Projektowanie. Kryteria jakości projektu. Spójność obiektowa. Brak spójności obiektowej. Znaczenie notacji graficznych w projektowaniu

Transkrypt

1 Projektowanie Czy oprogramowanie jest zawsze projektowane? Znaczenie projektowania Projektowanie a wyniki fazy analizy class CPojazd { public: double Koszt (double Czas, double Droga); ; double CPojazd::Koszt (double Czas, double Droga) { ; lass Cklient { ; class CTypPojazdu { ; Klient Nazwa Adres REGON Typ pojazdu Nazwa Ladownosc Pojemnosc Cena kilometra Pojazd Cena godziny Koszt() Klient +Nazwa : char #Adres : char Typ pojazdu #REGON : char +Nazwa : char +Dodaj samochod(){sequential +Ladownosc : double +Pojemnosc : double +Cena kilometra : double +Cena godziny : double +Edytuj(){polymorphic,sequential Pojazd +Nazwa : char #Cena kilometra : double -Cena godziny : double +Koszt(in Czas : double, in Droga : double) : double{polymorphic,sequential Znaczenie notacji graficznych w projektowaniu Ułatwienie projektowania Komunikacja Podstawa (zautomatyzowanej) implementacji Kryteria jakości projektu Modularność Silne (spójne) składowe Niezależne (luźno powiązane) składowe Przejrzystość Modularność Nazewnictwo Złożoność składowych Spójność obiektowa Brak spójności obiektowej Pola klasy służą do opisu pojedynczego bytu, a metody klasy operują na (wykorzystują, modyfikują) polach tej klasy

2 Brak spójności obiektowej Dostęp do danych zwiększa zależność składowych Lepiej Uniezależnienie klasy od figur Uniezależnienie klasy od figur Złożoność klasy Suma złożoności metod Miary złożoności metod: Liczba linii kodu Liczba warunków Złożoność cyklomatyczna liczba niezależnych ścieżek w grafie przepływu sterowania programu 2

3 Zadania w fazie projektowania Uszczegółowienie wyników analizy Projektowanie technicznych składowych oprogramowania - innych niż składowa dziedziny problemu Poprawa efektywności systemu Określenie fizycznej struktury systemu Uszczegółowienie wyników analizy Opracowanie diagramów sekwencji Wprowadzenie związków skierowanych Określenie sposobu implementacji związków Dobór typów danych Opracowanie nagłówków operacji Opracowanie algorytmów metod Opracowanie diagramów sekwencji Wprowadzenie związków skierowanych Pracownik Opiekun Kolo naukowe Pracownik Opiekun Kolo naukowe Wprowadzenie związków skierowanych Czynniki brane pod uwagę Nadmiarowość danych w przypadku związków nieskierowanych (obustronnie nawigowalnych) Efektywność Dostęp do pól i metod powiązanych obiektów Określenie sposobu implementacji związków Wybór spośród omówionych wcześniej możliwości Najlepszym podejściem jest przyjęcie standardu dla projektu/firmy 3

4 Typy danych dla: Pól Parametrów Metod Dobór typów danych Wybór typu spełniającego wymagania (np. zakres, dokładność, liczba możliwych wartości) określonych na etapie analizy Jeżeli żaden z typów standardowych i bibliotecznych nie spełnia naszych wymagań to definiowanie własnych typów: Złożonych Obiektowych (klas) inne wykorzystanie programowania obiektowego Opracowanie nagłówków operacji Zamiana danych wejściowych i wyjściowych na parametry i wyniki o odpowiednich typach Np. operacja obliczania kosztu przewozu Dane wejściowe Czas, Droga Dany wyjściowe Koszt przewozu double Koszt (double Czas, double Droga) lub Koszt (double Czas, double Droga, double &Koszt) Opracowanie algorytmów metod ~90% metod to metody algorytmicznie proste Algorytmy ~0% metod maja istotnie znaczenie dla systemu (np. efektywność, przejrzystość) Projektowanie technicznych składowych oprogramowania Składowa interfejsu użytkownika Składowa zarządzania danymi Składowa komunikacji sieciowej Składowa zarządzania pamięcią Składowa dziedziny problemu Składowa zarządzania zadaniami Projektowanie technicznych składowych W ogólności składowe techniczne mogą być projektowane tak, jak składowa dziedziny problemu Rzeczywistość -> Model -> Projekt W praktyce (choć nie zawsze) projektowanie tych składowych ma charakter powtarzalny, wykorzystujemy więc: Gotowe biblioteki Generatory kodu Wzorce projektowe Składowa interfejsu użytkownika Zasady projektowania IU Spójność Skróty dla doświadczonych użytkowników Potwierdzanie przyjęcia polecenia użytkownika Prosta obsługa błędów Odwoływanie akcji Wrażenie kontroli nad systemem Nieobciążanie pamięci krótkotrwałej Grupowanie powiązanych operacji Przestrzeganie zasady 7±2 Komunikaty o błędach: Jakie są efekty błędu Co użytkownik może zrobić 4

5 Projektowanie składowej zarządzania danymi Dokumenty vs. na bieżąco wybierane dane Bazy danych - pliki Relacja/plik na klasę - wszystkie obiekty w jednym pliku/relacji Odczyt/zapis na bieżąco - na żądanie Projektowanie baz danych - normalizacja, indeksy XML jako narzędzie realizacji zarządzania danymi Plik XML zbiór danych obiektów zawierających się i wzajemnie powiązanych DTD, X Schematy sposób definiowania struktury dokumentu XML Narzędzia dla XML np. parsery, translotory, współpraca z bazami danych Model klas a format XML Trasy Trasa Pojazd = Węzeł A Węzeł B Węzeł C Trasa2 Pojazd = 2 Węzeł D Węzeł E Węzeł F Pojazdy Pojazd Pojazd 2 Problem dziedziczenia Propagacja pól w dół Propagacja pól w górę Adre s Typ adresu Miasto Nazwa firmna zwis ko Osobisty Warszawa Jan Kowalski Firmowy Kielce XYX z o.o. Firmowy Poznań ABC S.A. Osobis ty Wólka Zenon Nowak Adre s firmo wy Miasto Nazwa firmy Poznań ABC S.A. Kielce XYX z o.o. Adres osobisty Miasto Nazwisko Wars zawa Jan Kowals ki Wólka Zenon Nowak 5

6 Transformacja do zwykłego związku Adre s firmo wy Id adresu Nazwa firmy ABC S.A. 2 XYX z o.o. Adre s o s o bis ty Id adresu Adre s Id adres u Nazwisko 3Jan Kowalski 4 Zenon Nowak Miasto P ozna ń 2 Kielce 3Warszawa 4 Wólka Sposoby implementacji składowej komunikacji sieciowe Funkcje niskopoziomowe CORBA (Common Object Request Broker Architecture) Web services np. SOAP (Simple Object Access Protocol) CORBA jako narzędzie implementacji składowej komunikacji sieciowej Struktura CORBY Możliwość komunikacji rozproszonych obiektów napisanych w różnych językach oprogramowania Specyfikacja klas w języku IDL Automatyczna transformacja IDL do kodu komunikacji sieciowej w odpowiednim języku Poprawa efektywności systemu Kompromis pomiędzy efektywnością a jakością projektu Poprawa efektywności na poziomie programistycznym i projektowym Dobór struktur danych Dobór algorytmów Typowe sposoby poprawy efektywność Przechowywanie danych pośrednich Indeksowanie 6

7 Przykład lokalne przeszukiwanie z zakazem powrotu do poprzednich rozwiązań Problem komiwojażera 00 miast Zapamiętanie jednego rozwiązania 00 B Milion rozwiązań ~00 MB Duży czas weryfikacji czy nowe rozwiązanie znajduje się na liście uprzednio wygenerowanych rozwiązań. Określenie fizycznej struktury systemu Rozmieszczanie klas w modułach Podział na programy wykonywalne Projektowanie systemów rozproszonych Rozmieszczanie klas w modułach deployment diagrams Klient Architektura klient-serwer Cienki klient Interfejs użytkownika Gruby klient Interfejs użytkownika Serwer S. dziedziny problemu S. dziedziny problemu S. zarządzania danymi S. zarządzania danymi Architektura trójwarstwowa Metoda CRC cards Warstwa prezentacji Warstwa aplikacji Interfejs użytkownika S. dziedziny problemu Class-Responsibility-Collaboration Klasa- Odpowiedzialność-Współpraca Może poprzedzać opracowanie diagramów sekwencji lub samodzielnie wspomagać wprowadzanie metod Warstwa danych S. zarządzania danymi 7

8 Przykład karty CRC Przykład karty CRC Prostokąt Pojazd Odpowiedzialność Współpraca Odpowiedzialność Współpraca Rysowanie Wzór linii Wzór wypełnienia Obliczanie kosztów Kategoria pojazdu Edycja interaktywna Manipulator prostokąta Sprawdzanie wykonalności zlecenia Kategoria pojazdu Zaznaczanie się Wzorce projektowe Prawie każdy problem, także projektowy, nad którym się zastanawiasz, ktoś już rozwiązał Wzorce (patterns) zawierają dobre praktyki Antywzorce przykłady złych praktyk Wzorce mogą też przyśpieszać komunikację Przechowywanie pojedynczej wielkości Jak przechować pojedynczą wielkość? double IloscPaliwa; Problem: W jakiej jednostce przechowywane jest to pole? Litry, hektolitry, metry sześcienne, mililitry, tony? Wzorzec Quantity Wzorzec Quantity - przykład Quantity Amount Unit Wielkosc Ilosc Jednostka Lub np. pole typu Wielkosc Concrete quantity Ilosc paliwa 8

9 Współpracujące klasy Wzorzec Client-Server Client Server Klasa Klasa 2 Np.: np.: : ::Klasa : ::Klasa 2 : ::Client : ::Server Przykład wzorca Client-Server Wzorzec Client-Server dla pakietów klas «interface class» Okno raportu Raport Flota Optymalizacja Pojazd Typ pojazdu Rozwiazanie.. Populacja Wolny pojazd Trasa Interfejs uzytkownika symlulatora Okno widoku symulacji Okno parametrów Uniezależnienie interfejsu użytkownika od części obliczeniowej programu Okno statystyk Symulator Osobnik Organ Gatunek Interfejs uzytkownika symlulatora Okno widoku symulacji Okno parametrów Wzorzec Facade Okno statystyk Symulator Symulator Organ Osobnik Gatunek Facade 9

10 Niezależność współpracujących klas We wzorcu client-server klient jest zależny od serwera Jest to szczególnie niekorzystne, jeżeli współpraca z serwerem jest tylko niewielką częścią funkcjonalności serwera Jak tego uniknąć? Wzorzec Mediator Collegue Mediator Collegue 2 : ::Mediator : ::Collegue : ::Collegue 2 Przykład wzorca Mediator Kosztowne obiekty Modul harmonogramowania Interfejs harmonogramowania Figura Modul CASE Interfejs CASE Integrator (mediator) Uchwyt pliku := Wczytaj z sieci (Adres pliku) Plik graficzny Adres pliku Uchwyt pliku Plik graficzny() Wczytaj z sieci() Client Wzorzec Proxy Subject Przykład wzorca Proxy Figura Request() Real subject Request() 0.. Proxy Request() Plik graficzny Adres pliku Uchwyt pliku Plik graficzny() Wczytaj z sieci() 0.. Proxy pliku graficznego Adres pliku if (rreal subject = NULL) rreal subject := new Real subject; rreal subject.request () if (Plik graficzny = NULL) rplik graficzny := new Plik graficzny (Adres pliku); rplik graficzny. 0

11 Niespójne klasy Wzorzec Adapter Figura Rysuj(in Okno : Okno) Client Target Linia Prostakat Library Rysuj(in Okno : Okno) Rysuj(in Okno : Okno) Adaptee Adapter Graphic file Draw(in pdc : CDC) Przykład wzorca Adapter Figura Potrzeba wielopoziomowej hierarchii agregacji Przykład: Rysuj(in Okno : Okno) składa się z figur Library Linia Rysuj(in Okno : Okno) Plik graficzny Rysuj(in Okno : Okno) Prostakat Rysuj(in Okno : Okno) Figury mogą tworzyć grupy W skład grupy może wchodzić inna grupa figur Pewne operacja można wykonywać zarówno na pojedynczych figurach, jak i grupach figur. Graphic file Draw(in pdc : CDC) rgraphic file.draw (Onko.pDC) Client Wzorzec Composite Component Przykład wzorca Composite Figura Request() Operation() Przesun() Leaf Composite Linia Prostakat Grupa Operation() Operation() 0.. Przesun() Przesun() Przesun() 0.. For each rcomponent rcomponent.operation For each rfigura rfigura.przesun ()

12 Jak oddzielić konstrukcję złożonego obiektu od jego reprezentacji Np. zapis danych programu graficznego w różnych formatach Director +Construct() Wzorzec Builder Builder +Build part() Concrete builder Product +Build part() Przykład wzorca builder Polecenia Zapisz() Zapisywacz w XML Zapisz linie() Zapisz prostakat() Zapisz grupe() Zapisywacz Zapisz linie() Zapisz prostakat() Zapisz grupe() Zapisywacz w JPG Zapisz linie() Zapisz prostakat() Zapisz grupe() Jak zapewnić: Możliwość stosowania różnych sposobów wydawania poleceń Niezależność pomiędzy obiektem wysyłającym polecenie i odbiorcą Strumien XML Tabela Wzorzec Command Przykład wzorca Command Sender.. Command Execute() Menu 0.. Polecenie Wykonaj() Powieksz() Pomniejsz() Pasek narzedziowy Powieksz Pomniejsz 0.. Wykonaj() Wykonaj() Receiver Concrete command Execute() r.powieksz () r.pomniejsz () 2

13 Różna reakcja na zdarzenia w zależności od stanu Zadanie Zwolnij zasob() Zdefiniowane Zrealizowane Zaplanowane Realizowane Typowa implementacja void CZadanie::Zwolnij_zasob (TZasobID Zasob) { if (State == _ZDEFNIOWANE) { else if (State == _ZAPLANOWANE) { else if (State == _REALIZOWANE) { else if (State == _ZREALIZOWANE) { Wzorzec State Przykład wzorca State Context State Request() Handle() rstan zadania.obsluz () Zadanie Zwolnij zasob() Stan zadania Obsluz() rstate.handle () Concrete state Concrete state 2 Zdefiniowane Zaplanowane Realizowane Zrealizowane Handle() Handle() Obsluz() Obsluz() Obsluz() Obsluz() Schemat algorytmu ewolucyjnego Wzorzec Template method Znajdź populację początkową powtarzaj Selekcja Rekombinacja Mutacja dopóki nie są spełnione warunki stopu Abstract class Template method() Operation() Operation2() Concrete class Operation () Operation2 () Operation() Operation2() 3

14 Przykład wzorca Template method Algorytm ewolucyjny Wykonaj() Populacja poczatkowa() Selekcja() Rekombinacja() Mutacja() Warunek stopu() Populacja poczatkowa () powtarzaj Selekcja () Rekombinacja () Mutacja () dopoki nie Warunek stopu () Grupowanie podobnych operacji Gdzie umieścić operacje tego samego typu dotyczące grupy klas? Konkretny algorytm ewolucyjny Populacja poczatkowa() Selekcja() Rekombinacja() Mutacja() Warunek stopu() Klasyczne rozwiązanie Figura Zapisz() Zapisz() Zapisz() Przykład wzorca Visitor Figura Gosc Odwiedz linie(in Linia : Linia) Odwiedz grupe(in Grupa : Grupa) Linia ZapisXML Linia Grupa Zaakceptuj(in Gosc : Gosc) Odwiedz linie(in Linia : Linia) 0.. Odwiedz grupe(in Grupa : Grupa) Zapisz() Zapisz() 0.. Grupa Zaakceptuj(in Gosc : Gosc) Jak rozszerzyć działanie zbioru klas bez zmiany ich kodu? Np. jak w programie graficznym dodać do każdej figury i grupy figur możliwość wyświetlania nazwy? + Rozwiązanie klasyczne - dziedziczenie Figura Nazwa Rysuj nazwe() Linia Grupa 0.. 4

15 Client Wzorzec Decorator Component Przykład wzorca Decorator 0.. Operation() Concrete component Decorator 0.. Nazwa Figura Figura z nazwa 0.. Operation() Operation() 0.. Additional behaviour rcomponenet.operation () Additional behaviour Concrete decorator Operation() Linia Grupa 0.. rfigura.rysuj () Rysuj nazwe Tworzenie obiektów Figura Wzorzec Factory method 0.. Linia Prostakat Czy rysunek musi znać wszystkie manipulatory? Product 0.. Creator Factory method() Operation() rproduct := Factory method () 0.. Manipulator linii 0.. Manipulator prostakata Concrete product Concrete creator Factory method() return new Concrete product Przykład wzorca Factory method 0.. «interface» Manipulator 0.. Linia #Skonstruuj manipulator() Figura +Manipuluj() #Skonstruuj manipulator() Prostakat #Skonstruuj manipulator() Wzorzec Singleton zapewnianie istnienia tylko jednej instancji obiektu Singleton #Unique instance +Instance() #Singleton() if (Unique instance == NULL) Unique instance = new Singleton () return Unique instance Manipulator linii Manipulator prostakata 5

16 Wzorzec Singleton w C++ class CSingleton { protected: static CSingleton UniqueInstance; CSingleton () { public: static CSingleton Instance () { if (UniqueInstance == NULL) UniqueInstance = new CSingleton; return UniqueInstance; ; CSingleton CSingleton::UniqueInstance = NULL; CSingleton Singleton = CSingleton::Instance (); Wzorzec Singleton w Javie public class Singleton { static protected Singleton uniqueinstance = null; protected Singleton() { static public Singleton instance() { if(uniqueinstance == null) { uniqueinstance = new Singleton(); return uniqueinstance; Singleton singleton = Singleton.getInstance(); Refaktoryzacja kodu Dlaczego refaktoryzacja Seria niewielkich modyfikacji kodu, z których każda zmienia (poprawia) wewnętrzną strukturę programu bez zmiany jego zewnętrznego działania Do pewnego! stopnia zastępuje szczegółowe projektowanie poprzedzające implementację i pozwala na poprawę błędów projektowych Poprawa projektu Utrzymanie kodu przy życiu, ułatwienie wprowadzania zmian, umożliwienie ponownego wykorzystania Poprawa czytelności Kod dla ludzi nie dla kompilatora Zrozumienie cudzego kodu Ułatwienie wyszukiwania błędów Np. refaktoryzacja przy debugowaniu Refaktoryzacja ma przyspieszać pracę Kiedy refaktoryzować kod Kiedy istnieje potrzeba dodania/zmiany funkcjonalności i okazuje się to trudne Poprawa czytelności kodu Ułatwienie zmian Kiedy trudno znaleźć/zlokalizować błędy Poprawa czytelności kodu Przed przeglądem kodu Złe zapachy (bad smells) w kodzie Powielany kod Długie metody i złożone klasy Długie listy parametrów Metody odwołujące się głównie do innych klas Powtarzające się grupy danych (Praktycznie) nie używany kod Delegowanie, nic nie wnoszące generalizacje 6

17 Złe zapachy (bad smells) w kodzie Zmienne chwilowe Zastępowanie wyrażeniami i metodami Łańcuchy wywołań Np. foo.getbar().getfoo().getthis().getthat().dosomething(); Nieodpowiednie, nadmierne powiązania klas Jak weryfikować brak zmian zewnętrznego działania Testowanie Analiza formalna i nieformalna Unikanie dużych zmian Procedury proste kroki Komentarze?!?! // Dochód podstaw przychód kosz D = P K; Refaktoryzacja a rozszerzanie/modyfikowanie funkcjonalności Dodanie/zmian a możliwości systemu Nowe testy Cel - przejście testów Brak zmian w funkcjonalności Nie dodaje nowych testów? (Może je zmieniać) Testy jako weryfikacja zmian Stosunek przełożonych do refaktoryzacji Jeżeli nie jest akceptowana przez przełożonych (z braku zrozumienia), to stosuj refaktoryzację Rób to, co według Twojej zawodowej wiedzy przynosi dobre efekty Przykłady refaktoryzacji Procedura przesuwania metody Dodanie parametru Ekstrakcja metody Ekstrakcja klasy Przesuń pole Przesuń metodę Zamień dziedziczenie na związek klas Ukryj pole/metodę Zadeklaruj metodę w klasie docelowej Przekopiuj kod metody Dodaj związek od klasy źródłowej do docelowej Zmień metodę źródłową na delegującą Skompiluj i przetestuj Znajdź miejsca wywołania metody Zmień na wywołania nowej metody Usuń metodę źródłową Skompiluj i przetestuj 7

18 Opis refaktoryzacji w UML Refaktoryzacja a wzorce projektowe Refaktoryzacja często polega na zastosowaniu wzorców projektowych Wzorzec Client-Server dla pakietów klas Wzorzec Facade Interfejs uzytkownika symlulatora Symulator Interfejs uzytkownika symlulatora Okno widoku symulacji Symulator Osobnik Okno widoku symulacji Okno parametrów Okno statystyk Osobnik Organ Gatunek Okno parametrów Okno statystyk Symulator Organ Gatunek Facade Oryginalny program Ekstrakcja metody Powiadom powtarzaj if rwidok tabelaryczny <> NULL rwidok tabelaryczny.uaktualnij () if rwidok graficzny <> NULL rwidok graficzny.uaktualnij () dopóki Algorytm ewolucyjny +Generuj() Rozwiazanie Widok tabelaryczny 0.. +Uaktualnij() 0.. Widok graficzny +Uaktualnij() powtarzaj Powiadom () dopóki if rwidok tabelaryczny <> NULL rwidok tabelaryczny.uaktualnij () if rwidok graficzny <> NULL rwidok graficzny.uaktualnij () Algorytm ewolucyjny +Generuj() #Powiadom() Rozwiazanie Widok tabelaryczny 0.. +Uaktualnij() 0.. Widok graficzny +Uaktualnij() 8

19 Ekstrakcja generalizacji interfejsu Widok Modyfikacja w programie dodanie kolejnego algorytmu ewolucyjnego Algorytm ewolucyjny +Generuj() +Dodaj widok() +Usun widok() #Powiadom() «interface» Widok +Uaktualnij() Algorytm ewolucyjny 2 +Generuj() +Dodaj widok() +Usun widok() #Powiadom() Algorytm ewolucyjny +Generuj() +Dodaj widok() +Usun widok() #Powiadom() «interface» Widok +Uaktualnij() Widok graficzny Widok tabelaryczny Widok graficzny Widok tabelaryczny Dla kazdego rwidok rwidok.uaktualnij Rozwiazanie +Uaktualnij() +Uaktualnij() Rozwiazanie +Uaktualnij() +Uaktualnij() Ekstrakcja generalizacji Algorytm ewolucyjny Wzorzec Observer Rozwiazanie Algorytm ewolucyjny +Generuj() Algorytm ewolucyjny +Generuj() +Dodaj widok() +Usun widok() #Powiadom() Algorytm ewolucyjny 2 +Generuj() +Uaktualnij() Widok graficzny +Uaktualnij() «interface» Widok Widok tabelaryczny +Uaktualnij() for each robserver robserver.update () Subject +Attach() +Detach() #Notify() Concrete subject «interface class» Observer +Update() Concrete observer +Update() Cechy (zalety) wzorca Observer Możliwość wielu sposobów prezentacji Przedmiot (subject) może nie znać (liczby) swoich obserwatorów Łatwość dodawania nowych przedmiotów i obserwatorów Możliwość dynamicznego łączenia przedmiotów i obserwatorów Projektowanie przez kontrakty (design by contract) Kontrakt oznacza zobowiązanie (klasy), do pewnego zachowania, pod warunkiem, że klient korzystający z klasy także spełni pewne warunki 9

20 Rodzaje kontraktów Specyfikacja operacji Implementacja interfejsu Klasa zobowiązuje się (o ile nie jest abstrakcyjna), że zaimplementuje wszystkie operacje abstrakcyjne Stałe ograniczenia dotyczące pól klas Muszą być spełnione zawsze (być może nie w trakcie realizacji pewnych metod) Warunki początkowe operacji (pre-conditions) Przy tych warunkach operacja musi zostać wykonana poprawnie. Obejmują ograniczenia dotyczące pól klas. Warunki końcowe operacji (post-conditions) Te warunki muszą być spełnione po wykonaniu operacji Warunki początkowe i końcowe mogą, ale nie muszą dokładnie specyfikować działanie operacji Rozwiaz (in double a, in double b, in double c, out boolean istnieje, out double x, out double x2) Warunek końcowy Jeżeli istnieje to a x^2+b x+c = 0 i a x^2+b x+c = 0 20