Сопоставление и взаимосвязь структурного и объектно-ориентированного подходов к проектированию программного обеспечения распределенны

Нисходящее проектирование рациональной иерархии модулей программ заключается в выделении первоначальных модулей самого верхнего уровня иерархии, а затем подчиненных модулей.

Нисходящая реализация программы состоит в первичной реализации группы модулей верхних уровней, которые называются ядром программы, и далее постепенно, в соответствии с планом, реализуются модули нижних уровней. Необходимые для линковки программы, недостающие модули имитируются заглушками.

Осуществление планирования на всех стадиях проекта позволяет первоначально спланировать как состав стадий, таки продолжительность всех этапов работ. Такое планирование позволяет завершить разработку в заданный срок при заданных затратах на разработку.

Сквозной структурный контроль заключается в соблюдении заранее намеченного плана тестирования, который охватывает период от разработки внешних спецификаций, далее внутренних спецификаций и их корректировку в периоде реализации вплоть до приемо-сдаточных испытаний. Составляющие программу модули тестируются как во время написания их кода, так и при автономном тестировании, инспекции их исходного кода, при тестировании сразу по подключении к ядру.

При структурном программировании программа в основном реализуется (собирается и тестируется) сверху вниз. Сначала из 20-30 модулей пишется ядро. Чтобы начать тестировать, недостающие модули нижних уровней заменяются заглушками. По окончании тестирования ядра, заглушки заменяются новыми готовыми модулями, но если программа еще не закончена, то для успешной ее линковки понадобятся все новые заглушки недостающих модулей. Затем проводится тестирование собранной части и т.д.

Заглушка – это макет модуля. Самая простая  заглушка – это попрограмма или функция без действий. Более сложная заглушка может выводить сообщение о том, что отработал такой-то модуль. Еще более сложные заглушки могут выводить входную информацию в какой-нибудь файл отладки. Наконец, еще более сложные заглушки выдают на выход тестовую информацию, необходимую для проверки уже реализованных модулей. Написание заглушек – лишняя работа, но требуется искусство проектировщика, чтобы максимальное количество заглушек были простыми, а тестирование уже собранной части программы было бы полным.

Проектированию структуры программы предшествует разработка внешних функциональных описаний. Функциональные описания (алгоритмы выполнения программы) для достижения их восприятия должны быть декомпозированы от общего к частному. Также они должны включать описания форм представления и объема внутренних данных.

Для начала имеется первый вариант схемы иерархии, полученный путем простого членения функций программы на подфункции с указанием переменных, необходимых для размещения данных на разных шагах обработки. Скорее этот вариант не является оптимальным, и требуются проектные итерации для улучшения топологии схемы.

Каждый новый вариант сравнивается с предшествующим вариантом по описанным здесь критериям. Генерация вариантов прекращается при невозможности дальнейших улучшений.

Фонд критериев оптимальности схем иерархии является необходимым подспорьем при оптимизации схем иерархии и состоит из следующих критериев:

- полнота выполнения специфицированных функций;

- возможность быстрого и дешевого  пополнения новыми, ранее не специфицированными  функциями;

- обозримость для проектировщика  составных частей программы;

- максимальная независимость по  данным отдельных частей программы;

- возможность связывания программы с обширной многоуровневой схемой иерархии конкретным редактором связей (линковщиком). Если начинается работа над новой программой, то очень полезно выполнить на эВМ ее модель в виде пустых заглушек модулей, которые не содержат никаких действий;

- достаточность оперативной памяти. Здесь рассматриваются варианты  с описанием особенно структурированных  статических и динамических переменных  на разных уровнях схемы иерархии. Проверка удовлетворения данного  критерия осуществляется расчетами  с некоторыми машинными экспериментами;

- оценка влияния топологии схемы  иерархии на скорость выполнения  программы при использовании  оверлеев (динамической загрузки  программы) и механизма подкачки  страниц при разработке программы, которая целиком не может быть  размещена в оперативной памяти;

- отсутствие разных модулей, выполняющих  похожие действия. В идеале –  один и тот же модуль вызывается  на разных уровня схемы иерархии;

- достижение при реализации  программы такого сетевого графика  работы коллектива программистов, который обеспечивает равномерную загрузку коллектива по ключевым датам проекта;

- всемерно сокращение затрат  на тестирование уже собранного  ядра программы по ключевым  датам сетевого графика реализации. Характеризуется простотой используемых  заглушек и качеством тестирования по всем вычислительным маршрутам модулей. Достигается первичной реализацией сверху вниз модулей ввода и вывода программы с отсрочкой реализации остальных ветвей схемы иерархии. Обычно затраты на тестирование составляют около 60% стоимости всего проекта. Хорошая схема иерархии сокращает затраты на тестирование по сравнению с первоначальным вариантом в 2-5 раз и более;

- использованием в данном проекте  как можно большего числа разработанных  в предшествующих проектах модулей  и библиотек при минимальном объеме изготавливаемых заново частей;

- удачное распределение модулей  по компилируемым файлам программы  и библиотекам;

- накопление уже готовых модулей  и библиотек модулей для использования  их во всех новых разработках.

В заключении можно отметить что, структурный подход к программированию воспринял и использует многие методы из области проектирования сложных технических систем. Среди них блочно-иерархический подход к проектированию сложных систем, стадийность создания программ, нисходящее проектирование, методы оценки и планирования.

 

1.2 Технология объектно-ориентированного  программирования

По мере развития вычислительной техники создавались новые подходы, помогающие справляться с растущим усложнением программ. Использование структурного программирования при написании умеренно сложных программ принесло свои результаты, однако оказалось несамостоятельным тогда, когда программа достигала определенной длины. Чтобы писать более сложные программы, были разработаны принципы объектно-ориентированного программирования. Объектно-ориентированное программирование – это подход к разработке программного обеспечения, основанный на объектах, а не на процедурах. Этот подход позволяет максимизировать принципы модульности и «сокрытия информации». Объектно-ориентированное программирование базируется на связывании или инкапсуляции структур данных и процедуры, которая работает с данными в структуре, с модулем.

Объектно-ориентированное программирование позволяет разложить проблему на составные части. В этом случае вся процедура упрощается, и появляется возможность оперировать с гораздо более объемными программами. Каждая составляющая становится самостоятельным объектом, содержащим свои собственные коды и данные, относящиеся к нему.

Объект – это замкнутая независимая сущность, взаимодействующая с внешним миром через строго определенный интерфейс в виде принимаемых сообщений. Объекты обладают определенным набором свойств, методов и способностью реагировать на события (нажатие кнопок мыши, интервалы времени и т.д.). в отличие от процедурного программирования, где порядок выполнения операторов программы определяется порядком их следования и командами управления в объектно-ориентированном программировании порядок выполнения процедур и функций определяется событиями. Объекты с одинаковыми свойствами и поведением объединяются в классы. Программа на объектно-ориентированном языке представляет собой совокупность описаний классов. Классы в свою очередь, представляют собой описания свойств и поведения составляющих их объектов. Свойства представляются другими, более простыми объектами. Поведение описывается обменивающимися сообщениями объектов.

В применении к объектно-ориентированным языкам программирования понятие объекта и класса конкретизируется следующими понятиями:

- объект – обладающий именем набора данных (полей объекта), физически находящихся в памяти компьютера, и методов, имеющих доступ к ним. Имя используется для доступа к полям и методам, составляющим объект. В предельных случаях объект может не содержать полей и методов, а также не иметь имени;

- любой объект относится к  определенному классу. Класс содержит  описание данных и операций  над ними. В классе дается обобщенное  описание некоторого набора родственных, реально существующих объектов. Объект- конкретный экземпляр класса.

Объектно-ориентированное программирование основано на следующих принципах:

- абстрагирования данных;

- инкапсуляции;

- наследования;

- полиморфизма;

- «позднего связывания».

Абстрагирование является одним из основных методов, используемых для решения сложных задач. Хоар считает, что «абстрагирование проявляется в нахождении сходств между определенными объектами, ситуациями или процессами реального мира, и в принятии решений на основе этих сходств, отвлекаясь на время от имеющихся различий» [42]. Шоу определила это понятие так: «Упрощенное описание или изложение системы, при котором одни свойства и детали выделяются, а другие опускаются. Хорошей является такая абстракция, которая подчеркивает детали, существенные для рассмотрения и использования, и отпускает те, которые на данный момент несущественны» [43]. Берзинс, Грей и Науман рекомендовали, чтобы «идея квалифицировалась как абстракция только, если она может быть изложена, понята и проанализирована независимо от механизма, который будет в дальнейшем принят для ее реализации» [44]. Суммирую эти разные точки зрения, получается следующее определение абстракции: 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.

Инкапсуляция (encapsulation) – это принцип, объединяющий данные и код, манипулирующий этими данными, а также защищающий в первую очередь данные от прямого внешнего доступа и неправильного использования. Другими словами, доступ к данным класса возможен только посредством методов этого же класса.

Наследование (inheritance) – это процесс, посредством которого один объект может приобретать свойства другого. То есть, объект может наследовать основные свойства другого объекта и добавлять к ним свойства и методы, характерные только для него.

Наследование делится на два вида:

1. одиночное наследование –  класс (он же подкласс) имеет один  и только один суперкласс (предок);

2. множественное наследование –  класс может иметь любое количество предков (в Java запрещено).

Полиморфизм (polymorphism) – это механизм, использующий одно и то же имя метода для решения двух или более похожих, но несколько отличающихся задач.

Целью полиморфизма применительно к объектно-ориентированному программированию является использование одного имени для задания общих для класса действий. Концепцией полиморфизма является идея «один интерфейс, множество методов».

Механизм «позднего связывания» в процессе выполнения программы определяет принадлежность объекта конкретному классу и производит вызов метода, относящегося к классу, объект которого был использован.

Краеугольным камнем наследования и полиморфизма предстает следующая парадигма: «объект подкласса может использоваться всюду, где используется объект суперкласса».

При вызове метода класса он ищется в самом классе. Если метод существует, то он вызывается. Если же метод в текущем классе отсутствует, то обращение происходит к родительскому классу и вызываемый метод ищется у него. Если поиск неудачен, то он продолжается вверх по иерархическому дереву вплоть до корня (верхнего класса) иерархии.

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

Объектно-ориентированный анализ и проектирование принципиально отличаются от традиционных подходов структурного проектирования: процесс декомпозиции представляется по другому, 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 программирования лежит методология объектно-ориентированного программирования.

Основываясь на истории развития программирования, можно отметить следующие две сменяющие друг друга тенденции:

- смещение акцентов от программирования  отдельных деталей к программированию  более крупных компонент;

- развитие и совершенствование  языков программирования высокого  уровня.