Файл: Основы проектирования программ. Этапы создания программного обеспечения (Каскадный цикл).pdf

Можно сказать, что в разбиении сложной проблемы на простые фрагменты и заключается цель всех методик проектирования. А термином «архитектура», в большинстве случаев, просто обозначают результат такого деления, плюс "некие конструктивные решения, которые после их принятия с трудом поддаются изменению" (Мартин Фаулер «Архитектура корпоративных программных приложений»). Поэтому большинство определений в той или иной форме сводятся к следующему:

"Архитектура идентифицирует главные компоненты системы и способы их взаимодействия. Также это выбор таких решений, которые интерпретируются как основополагающие и не подлежащие изменению в будущем."

"Архитектура — это организация системы, воплощенная в ее компонентах, их отношенияхмежду собой и с окружением.
Система — это набор компонентов, объединенных для выполнения определенной функции."

Таким образом, хорошая архитектура это, прежде всего, модульная/блочная архитектура. Чтобы получить хорошую архитектуру надо знать, как правильно делать декомпозицию системы. А значит, необходимо понимать — какая декомпозиция считается «правильной» и каким образом ее лучше проводить?

6. «Правильная» декомпозиция

1. Иерархическая
Не стоит сходу рубить приложение на сотни классов. Как уже говорилось, декомпозицию надо проводить иерархически — сначала систему разбивают на крупные функциональные модули/подсистемы, описывающие ее работу в самом общем виде. Затем, полученные модули, анализируются более детально и, в свою очередь, делятся на под-модули либо на объекты.

Перед тем как выделять объекты разделите систему на основные смысловые блоки хотя бы мысленно. Для небольших приложений двух уровней иерархии часто оказывается вполне достаточно — система вначале делится на подсистемы/пакеты, а пакеты делятся на классы.

Рисунок 4 – Схематичное представление декомпозиции

Эта мысль, при всей своей очевидности, не так банальна как кажется. Например, в чем заключается суть такого распространенного «архитектурного шаблона» как Модель-Вид-Контроллер (MVC)? Всего навсего в отделении представления от бизнес-логики, то есть в том, что любое пользовательское приложение вначале делится на два модуля — один из которых отвечает за реализацию собственно самой бизнес логики (Модель), а второй — за взаимодействие с пользователем (Пользовательский Интерфейс или Представление). Затем, для того чтобы эти модули могли разрабатываться независимо, связь между ними ослабляется с помощью паттерна «Наблюдатель» (подробно о способах ослабления связей будет рассказано дальше) и мы фактически получаем один из самых мощных и востребованных «шаблонов», которые используются в настоящее время.

Типичными модулями первого уровня (полученными в результате первого деления системы на наиболее крупные составные части) как раз и являются — «бизнес-логика», «пользовательский интерфейс», «доступ к БД», «связь с конкретным оборудованием или ОС».

Для обозримости на каждом иерархическом уровне рекомендуют выделять от 2 до 7 модулей.

2. Функциональная
Деление на модули/подсистемы лучше всего производить исходя из тех задач, которые решает система. Основная задача разбивается на составляющие ее подзадачи, которые могут решаться/выполняться независимо друг от друга. Каждый модуль должен отвечать за решение какой-то подзадачи и выполнять соответствующую ей функцию. Помимо функционального назначения модуль характеризуется также набором данных, необходимых ему для выполнения его функции, то есть:

Модуль = Функция + Данные, необходимые для ее выполнения.

Причем желательно, чтобы свою функцию модуль мог выполнить самостоятельно, без помощи остальных модулей, лишь на основе своих входящих данных.

Модуль — это не произвольный кусок кода, а отдельная функционально осмысленная и законченная программная единица (подпрограмма), которая обеспечивает решение некоторой задачи и в идеале может работать самостоятельно или в другом окружении и быть переиспользуемой. Модуль должен быть некой "целостностью, способной к относительной самостоятельности в поведении и развитии" (Кристофер Александер).

Таким образом, грамотная декомпозиция основывается, прежде всего, на анализе функций системы и необходимых для выполнения этих функций данных.

3. High Cohesion + Low Coupling
Самым же главным критерием качества декомпозиции является то, насколько модули сфокусированы на решение своих задач и независимы. Обычно это формулируют следующим образом: "Модули, полученные в результате декомпозиции, должны быть максимально сопряженны внутри (high internal cohesion) и минимально связанны друг с другом (low external coupling)."

• High Cohesion, высокая сопряженность или «сплоченность» внутри модуля, говорит о том, модуль сфокусирован на решении одной узкой проблемы, а не занимается выполнением разнородных функций или несвязанных между собой обязанностей. (Сопряженность — cohesion, характеризует степень, в которой задачи, выполняемые модулем, связаны друг с другом )
  
  Следствием High Cohesion является принцип единственной ответственности (Single Responsibility Principle — первый из пяти принципов SOLID), согласно которому любой объект/модуль должен иметь лишь одну обязанность и соответственно не должно быть больше одной причины для его изменения.
• Low Coupling, слабая связанность, означает что модули, на которые разбивается система, должны быть, по возможности, независимы или слабо связанны друг с другом. Они должны иметь возможность взаимодействовать, но при этом как можно меньше знать друг о друге (принцип минимального знания).
  
  Это значит, что при правильном проектировании, при изменении одного модуля, не придется править другие или эти изменения будут минимальными. Чем слабее связанность, тем легче писать/понимать/расширять/чинить программу.

Считается, что хорошо спроектированные модули должны обладать следующими свойствами:

• функциональная целостность и завершенность — каждый модуль реализует одну функцию, но реализует хорошо и полностью; модуль самостоятельно (без помощи дополнительных средств) выполняет полный набор операций для реализации своей функции.
• один вход и один выход — на входе программный модуль получает определенный набор исходных данных, выполняет содержательную обработку и возвращает один набор результатных данных, т.е. реализуется стандартный принцип IPO — вход–процесс–выход;
• логическая независимость — результат работы программного модуля зависит только от исходных данных, но не зависит от работы других модулей;
• слабые информационные связи с другими модулями — обмен информацией между модулями должен быть по возможности минимизирован.

Грамотная декомпозиция — это своего рода искусство и гигантская проблема для многих программистов. Простота тут очень обманчива, а ошибки обходятся очень дорого. Если выделенные модули оказываются сильно сцеплены друг с другом, если их не удается разрабатывать независимо или не ясно за какую конкретно функцию каждый из них отвечает, то стоит задуматься а правильно ли вообще производится деление. Должно быть понятно, какую роль выполняет каждый модуль. Самый же надежный критерий того, что декомпозиция делается правильно, это если модули получаются самостоятельными и ценными сами по себе подпрограммами, которые могут быть использованы в отрыве от всего остального приложения (а значит, могут быть переиспользуемы).

Делая декомпозицию системы желательно проверять ее качество задавая себе вопросы: "Какую функцию выполняет каждый модуль?", “Насколько модули легко тестировать?”, “Возможно ли использовать модули самостоятельно или в другом окружении?”, “Как сильно изменения в одном модуле отразятся на остальных?”

В первую очередь следует, конечно же, стремиться к тому, чтобы модули были предельно автономны. Как и было сказано, это является ключевым параметром правильной декомпозиции. Поэтому проводить ее нужно таким образом, чтобы модули изначально слабо зависели друг от друга. Но кроме того, имеется ряд специальных техник и шаблонов, позволяющих затем дополнительно минимизировать и ослабить связи между подсистемами. Например, в случае MVC для этой цели использовался шаблон «Наблюдатель», но возможны и другие решения. Можно сказать, что техники для уменьшения связанности, как раз и составляют основной «инструментарий архитектора». Только необходимо понимать, что речь идет о всех подсистемах и ослаблять связанность нужно на всех уровнях иерархии, то есть не только между классам, но также и между модулями на каждом иерархическом уровне.