Глава 5 Гибкость против хрупкости
Жизнь не стоит не месте.
Не могут стоять на месте и программы, которые мы пишем. Чтобы не отставать от сегодняшнего, близкого к кошмару, темпа изменений, необходимо приложить все усилия для написания программ слабосвязанных и гибких, насколько это возможно. В противном случае мы придем к тому, что наша программа быстро устареет или станет слишком хрупкой, что не позволит устранять ошибки, и может в конечном итоге оказаться в хвосте сумасшедшей гонки в будущее.
В разделе «Обратимость» говорится об опасностях необратимых решений. Мы расскажем вам, как принимать обратимые решения так, чтобы ваша программа смогла остаться гибкой и адаптируемой перед лицом нашего неопределенного мира.
В начале необходимо рассмотреть связывание – взаимозависимость между модулями программы. В разделе «Несвязанность и закон Деметера» будет показано, как сохранить отдельные концепции и уменьшить связывание.
Хороший способ сохранить гибкость – это писать программы меньшего размера. Изменение кода открывает перед вами возможность внесения новых дефектов. В разделе «Метапрограммирование» объясняется, как полностью вывести из текста программы подробности в то место, где их можно изменить безопаснее и проще.
В разделе «Временное связывание» рассматриваются два временных аспекта применительно к связыванию. Зависите ли вы от того обстоятельства, что «тик» наступает раньше, чем «так»? Если вы хотите сохранить гибкость, то нет!
Ключевым принципом в создании гибкой программы является отделение модели данных от их визуального представления, или воспроизведения. Несвязанность модели и ее визуального представления описана в разделе «Всего лишь визуальное представление».
И наконец, существует методика несвязанности модулей в еще большей степени за счет предоставления «места встречи», где модули могут обмениваться данными анонимно и асинхронно. Эта тема освещена в разделе «Доски объявлений».
Взяв эти методики на вооружение, вы можете написать программу, которая будет энергично вращаться – как в рок-н-ролле.
26
Несвязанность и закон Деметера
Хорошая изгородь – добрые соседи.
В разделах «Ортогональность» и «Проектирование по контракту» мы высказали предположение, что выгодно писать «скромные» программы. Но эта «скромность» работает в двух направлениях: не раскрывайте себя перед другими и не общайтесь со слишком многими людьми.
Шпионы, диссиденты, революционеры и им подобные часто организованы в небольшие группы, называемые ячейками. Хотя отдельные личности в каждой ячейке могут знать друг о друге, они не знают ничего об участниках других ячеек. Если одна ячейка раскрыта, то никакое количество «сыворотки правды» неспособно выбить из ее участников информацию об их сподвижниках вне пределов ячейки. Устранение взаимодействий между ячейками убережет всех.
Мы полагаем, что этот принцип хорошо бы применить и к написанию программ. Разбейте вашу программу на ячейки (модули) и ограничьте взаимодействие между ними. Если один модуль находится под угрозой и должен быть заменен, то другие модули должны быть способны продолжить работу.
Сведение связанности к минимуму
Что произойдет, если появятся модули, которые знают друг о друге. В принципе ничего – вы не должны впадать в паранойю, как шпионы или диссиденты. Однако, необходимо внимательно следить за тем, со сколькими другими модулями вы взаимодействуете. Это важнее, чем то, каким образом вы пришли к взаимодействию с ними.
Предположим, вы занимаетесь перепланировкой своего дома или строите дом с нуля. Обычная организация включает «генерального подрядчика». Вы нанимаете подрядчика для выполнения работ, но подрядчик выполняет или не выполняет эти работы сам; работа может быть предложена разнообразным субподрядчикам. Но, будучи клиентом, вы не имеете дело с субподрядчиками напрямую, генеральный подрядчик берет от вашего имени эту головную боль на себя.
Нам бы хотелось воспользоваться той же моделью в программном обеспечении. Когда мы запрашиваем у объекта определенную услугу, то мы хотим, что бы эта услуга оказывалась от нашего имени. Мы не хотим, чтобы данный объект предоставлял нам еще какой-то объект, подготовленный третьей стороной, с которым нам придется иметь дело для получения необходимой услуги.
Предположим, что вы пишете класс, генерирующий график по данным научного прибора. Научные приборы рассеяны по всему миру, каждый объект-прибор содержит объект-местоположение, который дает информацию о его расположении и часовом поясе. Вы хотите, чтобы ваши пользователи могли выбирать прибор и наносить его данные на график с отметкой часового пояса. Вы можете записать
public void plotDate(Date aDate Selection aSelection) {
TimeZone tz =
ASelection.getRecorder().getLocation().getTimeZone();
...
}
Но теперь подпрограмма построения графика без особой надобности связана с тремя классами – Selection, Recorder и Location. Этот стиль программирования резко увеличивает число классов, от которых зависит наш класс. Почему это плохо? Потому что при этом увеличивается риск того, что внесение несвязанного изменения в другой части системы затронет вашу программу. Например, если сотрудник по имени Фред вносит изменение в класс Location так, что он непосредственно более не содержит TimeZone, то вам придется внести изменения и в свою программу.
Вместо того чтобы продираться через иерархию самостоятельно, просто спросите напрямую о том, что вам нужно:
public void plotDate(Date aDate, TimeZone aTz) {
...
}
plotDate(someDate, someSelection.getTimeZone());
Мы добавили метод к классу Selection, чтобы получить часовой пояс от своего имени; подпрограмме построения графика неважно, передается ли часовой пояс непосредственно из класса Recorder, от некоего объекта, содержащегося в Recorder, или же класс Selection сам составляет другой часовой пояс. В свою очередь, подпрограмма выбора должна запросить прибор о его часовом поясе, оставив прибору право получить его значение из содержащегося в нем объекта Location.
Непосредственное пересечение отношений между объектами может быстро привести к комбинаторному взрыву [28] отношений зависимости. Признаки этого явления можно наблюдать в ряде случаев:
1. В крупномасштабных проектах на языках С или С++, где команда компоновки процедуры тестирования длиннее, чем сама программа тестирования.
2. «Простые» изменения в одном модуле, распространяющиеся в системе через модули, не имеющие связей.
3. Разработчики, которые боятся изменить программу, поскольку они не уверены, как и на чем скажется это изменение.
Системы, в которых имеется большое число ненужных зависимостей, отличаются большой сложностью (и высокими затратами) при сопровождении и в большинстве случае весьма нестабильны. Для того чтобы поддерживать число зависимостей на минимальном уровне, мы воспользуемся законом Деметера при проектировании методов и функций.
Закон Деметера для функций
Закон Деметера для функций [LH89] пытается свести к минимуму связывание между модулями в любой программе. Он пытается удержать вас от проникновения в объект для получения доступа к методам третьего объекта. Краткое содержание данного закона представлено на рисунке 5.1.
Создавая «скромную» программу, в которой закон Деметера соблюдается в максимально возможной степени, мы можем добиться цели, выраженной в следующей подсказке:
Подсказка 36: Минимизируйте связывание между модулями
А не все ли равно?
Оказывает ли следование закону Деметера (каким бы хорошим он не был с точки зрения теории) реальную помощь в создании программ, более простых в сопровождении?
Исследования [ВВМ96] показали, что классы в языке С++ с большими совокупностями откликов менее ошибкоустойчивы, чем классы с небольшими совокупностями (совокупность откликов представляет собой число функций, непосредственно вызываемых методами конкретного класса).
Рис. 5.1. Закон Деметера для функций
Поскольку следование закону Деметера уменьшает размер совокупности отклика в вызывающем отклике, то классы, спроектированные данным образом, также будут менее склонны к наличию ошибок (см. [URL 56], где приводится более подробная информация о статьях и других источниках по проекту Деметера).
Использование закона Деметера сделает вашу программу более адаптируемой и устойчивой, но не бесплатно: будучи «генеральным подрядчиком», ваша программа должна непосредственно делегировать полномочия и управлять всеми существующими субподрядчиками, не привлекая к этому клиентов вашего модуля. На практике это означает, что вы будете создавать большое количество методов-оболочек, которые просто направляют запрос далее к делегату. Эти методы-оболочки влекут за собой расходы во время исполнения и накладные расходы дискового пространства, которые могут оказаться весьма значительными, а для некоторых приложений даже запредельными.
Как и при использовании любой методики, вы должны взвесить все «за» и «против» для конкретного приложения. В проекте схемы базы данных обычной практикой является «денормализация» схемы для улучшения производительности: нарушение правил нормализации в обмен на скорость выполнения. Подобного же компромисса можно достичь и в этом случае. На самом деле, обращая закон Деметера и плотно связывая несколько модулей, вы можете получить существенный выигрыш в производительности. Ваша конструкция работает прекрасно, пока она известна и приемлема для этих связываемых модулей.
Физическая несвязанность
В данном разделе мы много говорим о сохранении логической несвязанности между элементами проектируемой системы. Однако существует взаимозависимость другого рода, которая становится весьма существенной с увеличением масштаба систем. В своей книге «Large-Scale С++ Software Design» [Lak96] Джон Лакос обращается к вопросам, касающимся отношений между файлами, каталогами и библиотеками, составляющими систему. Игнорирование этих проблем физического проектирования в крупномасштабных проектах приводит, помимо прочих проблем, к тому, что цикл сборки может растягиваться на несколько дней, а процедуры модульного тестирования могут сорвать сроки готовности всей системы. Г-н Лакос приводит убедительные доказательства того, что логическое и физическое проектирование должно осуществляться в тандеме и что устранение повреждений в большом фрагменте программы, нанесенных ему циклическими зависимостями, представляется чрезвычайно трудным делом. Мы рекомендуем вам прочесть эту книгу, если вы участвуете в разработке крупномасштабных проектов, даже если вы осуществляете реализацию на языке, отличном от С++.
В противном случае вы можете оказаться на пути к хрупкому, негибкому будущему. Или вообще оказаться без будущего.
Другие разделы, относящиеся к данной теме:
• Ортогональность
• Обратимость
• Проектирование по контракту
• Балансировка ресурсов
• Всего лишь визуальное представление
• Команды прагматиков
• Безжалостное тестирование
Вопросы для обсуждения
• Мы обсудили, как делегирование полномочий облегчает соблюдение закона Деметера и, следовательно, уменьшает связывание. Однако написание всех методов, необходимых для пересылки вызовов к делегированным классам, является утомительной процедурой, чреватой ошибками. Каковы преимущества и недостатки написания препроцессора, который автоматически генерирует эти вызовы? Должен ли этот препроцессор запускаться только единожды, или же он должен применяться как составная часть процесса сборки?
Упражнения
24. Мы обсудили концепцию физической несвязанности в последней врезке. Какой из указанных ниже файлов заголовка в языке С++ характеризуется более сильным связыванием с остальной системой? (Ответ см. в Приложении В.)
person1.h
#include «date.b»
class Person 1 {
private:
Date myBirthdate;
public:
Person1(Date &birthDate);
//...
person2.h
class Date;
class Person2 {
private:
Date *myBirthdate;
public:
25. В данном примере и примерах из упражнений 26 и 27 определите, являются ли показанные вызовы метода допустимыми с точки зрения закона Деметера. Первый пример написан на языке Java. (Ответом, в Приложении В.)
public void showBalance(BankAccount acct) {
Money amt = acct.getBalance();
printToScreen(amt.printFormat());
}
26. Этот пример также написан на языке Java. (Ответ см. в Приложении В.)
public class Colada {
private Blender myBlender;
private Vector myStuff;
public Colada() {
myBlender = new Blender();
myStuff = new Vector));
}
private void doSomething() {
myBlender.addlngredients(myStuff.elements());
}
}
27. Этот пример написан на языке С + +. (Ответ см. в Приложении В.)
void processTransaction(BankAccount acct, int) {
Person *who;
Money amt;
amt.setValue(123.45);
acct.setBalance(amt);
who = acct.getOwnerQ;
markWorkflow(who->name(), SET BALANCE);
}
Хорошая изгородь – добрые соседи.
В разделах «Ортогональность» и «Проектирование по контракту» мы высказали предположение, что выгодно писать «скромные» программы. Но эта «скромность» работает в двух направлениях: не раскрывайте себя перед другими и не общайтесь со слишком многими людьми.
Шпионы, диссиденты, революционеры и им подобные часто организованы в небольшие группы, называемые ячейками. Хотя отдельные личности в каждой ячейке могут знать друг о друге, они не знают ничего об участниках других ячеек. Если одна ячейка раскрыта, то никакое количество «сыворотки правды» неспособно выбить из ее участников информацию об их сподвижниках вне пределов ячейки. Устранение взаимодействий между ячейками убережет всех.
Мы полагаем, что этот принцип хорошо бы применить и к написанию программ. Разбейте вашу программу на ячейки (модули) и ограничьте взаимодействие между ними. Если один модуль находится под угрозой и должен быть заменен, то другие модули должны быть способны продолжить работу.
Сведение связанности к минимуму
Что произойдет, если появятся модули, которые знают друг о друге. В принципе ничего – вы не должны впадать в паранойю, как шпионы или диссиденты. Однако, необходимо внимательно следить за тем, со сколькими другими модулями вы взаимодействуете. Это важнее, чем то, каким образом вы пришли к взаимодействию с ними.
Предположим, вы занимаетесь перепланировкой своего дома или строите дом с нуля. Обычная организация включает «генерального подрядчика». Вы нанимаете подрядчика для выполнения работ, но подрядчик выполняет или не выполняет эти работы сам; работа может быть предложена разнообразным субподрядчикам. Но, будучи клиентом, вы не имеете дело с субподрядчиками напрямую, генеральный подрядчик берет от вашего имени эту головную боль на себя.
Нам бы хотелось воспользоваться той же моделью в программном обеспечении. Когда мы запрашиваем у объекта определенную услугу, то мы хотим, что бы эта услуга оказывалась от нашего имени. Мы не хотим, чтобы данный объект предоставлял нам еще какой-то объект, подготовленный третьей стороной, с которым нам придется иметь дело для получения необходимой услуги.
Предположим, что вы пишете класс, генерирующий график по данным научного прибора. Научные приборы рассеяны по всему миру, каждый объект-прибор содержит объект-местоположение, который дает информацию о его расположении и часовом поясе. Вы хотите, чтобы ваши пользователи могли выбирать прибор и наносить его данные на график с отметкой часового пояса. Вы можете записать
public void plotDate(Date aDate Selection aSelection) {
TimeZone tz =
ASelection.getRecorder().getLocation().getTimeZone();
...
}
Но теперь подпрограмма построения графика без особой надобности связана с тремя классами – Selection, Recorder и Location. Этот стиль программирования резко увеличивает число классов, от которых зависит наш класс. Почему это плохо? Потому что при этом увеличивается риск того, что внесение несвязанного изменения в другой части системы затронет вашу программу. Например, если сотрудник по имени Фред вносит изменение в класс Location так, что он непосредственно более не содержит TimeZone, то вам придется внести изменения и в свою программу.
Вместо того чтобы продираться через иерархию самостоятельно, просто спросите напрямую о том, что вам нужно:
public void plotDate(Date aDate, TimeZone aTz) {
...
}
plotDate(someDate, someSelection.getTimeZone());
Мы добавили метод к классу Selection, чтобы получить часовой пояс от своего имени; подпрограмме построения графика неважно, передается ли часовой пояс непосредственно из класса Recorder, от некоего объекта, содержащегося в Recorder, или же класс Selection сам составляет другой часовой пояс. В свою очередь, подпрограмма выбора должна запросить прибор о его часовом поясе, оставив прибору право получить его значение из содержащегося в нем объекта Location.
Непосредственное пересечение отношений между объектами может быстро привести к комбинаторному взрыву [28] отношений зависимости. Признаки этого явления можно наблюдать в ряде случаев:
1. В крупномасштабных проектах на языках С или С++, где команда компоновки процедуры тестирования длиннее, чем сама программа тестирования.
2. «Простые» изменения в одном модуле, распространяющиеся в системе через модули, не имеющие связей.
3. Разработчики, которые боятся изменить программу, поскольку они не уверены, как и на чем скажется это изменение.
Системы, в которых имеется большое число ненужных зависимостей, отличаются большой сложностью (и высокими затратами) при сопровождении и в большинстве случае весьма нестабильны. Для того чтобы поддерживать число зависимостей на минимальном уровне, мы воспользуемся законом Деметера при проектировании методов и функций.
Закон Деметера для функций
Закон Деметера для функций [LH89] пытается свести к минимуму связывание между модулями в любой программе. Он пытается удержать вас от проникновения в объект для получения доступа к методам третьего объекта. Краткое содержание данного закона представлено на рисунке 5.1.
Создавая «скромную» программу, в которой закон Деметера соблюдается в максимально возможной степени, мы можем добиться цели, выраженной в следующей подсказке:
Подсказка 36: Минимизируйте связывание между модулями
А не все ли равно?
Оказывает ли следование закону Деметера (каким бы хорошим он не был с точки зрения теории) реальную помощь в создании программ, более простых в сопровождении?
Исследования [ВВМ96] показали, что классы в языке С++ с большими совокупностями откликов менее ошибкоустойчивы, чем классы с небольшими совокупностями (совокупность откликов представляет собой число функций, непосредственно вызываемых методами конкретного класса).
Рис. 5.1. Закон Деметера для функций
Поскольку следование закону Деметера уменьшает размер совокупности отклика в вызывающем отклике, то классы, спроектированные данным образом, также будут менее склонны к наличию ошибок (см. [URL 56], где приводится более подробная информация о статьях и других источниках по проекту Деметера).
Использование закона Деметера сделает вашу программу более адаптируемой и устойчивой, но не бесплатно: будучи «генеральным подрядчиком», ваша программа должна непосредственно делегировать полномочия и управлять всеми существующими субподрядчиками, не привлекая к этому клиентов вашего модуля. На практике это означает, что вы будете создавать большое количество методов-оболочек, которые просто направляют запрос далее к делегату. Эти методы-оболочки влекут за собой расходы во время исполнения и накладные расходы дискового пространства, которые могут оказаться весьма значительными, а для некоторых приложений даже запредельными.
Как и при использовании любой методики, вы должны взвесить все «за» и «против» для конкретного приложения. В проекте схемы базы данных обычной практикой является «денормализация» схемы для улучшения производительности: нарушение правил нормализации в обмен на скорость выполнения. Подобного же компромисса можно достичь и в этом случае. На самом деле, обращая закон Деметера и плотно связывая несколько модулей, вы можете получить существенный выигрыш в производительности. Ваша конструкция работает прекрасно, пока она известна и приемлема для этих связываемых модулей.
В данном разделе мы много говорим о сохранении логической несвязанности между элементами проектируемой системы. Однако существует взаимозависимость другого рода, которая становится весьма существенной с увеличением масштаба систем. В своей книге «Large-Scale С++ Software Design» [Lak96] Джон Лакос обращается к вопросам, касающимся отношений между файлами, каталогами и библиотеками, составляющими систему. Игнорирование этих проблем физического проектирования в крупномасштабных проектах приводит, помимо прочих проблем, к тому, что цикл сборки может растягиваться на несколько дней, а процедуры модульного тестирования могут сорвать сроки готовности всей системы. Г-н Лакос приводит убедительные доказательства того, что логическое и физическое проектирование должно осуществляться в тандеме и что устранение повреждений в большом фрагменте программы, нанесенных ему циклическими зависимостями, представляется чрезвычайно трудным делом. Мы рекомендуем вам прочесть эту книгу, если вы участвуете в разработке крупномасштабных проектов, даже если вы осуществляете реализацию на языке, отличном от С++.
В противном случае вы можете оказаться на пути к хрупкому, негибкому будущему. Или вообще оказаться без будущего.
• Ортогональность
• Обратимость
• Проектирование по контракту
• Балансировка ресурсов
• Всего лишь визуальное представление
• Команды прагматиков
• Безжалостное тестирование
• Мы обсудили, как делегирование полномочий облегчает соблюдение закона Деметера и, следовательно, уменьшает связывание. Однако написание всех методов, необходимых для пересылки вызовов к делегированным классам, является утомительной процедурой, чреватой ошибками. Каковы преимущества и недостатки написания препроцессора, который автоматически генерирует эти вызовы? Должен ли этот препроцессор запускаться только единожды, или же он должен применяться как составная часть процесса сборки?
24. Мы обсудили концепцию физической несвязанности в последней врезке. Какой из указанных ниже файлов заголовка в языке С++ характеризуется более сильным связыванием с остальной системой? (Ответ см. в Приложении В.)
person1.h
#include «date.b»
class Person 1 {
private:
Date myBirthdate;
public:
Person1(Date &birthDate);
//...
person2.h
class Date;
class Person2 {
private:
Date *myBirthdate;
public:
25. В данном примере и примерах из упражнений 26 и 27 определите, являются ли показанные вызовы метода допустимыми с точки зрения закона Деметера. Первый пример написан на языке Java. (Ответом, в Приложении В.)
public void showBalance(BankAccount acct) {
Money amt = acct.getBalance();
printToScreen(amt.printFormat());
}
26. Этот пример также написан на языке Java. (Ответ см. в Приложении В.)
public class Colada {
private Blender myBlender;
private Vector myStuff;
public Colada() {
myBlender = new Blender();
myStuff = new Vector));
}
private void doSomething() {
myBlender.addlngredients(myStuff.elements());
}
}
27. Этот пример написан на языке С + +. (Ответ см. в Приложении В.)
void processTransaction(BankAccount acct, int) {
Person *who;
Money amt;
amt.setValue(123.45);
acct.setBalance(amt);
who = acct.getOwnerQ;
markWorkflow(who->name(), SET BALANCE);
}
27
Метапрограммирование
Никакая гениальность не спасает от любви к подробностям.
Подробности смешивают все в нашей первоначальной программе – особенно если эти подробности часто меняются. Каждый раз, когда нам приходится входить в программу и вносить в нее изменения для того, чтобы привести ее в соответствие с изменившейся бизнес-логикой, законодательством или вкусами руководства, мы рискуем нарушить систему, т. е. внести в нее новый дефект.
Поэтому мы говорим: «Долой подробности!». Уберите их из программы. В этом случае мы можем сделать нашу программу гибкой при настройке и легко адаптирующейся к изменениям.
Динамическая конфигурация
Прежде всего мы хотим сделать системы гибкими при настройке. Это касается не только цвета экрана и текста, но и более глубоких вещей, таких как выбор алгоритмов, программ баз данных, технологии связующего программного обеспечения и стиля пользовательского интерфейса. Эти пункты должны реализовываться в виде вариантов конфигурации, а не за счет интеграции или технологии.
Подсказка 37: Осуществляйте настройку, а не интеграцию
Используйте метаданные для спецификации вариантов настройки приложения: подгонки параметров, глобальных параметров пользователя, каталога, в который производится установка приложения, и т. д.
Так что же такое метаданные? Строго говоря, метаданные – это данные о данных. Наиболее распространенным примером, вероятно, является схема базы данных или словарь данных. Схема содержит данные, которые описывают поля (столбцы) в терминах имен, длины и других атрибутов. Вы должны иметь возможность доступа к этой информации и ее обработки так, как если бы это были любые другие данные в этой базе.
Мы используем этот термин в самом широком смысле. Метаданные – это любые данные, которые описывают приложение – как оно выполняется, какие ресурсы обязано использовать и т. д. Обычно доступ к данным и их использование осуществляется на этапе выполнения, а не компиляции. Вы используете метаданные все время, по крайней мере, это делают ваши программы. Предположим, вы щелкаете мышью для того, чтобы скрыть панель инструментов в интернет-браузере. Браузер будет сохранять эти глобальные параметры как метаданные в своего рода внутренней базе данных.
Эта база данных может быть сформирована в собственном формате или может воспользоваться стандартным механизмом. При работе в операционной системе Windows таким механизмом является либо файл инициализации (используется суффикс .ini), либо записи в системном реестре. При работе с Unix подобная функциональная возможность обеспечивается системой X Window с помощью файлов Application Default. Java использует файлы Property. Во всех этих средах для извлечения значения вы указываете ключ. В других, более мощных и гибких реализациях метаданных используется встроенный язык сценариев (см. «Языки, отражающие специфику предметной области»).
При реализации этих глобальных параметров в браузере Netscape фактически использованы обе эти технологии. В версии 3 параметры сохранялись в виде пар «ключ-значение»:
SHOWTOOLBAR: False
В версии 4 параметры больше напоминали JavaScript:
user_pref("custtoolbar.Browser.Navigation_Toolbar.open», false);
Приложения, управляемые метаданными
Но мы хотим большего, нежели использовать метаданные для простых глобальных параметров. Мы хотим настраивать и управлять приложением через метаданные – насколько это возможно. Наша цель – думать описательно (обозначая, что должно быть сделано, а не как это должно быть сделано) и создавать высокодинамичные и адаптируемые программы. Это можно сделать, придерживаясь общего правила: программировать для общего случая и помещать всю специфику в другое место – за пределы компилируемого ядра программы.
Подсказка 38: Помещайте абстракции в текст программы, а подробности – в область метаданных
Этот подход характеризуется несколькими преимуществами:
• Он вынуждает вас делать конструкцию несвязанной, что приводит к созданию более гибкой и адаптируемой программы.
• Он заставляет вас создавать более устойчивую, абстрактную конструкцию за счет отнесения подробностей, выводя все подробности за пределы программы.
• Вы можете настроить приложение, не прибегая к его перекомпиляции. Вы также можете использовать этот уровень настройки для обеспечения обходных путей при критических дефектах систем, находящихся в эксплуатации.
• Метаданные могут быть выражены способом, который находится намного ближе к предметной области, по сравнению с универсальным языком программирования (см. «Языки, отражающие специфику конкретной области»).
• Вы даже сможете реализовывать несколько различных проектов, используя то же самое ядро приложения, но с различными метаданными.
Как правило, нам хочется отложить определение большинства подробностей на последний момент и оставить их как можно менее сложными для изменения. Создавая решение, позволяющее нам вносить изменения быстро, мы можем лучше справляться с потоком направленных сдвигов, которые погубили многие проекты (см. «Обратимость»).
Бизнес-логика
Итак, мы выбрали механизм базы данных в качестве опции настройки и предусмотрели метаданные для определения стиля пользовательского интерфейса. Можем ли мы сделать большее? Несомненно.
Поскольку стратегия и бизнес-правила подвергнутся изменениям скорее, нежели любые другие аспекты проекта, есть смысл поддерживать их в очень гибком формате.
Например, приложение, автоматизирующее процесс закупок, может включать в себя различные корпоративные стратегии. Может быть, вы производите оплату небольшим фирмам-поставщикам через 45 дней, а большим – через 90 дней. Сделайте настраиваемыми определения типов поставщиков, а также самих периодов времени. Используйте возможность обобщения.
Возможно, вы создаете систему с ужасающими требованиями к последовательности операций. Действия начинаются и заканчиваются согласно сложным (и изменяющимся) бизнес-правилам. Подумайте об их реализации в виде некой системы на основе правил (или экспертной системы), встроенных в ваше приложение. Тем самым вы осуществите его настройку за счет написания правил, а не программы.
Менее сложная логика может быть выражена при помощи мини-языка, что делает необязательным повторную компиляцию и развертывание при изменении среды. Пример приведен в разделе «Языки, отражающие специфику предметной области».
Когда осуществлять настройку
Как было упомянуто в разделе «Преимущество простого текста», рекомендуется представлять метаданные о настройке в формате простого текста – это делает жизнь проще.
Но когда программа должна осуществлять считывание этой настройки? Многие программы осуществляют просмотр только при неудачном запуске. Если вам необходимо изменить настройку, это вынуждает вас перезапускать приложение. Более гибким подходом является написание программ, которые могут перезагружать свои настройки во время выполнения. Но эта гибкость обходится недешево: она более сложна в реализации.
Рассмотрим, как будет использоваться приложение: если это продолжительный серверный процесс, то вам понадобится некий механизм для повторного считывания и применения метаданных в ходе выполнения программы. Для небольшого клиентского приложения с графическим интерфейсом, которое перезапускается достаточно быстро, это может и не понадобиться.
Данное явление не ограничивается прикладными программами. Все мы раздражаемся, если операционные системы заставляют нас проводить перезагрузку при установке простых приложений или изменении совершенно безвредного параметра.
Пример: пакет Enterprise Java Beans
Пакет EJB (Enterprise Java Beans) является интегрированной средой, предназначенной для упрощения программирования в распределенной среде, основанной на транзакциях. Этот пакет упоминается в связи с тем, что он иллюстрирует использование метаданных для настройки приложений и упрощения процедуры написания программы.
Предположим, что вы хотите создать некоторую программу на языке Java, которая будет принимать участие в транзакциях на различных машинах, с базами данных от различных производителей и с разными моделями потоков и распределения нагрузки.
Хорошая новость: вам не нужно беспокоиться обо всем этом. Вы пишете так называемый bean-элемент – отдельный объект, который следует определенным соглашениям, и помещаете его в контейнер bean-элементов, управляющий многими низкоуровневыми средствами от вашего имени. Вы можете писать программу для bean-элемента, не включая какие-либо транзакционные операции или управление потоками; пакет EJB использует метаданные для указания способа обработки транзакций.
Назначение потока и распределение нагрузки указываются как метаданные для основной службы транзакций, используемой контейнером. Это разделение допускает большую гибкость при динамической настройке среды во время работы.
Контейнер bean-элемента может управлять транзакциями от имени bean-элемента одним из нескольких различных способов (включая вариант управления собственными обновлениями и отменой транзакций). Все параметры, воздействующие на поведение bean-элемента, указаны в описателе развертывания последнего – объекте, преобразованном в последовательную форму и содержащем нужные метаданные.
Распределенные системы, подобные EJB, прокладывают путь в новый мир – мир настраиваемых, динамичных систем.
Совместная настройка
Выше уже говорилось о пользователях и разработчиках, настраивающих динамические приложения. Но что происходит, если вы позволяете приложениям настраивать друг друга? Речь идет о программах, которые адаптируются к операционной среде. Незапланированная, импровизированная настройка существующего программного обеспечения является мощной концепцией.
Операционные системы уже способны подстраивать себя при загрузке под аппаратное обеспечение, a web-браузеры автоматически обновляются, инсталлируя новые компоненты.
Большие приложения, с которыми вы работаете, имеют проблемы с управлением различными версиями данных и различными версиями библиотек и операционных систем. Возможно, здесь будет полезен более динамичный подход.
Не пишите нежизнеспособных программ
В отсутствие метаданных ваша программа не является столь адаптируемой или гибкой, какой она могла бы стать в противном случае. Плохо ли это? В реальном мире виды, которые не могут адаптироваться, умирают.
Птицы додо не смогли приспособиться к присутствию людей и домашних животных на острове Маврикий и быстро вымерли [29]. Это было первое документально подтвержденное исчезновение вида от рук человека.
Не дайте вашему проекту (или карьере) повторить судьбу птицы додо.
Другие разделы, относящиеся к данной теме:
• Ортогональность
• Обратимость
• Языки, отражающие специфику предметной области
• Преимущества простого текста
Вопросы для обсуждения
• Работая над текущим проектом, подумайте о следующем: какая часть программы может быть убрана из нее и перемещена в область метаданных. Как в итоге будет выглядеть «ядро» программы? Сможете ли вы повторно использовать это ядро в контексте иного приложения?
Упражнения
28. Что из нижеследующего лучше представить в виде фрагмента программы, а что вывести за ее пределы в область метаданных?
1. Назначения коммуникационных портов
2. Поддержка выделения синтаксиса различных языков в программе редактирования
3. Поддержка редактора для различных графических устройств
4. Конечный автомат для программы синтаксического анализа или сканера
5. Типовые значения и результаты, используемые в тестировании модулей
Никакая гениальность не спасает от любви к подробностям.
Подробности смешивают все в нашей первоначальной программе – особенно если эти подробности часто меняются. Каждый раз, когда нам приходится входить в программу и вносить в нее изменения для того, чтобы привести ее в соответствие с изменившейся бизнес-логикой, законодательством или вкусами руководства, мы рискуем нарушить систему, т. е. внести в нее новый дефект.
Поэтому мы говорим: «Долой подробности!». Уберите их из программы. В этом случае мы можем сделать нашу программу гибкой при настройке и легко адаптирующейся к изменениям.
Динамическая конфигурация
Прежде всего мы хотим сделать системы гибкими при настройке. Это касается не только цвета экрана и текста, но и более глубоких вещей, таких как выбор алгоритмов, программ баз данных, технологии связующего программного обеспечения и стиля пользовательского интерфейса. Эти пункты должны реализовываться в виде вариантов конфигурации, а не за счет интеграции или технологии.
Подсказка 37: Осуществляйте настройку, а не интеграцию
Используйте метаданные для спецификации вариантов настройки приложения: подгонки параметров, глобальных параметров пользователя, каталога, в который производится установка приложения, и т. д.
Так что же такое метаданные? Строго говоря, метаданные – это данные о данных. Наиболее распространенным примером, вероятно, является схема базы данных или словарь данных. Схема содержит данные, которые описывают поля (столбцы) в терминах имен, длины и других атрибутов. Вы должны иметь возможность доступа к этой информации и ее обработки так, как если бы это были любые другие данные в этой базе.
Мы используем этот термин в самом широком смысле. Метаданные – это любые данные, которые описывают приложение – как оно выполняется, какие ресурсы обязано использовать и т. д. Обычно доступ к данным и их использование осуществляется на этапе выполнения, а не компиляции. Вы используете метаданные все время, по крайней мере, это делают ваши программы. Предположим, вы щелкаете мышью для того, чтобы скрыть панель инструментов в интернет-браузере. Браузер будет сохранять эти глобальные параметры как метаданные в своего рода внутренней базе данных.
Эта база данных может быть сформирована в собственном формате или может воспользоваться стандартным механизмом. При работе в операционной системе Windows таким механизмом является либо файл инициализации (используется суффикс .ini), либо записи в системном реестре. При работе с Unix подобная функциональная возможность обеспечивается системой X Window с помощью файлов Application Default. Java использует файлы Property. Во всех этих средах для извлечения значения вы указываете ключ. В других, более мощных и гибких реализациях метаданных используется встроенный язык сценариев (см. «Языки, отражающие специфику предметной области»).
При реализации этих глобальных параметров в браузере Netscape фактически использованы обе эти технологии. В версии 3 параметры сохранялись в виде пар «ключ-значение»:
SHOWTOOLBAR: False
В версии 4 параметры больше напоминали JavaScript:
user_pref("custtoolbar.Browser.Navigation_Toolbar.open», false);
Приложения, управляемые метаданными
Но мы хотим большего, нежели использовать метаданные для простых глобальных параметров. Мы хотим настраивать и управлять приложением через метаданные – насколько это возможно. Наша цель – думать описательно (обозначая, что должно быть сделано, а не как это должно быть сделано) и создавать высокодинамичные и адаптируемые программы. Это можно сделать, придерживаясь общего правила: программировать для общего случая и помещать всю специфику в другое место – за пределы компилируемого ядра программы.
Подсказка 38: Помещайте абстракции в текст программы, а подробности – в область метаданных
Этот подход характеризуется несколькими преимуществами:
• Он вынуждает вас делать конструкцию несвязанной, что приводит к созданию более гибкой и адаптируемой программы.
• Он заставляет вас создавать более устойчивую, абстрактную конструкцию за счет отнесения подробностей, выводя все подробности за пределы программы.
• Вы можете настроить приложение, не прибегая к его перекомпиляции. Вы также можете использовать этот уровень настройки для обеспечения обходных путей при критических дефектах систем, находящихся в эксплуатации.
• Метаданные могут быть выражены способом, который находится намного ближе к предметной области, по сравнению с универсальным языком программирования (см. «Языки, отражающие специфику конкретной области»).
• Вы даже сможете реализовывать несколько различных проектов, используя то же самое ядро приложения, но с различными метаданными.
Как правило, нам хочется отложить определение большинства подробностей на последний момент и оставить их как можно менее сложными для изменения. Создавая решение, позволяющее нам вносить изменения быстро, мы можем лучше справляться с потоком направленных сдвигов, которые погубили многие проекты (см. «Обратимость»).
Итак, мы выбрали механизм базы данных в качестве опции настройки и предусмотрели метаданные для определения стиля пользовательского интерфейса. Можем ли мы сделать большее? Несомненно.
Поскольку стратегия и бизнес-правила подвергнутся изменениям скорее, нежели любые другие аспекты проекта, есть смысл поддерживать их в очень гибком формате.
Например, приложение, автоматизирующее процесс закупок, может включать в себя различные корпоративные стратегии. Может быть, вы производите оплату небольшим фирмам-поставщикам через 45 дней, а большим – через 90 дней. Сделайте настраиваемыми определения типов поставщиков, а также самих периодов времени. Используйте возможность обобщения.
Возможно, вы создаете систему с ужасающими требованиями к последовательности операций. Действия начинаются и заканчиваются согласно сложным (и изменяющимся) бизнес-правилам. Подумайте об их реализации в виде некой системы на основе правил (или экспертной системы), встроенных в ваше приложение. Тем самым вы осуществите его настройку за счет написания правил, а не программы.
Менее сложная логика может быть выражена при помощи мини-языка, что делает необязательным повторную компиляцию и развертывание при изменении среды. Пример приведен в разделе «Языки, отражающие специфику предметной области».
Как было упомянуто в разделе «Преимущество простого текста», рекомендуется представлять метаданные о настройке в формате простого текста – это делает жизнь проще.
Но когда программа должна осуществлять считывание этой настройки? Многие программы осуществляют просмотр только при неудачном запуске. Если вам необходимо изменить настройку, это вынуждает вас перезапускать приложение. Более гибким подходом является написание программ, которые могут перезагружать свои настройки во время выполнения. Но эта гибкость обходится недешево: она более сложна в реализации.
Рассмотрим, как будет использоваться приложение: если это продолжительный серверный процесс, то вам понадобится некий механизм для повторного считывания и применения метаданных в ходе выполнения программы. Для небольшого клиентского приложения с графическим интерфейсом, которое перезапускается достаточно быстро, это может и не понадобиться.
Данное явление не ограничивается прикладными программами. Все мы раздражаемся, если операционные системы заставляют нас проводить перезагрузку при установке простых приложений или изменении совершенно безвредного параметра.
Пакет EJB (Enterprise Java Beans) является интегрированной средой, предназначенной для упрощения программирования в распределенной среде, основанной на транзакциях. Этот пакет упоминается в связи с тем, что он иллюстрирует использование метаданных для настройки приложений и упрощения процедуры написания программы.
Предположим, что вы хотите создать некоторую программу на языке Java, которая будет принимать участие в транзакциях на различных машинах, с базами данных от различных производителей и с разными моделями потоков и распределения нагрузки.
Хорошая новость: вам не нужно беспокоиться обо всем этом. Вы пишете так называемый bean-элемент – отдельный объект, который следует определенным соглашениям, и помещаете его в контейнер bean-элементов, управляющий многими низкоуровневыми средствами от вашего имени. Вы можете писать программу для bean-элемента, не включая какие-либо транзакционные операции или управление потоками; пакет EJB использует метаданные для указания способа обработки транзакций.
Назначение потока и распределение нагрузки указываются как метаданные для основной службы транзакций, используемой контейнером. Это разделение допускает большую гибкость при динамической настройке среды во время работы.
Контейнер bean-элемента может управлять транзакциями от имени bean-элемента одним из нескольких различных способов (включая вариант управления собственными обновлениями и отменой транзакций). Все параметры, воздействующие на поведение bean-элемента, указаны в описателе развертывания последнего – объекте, преобразованном в последовательную форму и содержащем нужные метаданные.
Распределенные системы, подобные EJB, прокладывают путь в новый мир – мир настраиваемых, динамичных систем.
Выше уже говорилось о пользователях и разработчиках, настраивающих динамические приложения. Но что происходит, если вы позволяете приложениям настраивать друг друга? Речь идет о программах, которые адаптируются к операционной среде. Незапланированная, импровизированная настройка существующего программного обеспечения является мощной концепцией.
Операционные системы уже способны подстраивать себя при загрузке под аппаратное обеспечение, a web-браузеры автоматически обновляются, инсталлируя новые компоненты.
Большие приложения, с которыми вы работаете, имеют проблемы с управлением различными версиями данных и различными версиями библиотек и операционных систем. Возможно, здесь будет полезен более динамичный подход.
Не пишите нежизнеспособных программ
В отсутствие метаданных ваша программа не является столь адаптируемой или гибкой, какой она могла бы стать в противном случае. Плохо ли это? В реальном мире виды, которые не могут адаптироваться, умирают.
Птицы додо не смогли приспособиться к присутствию людей и домашних животных на острове Маврикий и быстро вымерли [29]. Это было первое документально подтвержденное исчезновение вида от рук человека.
Не дайте вашему проекту (или карьере) повторить судьбу птицы додо.
• Ортогональность
• Обратимость
• Языки, отражающие специфику предметной области
• Преимущества простого текста
• Работая над текущим проектом, подумайте о следующем: какая часть программы может быть убрана из нее и перемещена в область метаданных. Как в итоге будет выглядеть «ядро» программы? Сможете ли вы повторно использовать это ядро в контексте иного приложения?
28. Что из нижеследующего лучше представить в виде фрагмента программы, а что вывести за ее пределы в область метаданных?
1. Назначения коммуникационных портов
2. Поддержка выделения синтаксиса различных языков в программе редактирования
3. Поддержка редактора для различных графических устройств
4. Конечный автомат для программы синтаксического анализа или сканера
5. Типовые значения и результаты, используемые в тестировании модулей
28
Временное связывание
Временное связывание – о чем это? – спросите вы. Это – о времени.
Время – аспект, который часто игнорируется в архитектуре программного обеспечения. Единственный временной параметр, который занимает наш ум – это время выполнения проекта, время, оставшееся до отправки продукта заказчику, но здесь разговор не об этом, а о роли временного фактора как элемента проектирования самого программного обеспечения. Существует два временных аспекта, представляющих для нас важность: параллелизм (события, происходящие в одно и то же время) и упорядочивание (относительное положение событий во времени).
Обычно мы не приступаем к программированию, держа в голове тот или иной аспект. Когда люди садятся за проектирование, разработку архитектуры или написание программы, события стремятся к линейности. Это и есть способ мышления большинства людей – сначала сделать «это», а потом всегда сделать «то». Но этот способ мышления приводит к связыванию во времени. Метод А всегда вызывается перед методом В; одновременно должен формироваться только один отчет; необходимо подождать перерисовки экрана до получения отклика на щелчок мыши. «Тик» обязан происходить раньше, чем «так».
Этот подход не отличается большой гибкостью и реализмом.
Нам приходится учитывать параллелизм [30] и думать о несвязанности любых временных или упорядоченных зависимостей. При этом мы выигрываем в гибкости и уменьшаем любые зависимости, основанные на времени во многих областях разработки: анализе последовательности операций, архитектуре, проектировании и развертывании.
Последовательность операций
При работе над многими проектами, нам приходится моделировать и анализировать последовательности операций пользователей, что является частью анализа требований. Мы хотели бы выяснить, что может происходить одновременно, а что – в строгой последовательности. Одним из способов осуществить задуманное является создание диаграммы последовательностей, с помощью системы обозначений наподобие языка UML (унифицированного языка моделирования) [31].
Диаграмма состоит из совокупности действий, изображенных в виде прямоугольников с закругленными уголками. Стрелка, выходящая из одной операции, идет либо к другой операции (которая может начаться после того, как первая закончится) либо к жирной линии, называемой полосой синхронизации. Как только все операции, направленные к полосе синхронизации, завершаются, можно перемещаться по стрелкам, идущим от полосы синхронизации. Операция, на которую не указывают никакие стрелки, может быть начата в любой момент.
Вы можете использовать диаграммы, чтобы добиться максимального параллелизма, определив те процессы, которые могли бы осуществляться параллельно, но не осуществляются.
Подсказка 39: Анализируйте последовательность операций для увеличения параллелизма
Например, в проекте блендера для коктейлей (упражнение 17) пользователи могут вначале описать последовательность операций следующим образом:
1. Открыть блендер
2. Открыть упаковку со смесью «Пинаколада»
3. Засыпать смесь в блендер
4. Отмерить полчашки белого рома
5. Влить ром
6. Добавить 2 чашки льда
7. Закрыть блендер
8. Перемешивать в течение 2 мин
9. Открыть блендер
10. Взять бокалы
11. Украсить
12. Налить
Хотя они описывают эти операции последовательно (и даже могут выполнять их последовательно), заметим, что многие из них могли бы выполняться параллельно, как показано на блок-схеме (см. рис. 5.2).
Это может открыть вам глаза на реально существующие зависимости. В этом случае задачи высшего уровня приоритета (1, 2, 4, 10 и 11) могут выполняться параллельно, как бы авансом. Задачи 3, 5 и 6 могут выполняться параллельно, но позже.
Если бы вы участвовали в конкурсе по приготовлению коктейлей «Пинаколада», эти оптимальные решения выгодно отличали бы вас от всех остальных.
Рис. 5.2. Диаграмма на языке UML: приготовление коктейля «Пинаколада»
Архитектура
Несколько лет назад мы написали систему оперативной обработки транзакций (OLAP – on-line transaction processing). В простейшем варианте все, что должна была сделать система, – это принять запрос и обработать транзакцию в сравнении с БД. Но мы написали трехзвенное, многопроцессорное распределенное приложение: каждый компонент представлял собой независимую единицу, которая выполнялась параллельно со всеми другими компонентами. Хотя при этом возникает впечатление большой работы, это не так: при написании этого приложения мы использовали преимущество временной несвязанности. Рассмотрим этот проект более подробно.
Система принимает запросы от большого числа каналов передачи данных и обрабатывает транзакции в рамках БД.
Проект налагает следующие ограничения:
• Операции с БД занимают сравнительно большое время.
• При каждой транзакции мы не должны блокировать коммуникационные службы в момент обработки транзакции БД.
• Производительность базы ухудшается за счет слишком большого числа параллельных сеансов.
• Множественные транзакции осуществляются параллельно на каждой линии передачи данных.
Решение, обеспечивающее наилучшую производительность и самый четкий интерфейс, выглядит подобно представленному на рисунке 5.3.
РИС. 5.3. Общая схема архитектуры системы оперативной обработки транзакций
Каждый прямоугольник обозначает отдельный процесс; процессы связываются через очереди работ. Каждый входной процесс отслеживает состояние одного входного канала связи и осуществляет запросы к серверу приложения. Все запросы являются асинхронными: как только входной процесс осуществляет текущий запрос, он сразу же возвращается к отслеживанию канала на наличие трафика. Точно так же сервер приложения осуществляет запросы процесса БД [32] и уведомляется в момент завершения отдельной транзакции.
На этом примере также демонстрируется способ быстрого и грубого распределения нагрузки между множественными потребительскими процессами: это так называемая модель голодного потребителя.
В модели голодного потребителя центральный планировщик заменяется на несколько независимых задач потребителя и централизованную очередь работ. Каждая задача потребителя захватывает некий фрагмент очереди работ и продолжает заниматься своим делом – его обработкой. Как только задача заканчивает свою работу, она возвращается к очереди за новой порцией. В этом случае, если выполнение какой-либо задачи срывается, другие задачи могут «натянуть поводья» и каждый отдельный компонент может продолжаться в своем собственном темпе. Происходит временная несвязанность одного компонента с другими.
Подсказка 40: Проектируйте, используя службы
На самом деле, вместо компонентов мы создали службы – независимые, параллельные объекты, скрытые за четко определенными, непротиворечивыми интерфейсами.
Проектирование с использованием принципа параллелизма
Поскольку Java все чаще принимается в качестве платформы, многие разработчики перешли к многопоточному программированию. Но программирование с использованием потоков налагает на конструкцию некоторые ограничения – и это хорошо. Эти ограничения настолько полезны, что нам хотелось бы пребывать под их благодатным покровом, когда бы мы ни занимались написанием программ. Это поможет нам делать нашу программу несвязанной и бороться с так называемым «программированием в расчете на стечение обстоятельств» (см. ниже одноименный раздел).
При работе с линейной программой легко сделать предположения, которые в конечном итоге приведут к небрежно написанным программам. Но параллелизм заставляет задумываться о происходящем несколько глубже – вы больше не находитесь в безвоздушном пространстве. Поскольку многие события могут теперь происходить «в одно и то же время», вы можете внезапно столкнуться с зависимостями, основанными на факторе времени. Прежде всего необходимо защитить любые глобальные или статические переменные от параллельного доступа. Теперь можно задать самому себе вопрос, зачем нужна глобальная переменная на первом месте. Кроме того, необходимо убедиться в том, что вы предоставляете непротиворечивую информацию о состоянии независимо от порядка вызовов. Например, в какой момент допускается опрашивание состояния вашего объекта? Если ваш объект находится в недопустимом состоянии в период между определенными вызовами, то вы, вероятно, полагаетесь на стечение обстоятельств – никто не вызовет ваш объект в этот момент времени.
Предположим, что есть подсистема работы с окнами, в которой интерфейсные элементы вначале создаются, а затем отображаются на дисплее. Вам не разрешается задавать состояние в элементе, пока он не отобразится. В зависимости от заданных параметров программы вы можете полагаться на то условие, что ни один другой объект не может воспользоваться созданным элементом, пока вы не выведете его на дисплей.
Но в параллельной системе это может и не выполняться. При вызове объекты всегда обязаны находиться в допустимом состоянии, а они могут вызываться в самое неподходящее время. Вы обязаны убедиться, что объект находится в допустимом состоянии в любой момент, когда потенциально он может быть вызван. Зачастую эта проблема возникает с классами, которые определяют отдельные программы конструктора и инициализации (где конструктор не оставляет объект в инициализированном состоянии). Используя инварианты класса, обсуждаемые в разделе «Проектирование по контракту», вы сможете избежать этой ловушки.
Четкие интерфейсы
Размышления о параллелизме и зависимостях, упорядоченных во времени, могут заставить вас проектировать более четкие интерфейсы. Рассмотрим библиотечную подпрограмму на языке С под названием strtok, которая расщепляет строку на лексемы.
Конструкция strtok не является поточно-ориентированной [33], но это не самое плохое, рассмотрим временную зависимость. Первый раз вы обязаны вызвать подпрограмму Strtok с переменной, которую вы хотите проанализировать, а во всех последующих вызовах использовать NULL вместо этой переменной. Если переменная принимает значение, отличное от NULL, программа повторно производит разбор содержимого буфера. Не принимая во внимание потоки, предположим, что вы собираетесь использовать Strtok для одновременного синтаксического анализа двух отдельных строк:
char buf1[BUFSIZ];
char buf2[BUFSIZ];
char *p, *q;
strcpy(bufl, «это тестовая программа»);
strcpy(buf2, «которая не будет работать»);
р = strtck(buf1,» «);
q = strtok(buf2,» «);
while (p && q) {
printf("%s %s\n», p, q);
p = strtok(NULL, « «);
q = strtok(NULL, « «);
}
Представленная программа работать не будет: существует неявное состояние, сохраняющееся в strtok между запросами. Вам придется использовать Strtok одновременно только с одним буфером.
Конструкция синтаксического анализатора строк на языке Java будет отличаться от указанной выше. Она должна быть поточно-ориентированной и представлять непротиворечивое состояние.
StringTokenizer st1 = new StringTokenizer("this is a test»);
StrJngTokenlzer st2 = new StringTokenizer("this test will work»);
while (st1.hasMoreTokens() && st2.hasMoreTokens()) {
System.out.println(st1.nextToken());
System.out.println(st2.nextToken());
}
Программа StringTokenizer обладает более четким и простым в сопровождении интерфейсом. Она не содержит в себе никаких сюрпризов и в будущем не приводит к появлению таинственных дефектов, чего нельзя сказать о программе Strtok.
Подсказка 41: При проектировании всегда есть место параллелизму
Развертывание
Как только вы спроектировали архитектуру с элементом параллельности, задача об управлении многими параллельными службами упрощается: модель становится всеобъемлющей.
Теперь вы можете проявить гибкость относительно способа развертывания приложения: по автономной модели, модели «клиент-сервер» или по n-звенной модели. Создавая архитектуру системы на основе независимых служб, вы также придаете динамизм процессу конфигурирования. Рассчитывая на параллелизм и разделяя операции во времени, вы получаете вес эти варианты, включая автономный вариант развертывания, где вы можете отказаться от параллелизма.
Другой путь (попытка внести параллелизм в непараллельное приложение) представляется намного сложнее. Если мы проектируем с учетом параллелизма, то со временем нам легче обеспечивать расширяемость и производительность, а если этот момент не настает, мы все равно получаем выгоду от более четкого интерфейса.
Так, может быть, пора?
Другие разделы, относящиеся к данной теме:
• Проектирование по контракту
• Программирование в расчете на стечение обстоятельств
Вопросы для обсуждения
• Сколько задач вы выполняете параллельно, готовясь к работе? Можете ли вы выразить это с помощью диаграммы на языке UML? Можете ли вы найти иной, более быстрый способ подготовки к работе, придав своим действиям больший параллелизм?
Временное связывание – о чем это? – спросите вы. Это – о времени.
Время – аспект, который часто игнорируется в архитектуре программного обеспечения. Единственный временной параметр, который занимает наш ум – это время выполнения проекта, время, оставшееся до отправки продукта заказчику, но здесь разговор не об этом, а о роли временного фактора как элемента проектирования самого программного обеспечения. Существует два временных аспекта, представляющих для нас важность: параллелизм (события, происходящие в одно и то же время) и упорядочивание (относительное положение событий во времени).
Обычно мы не приступаем к программированию, держа в голове тот или иной аспект. Когда люди садятся за проектирование, разработку архитектуры или написание программы, события стремятся к линейности. Это и есть способ мышления большинства людей – сначала сделать «это», а потом всегда сделать «то». Но этот способ мышления приводит к связыванию во времени. Метод А всегда вызывается перед методом В; одновременно должен формироваться только один отчет; необходимо подождать перерисовки экрана до получения отклика на щелчок мыши. «Тик» обязан происходить раньше, чем «так».
Этот подход не отличается большой гибкостью и реализмом.
Нам приходится учитывать параллелизм [30] и думать о несвязанности любых временных или упорядоченных зависимостей. При этом мы выигрываем в гибкости и уменьшаем любые зависимости, основанные на времени во многих областях разработки: анализе последовательности операций, архитектуре, проектировании и развертывании.
Последовательность операций
При работе над многими проектами, нам приходится моделировать и анализировать последовательности операций пользователей, что является частью анализа требований. Мы хотели бы выяснить, что может происходить одновременно, а что – в строгой последовательности. Одним из способов осуществить задуманное является создание диаграммы последовательностей, с помощью системы обозначений наподобие языка UML (унифицированного языка моделирования) [31].
Диаграмма состоит из совокупности действий, изображенных в виде прямоугольников с закругленными уголками. Стрелка, выходящая из одной операции, идет либо к другой операции (которая может начаться после того, как первая закончится) либо к жирной линии, называемой полосой синхронизации. Как только все операции, направленные к полосе синхронизации, завершаются, можно перемещаться по стрелкам, идущим от полосы синхронизации. Операция, на которую не указывают никакие стрелки, может быть начата в любой момент.
Вы можете использовать диаграммы, чтобы добиться максимального параллелизма, определив те процессы, которые могли бы осуществляться параллельно, но не осуществляются.
Подсказка 39: Анализируйте последовательность операций для увеличения параллелизма
Например, в проекте блендера для коктейлей (упражнение 17) пользователи могут вначале описать последовательность операций следующим образом:
1. Открыть блендер
2. Открыть упаковку со смесью «Пинаколада»
3. Засыпать смесь в блендер
4. Отмерить полчашки белого рома
5. Влить ром
6. Добавить 2 чашки льда
7. Закрыть блендер
8. Перемешивать в течение 2 мин
9. Открыть блендер
10. Взять бокалы
11. Украсить
12. Налить
Хотя они описывают эти операции последовательно (и даже могут выполнять их последовательно), заметим, что многие из них могли бы выполняться параллельно, как показано на блок-схеме (см. рис. 5.2).
Это может открыть вам глаза на реально существующие зависимости. В этом случае задачи высшего уровня приоритета (1, 2, 4, 10 и 11) могут выполняться параллельно, как бы авансом. Задачи 3, 5 и 6 могут выполняться параллельно, но позже.
Если бы вы участвовали в конкурсе по приготовлению коктейлей «Пинаколада», эти оптимальные решения выгодно отличали бы вас от всех остальных.
Рис. 5.2. Диаграмма на языке UML: приготовление коктейля «Пинаколада»
Архитектура
Несколько лет назад мы написали систему оперативной обработки транзакций (OLAP – on-line transaction processing). В простейшем варианте все, что должна была сделать система, – это принять запрос и обработать транзакцию в сравнении с БД. Но мы написали трехзвенное, многопроцессорное распределенное приложение: каждый компонент представлял собой независимую единицу, которая выполнялась параллельно со всеми другими компонентами. Хотя при этом возникает впечатление большой работы, это не так: при написании этого приложения мы использовали преимущество временной несвязанности. Рассмотрим этот проект более подробно.
Система принимает запросы от большого числа каналов передачи данных и обрабатывает транзакции в рамках БД.
Проект налагает следующие ограничения:
• Операции с БД занимают сравнительно большое время.
• При каждой транзакции мы не должны блокировать коммуникационные службы в момент обработки транзакции БД.
• Производительность базы ухудшается за счет слишком большого числа параллельных сеансов.
• Множественные транзакции осуществляются параллельно на каждой линии передачи данных.
Решение, обеспечивающее наилучшую производительность и самый четкий интерфейс, выглядит подобно представленному на рисунке 5.3.
РИС. 5.3. Общая схема архитектуры системы оперативной обработки транзакций
Каждый прямоугольник обозначает отдельный процесс; процессы связываются через очереди работ. Каждый входной процесс отслеживает состояние одного входного канала связи и осуществляет запросы к серверу приложения. Все запросы являются асинхронными: как только входной процесс осуществляет текущий запрос, он сразу же возвращается к отслеживанию канала на наличие трафика. Точно так же сервер приложения осуществляет запросы процесса БД [32] и уведомляется в момент завершения отдельной транзакции.
На этом примере также демонстрируется способ быстрого и грубого распределения нагрузки между множественными потребительскими процессами: это так называемая модель голодного потребителя.
В модели голодного потребителя центральный планировщик заменяется на несколько независимых задач потребителя и централизованную очередь работ. Каждая задача потребителя захватывает некий фрагмент очереди работ и продолжает заниматься своим делом – его обработкой. Как только задача заканчивает свою работу, она возвращается к очереди за новой порцией. В этом случае, если выполнение какой-либо задачи срывается, другие задачи могут «натянуть поводья» и каждый отдельный компонент может продолжаться в своем собственном темпе. Происходит временная несвязанность одного компонента с другими.
Подсказка 40: Проектируйте, используя службы
На самом деле, вместо компонентов мы создали службы – независимые, параллельные объекты, скрытые за четко определенными, непротиворечивыми интерфейсами.
Проектирование с использованием принципа параллелизма
Поскольку Java все чаще принимается в качестве платформы, многие разработчики перешли к многопоточному программированию. Но программирование с использованием потоков налагает на конструкцию некоторые ограничения – и это хорошо. Эти ограничения настолько полезны, что нам хотелось бы пребывать под их благодатным покровом, когда бы мы ни занимались написанием программ. Это поможет нам делать нашу программу несвязанной и бороться с так называемым «программированием в расчете на стечение обстоятельств» (см. ниже одноименный раздел).
При работе с линейной программой легко сделать предположения, которые в конечном итоге приведут к небрежно написанным программам. Но параллелизм заставляет задумываться о происходящем несколько глубже – вы больше не находитесь в безвоздушном пространстве. Поскольку многие события могут теперь происходить «в одно и то же время», вы можете внезапно столкнуться с зависимостями, основанными на факторе времени. Прежде всего необходимо защитить любые глобальные или статические переменные от параллельного доступа. Теперь можно задать самому себе вопрос, зачем нужна глобальная переменная на первом месте. Кроме того, необходимо убедиться в том, что вы предоставляете непротиворечивую информацию о состоянии независимо от порядка вызовов. Например, в какой момент допускается опрашивание состояния вашего объекта? Если ваш объект находится в недопустимом состоянии в период между определенными вызовами, то вы, вероятно, полагаетесь на стечение обстоятельств – никто не вызовет ваш объект в этот момент времени.
Предположим, что есть подсистема работы с окнами, в которой интерфейсные элементы вначале создаются, а затем отображаются на дисплее. Вам не разрешается задавать состояние в элементе, пока он не отобразится. В зависимости от заданных параметров программы вы можете полагаться на то условие, что ни один другой объект не может воспользоваться созданным элементом, пока вы не выведете его на дисплей.
Но в параллельной системе это может и не выполняться. При вызове объекты всегда обязаны находиться в допустимом состоянии, а они могут вызываться в самое неподходящее время. Вы обязаны убедиться, что объект находится в допустимом состоянии в любой момент, когда потенциально он может быть вызван. Зачастую эта проблема возникает с классами, которые определяют отдельные программы конструктора и инициализации (где конструктор не оставляет объект в инициализированном состоянии). Используя инварианты класса, обсуждаемые в разделе «Проектирование по контракту», вы сможете избежать этой ловушки.
Размышления о параллелизме и зависимостях, упорядоченных во времени, могут заставить вас проектировать более четкие интерфейсы. Рассмотрим библиотечную подпрограмму на языке С под названием strtok, которая расщепляет строку на лексемы.
Конструкция strtok не является поточно-ориентированной [33], но это не самое плохое, рассмотрим временную зависимость. Первый раз вы обязаны вызвать подпрограмму Strtok с переменной, которую вы хотите проанализировать, а во всех последующих вызовах использовать NULL вместо этой переменной. Если переменная принимает значение, отличное от NULL, программа повторно производит разбор содержимого буфера. Не принимая во внимание потоки, предположим, что вы собираетесь использовать Strtok для одновременного синтаксического анализа двух отдельных строк:
char buf1[BUFSIZ];
char buf2[BUFSIZ];
char *p, *q;
strcpy(bufl, «это тестовая программа»);
strcpy(buf2, «которая не будет работать»);
р = strtck(buf1,» «);
q = strtok(buf2,» «);
while (p && q) {
printf("%s %s\n», p, q);
p = strtok(NULL, « «);
q = strtok(NULL, « «);
}
Представленная программа работать не будет: существует неявное состояние, сохраняющееся в strtok между запросами. Вам придется использовать Strtok одновременно только с одним буфером.
Конструкция синтаксического анализатора строк на языке Java будет отличаться от указанной выше. Она должна быть поточно-ориентированной и представлять непротиворечивое состояние.
StringTokenizer st1 = new StringTokenizer("this is a test»);
StrJngTokenlzer st2 = new StringTokenizer("this test will work»);
while (st1.hasMoreTokens() && st2.hasMoreTokens()) {
System.out.println(st1.nextToken());
System.out.println(st2.nextToken());
}
Программа StringTokenizer обладает более четким и простым в сопровождении интерфейсом. Она не содержит в себе никаких сюрпризов и в будущем не приводит к появлению таинственных дефектов, чего нельзя сказать о программе Strtok.
Подсказка 41: При проектировании всегда есть место параллелизму
Развертывание
Как только вы спроектировали архитектуру с элементом параллельности, задача об управлении многими параллельными службами упрощается: модель становится всеобъемлющей.
Теперь вы можете проявить гибкость относительно способа развертывания приложения: по автономной модели, модели «клиент-сервер» или по n-звенной модели. Создавая архитектуру системы на основе независимых служб, вы также придаете динамизм процессу конфигурирования. Рассчитывая на параллелизм и разделяя операции во времени, вы получаете вес эти варианты, включая автономный вариант развертывания, где вы можете отказаться от параллелизма.
Другой путь (попытка внести параллелизм в непараллельное приложение) представляется намного сложнее. Если мы проектируем с учетом параллелизма, то со временем нам легче обеспечивать расширяемость и производительность, а если этот момент не настает, мы все равно получаем выгоду от более четкого интерфейса.
Так, может быть, пора?
• Проектирование по контракту
• Программирование в расчете на стечение обстоятельств
• Сколько задач вы выполняете параллельно, готовясь к работе? Можете ли вы выразить это с помощью диаграммы на языке UML? Можете ли вы найти иной, более быстрый способ подготовки к работе, придав своим действиям больший параллелизм?
29
Всего лишь визуальное представление
Каждый смертный все же видит
Только то, что хочет видеть,
Отметая остальное.
Ля-ля-ля…
Ранее нас учили не писать программы одним большим куском, а использовать принцип «разделяй и властвуй» и разбивать программу на модули. У каждого молу-ля есть свои собственные обязанности; модуль (или класс) считается четко определенным, если у него имеется одна четко обозначенная обязанность.
Но как только вы разбиваете программу на различные модули, основанные на обязанностях, вы сталкиваетесь с новой проблемой. Каким образом объекты общаются друг с другом на стадии выполнения программы? Как вы управляете логическими зависимостями между ними? Другими словами, как вы осуществляете синхронизацию изменений состояния (или обновление значений данных) различных объектов? Этой работе должна быть присуща четкость и гибкость – мы не хотим, чтобы они узнали друг о друге слишком много. Мы хотим, чтобы каждый модуль был похож на героя песни Саймона и Гарфункеля и видел только то, что хочет увидеть.
Начнем с концепции события. Событие представляет собой специальное сообщение, в котором говорится: «Только что случилось нечто интересное» (разумеется, с точки зрения наблюдателя). Мы можем использовать события, чтобы сигнализировать одному объекту об изменениях, произошедших с другим объектом, в которых последний может быть заинтересован.
Подобное использование событий сводит к минимуму связывание между двумя объектами – отправителю события не нужно обладать явной информацией о получателе. На самом деле могут существовать и множественные получатели, каждый из которых сосредоточен на собственном перечне основных операций (отправитель же находится в блаженном неведении относительно этого факта).
Однако при использовании событий необходимо соблюдать некоторую осторожность. Например, в одной из ранних версий Java одна подпрограмма получила все события, предназначенные для специфического приложения. Это не совсем подходит для облегчения сопровождения или развития программы.
Протокол «Публикация и подписка»
Почему считается дурным тоном пропускать все события через одну-единственную программу? Потому что при этом нарушается инкапсулирование объекта – теперь этой подпрограмме приходится получать сокровенную информацию о взаимодействии между многими объектами. Это также способствует увеличению связывания, а мы пытаемся его уменьшить. Поскольку и самим объектам приходится получать информацию об этих событиях, то, по всей вероятности, вы собираетесь нарушить принцип DRY, принцип ортогональности и, может быть, некоторые разделы Женевской конвенции. Быть может, вам случалось видеть подобные программы – их доминантой является огромный оператор case или многообразная конструкция if-then. Мы можем сделать это изящнее.
Объекты должны иметь возможность регистрации только для приема событий, которые им нужны, и никогда не должны посылать события, которые им не нужны. Мы не хотим, чтобы наши объекты подверглись спаммингу! Вместо этого мы можем воспользоваться протоколом типа «публикация и подписка», который представлен на рисунке 5.4 с помощью диаграммы последовательностей на языке UML [34].
На блок-схеме последовательности показан поток сообщений между несколькими объектами, которые располагаются по столбцам. Каждое сообщение обозначено стрелкой с текстом, идущей от столбца отправителя к столбцу получателя. Звездочка у текста означает, что возможна посылка более одного сообщения данного типа.
Рис. 5.4. Протокол «Публикация и подписка»
Если нам интересны определенные события, которые генерируются объектом Publisher (Издатель), то все, что нам нужно, – это зарегистрироваться. Объект Publisher отслеживает все заинтересованные объекты Subscriber (Подписчик); когда объект Publisher генерирует событие, представляющее интерес, он, в свою очередь обращается к каждому объекту Subscriber, извещая их о том, что данное событие произошло.
На эту тему существует несколько вариаций, отражающих другие стили обмена данными. Объекты могут использовать протокол «Публикация и подписка» на одноранговой основе (как показано выше), а также «программную шину», где централизованный объект поддерживает базу данных «слушателей» и осуществляет соответствующую диспетчеризацию. Вы даже можете получить схему, в которой критические события транслируются ко всем «слушателям» – как зарегистрированным, так и незарегистрированным. Одна из возможных реализаций событий в распределенной среде иллюстрируется службой сообщений CORBA, описанной во врезке «Служба событий CORBA» (см. ниже).
Можно использовать протокол «Публикация и подписка» для реализации очень важного принципа проектирования: отделения самой модели от ее визуальных представлений. Начнем с примера графического интерфейса, используя конструкцию на языке Smalltalk, где зародилась данная концепция.
Принцип «модель-визуальное представление-контроллер»
Предположим, что есть приложение – электронная таблица. В дополнение к числам, расположенным в самой таблице, также имеется график, отображающий числа на гистограмме и диалоговое окно суммы с накоплением, отображающим сумму чисел в некотором столбце таблицы.
Служба событий CORBA
Служба событий CORBA позволяет объектам-участникам отправлять и получать уведомления о событиях через общую шину, так называемый канал событий. Канал событий принимает решение по обработке событий, а также осуществляет разделение производителей и потребителей событий. Он работает в двух основных режимах: «проталкивание» и «вытягивание».
В режиме «проталкивания» поставщики событий информируют канал событий о том, что событие произошло. Затем канал автоматически распространяет это событие ко всем объектам-клиентам, которые зарегистрировались, выражая свой интерес.
В режиме «вытягивания» клиенты периодически опрашивают канал событий, который в свою очередь, опрашивает поставщика, предлагающего данные о событии в соответствии с запросом.
Хотя служба событий CORBA может использоваться для реализации всех событийных моделей, описанных в данном разделе, ее можно рассматривать и в другом качестве. CORBA облегчает связь между объектами, написанными на различных языках программирования и выполняющимися на географически рассредоточенных машинах с различными архитектурами. Находясь на верхнем уровне CORBA, служба событий предоставляет вам способ, отличающийся отсутствием связанности и позволяющий взаимодействовать с приложениями, разбросанными по всему миру и написанными людьми, которых вы никогда не встречали, и пишущими на языках, о которых вы и знать не знаете.
Очевидно, мы не хотим иметь три отдельных копии одних и тех же данных. Поэтому мы создаем модель – сами данные и обычные операции для их обработки. Затем мы можем создать отдельные визуальные представления, которые отображают данные различными способами: в виде электронной таблицы, графика или поля суммы с накоплением. Каждое из этих визуальных представлений может располагать собственными контроллерами. Например, график может располагать неким контроллером, позволяющим приближать и отдалять объекты, осуществлять панорамирование относительно данных. Ни одно из этих средств не оказывает влияния на данные, только на это представление.
Это и является ключевым принципом, на котором основана парадигма «модель-визуальное представление-контроллер»: отделение модели от графического интерфейса, ее представляющего, и средств управления визуальным представлением [35].
Действуя подобным образом, вы можете извлечь пользу из некоторых интересных возможностей. Вы можете поддерживать множественные визуальные представления для одной и той же модели данных. Вы можете использовать обычные средства просмотра со многими различными моделями данных. Вы даже можете поддерживать множественные контроллеры для обеспечения нетрадиционных механизмов ввода данных.
Подсказка 42: Отделяйте визуальные представления от моделей
Ослабляя связанность между моделью и ее визуальным представлением/контроллером, вы приобретаете большую гибкость практически за бесценок. На самом деле, эта методика является одним из важнейших способов сохранения обратимости (см. «Обратимость»).
Java: древовидное визуальное представление
Хорошим примером принципа «модель-визуальное представление-контроллер» является графический элемент в древовидной схеме Java. Элемент, отображающий дерево, активизируемое щелчком мыши, в действительности представляет собой набор нескольких различных классов, организованных по шаблону «модель-визуальное представление-контроллер».
Все, что вам нужно сделать для получения полнофункционального элемента дерева, – это обеспечить источник данных, который соответствует интерфейсу TreeModel. Ваша программа становится моделью дерева.
Визуальное представление создается классами TreeCellRenderer и TreeCellEditor, которые могут быть унаследованы и настроены для обеспечения различных цветов, шрифтов и пиктограмм в графическом элементе. JTree действует в качестве контроллера для элемента дерева и обеспечивает некоторую общую функциональную возможность просмотра.
Осуществив разделение модели и ее визуального представления, мы серьезно упростили процесс программирования. Уже не нужно беспокоиться об элементе дерева. Вместо этого необходимо предоставить источник данных.
Предположим, к вам подходит вице-президент фирмы и высказывает пожелание, чтобы вы быстро написали приложение, которое позволяет ему управлять структурной схемой фирмы, содержащейся в унаследованной базе данных на мэйнфрейме. Просто напишите оболочку, которая получает данные с мэйнфрейма, представляет ее в виде TreeModel, и – «Вуаля!» – у вас имеется полнофункциональный элемент дерева.
Теперь можете капризничать и начать использовать классы средств просмотра; вы можете изменять представление узлов и использовать специальные пиктограммы, шрифты или цвета. Когда вице-президент вернется к вам и скажет, что новые корпоративные стандарты требуют использования для некоторых служащих пиктограммы «Веселый Роджер», то вы можете внести изменения в TreeCellRenderer, не затрагивая другие программы.
Отходя от графических интерфейсов
Хотя принцип «модель-визуальное представление-контроллер» обычно реализуется в контексте графического интерфейса, на самом деле он является универсальной методикой программирования. Визуальное представление – это некая интерпретация модели (возможно, подмножества), и она не обязана быть графической. Контроллер в большей части является механизмом координации и не должен ассоциироваться с устройством ввода любого типа.
• Модель. Абстрактная модель данных, представляющая целевой объект. Модель не располагает непосредственной информацией о любых визуальных представлениях или контроллерах.
• Визуальное представление. Способ интерпретации модели. Оно подписывается на изменения в модели и логические события, приходящие от контроллера.
• Контроллер. Способ контроля визуального представления и снабжения модели новыми данными. Он осуществляет публикацию событий для модели и визуального представления.
Рассмотрим пример с текстовым интерфейсом.
Игра в бейсбол представляет собой уникальное явление. Где еще можно найти такие пустяки, как «самый результативный матч, сыгранный во вторник под дождем при искусственном освещении между командами, названия которых начинаются с гласной буквы»? Предположим, что нам поручили разработать программу для помощи бесстрашным дикторам, которым по должности полагается сообщать счет, статистику и прочие мелочи.
Ясно, что нам необходима информация о матче, который проходит в настоящее время – играющие команды, условия, игрок, принимающий подачу, счет и т. д. Эти факты образуют наши модели; они будут обновляться по мере поступления новой информации (смена подающего, выбывание игрока, начался дождь…).
Затем у нас появится ряд объектов – визуальных представлений, которые будут использовать эти модели. Один объект должен наблюдать за набираемыми очками – для обновления текущего счета. Другой объект может получать уведомления о новых игроках, отбивающих мяч, и извлекать краткую справку об их статистических показателях за год. Третий объект может просматривать данные и проверять, не установлен ли мировой рекорд. Можно даже использовать средство просмотра «мелочей», которое несет ответственность за придумывание сверхъестественных и бесполезных фактов, щекочущих нервы зрителей.
Рис. 5.5. Комментирование бейсбольного матча. Средства просмотра являются подписчиками модели.
Но мы не хотим, чтобы несчастный диктор работал со всеми этими окнами непосредственно. Вместо этого мы сделаем так, чтобы каждое из окон генерировало извещения об «интересных» событиях, и обеспечим возможность планирования показа с помощью некоторого высокоуровневого объекта [36].
Эти объекты (средства просмотра) внезапно стали моделями высокоуровневого объекта, который сам по себе может стать моделью для различных форматирующих средств просмотра. Одно такое средство просмотра могло бы создать сценарий для телесуфлера, с которым работает диктор, второе могло бы генерировать заставки непосредственно на спутниковом канале, а третье могло бы осуществлять обновление web-страниц телевизионной сети или бейсбольной команды (см. рис. 5.5).
Подобная сеть «модель-средство просмотра» является универсальной (и весьма ценной) методикой проектирования. Каждый канал связи осуществляет отделение исходных данных от событий, их породивших; каждое новое средство просмотра есть некая абстракция. И поскольку отношения представляют собой сеть (а не линейную цепь), то мы обладаем большой гибкостью. Каждая модель может включать в себя много средств просмотра, а одно средство просмотра может работать со многими моделями.
В усовершенствованных системах, наподобие описанной выше, полезно иметь окна отладки – специализированные окна, которые отображают подробности модели. Дополнение системы средством трассировки отдельных событий также способствует существенной экономии времени.
Все такой же связанный (после стольких лет)
Несмотря на то, что мы добились уменьшения связанности, прослушивающие процессы и генераторы событий (подписчики и издатели) все равно обладают некоторой информацией друг о друге. Например, в языке Java они обязаны прийти к соглашению об общих определениях интерфейса и вызовах.
В следующем разделе мы рассмотрим способы дальнейшего уменьшения степени связанности при помощи формы «публикация и подписка», в которой ни один из участников не должен знать друг о друге или обращаться напрямую друг к другу.
Другие разделы, относящиеся к данной теме:
• Ортогональность
• Обратимость
• Несвязанность и закон Деметера
• Доски объявлений
• Все эти сочинения
Упражнения
29. Предположим, что имеется система бронирования авиабилетов, основанная на следующем принципе формирования авиарейса:
public interface Flight {
//Return false if flight full.
public Boolean addPassenger(Passenger p);
public void addToWaitlJst(Passenger p);
public int getFlightCapacity();
public int getNumPassengers();
}
Если вы добавляете имя пассажира в лист ожидания авиарейса, то при появлении вакантного места ему будет предложено воспользоваться этим рейсом автоматически.
Чтобы составить расписание дополнительных рейсов, требуется большая работа с отчетами, заключающаяся в выискивании рейсов, количество мест на которых меньше или равно числу проданных билетов. Это срабатывает, но занимает много времени.
Нам хотелось бы обладать большей гибкостью при обработке данных о пассажирах в листе ожидания и как-то решить проблемы с этим огромным отчетом – его формирование занимает слишком много времени. Воспользуйтесь идеями, изложенными в данном разделе, чтобы спроектировать этот интерфейс по-новому.
Каждый смертный все же видит
Только то, что хочет видеть,
Отметая остальное.
Ля-ля-ля…
Ранее нас учили не писать программы одним большим куском, а использовать принцип «разделяй и властвуй» и разбивать программу на модули. У каждого молу-ля есть свои собственные обязанности; модуль (или класс) считается четко определенным, если у него имеется одна четко обозначенная обязанность.
Но как только вы разбиваете программу на различные модули, основанные на обязанностях, вы сталкиваетесь с новой проблемой. Каким образом объекты общаются друг с другом на стадии выполнения программы? Как вы управляете логическими зависимостями между ними? Другими словами, как вы осуществляете синхронизацию изменений состояния (или обновление значений данных) различных объектов? Этой работе должна быть присуща четкость и гибкость – мы не хотим, чтобы они узнали друг о друге слишком много. Мы хотим, чтобы каждый модуль был похож на героя песни Саймона и Гарфункеля и видел только то, что хочет увидеть.
Начнем с концепции события. Событие представляет собой специальное сообщение, в котором говорится: «Только что случилось нечто интересное» (разумеется, с точки зрения наблюдателя). Мы можем использовать события, чтобы сигнализировать одному объекту об изменениях, произошедших с другим объектом, в которых последний может быть заинтересован.
Подобное использование событий сводит к минимуму связывание между двумя объектами – отправителю события не нужно обладать явной информацией о получателе. На самом деле могут существовать и множественные получатели, каждый из которых сосредоточен на собственном перечне основных операций (отправитель же находится в блаженном неведении относительно этого факта).
Однако при использовании событий необходимо соблюдать некоторую осторожность. Например, в одной из ранних версий Java одна подпрограмма получила все события, предназначенные для специфического приложения. Это не совсем подходит для облегчения сопровождения или развития программы.
Протокол «Публикация и подписка»
Почему считается дурным тоном пропускать все события через одну-единственную программу? Потому что при этом нарушается инкапсулирование объекта – теперь этой подпрограмме приходится получать сокровенную информацию о взаимодействии между многими объектами. Это также способствует увеличению связывания, а мы пытаемся его уменьшить. Поскольку и самим объектам приходится получать информацию об этих событиях, то, по всей вероятности, вы собираетесь нарушить принцип DRY, принцип ортогональности и, может быть, некоторые разделы Женевской конвенции. Быть может, вам случалось видеть подобные программы – их доминантой является огромный оператор case или многообразная конструкция if-then. Мы можем сделать это изящнее.
Объекты должны иметь возможность регистрации только для приема событий, которые им нужны, и никогда не должны посылать события, которые им не нужны. Мы не хотим, чтобы наши объекты подверглись спаммингу! Вместо этого мы можем воспользоваться протоколом типа «публикация и подписка», который представлен на рисунке 5.4 с помощью диаграммы последовательностей на языке UML [34].
На блок-схеме последовательности показан поток сообщений между несколькими объектами, которые располагаются по столбцам. Каждое сообщение обозначено стрелкой с текстом, идущей от столбца отправителя к столбцу получателя. Звездочка у текста означает, что возможна посылка более одного сообщения данного типа.
Рис. 5.4. Протокол «Публикация и подписка»
Если нам интересны определенные события, которые генерируются объектом Publisher (Издатель), то все, что нам нужно, – это зарегистрироваться. Объект Publisher отслеживает все заинтересованные объекты Subscriber (Подписчик); когда объект Publisher генерирует событие, представляющее интерес, он, в свою очередь обращается к каждому объекту Subscriber, извещая их о том, что данное событие произошло.
На эту тему существует несколько вариаций, отражающих другие стили обмена данными. Объекты могут использовать протокол «Публикация и подписка» на одноранговой основе (как показано выше), а также «программную шину», где централизованный объект поддерживает базу данных «слушателей» и осуществляет соответствующую диспетчеризацию. Вы даже можете получить схему, в которой критические события транслируются ко всем «слушателям» – как зарегистрированным, так и незарегистрированным. Одна из возможных реализаций событий в распределенной среде иллюстрируется службой сообщений CORBA, описанной во врезке «Служба событий CORBA» (см. ниже).
Можно использовать протокол «Публикация и подписка» для реализации очень важного принципа проектирования: отделения самой модели от ее визуальных представлений. Начнем с примера графического интерфейса, используя конструкцию на языке Smalltalk, где зародилась данная концепция.
Принцип «модель-визуальное представление-контроллер»
Предположим, что есть приложение – электронная таблица. В дополнение к числам, расположенным в самой таблице, также имеется график, отображающий числа на гистограмме и диалоговое окно суммы с накоплением, отображающим сумму чисел в некотором столбце таблицы.
Служба событий CORBA позволяет объектам-участникам отправлять и получать уведомления о событиях через общую шину, так называемый канал событий. Канал событий принимает решение по обработке событий, а также осуществляет разделение производителей и потребителей событий. Он работает в двух основных режимах: «проталкивание» и «вытягивание».
В режиме «проталкивания» поставщики событий информируют канал событий о том, что событие произошло. Затем канал автоматически распространяет это событие ко всем объектам-клиентам, которые зарегистрировались, выражая свой интерес.
В режиме «вытягивания» клиенты периодически опрашивают канал событий, который в свою очередь, опрашивает поставщика, предлагающего данные о событии в соответствии с запросом.
Хотя служба событий CORBA может использоваться для реализации всех событийных моделей, описанных в данном разделе, ее можно рассматривать и в другом качестве. CORBA облегчает связь между объектами, написанными на различных языках программирования и выполняющимися на географически рассредоточенных машинах с различными архитектурами. Находясь на верхнем уровне CORBA, служба событий предоставляет вам способ, отличающийся отсутствием связанности и позволяющий взаимодействовать с приложениями, разбросанными по всему миру и написанными людьми, которых вы никогда не встречали, и пишущими на языках, о которых вы и знать не знаете.
Очевидно, мы не хотим иметь три отдельных копии одних и тех же данных. Поэтому мы создаем модель – сами данные и обычные операции для их обработки. Затем мы можем создать отдельные визуальные представления, которые отображают данные различными способами: в виде электронной таблицы, графика или поля суммы с накоплением. Каждое из этих визуальных представлений может располагать собственными контроллерами. Например, график может располагать неким контроллером, позволяющим приближать и отдалять объекты, осуществлять панорамирование относительно данных. Ни одно из этих средств не оказывает влияния на данные, только на это представление.
Это и является ключевым принципом, на котором основана парадигма «модель-визуальное представление-контроллер»: отделение модели от графического интерфейса, ее представляющего, и средств управления визуальным представлением [35].
Действуя подобным образом, вы можете извлечь пользу из некоторых интересных возможностей. Вы можете поддерживать множественные визуальные представления для одной и той же модели данных. Вы можете использовать обычные средства просмотра со многими различными моделями данных. Вы даже можете поддерживать множественные контроллеры для обеспечения нетрадиционных механизмов ввода данных.
Подсказка 42: Отделяйте визуальные представления от моделей
Ослабляя связанность между моделью и ее визуальным представлением/контроллером, вы приобретаете большую гибкость практически за бесценок. На самом деле, эта методика является одним из важнейших способов сохранения обратимости (см. «Обратимость»).
Хорошим примером принципа «модель-визуальное представление-контроллер» является графический элемент в древовидной схеме Java. Элемент, отображающий дерево, активизируемое щелчком мыши, в действительности представляет собой набор нескольких различных классов, организованных по шаблону «модель-визуальное представление-контроллер».
Все, что вам нужно сделать для получения полнофункционального элемента дерева, – это обеспечить источник данных, который соответствует интерфейсу TreeModel. Ваша программа становится моделью дерева.
Визуальное представление создается классами TreeCellRenderer и TreeCellEditor, которые могут быть унаследованы и настроены для обеспечения различных цветов, шрифтов и пиктограмм в графическом элементе. JTree действует в качестве контроллера для элемента дерева и обеспечивает некоторую общую функциональную возможность просмотра.
Осуществив разделение модели и ее визуального представления, мы серьезно упростили процесс программирования. Уже не нужно беспокоиться об элементе дерева. Вместо этого необходимо предоставить источник данных.
Предположим, к вам подходит вице-президент фирмы и высказывает пожелание, чтобы вы быстро написали приложение, которое позволяет ему управлять структурной схемой фирмы, содержащейся в унаследованной базе данных на мэйнфрейме. Просто напишите оболочку, которая получает данные с мэйнфрейма, представляет ее в виде TreeModel, и – «Вуаля!» – у вас имеется полнофункциональный элемент дерева.
Теперь можете капризничать и начать использовать классы средств просмотра; вы можете изменять представление узлов и использовать специальные пиктограммы, шрифты или цвета. Когда вице-президент вернется к вам и скажет, что новые корпоративные стандарты требуют использования для некоторых служащих пиктограммы «Веселый Роджер», то вы можете внести изменения в TreeCellRenderer, не затрагивая другие программы.
Отходя от графических интерфейсов
Хотя принцип «модель-визуальное представление-контроллер» обычно реализуется в контексте графического интерфейса, на самом деле он является универсальной методикой программирования. Визуальное представление – это некая интерпретация модели (возможно, подмножества), и она не обязана быть графической. Контроллер в большей части является механизмом координации и не должен ассоциироваться с устройством ввода любого типа.
• Модель. Абстрактная модель данных, представляющая целевой объект. Модель не располагает непосредственной информацией о любых визуальных представлениях или контроллерах.
• Визуальное представление. Способ интерпретации модели. Оно подписывается на изменения в модели и логические события, приходящие от контроллера.
• Контроллер. Способ контроля визуального представления и снабжения модели новыми данными. Он осуществляет публикацию событий для модели и визуального представления.
Рассмотрим пример с текстовым интерфейсом.
Игра в бейсбол представляет собой уникальное явление. Где еще можно найти такие пустяки, как «самый результативный матч, сыгранный во вторник под дождем при искусственном освещении между командами, названия которых начинаются с гласной буквы»? Предположим, что нам поручили разработать программу для помощи бесстрашным дикторам, которым по должности полагается сообщать счет, статистику и прочие мелочи.
Ясно, что нам необходима информация о матче, который проходит в настоящее время – играющие команды, условия, игрок, принимающий подачу, счет и т. д. Эти факты образуют наши модели; они будут обновляться по мере поступления новой информации (смена подающего, выбывание игрока, начался дождь…).
Затем у нас появится ряд объектов – визуальных представлений, которые будут использовать эти модели. Один объект должен наблюдать за набираемыми очками – для обновления текущего счета. Другой объект может получать уведомления о новых игроках, отбивающих мяч, и извлекать краткую справку об их статистических показателях за год. Третий объект может просматривать данные и проверять, не установлен ли мировой рекорд. Можно даже использовать средство просмотра «мелочей», которое несет ответственность за придумывание сверхъестественных и бесполезных фактов, щекочущих нервы зрителей.
Рис. 5.5. Комментирование бейсбольного матча. Средства просмотра являются подписчиками модели.
Но мы не хотим, чтобы несчастный диктор работал со всеми этими окнами непосредственно. Вместо этого мы сделаем так, чтобы каждое из окон генерировало извещения об «интересных» событиях, и обеспечим возможность планирования показа с помощью некоторого высокоуровневого объекта [36].
Эти объекты (средства просмотра) внезапно стали моделями высокоуровневого объекта, который сам по себе может стать моделью для различных форматирующих средств просмотра. Одно такое средство просмотра могло бы создать сценарий для телесуфлера, с которым работает диктор, второе могло бы генерировать заставки непосредственно на спутниковом канале, а третье могло бы осуществлять обновление web-страниц телевизионной сети или бейсбольной команды (см. рис. 5.5).
Подобная сеть «модель-средство просмотра» является универсальной (и весьма ценной) методикой проектирования. Каждый канал связи осуществляет отделение исходных данных от событий, их породивших; каждое новое средство просмотра есть некая абстракция. И поскольку отношения представляют собой сеть (а не линейную цепь), то мы обладаем большой гибкостью. Каждая модель может включать в себя много средств просмотра, а одно средство просмотра может работать со многими моделями.
В усовершенствованных системах, наподобие описанной выше, полезно иметь окна отладки – специализированные окна, которые отображают подробности модели. Дополнение системы средством трассировки отдельных событий также способствует существенной экономии времени.
Все такой же связанный (после стольких лет)
Несмотря на то, что мы добились уменьшения связанности, прослушивающие процессы и генераторы событий (подписчики и издатели) все равно обладают некоторой информацией друг о друге. Например, в языке Java они обязаны прийти к соглашению об общих определениях интерфейса и вызовах.
В следующем разделе мы рассмотрим способы дальнейшего уменьшения степени связанности при помощи формы «публикация и подписка», в которой ни один из участников не должен знать друг о друге или обращаться напрямую друг к другу.
• Ортогональность
• Обратимость
• Несвязанность и закон Деметера
• Доски объявлений
• Все эти сочинения
29. Предположим, что имеется система бронирования авиабилетов, основанная на следующем принципе формирования авиарейса:
public interface Flight {
//Return false if flight full.
public Boolean addPassenger(Passenger p);
public void addToWaitlJst(Passenger p);
public int getFlightCapacity();
public int getNumPassengers();
}
Если вы добавляете имя пассажира в лист ожидания авиарейса, то при появлении вакантного места ему будет предложено воспользоваться этим рейсом автоматически.
Чтобы составить расписание дополнительных рейсов, требуется большая работа с отчетами, заключающаяся в выискивании рейсов, количество мест на которых меньше или равно числу проданных билетов. Это срабатывает, но занимает много времени.
Нам хотелось бы обладать большей гибкостью при обработке данных о пассажирах в листе ожидания и как-то решить проблемы с этим огромным отчетом – его формирование занимает слишком много времени. Воспользуйтесь идеями, изложенными в данном разделе, чтобы спроектировать этот интерфейс по-новому.
30
Доски объявлений
На стене написано…
Обычно вы не связываете понятие изящества с полицейскими детективами. Но рассмотрим пример того, как детективы используют доску объявлений для координации действий и расследования убийства.
Предположим, что главный инспектор начинает с того, что устанавливает большую доску в комнате для заседаний. На ней он пишет один-единственный вопрос:
ШАЛТАЙ-БОЛТАЙ (ПОЛ: МУЖСКОЙ, ЧЕЛОВЕК-ЯЙЦО): НЕСЧАСТНЫЙ СЛУЧАЙ ИЛИ УБИЙСТВО?
Шалтай на самом деле упал, или его толкнули? Каждый детектив может внести свою лепту в раскрытие тайны этого возможного убийства, добавляя факты, показания свидетелей, любые судебные доказательства и т. д. По мере накопления данных детектив может заметить некую связь и также поместить на доску свои наблюдения или гипотезу. Этот процесс продолжается, передается от смены к смене, в нем участвуют различные лица и агенты, пока дело не будет закрыто. Примерный вид доски представлен на рисунке 5.6.
Некоторые ключевые особенности подхода с применением доски объявлений:
• Ни один из детективов не обязан знать о существовании какого-либо другого детектива – они лишь смотрят на доску в поисках новой информации и помещают на ней свои находки.
• Детективы могут пройти подготовку по различным дисциплинам, могут обладать различным уровнем образования и опыта и могут даже не работать на той же территории. Их объединяет желание раскрыть дело и только.
• Разные детективы могут приходить и уходить в ходе процесса, а также могут работать в различных сменах.
• На доску можно помещать все, что угодно. Это могут быть изображения, тексты, вещественные доказательства и т. д.
Рис. 5.6. Кто-то обнаружил связь между карточными долгами Шалтая и распечаткой телефонных разговоров. Возможно, ему угрожали по телефону.
Мы работали над несколькими проектами, которые включали в себя сбор распределенных данных или данных о последовательности операций. Каждый проект, решение которого строилось на основе простой модели доски объявлений, давал нам надежную метафору, с которой мы работаем: все вышеперечисленные средства, используемые детективами, также применимы к объектам и программным модулям.
Доска объявлений позволяет полностью отделять объекты друг от друга, обеспечивая тем самым пространство, на котором потребители и производители информации могут обмениваться данными анонимно и в асинхронном режиме. Как вы могли догадаться, это также позволило уменьшить объем программ, которые нам приходилось писать.
Реализация концепции доски объявлений
Изначально доски объявлений (на основе компьютеров) разрабатывались в системах искусственного интеллекта для решения крупномасштабных и сложных задач – распознавания речи, принятии решений на основе баз знаний и т. д.
Современные распределенные системы (подобные доскам объявлений), такие как JavaSpaces и Т Spaces [URL 50, URL 25], основаны на модели пар «ключ-значение», изначально пропагандировавшейся в системе Linda [CG90], где этот принцип был известен под именем «область кортежей».
При помощи этих систем можно сохранять активные объекты Java (а не только данные) на доске объявлений и извлекать их при частичном соответствии полей (через шаблоны и трафаретные символы) или с использованием подтипов. Предположим, что имеется тип Author, являющийся подтипом Person. Вы можете искать доску объявлений, содержащую объекты Person, используя шаблон Author, в котором параметру lastName присвоено значение «Shakespeare». В результате вы получите автора по имени Bill Shakespeare, а не садовника по имени Fred Shakespeare. Основные операции в системе JavaSpaces:
Название – Функция
read – Осуществляет поиск и извлечение данных из данной области.
write – Помещает некий элемент в данную область.
take – Подобен read, но также удаляет элемент из данной области.
notify – Задает вид уведомления, которое присылается при записи объекта, совпадающего с шаблоном.
Система Т Spaces поддерживает аналогичный набор операций, но с другими наименованиями и несколько другой семантикой. Обе системы построены подобно базе данных; они обеспечивают элементарные операции и распределенные транзакции, гарантирующие целостность данных.
Поскольку мы можем хранить объекты, то можно использовать доску объявлений для проектирования алгоритмов, основанных на потоке объектов, а не только на данных. Любой может задать свидетелю вопросы, касающиеся расследования, поместить протокол и переместить свидетеля на другой участок доски, где он отвечал по-другому (если вы дадите и ему прочесть написанное на доске).
Большим преимуществом систем подобного типа является единственный непротиворечивый интерфейс к «доске объявлений». При построении обычного распределенного приложения вы можете затратить много времени, обрабатывая уникальные вызовы API для каждой распределенной транзакции и интеракции в системе. Проект быстро станет сущим кошмаром, если произойдет комбинаторный взрыв интерфейсов и интеракций.
Как организовать доску объявлений
Когда детективы ведут расследование крупных дел, то доска объявлений может прийти в беспорядок и найти на ней нужные данные станет сложно. Решение состоит том, чтобы разбить доску на секции и начать каким-то образом упорядочивать данные.
Различные программные системы осуществляют это разбиение по-разному; одни используют достаточно однородные зоны или группы интересов, тогда как другие используют более иерархичную древовидную структуру.
Стиль программирования под названием «доска объявлений» снимает потребность во многих интерфейсах, позволяя создавать более элегантную и последовательную систему.
Пример приложения
Предположим, что мы пишем программу для принятия и обработки заявлений на ипотечный кредит или ссуду. Законы, действующие в этой области, отличаются одиозной сложностью, и чиновникам различного уровня всегда есть что сказать по данному поводу. Кредитор обязан убедить заявителя в том, что он должен раскрыть некоторые факты и запросить определенную информацию, но не должен задавать других конкретных вопросов и т. д.
Помимо отвратительных правовых норм, нам приходится бороться со следующими проблемами.
• Порядок поступления данных никак не гарантируется. Например, выполнение запросов для проверки кредитоспособности или поиска названия требует существенных временных затрат, тогда как фамилия и адрес могут быть найдены сразу.
• Сбор данных может осуществляться разными людьми, рассеянными по разным офисам, расположенным в различных часовых поясах.
• Некоторые данные могут собираться автоматически с помощью других систем. Эти данные могут поступать в асинхронном режиме.
• И тем не менее, некоторые данные могут находится в зависимости от других данных. Например, вы не сможете начать поиск автомобиля по названию, пока не получите подтверждение права собственности или страховки.
• Поступление новых данных может вызвать появление новых вопросов и стратегии действий. Предположим, что проверка кредитоспособности заканчивается неубедительным результатом; теперь вам придется заполнить еще пять формуляров и, возможно, сдать анализ крови.
Вы можете попробовать обрабатывать всевозможные сочетания и обстоятельства, используя систему автоматизации документооборота. Существует большое число подобных систем, но они могут быть сложными и требовать интенсивной работы программистов. При изменении нормативов необходимо менять и документооборот: людям придется изменять процедуры и переписывать встроенную логику.
Доска объявлений в сочетании с механизмом правил, который включает в себя юридические требования, представляет собой изящное решение имеющих место проблем. Порядок поступления данных является несущественным параметром: регистрация некоего факта активизирует соответствующие правила. Обработка сигналов обратной связи также не представляет труда: результат действия любой совокупности правил может поместить на доску и вызвать активизацию более подходящих в данной ситуации правил.
Подсказка 43: Используйте доски объявлений для координации потоков работ
Можно использовать доску для координации неоднородных фактов и агентов, одновременно сохраняя независимость и даже изоляцию участников друг от друга.
Вы можете добиться тех же результатов, действуя и более грубыми методами, но в результате получите более хрупкую систему. Когда она сломается, даже «вся королевская конница и вся королевская рать» не смогут заставить работать вашу программу.
Другие разделы, относящиеся к данной теме:
• Преимущество простого текста
• Всего лишь визуальное представление
Вопросы для обсуждения
• Используете ли вы доски объявлений в реальности – памятные записки дома, рядом с холодильником или большие лекционные доски на работе? Что делает их эффективными? Всегда ли формат помещаемых сообщений является последовательным? Имеет ли это значение?
Упражнения
30. Будет ли уместным использование системы «доска объявлений» для приложений, указанных ниже, или нет? Почему? (Ответ см. в Приложении В.)
1. Обработка изображений. Несколько параллельных процессов захватывают фрагменты изображения, обрабатывают их и помещают обработанный фрагмент обратно.
2. Календарное планирование для групп. Есть группа людей, находящихся в разных странах, в различных часовых поясах, говорящих на разных языках и пытающихся спланировать встречу.
3. Средство мониторинга компьютерной сети. Система осуществляет сбор статистических данных о производительности сети и отчетов о неполадках. Вы хотели бы реализовать несколько программ-агентов, которые могли бы использовать эту информацию для отслеживания неисправностей в системе.
На стене написано…
Обычно вы не связываете понятие изящества с полицейскими детективами. Но рассмотрим пример того, как детективы используют доску объявлений для координации действий и расследования убийства.
Предположим, что главный инспектор начинает с того, что устанавливает большую доску в комнате для заседаний. На ней он пишет один-единственный вопрос:
ШАЛТАЙ-БОЛТАЙ (ПОЛ: МУЖСКОЙ, ЧЕЛОВЕК-ЯЙЦО): НЕСЧАСТНЫЙ СЛУЧАЙ ИЛИ УБИЙСТВО?
Шалтай на самом деле упал, или его толкнули? Каждый детектив может внести свою лепту в раскрытие тайны этого возможного убийства, добавляя факты, показания свидетелей, любые судебные доказательства и т. д. По мере накопления данных детектив может заметить некую связь и также поместить на доску свои наблюдения или гипотезу. Этот процесс продолжается, передается от смены к смене, в нем участвуют различные лица и агенты, пока дело не будет закрыто. Примерный вид доски представлен на рисунке 5.6.
Некоторые ключевые особенности подхода с применением доски объявлений:
• Ни один из детективов не обязан знать о существовании какого-либо другого детектива – они лишь смотрят на доску в поисках новой информации и помещают на ней свои находки.
• Детективы могут пройти подготовку по различным дисциплинам, могут обладать различным уровнем образования и опыта и могут даже не работать на той же территории. Их объединяет желание раскрыть дело и только.
• Разные детективы могут приходить и уходить в ходе процесса, а также могут работать в различных сменах.
• На доску можно помещать все, что угодно. Это могут быть изображения, тексты, вещественные доказательства и т. д.
Рис. 5.6. Кто-то обнаружил связь между карточными долгами Шалтая и распечаткой телефонных разговоров. Возможно, ему угрожали по телефону.
Мы работали над несколькими проектами, которые включали в себя сбор распределенных данных или данных о последовательности операций. Каждый проект, решение которого строилось на основе простой модели доски объявлений, давал нам надежную метафору, с которой мы работаем: все вышеперечисленные средства, используемые детективами, также применимы к объектам и программным модулям.
Доска объявлений позволяет полностью отделять объекты друг от друга, обеспечивая тем самым пространство, на котором потребители и производители информации могут обмениваться данными анонимно и в асинхронном режиме. Как вы могли догадаться, это также позволило уменьшить объем программ, которые нам приходилось писать.
Реализация концепции доски объявлений
Изначально доски объявлений (на основе компьютеров) разрабатывались в системах искусственного интеллекта для решения крупномасштабных и сложных задач – распознавания речи, принятии решений на основе баз знаний и т. д.
Современные распределенные системы (подобные доскам объявлений), такие как JavaSpaces и Т Spaces [URL 50, URL 25], основаны на модели пар «ключ-значение», изначально пропагандировавшейся в системе Linda [CG90], где этот принцип был известен под именем «область кортежей».
При помощи этих систем можно сохранять активные объекты Java (а не только данные) на доске объявлений и извлекать их при частичном соответствии полей (через шаблоны и трафаретные символы) или с использованием подтипов. Предположим, что имеется тип Author, являющийся подтипом Person. Вы можете искать доску объявлений, содержащую объекты Person, используя шаблон Author, в котором параметру lastName присвоено значение «Shakespeare». В результате вы получите автора по имени Bill Shakespeare, а не садовника по имени Fred Shakespeare. Основные операции в системе JavaSpaces:
Название – Функция
read – Осуществляет поиск и извлечение данных из данной области.
write – Помещает некий элемент в данную область.
take – Подобен read, но также удаляет элемент из данной области.
notify – Задает вид уведомления, которое присылается при записи объекта, совпадающего с шаблоном.
Система Т Spaces поддерживает аналогичный набор операций, но с другими наименованиями и несколько другой семантикой. Обе системы построены подобно базе данных; они обеспечивают элементарные операции и распределенные транзакции, гарантирующие целостность данных.
Поскольку мы можем хранить объекты, то можно использовать доску объявлений для проектирования алгоритмов, основанных на потоке объектов, а не только на данных. Любой может задать свидетелю вопросы, касающиеся расследования, поместить протокол и переместить свидетеля на другой участок доски, где он отвечал по-другому (если вы дадите и ему прочесть написанное на доске).
Большим преимуществом систем подобного типа является единственный непротиворечивый интерфейс к «доске объявлений». При построении обычного распределенного приложения вы можете затратить много времени, обрабатывая уникальные вызовы API для каждой распределенной транзакции и интеракции в системе. Проект быстро станет сущим кошмаром, если произойдет комбинаторный взрыв интерфейсов и интеракций.
Когда детективы ведут расследование крупных дел, то доска объявлений может прийти в беспорядок и найти на ней нужные данные станет сложно. Решение состоит том, чтобы разбить доску на секции и начать каким-то образом упорядочивать данные.
Различные программные системы осуществляют это разбиение по-разному; одни используют достаточно однородные зоны или группы интересов, тогда как другие используют более иерархичную древовидную структуру.
Стиль программирования под названием «доска объявлений» снимает потребность во многих интерфейсах, позволяя создавать более элегантную и последовательную систему.
Пример приложения
Предположим, что мы пишем программу для принятия и обработки заявлений на ипотечный кредит или ссуду. Законы, действующие в этой области, отличаются одиозной сложностью, и чиновникам различного уровня всегда есть что сказать по данному поводу. Кредитор обязан убедить заявителя в том, что он должен раскрыть некоторые факты и запросить определенную информацию, но не должен задавать других конкретных вопросов и т. д.
Помимо отвратительных правовых норм, нам приходится бороться со следующими проблемами.
• Порядок поступления данных никак не гарантируется. Например, выполнение запросов для проверки кредитоспособности или поиска названия требует существенных временных затрат, тогда как фамилия и адрес могут быть найдены сразу.
• Сбор данных может осуществляться разными людьми, рассеянными по разным офисам, расположенным в различных часовых поясах.
• Некоторые данные могут собираться автоматически с помощью других систем. Эти данные могут поступать в асинхронном режиме.
• И тем не менее, некоторые данные могут находится в зависимости от других данных. Например, вы не сможете начать поиск автомобиля по названию, пока не получите подтверждение права собственности или страховки.
• Поступление новых данных может вызвать появление новых вопросов и стратегии действий. Предположим, что проверка кредитоспособности заканчивается неубедительным результатом; теперь вам придется заполнить еще пять формуляров и, возможно, сдать анализ крови.
Вы можете попробовать обрабатывать всевозможные сочетания и обстоятельства, используя систему автоматизации документооборота. Существует большое число подобных систем, но они могут быть сложными и требовать интенсивной работы программистов. При изменении нормативов необходимо менять и документооборот: людям придется изменять процедуры и переписывать встроенную логику.
Доска объявлений в сочетании с механизмом правил, который включает в себя юридические требования, представляет собой изящное решение имеющих место проблем. Порядок поступления данных является несущественным параметром: регистрация некоего факта активизирует соответствующие правила. Обработка сигналов обратной связи также не представляет труда: результат действия любой совокупности правил может поместить на доску и вызвать активизацию более подходящих в данной ситуации правил.
Подсказка 43: Используйте доски объявлений для координации потоков работ
Можно использовать доску для координации неоднородных фактов и агентов, одновременно сохраняя независимость и даже изоляцию участников друг от друга.
Вы можете добиться тех же результатов, действуя и более грубыми методами, но в результате получите более хрупкую систему. Когда она сломается, даже «вся королевская конница и вся королевская рать» не смогут заставить работать вашу программу.
• Преимущество простого текста
• Всего лишь визуальное представление
• Используете ли вы доски объявлений в реальности – памятные записки дома, рядом с холодильником или большие лекционные доски на работе? Что делает их эффективными? Всегда ли формат помещаемых сообщений является последовательным? Имеет ли это значение?
30. Будет ли уместным использование системы «доска объявлений» для приложений, указанных ниже, или нет? Почему? (Ответ см. в Приложении В.)
1. Обработка изображений. Несколько параллельных процессов захватывают фрагменты изображения, обрабатывают их и помещают обработанный фрагмент обратно.
2. Календарное планирование для групп. Есть группа людей, находящихся в разных странах, в различных часовых поясах, говорящих на разных языках и пытающихся спланировать встречу.
3. Средство мониторинга компьютерной сети. Система осуществляет сбор статистических данных о производительности сети и отчетов о неполадках. Вы хотели бы реализовать несколько программ-агентов, которые могли бы использовать эту информацию для отслеживания неисправностей в системе.
ТЕЛЕГРАМКанал с обзорами, анонсами новинок и книжными подборками
Книжный Вестник
Бот для удобного поиска книг (если не нашлось на сайте)
Поиск книг
Свежие любовные романы в удобных форматах
Любовные романы
О психологии, саморазвитии и личностном росте
Саморазвитие
Детективы и триллеры, все новинки
Детективы
Фантастика и фэнтези, все новинки
Фантастика
Отборные классические книги
Классика
ВКОНТАКТЕБиблиотека с любовными романами, которая наверняка придётся по вкусу женской части аудитории
Любовные романы
Библиотека с фантастикой и фэнтези, а также смежных жанров
Фантастика
Самые популярные книги в формате фб2
Топ фб2
книги