Курс лекций инструментальные средства. Конспект лекций
 Скачать 1.6 Mb.
|
|
2.2 Основные подходы к интегрированию программных модулей Модульное проектирование является одним из первых подходов к разработке структуры ПС и уже несколько десятилетий сохраняет свои позиции как в качестве классического подхода, так и в качестве основы для современных технологий разработки ПС. При разработке модульных ПС могут использоваться методы структурного проектирования или методы объектно-ориентированного проектирования. Их целью является формирование структуры создаваемой программы – ее разделение по некоторым установленным правилам на структурные компоненты (модуляризация) с последующей иерархической организацией данных компонентов. Для различных языков программирования такими компонентами могут быть подпрограммы, внешние модули, объекты и т.п. Обзор методов объектно-ориентированного анализа и проектирования приведен в разд. 6. В данном разделе рассмотрены методы структурного проектирования. Такие методы ориентированы на формирование структуры программного средства по функциональному признаку. Классическое определение идеальной модульной программы формулируется следующим образом. Модульная программа – это программа, в которой любую часть логической структуры можно изменить, не вызывая изменений в ее других частях. Признаки модульности программ: программа состоит из модулей. Данный признак для модульной программы является очевидным; модули являются независимыми. Это значит, что модуль можно изменять или модифицировать без последствий в других модулях; условие «один вход – один выход». Модульная программа состоит из модулей, имеющих одну точку входа и одну точку выхода. В общем случае может быть более одного входа, но важно, чтобы точки входов были определены и другие модули не могли входить в данный модуль в произвольной точке. Достоинства модульного проектирования: упрощение разработки ПС; исключение чрезмерной детализации обработки данных; упрощение сопровождения ПС; облегчение чтения и понимания программ; облегчение работы с данными, имеющими сложную структуру. Недостатки модульности: модульный подход требует большего времени работы центрального процессора (в среднем на 5 – 10 %) за счет времени обращения к модулям; модульность программы приводит к увеличению ее объема (в среднем на 5 – 10 %); модульность требует дополнительной работы программиста и определенных навыков проектирования ПС. Классические методы структурного проектирования модульных ПС делятся на три основные группы: методы нисходящего проектирования; методы расширения ядра; методы восходящего проектирования. На практике обычно применяются различные сочетания этих методов. В идеальной модульной программе любую часть логической структуры можно изменить, не вызывая изменений в ее других частях. Идеальная модульная программа состоит из независимых модулей, имеющих один вход и один выход. Модульные программы имеют достоинства и недостатки. Существует три группы классических методов проектирования модульных ПС. Для оценки корректности и эффективности структурного разбиения программы на модули необходимо оценить характеристики получившихся модулей. Существуют различные меры оценки характеристик модулей. Ниже рассматриваются две из них – связность и сцепление. Связность модуля Связность модуля определяется как мера независимости его частей. Чем выше связность модуля, тем больше отдельные части модуля зависят друг от друга и тем лучше результат проектирования. Для количественной оценки связности используется понятие силы связности модуля. Типы связности модулей и соответствующие им силы связности представлены в таблице 2.6. Модуль с функциональной связностью выполняет единственную функцию и реализуется обычно последовательностью операций в виде единого цикла. Если модуль спроектирован так, чтобы изолировать некоторый алгоритм, он имеет функциональную связность. Он не может быть разбит на два других модуля, имеющих связность того же типа. Примером модуля с функциональной связностью является, например, модуль сортировки дат. Таблица 2.6 – Типы и силы связности модулей
Модуль, имеющий последовательную связность, может быть разбит на последовательные части, выполняющие независимые функции, совместно реализующие единую функцию. Модуль с последовательной связностью реализуется обычно как последовательность циклов или операций. Модуль, имеющий коммуникативную связность, может быть разбит на несколько функционально независимых модулей, использующих общую структуру данных. Общая структура данных является основой его организации как единого модуля. Если модуль спроектирован так, чтобы упростить работу со сложной структурой данных, изолировать эту структуру, он имеет коммуникативную связность. Такой модуль предназначен для выполнения нескольких различных и независимо используемых функций над структурой данных (например, запоминание некоторых данных, их поиск и редактирование). Процедурная связность характерна для модуля, управляющие конструкции которого организованы в соответствии со схемой алгоритма, но без выделения его функциональных частей. Такая структура модуля возникает, например, при расчленении длинной программы на части в соответствии с передачами управления, но без определения каких-либо функций при выборе разделительных точек; при группировании альтернативных частей программы; если для уменьшения размеров модуль с функциональной связностью делится на два модуля (например, исходный модуль содержит объявления, подпрограммы и раздел операторов для выполнения единой функции; после его разделения один модуль содержит объявления и подпрограммы, а другой – раздел операторов). Модуль, содержащий функционально не связанные части, необходимые в один и то же момент обработки, имеет временную связность (связность по классу). Данный тип связности имеет, например, модуль инициализации, реализующий все требуемые в начале выполнения программы функции и начальные установки. Для увеличения силы связности модуля функции инициализации целесообразно разделить между другими модулями, выполняющими обработку соответствующих переменных или файлов или включить их выполнение в управляющий модуль, но не выделять в отдельный модуль. Если в модуле объединены операторы только по принципу их функционального подобия (например, все они предназначены для проверки правильности данных), а для настройки модуля применяется алгоритм переключения, то модуль имеет логическую связность. Его части ничем не связаны, а лишь похожи. Например, модуль, состоящий из разнообразных подпрограмм обработки ошибок, имеет логическую связность. Однако если с помощью этого модуля может быть получена вся выходная информация об ошибках, то он имеет коммуникативную связность, поскольку изолирует данные об ошибках. Модуль имеет связность по совпадению, если его операторы объединяются произвольным образом. Модули верхних уровней иерархической структуры программы должны иметь функциональную или последовательную связность. Для модулей обслуживания предпочтительнее коммуникативная связность. Если модули имеют процедурную, временную, логическую связность или связность по совпадению, это свидетельствует о недостаточно продуманном их проектировании. Необходимо добиваться функциональной связности проектируемых модулей. Сцепление модулей Сцепление модулей – это мера относительной независимости модулей. Сцепление влияет на сохранность модулей при модификациях и на понятность их исходных текстов. Слабое сцепление определяет высокий уровень независимости модулей. Независимые модули могут быть модифицированы без переделки других модулей. Два модуля являются полностью независимыми, если в каждом из них не используется никакая информация о другом модуле. Чем больше информации о другом модуле в них используется, тем менее они независимы и тем более сцеплены. Чем очевиднее взаимодействие двух связных друг с другом модулей, тем проще определить необходимую корректировку одного модуля, зависящую от изменений, производимых в другом. В таблице 2.7 содержатся типы сцепления модулей и соответствующие им степени сцепления. Таблица 2.7 - Типы и степени сцепления модулей
Независимое сцепление возможно только в том случае, если модули не вызывают друг друга и не обрабатывают одну и ту же информацию. Модули сцеплены по данным, если они имеют общие простые элементы данных, передаваемые от одного модуля к другому как параметры. В вызывающем модуле определены только имя вызываемого модуля, типы и значения переменных, передаваемых как параметры. Вызываемый модуль может не содержать никакой информации о вызывающем. В этом случае изменения в структуре данных в одном из модулей не влияют на другой модуль. Например, в вызывающем модуле определена такая структура данных, как массив. В вызываемый модуль передается в качестве параметра элемент массива. При этом изменения в структуре данных вызывающего модуля не повлияют на вызываемый модуль. Модули со сцеплением по данным не имеют общей области данных (общих глобальных переменных). Если модули сцеплены по данным, то по изменениям, производимым в объявленных параметрах, легко можно определить модули, на которые эти изменения повлияют. Модули сцеплены по образцу, если в качестве параметров используются структуры данных (например, в качестве параметра передается массив). Недостаток такого сцепления заключается в том, что в обоих модулях должна содержаться информация о внутренней структуре данных. Если модифицируется структура данных в одном из модулей, то необходимо корректировать и другой модуль. Следовательно, увеличивается вероятность появления ошибок при разработке и сопровождении ПС. Модули сцеплены по общей области, если они имеют доступ к общей области памяти (например используют общие глобальные данные). В этом случае возможностей для появления ошибок при модификации структуры данных или одного из модулей намного больше, поскольку труднее определить модули, нуждающиеся в корректировке. Модули сцеплены по управлению, если какой-либо из них управляет решениями внутри другого с помощью передачи флагов, переключателей или кодов, предназначенных для выполнения функций управления. Таким образом, в одном из модулей содержится информация о внутренних функциях другого. Например, если модуль имеет логическую связность и при его вызове используется переключатель требующейся функции, то вызываемый и вызывающий модули сцеплены по управлению. Модули сцеплены по внешним ссылкам, если у одного из них есть доступ к данным другого модуля через внешнюю точку входа. Таким путем осуществляется неявное влияние на функционирование другого модуля. Сцепление этого типа возникает, например, тогда, когда внутренние процедуры одного модуля оперируют с глобальными переменными другого модуля. Модули сцеплены по кодам, если коды их команд объединены друг с другом. Например, для одного из модулей доступны внутренние области другого модуля без обращения к его точкам входа, то есть модули используют общий участок памяти с командами. Это сцепление возникает, когда модули проектируются как отдельные подпрограммы, путь через которые начинается в различных точках входа, но приводит к общему сегменту кодов. Например, некоторый модуль реализует функции синуса и косинуса c учетом того, что Cos(x) = Sin(π/2 – x). Путь через точки входа Sin и Cos ведет к общему участку команд модуля. Следует иметь в виду, что если модули косвенно обращаются друг к другу (например, связь между ними осуществляется через промежуточные модули), то между ними также существует сцепление. Резюме Различают независимое сцепление модулей, сцепление по данным, по образцу, по общей области, по управлению, по внешним ссылкам, по кодам. Сцепление модулей зависит от спроектированной структуры данных и способов взаимодействия между модулями. Необходимо использовать простые параметры и не применять общих областей памяти. 2.3 Модульная структура программных продуктов Модульная структура программы представляет собой древо видную структуру, в узлах которой размещаются программные модули, а направленные дуги показывают статическую подчиненность модулей. Если в тексте модуля имеется ссылка на другой модуль, то их на структурной схеме соединяет дуга, которая исходит из первого и входит во второй модуль. Другими слова ми, каждый модуль может обращаться к подчиненным ему модулям. При этом модульная структура программной системы, кроме структурной схемы, должна включать в себя еще и совокупность спецификации модулей, образующих эту систему. Функция верхнего уровня обеспечивается главным модулем; он управляет выполнением нижестоящих функций, которым соответствуют подчиненные модули. При определении набора модулей, реализующих функции конкретного алгоритма, необходимо учитывать следующее: модуль вызывается на выполнение вышестоящим по иерархии модулем и, закончив работу, возвращает ему управление; принятие основных решений в алгоритме выносится на максимально высокий по иерархии уровень; если в разных местах алгоритма используется одна и та же функция, то она оформляется в отдельный модуль, который будет вызываться по мере необходимости. Состав, назначение и характер использования программных модулей в значительной степени определяются инструментальными средствами. Например, при разработке СУБД используются следующие программные модули: экранные формы ввода и/или редактирования информации базы данных; отчеты; макросы; стандартные средства для обработки информации; меню для выбора функции обработки и др. Методы разработки при модульном программировании Спецификация программного модуля состоит из функциональной спецификации модуля, описывающей семантику функций, выполняемых этим модулем по каждому из его входов, и синтаксической спецификации его входов, позволяющей по строить на используемом языке программирования синтаксически правильное обращение к нему. Функциональная спецификация модуля определяется теми же принципами, что и функциональная спецификация программной системы. Существуют разные методы разработки модульной структуры программы, в зависимости от которых определяется порядок программирования и отладки модулей, указанных в этой структуре. Обычно а литературе обсуждаются два метода: метод восходящей разработки и метод нисходящей разработки. Метод восходящей разработки Сначала строится древовидная модульная структура программы. Затем поочередно проектируются и разрабатываются модули программы, начиная с модулей самого нижнего уровня, затем предыдущего уровни и т. д. То есть модули реализуются в таком порядке, чтобы для каждого программируемого модуля были уже запрограммированы все модули, к которым он может обращаться. После того как все модули программы запрограммированы, производится их поочередное тестирование и отладка в таком же что каждый модуль при программировании выражается через уже запрограммированные непосредственно подчиненные моду ли, а при тестировании использует уже отлаженные модули. Недостатки метода восходящей разработки заключаются в следующем: на нижних уровнях модульной структуры спецификации могут быть еще определены не полностью, что может привести к полной переработке этих модулей после уточнения спецификаций на верхнем уровне; для восходящего тестирования всех модулей кроме головного, который является модулем самого верхнего уровня, приходится создавать вызывающие программы, что приводит к созданию большого количества отладочного материала, но не гарантирует, что результаты тестирования верны; головной модуль проектируется и реализуется в последнюю очередь, что не дает продемонстрировать его заказчику для уточнения спецификаций. |