базе данных проектов. Система редактирования выполняет преобразования структурной диаграммы из формата базы данных в формат, позволяющий отобразить ее на экране монитора в виде блок-схемы. Информация, предоставляемая редактором другим средствам анализа проекта, должна включить логическое представление графа проекта. Эти средства работают с объектами, их логическими атрибутами и связями между ними.

Сущность— реальный или абстрактный объект, имеющий определяющее значение для рассматриваемой системы (это может быть объект как самой системы, так и ее окружения). Каждая сущность должна иметь уникальное имя и обладать одним или несколькими атрибутами, которые либо принадлежат сущности, либо наследуются через связь. Сущность соответствует классу (или типу) объектов, а не конкретному экземпляру класса. Поименованная связь (ассоциация) между двумя сущностями осуществляется с помощью глаголов (например, имеет, определяет, принадлежит). Атрибут — любая характеристика сущности (предназначается для идентификации, классификации, численной параметризации или описания состояния сущности). Значения атрибутов однозначно идентифицируют экземпляр сущности.

Язык моделирования UML не имеет определенных обозначений для типа моделей данных, что желательно для объектно-ориентированного процесса разработки ПС, где для описания систем используются объекты и их отношения. Если сущностям поставить в соответствие простейшие классы объектов (без ассоциированных методов), тогда в качестве моделей данных можно использовать модели классов UML совместно с именованными ассоциациями между классами.

Модели наследования. Важным этапом объектно-ориентированного моделирования является определение классов объектов, которые затем систематизируются. Это подразумевает создание схемы классификации, которая показывает, как классы объектов связаны друг с другом посредством общих атрибутов и сервисов. Схема классификации организована в виде иерархии наследования, на вершине которой представлены наиболее общие классы объектов. Более специализированные объекты наследуют их атрибуты и сервисы. Эти объекты могут иметь собственные атрибуты и сервисы. В нотации UML наследования показываются сверху-вниз, как принято в других объектно-ориентированных нотациях. Стрелка выходит из класса, который наследует атрибуты и операции, и направлена к родительскому классу. В UMLвместо термина «наследование» чаще используется термин «обобщение». В моделях множественного наследования классы могут иметь нескольких родителей. Тогда наследуются атрибуты и сервисы от каждого родительского класса.

Упрощение моделей при ООП может вызывать некоторые затруднения специалистов в понимании следующего:

— одни и те же динамические и статические модели описывают в разработке только «способы» взаимодействия с объектами;

— инкапсуляция скрывает внутреннее содержание объекта, позволяя разработчику уделять больше внимания методам использования объектов — их существенных, неотъемлемых характеристик; позволяет разделять статус, функцию, поведение; ограничивает доступ к переменным, которые функционируют внутри алгоритма;

— агрегация позволяет создавать крупный объект из небольших, упрощать вид объектов, позволяя выполнять обработку сложных состояний.