Объекты и отношения в программировании. Сущность объектного подхода к разработке программных средств. - Лекция, раздел Программирование, НАДЕЖНОЕ ПРОГРАММНОЕ СРЕДСТВО КАК ПРОДУКТ ТЕХНОЛОГИИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ. ИСТОРИЧЕСКИЙ И СОЦИАЛЬНЫЙ КОНТЕКСТ ПРОГРАММИРОВАНИЯ. ИСТОЧНИКИ ОШИБОК В ПРОГРАММНОМ СРЕДСТВЕ Окружающий Нас Мир Состоит Из Объектов И Отношений Между Ними [15.1]. Согласн...
Окружающий нас мир состоит из объектов и отношений между ними [15.1]. Согласно В. Далю [15.2] объект (предмет) это все, что представляется чувствам (объект вещественный) или уму (объект умственный). Таким образом, объект воплощает некоторую сущность и имеет некоторое состояние, которое может изменяться со временем как следствие влияния других объектов, находящихся с первым в каких-либо отношениях. Он может иметь внутреннюю структуру: состоять из других объектов, также находящихся между собой в некоторых отношениях. Исходя из этого, можно построить иерархическое строение мира из объектов. Однако, при каждом конкретном рассмотрении окружающего нас мира некоторые объекты считаются неделимыми, причем в зависимости от целей рассмотрения такими (неделимыми) могут приниматься объекты разного уровня иерархии. Отношение связывает некоторые объекты: можно считать, что объединение этих объектов обладает некоторым свойством. Если отношение связывает n объектов, то такое отношение называется n-местным (n-арным). На каждом месте объединения объектов, которые могут быть связаны каким-либо конкретным отношением, могут находиться разные объекты, но вполне определенные (в этом случае говорят: объекты определенного класса). Одноместное отношение называется простым свойством объекта (соответствующего класса). Многоместное отношение объектов будем называть ассоциативным свойством объекта, если этот объект участвует в этом отношении. Состояние объекта может быть изучено по значению простых или ассоциативных свойств этого объекта. Множество всех объектов, которые обладают каким-то общим набором свойств, называется классом объектов.
В процессе познания или изменения окружающего нас мира мы всегда принимаем в рассмотрение ту или иную упрощенную модель мира (модельный мир), в которую включаем объекты и отношения некоторых интересующих нас классов из окружающего нас мира. Каждый объект, имеющий внутреннюю структуру, может представлять свой модельный мир, включающий объекты этой структуры и отношения, которые их связывают. Таким образом, окружающий нас мир, можно рассматривать (в некотором приближении) как иерархическую структуру модельных миров.
В настоящее время в процессе познания или изменения окружающего нас мира широко используется компьютерная техника для обработки различного рода информации. В связи с этим применяется компьютерное (информационное) представление объектов и отношений. Каждый объект информационно может быть представлен некоторой структурой данных, отображающей его состояние. Простые свойства этого объекта могут задаваться непосредственно в виде отдельных компонент этой структуры, либо специальными функциями над этой структурой данных. Ассоциативные свойства (n-местные отношения для n>1) можно представить либо в активной форме, либо в пассивной форме. В активной форме n-местное отношение представляется некоторым программным фрагментом, реализующим либо n-местную функцию (определяющую значение свойства соответствующего объединения объектов), либо процедуру, осуществляющую по состоянию представлений объектов, связываемых представляемым отношением, изменение состояний некоторых из них. В пассивной форме такое отношение может быть представлено некоторой структурой данных (в которую могут входить и представления объектов, связываемых этим отношением), интерпретируемую на основании принятых соглашений по общим процедурам, независящим от конкретных отношений (например, реляционная база данных). В любом случае представление отношения определяет некоторые действия по обработке данных.
При исследовании модельного мира пользователи могут по-разному получать информацию от компьютера.
В одних случаях пользователей может интересовать получение информации об отдельных свойствах определенных объектов или результаты какого-либо взаимодействия между некоторыми объектами модельного мира. Для удовлетворения таких запросов разрабатываются соответствующие ПС, которые выполняют интересующие пользователей функции, или подходящие информационные системы, способные выдавать информацию об интересующих пользователей отношениях. В начальный период развития компьютерной техники (при не достаточно высокой мощности компьютеров) такой подход к исследованию модельного мира был вполне естественным. Именно он и провоцировал реляционный (процедурный, функциональный и т.п.) подход к разработке ПС, который был подробно рассмотрен в предшествующих лекциях. Сущность этого подхода состоит в систематическом использовании декомпозиции функций (отношений) для описания и построения структуры ПС (включая тексты программ). При этом сами объекты модельного мира, с которыми связаны заказываемые и реализуемые функции, представлялись фрагментарно (в том объеме, который необходим для выполнения этих функций) и в форме, удобной для реализации этих функций. Тем самым обеспечивалась эффективная реализация требуемых функций, но не создавалось цельного и адекватного компьютерного представления модельного мира, интересующего пользователя. Попытки даже незначительного расширения объема и характера информации об этом модельном мире, которую можно получить от ПС, могло потребовать серьезной модернизации этого ПС.
В других случаях пользователя может интересовать наблюдение за изменением состояний объектов модельного мира в результате их взаимодействий. Это требует использования подходящих информационных моделей таких объектов, создания программных средств, моделирующих процессы взаимодействия объектов модельного мира, и предоставление пользователю доступа к этим информационным моделям (к пользовательским объектам). С помощью традиционных методов разработки это оказалось довольно трудоемкой задачей. Наиболее полно отвечает решению этой задачи объектный подход к разработке ПС. Сущность его состоит в систематическом использовании декомпозиции объектов при описании и построении ПС. При этом функции (отношения), выполняемые таким ПС, будут выражаться через отношения объектов других уровней, т.е. их декомпозиция будет существенно зависеть от декомпозиции объектов.
С точки зрения разработчиков ПС следует различать следующие категории объектов (и, соответственно, их классов):
· объекты модельного (вещественного или умственного) мира,
· информационные модели объектов реального мира (будем называть их пользовательскими объектами),
· объекты процесса выполнения программ,
· объекты процесса разработки ПС (технологические объекты программирования).
Кроме того, в зависимости от способа представления в компьютере модельного мира и характера взаимодействия с ним со стороны пользователя следует различать пассивные и активные объекты. Пассивный объект представляет собой некоторый фрагмент информационной среды, который способен хранить разные данные определенного типа (представляющие разные состояния этого объекта) и с которым связан некоторый набор операций (применимых к этому объекту). Операции над таким объектом применяются под воздействием некоторой внешней по отношению к этому объекту активной силы, исходящей либо от пользователя, либо от какого-либо программного фрагмента в процессе его выполнения. Активный объект представляет собой такое расширение пассивного объекта, в котором фрагмент информационной среды способен также хранить и программные фрагменты, способные находиться в процессе выполнения (в активном состоянии). Активный объект, у которого какие-либо программные фрагменты находятся в активном состоянии, способен воспринимать сообщения или сигналы из операционной среды, в которую он погружен, и самостоятельно выполнять некоторые операции как реакцию на эти сообщения или сигналы. Таким образом, можно считать, что активный объект обладает внутренней активной силой.
Когда говорят об объектно-ориентированном подходе к разработке ПС, имеют в виду объектный подход с ориентацией на описание объектов модельного мира и построением их информационных моделей, причем используются, в основном, активные объекты. При этом многие процессы разработки ПС приобретают специфические («объектные») черты:
· использование системы понятий, позволяющих описывать объекты и их классы,
· декомпозиция объектов является основным средством упрощения ПС,
· использование внепрограммных абстракций для упрощения процессов разработки,
· предпочтение (приоритет) разработки структуры данных перед реализацией функций.
Основные из этих специфических особенностей разработки ПС покажем в рамках водопадной модели технологии.
Все темы данного раздела:
Программа как формализованное описание процесса обработки данных. Программное средство.
Целью программирования является описание процессов обработки данных (в дальнейшем - просто процессов). Согласно ИФИПа [1.1]: данные - это представление фактов и идей в формализованном
Неконструктивность понятия правильной программы.
Таким образом, можно считать, что продуктом технологии программирования является ПС, содержащее программы, выполняющие требуемые функции. Здесь под "программой" часто понимают правильную
Надежность программного средства.
Альтернативой правильного ПС является надежное ПС. Надежность ПС - это его способность безотказно выполнять определенные функции при заданных условиях в течение заданного периода врем
Технология программирования как технология разработки надежных программных средств.
В соответствии с обычным значением слова "технология" [1.6] под технологией программирования будем понимать совокупность производственных процессов, приводящую к созданию требуемог
Технология программирования и информатизация общества.
Технологии программирования играло разную роль на разных этапах развития программирования. По мере повышения мощности компьютеров и развития средств и методологии программирования росла и сложность
Интеллектуальные возможности человека.
Дейкстра [2.1] выделяет три интеллектуальные возможности человека, используемые при разработке ПС:
· способность к перебору,
· способность к абстракции,
· способность к м
Неправильный перевод как причина ошибок в программных средствах.
При разработке и использовании ПС мы многократно имеем дело [2.3] с преобразованием (переводом) информации из одной формы в другую (см.рис.2.1). Заказчик формулирует свои потребности в ПС в виде не
Модель перевода.
Чтобы понять природу ошибок при переводе рассмотрим модель [2.3], изображенную на рис.2.2. На ней человек осуществляет перевод информации из представления A в представление B. При этом он совершает
Специфика разработки программных средств.
Разработке программных средств присущ ряд специфических особенностей [3.1].
· Прежде всего, следует отметить некоторое противостояние: неформальный характер требований к ПС (постано
Жизненный цикл программного средства.
Под жизненным циклом ПС понимают весь период его разработки и эксплуатации (использования), начиная от момента возникновения замысла ПС и кончая прекращением всех видов его использования [3.
Понятие качества программного средства.
Каждое ПС должно выполнять определенные функции, т.е. делать то, что задумано. Хорошее ПС должно обладать еще целым рядом свойств, позволяющим успешно его использовать в течении длительного периода
Обеспечение надежности - основной мотив разработки программных средств.
Рассмотрим теперь общие принципы обеспечения надежности ПС, что, как мы уже подчеркивали, является основным мотивом разработки ПС, задающим специфическую окраску всем технологическим процессам разр
Методы борьбы со сложностью.
Мы уже обсуждали в лекции 2 сущность вопроса борьбы со сложностью при разработке ПС. Известны два общих метода борьбы со сложностью систем:
· обеспечения независимости компонент системы;
Обеспечение точности перевода.
Обеспечение точности перевода направлено на достижение однозначности интерпретации документов различными разработчиками, а также пользователями ПС. Это требует придерживаться при переводе определен
Контроль принимаемых решений.
Обязательным шагом в каждом процессе (этапе) разработки ПС должна быть проверка правильности принятых решений. Это позволит обнаруживать и исправлять ошибки на самой ранней стадии после ее возникно
Назначение внешнего описания программного средства и его роль в обеспечении качества программного средства.
Разработчикам больших программных средств приходится решать весьма специфические и трудные проблемы, особенно, если это ПС должно представлять собой программную систему нового типа, в плохо компьют
Определение требований к программному средству.
Определение требования к ПС являются исходным документом разработки ПС - заданием, выражающем в абстрактной форме потребности пользователя. Они в общих чертах определяют замысел ПС, характеризуют у
Спецификация качества программного средства.
Разработка спецификации качества сводится, по-существу, к построению своеобразной модели качества разрабатываемой ПС [4.2, 4.3]. В этой модели должен быть перечень всех тех достаточно элементарных
Функциональная спецификация программного средства.
С учетом назначения функциональной спецификации ПС и тяжелых последствий неточностей и ошибок в этом документе, функциональная спецификация должна быть математически точной. Это не означает, что он
Методы контроля внешнего описания программного средства.
Разработка внешнего описания обязательно должна завершаться проведением тщательного и разнообразного контроля правильности внешнего описания. Целью этого процесса является найти как можно больше ош
Основные подходы к спецификации семантики функций.
Для спецификации семантики функций используются следующие подходы: табличный, алгебраический и логический [5.1], а также графический [5.2].
Табличный подход для определения функций хорошо
Метод таблиц решений.
0
Операционная семантика.
В операционной семантике алгебраического подхода к описанию семантики функций рассматривается следующий частный случай системы равенств (5.1):
f1(x1, x2, ... , xk)= E1,
f2(x1, x2,
Денотационная семантика.
В денотационной семантике алгебраического подхода рассматривается также система равенств вида (5.3), которая интерпретируется как система функциональных уравнений, а определяемые функции являются н
Аксиоматическая семантика.
В аксиоматической семантике алгебраического подхода система (5.1) интерпретируется как набор аксиом в рамках некоторой формальной логической системы, в которой есть правила вывода и/или интерпретац
Языки спецификаций.
Как уже отмечалось, функциональная спецификация представляет собой математически точное, но, как правило, не формальное описание поведения ПС. Однако, формализованное представление функциональной с
Понятие архитектуры программного средства.
Архитектура ПС - это его строение как оно видно (или должно быть видно) из-вне его, т.е. представление ПС как системы, состоящей из некоторой совокупности взаимодействующих подсистем. В каче
Архитектурные функции.
Для обеспечения взаимодействия между подсистемами в ряде случаев не требуется создавать какие-либо дополнительные программные компоненты (помимо реализации внешних функций) - для этого может быть д
Контроль архитектуры программных средств.
Для контроля архитектуры ПС используется смежный контроль иручная имитация.
Смежный контроль архитектуры ПС сверху - это ее контроль разработчиками внешнего описания: разработчиками специф
Цель модульного программирования.
Приступая к разработке каждой программы ПС, следует иметь в виду, что она, как правило, является большой системой, поэтому мы должны принять меры для ее упрощения. Для этого такую программу разраба
Основные характеристики программного модуля.
Не всякий программный модуль способствует упрощению программы [7.2]. Выделить хороший с этой точки зрения модуль является серьезной творческой задачей. Для оценки приемлемости выделенного модуля ис
Методы разработки структуры программы.
Как уже отмечалось выше, в качестве модульной структуры программы принято использовать древовидную структуру, включая деревья со сросшимися ветвями. В узлах такого дерева размещаются программные мо
Контроль структуры программы.
Для контроля структуры программы можно использовать три метода [7.5]:
· статический контроль,
· смежный контроль,
· сквозной контроль.
Статический контроль состо
Порядок разработки программного модуля.
При разработке программного модуля целесообразно придерживаться следующего порядка [8.1]:
· изучение и проверка спецификации модуля, выбор языка
программирования;
· выбор
Структурное программирование.
При программировании модуля следует иметь ввиду, что программа должна быть понятной не только компьютеру, но и человеку: и разработчик модуля, и лица, проверяющие модуль, и тестовики, готовящие тес
Пошаговая детализация и понятие о псевдокоде.
Структурное программирование дает рекомендации о том, каким должен быть текст модуля. Возникает вопрос, как должен действовать программист, чтобы построить такой текст. Иногда программирование моду
Контроль программного модуля.
Применяются следующие методы контроля программного модуля:
· статическая проверка текста модуля;
· сквозное прослеживание;
· доказательство свойств программного модуля.
Обоснования программ. Формализация свойств программ.
Для повышения надежности программных средств весьма полезно снабжать программы дополнительной информацией, с использованием которой можно существенно повысить уровень контроля ПС. Такую информацию
Свойства основных конструкций структурного программирования.
Рассмотрим теперь свойства основных конструкций структурного программирования: следования, разветвления и повторения.
Свойства следования выражает следующая
Теорема 9.3. Пусть
Завершимость выполнения программы.
Одно из свойств программы, которое нас может интересовать, чтобы избежать возможных ошибок в ПС, является ее завершимость, т.е. отсутствие в ней зацикливания при тех или иных исходных данных
Принципы и виды отладки.
Успех отладки в значительной степени предопределяет рациональная организация тестирования. При отладке отыскиваются и устраняются, в основном, те ошибки, наличие которых в ПС устанавливается при те
Заповеди отладки.
В данном разделе даются общие рекомендации по организации
отладки. Но сначала следует отметить некоторый феномен [10.1], который подтверждает важность предупреждения ошибок на предыдущих э
Автономная отладка модуля.
При автономной отладке каждый модуль на самом деле тестируется в некотором программном окружении, кроме случая, когда отлаживаемая программа состоит только из одного модуля. Это окружение состоит [
Комплексная отладка программного средства.
Как уже было сказано выше, при комплексной отладке тестируется ПС в целом, причем тесты готовятся по каждому из документов ПС [10.8]. Тестирование этих документов производится, как правило, в поряд
Функциональность и надежность как обязательные критерии качества программного средства.
На предыдущих лекция мы рассмотрели все этапы разработки ПС, кроме его аттестации. При этом мы не касались вопросов обеспечения качества ПС в соответствии с его спецификацией качества (см. лекцию 4
Обеспечение завершенности программного средства.
Завершенность ПС является общим примитивом качества ПС для выражения и функциональности и надежности ПС, причем для функциональности она является единственным примитивом (см. лекцию 4).
Фу
Обеспечение точности программного средства.
Обеспечение этого примитива связано с действиями над значениями вещественных типов (точнее говоря, со значениями, представляемыми с некоторой погрешностью). Обеспечить требуемую точность при вычисл
Обеспечение автономности программного средства.
Этот примитив качества обеспечивается на этапе спецификации качества принятием решения об использовании в разрабатываемом ПС какого-либо подходящего базового программного обеспечения или не использ
Обеспечение устойчивости программного средства.
Этот примитив качества обеспечивается с помощью так называемого защитного программирования. Вообще говоря, защитное программирование применяется для повышения надежности ПС при программировании мод
Обеспечение защищенности программных средств.
Различают следующие виды защиты ПС от искажения информации:
· защита от сбоев аппаратуры;
· защита от влияния "чужой" программы;
· защита от отказов "своей
Общая характеристика процесса обеспечения качества программного средства.
Как уже отмечалось в лекции 4, спецификация качества определяет основные ориентиры (цели), которые на всех этапах разработки ПС так или иначе влияют при принятии различных решений на выбор подходящ
Обеспечение легкости применения программного средства.
П-документированость ПС определяет состав пользовательской документации
В предыдущей лекции было уже рассмотрено обеспечение двух из пяти примитивов качества (устойчивость и защищен
Обеспечение эффективности программного средства.
Эффективность ПС обеспечивается принятием подходящих решений на разных этапах его разработки, начиная с разработки его архитектуры. Особенно сильно на эффективность ПС (особенно по памяти) влияет в
Обеспечение сопровождаемости.
С-документированность, информативность и понятность определяют состав и качество документации по сопровождению (см. следующую лекцию). Кроме того, относительно текстов программ (модулей) можно сдел
Документация, создаваемая в процессе разработки программных средств.
При разработке ПС создается большой объем разнообразной документации. Она необходима как средство передачи информации между разработчиками ПС, как средство управления разработкой ПС и как средство
Пользовательская документация программных средств.
Пользовательская документация ПС (user documentation) объясняет пользователям, как они должны действовать, чтобы применить данное ПС. Она необходима, если ПС предполагает какое-либо взаимоде
Документация по сопровождению программных средств.
Документация по сопровождению ПС (system documentation) описывает ПС с точки зрения ее разработки. Эта документация необходима, если ПС предполагает изучение того, как оно устроена (сконстру
Назначение аттестации программного средства.
Аттестация ПС - это авторитетное подтверждение качества ПС [14.1]. Обычно для аттестации ПС создается представительная (аттестационная) комиссия из экспертов, представителей заказчика и пред
Виды испытаний программного средства.
Известны следующие виды испытаний ПС [14.2,14.3], проводимых с целью аттестации ПС:
· испытания компонент ПС;
· системные испытания;
· приемо-сдаточные испытания;
Методы оценки качества программного средства.
Оценка качества ПС по каждому из критериев сводится к оценке каждого из примитивов, связанных с этим критерием качества ПС, в соответствии с их конкретизацией, произведенной в спецификации качества
Особенности объектного подхода к разработке внешнего описания программного средства.
При объектном подходе этап внешнего описания ПС оказывается существенно более емким и содержательным по сравнению с реляционным подходом [15.3, 15.4, 15.5, 15.6].
Определение требований за
Особенности объектного подхода на этапе конструирования программного средства.
На этапе конструирования при объектном подходе продолжается процесс объектного моделирования: уточняются модели, построенные на этапе внешнего описания, в терминах описания программных систем и про
Особенности объектного подхода на этапе кодирования программного средства.
На этапе кодирования при объектном подходе используются языки программирования уже другого типа – объектно-ориентированные [15.7, 15.8]. Считается, что язык программирования поддерживает объ
Инструменты разработки программных средств.
В процессе разработки программных средств в той или иной мере используется компьютерная поддержка процессов разработки ПС. Это достигается путем представления хотя бы некоторых программных документ
Инструментальные среды разработки и сопровождения программных средств.
В настоящее время с каждой системой программирования связываются не отдельные инструменты (например, компилятор), а некоторая логически связанная совокупность программных и аппаратных инструментов
Инструментальные среды программирования.
Инструментальные среды программирования содержат прежде всего текстовый редактор, позволяющий конструировать программы на заданном языке программирования, инструменты, позволяющие компилировать или
Понятие компьютерной технологии разработки программных средств и ее рабочие места.
Имеются некоторые трудности в выработке строгого определения CASE-технологии (компьютерной технологии разработки ПС). CASE - это абревиатура от английского Computer-Aided Software Engineering (Комп
Инструментальные системы технологии программирования.
Для компьютерной поддержки разработки и сопровождения больших ПС с продолжительным жизненным циклом используются инструментальные системы технологии программирования. Инструментальная система те
Новости и инфо для студентов