WhiteUnicorn
|
WhiteUnicorn
|
   | |
|
| #WhiteUnicorn/ StartPage/ Documentation/ GradiBuch.Part01 > |
|
| |
Сэр Исаак Ньютон по секрету признавался друзьям, что он знает, как гравитация ведет себя, но не знает, почему.
Лили Томлин (Lily Tomlin)
В поисках признаков разумной жизни во Вселенной
(The Search for Signs of Intelligent Life in the Universe)
Врач, строитель и программистка спорили о том, чья профессия древнее. Врач заметил: "В Библии сказано, что Бог сотворил Еву из ребра Адама. Такая операция может быть проведена только хирургом, поэтому я по праву могу утверждать, что моя профессия самая древняя в мире". Тут вмешался строитель и сказал: "Но еще раньше в Книге Бытия сказано, что Бог сотворил из хаоса небо и землю. Это было первое и, несомненно, наиболее выдающееся строительство. Поэтому, дорогой доктор, вы не правы. Моя профессия самая древняя в мире". Программистка при этих словах откинулась в кресле и с улыбкой произнесла: "А кто же по-вашему сотворил хаос?"
Звезда в преддверии коллапса; ребенок, который учится читать; клетки крови, атакующие вирус, - это только некоторые из потрясающе сложных объектов физического мира. Компьютерные программы тоже бывают сложными, однако их сложность совершенно другого рода. Брукс пишет: "Эйнштейн утверждал, что должны существовать простые объяснения природных процессов, так как Бог не действует из каприза или по произволу. У программиста нет такого утешения: сложность, с которой он должен справиться, лежит в самой природе системы" [1].
Мы знаем, что не все программные системы сложны. Существует множество программ, которые задумываются, разрабатываются, сопровождаются и используются одним и тем же человеком. Обычно это начинающий программист или профессионал, работающий изолированно. Мы не хотим сказать, что все такие системы плохо сделаны или, тем более, усомниться в квалификации их создателей. Но такие системы, как правило, имеют очень ограниченную область применения и короткое время жизни. Обычно их лучше заменить новыми, чем пытаться повторно использовать, переделывать или расширять. Разработка подобных программ скорее утомительна, чем сложна, так что изучение этого процесса нас не интересует.
Нас интересует разработка того, что мы будем называть промышленными программными продуктами. Они применяются для решения самых разных задач, таких, например, как системы с обратной связью, которые управляют или сами управляются событиями физического мира и для которых ресурсы времени и памяти ограничены; задачи поддержания целостности информации объемом в сотни тысяч записей при параллельном доступе к ней с обновлениями и запросами; системы управления и контроля за реальными процессами (например, диспетчеризация воздушного или железнодорожного транспорта). Системы подобного типа обычно имеют большое время жизни, и большое количество пользователей оказывается в зависимости от их нормального функционирования. В мире промышленных программ мы также встречаем среды разработки, которые упрощают создание приложений в конкретных областях, и программы, которые имитируют определенные стороны человеческого интеллекта.
Существенная черта промышленной программы - уровень сложности: один разработчик практически не в состоянии охватить все аспекты такой системы. Грубо говоря, сложность промышленных программ превышает возможности человеческого интеллекта. Увы, но сложность, о которой мы говорим, по-видимому, присуща всем большим программных системам. Говоря "присуща", мы имеем в виду, что эта сложность здесь неизбежна: с ней можно справиться, но избавиться от нее нельзя.
Конечно, среди нас всегда есть гении, которые в одиночку могут выполнить работу группы обычных людей-разработчиков и добиться в своей области успеха, сравнимого с достижениями Франка Ллойда Райта или Леонардо да Винчи. Такие люди нам нужны как архитекторы, которые изобретают новые идиомы, механизмы и основные идеи, используемые затем при разработке других систем. Однако, как замечает Петерс: "В мире очень мало гениев, и не надо думать, будто в среде программистов их доля выше средней" [2]. Несмотря на то, что все мы чуточку гениальны, в промышленном программировании нельзя постоянно полагаться на божественное вдохновение, которое обязательно поможет нам. Поэтому мы должны рассмотреть более надежные способы конструирования сложных систем. Для лучшего понимания того, чем мы собираемся управлять, сначала ответим на вопрос: почему сложность присуща всем большим программным системам?
Как говорит Брукс, "сложность программного обеспечения - отнюдь не случайное его свойство" [3]. Сложность вызывается четырьмя основными причинами:
Сложность реального мира. Проблемы, которые мы пытаемся решить с помощью программного обеспечения, часто неизбежно содержат сложные элементы, а к соответствующим программам предъявляется множество различных, порой взаимоисключающих требований. Рассмотрим необходимые характеристики электронной системы многомоторного самолета, сотовой телефонной коммутаторной системы и робота. Достаточно трудно понять, даже в общих чертах, как работает каждая такая система. Теперь прибавьте к этому дополнительные требования (часто не формулируемые явно), такие как удобство, производительность, стоимость, выживаемость и надежность! Сложность задачи и порождает ту сложность программного продукта, о которой пишет Брукс.
Эта внешняя сложность обычно возникает из-за "нестыковки" между пользователями системы и ее разработчиками: пользователи с трудом могут объяснить в форме, понятной разработчикам, что на самом деле нужно сделать. Бывают случаи, когда пользователь лишь смутно представляет, что ему нужно от будущей программной системы. Это в основном происходит не из-за ошибок с той или иной стороны; просто каждая из групп специализируется в своей области, и ей недостает знаний партнера. У пользователей и разработчиков разные взгляды на сущность проблемы, и они делают различные выводы о возможных путях ее решения. На самом деле, даже если пользователь точно знает, что ему нужно, мы с трудом можем однозначно зафиксировать все его требования. Обычно они отражены на многих страницах текста, "разбавленных" немногими рисунками. Такие документы трудно поддаются пониманию, они открыты для различных интерпретаций и часто содержат элементы, относящиеся скорее к дизайну, чем к необходимым требованиям разработки.
Дополнительные сложности возникают в результате изменений требований к программной системе уже в процессе разработки. В основном требования корректируются из-за того, что само осуществление программного проекта часто изменяет проблему. Рассмотрение первых результатов - схем, прототипов, - и использование системы после того, как она разработана и установлена, заставляют пользователей лучше понять и отчетливей сформулировать то, что им действительно нужно. В то же время этот процесс повышает квалификацию разработчиков в предметной области и позволяет им задавать более осмысленные вопросы, которые проясняют темные места в проектируемой системе.
Большая программная система - это крупное капиталовложение, и мы не можем позволить себе выкидывать сделанное при каждом изменении внешних требований. Тем не менее даже большие системы имеют тенденцию к эволюции в процессе их использования: следовательно, встает задача о том, что часто неправильно называют сопровождением программного обеспечения. Чтобы быть более точными, введем несколько терминов:
К сожалению, опыт показывает, что существенный процент затрат на разработку программных систем тратится именно на сохранение.
Трудности управления процессом разработки. Основная задача разработчиков состоит в создании иллюзии простоты, в защите пользователей от сложности описываемого предмета или процесса. Размер исходных текстов программной системы отнюдь не входит в число ее главных достоинств, поэтому мы стараемся делать исходные тексты более компактными, изобретая хитроумные и мощные методы, а также используя среды разработки уже существующих проектов и программ. Однако новые требования для каждой новой системы неизбежны, а они приводят к необходимости либо создавать много программ "с нуля", либо пытаться по-новому использовать существующие. Всего 20 лет назад программы объемом в несколько тысяч строк на ассемблере выходили за пределы наших возможностей. Сегодня обычными стали программные системы, размер которых исчисляется десятками тысяч или даже миллионами строк на языках высокого уровня. Ни один человек никогда не сможет полностью понять такую систему. Даже если мы правильно разложим ее на составные части, мы все равно получим сотни, а иногда и тысячи отдельных модулей. Поэтому такой объем работ потребует привлечения команды разработчиков, в идеале как можно меньшей по численности. Но какой бы она ни была, всегда будут возникать значительные трудности, связанные с организацией коллективной разработки. Чем больше разработчиков, тем сложнее связи между ними и тем сложнее координация, особенно если участники работ географически удалены друг от друга, что типично в случае очень больших проектов. Таким образом, при коллективном выполнении проекта главной задачей руководства является поддержание единства и целостности разработки.
Гибкость программного обеспечения. Домостроительная компания обычно не имеет собственного лесхоза, который бы ей поставлял лес для пиломатериалов; совершенно необычно, чтобы монтажная фирма соорудила свой завод для изготовления стальных балок под будущее здание. Однако в программной индустрии такая практика - дело обычное. Программирование обладает предельной гибкостью, и разработчик может сам обеспечить себя всеми необходимыми элементами, относящимися к любому уровню абстракции. Такая гибкость чрезвычайно соблазнительна. Она заставляет разработчика создавать своими силами все базовые строительные блоки будущей конструкции, из которых составляются элементы более высоких уровней абстракции. В отличие от строительной индустрии, где существуют единые стандарты на многие конструктивные элементы и качество материалов, в программной индустрии таких стандартов почти нет. Поэтому программные разработки остаются очень трудоемким делом.
Проблема описания поведения больших дискретных систем. Когда мы кидаем вверх мяч, мы можем достоверно предсказать его траекторию, потому что знаем, что в нормальных условиях здесь действуют известные физические законы. Мы бы очень удивились, если бы, кинув мяч с чуть большей скоростью, увидели, что он на середине пути неожиданно остановился и резко изменил направление движения [Даже простые непрерывные системы могут иметь сложное поведение ввиду наличия хаоса. Хаос привносит случайность, исключающую точное предсказание будущего состояния системы. Например, зная начальное положение двух капель воды в потоке, мы не можем точно предсказать, на каком расстоянии друг от друга они окажутся по прошествии некоторого времени. Хаос проявляется в таких различных системах, как атмосферные процессы, химические реакции, биологические системы и даже компьютерные сети. К счастью, скрытый порядок, по-видимому, есть во всех хаотических системах, в виде так называемых аттракторов]. В недостаточно отлаженной программе моделирования полета мяча такая ситуация легко может возникнуть.
Внутри большой прикладной программы могут существовать сотни и даже тысячи переменных и несколько потоков управления. Полный набор этих переменных, их текущих значений, текущего адреса и стека вызова для каждого процесса описывает состояние прикладной программы в каждый момент времени. Так как исполнение нашей программы осуществляется на цифровом компьютере, мы имеем систему с дискретными состояниями. Аналоговые системы, такие, как движение брошенного мяча, напротив, являются непрерывными. Д. Парнас [
"Чем сложнее система, тем легче ее полностью развалить" [5]. Строитель едва ли согласится расширить фундамент уже построенного 100-этажного здания. Это не просто дорого: делать такие вещи значит напрашиваться на неприятности. Но что удивительно, пользователи программных систем, не задумываясь, ставят подобные задачи перед разработчиками. Это, утверждают они, всего лишь технический вопрос для программистов.
Наше неумение создавать сложные программные системы проявляется в проектах, которые выходят за рамки установленных сроков и бюджетов и к тому же не соответствуют начальным требованиям. Мы часто называем это кризисом программного обеспечения, но, честно говоря, недомогание, которое тянется так долго, становится нормой. К сожалению, этот кризис приводит к разбазариванию человеческих ресурсов - самого драгоценного товара - и к существенному ограничению возможностей создания новых продуктов. Сейчас просто не хватает хороших программистов, чтобы обеспечить всех пользователей нужными программами. Более того, существенный процент персонала, занятого разработками, в любой организации часто должен заниматься сопровождением и сохранением устаревших программ. С учетом прямого и косвенного вклада индустрии программного обеспечения в развитие экономики большинства ведущих стран, нельзя позволить, чтобы существующая ситуация осталась без изменений.
Как мы можем изменить положение дел? Так как проблема возникает в результате сложности структуры программных продуктов, мы предлагаем сначала рассмотреть способы работы со сложными структурами в других областях. В самом деле, можно привести множество примеров успешно функционирующих сложных систем. Некоторые из них созданы человеком, например: космический челнок Space Shuttle, туннель под Ла-Маншем, большие фирмы типа Microsoft или General Electric. В природе существуют еще более сложные системы, например система кровообращения у человека или растение.
Структура персонального компьютера. Персональный компьютер (ПК) - прибор умеренной сложности. Большинство ПК состоит из одних и тех же основных элементов: системной платы, монитора, клавиатуры и устройства внешней памяти какого-либо типа (гибкого или жесткого диска). Мы можем взять любую из этих частей и разложить ее в свою очередь на составляющие. Системная плата, например, содержит оперативную память, центральный процессор (ЦП) и шину, к которой подключены периферийные устройства. Каждую из этих частей можно также разложить на составляющие: ЦП состоит из регистров и схем управления, которые сами состоят из еще более простых деталей: диодов, транзисторов и т.д.
Это пример сложной иерархической системы. Персональный компьютер нормально работает благодаря четкому совместному функционированию всех его составных частей. Вместе эти части образуют логическое целое. Мы можем понять, как работает компьютер, только потому, что можем рассматривать отдельно каждую его составляющую. Таким образом, можно изучать устройства монитора и жесткого диска независимо друг от друга. Аналогично можно изучать арифметическую часть ЦП, не рассматривая при этом подсистему памяти.
Дело не только в том, что сложная система ПК иерархична, но в том, что уровни этой иерархии представляют различные уровни абстракции, причем один надстроен над другим и каждый может быть рассмотрен (понят) отдельно. На каждом уровне абстракции мы находим набор устройств, которые совместно обеспечивают некоторые функции более высокого уровня, и выбираем уровень абстракции, исходя из наших специфических потребностей. Например, пытаясь исследовать проблему синхронизации обращений к памяти, можно оставаться на уровне логических элементов компьютера, но этот уровень абстракции не подходит при поиске ошибки в прикладной программе, работающей с электронными таблицами.
Структура растений и животных. Ботаник пытается понять сходство и различия растений, изучая их морфологию, то есть форму и структуру. Растения - это сложные многоклеточные организмы. В результате совместной деятельности различных органов растений происходят такие сложные типы поведения, как фотосинтез и всасывание влаги.
Растение состоит из трех основных частей: корни, стебли и листья. Каждая из них имеет свою особую структуру. Корень, например, состоит из корневых отростков, корневых волосков, верхушки корня и т.д. Рассматривая срез листа, мы видим его эпидермис, мезофилл и сосудистую ткань. Каждая из этих структур, в свою очередь, представляет собой набор клеток. Внутри каждой клетки можно выделить следующий уровень, который включает хлоропласт, ядро и т.д. Так же, как у компьютера, части растения образуют иерархию, каждый уровень которой обладает собственной независимой сложностью.
Все части на одном уровне абстракции взаимодействуют вполне определенным образом. Например, на высшем уровне абстракции, корни отвечают за поглощение из почвы воды и минеральных веществ. Корни взаимодействуют со стеблями, которые передают эти вещества листьям. Листья в свою очередь используют воду и минеральные вещества, доставляемые стеблями, и производят при помощи фотосинтеза необходимые элементы.
Для каждого уровня абстракции всегда четко разграничено "внешнее" и "внутреннее". Например, можно установить, что части листа совместно обеспечивают функционирование листа в целом и очень слабо взаимодействуют или вообще прямо не взаимодействуют с элементами корней. Проще говоря, существует четкое разделение функций различных уровней абстракции.
В компьютере транзисторы используются как в схеме ЦП, так и жесткого диска. Аналогично этому большое число "унифицированных элементов" имеется во всех частях растения. Так Создатель достигал экономии средств выражения. Например, клетки служат основными строительными блоками всех структур растения; корни, стебли и листья растения состоят из клеток. И хотя любой из этих исходных элементов действительно является клеткой, существует огромное количество разнообразных клеток. Есть клетки, содержащие и не содержащие хлоропласт, клетки с оболочкой, проницаемой и непроницаемой для воды, и даже живые и умершие клетки.
При изучении морфологии растения мы не выделяем в нем отдельные части, отвечающие за отдельные фазы единого процесса, например, фотосинтеза. Фактически не существует централизованных частей, которые непосредственно координируют деятельность более низких уровней. Вместо этого мы находим отдельные части, которые действуют как независимые посредники, каждый из которых ведет себя достаточно сложно и при этом согласованно с более высокими уровнями. Только благодаря совместным действиям большого числа посредников образуется более высокий уровень функционирования растения. Наука о сложности называет это возникающим поведением. Поведение целого сложнее, чем поведение суммы его составляющих [6].
Обратимся к зоологии. Многоклеточные животные, как и растения, имеют иерархическую структуру: клетки формируют ткани, ткани работают вместе как органы, группы органов определяют систему (например, пищеварительную) и так далее. Мы снова вынуждены отметить присущую Создателю экономность выражения: основной строительный блок всех растений и животных - клетка. Естественно, между клетками растений и животных существуют различия. Клетки растения, например, заключены в жесткую целлюлозную оболочку в отличие от клеток животных. Но, несмотря на эти различия, обе указанные структуры, несомненно, являются клетками. Это пример общности в разных сферах.
Жизнь растений и животных поддерживает значительное число механизмов надклеточного уровня, то есть более высокого уровня абстракции. И растения, и животные используют сосудистую систему для транспортировки внутри организма питательных веществ. И у тех, и у других может существовать различие полов внутри одного вида.
Структура вещества. Исследования в таких разных областях, как астрономия и ядерная физика, дают множество других примеров невероятно сложных систем. В этих двух дисциплинах мы найдем примеры иерархических структур. Астрономы изучают галактики, которые объединены в скопления, а звезды, планеты и другие небесные тела образуют галактику. Ядерщики имеют дело со структурной иерархией физических тел совсем другого масштаба. Атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов; электроны, по-видимому, являются элементарными частицами, но протоны, нейтроны и другие тяжелые частицы формируются из еще более мелких компонентов, называемых кварками.
Мы опять обнаруживаем общность форм механизмов в этих сложных иерархиях. На самом деле оказывается, что во Вселенной работают всего четыре типа сил: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия. Многие законы физики универсальны, например, закон сохранения энергии и импульса можно применить и к галактикам, и к кваркам.
Структура социальных институтов. Как последний пример сложных систем рассмотрим структуру общественных институтов. Люди объединяются в группы для решения задач, которые не могут быть решены индивидуально. Одни организации быстро распадаются, другие функционируют на протяжении нескольких поколений. Чем больше организация, тем отчетливее проявляется в ней иерархическая структура. Транснациональные корпорации состоят из компаний, которые в свою очередь состоят из отделений, содержащих различные филиалы. Последним принадлежат уже отдельные офисы и т.д. Границы между частями организации могут изменяться, и с течением времени может возникнуть новая, более стабильная иерархия.
Отношения между разными частями большой организации подобны отношениям между компонентами компьютера, растения или галактики. Характерно, что степень взаимодействия между сотрудниками одного учреждения несомненно выше, чем между сотрудниками двух разных учреждений. Клерк, например, обычно не общается с исполнительным директором компании, а в основном обслуживает посетителей. Но и здесь различные уровни имеют единые механизмы функционирования. Работа и клерка и директора оплачивается одной финансовой организацией, и оба они для своих целей используют общую аппаратуру, в частности, телефонную систему компании.
Исходя из такого способа изучения, можно вывести пять общих признаков любой сложной системы. Основываясь на работе Саймона и Эндо, Куртуа предлагает следующее наблюдение [7]:
1. "Сложные системы часто являются иерархическими и состоят из взаимозависимых подсистем, которые в свою очередь также могут быть разделены на подсистемы, и т.д., вплоть до самого низкого уровням."
Саймон отмечает: "тот факт, что многие сложные системы имеют почти разложимую иерархическую структуру, является главным фактором, позволяющим нам понять, описать и даже "увидеть" такие системы и их части" [8]. В самом деле, скорее всего, мы можем понять лишь те системы, которые имеют иерархическую структуру.
Важно осознать, что архитектура сложных систем складывается и из компонентов, и из иерархических отношений этих компонентов. Речтин отмечает: "Все системы имеют подсистемы, и все системы являются частями более крупных систем... Особенности системы обусловлены отношениями между ее частями, а не частями как таковыми" [9].
Что же следует считать простейшими элементами системы? Опыт подсказывает нам следующий ответ:
2. Выбор, какие компоненты в данной системе считаются элементарными, относительно произволен и в большой степени оставляется на усмотрение исследователя.
Низший уровень для одного наблюдателя может оказаться достаточно высоким для другого.
Саймон называет иерархические системы разложимыми, если они могут быть разделены на четко идентифицируемые части, и почти разложимыми, если их составляющие не являются абсолютно независимыми. Это подводит нас к следующему общему свойству всех сложных систем:
3. "Внутрикомпонентная связь обычно сильнее, чем связь между компонентами. Это обстоятельство позволяет отделять "высокочастотные" взаимодействия внутри компонентов от "низкочастотной" динамики взаимодействия между компонентами" [10].
Это различие внутрикомпонентных и межкомпонентных взаимодействий обуславливает разделение функций между частями системы и дает возможность относительно изолированно изучать каждую часть.
Как мы уже говорили, многие сложные системы организованы достаточно экономными средствами. Поэтому Саймон приводит следующий признак сложных систем:
4. "Иерархические системы обычно состоят из немногих типов подсистем, по-разному скомбинированных и организованных" [11].
Иными словам и, разные сложные системы содержат одинаковые структурные части. Эти части могут использовать общие более мелкие компоненты, такие как клетки, или более крупные структуры, типа сосудистых систем, имеющиеся и у растений, и у животных.
Выше мы отмечали, что сложные системы имеют тенденцию к развитию во времени. Саймон считает, что сложные системы будут развиваться из простых гораздо быстрее, если для них существуют устойчивые промежуточные формы [13] выражается более эффектно:
5. "Любая работающая сложная система является результатом развития работавшей более простой системы... Сложная система, спроектированная "с нуля", никогда не заработает. Следует начинать с работающей простой системы".
В процессе развития системы объекты, первоначально рассматривавшиеся как сложные, становятся элементарными, и из них строятся более сложные системы. Более того, невозможно сразу правильно создать элементарные объекты: с ними надо сначала повозиться, чтобы больше узнать о реальном поведении системы, и затем уже совершенствовать их.
Каноническая форма сложной системы. Обнаружение общих абстракций и механизмов значительно облегчает понимание сложных систем. Например, опытный пилот, сориентировавшись всего за несколько минут, может взять на себя управление многомоторным реактивным самолетом, на котором он раньше никогда не летал, и спокойно его вести. Определив элементы, общие для всех подобных самолетов (такие, как руль управления, элероны и дроссельный клапан), пилот затем найдет отличия этого конкретного самолета от других. Если пилот уже знает, как управлять одним самолетом определенного типа, ему гораздо легче научиться управлять другим похожим самолетом.
Этот пример наводит на мысль, что мы обращались с термином иерархия в весьма приблизительном смысле. Наиболее интересные сложные системы содержат много разных иерархий. В самолете, например, можно выделить несколько систем: питания, управления полетом и т.д. Такое разбиение дает структурную иерархию типа "быть частью". Эту же систему можно разложить совершенно другим способом. Например, турбореактивный двигатель - особый тип реактивного двигателя, a "Pratt and Whitney TF30" - особый тип турбореактивного двигателя. С другой стороны, понятие "реактивный двигатель" обобщает свойства, присущие всем реактивным двигателям; "турбореактивный двигатель" - это просто особый тип реактивного двигателя со свойствами, которые отличают его, например, от прямоточного.
Эта вторая иерархия представляет собой иерархию типа "is-a". Исходя из нашего опыта, мы сочли необходимым рассмотреть систему с двух точек зрения, как иерархию первого и второго типа. По причинам, изложенным в главе 2, мы назовем эти иерархии соответственно структурой классов и структурой объектов [Сложные программные системы включают также и другие типы иерархии. Особое значение имеют их модульная структура, которая описывает отношения между физическими компонентами системы, и иерархия процессов, которая описывает отношения между динамическими компонентами].
Объединяя понятия структуры классов и структуры объектов с пятью признаками сложных систем, мы приходим к тому, что фактически все сложные системы можно представить одной и той же (канонической) формой, которая показана на рис. 1-1. Здесь приведены две ортогональных иерархии одной системы: классов и объектов. Каждая иерархия является многоуровневой, причем в ней классы и объекты более высокого уровня построены из более простых. Какой класс или объект выбран в качестве элементарного, зависит от рассматриваемой задачи. Объекты одного уровня имеют четко выраженные связи, особенно это касается компонентов структуры объектов. Внутри любого рассматриваемого уровня находится следующий уровень сложности. Отметим также, что структуры классов и объектов не являются независимыми: каждый элемент структуры объектов представляет специфический экземпляр определенного класса. Как видно из рис. 1-1, объектов в сложной системе обычно гораздо больше, чем классов. Показывая обе иерархии, мы демонстрируем избыточность рассматриваемой системы. Если бы мы не знали структуру классов нашей системы, нам пришлось бы повторять одни и те же сведения для каждого экземпляра класса. С введением структуры классов мы размещаем в ней общие свойства экземпляров.
Наш опыт показывает, что наиболее успешны те программные системы, в которых заложены хорошо продуманные структуры классов и объектов и которые обладают пятью признаками сложных систем, описанными выше. Оценим важность этого наблюдения и выразимся более категорично: очень редко можно встретить программную систему, разработанную точно по графику, уложившуюся в бюджет и удовлетворяющую требованиям заказчика, в которой бы не были учтены соображения, изложенные выше.
Структуры классов и объектов системы вместе мы называем архитектурой системы.
Человеческие возможности и сложные системы. Если мы знаем, как должны быть спроектированы сложные программные системы, то почему при создании таких систем мы сталкиваемся с серьезными проблемами? Как показано в главе 2, идея о том, как бороться со сложностью программ (эту идею мы будем называть объектный подход) относительно нова. Существует, однако, еще одна, по-видимому, главная причина: физическая ограниченность возможностей человека при работе со сложными системами.
Когда мы начинаем анализировать сложную программную систему, в ней обнаруживается много составных частей, которые взаимодействуют друг с другом различными способами, причем ни сами части системы, ни способы их взаимодействия не обнаруживают никакого сходства. Это пример неорганизованной сложности. Когда мы начинаем организовывать систему в процессе ее проектирования, необходимо думать сразу о многом. Например, в системе управления движением самолетов приходится одновременно контролировать состояние многих летательных аппаратов, учитывая такие их параметры, как местоположение, скорость и курс. При анализе дискретных систем необходимо рассматривать большие, сложные и не всегда детерминированные пространства состояний. К сожалению, один человек не может следить за всем этим одновременно. Эксперименты психологов, например Миллера, показывают, что максимальное количество структурных единиц информации, за которыми человеческий мозг может одновременно следить, приблизительно равно семи плюс-минус два [15].
Таким образом, мы оказались перед серьезной дилеммой. Сложность программных систем возрастает, но способность нашего мозга справиться с этой сложностью ограничена. Как же нам выйти из создававшегося затруднительного положения?
Как отмечает Дейкстра, "Способ управления сложными системами был известен еще в древности - divide et impera (разделяй и властвуй)" [17].
Алгоритмическая декомпозиция. Большинство из нас формально обучено структурному проектированию "сверху вниз", и мы воспринимаем декомпозицию как обычное разделение алгоритмов, где каждый модуль системы выполняет один из этапов общего процесса. На рис. 1-2 приведен в качестве примера один из продуктов структурного проектирования: структурная схема, которая показывает связи между различными функциональными элементами системы. Данная структурная схема иллюстрирует часть программной схемы, изменяющей содержание управляющего файла. Она была автоматически получена из диаграммы потока данных специальной экспертной системой, которой известны правила структурного проектирования [18].
Объектно-ориентированная декомпозиция. Предположим, что у этой задачи существует альтернативный способ декомпозиции. На рис. 1-3 мы разделили систему, выбрав в качестве критерия декомпозиции принадлежность ее элементов к различным абстракциям данной проблемной области. Прежде чем разделять задачу на шаги типа Get formatted update (Получить изменения в отформатированном виде) и Add check sum (Прибавить к контрольной сумме), мы должны определить такие объекты как Master File (Основной файл) и Check Sum (Контрольная сумма), которые заимствуются из словаря предметной области.
Хотя обе схемы решают одну и ту же задачу, но они делают это разными способами. Во второй декомпозиции мир представлен совокупностью автономных действующих лиц, которые взаимодействуют друг с другом, чтобы обеспечить поведение системы, соответствующее более высокому уровню. Get formatted update (Получить изменения в отформатированном виде) больше не присутствует в качестве независимого алгоритма; это действие существует теперь как операция над объектом File of Updates (Файл изменений). Эта операция создает другой объект - Update to Card (Изменения в карте). Таким образом, каждый объект обладает своим собственным поведением, и каждый из них моделирует некоторый объект реального мира. С этой точки зрения объект является вполне осязаемой вещью, которая демонстрирует вполне определенное поведение. Объекты что-то делают, и мы можем, послав им сообщение, попросить их выполнить то-то и то-то. Так как наша декомпозиция основана на объектах, а не на алгоритмах, мы называем ее объектно-ориентированной декомпозицией.
Декомпозиция: алгоритмическая или объектно-ориентированная? Какая декомпозиция сложной системы правильнее - по алгоритмам или по объектам? В этом вопросе есть подвох, и правильный ответ на него: важны оба аспекта. Разделение по алгоритмам концентрирует внимание на порядке происходящих событий, а разделение по объектам придает особое значение агентам, которые являются либо объектами, либо субъектами действия. Однако мы не можем сконструировать сложную систему одновременно двумя способами, тем более, что эти способы по сути ортогональны [Лэнгдон предполагает, что эта ортогональность изучалась с древних времен. Он пишет: "К. X. Ваддингтон отметил, что такая дуальность взглядов прослеживается до древних греков. Пассивный взгляд предлагался Демокритом, который утверждал, что мир состоит из атомов. Эта позиция Демокрита ставила в центр всего материю. Классическим представителем другой стороны - активного взгляда - был Гераклит, который выделял понятие процесса"[34]]. Мы должны начать разделение системы либо по алгоритмам, либо по объектам, а затем, используя полученную структуру, попытаться рассмотреть проблему с другой точки зрения.
Опыт показывает, что полезнее начинать с объектной декомпозиции. Такое начало поможет нам лучше справиться с приданием организованности сложности программных систем. Выше этот объектный подход помог нам при описании таких непохожих систем, как компьютеры, растения, галактики и общественные институты. Как будет видно в дальнейшем (в главах 2 и 7), объектная декомпозиция имеет несколько чрезвычайно важных преимуществ перед алгоритмической. Объектная декомпозиция уменьшает размер программных систем за счет повторного использования общих механизмов, что приводит к существенной экономии выразительных средств. Объектно-ориентированные системы более гибки и проще эволюционируют со временем, потому что их схемы базируется на устойчивых промежуточных формах. Действительно, объектная декомпозиция существенно снижает риск при создании сложной программной системы, так как она развивается из меньших систем, в которых мы уже уверены. Более того, объектная декомпозиция помогает нам разобраться в сложной программной системе, предлагая нам разумные решения относительно выбора подпространства большого пространства состояний.
Преимущества объектно-ориентированных систем демонстрируются в главах 8-12 примерами прикладных программ, относящихся к различным областям. Следующая врезка сопоставляет объектно-ориентированное проектирование с более традиционными подходами.
Выше мы ссылались на эксперименты Миллера, в которых было установлено, что обычно человек может одновременно воспринять лишь 7¦2 единицы информации. Это число, по-видимому, не зависит от содержания информации. Как замечает сам Миллер: "Размер нашей памяти накладывает жесткие ограничения на количество информации, которое мы можем воспринять, обработать и запомнить. Организуя поступление входной информации одновременно по нескольким различным каналам и в виде последовательности отдельных порций, мы можем прорвать... этот информационный затор" [35]. В современной терминологии это называют разбиением или выделением абстракций.
Мы решили, что будет полезно, если мы разграничим понятия метод и методология. Метод - это последовательный процесс создания моделей, которые описывают вполне определенными средствами различные стороны разрабатываемой программной системы. Методология - это совокупность методов, применяемых в жизненном цикле разработки программного обеспечения и объединенных одним общим философским подходом. Методы важны по нескольким причинам. Во-первых, они упорядочивают процесс создания сложных программных систем, как общие средства доступные для всей группы разработчиков. Во-вторых, они позволяют менеджерам в процессе разработки оценить степень продвижения и риск.
Методы появились как ответ на растущую сложность программных систем. На заре компьютерной эры очень трудно было написать большую программу, потому что возможности компьютеров были ограничены. Ограничения проистекали из объема оперативной памяти, скорости считывания информации с вторичных носителей (ими служили магнитные ленты) и быстродействия процессоров, тактовый цикл которых был равен сотням микросекунд. В 60-70-е годы эффективность применения компьютеров резко возросла, цены на них стали падать, а возможности ЭВМ увеличились. В результате стало выгодно, да и необходимо создавать все больше прикладных программ повышенной сложности. В качестве основных инструментов создания программных продуктов начали применяться алгоритмические языки высокого уровня. Эти языки расширили возможности отдельных программистов и групп разработчиков, что по иронии судьбы в свою очередь привело к увеличению уровня сложности программных систем.
В 60-70-е годы было разработано много методов, помогающих справиться с растущей сложностью программ. Наибольшее распространение получило структурное проектирование по методу сверху вниз. Метод был непосредственно основан на топологии традиционных языков высокого уровня типа FORTRAN или COBOL. В этих языках основной базовой единицей является подпрограмма, и программа в целом принимает форму дерева, в котором одни подпрограммы в процессе работы вызывают другие подпрограммы. Структурное проектирование использует именно такой подход: алгоритмическая декомпозиция применяется для разбиения большой задачи на более мелкие.
Тогда же стали появляться компьютеры еще больших, поистине гигантских возможностей. Значение структурного подхода осталось прежним, но как замечает Стейн, "оказалось, что структурный подход не работает, если объем программы превышает приблизительно 100000 строк" [23]:
Примеры структурного проектирования приведены в работах Иордана и Константина [30]. В каждом из этих подходов присутствует алгоритмическая декомпозиция. Следует отметить, что большинство существующих программ написано, по-видимому, в соответствии с одним из этих методов. Тем не менее структурный подход не позволяет выделить абстракции и обеспечить ограничение доступа к данным; он также не предоставляет достаточных средств для организации параллелизма. Структурный метод не может обеспечить создание предельно сложных систем, и он, как правило, неэффективен в объектных и объектно-ориентированных языках программирования.
Метод потоков данных лучше всего описан в ранней работе Джексона [33]. В этом методе программная система рассматривается как преобразователь входных потоков в выходные. Метод потоков данных, как и структурный метод, с успехом применялся при решении ряда сложных задач, в частности, в системах информационного обеспечения, где существуют прямые связи между входными и выходными потоками системы и где не требуется уделять особого внимания быстродействию.
Объектно-ориентированное проектирование (object-oriented design, OOD) - это подход, основы которого изложены в данной книге. В основе OOD лежит представление о том, что программную систему необходимо проектировать как совокупность взаимодействующих друг с другом объектов, рассматривая каждый объект как экземпляр определенного класса, причем классы образуют иерархию. Объектно-ориентированный подход отражает топологию новейших языков высокого уровня, таких как Smalltalk, Object Pascal, C++, CLOS и Ada.
Вулф так описывает этот процесс: "Люди развили чрезвычайно эффективную технологию преодоления сложности. Мы абстрагируемся от нее. Будучи не в состоянии полностью воссоздать сложный объект, мы просто игнорируем не слишком важные детали и, таким образом, имеем дело с обобщенной, идеализированной моделью объекта" [36]. Например, изучая процесс фотосинтеза у растений, мы концентрируем внимание на химических реакциях в определенных клетках листа и не обращаем внимание на остальные части - черенки, жилки и т.д. И хотя мы по-прежнему вынуждены охватывать одновременно значительное количество информации, но благодаря абстракции мы пользуемся единицами информации существенно большего семантического объема. Это особенно верно, когда мы рассматриваем мир с объектно-ориентированной точки зрения, поскольку объекты как абстракции реального мира представляют собой отдельные насыщенные связные информационные единицы.
В главе 2 понятие абстракции рассмотрено более детально.
Другим способом, расширяющим информационные единицы, является организация внутри системы иерархий классов и объектов. Объектная структура важна, так как она иллюстрирует схему взаимодействия объектов друг с другом, которое осуществляется с помощью механизмов взаимодействия. Структура классов не менее важна: она определяет общность структур и поведения внутри системы. Зачем, например, изучать фотосинтез каждой клетки отдельного листа растения, когда достаточно изучить одну такую клетку, поскольку мы ожидаем, что все остальные ведут себя подобным же образом. И хотя мы рассматриваем каждый объект определенного типа как отдельный, можно предположить, что его поведение будет похоже на поведение других объектов того же типа. Классифицируя объекты по группам родственных абстракций (например, типы клеток растений в противовес клеткам животных), мы четко разделяем общие и уникальные свойства разных объектов, что помогает нам затем справляться со свойственной им сложностью [37].
Определить иерархии в сложной программной системе не всегда легко, так как это требует разработки моделей многих объектов, поведение каждого из которых может отличаться чрезвычайной сложностью. Однако после их определения, структура сложной системы и, в свою очередь, наше понимание ее сразу во многом проясняются. В главе 3 детально рассматривается природа иерархий классов и объектов, а в главе 4 описываются приемы распознавания этих структур.
На практике любая инженерная дисциплина, будь то строительство, механика, химия, электроника или программирование, содержит в себе элементы и науки, и искусства. Петроски красноречиво утверждает: "Разработка новых структур предполагает и полет фантазии, и синтез опыта и знаний: все то, что необходимо художнику для реализации своего замысла на холсте или бумаге. После того, как этот замысел созрел в голове инженера-художника, он обязательно должен быть проанализирован с точки зрения применимости данного научного метода инженером-ученым со всей тщательностью, присущей настоящему ученому" [39].
Когда разрабатывается совершенно новая система, роль инженера как художника выдвигается на первый план. Это происходит постоянно при проектировании программ. А тем более при работе с системами, обладающими обратной связью, и особенно в случае систем управления и контроля, когда нам приходится писать программное обеспечение, требования к которому нестандартны, и к тому же для специально сконструированного процессора. В других случаях, например, при создании прикладных научных средств, инструментов для исследований в области искусственного интеллекта или даже для систем обработки информации, требования к системе могут быть хорошо и точно определены, но определены таким образом, что соответствующий им технический уровень разработки выходит за пределы существующих технологий. Нам, например, могут предложить создать систему, обладающую большим быстродействием, большей вместимостью или имеющей гораздо более мощные функциональные возможности по сравнению с уже существующими. Во всех этих случаях мы будем стараться использовать знакомые абстракции и механизмы ("устойчивые промежуточные формы" в терминах Саймона) как основу новой системы. При наличии большой библиотеки повторно используемых программных компонентов, инженер-программист должен их по-новому скомпоновать, чтобы удовлетворить всем явным и неявным требованиям к системе, точно так же, как художник или музыкант находит новые возможности своего инструмента. Но так как подобных богатых библиотек практически не существует, инженер-программист обычно может использовать, к сожалению, лишь относительно небольшой список готовых модулей.
В любой инженерной дисциплине под проектированием обычно понимается некий унифицированный подход, с помощью которого мы ищем пути решения определенной проблемы, обеспечивая выполнение поставленной задачи. В контексте инженерного проектирования Мостов определил цель проектирования как создание системы, которая
По предположению Страуструпа: "Цель проектирования - выявление ясной и относительно простой внутренней структуры, иногда называемой архитектурой... Проект есть окончательный продукт процесса проектирования" [41]. Проектирование подразумевает учет противоречивых требований. Его продуктами являются модели, позволяющие нам понять структуру будущей системы, сбалансировать требования и наметить схему реализации.
Важность построения модели. Моделирование широко распространено во всех инженерных дисциплинах, в значительной степени из-за того, что оно реализует принципы декомпозиции, абстракции и иерархии [42]. Каждая модель описывает определенную часть рассматриваемой системы, а мы в свою очередь строим новые модели на базе старых, в которых более или менее уверены. Модели позволяют нам контролировать наши неудачи. Мы оцениваем поведение каждой модели в обычных и необычных ситуациях, а затем проводим соответствующие доработки, если нас что-то не удовлетворяет.
Как мы уже сказали выше, чтобы понять во всех тонкостях поведение сложной системы, приходится использовать не одну модель. Например, проектируя компьютер на одной плате, инженер-электронщик должен рассматривать систему как на уровне отдельных элементов схемы (микросхем), так и на уровне схемы. Схема помогает инженеру разобраться в совместном поведении микросхем. Схема представляет собой план физической реализации системы микросхем, в котором учтены размер платы, потребляемая мощность и типы имеющихся интегральных микросхем. С этой точки зрения инженер может независимо оценивать такие параметры системы, как температурное распределение и технологичность изготовления. Проектировщик платы может также рассматривать динамические и статические особенности системы. Аналогично, инженер-электронщик использует диаграммы, иллюстрирующие статические связи между различными микросхемами, и временные диаграммы, отражающие поведение элементов во времени. Затем инженер может применить осциллограф или цифровой анализатор для проверки правильности и статической, и динамической моделей.
Элементы программного проектирования. Ясно, что не существует такого универсального метода, "серебряной пули" [43], который бы провел инженера-программиста по пути от требований к сложной программной системе до их выполнения. Проектирование сложной программной системы отнюдь не сводится к слепому следованию некоему набору рецептов. Скорее это постепенный и итеративный процесс. И тем не менее использование методологии проектирования вносит в процесс разработки определенную организованность. Инженеры-программисты разработали десятки различных методов, которые мы можем классифицировать по трем категориям. Несмотря на различия, эти методы имеют что-то общее. Их, в частности, объединяет следующее:
Хороший метод проектирования базируется на прочной теоретической основе и при этом дает программисту известную степень свободы самовыражения.
Объектно-ориентированные модели. Существует ли наилучший метод проектирования? На этот вопрос нет однозначного ответа. По сути дела это завуалированный предыдущий вопрос: "Существует ли лучший способ декомпозиции сложной системы?" Если и существует, то пока он никому не известен. Этот вопрос можно поставить следующим образом: "Как наилучшим способом разделить сложную систему на подсистемы?" Еще раз напомним, что полезнее всего создавать такие модели, которые фокусируют внимание на объектах, найденных в самой предметной области, и образуют то, что мы назвали объектно-ориентированной декомпозицией.
Объектно-ориентированный анализ и проектирование - это метод, логически приводящий нас к объектно-ориентированной декомпозиции. Применяя объектно-ориентированное проектирование, мы создаем гибкие программы, написанные экономными средствами. При разумном разделении пространства состояний мы добиваемся большей уверенности в правильности нашей программы. В итоге, мы уменьшаем риск при разработке сложных программных систем.
Так как построение моделей крайне важно при проектировании сложных систем, объектно-ориентированное проектирование предлагает богатый выбор моделей, которые представлены на рис. 1-4. Объектно-ориентированные модели проектирования отражают иерархию и классов, и объектов системы. Эти модели покрывают весь спектр важнейших конструкторских решений, которые необходимо рассматривать при разработке сложной системы, и таким образом вдохновляют нас на создание проектов, обладающих всеми пятью атрибутами хорошо организованных сложных систем.
В главе 5 подробно рассмотрен каждый из четырех типов моделей. В главе 6 описан процесс объектно-ориентированного проектирования, представляющий собой цепь последовательных шагов по созданию и развитию моделей. В главе 7 рассмотрена практика управления процессом объектно-ориентированного проектирования.
В этой главе мы привели доводы в пользу применения объектно-ориентированного анализа и проектирования для преодоления сложности, связанной с разработкой программных систем. Кроме того, мы определили ряд фундаментальных преимуществ, достигаемых в результате применения такого подхода. Прежде чем мы представим систему обозначений и процесс проектирования, мы должны изучить принципы, на которых этот процесс проектирования основан: абстрагирование, инкапсуляцию, модульность, иерархию, типизацию, параллелизм и устойчивость.
Проблемы, связанные с развитием сложных программных систем, были отчетливо описаны в классических работах Брукса (Brooks) [Н 1975] и [Н 1987]. В работах Гласса (Glass) [Н 1982], Defense Science Board [Н 1987], и Joint Service Task Force [Н 1982] можно найти более свежую информацию о современной практике программирования. Эмпирические исследования природы и причин программистских неудач можно найти в работах ван Генучтена (van Genuchten) [Н 1991], Гвиндона (Guindon) и др. [Н 1987], Джонса (Jones) [H1992].
Работы Саймона (Simon) [A 1962,1982] - богатый источник сведений об архитектуре сложных систем. Куртуа (Courtois) [A 1985] применил эти идеи к области программного обеспечения. Плодотворная работа Александера (Alexander) [I 1979] предлагает свежий подход к архитектуре. Питер (Peter) [I 1986] и Петроски (Petroski) [11985] изучали сложность в контексте соответственно социальных и физических систем. Аллен и Стар (Alien and Starr) [A 1982] изучали иерархические системы в ряде предметных областей. Флуд и Кэрсон (Flood and Carson) [A 1988] предприняли формальное исследование сложности сквозь призму теории систем. Волдрап (Waldrop) [A 1992] описал возникающую науку о сложности и ее использование при изучении больших адаптивных систем, возникающего поведения и самоорганизации. Отчет Миллера (Miller) [A 1956] дает эмпирические свидетельства фундаментальных ограничивающих факторов человеческого сознания.
По проектированию программного обеспечения есть ряд замечательных ссылок. Росс, Гудинаф и Ирвайн (Ross, Goodenough, and Irvine) [Н 1980], а также Зелковитс (Zeikowitz) [Н 1978] - это две классические работы, суммирующие существенные элементы проектирования. Более широкий круг работ по этому предмету включает: Дженсен и Тонис (Jensen and Tonies) [Н 1979], Саммервиль (Sommerville) [Н 1985], Вик и Рамамурти (Vick and Ramamourthy) [Н 1984], Вегнер (Wegner) [Н 1980], Пресман (Pressman) [Н 1992], Оман и Льюис (Oman and Lewis) [A 1990], Берзинс и Луки (Berzins and Luqi) [Н 1991] и Hг и Йeн(NgandYen) [Н 1990]. Другие статьи, касающиеся проектирования программного обеспечения , можно найти в Йордон (Yourdon) [Н 1979] и Фриман и Вассерман( Freeman and Wasserman)[H 1993]. Две работы, Грэхема (Graham) [F 1991] и Берарда (Berard) [Н 1993], предлагают широкое истолкование объектно-ориентированного проектирования.
Глейк (Gleik) [I 1987] предложил легко читаемое введение в хаосоведение.
|
| |
|
| #WhiteUnicorn/ StartPage/ Documentation/ GradiBuch.Part01 > |
|
| |
|
| ||
|
|
Anastasija aka WhiteUnicorn
|
 LiveJournal PhotoFile
|
|
| ||