Образцы

Образцы (patterns) — это одни из важнейших составных частей объектно-ориентированной технологии разработки ПО. Они широко применяются в инструментах анализа, подробно описываются в книгах²⁰ и часто обсуждаются на конференциях семина­рах по объектно-ориентированному проектированию. Существу­ет множество групп и курсов по их изучению. Изучение образцов помогает лучше понять объектно-ориентированный анализ и проектирование.

Объектно-ориентированное проектирование ПО — достаточ­но сложный процесс, который еще больше усложняется в случае необходимости повторного использования проектных решений. 11еобходимо подобрать подходящие объекты, отнести их к раз­личным классам, соблюдая разумную степень детализации, опре­делить интерфейсы классов и иерархию наследования и установить существенные связи между классами. Проектное решение должно, с одной стороны, соответствовать решаемой задаче, а с другой — быть достаточно общим, чтобы удалось учесть все тре­бования, которые могут возникнуть в будущем. Желательно так­же избежать или, по крайней мере, свести к минимуму необходимость перепроектирования. Опытные разработчики знают, что обеспечить «правильное», т.е. в достаточной мере гибкое и при­годное для повторного использования решение, с первого раза очень трудно, если вообще возможно. Прежде чем считать цель достигнутой, они обычно пытаются опробовать найденное реше­ние на нескольких задачах и каждый раз модифицируют его.

И все же опытному разработчику удается создать хороший проект системы. Прежде всего ему понятно, что не нужно решать каждую новую задачу с нуля. Вместо этого он старается повторно воспользоваться теми решениями, которые оказались удачными в прошлом. Отыскав хорошее решение один раз, он будет прибе­гать к нему снова и снова. Именно благодаря накопленному опы­ту проектировщик и становится экспертом в своей области. Во многих объектно-ориентированных системах можно встретить повторяющиеся проектные решения (образцы), состоящие из классов и взаимодействующих объектов. С их помощью решают­ся конкретные задачи проектирования, в результате чего реше­ние становится более гибким, и им можно воспользоваться пов­торно. Проектировщик, знакомый с образцами, может сразу же применять их к решению новой задачи, не пытаясь каждый раз «изобретать велосипед».

В 1970-х годах Кристофер Александер, профессор архитектуры Калифорнийского университета написал несколько книг, доку­ментируя образцы в гражданском строительстве и архитектуре. Разработчики ПО впоследствии заимствовали идею образцов, ос­новываясь на его трудах, тем более, что к тому времени среди прог­раммистов уже присутствовал растущий интерес к этим идеям.

По словам Кристофера Александера, «любой образец описы­вает задачу, которая снова и снова возникает в нашей работе, а также принцип ее решения, причем таким образом, что это реше­ние можно потом использовать миллион раз, ничего не изобретая заново». Хотя Александер имел в виду образцы, возникающие при проектировании зданий и городов, но его слова верны и в от­ношении образцов объектно-ориентированного проектирова­ния. Решения относительно ПО выражаются в терминах объек­тов и интерфейсов, а не стен и дверей, но в обоих случаях образец можно определить как общее решение некоторой проблемной ситу­ации в заданном контексте. Образец состоит из четырех основных элементов:

1. имя;

2. проблема;

3. решение;

4. следствия.

Сославшись на имя образца, можно сразу описать проблему проектирования, ее решения и их последствия. Присваивание образцам имен позволяет проектировать на более высоком уров­не абстракции. С помощью словаря образцов можно вести об­суждение с коллегами, упоминать образцы в документации, в тонкостях представлять проект системы.

Проблема — это описание решаемой задачи. Необходимо сформулировать задачу и ее контекст. Может описываться конк­ретная проблема проектирования, например способ представле­ния алгоритмов в виде объектов. Также может включаться пере­чень условий, при выполнении которых имеет смысл применять данный образец.

Решение — это описание элементов проектного решения, свя­зей между ними ц функций каждого элемента. Конкретное решение или реализация не имеются в виду, поскольку образец — это шаблон, применимый в самых разных ситуациях. Обычно дается абстрактное описание задачи проектирования и того, как она мо­жет быть решена с помощью некоего весьма обобщенного соче­тания элементов (классов и объектов).

Следствия — это описание области применения, достоинств и недостатков образца. Хотя при описании проектных решений о следствиях часто не упоминают, знать о них необходимо, чтобы можно было выбрать между различными вариантами и оценить преимущества и недостатки применения данного образца. Пос­кольку в объектно-ориентированном проектировании повторное использование зачастую является важным фактором, то к резуль­татам следует относить и влияние на степень гибкости, расширя­емости и переносимости системы.

Образцы могут рассматриваться на различных уровнях абстракции и в различных предметных областях. Наиболее общи­ми категориями образцов ПО являются;

1. образцы бизнес-моделирования;

2. образцы анализа;

3. образцы поведения;

4. образцы проектирования;

5. архитектурные образцы;

6. образцы программирования.

Даже в этом кратком списке категорий присутствует большое количество уровней абстракции и ортогональных систем класси­фикации. Например, под образцом проектирования понимается описание взаимодействия объектов и классов, адаптированных для решения обшей задачи проектирования в конкретном контексте.

В языке UML образец представляется с помощью коопера­ции со стереотипом «pattern». Кооперация (collaboration) опреде­ляется как описание совокупности взаимодействующих объек­тов, реализующих некоторое поведение (например, в рамках ва­рианта использования или операции класса). Кооперация имеет статическую и динамическую части. В статической части (на ди­аграмме классов) описываются роли, которые могут играть объ­екты и связи в экземпляре данной кооперации. Динамическая часть состоит из одной или более диаграмм взаимодействия, по­казывающих потоки сообщений, которыми обмениваются участники кооперации. Кроме того, любой образец содержит стандартную диаграмму классов под названием «Participants» («Участники»), на которой изображается сам образец в виде ко­операции с его именем и набор классов, участвующих в реализа­ции образца.

В качестве примера приведем образец бизнес-моделирования под названием Employment (Занятость).

Проблема заключается в моделировании различных форм за­нятости в пределах организации. Данная задача решается в кон­тексте системы планирования ресурсов предприятия.

Решение: занятость моделируется как контракт между лич­ностью и организацией, указывающий выполняемые обязаннос­ти, контрактные условия, даты начала и конца работы. Личность характеризуется набором атрибутов (имя, адрес и дата рождения), может занимать более чем одну должность в одной и той же орга­низации.

На рис. 2.60 приведена диаграмма «Участники» для данного образца. Она содержит кооперацию Employment и набор из пяти классов.

1. Employee Profile (Служащий) — описание служащего с набо­ром атрибутов.

2. Organization Profile (Организация) — описание самой орга­низации.

3. Employment (Занятость) — описание связи между служащим и организацией.

4. Position (Должность) — описание должности со своими ат­рибутами (такими, как должностной оклад и должностные инструкции).

5. Position Assignment (Назначение на должность) — описание связи между служащим и занимаемыми должностями.

Рис. 2.60. Диаграмма «Участники» для образца Employment

Статическая часть образца (диаграмма классов) показана на рис. 2.61.

Достоинства применения образцов при проектировании ПО заключаются в следующем:

1. Возможность многократного использования. Повторное ис­пользование решений из уже завершенных успешных про­ектов позволяет быстро приступить к решению новых проб­лем и избежать типичных ошибок. Разработчик получает прямую выгоду от использования опыта других разработчи­ков, избежав необходимости вновь и вновь «изобретать ве­лосипед».

2. Применение единой терминологии. Профессиональное обще­ние и работа в группе (команде разработчиков) требует на­личия единого базового словаря и единой точки зрения на проблему.

Рис. 2.61. Статическая часть образца Employment

Образцы предоставляют подобную общую точку зрения как на этапе анализа, так и при реализации проекта.

1. Повышение эффективности труда отдельных исполнителей и всей группы в целом. Это происходит из-за того, что начина­ющие члены группы видят на примере более опытных раз­работчиков, как образцы проектирования могут применять­ся и какую пользу они приносят. Совместная работа дает но­вичкам стимул и реальную возможность быстрее изучить и Освоить эти новые концепции.

2. Создание модифицируемого и гибкого ПО. Причина состоит в том, что образцы уже испытаны временем, поэтому их использование позволяет создавать структуры, допускающие модификацию в большей степени, чем это возможно в слу­чае решения, первым пришедшего на ум.

3. Ограничение пространства решений. Использование образ­цов создает границы в рамках пространства решений проек­тирования и реализации. Таким образом, образец настоя­тельно рекомендует проектировщику границы, которых должна придерживаться реализация. Выход за эти границы нарушает строгое соблюдение образца и проектных реше­ний и может привести к нежелательным последствиям. Тем не менее, образцы не подавляют творчество. Напротив, они описывают структуру или форму на некотором уровне абстракции. Проектировщики и разработчики все еще рас­полагают многими возможностями для реализации образ­цов в этих границах.

2.7.