Лекция 10. кооперации и паттерны

Кооперации (сотрудничества) являются средством представления комплексных решений в разработке ПО на высшем, архитектурном уровне. С одной стороны, ^ кооперации обеспечивают компактность цельной спецификации программного продукта, с другой стороны — несут в себе реализации потоков управления и данных, а также структур данных.

В терминологии фирмы Rational (вдохновителя и организатора побед языка UML) кооперации называют реализациями элементов Use Case, да и обозначения их весьма схожи (рис. 12.42).

Рис. 12.42. Элемент Use Case и его реализация

Обратите внимание на то, что и связаны эти элементы отношением реализации: кооперация реализует конкретный элемент Use Case.

Кооперации содержат две составляющие — статическую (структурную) и динамическую (поведенческую).

Статическая составляющая кооперации задает структуру совместно работающих классов и других элементов (интерфейсов, компонентов, узлов). Чаще всего для этого используют одну или несколько диаграмм классов. Динамическая составляющая кооперации определяет поведение совместно работающих элементов. Обычно для определения применяют одну или несколько диаграмм последовательности.

Таким образом, если заглянуть под «обложку» кооперации, мы увидим набор разнообразных диаграмм. Например, требования к информационной системе авиакассы задаются множеством элементов Use Case, каждый из которых реализуется отдельной кооперацией. Все эти кооперации применяют одни и те же классы, но все же имеют разную функциональную организацию. В частности, поведение кооперации для заказа авиабилета может описываться диаграммой последовательности, показанной на рис. 12.43.

Соответственно, структура кооперации для заказа авиабилета может иметь вид, представленный на рис. 12.44.

Важно понимать, что кооперации отражают понятийный аспект архитектуры системы. Один и тот же элемент может участвовать в различных кооперациях. Ведь речь здесь идет не о владении элементом, а только о его применении.

Рис. 12.43.Динамическая составляющая кооперации Заказ авиабилета

Рис. 12.44.Статическая составляющая кооперации Заказ авиабилета

Рис. 12.45.Обозначение паттерна

Параметризованные, то есть настраиваемые кооперации называют паттернами (образцами). Паттерн является решением типичной проблемы в определенном контексте. Обозначение паттерна имеет вид, представленный на рис. 12.45.

На место параметров настройки паттерна подставляются различные фактические параметры, в результате создаются разные кооперации.

Паттерны рассматриваются как крупные строительные блоки. Их использование приводит к существенному сокращению затрат на анализ и проектирование ПО. повышению качества и правильности разработки на логическом уровне, ведь паттерны создаются опытными профессионалами и отражают проверенные и оптимизированные решения [26], [31], [68].

Итак, паттерны — это наборы готовых решений, рецепты, предлагающие к повторному использованию самое ценное для разработчика — сплав мирового опыта по созданию ПО.

Наиболее распространенные паттерны формализуют и сводят в единые каталоги. Самым известным каталогом проектных паттернов, обеспечивающих этап проектирования ПО, считают каталог «Команды четырех» (Э. Гамма и др.). Он включает в себя 23 паттерна, разделенные на три категории [31]. Как показано в табл. 12.1, по мнению «Команды четырех», описание паттерна должно состоять из четырех основных частей.

Таблица 12.1.Описание паттерна

Раздел

Описание

Имя     Проблема   Решение   Результаты

Выразительное имя паттерна дает возможность указать проблему проектирования, ее решение и последствия ее решения. Использование имен паттернов повышает уровень абстракции проектирования Формулируется проблема проектирования (и ее контекст), на которую ориентировано применение паттерна. Задаются условия применения Описываются элементы решения, их отношения, обязанности, сотрудничество. Решение представляется в обобщенной форме, которая должна конкретизироваться при применении. Фактически приводится шаблон решения — его можно использовать в самых разных ситуациях Перечисляются следствия применения паттерна и вытекающие из них компромиссы. Такая информация позволяет оценить эффективность применения паттерна в данной ситуации

Обсудим применение нескольких паттернов из каталога «Команды четырех».

Паттерн Наблюдатель

Паттерн Наблюдатель (Observer) задает между объектами такую зависимость «один-ко-многим», при которой изменение состояния одного объекта приводит к оповещению и автоматическому обновлению всех зависящих от него объектов.

Проблема.При разбиении системы на набор совместно работающих объектов появляется необходимость поддерживать их согласованное состояние. При этом желательно минимизировать сцепление, так как высокое сцепление уменьшает возможности повторного использования. Например, во многих случаях требуется отображение данных состояния в различных графических формах и форматах. При этом объекту, формирующему состояние, не нужно знать о формах его отображения — отсутствие такого интереса благотворно влияет на необходимое сцепление. Паттерн Наблюдатель можно применять в следующих случаях:

q когда необходимо организовать непрямое взаимодействие объектов уровня логики приложения с интерфейсом пользователя. Таким образом достигается низкое сцепление между уровнями;

q когда при изменении состояния одного объекта должны изменить свое состояние все зависимые объекты, причем количество зависимых объектов заранее неизвестно;

q когда один объект должен рассылать сообщения другим объектам, не делая о них никаких предположений. За счет этого образуется низкое сцепление между объектами.

Решение.Принцип решения иллюстрирует рис. 12.46. Ключевыми элементами решения являются субъект и наблюдатель. У субъекта может быть любое количество зависимых от него наблюдателей. Когда происходят изменения в состоянии субъекта, наблюдатели автоматически об этом уведомляются. Получив уведомление, наблюдатель опрашивает субъекта, синхронизуя с ним свое отображение состояния.

Рис. 12.46.Различные графические отображения состояния субъекта

Такое взаимодействие между элементами соответствует схеме издатель-подписчик. Издатель рассылает сообщения об изменении своего состояния, не имея никакой информации о том, какие объекты являются подписчиками. На получение таких уведомлений может подписаться любое количество наблюдателей.

Структурная составляющая паттерна Наблюдатель представлена на рис. 12.47. В ней определены два абстрактных класса, Субъект и Наблюдатель. Кроме того, здесь показаны два конкретных класса, КонкрСубъект и КонкрНаблюдатель, которые наследуют свойства и операции абстрактных классов. Они подключаются к паттерну в процессе его настройки. Состояние формируется Конкретным субъектом, который унаследовал от Субъекта операции, позволяющие ему добавлять и удалять Конкретных наблюдателей, а также уведомлять их об изменении своего состояния. Конкретный наблюдатель автоматически отображает состояние и реализует абстрактную операцию Обновить() Наблюдателя, обеспечивающую обновление отображаемого состояния.

ПРИМЕЧАНИЕ

Курсивом в данном абзаце отображены имена абстрактных классов и операций (это требование языка UML).

Результаты.Субъекту известно только об абстрактном наблюдателе, он ничего не знает о конкретных наблюдателях. В результате между этими объектами устанавливается минимальное сцепление (это достоинство). Изменения в субъекте могут привести к неоправданно большому количеству обновлений наблюдателей — ведь наблюдателю неизвестно, что именно изменилось в субъекте, затрагивают ли его произошедшие изменения (это недостаток).

Обозначение паттерна Наблюдатель приведено на рис. 12.49, где показано, что у него два параметра настройки — субъект и наблюдатель.

Рис. 12.49.Обозначение паттерна Наблюдатель

Эти параметры обозначают роли, которые будут играть конкретные классы, используемые при настройке паттерна на конкретное применение. Например, настройку паттерна на отображение текущего фильма кинофестиваля иллюстрирует рис. 12.50.

Рис. 12.50.Настройка паттерна Наблюдатель

Видим, что подключаемые конкретные классы (Кинопрограмма, Текущий фильм) соединяются с символом паттерна пунктирными линиями. Каждая пунктирная линия подписана ролью (именем параметра), которую играет конкретный класс в формируемой кооперации. Таким образом, в данном случае класс Кинопрограмма становится подклассом абстрактного класса Субъект в паттерне, а класс Текущий фильм — подклассом абстрактного класса Наблюдатель в паттерне.

Паттерн Компоновщик

Паттерн Компоновщик (Composite) обеспечивает представление иерархий часть-целое, объединяя объекты в древовидные структуры.

Проблема.Очень часто возникает необходимость создавать маленькие компоненты (примитивы), объединять их в более крупные компоненты (контейнеры), более крупные компоненты соединять в большие компоненты, большие компоненты — в огромные и т. д. При этом клиентам приходится различать компоненты-примитивы и компоненты-контейнеры, работать с ними по-разному. Это усложняет приложение. Паттерн Компоновщик позволяет ликвидировать это различие, его можно применять в следующих случаях:

q необходимо построить иерархию объектов вида часть-целое;

q нужно унифицировать использование как составных, так и индивидуальных объектов.

Решение.Ключевым элементом решения является абстрактный класс Компонент, который является одновременно и примитивом, и контейнером. В нем объявлены:

q абстрактная операция примитива Работать( );

q абстрактные операции контейнера — управления примитивами-потомками Добавить(Компонент) и Удалить(Компонент), а также доступа к потомку Получить-Потомка().

Класс Компонент служит простым элементом дерева, класс Компоновщик является рекурсивным элементом, а класс Лист — конечным элементом дерева. Класс Компонент служит родителем классов Лист и Компоновщик. Отметим, что класс Компоновщик является агрегатом составных частей — экземпляров класса Компонент (таким образом задается рекурсия).

Клиенты используют интерфейс класса Компонент для взаимодействия с объектами дерева. Если получателем запроса клиента является объект-лист, то он и обрабатывает запрос. Если же получателем является составной объект-компоновщик, то он перенаправляет запрос своим потомкам, возможно выполняя дополнительные действия до или после перенаправления.

Результаты. Паттерн определяет иерархии, состоящие из классов-примитивов и классов-контейнеров, облегчает добавление новых разновидностей компонентов. Он упрощает организацию клиентов (клиент не должен учитывать специфику адресуемого объекта). Недостаток применения паттерна — трудность в наложении ограничений на объекты, которые можно включать в композицию.

Обозначение паттерна Компоновщик приведено на рис. 12.52, где показано, что у него три параметра настройки — компонент, компоновщик и лист.

Настройку паттерна на графическое приложение иллюстрирует рис. 12.53.

Рис. 12.52.Обозначение паттерна Компоновщик

Рис. 12.53.Настройка паттерна Компоновщик

В этом случае основной операцией приложения становится операция Рисовать(). Подразумевается, что такая операция входит в состав каждого из подключаемых классов, то есть классов Рисунок, Прямоугольник и Графический элемент. Операции Рисовать() должны заместить операции Работать() в классах паттерна.

Бизнес-модели

Достаточно часто перед тем, как решиться на заказ ПО, организация проводит бизнес-моделирование. Цели бизнес-моделирования:

q отобразить структуру и процессы деятельности организации;

q обеспечить ясное, комплексное и, главное, одинаковое понимание нужд организации как сотрудниками, так и будущими разработчиками ПО;

q сформировать реальные требования к программному обеспечению деятельности организации.

Для достижения этих целей разрабатываются две модели: Q бизнес-модель Use Case; а бизнес-объектная модель.

Бизнес-модель Use Case задает внешнее представление бизнес-процессов организации (с точки зрения внешней среды — клиентов и партнеров).

Как показано на рис. 12.57, бизнес-модель Use Case строится с помощью бизнес-актеров и бизнес-элементов Use Case — простого расширения средств, используемых в обычных диаграммах Use Case.

Рис. 12.57.Фрагмент бизнес-модели Use Case для аэропорта

Бизнес-актеры определяют внешние сущности и людей, с которыми взаимодействует бизнес. Бизнес-актер представляет собой человека, но информационная система, взаимодействующая с бизнесом, также может играть роль такого актера.

Бизнес-элементы Use Case изображают различные рабочие потоки бизнеса. Последовательности действий в бизнес-элементах Use Case обычно описываются диаграммами деятельности.

Бизнес-объектная модель отражает внутреннее представление бизнес-процессов организации (с точки зрения ее сотрудников).

Как показано на рис. 12.58, бизнес-объектная модель строится с помощью бизнес-работников и бизнес-сущностей — классов со специальными стереотипами. Эти классы имеют специальные графические обозначения.

Рис. 12.58.Фрагмент бизнес-объектной модели аэропорта

Бизнес-работник — абстракция человека, действующего в бизнесе. Бизнес-сущности являются «предметами», обрабатываемыми или используемыми бизнес-работниками по мере выполнения бизнес-элемента Use Case. Например, бизнес-сущность представляет собой документ или существенную часть продукта. Фактически бизнес-объектная модель отображается с помощью диаграмм классов.