Файл: Применение объектно-ориентированного подхода при проектировании информационной системы (Основные понятия, используемые в объектно-ориентированном подходе).pdf

Рост спроса на программные системы в наше время является следствием того, что по мере удешевления, повышения надежности и увеличения объема производства компьютеров автоматизация труда человека с помощью компьютера становится все более выгодной. Из года в год возрастает сложность и разнообразие систем, получивших в международной научно-технической практике название систем, интенсивно использующих программное обеспечение (Software Intensive Systems, SIS). Для разработок SIS типичны крупномасштабные проекты: десятки или сотни разработчиков, месяцы или годы разработки, огромные денежные средства.

Производство программного обеспечения в наше время является крупнейшей отраслью мировой экономики, в которой заняты миллионы специалистов, непосредственно производящих программные продукты или участвующие в этом процессе.

Накопленный к настоящему времени опыт создания программного обеспечения информационных систем показывает, что это сложная и трудоемкая работа, связанная с масштабами разработки, изменяющимися условиями внешних и внутренних факторов предметной области разработки, требующая высокой квалификации участвующих в ней специалистов.

Целью проектирования информационных систем (ИС) является обеспечение эффективного функционирования систем, а также взаимодействия пользователей и разработчиков ИС. Именно качественное проектирование обеспечивает создание такой системы, которая способна функционировать при постоянном совершенствовании ее технических, программных, информационных составляющих и расширять спектр реализуемых управленческих функций.

При проектировании информационных систем используется 2 подхода: функционально-модульный, являющийся частью более общего структурного подхода и объектно-ориентированный, использующий объектную декомпозицию. При этом структура системы описывается в терминах объектов и связей между ними, а поведение системы описывается в терминах обмена сообщениями между объектами.

1. СУЩНОСТЬ ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ПОДХОДА

Во второй части были выделены два наиболее популярных подхода (парадигмы) к анализу и проектированию информационных систем: структурный и объектно-ориентированный.

Первое отличие этих подходов друг от друга заключается в принципах декомпозиции и структурной организации элементов (компонентов, модулей) системы. Согласно этим принципам система представляет собой структуру, состоящую из четко выраженных модулей, связанных между собой определенными отношениями.

При использовании структурного подхода (первый вид декомпозиции) выполняется функциональная (процедурная, алгоритмическая) декомпозиция системы, т.е. она представляется в виде иерархии (дерева) взаимосвязанных функций. На высшем уровне система представляется единым целым с наивысшей степенью абстракции и по мере детализации (добавления уровней) разбивается на функциональные компоненты с более конкретным содержанием.

Второй вид декомпозиции – объектно-ориентированный. В рамках этого подхода система разбивается на набор объектов, соответствующих объектам реального мира, взаимодействующих между собой путем посылки сообщений.

Вторым отличием является объединение в объекте как атрибутивных данных (характеристики, свойства), так и поведения (функции, методы). В функционально-ориентированных системах функции и данные хранятся (существуют) отдельно.

Третье отличие двух подходов заключается в структурной организации внутри модулей системы. В структурном подходе модуль состоит из функций, иерархически связанных между собой отношением композиции (англ. Part of – часть-целое), т.е. функция состоит из подфункций, подфункция из подподфункций и т.д. В объектно-ориентированном подходе иерархия выстраивается с использованием двух отношений: композиции и наследования (англ. IS A – это есть). При этом в объектно-ориентированном подходе «объект-часть» может включаться сразу в несколько «объектов-целое». Таким образом, модуль в структурном подходе представляется в виде дерева, а в объектно-ориентированном подходе – в виде ориентированного графа, т.е. с помощью более общей структуры.

Структурный подход к анализу и проектированию систем, а также поддерживающие его методологии подробно рассмотрены во второй части. В третьей части основное внимание уделено проектированию информационных систем с использованием объектно-ориентированного подхода. Наиболее популярными методологиями, поддерживающими данный подход, в настоящий момент являются:

унифицированный процесс (Unified Process, UP);
экстремальное программирование (eXtreme Programming, XP);
гибкое моделирование (Agile Modeling, AM).

Базовым средством фиксации (документирования) результатов проектирования систем посредством этих методологий является Унифицированный язык моделирования (Unified Modeling Language, UML).

2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОМ ПОДХОДЕ

Термин «объект» или эквивалентные ему понятия появились практически независимо в различных областях, связанных с компьютерами, в процессе разработки [16]:

архитектуры компьютеров (Burroughs 5000, Plessey 250, IBM System/38, Intel 432);
объектно-ориентированных операционных систем (Plessey/System 250, Secure UNIX, StarOS, iMax);
объектно-ориентированных языков программирования (Simula, Smalltalk, Modula);
теории баз данных (модели «сущность-связь»);
систем искусственного интеллекта (фреймы).

При разработке программного обеспечения термин «объект» впервые был введен Оле-Джоаном Далем, Бьорном Мюрхогом и Кристеном Ныгардом из Норвежского вычислительного центра (г. Осло). Они разработали язык Simula 67, созданный на основе языка Algol-60 и предназначенный для моделирования и описания сложных систем. Однако по-настоящему широкое внедрение этой идеи произошло при разработке языка SmallTalk в 1990 г. Аланом Кейем из Исследовательского центра фирмы Xerox (г. Пало-Альто). В SmallTalk использовались только объектно-ориентированные конструкции.

Согласно [16, 25] объект – это абстракция реальной или воображаемой сущности с четко выраженными концептуальными границами, индивидуальностью (идентичностью), состоянием и поведением.

Абстракция (лат. abstractio – отвлечение) – форма познания, основанная на мысленном выделении существенных свойств и связей предмета и отвлечении от других, частных его свойств и связей [35]. При этом «существенное» и «частное» должны рассматриваться с точки зрения решаемой задачи (предметной области). В объектно-ориентированном подходе абстракция – это модель сущности, описывающая ее свойства и поведение.

Примерами реальных (физических, осязаемых) сущностей могут служить поезд, стрелочный перевод или инженер службы пути, а воображаемых – технология проведения капитального ремонта пути или оптимальная траектория движения поезда (режимы и скорость в зависимости от текущего положения поезда на участке).

Индивидуальность – это свойство сущности, с помощью которого ее можно отличить от других. Т. е., говоря об объекте «поезд», имеется в виду не обобщенное понятие поезд, как нечто состоящее из локомотивов и вагонов, а конкретный грузовой поезд с номером 1025, весом 4600 т, ведомый электровозом переменного тока ВЛ80Т с серийным номером 027, состоящий из четырехосных полувагонов с конкретными номерами и т. д. В то же время степень абстракции с точки зрения решаемой задачи может быть и более высокой. Например, при выполнении тяговых расчетов к графику движения поездов не требуется информация о серийных номерах локомотивов и вагонов, т. е. нет потребности в отличии друг от друга электровозов ВЛ80Т с серийными номерами 027 и 028.

Для концептуальной группировки однотипных объектов в объектно-ориентированном подходе используется понятие «класс». Класс – это множество объектов, имеющих общую структуру и поведение [16, 25]. Таким образом, класс – это шаблон, на основе которого генерируются (создаются) однотипные объекты. В качестве синонима понятия «объект» часто употребляют понятие «экземпляр класса».

Каждый класс и соответственно объект характеризуются строго определенным набором атрибутов и методов. Текущие значения атрибутов четко определяют текущее состояние объекта. Набор методов и их алгоритмическая реализация определяют поведение объекта (класса объектов).

Принципы проектирования, приведенные в части 1 пособия, в полной мере применимы и для объектно-ориентированных систем. Но говоря об объектно-ориентированном подходе, в первую очередь отмечают наследование, инкапсуляцию и полиморфизм. Эти механизмы и принципы проектирования более естественно и полно реализованы в объектно-ориентированном подходе по сравнению со структурным.

Наследование – принцип, в соответствии с которым знание об общей категории разрешается применять для более узкой. Применительно к классам это означает, что дочерний класс (узкая категория) полностью включает в себя (наследует) все атрибуты и методы, определенные в родительском классе (общей категории). При этом в дочернем классе могут быть определены дополнительные атрибуты и методы. Например, дочерний класс «круг» будет наследовать от родительского класса «геометрическая фигура» все атрибуты (x, у – координаты центра фигуры, color – цвет фона и т. д.) и все методы (draw() – нарисовать фигуру, move(dx, dy) – переместить фигуру и т. д.), а также иметь дополнительный атрибут (r – радиус).

Инкапсуляция (информационная закрытость) – принцип, в соответствии с которым содержание внутреннего устройства элементов системы должно быть скрыто друг от друга. Этот принцип предписывает обмен информацией между объектами системы только в минимально необходимом объеме, ограничение доступа к атрибутам и методам объектов (классов) со стороны других объектов (классов) и полное скрытие алгоритмической реализации методов от других объектов (классов).

Полиморфизм – принцип построения элементов модели так, чтобы они могли принимать различные внешние формы или функциональность (поведение) в зависимости от обстоятельств. Например, методы draw() (нарисовать) или calculateS() (рассчитать площадь) для классов «круг» и «ромб», определенных путем наследования атрибутов и методов родительского класса «фигура», алгоритмически должны быть реализованы по-разному.

С учетом приведенных выше определений сущность объектно-ориентированного подхода к анализу и проектированию информационных систем заключается в декомпозиции системы на классы, которые соответствуют однотипным объектам предметной области, и построении из них иерархии в виде ориентированного графа с использованием отношений композиции и наследования.

3. ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИС

Существует два основных подхода к разработке информационных систем, отличающихся критериями декомпозиции. Первый подход, – функционально-модульный, или структурный, определяется принципом алгоритмической декомпозиции. В соответствии с этим принципом осуществляется разделение функций ИС на модули по функциональной принадлежности, и каждый модуль реализует один из этапов общего процесса. Функционально-модульный подход к проектированию ИС, получивший название «модель водопада», предусматривает строго последовательный порядок действий. Главный недостаток такого подхода заключается в движении информации в одном направлении. Если при проектировании или эксплуатации возникает проблема, то она решается только на данной стадии проекта, не затрагивая предыдущих стадий. Недостаточная обратная связь приводит к ограниченным исправлениям, что, в свою очередь, приводит к деформированным реализациям. Ориентация на функционально-модульный подход увеличивает вероятность потери контроля над решением возникающих проблем.

Объектно-ориентированная технология проектирования ИС предоставляет мощную, гибкую, универсальную концептуальную основу для конструирования информационно-управляющих систем в различных областях хозяйственной деятельности и управления, сочетающую использование моделей современной логистики, объектного подхода к компонентам предметной области, современных инструментальных средств визуального программирования и СУБД с SQL-интерфейсом.

Объектно-ориентированная проектирования ИС в себя компоненты: