Место моделирования в проектировании больших программных систем. Моделируемые аспекты программных систем

 

 

1. Место моделирования в проектировании больших программных систем. Моделируемые аспекты программных систем.

Моделирование программных систем позволяет:

• 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.

Логичность и формализованность компьютерных моделей позволяет выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемого объекта-оргинала (или целого класса объектов), в частности, исследовать отклик моделируемой физической системы на изменения ее параметров и начальных условий.

Различают аналитическое и имитационное моделирование. При аналитическом моделировании изучаются абстрактные модели реального объекта в виде математических уравнений, а также предусматривающих осуществление однозначной вычислительной процедуры, приводящей к их точному решению. При имитационном моделировании исследуются математические модели в виде алгоритма(ов), воспроизводящего функционирование исследуемой системы путем последовательного выполнения большого количества элементарных операций.

Система моделей включает описание процессов, функций, потоков, данных и других статических и динамических аспектов функционирования системы.

Моделируемые аспекты программных  систем

• Вид с точки зрения прецедентов (Use case view) охватывает прецеденты, которые описывают поведение системы, наблюдаемое конечными пользователями, аналитиками и тестировщиками. В языке UML статические аспекты этого вида передаются диаграммами прецедентов, а динамические - диаграммами взаимодействия, состояний и действий.
• Вид с точки зрения проектирования (Design view) охватывает классы, интерфейсы и кооперации, формирующие словарь задачи и ее решения. Этот вид поддерживает прежде всего функциональные требования, предъявляемые к системе, то есть те услуги, которые она должна предоставлять конечным пользователям. Статические аспекты этого вида можно передавать диаграммами классов и объектов, а динамические - диаграммами взаимодействия, состояний и действий.
• Вид с точки зрения процессов (Process view) охватывает нити и процессы, формирующие механизмы параллелизма и синхронизации в системе. Этот вид описывает производительность и пропускную способность системы. Статические и динамические аспекты визуализируются теми же диаграммами, что и для вида с точки зрения проектирования, но особое внимание уделяется активным классам, которые представляют нити и процессы.
• Вид с точки зрения реализации (Implementation view) охватывает компоненты и файлы, используемые для сборки и выпуска конечного программного продукта. Этот вид предназначен для управления конфигурацией  системы, составляемой из независимых компонентов и файлов. Статические аспекты передают с помощью диаграмм компонентов, а динамические - с помощью диаграмм взаимодействия, состояний и действий.
• Вид с точки зрения развертывания (Deployment view) охватывает узлы, формирующие топологию аппаратных средств системы, на которой она выполняется. В первую очередь он связан с распределением, поставкой и установкой частей, составляющих физическую систему. Его статические аспекты описываются диаграммами развертывания, а динамические - диаграммами взаимодействия, состояний и действий.

 

2. Основные понятия объектно-ориентированного подхода к проектированию программ. Абстрагирование. Ограничение доступа. Модульность. Иерархия.

Преимущества объектной модели:

• В полной мере используются возможности языков программирования
• Повышается уровень унификации разработки и пригодность для повторного использования
• Система строится на основе стабильных промежуточных описаний, что упрощает внесение изменений
• Уменьшается риск разработки
• Единственная методология позволяющая справиться со сложностью очень больших систем

Абстракция:

• Абстракция выделяет существенные характеристики некоторого объекта, отличающие его от всех других видов объектов и, таким образом, четко определяет его концептуальные границы с точки зрения наблюдателя
• Абстракция разделяет смысл и реализацию объекта

Инкапсуляция:

• Инкапсуляция реализует абстракцию, скрывая внутреннюю структуру объекта и предоставляя вовне только внешнее поведение – интерфейс, соответствующий принятому уровню абстракции
• Абстракция и инкапсуляция дополняют друг друга: абстрагирование направлено на наблюдаемое поведение объекта, а инкапсуляция занимается внутренним устройством
• Данные и методы могут иметь модификаторы public, private  и protected определяющие степень доступности.

Модульность:

• Это свойство системы, которая была разложена на внутренне связные, но слабо связанные между собой модули
• Модули выполняют роль физических контейнеров, в которые помещаются определения классов и объектов
• Принципы абстрагирования, инкапсуляции и модульности являются взаимодополняющими

Иерархия:

• Это упорядочение абстракций, расположение их по уровням.
• Значительное упрощение в понимании сложных задач достигается за счет образования из абстракций иерархической структуры
• Один из видов иерархии – концепция наследования «обобщение-специализация» (is-a)
• Другой вид иерархии – агрегация (part-of)

 

3. Основные понятия объектно-ориентированного подхода к проектированию программ. Понятие класса. Понятие объекта. Инкапсуляция данных и методов.

Класс является описываемой на языке терминологии (пространства имён) исходного кода моделью ещё не существующей сущности (объекта). Фактически он описывает устройство объекта, являясь своего рода чертежом. Говорят, что объект — это экземпляр класса. Обычно классы разрабатывают таким образом, чтобы их объекты соответствовали объектам предметной области. Класс представляет набор объектов, которые обладают общей структурой и одинаковым поведением. Поведение выражается в терминах состояния объекта (изменения состояний) и в передаче сообщений.

Типы объектов:

• Актер (действующее лицо) – объект может воздействовать на другие объекты, но сам никогда не подвергается воздействию других объектов
• Сервер – объект может только подвергаться воздействию со стороны других объектов
• Агент – Может выступать как в активной, так и пассивной роли

Связи объектов:

• Связи по информационному взаимодействию (по данным)
• Связи по управлению (вызываются методы другого объекта)
• Связи по иерархии наследования

Отношения между классами:

• Ассоциация - семантическая (смысловая) связь без объяснения ее реализации; фиксируются участники ассоциации, их роли в ассоциации, мощность отношения; возможны три мощности ассоциации – один-к-одному, один-ко-многим, многие-ко-многим
• Наследование
• Агрегация: либо физическое включение одного класса в другой (внутренний класс), либо концептуальное вхождение одного класса в другой  (контейнер)
• Использование данных одного объекта для работы другого и методов одного объекта для реализации поведения другого
• Инстанцирование - построение параметризированного класса (шаблона), который может параметризироваться другими классами, объектами или методами
• Метакласс - это класс, экземпляры которого есть классы

Инкапсуляция — это свойство системы, позволяющее объединить данные и методы, работающие с ними в классе, и скрыть детали реализации от пользователя. Данные и методы могут иметь модификаторы public, private  и protected определяющие степень доступности.

 

 

4. Основные понятия объектно-ориентированного подхода к проектированию программ. Роль наследования в ООП.

Наследование:

• При наследовании один класс заимствует структурную или функциональную часть одного или нескольких других классов
• Наследование основано на иерархии классов
• Наследование упрощает выражение абстракций, делает проект более выразительным
• Дочерние классы наследуют свойства одного или нескольких родителей

Одиночное наследование:

При одиночном наследовании один или несколько классов наследуют свойства ТОЛЬКО ОДНОГО родительского класса.

Множественное наследование:

Абстрактные классы – обязательно должны иметь наследников и не имеют экземпляров.

 

 

 

5. Основные понятия объектно-ориентированного подхода к проектированию программ. Свойство полиморфизма.

Полиморфизм – возможность объектов с одинаковой спецификацией иметь различную реализацию. Он позволяет писать более абстрактные программы и повысить коэффициент повторного использования кода. Общие свойства объектов объединяются в систему - класс. Общность имеет внешнее и внутреннее выражение:

• внешняя общность проявляется как одинаковый набор методов с одинаковыми именами и сигнатурами (именами методов, типами аргументов и их количеством);
• внутренняя общность — одинаковая функциональность методов. Её можно описать интуитивно или выразить в виде строгих законов, правил, которым должны подчиняться методы. Возможность приписывать разную функциональность одному методу называется перегрузкой метода.

Полиморфизм:

• Одно и то же имя может означать объекты разных ТИПОВ
• Полиморфизм реализует адаптивное поведение класса
• Полиморфизм реализует динамическое связывание объектов

 

6. Основные понятия объектно-ориентированного подхода к проектированию программ. Понятие типизации.

Типизация:

• Это точная характеристика свойств, включая структуру и поведение, относящаяся к некоторой совокупности объектов
• Позволяет в программных системах проводить целый ряд проверок и согласований
• Строгая типизация предотвращает смешивание абстракций

Процесс проверки и накладывания ограничений  типов — контроля типов, может выполняться во время компилирования (статическая проверка) или во время выполнения (динамическая проверка).

• Статическая типизация — контроль типов осуществляется при компиляции.
• Динамическая типизация — контроль типов осуществляется во время выполнения.

Контроль типов также может  быть строгим и слабым.

• Строгая типизация — совместимость типов автоматически контролируется транслятором:

• Номинативная типизация — совместимость должна быть явно указана (наследована) при определении типа.
• Структурная типизация — совместимость определяется структурой самого типа (типами элементов, из которых построен составной тип).

• Слабая типизация — совместимость типов никак транслятором не контролируется. В языках со слабой типизацией обычно используется подход под названием «утиная типизация» — когда совместимость определяется и реализуется общим интерфейсом доступа к данным типа.

 

7. Назначение и основные свойства языка UML

UML – это язык для визуализации, специфицирования, конструирования и документирования артефактов программных систем.

Артефакт — это любой созданный  искусственно элемент программной  системы.

1. Визуализация:

• Результаты обсуждения проекта и принятые решения воплощаются в виде понятных для всех схем
• Улучшается понимание всеми участниками проекта поставленной задачи
• При смене разработчиков принятые решения в виде модели не меняются

2. Специфицирование:

• Специфицируются важнейшие характеристики системы
• Спецификации охватывают различные точки зрения на систему
• Спецификации согласуются между собой

3. Конструирование:

• Модели могут быть переведены на различные языки программирования – прямое проектирование
• Программы на языках программирования могут быть реконструированы в модель – обратное проектирование

4. Документирование:

• Требования к системе;
• Архитектура;
• Проект;
• Исходный код;
• Проектный план;
• Тест;
• Прототип;
• Версия;
• И др.

Язык UML предназначен для решения  следующих задач:

• Предоставить легко воспринимаемый и выразительный язык визуального моделирования.
• Предоставить возможность расширения и специализации для более точного представления моделей систем в конкретной предметной области.
• Поддержка спецификации моделей, не зависящей от конкретных языков программирования и инструментальных средств проектирования программных систем.
• Семантический базис для понимания общих особенностей ООАП (объектно-ориентированнного анализа и проектирования).
• Поощрение развития рынка объектных инструментальных средств.
• Распространение объектных технологий и соответствующих понятий ООАП.
• Интеграция в себя новейших достижений практики ООАП.

 

 

 

8. Язык UML. Понятия сущности, отношения, диаграммы.

Словарь UML включает три вида строительных блоков: