Бьерн Страуструп. Язык программирования С Второе дополненное издание
 Скачать 2.87 Mb.
|
|
ГЛАВА 12. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И С++ Стремись к простоте, максимальной простоте, но не сверх того. - А. Эйнштейн Эта глава посвящена связи между проектированием и языком программирования С++. В ней исследуется применение классов при проектировании и указываются определенные виды зависимостей, которые следует выделять как внутри класса, так и между классами. Изучается роль статического контроля типов. Исследуется применение наследования и связь наследования и принадлежности. Обсуждается понятие компонента и даются некоторые образцы для интерфейсов. 12.1 Проектирование и язык программирования. Если бы мне надо было построить мост, то я серьезно подумал бы, из какого материала его строить, и проект моста сильно зависел бы от выбранного материала, а, следовательно, разумные проекты каменного моста отличаются от разумных проектов металлического моста или от разумных проектов деревянного моста и т.д. Не стоит рассчитывать на выбор подходящего для моста материала без определенных знаний о материалах и их использовании. Конечно, вам не надо быть специалистом плотником для проектирования деревянного моста, но вы должны знать основы конструирования из дерева, чтобы предпочесть его металлу в качестве материала для моста. Более того, хотя для проектирования деревянного моста вы и не должны быть специалистом плотником, вам необходимо достаточно детально знать свойства дерева и еще больше знать о плотниках. Аналогично, при выборе языка программирования для определенного программного обеспечения надо знать несколько языков, а для успешного проектирования программы надо достаточно детально знать выбранный язык реализации, даже если вам лично не предстоит написать ни одной строчки программы. Хороший проектировщик моста ценит свойства используемых им материалов и применяет их для улучшения проекта. Аналогично, хороший разработчик программ использует сильные стороны языка реализации и, насколько возможно, стремится избежать такого его использования, которое вызовет трудности на стадии реализации. Можно подумать, что так получается естественным образом, если в проектировании участвует только один разработчик или программист, однако даже в этом случае программист в силу недостатка опыта или из-за неоправданной приверженности к стилю программирования, рассчитанному на совершенно другие языки, может сбиться на неверное использование языка. Если разработчик существенно отличается от программиста, особенно если у них разная программистская культура, возможность появления в окончательной версии системы ошибок, неэффективных и неэлегантных решений почти наверняка превратится в неизбежность. Итак, чем может помочь разработчику язык программирования? Он может предоставить такие языковые средства, которые позволят выразить прямо на языке программирования основные понятия проекта. Тогда облегчается реализация, проще поддерживать ее соответствие проекту, проще организовать общение между разработчиками и программистами, и появляется возможность создать более совершенные средства как для разработчиков, так и для программистов. Например, многие методы проектирования уделяют значительное внимание зависимостям между различными частями программы (обычно с целью их уменьшения и гарантии того, что эти части будут понятны и хорошо определены). Язык, допускающий явное задание интерфейсов между частями программы, может помочь в этом вопросе разработчикам. Он может гарантировать, что действительно будут существовать только предполагаемые зависимости. Поскольку большинство зависимостей явно выражено в программе на таком языке, можно разработать средства, читающие программу и выдающие графы зависимостей. В этом случае разработчику и другим исполнителям легче уяснить структуру программы. Такие языки программирования как С++ помогают сократить разрыв между проектом и программой, а значит уменьшают возможность путаницы и недопониманий. Базовое понятие С++ - это класс. Класс имеет определенный тип. Кроме того, класс является первичным средством упрятывания информации. Можно описывать программы в терминах пользовательских типов и иерархий этих типов. Как встроенные, так и пользовательские типы подчиняются правилам статического контроля типов. Виртуальные функции предоставляют, не нарушая Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 307 правил статических типов, механизм связывания на этапе выполнения. Шаблоны типа позволяют создавать параметризованные типы. Особые ситуации позволяют сделать регулярной реакцию на ошибки. Все эти средства С++ можно использовать без дополнительных накладных расходов в сравнении с программой на С. Таковы главнейшие средства С++, которые должен представлять и учитывать разработчик. Кроме того, существенно повлиять на принятие решений на стадии проектирования может наличие доступных больших библиотек следующего назначения: для работы с матрицами, для связи с базами данных, для поддержки параллельного программирования, графические библиотеки и т.д. Страх перед новизной, непригодный здесь опыт работы на других языках, в других системах или областях приложения, бедные средства проектирования - все это приводит к неоптимальному использованию С++. Следует отметить три момента, когда разработчику не удается извлечь выгоду из возможностей С++ и учесть ограничения языка: [1] Игнорирование классов и составление проекта таким образом, что программистам приходится ограничиваться только С. [2] Игнорирование производных классов и виртуальных функций, использование только подмножества абстрактных данных. [3] Игнорирование статического контроля типов и составление проекта таким образом, что программисты вынуждены применять динамические проверки типов. Обычно указанные моменты возникают у разработчиков, связанных с: [1] C, или традиционной системой CASE или методами структурного проектирования; [2] Адой или методами проектирования с помощью абстракции данных; [3] языками, близкими Smalltalk или Lisp. каждом случае следует решить: неправильно выбран язык реализации (считая, что метод проектирования выбран верно), или разработчику не удалось приспособиться и оценить язык (считая, что язык реализации выбран верно). Следует сказать, что нет ничего необычного или позорного в таком расхождении. Просто это расхождение, которое приведет к неоптимальному проекту, возложит дополнительную работу на программистов, а в случае, когда структура понятий проекта значительно беднее структуры языка С++, то и на самих разработчиков. Отметим, что необязательно все программы должны структурироваться опираясь на понятия классов и (или) иерархий классов, и необязательно всякая программа должна использовать все средства, предоставляемые С++. Как раз наоборот, для успеха проекта необходимо, чтобы людям не навязывали использование языковых средств, с которыми они только познакомились. Цель последующего изложения не в том, чтобы навязать догматичное использование классов, иерархий и строго типизированных интерфейсов, а в том, чтобы показать возможности их использования всюду, где позволяет область приложения, ограничения С++ и опыт исполнителей. В $$12.1.4 будут рассмотрены подходы к различному использованию С++ в проекте под заголовком "Проект-гибрид". 12.1.1 Игнорирование классов Рассмотрим первый из указанных моментов - игнорирование классов. В таком случае получившаяся программа на С++ будет приблизительно эквивалентна С-программе, разработанной по тому же проекту, и, можно сказать, что они будут приблизительно эквивалентны программам на Аде или Коболе, разработанным по нему же. По сути проект составлен как независящий от языка реализации, что принуждает программиста ограничиваться общим подмножеством языков С, Ада или Кобол. Здесь есть свои преимущества. Например, получившееся в результате строгое разделение данных и программного кода позволяет легко использовать традиционные базы данных, которые разработаны для таких программ. Поскольку используется ограниченный язык программирования, от программистов требуется меньше опытности (или, по крайней мере другой ее уровень). Для многих приложений, например, для традиционных баз данных, работающих с файлом последовательно, такой подход вполне разумен, а традиционные приемы, отработанные за десятилетия, вполне адекватны задаче. Однако там, где область приложения существенно отличается от традиционной последовательной обработки записей (или символов), или сложность задачи выше, как, например, в диалоговой системе CASE, недостаток языковой поддержки абстрактных данных из-за отказа от классов (если их не Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 308 учитывать) повредит проекту. Сложность задачи не уменьшится, но, поскольку система реализована на обедненном языке, структура программы плохо будет отвечать проекту. У нее слишком большой объем, не хватает проверки типов, и, вообще, она плохо приспособлена для использования различных вспомогательных средств. Это путь, приводящий к кошмарам при ее сопровождении. Обычно для преодоления указанных трудностей создают специальные средства, поддерживающие понятия, используемые в проекте. Благодаря им создаются конструкции более высокого уровня и организуются проверки с целью компенсировать дефекты (или сознательное обеднение) языка реализации. Так метод проектирования становится самоцелью, и для него создается специальный язык программирования. Такие языки программирования в большинстве случаев являются плохой заменой широко распространенных языков программирования общего назначения, которые сопровождаются подходящими средствами проектирования. Использовать С++ с таким ограничением, которое должно компенсироваться при проектировании специальными средствами, бессмысленно. Хотя несоответствие между языком программирования и средствами проектирования может быть просто стадией процесса перехода, а значит временным явлением. Самой типичной причиной игнорирования классов при проектировании является простая инерция. Традиционные языки программирования не предоставляют понятия класса, и в традиционных методах проектирования отражаются этот недостаток. Обычно в процессе проектирования наибольшее внимание уделяется разбиению задачи на процедуры, производящие требуемые действия. В главе 1 это понятие называлось процедурным программированием, а в области проектирования оно именуется как функциональная декомпозиция. Возникает типичный вопрос "Можно ли использовать С++ совместно с методом проектирования, базирующимся на функциональной декомпозиции?" Да, можно, но, вероятнее всего, в результате вы придете к использованию С++ как просто улучшенного С со всеми указанными выше проблемами. Это может быть приемлемо на период перехода на новый язык, или для уже завершенного проектирования, или для подзадач, в которых использование классов не дает существенных выгод (если учитывать опыт программирования на С++ к данному моменту), но в общем случае на большом отрезке времени отказ от свободного использования классов, связанный с методом функциональной декомпозиции, никак не совместим с эффективным использованием С++. Процедурно-ориентированный и объектно-ориентированный подходы к программированию различаются по своей сути и обычно ведут к совершенно разным решениям одной задачи. Этот вывод верен как для стадии реализации, так и для стадии проектирования: вы концентрируете внимание или на предпринимаемых действиях, или на представляемых сущностях, но не на том и другом одновременно. Тогда почему метод объектно-ориентированного проектирования предпочтительнее метода функциональной декомпозиции? Главная причина в том, что функциональная декомпозиция не дает достаточной абстракции данных. А отсюда уже следует, что проект будет - менее податливым к изменениям, - менее приспособленным для использования различных вспомогательных средств, - менее пригодным для параллельного развития и - менее пригодным для параллельного выполнения. Дело в том, что функциональная декомпозиция вынуждает объявлять "важные" данные глобальными, поскольку, если система структурирована как дерево функций, всякое данное, доступное двум функциям, должно быть глобальным по отношению к ним. Это приводит к тому, что "важные" данные "всплывают" к вершине дерева, по мере того как все большее число функций требует доступа к ним. В точности так же происходит в случае иерархии классов с одним корнем, когда "важные" данные всплывают по направлению к базовому классу. Когда мы концентрируем внимание на описаниях классов, заключающих определенные данные в оболочку, то зависимости между различными частями программы выражены явно и можно их проследить. Еще более важно то, что при таком подходе уменьшается число зависимостей в системе за счет лучшей расстановки ссылок на данные. Однако, некоторые задачи лучше решаются с помощью набора процедур. Смысл "объектно- ориентированного" проектирования не в том, чтобы удалить все глобальные процедуры из программы или не иметь в системе процедурно-ориентированных частей. Основная идея скорее в том, что классы, Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 309 а не глобальные процедуры становятся главным объектом внимания на стадии проектирования. Использование процедурного стиля должно быть осознанным решением, а не решением, принимаемым по умолчанию. Как классы, так и процедуры следует применять сообразно области приложения, а не просто как неизменные методы проектирования. 12.1.2 Игнорирование наследования Рассмотрим вариант 2 - проект, который игнорирует наследование. В этом случае в окончательной программе просто не используются возможности основного средства С++, хотя и получаются определенные выгоды при использовании С++ по сравнению с использованием языков С, Паскаль, Фортран, Кобол и т.п. Обычные доводы в пользу этого, помимо инерции, утверждения, что "наследование - это деталь реализации", или "наследование препятствует упрятыванию информации", или "наследование затрудняет взаимодействие с другими системами программирования". Считать наследование всего лишь деталью реализации – значит игнорировать иерархию классов, которая может непосредственно моделировать отношения между понятиями в области приложения. Такие отношения должны быть явно выражены в проекте, чтобы дать возможность разработчику продумать их. Сильные доводы можно привести в пользу исключения наследования из тех частей программы на С++, которые непосредственно взаимодействуют с программами, написанными на других языках. Но это не является достаточной причиной, чтобы отказаться от наследования в системе в целом, это просто довод в пользу того, чтобы аккуратно определить и инкапсулировать программный интерфейс с "внешним миром". Аналогично, чтобы избавиться от беспокойства, вызванного путаницей с упрятыванием информации при наличии наследования, надо осторожно использовать виртуальные функции и закрытые члены, но не отказываться от наследования. Существует достаточно много ситуаций, когда использование наследования не дает явных выгод, но политика "никакого наследования" приведет к менее понятной и менее гибкой системе, в которой наследование "подделывается" с помощью более традиционных конструкций языка и проектирования. Для больших проектов это существенно. Более того, вполне возможно, что несмотря на такую политику, наследование все равно будет использоваться, поскольку программисты, работающие на С++, найдут убедительные доводы в пользу проектирования с учетом наследования в различных частях системы. Таким образом, политика "никакого наследования" приведет лишь к тому, что в системе будет отсутствовать целостная общая структура, а использование иерархии классов будет ограничено определенными подсистемами. Иными словами, будьте непредубежденными. Иерархия классов не является обязательной частью всякой хорошей программы, но есть масса ситуаций, когда она может помочь как в понимании области приложения, так и в формулировании решений. Утверждение, что наследование может неправильно или чрезмерно использоваться, служит только доводом в пользу осторожности, а вовсе не в пользу отказа от него. 12.1.3 Игнорирование статического контроля типов Рассмотрим вариант 3, относящийся к проекту, в котором игнорируется статический контроль типов. Распространенные доводы в пользу отказа на стадии проектирования от статического контроля типов сводятся к тому, что "типы - это продукт языков программирования", или что "более естественно рассуждать об объектах, не заботясь о типах", или "статический контроль типов вынуждает нас думать о реализации на слишком раннем этапе". Такой подход вполне допустим до тех пор, пока он работает и не приносит вреда. Вполне разумно на стадии проектирования не заботиться о деталях проверки типов, и часто вполне допустимо на стадии анализа и начальных стадиях проектирования полностью забыть о вопросах, связанных с типами. В то же время, классы и иерархии классов очень полезны на стадии проектирования, в частности, они дают нам большую определенность понятий, позволяют точно задать взаимоотношения между понятиями и помогают рассуждать о понятиях. По мере развития проекта эта определенность и точность преобразуется во все более конкретные утверждения о классах и их интерфейсах. Важно понимать, что точно определенные и строго типизированные интерфейсы являются фундаментальным средством проектирования. Язык С++ был создан как раз с учетом этого. Строго Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 310 типизированный интерфейс гарантирует, что только совместимые части программы могут быть скомпилированы и скомпонованы воедино, и тем самым позволяет делать относительно строгие допущения об этих частях. Эти допущения обеспечиваются системой типов языка. В результате сводятся к минимуму проверки на этапе выполнения, что повышает эффективность и приводит к значительному сокращению фазы интеграции частей проекта, реализованных разными программистами. Реальный положительный опыт интеграции системы со строго типизированными интерфейсами привел к тому, что вопросы интеграции вообще не фигурируют среди основных тем этой главы. Рассмотрим следующую аналогию: в физическом мире мы постоянно соединяем различные устройства, и существует кажущееся бесконечным число стандартов на соединения. Главная особенность этих соединений: они специально спроектированы таким образом, чтобы сделать невозможным соединение двух устройств, нерассчитанных на него, то есть соединение должно быть сделано единственным правильным способом. Вы не можете подсоединить электробритву к розетке с высоким напряжением. Если бы вы смогли сделать это, то сожгли бы бритву или сгорели сами. Масса изобретательности была проявлена, чтобы добиться невозможности соединения двух несовместимых устройств. Альтернативой одновременного использования нескольких несовместимых устройств может послужить такое устройство, которое само себя защищает от несовместимых с ним устройств, подключающихся к его входу. Хорошим примером может служить стабилизатор напряжения. Поскольку идеальную совместимость устройств нельзя гарантировать только на "уровне соединения", иногда требуется более дорогая защита в электрической цепи, которая позволяет в динамике приспособиться или (и) защититься от скачков напряжения. Здесь практически прямая аналогия: статический контроль типов эквивалентен совместимости на уровне соединения, а динамические проверки соответствуют защите или адаптации в цепи. Результатом неудачного контроля как в физическом, так и в программном мире будет серьезный ущерб. В больших системах используются оба вида контроля. На раннем этапе проектирования вполне достаточно простого утверждения: "Эти два устройства необходимо соединить"; но скоро становится существенным, как именно следует их соединить: "Какие гарантии дает соединение относительно поведения устройств?", или "Возникновение каких ошибочных ситуаций возможно?", или "Какова приблизительная цена такого соединения?" Применение "статической типизации" не ограничивается программным миром. В физике и инженерных науках повсеместно распространены единицы измерения (метры, килограммы, секунды), чтобы избежать смешивания несовместимых сущностей. В нашем описании шагов проектирования в $$11.3.3 типы появляются на сцене уже на шаге 2 (очевидно, после несколько искусственного их рассмотрения на шаге 1) и становятся главной темой шага 4. Статически контролируемые интерфейсы – это основное средство взаимодействия программных частей системы на С++, созданных разными группами, а описание интерфейсов этих частей (с учетом точных определений типов) становится основным способом сотрудничества между отдельными группами программистов. Эти интерфейсы являются основным результатом процесса проектирования и служат главным средством общения между разработчиками и программистами. Отказ от этого приводит к проектам, в которых неясна структура программы, контроль ошибок отложен на стадию выполнения, которые трудно хорошо реализовать на С++. Рассмотрим интерфейс, описанный с помощью "объектов", определяющих себя самостоятельно. Возможно, например, такое описание: "Функция f() имеет аргумент, который должен быть самолетом" (что проверяется самой функцией во время ее выполнения), в отличие от описания "Функция f() имеет аргумент, тип которого есть самолет" (что проверяется транслятором). Первое описание является существенно недостаточным описанием интерфейса, т.к. приводит к динамической проверке вместо статического контроля. Аналогичный вывод из примера с самолетом сделан в $$1.5.2. Здесь использованы более точные спецификации, и использован шаблон типа и виртуальные функции взамен неограниченных динамических проверок для того, чтобы перенести выявление ошибок с этапа выполнения на этап трансляции. Различие времен работы программ с динамическим и статическим контролем может быть весьма значительным, обычно оно находится в диапазоне от 3 до 10 раз. Но не следует впадать в другую крайность. Нельзя обнаружить все ошибки с помощью статического контроля. Например, даже программы с самым обширным статическим контролем уязвимы к сбоям Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 311 аппаратуры. Но все же, в идеале нужно иметь большое разнообразие интерфейсов со статической типизацией с помощью типов из области приложения, см. $$12.4. Может получиться, что проект, совершенно разумный на абстрактном уровне, столкнется с серьезными проблемами, если не учитывает ограничения базовых средств, в данном случае С++. Например, использование имен, а не типов для структурирования системы приведет к ненужным проблемам для системы типов С++ и, тем самым, может стать причиной ошибок и накладных расходов при выполнении. Рассмотрим три класса: class X { // pseudo code, not C++ f() g() } class Y { g() h() } class Z { h() f() } используемые некоторыми функциями бестипового проекта: k(a, b, c) // pseudo code, not C++ { a.f() b.g() c.h() } Здесь обращения X x Y y Z z k(x,y,z) // ok k(z,x,y) // ok будут успешными, поскольку k() просто требует, чтобы ее первый параметр имел операцию f(), второй параметр - операцию g(), а третий параметр - операцию h(). С другой стороны обращения k(y,x,z); // fail k(x,z,y); // fail завершатся неудачно. Этот пример допускает совершенно разумные реализации на языках с полным динамическим контролем (например, Smalltalk или CLOS), но в С++ он не имеет прямого представления, поскольку язык требует, чтобы общность типов была реализована как отношение к базовому классу. Обычно примеры, подобные этому, можно представить на С++, если записывать утверждения об общности с помощью явных определений классов, но это потребует большого хитроумия и вспомогательных средств. Можно сделать, например, так: class F { virtual void f(); }; class G { virtual void g(); }; Бьерн Страуструп. Язык программирования С++ 312 class H { virtual void h(); }; class X : public virtual F, public virtual G { void f(); void g(); }; class Y : public virtual G, public virtual H { void g(); void h(); }; class Z : public virtual H, public virtual F { void h(); void f(); }; k(const F& a, const G& b, const H& c) { a.f(); b.g(); c.h(); } main() { X x; Y y; Z z; k(x,y,z); // ok k(z,x,y); // ok k(y,x,z); // error F required for first argument k(x,z,y); // error G required for second argument } Обратите внимание, что сделав предположения k() о своих аргументах явными, мы переместили контроль ошибок с этапа выполнения на этап трансляции. Сложные примеры, подобные приведенному, возникают, когда пытаются реализовать на С++ проекты, сделанные на основе опыта работы с другими системами типов. Обычно это возможно, но в результате получается неестественная и неэффективная программа. Такое несовпадение между приемами проектирования и языком программирования можно сравнить с несовпадением при пословном переводе с одного естественного языка на другой. Ведь английский с немецкой грамматикой выглядит столь же неуклюже, как и немецкий с английской грамматикой, но оба языка могут быть доступны пониманию того, кто бегло говорит на одном из них. Этот пример подтверждает тот вывод, что классы в программе являются конкретным воплощением понятий, используемых при проектировании, поэтому нечеткие отношения между классами приводят к нечеткости основных понятий проектирования. |