Смешение абстракций

Еще один признак несовершенного проектирования состоит в том, что в одном классе смешиваются две или более абстракций.

Мэйлир Пейдж Джонс ([Page-Jones 1995]) использует термин соразвитие (connascence), означающий совместное рождение и совместный рост. Для классов соразвитие означает отношение, существующее между двумя тесно связанными компонентами, когда изменение одного влечет одновременное изменение другого. Как он указывает, следует минимизировать соразвитие между классами библиотеки, но компоненты, появляющиеся внутри данного класса, все должны быть связаны одной и той же четко определенной абстракцией.

Этот факт заслуживает отдельного методологического правила, сформулированного в "положительной" форме:

Идеальный класс

Этот обзор возможных ошибок по контрасту проявляет характерные черты идеального класса. Вот его некоторые типичные свойства:

· Имеется четко ассоциированная с классом абстракция данных (абстрактная машина).

· Имя класса является существительным или прилагательным, адекватно характеризующим абстракцию.

· Класс представляет множество возможных объектов в период выполнения - его экземпляров. Некоторые классы во время выполнения могут иметь только один экземпляр, что тоже приемлемо.

· Для нахождения свойств экземпляра доступны запросы.

· Для изменения состояния экземпляра доступны команды. В некоторых случаях у класса нет команд, но есть функции, создающие новые объекты, что тоже приемлемо.

· Абстрактные свойства могут быть установлены неформально или формально, что предпочтительнее. Они устанавливают, как результаты различных запросов связаны друг с другом (инвариант класса), при каких условиях компоненты класса применимы (предусловия), как выполнение команд сказывается на запросах (постусловия).

Этот список описывает множество неформальных целей, не являясь строгим правилом. Легитимный класс может обладать лишь одним из перечисленных свойств. Большинство из примеров, играющих важную роль в этой книге, - начиная от классов LIST иQUEUE до BUFFER, ACCOUNT, COMMAND, STATE, INTEGER, FIGURE, POLYGON и многих других, - обладают всеми этими свойствами.

Общие эвристики для поиска классов

Давайте теперь обратимся к положительной части нашего обсуждения - практическим эвристикам поиска классов.

Категории классов

Можно выделить три категории классов: классы анализа, классы проектирования, классы реализации. Это деление не является ни абсолютным, ни строгим (например, кто-то может привести аргументы в поддержку того, что отложенный класс LISTпринадлежит к любой из трех категорий), но такое деление удобно как общее руководство.

Классы анализа описывают абстракцию данных, непосредственно выводимую из модели внешней системы. Типичными примерами являются классы PLANE в системе управления полетами, PARAGRAPH в системе обработки документов, PART в системе управления запасами.

Классы реализации описывают абстракцию данных, введенную, исходя из внутренних потребностей алгоритмов системы, напримерLINKED_LIST или ARRAY.

Классы проектирования описывают архитектурный выбор. Примерами могут служить класс COMMAND в системе, реализующей откаты, класс STATE в системе, управляемой панелями. Подобно классам реализации, классы проектирования принадлежатпространству решений, в то время как классы анализа принадлежат пространству проблемной области. Но подобно классам анализа и в отличие от классов реализации они описывают концепции высокого уровня.

Когда мы научимся получать классы всех трех категорий, мы обнаружим, что наиболее трудно идентифицировать классы проектирования, требующие архитектурной интуиции. Заметьте, сложность в выявлении этих классов не означает, что их труднопостроить. Сложностью построения скорее отличаются классы реализации, если только мы не используем готовую библиотеку.

Внешние объекты: нахождение классов анализа

Давайте начнем с классов анализа, моделирующих внешние объекты.

Мы используем ПО для получения ответов на некоторые вопросы о внешнем мире, для взаимодействия с этим миром, для создания новых сущностей этого мира. В каждом случае ПО должно основываться на некоторой модели мира, на законах физики или биологии в научных программах, на синтаксисе и семантике языка программирования при построении компилятора, налоговых постановлений в системе расчета налогов.

Любая программная система основывается на операционной модели некоторых аспектов внешнего мира. Операционной, поскольку используется для генерирования практических результатов, а иногда и для создания обратной связи, возвращая результаты во внешний мир. Модель, потому что любая полезная система должна следовать определенной интерпретации некоторых феноменов этого мира.

Эта точка зрения наиболее явно проявляется в такой области как моделирование (simulation). Неслучайно, что первый ОО-язык программирования Simula 67 вырос из Simula 1 - языка моделирования дискретных событий. Хотя Simula 67 является универсальным языком общего назначения, он сохранил имя своего предшественника и включил множество мощных примитивов моделирования. В семидесятые годы моделирование являлось принципиальной областью приложения объектной технологии. Привлекательность ОО-идей для моделирования легко понять - создавать структуру программной системы, моделирующей поведение множества внешних объектов, проще всего при прямом отображении этих объектов в программные компоненты.

В широком смысле построение любой программной системы является моделированием. Исходя из операционной модели, ОО-конструирование ПО использует в качестве первых абстракций некоторые типы, непосредственно выводимые из анализа объектов в непрограммном смысле этого термина, объектов внешнего мира: датчиков, устройств, самолетов, служащих, банковских счетов, интегрируемых функций.

Будучи материальными или абстрактными, внешние классы, используемые специалистами, всегда дают хороший шанс породить полезные внутренние классы. Но ключом остается абстракция. Хотя и желательно добиваться соответствия классов анализа концепциям проблемной области, но не эта близость делает класс удачным. Первая версия нашей системы, управляемой панелями, драматично это показала, - она была прекрасной моделью, построенной по образцу внешней системы, но оказалась ужасной с позиций инженерии программ. Хороший внешний класс должен базироваться на абстрактных концепциях проблемной области, характеризуемых внешними свойствами долговременной значимости.

Для ОО-разработчиков предварительно существующие абстракции являются драгоценными - они дают некоторые из фундаментальных классов системы, но, отметим еще раз, являются объектами для прополки.

Нахождение классов реализации

Классы реализации описывают структуры, создаваемые разработчиками по внутренним соображениям, диктуемым реализацией системы. Хотя в литературе по программной инженерии часто принято принижать роль реализации, отводя ей роль кодирования, разработчики хорошо знают, реализация требует немалого интеллекта, и на нее приходится большая часть усилий по разработке системы.

Плохая новость - классы реализации трудно строить. Хорошая новость - их легко выявить. Для них может существовать хорошая библиотека, допускающая повторное использование. По крайней мере, есть хорошая литература по этой тематике. Курс "Алгоритмы и структуры данных", иногда известный как CS 2, является необходимым компонентом образования в области информатики. Хотя большинство из существующих учебников явно не используют ОО-подход, многие следуют стилю АТД. Преобразование в классы в этом случае довольно прямолинейно и естественно.

В настоящее время некоторые учебники начали применять ОО-подход при изложении традиционных тем CS 2.

Каждый разработчик, независимо от того, проходил ли он этот курс, должен держать на своей книжной полке учебники по структурам данных и алгоритмам и обращаться к ним довольно часто. Легко ошибиться и выбрать неверное представление или неэффективный алгоритм, например, применить односвязный список к последовательной структуре, где по алгоритму требуется проходы в обоих направлениях, или использовать массив для структуры, растущей или сжимающейся непредсказуемым образом. Заметьте, в вопросах реализации по-прежнему правит АТД-подход - структуры данных и их представление следуют из служб, предлагаемых клиенту.

Помимо учебников и опыта лучшим вариантом для классов реализации являются библиотеки повторного использования.

Отложенные классы реализации

В традиционных учебниках естественно описываются эффективные (полностью реализованные) классы. На практике ценность большинства классов реализации, особенно, когда предполагается их повторное использование, связана с таксономией - структурой наследования, включающей отложенные классы. Например, различные реализации очереди могут быть потомками отложенного класса QUEUE, описывающего абстрактные концепции.

"Отложенный класс реализации" - это не нелепица (oxymoron). Классы, подобные QUEUE, хотя и абстрактны, но помогают построить таксономию с согласованными вариациями структур реализации, отводя каждому классу точное место в общей схеме.

В одной из своих книг ([M 1993]) я описал "Линнеевскую" таксономию фундаментальных структур информатики, в основе которой лежат отложенные классы, характеризующие принципиальные виды структур данных, используемых при разработке ПО.

Нахождение классов проектирования

Классы проектирования представляют архитектурные абстракции, помогающие создавать элегантные расширяемые программные структуры. Хорошими примерами являются классы: STATE, APPLICATION, COMMAND, HISTORY_LIST, итератор и контроллер. Мы увидим и другие полезные идеи в последующих лекциях, такие как активные структуры данных и описатели ("handles").

Хотя, как отмечалось, нет уверенного способа найти классы проектирования, дадим несколько полезных советов - это лучше, чем ничего.

· Многие классы проектирования были изобретены уже до нас. Так что чтение книг и статей, описывающих решение проблем проектирования, может дать много плодотворных идей. Например, книга "Объектно-ориентированные приложения" ([M 1993]) содержит лекции, написанные ведущими разработчиками различных промышленных проектов. Приводятся точные и детальные архитектурные решения, полезные в таких областях, как телекоммуникации, автоматизированное проектирование, искусственный интеллект, и других проблемных областях.

· Книга Гаммы ([Gamma 1995]) посвящена образцам проектирования, за ней последовали другие подобные книги.

· Многие полезные классы проектирования лучше понимаются как "машины", чем как "объекты" в общем смысле этого слова.

· Как и в случае классов реализации, повторное использование лучше, чем изобретение. Можно надеяться, что текущие образцы перестанут быть просто идеями и превратятся в непосредственно используемые библиотечные классы.

Другие источники классов

Несколько эвристик доказали свою полезность в битвах за правильные абстракции.