Контрактная модель программирования

Очень важным для абстрагирования понятием является понятие контрактной модели программирования. Введем несколько определений.

Клиентом называется любой объект, использующий ресурсы другого объекта (называемого сервером). Мы будем характеризовать поведение объекта услугами, которые он оказывает другим объектам, и операциями, которые он выполняет над другими объектами. Такой подход концентрирует внимание на внешних проявлениях объекта и приводит к идее, которую Мейер назвал контрактной моделью программирования: внешнее проявление объекта рассматривается с точки зрения его контракта с другими объектами, в соответствии с этим должно быть выполнено и его внутреннее устройство (часто во взаимодействии с другими объектами). Контракт фиксирует все обязательства, которые объект-сервер имеет перед объектом-клиентом. Другими словами, этот контракт определяет ответственность объекта - то поведение, за которое он отвечает.

Каждая операция, предусмотренная этим контрактом, однозначно определяется ее формальными параметрами и типом возвращаемого значения. Полный набор операций, которые клиент может осуществлять над другим объектом, вместе с правильным порядком, в котором эти операции вызываются, называется протоколом. Протокол отражает все возможные способы, которыми объект может действовать или подвергаться воздействию, полностью определяя тем самым внешнее.

Центральной идеей в контрактной модели программирования является понятие инварианта. Инвариант - это некоторое логическое условие, значение которого (истина или ложь) должно сохраняться. Для каждой операции объекта можно задать предусловия (инварианты предполагаемые операцией) и постусловия (инварианты, которым удовлетворяет операция). Изменение инварианта нарушает контракт, связанный с абстракцией. В частности, если нарушено предусловие, то клиент не соблюдает свои обязательства и сервер не может выполнить свою задачу правильно. Если же нарушено постусловие, то свои обязательства нарушил сервер, и клиент не может более ему доверять. В случае нарушения какого-либо условия возбуждается исключительная ситуация. Многие языки программирования имеют средства для работы с исключительными ситуациями: объекты могут возбуждать исключения, чтобы запретить дальнейшую обработку и предупредить о проблеме другие объекты, которые в свою очередь могут принять на себя перехват исключения и справиться с проблемой.

Инкапсуляция - это процесс отделения друг от друга элементов абстракции, определяющих ее устройство и поведение; инкапсуляция служит для того, чтобы изолировать контрактные обязательства абстракции от их реализации.

Абстракция и инкапсуляция дополняют друг друга: абстрагирование направлено на наблюдаемое поведение объекта, а инкапсуляция занимается внутренним устройством. Чаще всего инкапсуляция выполняется посредством скрытия информации, то есть маскировкой всех внутренних деталей, не влияющих на внешнее поведение объекта. Обычно скрываются и внутренняя структура объекта и реализация его методов. Необходима инкапсуляция для того, что бы та модель которую мы выражаем средствами языков моделирования и программирования была адекватной.

Рассмотрим пример растения. У растения существует такой атрибут как размер. Что может повлиять на размер? На размер могут повлиять количество солнечного света, количество воды, количество навоза наконец. Вы воздействуете на размер меняя количество того или другого из перечисленных параметров. Если Вы будете поливать цветок он будет расти. При этом, Вы не можете в реальном мире одним усилием мысли заставить цветок вырасти на два метра. Это нереально, так как только сам цветок представляет себе механизмы по которым меняется его размер. И было бы естественно, что бы и в программной модели цветка не было возможности менять размер цветка явно. Поэтому, мы спрячем атрибут – размер цветка в реализации, а в интерфейсе модели выставим в метод «ВоздействоватьНаРост» с такими параметрами как количество света, воды и навоза.

Скрытие информации - понятие относительное: то, что спрятано на одном уровне абстракции, обнаруживается на другом уровне. Забраться внутрь объектов можно; правда, обычно требуется, чтобы разработчик класса-сервера об этом специально позаботился, а разработчики классов-клиентов не поленились в этом разобраться. Инкапсуляция не спасает от глупости; она, как отметил Страуструп, "защищает от ошибок, но не от жульничества" Разумеется, язык программирования тут вообще ни при чем; разве что операционная система может ограничить доступ к файлам, в которых описаны реализации классов. На практике же иногда просто необходимо ознакомиться с реализацией класса, чтобы понять его назначение, особенно, если нет внешней документации.

Модульность - это свойство системы, которая была разложена на внутренне связные, но слабо связанные между собой модули.

По мнению Майерса "Разделение программы на модули до некоторой степени позволяет уменьшить ее сложность... Однако гораздо важнее тот факт, что внутри модульной программы создаются множества хорошо определенных и документированных интерфейсов. Эти интерфейсы неоценимы для исчерпывающего понимания программы в целом". В некоторых языках программирования, например в Smalltalk, модулей нет, и классы составляют единственную физическую основу декомпозиции. В других языках, включая Object Pascal, C++, Java модуль - это самостоятельная языковая конструкция. В этих языках классы и объекты составляют логическую структуру системы, они помещаются в модули, образующие физическую структуру системы. Это свойство становится особенно полезным, когда система состоит из многих сотен классов.

В большинстве языков, поддерживающих принцип модульности как самостоятельную концепцию, интерфейс модуля отделен от его реализации. Таким образом, модульность и инкапсуляция ходят рука об руку. В разных языках программирования модульность поддерживается по-разному. Например, в C++ модулями являются раздельно компилируемые файлы. Для C/C++ традиционным является помещение интерфейсной части модулей в отдельные файлы с расширением.h (так называемые файлы-заголовки). Реализация, то есть текст модуля, хранится в файлах с расширением.с (в программах на C++ часто используются расширения ср и.срр). Связь между файлами объявляется директивой макропроцессора #include. Такой подход строится исключительно на соглашении и не является строгим требованием самого языка. В языке Object Pascal принцип модульности формализован несколько строже. В этом языке определен особый синтаксис для интерфейсной части и реализации модуля (unit). В Java существуют так называемые package. Каждый package содержит себе несколько классов сгруппированных по некоторому логическому признаку.

Модульность, кроме облегчения поиска нужного описания, позволяет значительно ускорить процесс сборки проекта (естественно, для компиляторов поддерживающих раздельную компиляцию). Рассмотрим пример.

Естественно, все это накладывает очень жесткие ограничение на устойчивость интерфейсов, но задача формирования устойчивых интерфейсов задача проектирования вообще.

Абстракция - вещь полезная, но всегда, кроме самых простых ситуаций, число абстракций в системе намного превышает наши умственные возможности. Инкапсуляция позволяет в какой-то степени устранить это препятствие, убрав из поля зрения внутреннее содержание абстракций. Модульность также упрощает задачу, объединяя логически связанные абстракции в группы. Но этого оказывается недостаточно.

Значительное упрощение в понимании сложных задач достигается за счет образования из абстракций иерархической структуры. Определим иерархию следующим образом:

Иерархия - это упорядочение абстракций, расположение их по уровням.

Основными видами иерархических структур применительно к сложным системам являются структура классов (иерархия "is-a") и структура объектов (иерархия "part of").

Важным элементом объектно-ориентированных систем и основным видом иерархии "is-a" является упоминавшаяся выше концепция наследования. Наследование означает такое отношение между классами (отношение родитель/потомок), когда один класс заимствует структурную или функциональную часть одного или нескольких других классов (соответственно, одиночное и множественное наследование). Иными словами, наследование создает такую иерархию абстракций, в которой подклассы наследуют строение от одного или нескольких суперклассов. Часто подкласс достраивает или переписывает компоненты вышестоящего класса.

Семантически, наследование описывает отношение типа "is-a". Например, медведь есть млекопитающее, дом есть недвижимость и "быстрая сортировка" есть сортирующий алгоритм. Таким образом, наследование порождает иерархию "обобщение-специализация", в которой подкласс представляет собой специализированный частный случай своего суперкласса. "Лакмусовая бумажка" наследования - обратная проверка; так, если B не есть A, то B не стоит производить от A. Помимо одиночного наследования, примеры которого мы только что привели, существует еще один вариант наследования – множественное. В этом случае, некоторый класс допускает одновременно два обощения, например, яблоко можно рассматривать как фрукт и как цветок. То же самое можно сказать и о вишне. Еще один пример: рация является одновременно и приемником, и передатчиком.

Множественное наследование - вещь нехитрая, но оно осложняет реализацию языков программирования. Есть две проблемы - конфликты имен между различными суперклассами и повторное наследование. Первая проблема возникает тогда, когда в двух или большем числе суперклассов определено поле или операция с одинаковым именем. В C++ этот вид конфликта должен быть явно разрешен вручную, а в Smalltalk берется то, которое встречается первым. Вторая проблемы это повторное наследование. Повторное наследование, это когда класс наследует двум классам, а они порознь наследуют одному и тому же четвертому. Получается ромбическая структура наследования и надо решить, должен ли самый нижний класс получить одну или две отдельные копии самого верхнего класса? В некоторых языках повторное наследование запрещено, в других конфликт решается "волевым порядком", а в C++ это оставляется на усмотрение программиста.

Множественным наследованием часто злоупотребляют. Например, сладкая вата - это частный случай сладости, но никак не ваты. Применяйте ту же "лакмусовую бумажку": если B не есть A, то ему не стоит наследовать от A. Часто плохо сформированные структуры множественного наследования могут быть сведены к единственному суперклассу плюс агрегация других классов подклассом.

Если иерархия "is а" определяет отношение "обобщение/специализация", то отношение "part of" (часть-целое) вводит иерархию агрегации. Например человек-рука, огород-ростения.

Агрегация есть во всех языках, использующих структуры или записи, состоящие из разнотипных данных. Но в объектно-ориентированном программировании она обретает новую мощь: агрегация позволяет физически сгруппировать логически связанные структуры, а наследование с легкостью копирует эти общие группы в различные абстракции.

Понятие типа взято из теории абстрактных типов данных. Дойч определяет тип, как "точную характеристику свойств, включая структуру и поведение, относящуюся к некоторой совокупности объектов". Для наших целей достаточно считать, что термины тип и класс взаимозаменяемы. (На самом деле тип и класс не вполне одно и то же; в некоторых языках их различают. Например, ранние версии языка Trellis/Owl разрешали объекту иметь и класс, и тип. Даже в Smalltalk объекты классов SmallInteger, LargeNegativeInteger, LargePositiveInteger относятся к одному типу Integer, хотя и к разным классам. Большинству смертных различать типы и классы просто противно и бесполезно. Достаточно сказать, что класс реализует понятие типа).

Типизация - это способ защититься от использования объектов одного класса вместо другого (сильная типизация), или по крайней мере управлять таким использованием (слабая типизация).

Типизация заставляет нас выражать наши абстракции так, чтобы язык программирования, используемый в реализации, поддерживал соблюдение принятых проектных решений. Идея согласования типов занимает в понятии типизации центральное место. Например, возьмем физические единицы измерения. Деля расстояние на время, мы ожидаем получить скорость, а не вес. В умножении температуры на силу смысла нет, а в умножении расстояния на силу - есть. Наконец всех Вас еще в первом классе учили тому, что нельзя складывать яблоки и белок. Все это примеры сильной типизации, когда прикладная область накладывает правила и ограничения на использование и сочетание абстракций. Со слабой типизацией все несколько сложнее.

Слабая типизация очень тесно связана с понятием полиморфизма.

Полиморфизм - положение теории типов, согласно которому имена (например, переменных) могут обозначать объекты разных (но имеющих общего родителя) классов. Любой объект, обозначаемый полиморфным именем, может по-своему реагировать на некий общий набор операций.

Рассмотрим пример. Пускай у нас есть графический редактор. Окно редактора представляет собой некий контейнер, в котором находятся графические объекты. Все графические объекты (треугольник, прямоугольник, круг…) являются подклассами класса GraphicObject. Все это можно представить диаграммой классов (рис. 1.8)

Рисунок 1.8 Иерархия классов графического редактора

Как видно из диаграммы, окно графического редактора (класс Window) содержит (агрегирует) в себе графические объекты. Все, что класс Window знает о классах GraphicObject, так это только то, что графический объект умеет себя перерисовывать (для этого необходимо вызвать метод paint()). Класс Window не знает о существовании классов Circle, Rectangle и Triangle. (Такой подход позволяет добавлять в редактор новые виды графических объектов не изменяя реализацию класса Window. Далее, при рассмотрении паттернов проектирования, мы рассмотрим подобные приемы более подробно). Так вот, когда вам необходимо перерисовать окно редактора, Вы вызываете метод Window::repaint(). Его реализация может выглядить примерно, так:

Таким образом, объект класса Window, просто вызывает метод paint() для каждого агрегируемого объекта не заботять о том, как именно этот метод будет работать. Этот пример полиморфизма демонстрирует так же суть слабой типизации. Действительно, реальные объекты, находящиеся в векторе objects – это указатели на объекты классов Circle, Rectangle и Triangle. Описаны же они как указатели на объекты класса GraphicObjects (см. первую часть определения полиморфизма). Кроме того, объекты из objects по разному реагируют на одноименную операцию repaint() (круг, квадрат и треугольник для своего отображения действительно выполняют разные действия) (см. вторую часть определения полиморфизма и определения слабой типизации (об управлении использования объектов одного типа, вместо объектов другого типа)).

Есть задачи, в которых автоматические системы должны обрабатывать много событий одновременно. В других случаях потребность в вычислительной мощности превышает ресурсы одного процессора. В каждой из таких ситуаций естественно использовать несколько компьютеров для решения задачи или задействовать многозадачность на многопроцессорном компьютере. Процесс (поток управления) - это фундаментальная единица действия в системе. Каждая программа имеет по крайней мере один поток управления, параллельная система имеет много таких потоков: век одних недолог, а другие живут в течении всего сеанса работы системы. Реальная параллельность достигается только на многопроцессорных системах, а системы с одним процессором имитируют параллельность за счет алгоритмов разделения времени.

Кроме этого "аппаратного" различия, мы будем различать "тяжелую" и "легкую" параллельность по потребности в ресурсах. "Тяжелые" процессы управляются операционной системой независимо от других, и под них выделяется отдельное защищенное адресное пространство. "Легкие" сосуществуют в одном адресном пространстве. "Тяжелые" процессы общаются друг с другом через операционную систему, что обычно медленно и накладно. Связь "легких" процессов осуществляется гораздо проще, часто они используют одни и те же данные.

Многие современные операционные системы предусматривают прямую поддержку параллелизма, и это обстоятельство очень благоприятно сказывается на возможности обеспечения параллелизма в объектно-ориентированных системах. Например, системы UNIX предусматривают системный вызов fork, который порождает новый процесс. Системы Windows 32 (NT,2000,XP) - многопоточные; кроме того они обеспечивают программные интерфейсы для создания процессов и манипулирования с ними (см. CreateProcess).

Вообще говоря, возможности проектирования параллельности в объектно-ориентированных языках не сильно отличаются от любых других, - на нижних уровнях абстракции параллелизм и OOP развиваются совершенно независимо. С OOP или без, все традиционные проблемы параллельного программирования сохраняются. Действительно, создавать большие программы и так непросто, а если они еще и параллельные, то надо думать о возможном простое одного из потоков, неполучении данных, взаимной блокировке и т.д.

К счастью, на верхних уровнях OOP упрощает параллельное программирование для так как объектная модель неявно разбивает программу на (1) распределенные единицы и (2) сообщающиеся субъекты.

В то время, как объектно-ориентированное программирование основано на абстракции, инкапсуляции и наследовании, параллелизм главное внимание уделяет абстрагированию и синхронизации процессов. Объект есть понятие, на котором эти две точки зрения сходятся: каждый объект (полученный из абстракции реального мира) может представлять собой отдельный поток управления (абстракцию процесса). Такой объект называется активным. Для систем, построенных на основе OOD, мир может быть представлен, как совокупность взаимодействующих объектов, часть из которых является активной и выступает в роли независимых вычислительных центров. На этой основе дадим следующее определение параллелизма: Параллелизм - это свойство, отличающее активные объекты от пассивных.

Хотелось бы отметить, что большинство современных языков программирования в той или иной степени поддерживают параллелизм. Из распространенных языков, наиболее полная поддержка параллелизма присутствует в Java и C#. В С++ параллелизма как такового нет, но он достигается путем использования соответствующих библиотек.

Любой программный объект существует в памяти и живет во времени. Можно. предположить, что есть непрерывное множество продолжительности существования объектов: существуют объекты, которые присутствуют лишь во время вычисления выражения, но есть и такие, как базы данных, которые существуют независимо от программы. Этот спектр сохраняемости объектов охватывает:

Традиционно, первыми тремя уровнями занимаются языки программирования, а последними - базы данных. Этот конфликт культур приводит к неожиданным решениям: программисты разрабатывают специальные схемы для сохранения объектов в период между запусками программы, а конструкторы баз данных переиначивают свою технологию под короткоживущие объекты.

Унификация принципов параллелизма для объектов позволила создать параллельные языки программирования. Аналогичным образом, введение сохраняемости, как нормальной составной части объектного подхода приводит нас к объектно-ориентированным базам данных (OODB, object-oriented databases). На практике подобные базы данных строятся на основе проверенных временем моделей - последовательных, индексированных, иерархических, сетевых или реляционных, но программист может ввести абстракцию объектно-ориентированного интерфейса, через который запросы к базе данных и другие операции выполняются в терминах объектов, время жизни которых превосходит время жизни отдельной программы.

Языки программирования, как правило, не поддерживают понятия сохраняемости; примечательным исключением является Smalltalk, в котором есть протоколы для сохранения объектов на диске и загрузки с диска. Однако, записывать объекты в неструктурированные файлы - это все-таки наивный подход, пригодный только для небольших систем. Как правило, сохраняемость достигается применением (немногочисленных) коммерческих OODB. Другой вариант - создать объектно-ориентированную оболочку для реляционных СУБД; это лучше, в частности, для тех, кто уже вложил средства в реляционную систему.

Сохраняемость - это не только проблема сохранения данных. В OODB имеет смысл сохранять и классы, так, чтобы программы могли правильно интерпретировать данные. Это создает большие трудности по мере увеличения объема данных, особенно, если класс объекта вдруг потребовалось изменить.

В заключение определим сохраняемость следующим образом:

Сохраняемость - способность объекта существовать во времени, переживая породивший его процесс, и (или) в пространстве, перемещаясь из своего первоначального адресного пространства.

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: