Книга: Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++

2.1. Эволюция объектной модели

2.1. Эволюция объектной модели

Тенденции в проектировании

Поколения языков программирования. Оглядываясь на короткую, но колоритную историю развития программирования, нельзя не заметить две сменяющих друг друга тенденции:

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

• развитие и совершенствование языков программирования высокого уровня.

Большинство современных коммерческих программных систем больше и существенно сложнее, чем были их предшественники даже несколько лет тому назад. Этот рост сложности вызвал большое число прикладных исследований по методологии проектирования, особенно, по декомпозиции, абстрагированию и иерархиям. Создание более выразительных языков программирования пополнило достижения в этой области. Возникла тенденция перехода от языков, указывающих компьютеру, что делать (императивные языки), к языкам, описывающим ключевые абстракции проблемной области (декларативные языки).

Вегнер сгруппировал некоторые из наиболее известных языков высокого уровня в четыре поколения в зависимости от того, какие языковые конструкции впервые в них появились:

• Первое поколение (1954-1958)

 FORTRAN I   Математические формулы 

 ALGOL-58   Математические формулы 

 Flowmatic   Математические формулы 

 IPL V   Математические формулы 

• Второе поколение (1959-1961)

 FORTRAN II   Подпрограммы, раздельная компиляция 

 ALGOL-60   Блочная структура, типы данных 

 COBOL   Описание данных, работа с файлами 

 Lisp   Обработка списков, указатели, сборка мусора 

• Третье поколение(1962-1970)

 PL/I   FORTRAN+ALGOL+COBOL 

 ALGOL-68   Более строгий приемник ALGOL-60 

 Pascal   Более простой приемник ALGOL-60 

 Simula   Классы, абстрактные данные 

• Потерянное поколение (1970-1980)

Много языков созданных, но мало выживших [Последняя фраза, очевидно, следует евангельскому "...много званных, но мало избранных" (Матф. 22:14). - Примеч. ред.] [2].

В каждом следующем поколении менялись поддерживаемые языками механизмы абстракции. Языки первого поколения ориентировались на научно-инженерные применения, и словарь этой предметной области был почти исключительно математическим. Такие языки, как FORTRAN I, были созданы для упрощения программирования математических формул, чтобы освободить программиста от трудностей ассемблера и машинного кода. Первое поколение языков высокого уровня было шагом, приближающим программирование к предметной области и удаляющим от конкретной машины. Во втором поколении языков основной тенденцией стало развитие алгоритмических абстракций. В это время мощность компьютеров быстро росла, а компьютерная индустрия позволила расширить области их применения, особенно в бизнесе. Главной задачей стало инструктировать машину, что делать: сначала прочти эти анкеты сотрудников, затем отсортируй их и выведи результаты на печать. Это было еще одним шагом к предметной области и от конкретной машины. В конце 60-х годов с появлением транзисторов, а затем интегральных схем, стоимость компьютеров резко снизилась, а их производительность росла почти экспоненциально. Появилась возможность решать все более сложные задачи, но это требовало умения обрабатывать самые разнообразные типы данных. Такие языки как ALGOL-68 и затем Pascal стали поддерживать абстракцию данных. Программисты смогли описывать свои собственные типы данных. Это стало еще одним шагом к предметной области и от привязки к конкретной машине.

70-е годы знаменовались безумным всплеском активности: было создано около двух тысяч различных языков и их диалектов. Неадекватность более ранних языков написанию крупных программных систем стала очевидной, поэтому новые языки имели механизмы, устраняющие это ограничение. Лишь немногие из этих языков смогли выжить (попробуйте найти свежий учебник по языкам Fred, Chaos, Tranquil), однако многие их принципы нашли отражение в новых версиях более ранних языков. Таким образом, мы получили языки Smalltalk (новаторски переработанное наследие Simula), Ada (наследник ALGOL-68 и Pascal с элементами Simula, Alphard и CLU), CLOS (объединивший Lisp, LOOPS и Flavors), C++ (возникший от брака С и Simula) и Eiffel (произошел от Simula и Ada). Наибольший интерес для дальнейшего изложения представляет класс языков, называемых объектными и объектно-ориентированными, которые в наибольшей степени отвечают задаче объектно-ориентированной декомпозиции программного обеспечения.

Топология языков первого и начала второго поколения. Для пояснения сказанного рассмотрим структуры, характерные для каждого поколения. На рис. 2-1 показана топология, типичная для большинства языков первого поколения и первой стадии второго поколения. Говоря "топология", мы имеем в виду основные элементы языка программирования и их взаимодействие. Можно отметить, что для таких языков, как FORTRAN и COBOL, основным строительным блоком является подпрограмма (параграф в терминах COBOL). Программы, реализованные на таких языках, имеют относительно простую структуру, состоящую только из глобальных данных и подпрограмм. Стрелками на рисунке обозначено влияние подпрограмм на данные. В процессе разработки можно логически разделить разнотипные Данные, но механизмы языков практически не поддерживают такого разделения. Ошибка в какой-либо части программы может иметь далеко идущие последствия, так как область данных открыта всем подпрограммам. В больших системах трудно гарантировать целостность данных при внесении изменений в какую-либо часть системы. В процессе эксплуатации уже через короткое время возникает путаница из-за большого количества перекрестных связей между подпрограммами, запутанных схем управления, неясного смысла данных, что угрожает надежности системы и определенно снижает ясность программы.  

Рис. 2-1. Топология языков первого и начала второго поколения.

Топология языков позднего второго и раннего третьего поколения. Начиная с середины 60-х годов стали осознавать роль подпрограмм как важного промежуточного звена между решаемой задачей и компьютером [3]. Шоу отмечает: "Первая программная абстракция, названная процедурной абстракцией, прямо вытекает из этого прагматического взгляда на программные средства... Подпрограммы возникли до 1950 года, но тогда они не были оценены в качестве абстракции... Их рассматривали как средства, упрощающие работу... Но очень скоро стало ясно, что подпрограммы это абстрактные программные функции" [4].

Использование подпрограмм как механизма абстрагирования имело три существенных последствия. Во-первых, были разработаны языки, поддерживавшие разнообразные механизмы передачи параметров. Во-вторых, были заложены основания структурного программирования, что выразилось в языковой поддержке механизмов вложенности подпрограмм и в научном исследовании структур управления и областей видимости. В-третьих, возникли методы структурного проектирования, стимулирующие разработчиков создавать большие системы, используя подпрограммы как готовые строительные блоки. Архитектура языков программирования этого периода (рис. 2-2), как и следовало ожидать, представляет собой вариации на темы предыдущего поколения. В нее внесены кое-какие усовершенствования, в частности, усилено управление алгоритмическими абстракциями, но остается нерешенной проблема программирования "в большом" и проектирования данных.

Топология языков конца третьего поколения. Начиная с FORTRAN II и далее, для решения задач программирования "в большом" начал развиваться новый важный механизм структурирования. Разрастание программных проектов означало увеличение размеров и коллективов программистов, а, следовательно, необходимость независимой разработки отдельных частей проекта. Ответом на эту потребность стал отдельно компилируемый модуль, который сначала был просто более или менее случайным набором данных и подпрограмм (рис. 2-3). В такие модули собирали подпрограммы, которые, как казалось, скорее всего будут изменяться совместно, и мало кто рассматривал их как новую технику абстракции. В большинстве языков этого поколения, хотя и поддерживалось модульное программирование, но не вводилось никаких правил, обеспечивающих согласование интерфейсов модулей. Программист, сочиняющий подпрограмму в одном из модулей, мог, например, ожидать, что ее будут вызывать с тремя параметрами: действительным числом, массивом из десяти элементов и целым числом, обозначающим логическое значение. Но в каком-то другом модуле, вопреки предположениям автора, эта подпрограмма могла по ошибке вызываться с фактическими параметрами в виде: целого числа, массива из пяти элементов и отрицательного числа. Аналогично, один из модулей мог завести общую область данных и считать, что это его собственная область, а другой модуль мог нарушить это предположение, свободно манипулируя с этими данными. К сожалению, поскольку большинство языков предоставляло в лучшем случае рудиментарную поддержку абстрактных данных и типов, такие ошибки выявлялись только при выполнении программы.  

Рис. 2-2. Топология языков позднего второго и раннего третьего поколения.

Топология объектных и объектно-ориентированных языков. Значение абстрактных типов данных в разрешении проблемы сложности систем хорошо выразил Шанкар: "Абстрагирование, достигаемое посредством использования процедур, хорошо подходит для описания абстрактных действий, но не годится для описания абстрактных объектов. Это серьезный недостаток, так как во многих практических ситуациях сложность объектов, с которыми нужно работать, составляет основную часть сложности всей задачи" [5]. Осознание этого влечет два важных вывода. Во-первых, возникают методы проектирования на основе потоков данных, которые вносят упорядоченность в абстракцию данных в языках, ориентированных на алгоритмы. Во-вторых, появляется теория типов, которая воплощается в таких языках, как Pascal.

Естественным завершением реализации этих идей, начавшейся с языка Simula и развитой в последующих языках в 1970-1980-е годы, стало сравнительно недавнее появление таких языков, как Smalltalk, Object Pascal, C++, CLOS, Ada и Eiffel. По причинам, которые мы вскоре объясним, эти языки получили название объектных или объектно-ориентированных. На рис. 2-4 приведена топология таких языков применительно к задачам малой и средней степени сложности. Основным элементом конструкции в указанных языках служит модуль, составленный из логически связанных классов и объектов, а не подпрограмма, как в языках первого поколения.  

Рис. 2-3. Топология языков конца третьего поколения.

Другими словами: "Если процедуры и функции - глаголы, а данные - существительные, то процедурные программы строятся из глаголов, а объектно-ориентированные - из существительных" [6]. По этой же причине структура программ малой и средней сложности при объектно-ориентированном подходе представляется графом, а не деревом, как в случае алгоритмических языков. Кроме того, уменьшена или отсутствует область глобальных данных. Данные и действия организуются теперь таким образом, что основными логическими строительными блоками наших систем становятся классы и объекты, а не алгоритмы.

В настоящее время мы продвинулись много дальше программирования "в большом" и предстали перед программированием "в огромном". Для очень сложных систем классы, объекты и модули являются необходимыми, но не достаточными средствами абстракции. К счастью, объектный подход масштабируется и может быть применен на все более высоких уровнях. Кластеры абстракций в больших системах могут представляться в виде многослойной структуры. На каждом уровне можно выделить группы объектов, тесно взаимодействующих для решения задачи более высокого уровня абстракции. Внутри каждого кластера мы неизбежно найдем такое же множество взаимодействующих абстракций (рис. 2-5). Это соответствует подходу к сложным системам, изложенному в главе 1.

Основные положения объектной модели

Методы структурного проектирования помогают упростить процесс разработки сложных систем за счет использования алгоритмов как готовых строительных блоков. Аналогично, методы объектно-ориентированного проектирования созданы, чтобы помочь разработчикам применять мощные выразительные средства объектного и объектно-ориентированного программирования, использующего в качестве блоков классы и объекты.

Но в объектной модели отражается и множество других факторов. Как показано во врезке ниже, объектный подход зарекомендовал себя как унифицирующая идея всей компьютерной науки, применимая не только в программировании, но также в проектировании интерфейса пользователя, баз данных и даже архитектуры компьютеров. Причина такой широты в том, что ориентация на объекты позволяет нам справляться со сложностью систем самой разной природы.  

Рис. 2-4. Топология малых и средних приложений в объектных и объектно-ориентированных языках.

Объектно-ориентированный анализ и проектирование отражают эволюционное, а не революционное развитие проектирования; новая методология не порывает с прежними методами, а строится с учетом предшествующего опыта. К сожалению, большинство программистов в настоящее время формально и неформально натренированы на применение только методов структурного проектирования. Разумеется, многие хорошие проектировщики создали и продолжают совершенствовать большое количество программных систем на основе этой методологии. Однако алгоритмическая декомпозиция помогает только до определенного предела, и обращение к объектно-ориентированной декомпозиции необходимо. Более того, при попытках использовать такие языки, как C++ или Ada, в качестве традиционных, алгоритмически ориентированных, мы не только теряем их внутренний потенциал - скорее всего результат будет даже хуже, чем при использовании обычных языков С и Pascal. Дать электродрель плотнику, который не слышал об электричестве, значит использовать ее в качестве молотка. Он согнет несколько гвоздей и разобьет себе пальцы, потому что электродрель мало пригодна для замены молотка.

OOP, OOD и ООА

Унаследовав от многих предшественников, объектный подход, к сожалению, перенял и запутанную терминологию. Программист в Smalltalk пользуется термином метод, в C++ - термином виртуальная функция, в CLOS - обобщенная функция.  

Рис. 2-5. Топология больших приложений в объектных и объектно-ориентированных языках.

В Object Pascal используется термин приведение типов, а в языке Ada то же самое называется преобразование типов. Чтобы уменьшить путаницу, следует определить, что является объектно-ориентированным, а что - нет. Определение наиболее употребительных терминов и понятий вы найдете в глоссарии в конце книги.

Термин объектно-ориентированный, по мнению Бхаскара, "затаскан до потери смысла, как "материнство", "яблочный пирог" и "структурное программирование"" [7]. Можно согласиться, что понятие объекта является центральным во всем, что относится к объектно-ориентированной методологии. В главе 1 мы определили объект как осязаемую сущность, которая четко проявляет свое поведение. Стефик и Бобров определяют объекты как "сущности, объединяющие процедуры и данные, так как они производят вычисления и сохраняют свое локальное состояние" [8]. Определение объекта как сущности в какой-то мере отвечает на вопрос, но все же главным в понятии объекта является объединение идей абстракции данных и алгоритмов. Джонс уточняет это понятие следующим образом: "В объектном подходе акцент переносится на конкретные характеристики физической или абстрактной системы, являющейся предметом программного моделирования... Объекты обладают целостностью, которая не должна - а, в действительности, не может - быть нарушена. Объект может только менять состояние, вести себя, управляться или становиться в определенное отношение к другим объектам. Иначе говоря, свойства, которые характеризуют объект и его поведение, остаются неизменными. Например, лифт характеризуется теми неизменными свойствами, что он может двигаться вверх и вниз, оставаясь в пределах шахты... Любая модель должна учитывать эти свойства лифта, так как они входят в его определение" [32].  

 Основные положения объектной модели

Йонесава и Токоро свидетельствуют: "термин "объект" появился практически независимо в различных областях, связанных с компьютерами, и почти одновременно в начале 70-х годов для обозначения того, что может иметь различные проявления, оставаясь целостным. Для того, чтобы уменьшить сложность программных систем, объектами назывались компоненты системы или фрагменты представляемых знании" [9]. По мнению Леви, объектно-ориентированный подход был связан со следующими событиями:

• "прогресс в области архитектуры ЭВМ;

• развитие языков программирования, таких как Simula, Smalltalk, CLU, Ada;

• развитие методологии программирования, включая принципы модульности и скрытия данных" [10].

К этому еще следует добавить три момента, оказавшие влияние на становление объектного подхода:

• развитие теории баз данных;

• исследования в области искусственного интеллекта;

• достижения философии и теории познания.

Понятие "объект" впервые было использовано более 20 лет назад при конструировании компьютеров с descriptor-based и capability-based архитектурами [11]. В этих работах делались попытки отойти от традиционной архитектуры фон Неймана и преодолеть барьер между высоким уровнем программной абстракции и низким уровнем ЭВМ [12]. По мнению сторонников этих подходов, тогда были созданы более качественные средства, обеспечивающие: лучшее выявление ошибок, большую эффективность реализации программ, сокращение набора инструкций, упрощение компиляции, снижение объема требуемой памяти. Ряд компьютеров имеет объектно-ориентированную архитектуру: Burroughs 5000, Plessey 250, Cambridge CAP [13], SWARD [14], Intel 432 [15], Caltech's СОМ [16], IBM System/38 [17], Rational R1000, BiiN 40 и 60.

С объектно-ориентированной архитектурой тесно связаны объектно-ориентированные операционные системы (ОС). Дейкстра, работая над мультипрограммной системой THE, впервые ввел понятие машины с уровнями состояния в качестве средства построения системы [18]. Среди первых объектно-ориентированных ОС следует отметить: Plessey/System 250 (для мультипроцессора Plessey 250), Hydra (для CMU C.mmp), CALTSS (для CDC 6400), CAP (для компьютера Cambridge CAP), UCLA Secure UNIX (для PDP 11/45 и 11/70), StarOS (для CMU Cm*), Medusa (также для CMU Cm*) и iMAX (для Intel 432) [19]. Следующее поколение операционных систем, таких, как Microsoft Cairo и Taligent Pink, будет, по всей видимости, объектно-ориентированным.

Наиболее значительный вклад в объектный подход внесен объектными и объектно-ориентированными языками программирования. Впервые понятия классов и объектов введены в языке Simula 67. Система Flex и последовавшие за ней диалекты Smalltalk-72, -74, -76 и, наконец, -80, взяв за основу методы Simula, довели их до логического завершения, выполняя все действия на основе классов. В 1970-х годах создан ряд языков, реализующих идею абстракции данных: Alphard, CLU, Euclid, Gypsy, Mesa и Modula. Затем методы, используемые в языках Simula и Smalltalk, были использованы в традиционных языках высокого уровня. Внесение объектно-ориентированного подхода в С привело к возникновению языков C++ и Objective С. На основе языка Pascal возникли Object Pascal, Eiffel и Ada. Появились диалекты LISP, такие, как Flavors, LOOPS и CLOS (Common LISP Object System), с возможностями языков Simula и Smalltalk. Более подробно особенности этих языков изложены в приложении.

Первым, кто указал на необходимость построения систем в виде структурированных абстракций, был Дейкстра. Позднее Парнас ввел идею скрытия информации [20], а в 70-х годах ряд исследователей, главным образом Лисков и Жиль [21], Гуттаг [22], и Шоу [23], разработал механизмы абстрактных типов данных. Хоар дополнил эти подходы теорией типов и подклассов [24].

Развивавшиеся достаточно независимо технологии построения баз данных также оказали влияние на объектный подход [25], в первую очередь благодаря так называемой модели "сущность-отношение" (ER, entity-relationship) [26]. В моделях ER, впервые предложенных Ченом [27], моделирование происходит в терминах сущностей, их атрибутов и взаимоотношений.

Разработчики способов представления данных в области искусственного интеллекта также внесли свой вклад в понимание объектно-ориентированных абстракций. В 1975 г. Мински выдвинул теорию фреймов для представления реальных объектов в системах распознавания образов и естественных языков [28]. Фреймы стали использоваться в качестве архитектурной основы в различных интеллектуальных системах.

Объектный подход известен еще издавна. Грекам принадлежит идея о том, что мир можно рассматривать в терминах как объектов, так и событий. А в XVII веке Декарт отмечал, что люди обычно имеют объектно-ориентированный взгляд на мир [29]. В XX веке эту тему развивала Рэнд в своей философии объективистской эпистемологии [30]. Позднее Мински предложил модель человеческого мышления, в которой разум человека рассматривается как общность различно мыслящих агентов [31]. Он доказывает, что только совместное действие таких агентов приводит к осмысленному поведению человека. 

Объектно-ориентированное программирование. Что же такое объектно-ориентированное программирование (object-oriented programming, OOP)? Мы определяем его следующим образом:

Объектно-ориентированное программирование - это методология программирования, основанная на представлении программы в виде совокупности объектов, каждый из которых является экземпляром определенного класса, а классы образуют иерархию наследования.

В данном определении можно выделить три части: 1) OOP использует в качестве базовых элементов объекты, а не алгоритмы (иерархия "быть частью", которая была определена в главе 1); 2) каждый объект является экземпляром какого-либо определенного класса; 3) классы организованы иерархически (см. понятие об иерархии "is а" там же). Программа будет объектно-ориентированной только при соблюдении всех трех указанных требований. В частности, программирование, не основанное на иерархических отношениях, не относится к OOP, а называется программированием на основе абстрактных типов данных.

В соответствии с этим определением не все языки программирования являются объектно-ориентированными. Страуструп определил так: "если термин объектно-ориентированный язык вообще что-либо означает, то он должен означать язык, имеющий средства хорошей поддержки объектно-ориентированного стиля программирования... Обеспечение такого стиля в свою очередь означает, что в языке удобно пользоваться этим стилем. Если написание программ в стиле OOP требует специальных усилий или оно невозможно совсем, то этот язык не отвечает требованиям OOP" [33]. Теоретически возможна имитация объектно-ориентированного программирования на обычных языках, таких, как Pascal и даже COBOL или ассемблер, но это крайне затруднительно. Карделли и Вегнер говорят, что: "язык программирования является объектно-ориентированным тогда и только тогда, когда выполняются следующие условия:

• Поддерживаются объекты, то есть абстракции данных, имеющие интерфейс в виде именованных операций и собственные данные, с ограничением доступа к ним.

• Объекты относятся к соответствующим типам (классам).

• Типы (классы) могут наследовать атрибуты супертипов (суперклассов)" [34].

Поддержка наследования в таких языках означает возможность установления отношения "is-a" ("есть", "это есть", " - это"), например, красная роза - это цветок, а цветок - это растение. Языки, не имеющие таких механизмов, нельзя отнести к объектно-ориентированным. Карделли и Вегнер назвали такие языки объектными, но не объектно-ориентированными. Согласно этому определению объектно-ориентированными языками являются Smalltalk, Object Pascal, C++ и CLOS, a Ada - объектный язык. Но, поскольку объекты и классы являются элементами обеих групп языков, желательно использовать и в тех, и в других методы объектно-ориентированного проектирования.

Объектно-ориентированное проектирование. Программирование прежде всего подразумевает правильное и эффективное использование механизмов конкретных языков программирования. Проектирование, напротив, основное внимание уделяет правильному и эффективному структурированию сложных систем. Мы определяем объектно-ориентированное проектирование следующим образом:

Объектно-ориентированное проектирование - это методология проектирования, соединяющая в себе процесс объектной декомпозиции и приемы представления логической и физической, а также статической и динамической моделей проектируемой системы.

В данном определении содержатся две важные части: объектно-ориентированное проектирование 1) основывается на объектно-ориентированной декомпозиции; 2) использует многообразие приемов представления моделей, отражающих логическую (классы и объекты) и физическую (модули и процессы) структуру системы, а также ее статические и динамические аспекты.

Именно объектно-ориентированная декомпозиция отличает объектно-ориентированное проектирование от структурного; в первом случае логическая структура системы отражается абстракциями в виде классов и объектов, во втором - алгоритмами. Иногда мы будем использовать аббревиатуру OOD, object-oriented design, для обозначения метода объектно-ориентированного проектирования, изложенного в этой книге.

Объектно-ориентированный анализ. На объектную модель повлияла более ранняя модель жизненного цикла программного обеспечения. Традиционная техника структурного анализа, описанная в работах Де Марко [35], Иордана [36], Гейна и Сарсона [37], а с уточнениями для режимов реального времени у Варда и Меллора [38] и Хотли и Пирбхая [39], основана на потоках данных в системе. Объектно-ориентированный анализ (или OOA, object-oriented analysis) направлен на создание моделей реальной действительности на основе объектно-ориентированного мировоззрения.

Объектно-ориентированный анализ - это методология, при которой требования к системе воспринимаются с точки зрения классов и объектов, выявленных в предметной области.

Как соотносятся ООА, OOD и OOP? На результатах ООА формируются модели, на которых основывается OOD; OOD в свою очередь создает фундамент для окончательной реализации системы с использованием методологии OOP.

Оглавление книги