Г Буч, Д Рамбо, А Джекобсон
Язык UML Руководство пользователя
Часть I - Введение в процесс моделирования
Глава 1. Зачем мы моделируем
Предисловие
Значение моделирования
Принципы моделирования
Жизненный цикл разработки ПО
Предисловие
Компания, занимающаяся производством программного обеспечения, может преуспевать только в том случае, если выпускаемая ею продукция всегда отличается высоким качеством и разработана в соответствии с запросами пользователей. Фирма, которая способна выпускать такую продукцию своевременно и регулярно, при максимально полном и эффективном использовании всех имеющихся человеческих и материальных ресурсов будет стабильно процветать.
Из сказанного следует, что основным продуктом такой компании является именно первоклассное программное обеспечение, удовлетворяющее повседневным нуждам пользователей. Все остальное - прекрасные документы, встречи на высшем уровне, великолепные лозунги и даже Пулитцеровская премия за идеальные строки исходного кода - вторично по сравнению с этой основной задачей.
К сожалению, во многих организациях путают понятия "вторичный" и "несущественный". Нельзя забывать, что для разработки эффективной программы, которая соответствует своему предполагаемому назначению, необходимо постоянно встречаться и работать с пользователями, чтобы выяснить реальные требования к вашей системе. Если вы хотите создать качественное программное обеспечение, вам необходимо разработать прочное архитектурное основание проекта, открытое к возможным усовершенствованиям. Для быстрой и эффективной разработки программного продукта с минимальным браком требуется привлечь рабочую силу, выбрать правильные инструменты и определить верное направление работы. Чтобы справиться с поставленной задачей, принимая во внимание затраты на обеспечение жизненного цикла системы, необходимо, чтобы процесс разработки приложения был тщательно продуман и мог быть адаптирован к изменяющимся потребностям вашего бизнеса и технологии.
Центральным элементом деятельности, ведущей к созданию первоклассного программного обеспечения, является моделирование. Модели позволяют нам наглядно продемонстрировать желаемую структуру и поведение системы. Они также необходимы для визуализации и управления ее архитектурой. Модели помогают добиться лучшего понимания создаваемой нами системы, что зачастую приводит к ее упрощению и возможности повторного использования. Наконец, модели нужны для минимизации риска.
Значение моделирования
Если вы хотите соорудить собачью конуру, то можете приступить к работе, имея в наличии лишь кучу досок, горсть гвоздей, молоток, плоскогубцы и рулетку. Несколько часов работы после небольшого предварительного планирования - и вы, надо полагать, сколотите вполне приемлемую конуру, причем, скорее всего, без посторонней помощи. Если конура получится достаточно большой и не будет сильно протекать, собака останется довольна. В крайнем случае никогда не поздно начать все сначала - или приобрести менее капризного пса.
Если вам надо построить дом для своей семьи, вы, конечно, можете воспользоваться тем же набором инструментов, но времени на это уйдет значительно больше, и ваши домочадцы, надо полагать, окажутся более требовательными, чем собака. Если у вас нет особого опыта в области строительства, лучше тщательно все продумать перед тем, как забить первый гвоздь. Стоит, по меньшей мере, сделать хотя бы несколько эскизов внешнего вида будущей постройки. Без сомнения, вам нужно качественное жилье, удовлетворяющее запросам вашей семьи и не нарушающее местных строительных норм и правил, - а значит, придется сделать кое-какие чертежи с учетом назначения каждой комнаты и таких деталей, как освещение, отопление и водопровод. На основании этих планов вы сможете правильно рассчитать необходимое для работы время и выбрать подходящие стройматериалы. В принципе можно построить дом и самому, но гораздо выгоднее прибегнуть к помощи других людей, нанимая их для выполнения ключевых работ или покупая готовые детали. Коль скоро вы следуете плану и укладываетесь в смету, ваша семья будет довольна. Если же что-то не сладится, вряд ли стоит менять семью -лучше своевременно учесть пожелания родственников.
Задавшись целью построить небоскреб для офиса, было бы совсем неразумно браться за дело, имея в распоряжении груду досок и молоток. Поскольку в этом случае, скорее всего, будут привлекаться многочисленные капиталовложения, инвесторы потребуют, чтобы вы учли их пожелания касательно размера, стиля и формы строения. Кстати, они могут изменить свое решение уже после того, как вы приступили к строительству. Так как любой просчет слишком дорого вам обойдется, значение планирования многократно возрастает. По-видимому, вы окажетесь членом большого коллектива проектировщиков и застройщиков, и для успешного взаимодействия вам потребуется делать множество разнообразных чертежей и моделей здания.
Подобрав нужных людей, подходящие инструменты и приступив к реализации намеченного плана, вы с большой вероятностью сумеете построить здание, удовлетворяющее всем требованиям будущих обитателей. Если вы и дальше собираетесь возводить дома, то придется искать компромисс между пожеланиями заказчика и возможностями современной технологии строительства, а к рабочему коллективу относиться с заботой, не рискуя людьми и не требуя работы, отнимающей все силы без остатка.
Хотя это и кажется комичным, многие компании, разрабатывающие программное обеспечение, хотят создать небоскреб, в то время как их подход к делу очень напоминает строительство собачьей конуры.
Конечно, иногда вам может просто повезти. Если нужные люди оказались в нужном месте в нужный час и расположение планет благоприятствует новым начинаниям, то, возможно, вам посчастливится создать продукт, который придется потребителям по душе. Но, скорее всего, нанять подходящих работников не удастся (они все уже заняты), благоприятный момент вы упустите (вчера было бы лучше), а расположение планет будет крайне неудачным (этот фактор вообще неподвластен вашему контролю). В эпоху расцвета Internet, когда спрос на программистов постоянно растет, коллективы разработчиков часто ограничиваются тем единственным, что они по-настоящему умеют делать, - написанием все новых строк кода. Героические усилия, затрачиваемые на программирование, стали легендой в этой отрасли, и кажется, что единственным ответом на трудности в разработке ПО послужит еще более интенсивная работа. Однако написанный код вовсе не обязательно поможет решить проблему, а проект может быть столь грандиозным, что даже увеличения рабочего дня на несколько часов окажется недостаточно для его успешного завершения.
Если вы действительно желаете создать программный продукт, сопоставимый с жилым домом или небоскребом, то задача не сводится к написанию большого объема кода. На самом деле проблема в том, чтобы написать правильный код, причем так, чтобы его объем был минимален. При таком подходе разработка качественного программного обеспечения сводится к вопросам выбора архитектуры, подходящих инструментов и средств управления процессом. Кстати, нужно иметь в виду, что многие проекты, задуманные "по принципу конуры", быстро вырастали до размеров небоскреба, становясь жертвой собственного успеха. Если такой рост не был учтен в архитектуре приложения, технологическом процессе или при выборе инструментов, то неизбежно наступит время, когда выросшая до размеров огромного дома конура обрушится под тяжестью собственного веса. Но если разлетится в щепки конура, это лишь разозлит вашу собаку, а если рухнет небоскреб, это затронет материальные интересы его арендаторов.
Неудачные проекты заканчиваются крахом в силу самых разных причин, а вот успешные, как правило, имеют много общего. Хотя успех программного проекта обеспечивается множеством разных слагаемых, одним из общих является применение моделирования.
Моделирование - это устоявшаяся и повсеместно принятая инженерная методика. Мы строим архитектурные модели зданий, чтобы помочь их будущим обитателям во всех подробностях представить себе готовый продукт. Иногда прибегают даже к математическому моделированию зданий, чтобы учесть влияние сильного ветра или землетрясения.
Моделирование применяется не только в строительстве. Вряд ли вы сумеете наладить выпуск новых самолетов или автомобилей, не испытав свой проект на моделях: от компьютерных моделей и чертежей до физических моделей в аэродинамической трубе, а затем и полномасштабных прототипов. Электрические приборы, от микропроцессоров до телефонных коммутаторов, также требуют моделирования для лучшего понимания системы и организации общения с коллегами. Даже в кинематографии успех фильма невозможен без предварительно написанного сценария (тоже своеобразная форма модели). В социологии, экономике или менеджменте мы также прибегаем к моделированию, которое позволяет проверить наши теории и испытать новые идеи с минимальным риском и затратами.
Итак, что же такое модель? Попросту говоря, она является упрощенным представлением реальности. Модель - это чертеж системы: в нее может входить как детальный план, так и более абстрактное представление системы "с высоты птичьего полета". Хорошая модель всегда включает элементы, существенно влияющие на результат, и не включает те, которые малозначимы на данном уровне абстракции. Каждая система может быть описана с разных точек зрения, для чего используются различные модели, каждая из которых, следовательно, является семантически замкнутой абстракцией системы. Модель может быть структурной, подчеркивающей организацию системы, или поведенческой, то есть отражающей ее динамику.
Зачем мы моделируем? На это есть одна фундаментальная причина. Мы строим модели для того, чтобы лучше понимать разрабатываемую систему.
Моделирование позволяет решить четыре различных задачи (см. главу 2):
визуализировать систему в ее текущем или желательном для нас состоянии;
определить структуру или поведение системы;
получить шаблон, позволяющий затем сконструировать систему;
документировать принимаемые решения, используя полученные модели.
Моделирование предназначено не только для создания больших систем. Даже программный эквивалент собачьей конуры выиграет от этого процесса. Чем больше и сложнее система, тем большее значение приобретает моделирование при ее разработке. Дело в том, что моделировать сложную систему необходимо, поскольку иначе мы не можем воспринять ее как единое целое.
Восприятие человеком сложных сущностей ограничено. Моделируя, мы сужаем проблему, заостряя внимание в данный момент только на одном аспекте. В сущности, этот подход есть не что иное, как принцип "разделяй и властвуй", который Эдсгер Дейкстра провозгласил много лет назад: сложную задачу легче решить, если разделить ее на несколько меньших. Кроме того, моделирование усиливает возможности человеческого интеллекта, поскольку правильно выбранная модель дает возможность создавать проекты на более высоких уровнях абстракции.
Сказать, что моделирование имеет смысл, еще не означает, что оно абсолютно необходимо. И действительно, многие исследования показывают, что в большинстве компаний, разрабатывающих программное обеспечение, моделирование применяют редко или вовсе не применяют. Чем проще проект, тем менее вероятно, что в нем будет использовано формальное моделирование.
Ключевое слово здесь - "формальное". На практике даже при реализации простейшего проекта разработчики в той или иной мере применяют моделирование, хотя бы неформально. Для визуализации части системы ее проектировщик может нарисовать что-то на доске или на клочке бумаги. Коллектив авторов вправе использовать CRC-карточки, чтобы проработать сценарий или конструкцию механизма. Ничего плохого в таких моделях нет. Если они работают, их существование вполне оправдано. Но эти неформальные модели часто создаются для однократного применения и не обеспечивают общего языка, который был бы понятен другим участникам проекта. В строительстве существует общий, понятный для всех язык чертежей; имеются общие языки в электротехнике и математическом моделировании. Организация разработчиков также может извлечь выгоду от использования общего языка для моделирования программного обеспечения.
От моделирования может выиграть любой проект. Даже при создании одноразовых программ, когда зачастую бывает полезнее выбросить неподходящий код из-за преимуществ в скорости разработки, которые дают языки визуального программирования, моделирование поможет коллективу разработчиков лучше представить план системы, а значит, выполнить проект быстрее и создать именно то, что подразумевал изначальный замысел. Чем сложнее проект, тем более вероятно, что из-за отсутствия моделирования он потерпит неудачу или будет создано не то, что нужно. Все полезные и интересные системы с течением времени обычно усложняются. Пренебрегая моделированием в самом начале создания системы, вы, возможно, горько пожалеете об этом, когда будет уже слишком поздно.
Принципы моделирования
Моделирование имеет богатую историю во всех инженерных дисциплинах. Длительный опыт его использования позволил сформулировать четыре основных принципа.
Во-первых, выбор модели оказывает определяющее влияние на подход к решению проблемы и на то, как будет выглядеть это решение. Иначе говоря, подходите к выбору модели вдумчиво. Правильно выбранная модель высветит самые коварные проблемы разработки и позволит проникнуть в самую суть задачи, что при ином подходе было бы попросту невозможно. Неправильная модель заведет вас в тупик, поскольку внимание будет заостряться на несущественных вопросах.
Давайте отвлечемся на минутку от обсуждения программного обеспечения и предположим, что вы должны решить задачу из области квантовой физики. Такие проблемы, как взаимодействие фотонов в пространстве-времени, могут потребовать чрезвычайно сложных математических расчетов. Но стоит изменить модель, забыв о математическом анализе, и вы тут же получите легко интерпретируемый результат. В данном случае речь идет о диаграммах Фейнмана, позволяющих графически представить чрезвычайно сложные проблемы. Рассмотрим еще одну область, где необходимо моделирование. Допустим, вы проектируете здание и хотите знать, как оно будет вести себя при сильном ветре. Построив макет и испытав его в аэродинамической трубе, вы узнаете много интересного по этому поводу, хотя уменьшенная копия будет вести себя не так, как полномасштабное здание. Имитационное моделирование с использованием математической модели даст вам дополнительную информацию и, возможно, позволит проработать больше различных сценариев, чем удалось бы при работе с физическим макетом. Тщательно изучив поведение здания на этих моделях, вы будете гораздо увереннее в том, что смоделированная система будет вести себя в реальных условиях так, как было задумано.
Возвращаясь к проблеме создания программного обеспечения, можно сказать, что ваш взгляд на мир существенно зависит от выбираемой вами модели. Если вы смотрите на систему глазами разработчика баз данных, то основное внимание будете уделять моделям "сущность-связь", где поведение инкапсулировано в триггерах и хранимых процедурах. Структурный аналитик, скорее всего, создал бы модель, в центре которой находятся алгоритмы и передача данных от одного процесса к другому. Результатом труда разработчика, пользующегося объектно-ориентированным методом, будет система, архитектура которой основана на множестве классов и образцах взаимодействия, определяющих, как эти классы действуют совместно. Любой из этих вариантов может оказаться подходящим для данного приложения и методики разработки, хотя опыт подсказывает, что объектно-ориентированная точка зрения более эффективна при создании гибких архитектур, даже если система должна будет работать с большими базами данных или производить сложные математические расчеты. При этом надо учитывать, что различные точки зрения на мир приводят к созданию различных систем, со своими преимуществами и недостатками.
Второй принцип формулируется так: каждая модель может быть воплощена с разной степенью абстракции.
При строительстве небоскреба может возникнуть необходимость показать его с высоты птичьего полета, например, чтобы с проектом могли ознакомиться инвесторы. В других случаях, наоборот, требуется самое детальное описание - допустим, чтобы показать какой-нибудь сложный изгиб трубы или необычный элемент конструкции.
То же происходит и при моделировании программного обеспечения. Иногда простая и быстро созданная модель пользовательского интерфейса - самый подходящий вариант. В других случаях приходится работать на уровне битов, например когда вы специфицируете межсистемные интерфейсы или боретесь с узкими местами в сети. В любом случае лучшей моделью будет та, которая позволяет выбрать уровень детализации в зависимости от того, кто и с какой целью на нее смотрит. Для аналитика или конечного пользователя наибольший интерес представляет вопрос "что", а для разработчика - вопрос "как". В обоих случаях необходима возможность рассматривать систему на разных уровнях детализации в разное время.
Третий принцип: лучшие модели - те, что ближе к реальности.
Физическая модель здания, которая ведет себя не так, как изготовленная из реальных материалов, имеет лишь ограниченную ценность. Математическая модель самолета, для которой предполагаются идеальные условия работы и безупречная сборка, может и не обладать некоторыми характеристиками, присущими настоящему изделию, что в ряде случаев приводит к фатальным последствиям. Лучше всего, если ваши модели будут во всем соотноситься с реальностью, а там, где связь ослабевает, должно быть понятно, в чем заключается различие и что из этого следует. Поскольку модель всегда упрощает реальность, задача в том, чтобы это упрощение не повлекло за собой какие-либо существенные потери.
Возвращаясь к программному обеспечению, можно сказать, что "ахиллесова пята" структурного анализа - несоответствие принятой в нем модели и модели системного проекта. Если этот разрыв не будет устранен, то поведение созданной системы с течением времени начнет все больше отличаться от задуманного. При объектно-ориентированном подходе можно объединить все почти независимые представления системы в единое семантическое целое.
Четвертый принцип заключается в том, что нельзя ограничиваться созданием только одной модели. Наилучший подход при разработке любой нетривиальной системы - использовать совокупность нескольких моделей, почти независимых друг от друга.
Если вы конструируете здание, то никакой отдельный комплект чертежей не поможет вам прояснить до конца все детали. Понадобятся, как минимум, поэтажные планы, виды в разрезе, схемы электропроводки, центрального отопления и водопровода.
Ключевым определением здесь является "почти независимые". В данном контексте оно означает, что модели могут создаваться и изучаться по отдельности, но вместе с тем остаются взаимосвязанными. Например, можно изучать только схемы электропроводки проектируемого здания, но при этом наложить их на поэтажный план пола и даже рассмотреть совместно с прокладкой труб на схеме водоснабжения.
Такой подход верен и в отношении объектно-ориентированных программных систем. Для понимания архитектуры подобной системы требуется несколько взаимодополняющих видов: вид с точки зрения прецедентов, или вариантов использования (чтобы выявить требования к системе), с точки зрения проектирования (чтобы построить словарь предметной области и области решения), с точки зрения процессов (чтобы смоделировать распределение процессов и потоков в системе), вид с точки зрения реализации, позволяющий рассмотреть физическую реализацию системы, и вид с точки зрения развертывания, помогающий сосредоточиться на вопросах системного проектирования. Каждый из перечисленных видов имеет множество структурных и поведенческих аспектов, которые в своей совокупности составляют детальный чертеж программной системы.
В зависимости от природы системы некоторые модели могут быть важнее других. Так, при создании систем для обработки больших объемов данных более важны модели, обращающиеся к точке зрения статического проектирования. В приложениях, ориентированных на интерактивную работу пользователя, на первый план выходят представления с точки зрения статических и динамических прецедентов. В системах реального времени наиболее существенными будут представления с точки зрения динамических процессов. Наконец, в распределенных системах, таких как Web-приложения, основное внимание нужно уделять моделям реализации и развертывания.
Объектное моделирование
Инженеры-строители создают огромное количество моделей. Чаще всего это структурные модели, позволяющие визуализировать и специфицировать части системы и то, как они соотносятся друг с другом. Иногда, в особо критичных случаях, создаются также динамические модели - например, если надо изучить поведение конструкции при землетрясении. Эти два типа различаются по организации и по тому, на что в первую очередь обращается внимание при проектировании.
При разработке программного обеспечения тоже существует несколько подходов к моделированию. Важнейшие из них - алгоритмический и объектно-ориентированный.
Алгоритмический метод представляет традиционный подход к созданию программного обеспечения. Основным строительным блоком является процедура или функция, а внимание уделяется прежде всего вопросам передачи управления и декомпозиции больших алгоритмов на меньшие. Ничего плохого в этом нет, если не считать того, что системы не слишком легко адаптируются. При изменении требований или увеличении размера приложения (что происходит нередко) сопровождать их становится сложнее.
Наиболее современным подходом к разработке программного обеспечения является объектно-ориентированный. Здесь в качестве основного строительного блока выступает объект или класс. В самом общем смысле объект - это сущность, обычно извлекаемая из словаря предметной области или решения, а класс является описанием множества однотипных объектов. Каждый объект обладает идентичностью (его можно поименовать или как-то по-другому отличить от прочих объектов), состоянием (обычно с объектом бывают связаны некоторые данные) и поведением (с ним можно что-то делать или он сам может что-то делать с другими объектами).
В качестве примера давайте рассмотрим простую трехуровневую архитектуру биллинговой системы, состоящую из интерфейса пользователя, программного обеспечения промежуточного слоя и базы данных. Интерфейс содержит конкретные объекты - кнопки, меню и диалоговые окна. База данных также состоит из конкретных объектов, а именно таблиц, представляющих сущности предметной области: клиентов, продукты и заказы. Программы промежуточного слоя включают такие объекты, как транзакции и бизнес-правила, а также более абстрактные представления сущностей предметной области (клиентов, продуктов и заказов).
Объектно-ориентированный подход к разработке программного обеспечения является сейчас преобладающим просто потому, что он продемонстрировал свою полезность при построении систем в самых разных областях любого размера и сложности. Кроме того, большинство современных языков программирования, инструментальных средств и операционных систем являются в той или иной мере объектно-ориентированными, а это дает веские основания судить о мире в терминах объектов. Объектно-ориентированные методы разработки легли в основу идеологии сборки систем из отдельных компонентов; в качестве примера можно назвать такие технологии, как JavaBeans и СОМ+.
Если вы приняли объектно-ориентированный взгляд на мир, то придется ответить на ряд вопросов (см. главу 2). Какая структура должна быть у хорошей объектно-ориентированной архитектуры? Какие артефакты должны быть созданы в процессе работы над проектом? Кто должен создавать их? И наконец, как оценить результат?
Визуализация, специфицирование, конструирование и документирование объектно-ориентированных систем - это и есть назначение языка UML.
Часть I - Введение в процесс моделирования
|
