Бьерн Страуструп. Язык программирования С Второе дополненное издание
 Скачать 2.87 Mb.
|
|
ГЛАВА 11. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ "Серебряной пули не существует." - Ф. Брукс В этой главе обсуждаются подходы к разработке программного обеспечения. Обсуждение затрагивает как технические, так и социологические аспекты процесса развития программного обеспечения. Программа рассматривается как модель реальности, в которой каждый класс представляет определенное понятие. Ключевая задача проектирования состоит в определении доступной и защищенной частей интерфейса класса, исходя из которых определяются различные части программы. Определение этих интерфейсов есть итеративный процесс, обычно требующий экспериментирования. Упор делается на важной роли проектирования и организационных факторов в процессе развития программного обеспечения. 11.1 Введение Создание любой нетривиальной программной системы - сложная и часто выматывающая задача. Даже для отдельного программиста собственно запись операторов программы есть только часть всей работы. Обычно анализ всей задачи, проектирование программы в целом, документация, тестирование, сопровождение и управление всем этим затмевает задачу написания и отладки отдельных частей программы. Конечно, можно все эти виды деятельности обозначить как "программирование" и затем вполне обоснованно утверждать: "Я не проектирую, я только программирую". Но как бы не назывались отдельные виды деятельности, бывает иногда важно сосредоточиться на них по отдельности, так же как иногда бывает важно рассмотреть весь процесс в целом. Стремясь поскорее довести систему до поставки, нельзя упускать из вида ни детали, ни картину в целом, хотя довольно часто происходит именно это. Эта глава сосредоточена на тех частях процесса развития программы, которые не связаны с написанием и отладкой отдельных программных фрагментов. Обсуждение здесь менее точное и детальное, чем во всех остальных частях книги, где рассматриваются конкретные черты языка или определенные приемы программирования. Это неизбежно, поскольку нет готовых рецептов создания хороших программ. Детальные рецепты "как" могут существовать только для определенных, хорошо разработанных областей применения, но не для достаточно широких областей приложения. В программировании не существует заменителей разума, опыта и вкуса. Следовательно, в этой главе вы найдете только общие рекомендации, альтернативные подходы и осторожные выводы. Сложность данной тематики связана с абстрактной природой программ и тем фактом, что приемы, применимые для небольших проектов (скажем, программа в 10000 строк, созданная одним или двумя людьми), не распространяются на средние или большие проекты. По этой причине иногда мы приводим примеры из менее абстрактных инженерных дисциплин, а не только из программирования. Не преминем напомнить, что "доказательство по аналогии" является мошенничеством, и аналогии служат здесь только в качестве примера. Понятия проектирования, формулируемые с помощью определенных конструкций С++, и поясняемые примерами, мы будем обсуждать в главах 12 и 13. Предложенные в этой главе рекомендации, отражаются как в самом языке С++, так и в решении конкретных программных задач по всей книге. Снова напомним, что в силу чрезвычайного разнообразия областей применения, программистов и среды, в которой развивается программная система, нельзя ожидать, что каждый вывод, сделанный здесь, будет прямо применим для вашей задачи. Эти выводы применимы во многих самых разных случаях, но их нельзя считать универсальными законами. Смотрите на них со здоровой долей скептицизма. Язык С++ можно просто использовать как лучший вариант С. Однако, поступая так, мы не используем наиболее мощные возможности С++ и определенные приемы программирования на нем, так что реализуем лишь малую долю потенциальных достоинств С++. В этой главе излагается такой подход к проектированию, который позволяет полностью использовать возможности абстрактных данных и средства объектного программирования С++. Такой подход обычно называют объектно- ориентированным проектированием. В главе 12 обсуждаются основные приемы программирования на С++, там же содержится предостережение от сомнительных идей, что есть только один "правильный" способ использования С++, и что для получения максимального выигрыша следует всякое средство Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 284 С++ применять в любой программе ($$12.1). Укажем некоторые основные принципы, рассматриваемые в этой главе: - из всех вопросов, связанных с процессом развития программного обеспечения, самый важный - четко сознавать, что собственно вы пытаетесь создать. - Успешный процесс развития программного обеспечения - это длительный процесс. - Системы, которые мы создаем, стремятся к пределу сложности по отношению как к самим создателям, так и используемым средствам. - Эксперимент является необходимой частью проекта для разработки всех нетривиальных программных систем. - Проектирование и программирование - это итеративные процессы. - Различные стадии проекта программного обеспечения, такие как: проектирование, программирование и тестирование - невозможно строго разделить. - Проектирование и программирование нельзя рассматривать в отрыве от вопросов управления этими видами деятельности. Недооценить любой из этих принципов очень легко, но обычно накладно. В то же время трудно воплотить эти абстрактные идеи на практике. Здесь необходим определенный опыт. Подобно построению лодки, езде на велосипеде или программированию проектирование - это искусство, которым нельзя овладеть только с помощью теоретических занятий. Может быть все эти емкие принципы можно сжать в один: проектирование и программирование - виды человеческой деятельности; забудь про это - и все пропало. Слишком часто мы забываем про это и рассматриваем процесс развития программного обеспечения просто как "последовательность хорошо определенных шагов, на каждом из которых по заданным правилам производятся некоторые действия над входными данными, чтобы получить требуемый результат". Сам стиль предыдущего предложения выдает присутствие человеческой природы! Эта глава относится к проектам, которые можно считать честолюбивыми, если учитывать ресурсы и опыт людей, создающих систему. Похоже, это в природе как индивидуума, так и организации - браться за проекты на пределе своих возможностей. Если задача не содержит определенный вызов, нет смысла уделять особое внимание ее проектированию. Такие задачи решаются в рамках уже устоявшейся структуры, которую не следует разрушать. Только если замахиваются на что-то амбициозное, появляется потребность в новых, более мощных средствах и приемах. Кроме того, существует тенденция у тех, кто "знает как делать", перепоручать проект новичкам, которые не имеют таких знаний. Не существует "единственного правильного способа" для проектирования и создания всей системы. Я бы считал веру в "единственный правильный способ" детской болезнью, если бы этой болезнью слишком часто не заболевали и опытные программисты. Напомним еще раз: только по той причине, что прием успешно использовался в течение года для одного проекта, не следует, что он без всяких изменений окажется столь же полезен для другого человека или другой задачи. Всегда важно не иметь предубеждений. Убеждение в том, что нет единственно верного решения, пронизывает весь проект языка С++, и, в основном, по этой причине в первом издании книги не было раздела, посвященного проектированию: я не хотел, чтобы его рассматривали как "манифест" моих личных симпатий. По этой же причине здесь, как и в главах 12 и 13, нет четко определенного взгляда на процесс развития программного обеспечения, скорее здесь просто дается обсуждение определенного круга, часто возникающих, вопросов и предлагаются некоторые решения, оказавшиеся полезными в определенных условиях. За этим введением следует краткое обсуждение целей и средств развития программного обеспечения в $$11.2, а дальше глава распадается на две основных части: - $$11.3 содержит описание процесса развития программного обеспечения. - $$11.4 содержит некоторые практические рекомендации по организации этого процесса. Взаимосвязь между проектированием и языком программирования обсуждается в главе 12, а глава 13 посвящена вопросам проектирования библиотек для С++. Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 285 Очевидно, большая часть рассуждений относится к программным проектам большого объема. Читатели, которые не участвуют в таких разработках, могут сидеть спокойно и радоваться, что все эти ужасы их миновали, или же они могут выбрать вопросы, касающиеся только их интересов. Нет нижней границы размера программы, начиная с которой имеет смысл заняться проектированием прежде, чем начать писать программу. Однако все-таки есть нижняя граница, начиная с которой можно использовать какие-либо методы проектирования. Вопросы, связанные с размером, обсуждаются в $$11.4.2. Труднее всего в программных проектах бороться с их сложностью. Есть только один общий способ борьбы со сложностью: разделяй и властвуй. Если задачу удалось разделить на две подзадачи, которые можно решать в отдельности, то можно считать ее решенной за счет разделения более, чем наполовину. Этот простой принцип применим для удивительно большого числа ситуаций. В частности, использование модулей или классов при разработке программных систем позволяет разбить программу на две части: часть реализации и часть, открытую пользователю – которые связаны между собой (в идеале) вполне определенным интерфейсом. Это основной, внутренне присущий программированию, принцип борьбы со сложностью. Подобно этому и процесс проектирования программы можно разбить на отдельные виды деятельности с четко определенным (в идеале) взаимодействием между людьми, участвующими в них. Это основной, внутренне присущий проектированию, принцип борьбы со сложностью и подход к управлению людьми,занятыми в проекте. В обоих случаях выделение частей и определение интерфейса между частями - это то место, где требуется максимум опыта и чутья. Такое выделение не является чисто механическим процессом, обычно оно требует проницательности, которая может появиться только в результате досконального понимания системы на различных уровнях абстракции (см. $$11.3.3, $$12.2.1 и $$13.3). Близорукий взгляд на программу или на процесс разработки программного обеспечения часто приводит к дефектной системе. Отметим, что как программы, так и программистов разделить просто. Труднее достигнуть эффективного взаимодействия между участниками по обе стороны границы, не нарушая ее и не делая взаимодействие слишком жестким. Здесь предложен определенный подход к проектированию, а не полное формальное описание метода проектирования. Такое описание выходит за предметную область книги. Подход, предложенный здесь, можно применять с различной степенью формализации, и он может служить базой для различных формальных спецификаций. В тоже время нельзя считать эту главу рефератом, и здесь не делается попытка рассмотреть каждую тему, относящуюся к процессу разработки программ или изложить каждую точку зрения. Это тоже выходит за предметную область книги. Реферат по этой тематике можно найти в [2]. В этой книге используется достаточно общая и традиционная терминология. Самые "интересные" термины, как: проектирование, прототип, программист - имеют в литературе несколько определений, часто противоречащих друг другу, поэтому предостерегаем вас от того, чтобы, исходя из принятых в вашем окружении определений терминов, вы не вынесли из книги то, на что автор совершенно не рассчитывал. 11.2 Цели и средства Цель программирования - создать продукт, удовлетворяющий пользователя. Важнейшим средством для достижении этой цели является создание программы с ясной внутренней структурой и воспитание коллектива программистов и разработчиков, имеющих достаточный опыт и мотивацию, чтобы быстро и эффективно реагировать на все изменения. Почему это так? Ведь внутрення структура программы и процесс, с помощью которого она получена, в идеале никак не касаются конечного пользователя. Более того, если конечный пользователь почему-то интересуется тем, как написана программа, то что-то с этой программой не так. Почему, несмотря на это, так важны структура программы и люди, ее создавшие? В конце концов конечный пользователь ничего об этом не должен знать. Ясная внутренняя структура программы облегчает: - тестирование, - переносимость, - сопровождение, - расширение, Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 286 - реорганизацию и - понимание. Главное здесь в том, что любая удачная большая программа имеет долгую жизнь, в течение которой над ней работают поколения программистов и разработчиков, она переносится на новую машину, приспосабливается к непредусмотренным требованиям и несколько раз перестраивается. Во все время жизни необходимо в приемлемое время и с допустимым числом ошибок выдавать версии программы. Не планировать все это - все равно, что запланировать неудачу. Отметим, что, хотя в идеальном случае случае пользователи не должны знать внутреннюю структуру системы, на практике они обычно хотят ее знать. Например, пользователь может желать познакомиться в деталях с разработкой системы с целью научиться контролировать возможности и надежность системы на случай переделок и расширений. Если рассматриваемый программный продукт есть не полная система, а набор библиотек для получения программных систем, то пользователь захочет узнать побольше "деталей", чтобы они служили источником идей и помогали лучше использовать библиотеку. Нужно уметь очень точно определить объем проектирования программы. Недостаточный объем приводит к бесконечному срезанию острых углов ("побыстрее передадим систему, а ошибку устраним в следующей версии"). Избыточный объем приводит к усложненному описанию системы, в котором существенное теряется в формальностях, в результате чего при реорганизации программы получение работающей версии затягивается ("новая структура намного лучше старой, пользователь согласен ждать ради нее"). К тому же возникают такие потребности в ресурсах, которые непозволительны для большинства потенциальных пользователей. Выбор объема проектирования - самый трудный момент в разработке, именно здесь проявляется талант и опыт. Выбор трудно сделать и для одного программиста или разработчика, но он еще труднее для больших задач, где занято много людей разного уровня квалификации. Организация должна создавать программный продукт и сопровождать его, несмотря на изменения в штате, в направлении работы или в управляющей структуре. Распространенный способ решения этих проблем заключался в попытке сведения процесса создания системы к нескольким относительно простым задачам, укладывающимся в жесткую структуру. Например, создать группу легко обучаемых (дешевых) и взаимозаменяемых программистов низкого уровня ("кодировщиков") и группу не таких дешевых, но взаимозаменяемых (а значит также не уникальных) разработчиков. Считается, что кодировщики не принимают решений по проектированию, а разработчики не утруждают себя "грязными" подробностями кодирования. Обычно такой подход приводит к неудаче, а где он срабатывает, получается слишком громоздкая система с плохими характеристиками. Недостатки такого подхода состоят в следующем: - слабое взаимодействие между программистами и разработчиками приводит к неэффективности, промедлению, упущенным возможностям и повторению ошибок из-за плохого учета и отсутствия обмена опытом; - сужение области творчества разработчиков приводит к слабому профессиональному росту, безынициативности, небрежности и большой текучести кадров. По сути, подобные системы - это бесполезная трата редких человеческих талантов. Создание структуры, в рамках которой люди могут найти применение разным талантам, овладеть новым родом деятельности и участвовать в творческой работе - это не только благородное дело, но и практичное, коммерчески выгодное предприятие. С другой стороны, нельзя создать систему, представить документацию по ней и бесконечно ее сопровождать без некоторой жесткой организационной структуры. Для чисто новаторского проекта хорошо начать с того, что просто найти лучших специалистов и позволить им решать задачу в соответствии с их идеями. Но по мере развития проекта требуется все больше планирования, специализации и строго определенного взаимодействия между занятыми в нем людьми. Под строго определенным понимается не математическая или автоматически верифицируемая запись (хотя это безусловно хорошо там, где возможно и применимо), а скорее набор указаний по записи, именованию, документации, тестированию и т.п. Но и здесь необходимо чувство меры. Слишком жесткая структура может мешать росту и затруднять совершенствование. Здесь подвергается проверке талант и опыт менеджера. Для отдельного работника аналогичная проблема сводится к определению, где нужно Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 287 проявить смекалку, а где действовать по рецептам. Можно рекомендовать планировать не на период до выдачи следующей версии системы, а на более долгий срок. Строить планы только до выпуска очередной версии - значит планировать неудачу. Нужно иметь организацию и стратегию развития программного обеспечения, которые нацелены на создание и поддержание многих версий разных систем, т.е. нужно многократное планирование успеха. Цель проектирования в выработке ясной и относительно простой внутренней структуры программы, называемой иногда архитектурой, иными словами каркаса, в который укладываются отдельные программные фрагменты, и который помогает написанию этих фрагментов. Проект - конечный результат процесса проектирования (если только бывает конечный продукт у итеративного процесса). Он является средоточием взаимодействий между разработчиком и программистом и между программистами. Здесь необходимо соблюсти чувство меры. Если я, как отдельный программист, проектирую небольшую программу, которую собираюсь написать завтра, то точность и полнота описания проекта может свестись к нескольким каракулям на обратной стороне конверта. На другом полюсе находится система, над которой работают сотни программистов и разработчиков, и здесь могут потребоваться тома тщательно составленных спецификаций проекта на формальном или полуформальном языке. Определение нужной степени точности, детализации и формальности проектирования является уже само по себе нетривиальной технической и административной задачей. Далее будет предполагаться, что проект системы записывается как ряд определений классов (в которых частные описания опущены как лишние детали) и взаимоотношений между ними. Это упрощение, т.к. конкретный проект может учитывать: вопросы параллельности, использование глобального пространства имен, использование глобальных функций и данных, построение программы для минимизации перетрансляции, устойчивость, многомашинный режим и т.п. Но при обсуждении на данном уровне детализации без упрощения не обойтись, а классы в контексте С++ являются ключевым понятием проектирования. Некоторые из указанных вопросов будут обсуждаться ниже, а те, которые прямо затрагивают проектирование библиотек С++, будут рассмотрены в главе 13. Более подробное обсуждение и примеры определенных методов объектно-ориентированного проектирования содержатся в [2]. Мы сознательно не проводили четкого разделения анализа и проектирования, поскольку обсуждение их различий выходит за рамки этой книги, и оно зависит от применяемых методов проектирования. Главное в том, чтобы выбрать метод анализа, подходящий для метода проектирования, и выбрать метод проектирования, подходящий для стиля программирования и используемого языка. |