Бьерн Страуструп. Язык программирования С Второе дополненное издание
 Скачать 2.87 Mb.
|
|
11.3.3 Шаги проектирования Рассмотрим проектирование отдельного класса. Обычно это не лучший метод. Понятия не существуют изолированно, наоборот, понятие определяется в связи с другими понятиями. Аналогично и класс не существует изолированно, а определяется совместно с множеством связанных между собой классов. Это множество часто называют библиотекой классов или компонентом. Иногда все классы компонента Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 292 образуют единую иерархию, иногда это не так (см. $$12.3). Множество классов компонента бывают объединены некоторым логическим условием, иногда это - общий стиль программирования или описания, иногда - предоставляемый сервис. Компонент является единицей проектирования, документации, права собственности и, часто, повторного использования. Это не означает, что если вы используете один класс компонента, то должны разбираться во всех и уметь применять все классы компонента или должны подгружать к вашей программе модули всех классов компонента. В точности наоборот, обычно стремятся обеспечить, чтобы использование класса вело к минимуму накладных расходов: как машинных ресурсов, так и человеческих усилий. Но для использования любого класса компонента нужно понимать логическое условие, которое его определяет (можно надеяться, что оно предельно ясно изложено в документации), понимать соглашения и стиль, примененный в процессе проектирования и описания компонента, и доступный сервис (если он есть). Итак, перейдем к способам проектирования компонента. Поскольку часто это непростая задача, имеет смысл разбить ее на шаги и, сконцентрировавшись на подзадачах, дать полное и последовательное описание. Обычно нет единственно правильного способа разбиения. Тем не менее, ниже приводится описание последовательности шагов, которая пригодилась в нескольких случаях: [1] Определить понятие / класс и установить основные связи между ними. [2] Уточнить определения классов, указав набор операций для каждого. [a] Провести классификацию операций. В частности уточнить необходимость построения, копирования и уничтожения. [b] Убедиться в минимальности, полноте и удобстве. [3] Уточнить определения классов, указав их зависимость от других классов. [a] Наследование. [b] Использование зависимостей. [4] Определить интерфейсы классов. [a] Поделить функции на общие и защищенные. [b] Определить точный тип операций класса. Отметим, что это шаги итеративного процесса. Обычно для получения проекта, который можно уверенно использовать для первичной реализации или повторной реализации, нужно несколько раз проделать последовательность шагов. Одним из преимуществ глубокого анализа и предложенной здесь абстракции данных оказывается относительная легкость, с которой можно перестроить взаимоотношения классов даже после программирования каждого класса. Хотя это никогда не бывает просто. Далее следует приступить к реализации классов, а затем вернуться, чтобы оценить проект, исходя из опыта реализации. Рассмотрим эти шаги в отдельности. 11.3.3.1 Шаг 1: определение классов Определите понятия/классы и установите основные связи между ними. Главное в хорошем проекте - прямо отразить какое-либо понятие "реальности", т.е. уловить понятие из области приложения классов, представить взаимосвязь между классами строго определенным способом, например, с помощью наследования, и повторить эти действия на разных уровнях абстракции. Но как мы можем уловить эти понятия? Как на практике решить, какие нам нужны классы? Лучше поискать ответ в самой области приложения, чем рыться в программистском хранилище абстракций и понятий. Обратитесь к тому, кто стал экспертом по работе в некогда сделанной системе, а также к тому, кто стал критиком системы, пришедшей ей на смену. Запомните выражения того и другого. Часто говорят, что существительные играют роль классов и объектов, используемых в программе, это действительно так. Но это только начало. Далее, глаголы могут представлять операции над объектами или обычные (глобальные) функции, вырабатывающие новые значения, исходя из своих параметров, или даже классы. В качестве примера можно рассматривать функциональные объекты, описанные в Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 293 $$10.4.2. Такие глаголы, как "повторить" или "совершить" (commit) могут быть представлены итеративным объектом или объектом, представляющим операцию выполнения программы в базах данных. Даже прилагательные можно успешно представлять с помощью классов, например, такие, как "хранимый", "параллельный", "регистровый", "ограниченный". Это могут быть классы, которые помогут разработчику или программисту, задав виртуальные базовые классы, специфицировать и выбрать нужные свойства для классов, проектируемых позднее. Лучшее средство для поиска этих понятий / классов – грифельная доска, а лучший метод первого уточнения - это беседа со специалистами в области приложения или просто с друзьями. Обсуждение необходимо, чтобы создать начальный жизнеспособный словарь терминов и понятийную структуру. Мало кто может сделать это в одиночку. Обратитесь к [1], чтобы узнать о методах подобных уточнений. Не все классы соответствуют понятиям из области приложения. Некоторые могут представлять ресурсы системы или абстракции периода реализации (см. $$12.2.1). Взаимоотношения, о которых мы говорим, естественно устанавливаются в области приложения или (в случае повторных проходов по шагам проектирования) возникают из последующей работы над структурой классов. Они отражают наше понимание основ области приложения. Часто они являются классификацией основных понятий. Пример такого отношения: машина с выдвижной лестницей есть грузовик, есть пожарная машина, есть движущееся средство. В $$11.3.3.2 и $$11.3.3.5 предлагается некоторая точка зрения на классы и иерархию классов, если необходимо улучшить их структуру. 11.3.3.2 Шаг 2: определение набора операций Уточните определения классов, указав набор операций для каждого. В действительности нельзя разделить процессы определения классов и выяснения того, какие операции для них нужны. Однако, на практике они различаются, поскольку при определении классов внимание концентрируется на основных понятиях, не останавливаясь на программистских вопросах их реализации, тогда как при определении операций прежде всего сосредотачивается на том, чтобы задать полный и удобный набор операций. Часто бывает слишком трудно совместить оба подхода, в особенности, учитывая, что связанные классы надо проектировать одновременно. Возможно несколько подходов к процессу определения набора операций. Предлагаем следующую стратегию: [1] Рассмотрите, каким образом объект класса будет создаваться, копироваться (если нужно) и уничтожаться. [2] Определите минимальный набор операций, который необходим для понятия, представленного классом. [3] Рассмотрите операции, которые могут быть добавлены для удобства записи, и включите только несколько действительно важных. [4] Рассмотрите, какие операции можно считать тривиальными, т.е. такими, для которых класс выступает в роли интерфейса для реализации производного класса. [5] Рассмотрите, какой общности именования и функциональности можно достигнуть для всех классов компонента. Очевидно, что это - стратегия минимализма. Гораздо проще добавлять любую функцию, приносящую ощутимую пользу, и сделать все операции виртуальными. Но, чем больше функций, тем больше вероятность, что они не будут использоваться, наложат определенные ограничения на реализацию и затруднят эволюцию системы. Так, функции, которые могут непосредственно читать и писать в переменную состояния объекта из класса, вынуждают использовать единственный способ реализации и значительно сокращают возможности перепроектирования. Такие функции снижают уровень абстракции от понятия до его конкретной реализации. К тому же добавление функций добавляет работы программисту и даже разработчику, когда он вернется к проектированию. Гораздо легче включить в интерфейс еще одну функцию, как только установлена потребность в ней, чем удалить ее оттуда, когда уже она стала привычной. Причина, по которой мы требуем явного принятия решения о виртуальности данной функции, не оставляя его на стадию реализации, в том, что, объявив функцию виртуальной, мы существенно Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 294 повлияем на использование ее класса и на взаимоотношения этого класса с другими. Объекты из класса, имеющего хотя бы одну виртуальную функцию, требуют нетривиального распределения памяти, если сравнить их с объектами из таких языков как С или Фортран. Класс с хотя бы одной виртуальной функцией по сути выступает в роли интерфейса по отношению к классам, которые "еще могут быть определены", а виртуальная функция предполагает зависимость от классов, которые "еще могу быть определены" (см. $$12.2.3) Отметим, что стратегия минимализма требует, пожалуй, больших усилий со стороны разработчика. При определении набора операций больше внимания следует уделять тому, что надо сделать, а не тому, как это делать. Иногда полезно классифицировать операции класса по тому, как они работают с внутренним состоянием объектов: - Базовые операции: конструкторы, деструкторы, операции копирования. - Селекторы: операции, не изменяющие состояния объекта. - Модификаторы: операции, изменяющие состояние объекта. - Операции преобразований, т.е. операции порождающие объект другого типа, исходя из значения (состояния) объекта, к которому они применяются. - Повторители: операции, которые открывают доступ к объектам класса или используют последовательность объектов. Это не есть разбиение на ортогональные группы операций. Например, повторитель может быть спроектирован как селектор или модификатор. Выделение этих групп просто предназначено помочь в процессе проектирования интерфейса класса. Конечно, допустима и другая классификация. Проведение такой классификации особенно полезно для поддержания непротиворечивости между классами в рамках одного компонента. В языке С++ есть конструкция, помогающая заданию селекторов и модификаторов в виде функции- члена со спецификацией const и без нее. Кроме того, есть средства, позволяющие явно задать конструкторы, деструкторы и функции преобразования. Операция копирования реализуется с помощью операций присваивания и конструкторов копирования. 11.3.3.3 Шаг 3: указание зависимостей Уточните определение классов, указав их зависимости от других классов. Различные виды зависимостей обсуждаются в $$12.2. Основными по отношению к проектированию следует считать отношения наследования и использования. Оба предполагают понимание того, что значит для класса отвечать за определенное свойство системы. Отвечать за что-либо не означает, что класс должен содержать в себе всю информацию, или, что его функции-члены должны сами проводить все необходимые операции. Как раз наоборот, каждый класс, имеющий определенный уровень ответственности, организует работу, перепоручая ее в виде подзадач другим классам, которые имеют меньший уровень ответственности. Но надо предостеречь, что злоупотребление этим приемом приводит к неэффективным и плохо понимаемым проектам, поскольку происходит размножение классов и объектов до такой степени, что вместо реальной работы производится только серия запросов на ее выполнение. То, что можно сделать в данном месте, следует сделать. Необходимость учесть отношения наследования и использования на этапе проектирования (а не только в процессе реализации) прямо вытекает из того, что классы представляют определенные понятия. Отсюда также следует, что именно компонент (т.е. множество связанных классов), а не отдельный класс, являются единицей проектирования. 11.3.3.4 Шаг 4: определение интерфейсов Определите интерфейсы классов. На этой стадии проектирования не нужно рассматривать приватные функции. Вопросы реализации, возникающие на стадии проектирования, лучше всего обсуждать на шаге 3 при рассмотрении различных зависимостей. Более того, существует золотое правило: если класс не допускает по крайней мере двух существенно отличающихся реализаций, то что-то явно не в Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 295 порядке с этим классом, это просто замаскированная реализация, а не представление абстрактного понятия. Во многих случаях для ответа на вопрос: "Достаточно ли интерфейс класса независим от реализации?"- надо указать, возможна ли для класса схема ленивых вычислений. Отметим, что общие базовые классы и друзья (friend) являются частью общего интерфейса класса (см. $$5.4.1 и $$12.4). Полезным упражнением может быть определение раздельного интерфейса для классов-наследников и всех остальных классов с помощью разбиения интерфейса на общую и закрытые части. Именно на этом шаге следует продумать и описать точные определения типов аргументов. В идеале желательно иметь максимальное число интерфейсов со статическими типами, относящимися к области приложения (см. $$12.1.3 и $$12.4). При определении интерфейсов следует обратить внимание на те классы, где набор операций представлен более, чем на одном уровне абстракции. Например, в классе file у некоторых функций- членов аргументы имеют тип file_descriptor (дескриптор_файла), а у других аргументы - строка символов, которая обозначает имя файла. Операции с file_descriptor работают на другом уровне (меньшем) абстракции, чем операции с именем файла, так что даже странно, что они относятся к одному классу. Возможно, было бы лучше иметь два класса: один представляет понятие дескриптора файла, а другой - понятие имени файла. Обычно все операции класса должны представлять понятия одного уровня абстракции. Если это не так, то стоит подумать о реорганизации и его, и связанных с ним классов. 11.3.3.5 Перестройка иерархии классов Шаги 1 и 3 требуют исследования классов и их иерархии, чтобы убедиться, что они адекватно отвечают нашим требованиям. Обычно это не так, и приходится проводить перестройку для улучшения структуры, проекта или реализации. Самая типичная перестройка иерархии классов состоит в выделении общей части двух классов в новый класс или в разбиении класса на два новых. В обоих случаях в результате получится три класса: базовый класс и два производных. Когда следует проводить такую перестройку? Каковы общие показания, что такая перестройка будет полезной? К сожалению нет простого и универсального ответа на эти вопросы. Это и не удивительно, поскольку то, что предлагается, не является мелочью при реализации, а изменяет основные понятия системы. Важной и нетривиальной задачей является поиск общности среди классов и выделение общей части. Нет точного определения общности, но следует обращать внимание на общность для понятий системы, а не просто для удобства реализации. Указаниями, что два класса имеют нечто общее, что возможно выделить в общий базовый класс, служат схожие способы использования, сходство наборов операций, сходство реализаций и просто тот факт, что часто в процессе обсуждения проекта оба класса появляются одновременно. С другой стороны, если есть несколько наборов операций класса с различными способами использования, если эти наборы обеспечивают доступ к раздельным подмножествам объектов реализации, и, если класс возникает в процессе обсуждения несвязанных тем, то этот класс является явным кандидатом для разбиения на части. В силу тесной связи между понятиями и классами проблемы перестройки иерархии классов высвечиваются на поверхности проблем именования классов и использования имен классов в процессе обсуждения проекта. Если имена классов и их упорядоченность, задаваемая иерархией классов, кажутся неудобными при обсуждении проекта, значит, по всей видимости, есть возможность улучшения иерархии. Заметим, что подразумевается, что анализ иерархии классов лучше проводить не в одиночку. Если вы оказались в таком положении, когда не с кем обсудить проект, хорошим выходом будет попытаться составить учебное описание системы, используя имена классов. 11.3.3.6 Использование моделей Когда пишешь статью, пытаешься найти подходящую для темы модель. Нужно не бросаться сразу печатать текст, а поискать статьи на сходные темы, вдруг найдется такая, которая может послужить отправной точкой. Если ею окажется моя собственная статья, то можно будет использовать даже куски из нее, изменяя по мере надобности другие части, и вводить новую информацию только там, где требует логика предмета. Таким образом, исходя из первого издания, написана эта книга. Предельный Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 296 случай такого подхода - это написание открытки-формуляра, где просто нужно указать имя и, возможно, добавить пару строк для придания "личного" отношения. По сути такие открытки пишутся с указанием отличия от стандарта. Во всех видах творческой деятельности использование существующих систем в качестве моделей для новых проектов является скорее правилом, а не исключением. Всегда, когда это возможно, проектирование и программирование должны основываться на предыдущих работах. Это сокращает степени свободы для разработчика и позволяет сосредоточить внимание на меньшем числе вопросов в заданное время. Начать большой проект "практически с нуля" - это может возбуждать, но правильнее будет употребить термин "опьянение", которое приведет к "пьяному блужданию" в множестве вариантов. Построение модели не накладывает каких-либо ограничений и не означает покорного следования ей, это просто освобождает разработчика от некоторых вопросов. Заметим, что на самом деле использование моделей неизбежно, поскольку каждый проект синтезируется из опыта его разработчиков. Лучше, когда использование модели является явно сформулированным решением, тогда все допущения делаются явно, определяется общий словарь терминов, появляется начальный каркас проекта и увеличивается вероятность того, что у разработчиков есть общий подход. Естественно, что выбор начальной модели является важным решением, и обычно оно принимается только после поиска потенциальных моделей и тщательной оценки вариантов. Более того, во многих случаях модель подходит только при условии понимания того, что потребуются значительные изменения для воплощения ее идей в иной области приложения. Но проектирование программного обеспечения – тяжелый труд, и надо использовать любую помощь. Не следует отказываться от использования моделей из-за неоправданного пренебрежения к имитации. Имитация - не что иное, как форма искреннего восхищения, а, с учетом права собственности и авторского права, использование моделей и предшествующих работ в качестве источника вдохновения - допустимый способ для всех новаторских работ во всех видах деятельности. То, что было позволено Шекспиру, подходит и для нас. Некоторые обозначают использование моделей в процессе проектирования как "проектирование повторного использования". |