При конструировании объектно-ориентированных программных средств значительная часть затрат приходится на создание визуальных моделей. Очень важно корректно и всесторонне оценить качество этих моделей, сопоставив качеству числовую оценку. Решение данной задачи требует введения специального метрического аппарата. Такой аппарат развивает идеи классического оценивания сложных программных систем, основанного на метриках сложности, связности и сцепления. Вместе с тем он учитывает специфические особенности объектно-ориентированных решений.
Объектно-ориентированные метрики вводятся с целью:
- улучшить понимание качества продукта;
- оценить эффективность процесса конструирования;
- улучшить качество работы на этапе проектирования.
Для любого инженерного продукта метрики должны ориентироваться на его уникальные характеристики. С точки зрения метрик выделяют пять характеристик объектно-ориентированных систем: локализацию, инкапсуляцию, информационную закрытость, наследование и способы абстрагирования объектов. Эти характеристики оказывают максимальное влияние на объектно-ориентированные метрики.
Локализация фиксирует способ группировки информации в программе. В классических методах, где используется функциональная декомпозиция, информация локализуется вокруг функций. Функции в них реализуются как процедурные модули. В методах, управляемых данными, информация группируется вокруг структур данных. В объектно-ориентированной среде информация группируется внутри классов или объектов (инкапсуляция, как данных, так и процессов). Поскольку в классических методах основной механизм локализации - функция, программные метрики ориентированы на внутреннюю структуру или сложность функций (длина модуля, связность, цикломатическая сложность) или на способ, которым функции связываются друг с другом (сцепление модулей). Так как в объектно-ориентированной системе базовым элементом является класс, то локализация здесь основывается на объектах. Поэтому метрики должны применяться к классу (объекту) как к комплексной сущности. Кроме того, между операциями (функциями) и классами могут быть отношения не только «один-к-одному». Поэтому метрики, отображающие способы взаимодействия классов, должны быть приспособлены к отношениям «один-ко-многим», «многие-ко-многим».
Инкапсуляция - упаковка (связывание) совокупности элементов. Для классических программных средств примерами низкоуровневой инкапсуляции являются записи и массивы. Механизмом инкапсуляции среднего уровня являются подпрограммы. В объектно-ориентированных системах инкапсулируются обязанности класса, представляемые его свойствами, операциями и состояниями. Для метрик учет инкапсуляции приводит к смещению фокуса измерений с одного модуля на группу свойств и обрабатывающих модулей (операций). Кроме того, инкапсуляция переводит измерения на более высокий уровень абстракции. Напротив, классические метрики ориентированы на низкий уровень - количество булевых условий (цикломатическая сложность) и количество строк программы.
Информационная закрытость делает невидимыми операционные детали программного компонента. Другим компонентам доступна только необходимая информация. Качественные объектно-ориентированные системы поддерживают высокий уровень информационной закрытости. Таким образом, метрики, измеряющие степень достигнутой закрытости, тем самым отображают качество объектно-ориентированного проекта.
Наследование – механизм, обеспечивающий тиражирование обязанностей одного класса в другие классы. Наследование распространяется через все уровни иерархии классов. Стандартные программные средства не поддерживают эту характеристику. Поскольку наследование - основная характеристика объектно-ориентированных систем, на ней фокусируются многие объектно-ориентированные метрики (количество детей - потомков класса, количество родителей, высота класса в иерархии наследования).
Абстракция – это механизм, который позволяет проектировщику выделять главное в программном компоненте (как свойства, так и операции) без учета второстепенных деталей. По мере перемещения на более высокие уровни абстракции мы игнорируем все большее количество деталей, обеспечивая все общее представление понятия или элемента. По мере перемещения на более низкие уровни абстракции мы вводим все большее количество деталей, обеспечивая более точное представление понятия или элемента. Класс – это абстракция, которая может быть представлена на различных уровнях детализации и различными способами. Поэтому объектно-ориентированные метрики должны представлять абстракции в терминах измерений класса.
Классической мерой сложности внутренних связей модуля является связность, а классической мерой сложности внешних связей – сцепление.
Связность модуля – мера зависимости его частей, это внутренняя характеристика модуля. Чем выше связность модуля, тем лучше результат проектирования. Для измерения связности используют понятие силы связности (СС). Существует 7 типов связности:
1. Связность по совпадению (СС=0…0,99). В модуле отсутствуют явно выраженные внутренние связи.
2. Логическая связность (СС=1…2,99). Части модуля объединены по принципу функционального подобия. Например, модуль состоит из разных подпрограмм обработки ошибок. При использовании такого модуля клиент выбирает только одну из подпрограмм. Недостатками является сложное сопряжение и большая вероятность внесения ошибок при изменении сопряжения ради одной функции.
3. Временная связность (СС=3…4,99). Части модуля не связаны, но необходимы в один и тот же период работы системы. Недостаток: сильная взаимная связь с другими модулями, отсюда - сильная чувствительность к внесению изменений.
4. Процедурная связность (СС=5…6,99). Части модуля связаны порядком выполняемых ими действий, реализующих некоторый сценарий поведения.
5. Коммуникативная связность (СС=7…7,99). Части модуля связаны по данным (работают с одной и той же структурой данных).
6. Информационная (последовательная) связность (СС=8…8,99). Выходные данные одной части используются как входные данные в другой части модуля.
7. Функциональная связность (СС=9…9,99). Части модуля вместе реализуют одну функцию.
Этот метод функционален по своей природе, поэтому наибольшей связностью здесь объявлена функциональная связность. Вместе с тем одним из принципиальных преимуществ объектно-ориентированного подхода является естественная связность объектов. Максимально связанным является объект, в котором представляется единая сущность и в который включены все операции над этой сущностью. Следовательно, восьмой тип можно определить так:
8. Объектная связность (CC=10). Каждая операция обеспечивает функциональность, которая предусматривает, что все свойства объекта будут модифицироваться, отображаться и использоваться как базис для предоставления услуг.
Высокая связность - желательная характеристика, так как она означает, что объект представляет единую часть в проблемной области, существует в едином пространстве. При изменении системы все действия над частью инкапсулируются в едином компоненте. Поэтому для производства изменения нет нужды модифицировать много компонентов. Если функциональность в объектно-ориентированной системе обеспечивается наследованием от суперклассов, то связность объекта, который наследует свойства и операции, уменьшается. В этом случае нельзя рассматривать объект как отдельный модуль - должны учитываться все его суперклассы. Системные средства просмотра содействуют такому учету. Однако понимание элемента, который наследует свойства от нескольких суперклассов, резко усложняется.
В классическом методе Л. Констентайна и Э. Йордана определены шесть типов сцепления, которые ориентированы на процедурное проектирование. Принципиальное преимущество объектно-ориентированного проектирования в том, что природа объектов приводит к созданию слабо сцепленных систем. Фундаментальное свойство объектно-ориентированного проектирования заключается в скрытости содержания объекта. Как правило, содержание объекта невидимо внешним элементам. Степень автономности объекта достаточно высока. Любой объект может быть замещен другим объектом с таким же интерфейсом. Тем не менее наследование в объектно-ориентированных системах приводит к другой форме сцепления. Объекты, которые наследуют свойства и операции, сцеплены с их суперклассами. Изменения в суперклассах должны проводиться осторожно, так как эти изменения распространяются во все классы, которые наследуют их характеристики.
Таким образом, сами по себе объектно-ориентированные механизмы не гарантируют минимального сцепления. Конечно, классы – мощное средство абстракции данных. Их введение уменьшило поток данных между модулями и, следовательно, снизило общее сцепление внутри системы. Однако количество типов зависимостей между модулями выросло. Появились отношения наследования, делегирования, реализации и т.д. Более разнообразным стал состав модулей в системе (классы, объекты, свободные функции и процедуры, пакеты). Отсюда вывод: необходимость измерения и регулирования сцепления в объектно-ориентированных системах обострилась.
Сцепление – мера зависимости модулей по данным, внешняя характеристика модуля, которую желательно уменьшать. Количественно сцепление измеряется степенью сцепления (СCЦ). Выделяют 6 типов сцепления:
1. Сцепление по данным (CСЦ=0…2,99). Модуль А вызывает модуль В. Все входные и выходные параметры вызываемого модуля – простые элементы данных.
2. Сцепление по образцу (CСЦ=3…3,99). В качестве параметров используются структуры данных.
3. Сцепление по управлению (CСЦ=4…5,99). Модуль А явно управляет функционированием модуля В (с помощью флагов или переключателей), посылая ему управляющие данные.
4. Сцепление по внешним ссылкам (CСЦ=6…8,99). Модули А и В ссылаются на один и тот же глобальный элемент данных.
5. Сцепление по общей области (CСЦ=9…9,99). Модули разделяют одну и ту же глобальную структуру данных.
6. Сцепление по содержанию (CСЦ=10). Один модуль прямо ссылается на содержание другого модуля (не через точку входа). Например, коды их программ перемежаются друг с другом.