Структурное проектирование

Базовыми строительными блоками АСУП при использовании структурного подхода являются модули. Все виды модулей в любом языке программирования имеют ряд общих свойств, из которых су­щественны при структурном проектировании перечисленные ниже:

1) Модуль состоит из множества операторов языка программи­рования, записанных последовательно.

2) Модуль имеет имя, по которому к нему можно ссылаться как к единому фрагменту.

3) Модуль может принимать и/или передавать данные как па­раметры в вызывающей последовательности или связывать данные через фиксированные ячейки или общие области. При структурном проектировании выполняется два вида работ:

Один из фундаментальных принципов структурного проектиро­вания заключается в том, что большая система должна быть расчле­нена на обозримые модули. Это расчленение должно быть выполне­но таким образом, чтобы модули были как можно более независи­мы (критерий сцепления — coupling), и чтобы каждый модуль вы­полнял единственную (связанную с общей задачей) функцию (кри­терий связности — cohesion).

Таким образом, одним из способов оценки качества модели ре­ализации является анализ сцепления модулей. Сцепление — это мера взаимозависимости модулей. В хорошем проекте сцепления должны быть минимизированы, т. е. модули должны быть слабозависимыми (независимыми) настолько, насколько это возможно. Слабое сцеп­ление между модулями служит признаком хорошо спроектирован­ной системы по следующим причинам:

•уменьшается количество соединений между двумя модулями, что приводит к уменьшению вероятности появления «волно­вого эффекта» (ошибка в одном модуле влияет на работу дру­гих модулей);

• минимизируется риск появления «эффекта ряби» (внесение изменений, например при исправлении ошибки, приводит к появлению новых ошибок), так как изменение влияет на ми­нимальное количество модулей;

• при сопровождении модуля отпадает необходимость беспоко­иться о внутренних деталях других модулей;

•система упрощается для понимания настолько, насколько это возможно.

На практике существуют три основных типа сцепления, исполь­зуемых системными проектировщиками для связи модулей: нормаль­ное сцепление, сцепление по общей области и сцепление по содер­жимому. С позиций структурного проектирования эти типы являют­ся соответственно приемлемым, неприемлемым и запрещенным.

Два модуля А и В нормально сцеплены, если: А вызываетВ;

В возвращает управление А; вся информация, передаваемая между А иВ, представляется значениями параметров при вызове.

Нормальное сцепление в свою очередь делится на три типа: сцеп­ление поданным, сцепление по образцу, сцепление по управлению. На практике наиболее часто используется сцепление по данным.

Два модуля сцеплены поданным, если они взаимодействуют через передачу параметров и при этом каждый параметр является элемен­тарным информационным объектом. Отметим, что в случае неболь­шого количества передаваемых параметров сцепление по данным обладает наилучшими характеристиками.

Два модуля сцеплены по образцу, если один посылает другому составной информационный объект, т. е. объект, имеющий внут­реннюю структуру. Примером составного объекта может быть объект Данные о клиенте, включающий в себя поля: Название организации, Почтовый адрес, Номер счета и т. п.

Два модуля сцеплены по управлению, если один посылает дру­гому информационный объект — флаг, предназначенный для уп­равления его внутренней логикой. Существует два типа флагов — описательный и управляющий. Описательный флаг обычно описы­вает ситуацию, которая произошла, и именуется с использованием существительных и прилагательных: Конец файла, Введенная кредит­ная карта. Управляющий флаг используется для декларирования определенных действий в вызываемом модуле и именуется с ис­пользованием глаголов: Читать следующую запись, Установить в на­чало. В общем случае управляющие флаги усиливают сцепление и, следовательно, ухудшают качество проекта.

Как уже отмечалось, перечисленные три типа нормального сцеп­ления в разной степени поддерживают суть модульности и являются приемлемыми в структурном проектировании. Ниже определяются два вида сцепления, которые выходят за пределы хорошей модуль­ности.

Два модуля сцеплены по общей области, если они ссылаются к одной и той же области глобальных данных. Сцепление по общей области является плохим по следующим причинам. Во-первых, ошиб­ка в одном модуле, использующем глобальную область, может не­ожиданно проявить себя в любом другом модуле, также использую­щем эту глобальную область, поскольку эти глобальные данные не находятся «под защитой» модуля. Во-вторых, модули, ссылающиеся к глобальным данным, обычно используют точные имена (в отли­чие от модулей, которые вызываются с использованием парамет­ров). Следовательно, гибкость модулей, сцепленных глобально, на­много хуже, чем гибкость нормально сцепленных модулей. В-треть­их, программы с большим количеством глобальных данных чрезвы­чайно трудны для понимания сопровождающим программистом, поскольку сложно определить, какие данные используются отдель­ным модулем.

Два модуля сцеплены по содержимому, если один ссылается внутрь другого любым способом, например, если один модуль пере­дает управление или выполняет переход в другой модуль, если один модуль ссылается или изменяет значения информационных объек­тов в другом модуле или если один модуль изменяет код другого модуля. Такое сцепление делает абсурдной концепцию модулей как черных ящиков, поскольку оно вынуждает один модуль знать о точ­ном содержании и реализации другого модуля. Вообще говоря, только ассемблер позволяет проектировщикам применять данный вид сцеп­ления.

В табл. 6 приведены сравнительные характеристики по каждому типу сцепления.

Другим критерием оценки качества разбиения системы на части является критерий связности, который контролирует, как действия в одном модуле связаны друг с другом. Фактически сцепление и связность являются двумя взаимозависимыми способами измерения расчленения системы на части: связность модуля часто определяет качество его сцепления с другими модулями.

Связность — это мера прочности соединения функциональных и информационных объектов внутри одного модуля. Размещение силь­носвязанных объектов в одном и том же модуле уменьшает межмо-

Таблица б

* — зависит от количества параметров интерфейса

дульные взаимосвязи и взаимовлияния. Выделяются следующие связ­ности: функциональная, последовательная, информационная, про­цедурная, временная, логическая и случайная.

Функционально связный модуль содержит объекты, предназначен­ные для выполнения одной и только одной задачи, например: Рас­чет заработной платы. Считывание данных кредитной карты. Каж­дый из таких модулей имеет одну четко определенную цель, при его вызове выполняется только одна задача (при этом она выполняется полностью без исполнения любого другого дополнительного дей­ствия).

Последовательно связный модуль содержит объекты, охватываю­щие подзадачи, для которых выходные данные предыдущей подза­дачи служат входными данными для последующей, например: От­крыть файл— Прочитать запись— Закрыть файл.

Информационно связный модуль содержит объекты, использую­щие одни и те же входные или выходные данные. Предположим, что мы хотим выяснить некоторые сведения о книге, зная ее ISBN:

название книги, автора и цену. Эти три подзадачи являются связан­ными потому, что все они работают с одним и тем же входным информационным объектом — ISBN, который и делает этот модуль информационно связным.

Процедурно связный модуль содержит объекты, которые включе­ны в различные (возможно, несвязные) подзадачи, в которых уп­равление переходит от каждой подзадачи к последующей (отметим, что в последовательно связном модуле данные, а не управление, переходили от одной подзадачи к последующей).

Временно связный модуль содержит объекты, которые включены в подзадачи, связанные временем исполнения.

Логически связный модуль содержит объекты, содействующие ре­шению одной общей подзадачи, для которой эти объекты отобраны во внешнем по отношению к модулю мире.

Таким образом, логически связный модуль содержит некоторое количество подзадач (действий) одного и того же общего вида. Что­бы его использовать, необходимо выбрать именно ту часть (части), которая требуется. Эти различные подзадачи должны обладать од­ним и только одним интерфейсом с внешним миром. При этом се­мантика каждого параметра зависит от используемой подзадачи.

Случайно связный модуль содержит объекты, соответствующие подзадачам, незначительно связанным друг с другом.

Случайно связный модуль подобен логически связному модулю, его объекты не связаны ни потоками данных, ни потоками управле­ния. Однако подзадачи в логически связном модуле являются по крайней мере одной категории; для случайно связного модуля даже это неверно.

В табл. 7 приведены сравнительные характеристики для каждого уровня связности.

Следовательно, связность является мерой функциональной за­висимости объектов (исполняемых операторов, областей данных и т.д.) внутри одного модуля. В хорошей модели связность каждого модуля является высокой (последовательность введенных выше оп­ределений уровней связности соответствует направлению от луч-

Таблица 7

шей связности к худшей). Как и сцепление, связность является од­ним из лучших критериев оценки качества про­екта.

Очевидно, что для оценки качества проектируемой АСУП кри­териев сцепления и связности недостаточно. На­пример, если бы мы осуществляли оценку только по критерию сцепления, мы бы всегда получали системы, со­стоящие из одного модуля. Связность этого единственного модуля также была бы вполне приемлемой.

Поэтому кроме этих двух взаимно дополняющих друг друга кри­териев в структурном проектировании сущест­вует ряд других прин­ципов, которые могут применяться для оценки и улучшения каче­ства модели на основании структурных карт.

Рассмотрим основные принципы, позволяющие получать каче­ственные системы.

1) Принцип факторизации. Под факторизацией понимается вы­деление подзадачи, реализуемой некоторым модулем, в новый са­мостоятельный модуль. Это может быть сделано с целью:

• уменьшения размеров модуля;

• обеспечения возможности и преимущества классического про­ектирования сверху вниз, позволяющего строить систему бо­лее легкую для понимания и облегчающего модификацию системы;

• устранения дублирования подзадачи, выполняемой более чем одним модулем;

• отделения собственно вычислений от управления (вызовы и принятия решения);

• обеспечения более широкой пригодности модулей для исполь­зования их в различных частях системы;

• упрощения реализации.

2) Принцип единства решения. Процесс любого решения состоит из двух частей: распознавания, какое действие выбрать, и исполне­ния этого действия. Поскольку эти две составляющие решения раз­личны, информационные объекты, используемые при распознава­нии и исполнении, также могут существенно различаться и, следо­ва­тельно, могут быть недоступны в одном модуле. Такая ситуация получила название расщепления решения. Сильное расщепление решения (хотя иногда расщепления не удается избежать) обычно является симптомом плохой организации модулей. Исполнительная часть решения должна располагаться как можно ближе к распозна­вательной части, чтобы распознанной информации не пришлось долго «блуждать» для того, чтобы быть обра­ботанной.

3) Обработка ошибок. Сообщения об ошибках целесообразно формировать и визуализировать в модуле, ко­торый ошибку обнару­живает (и, следовательно, «знает», что это за ошибка). Тексты сооб­щений рекомендуется хранить вместе, так как при таком походе:

• легче сохранять согласованность формулировок и форматов сообщений. Представьте себе состояние пользователя, когда он получает различные сообщения для одной и той же ошиб­ки, когда она встречается в разных частях системы;

• появляется возможность хранить тексты сообщений в отдель­ном файле, а не внутри кода модуля;

• легче избежать дублирования сообщений;

• облегчается модификация сообщений (включая их перевод на другой язык).

4) Принцип отсутствия памяти состояния. Когда вызванный мо­дуль после выполнения своей функции возвра­щает управление выз­вавшему его модулю, он «умирает», оставляя после себя лишь ре­зультат. При повторном вы­зове он делает свою работу так, будто он только что «родился». Модуль «не помнит», что происходило в его пре­дыдущих жизнях. Однако существует тип модуля, который «зна­ет» о своем прошлом благодаря так называемой памяти состояния. Память состояния — это информационный объект внутри модуля, который продолжает суще­ствовать неизменным между двумя вызо­вами модуля. Работа модуля с памятью состояния в общем случае не­предсказуема, это означает, что хотя модуль вызывался с одина­ковыми фактическими параметрами, исполняться он может по-раз­ному, и результаты его работы при разных вызовах могут быть раз­личными. Сопровождение та­кого модуля резко усложняется.

5) Инициализация и завершение. Как правило, модули инициа­лизации и завершения трудны для сопровожде­ния из-за их плохой (временной) связности и сильного сцепления. Общая рекоменда­ция по решению этой про­блемы — инициализацию каждой функ­ции желательно выполнять как можно позже, а действия по завер­шению каждой функции должны производиться как можно раньше. И конечно, необходимо проводить инициализацию и завершение как можно ближе к тому, что инициализируется или завершается.

6) Компромисс между ограниченностью и обобщенностью. Огра­ниченный модуль обладает по крайней мере одной из следующих характеристик:

• выполняет излишне специфическую работу. Например, мо­дуль, вычисляющий среднюю ежемесячную температуру для месяца продолжительностью в 30 дней, является ограничен­ным; на самом деле необходим модуль, который генерировал бы среднюю температуру для месяца любой продолжительно­сти. Продолжи­тельность месяца могла бы передаваться ему как параметр, а не быть жестко установленной внутри;

• имеет дело с ограниченными значениями данных, их типами и структурами (например, модуль, предполагаю­щий, что человек может быть собственником только одного автомобиля);

• включает в себя условия о месте и способе его использова­ния.

Противоположная крайность ограниченному модулю — сверх­обобщенный модуль, обладающий по крайней мере одной из следу­ющих характеристик:

• выполняет слишком завышенный объем работы, результаты которой не используются в большинстве си­туаций. Примером является модуль, формирующий расписание игр чемпионата по футболу как по григо­рианскому, так и по юлианскому ка-лендарю;

• имеет дело со слишком избыточными типами данных, их значениями и структурами. Например, ис­пользование числа типа REAL вместо INTEGER для того, чтобы следить за ко­личеством болтов на складе, было бы чрезмерным обобще­нием;

• принимает в качестве параметров данные, которые никогда не изменятся. Так, модуль, которому переда­ется количество дней в неделе, является определенно сверхобобщенным, а также до смешного нелепым.

7) Минимизация избыточности, то есть устранение дублирования. Если любой факт, условие или реализационное решение явно про­являются в более чем одном модуле, то усилия по сопровождению, состоящие из нахождения всех случаев этого факта и их изменения, увеличиваются. Также возникает риск, что человек, сопровождаю­щий такую систему, забудет изменить один из дублей.

8) Нагрузка по входу и выходу. Под нагрузкой модуля по входу понимается количество непосредственных вы­зывающих его моду­лей. Соответственно, нагрузка модуля по выходу — это количество непосредственно подчи­ненных ему модулей. По уже упоминавшим­ся выше причинам нагрузка по выходу не должна превышать 6—7 мо­дулей. Высокая нагрузка по входу требует от модуля хорошей связ­ности.

В заключение отметим, что при использовании структурного под­хода обеспечивается естественный переход от этапа анализа к этапу проектирования за счет комбинирования транзакционных и транс­формационных алгорит­мов преобразования модели функциональ­ных требований (а именно иерархии диаграмм потоков данных) в структурные карты.

ЛЕКЦИЯ 12