Правильное разделение программы на модули является почти такой же сложной задачей, как выбор правильного набора абстракций.
Модули выполняют роль физических контейнеров, в которые помещаются определения классов и объектов при логическом проектировании системы. Такая же ситуация возникает у проектировщиков бортовых компьютеров. Логика электронного оборудования может быть построена на основе элементарных схем типа НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, но можно объединить такие схемы в стандартные интегральные схемы (модули), например, серий 7400, 7402 или 7404.
Модульность позволяет хранить абстракции раздельно.
В традиционном структурном проектировании модульность - это искусство раскладывать подпрограммы по кучкам так, чтобы в одну кучку попадали подпрограммы, использующие друг друга или изменяемые вместе. В объектно-ориентированном программировании ситуация несколько иная: необходимо физически разделить классы и объекты, составляющие логическую структуру проекта.
Модульность — это свойство системы, которая была разложена на внутренне связные, но слабо связанные между собой модули.
Принципы абстрагирования, инкапсуляции и модульности являются взаимодополняющими. Объект логически определяет границы определенной абстракции, а инкапсуляция и модульность делают их физически незыблемыми.
В процессе разделения системы на модули могут быть полезными два правила. Во-первых, поскольку модули служат в качестве элементарных и неделимых блоков программы, которые могут использоваться в системе повторно, распределение классов и объектов по модулям должно учитывать это. Во-вторых, многие компиляторы создают отдельный сегмент кода для каждого модуля. Поэтому могут появиться ограничения на размер модуля. Динамика вызовов подпрограмм и расположение описаний внутри модулей может сильно повлиять на локальность ссылок и на управление страницами виртуальной памяти. При плохом разбиении процедур по модулям учащаются взаимные вызовы между сегментами, что приводит к потере эффективности кэш-памяти и частой смене страниц.
Иерархия
Значительное упрощение в понимании сложных задач достигается за счет образования из абстракций иерархической структуры. Определим иерархию следующим образом:
Иерархия — это упорядочение абстракций, расположение их по уровням.
Наследование — создание новых объектов из уже существующих. Начиная с определения самых общих абстрактных объектов, можно создавать более конкретные объекты нижнего уровня, которые не только унаследуют все функции своих предшественников, но могут добавлять им свои собственные. Принцип наследования позволяет упростить выражение абстракций, делает проект менее громоздким и более выразительным.
Типизация
Типизация — это способ защититься от использования объектов одного класса вместо другого, или по крайней мере управлять таким использованием.
Типизация заставляет нас выражать наши абстракции так, чтобы язык программирования, используемый в реализации, поддерживал соблюдение принятых проектных решений.
Идея согласования типов занимает в понятии типизации центральное место. Например, возьмем физические единицы измерения. Деля расстояние на время, мы ожидаем получить скорость, а не вес. В умножении температуры на силу смысла нет, а в умножении расстояния на силу — есть. Все это примеры сильной типизации, когда прикладная область накладывает правила и ограничения на использование и сочетание абстракций.
Сильная типизация заставляет нас соблюдать правила использования абстракций, поэтому она тем полезнее, чем больше проект. Однако у нее есть и теневая сторона. А именно, даже небольшие изменения в интерфейсе класса требуют перекомпиляции всех его подклассов. Кроме того, не имея параметризованных классов трудно представить себе, как можно было бы создать собрание разнородных объектов.
Полиморфизм означает, что разные объекты могут описывать различные реализации одного и того же метода.
Строгая типизация предотвращает смешивание абстракций.
Параллелизм
Есть задачи, в которых автоматические системы должны обрабатывать много событий одновременно. В других случаях потребность в вычислительной мощности превышает ресурсы одного процессора. В каждой из таких ситуаций естественно использовать несколько компьютеров для решения задачи или задействовать многозадачность на многопроцессорном компьютере. Процесс (поток управления) — это фундаментальная единица действия в системе. Каждая программа имеет по крайней мере один поток управления, параллельная система имеет много таких потоков: век одних недолог, а другие живут в течении всего сеанса работы системы. Реальная параллельность достигается только на многопроцессорных системах, а системы с одним процессором имитируют параллельность за счет алгоритмов разделения времени.
Параллелизм — это свойство, отличающее активные объекты от пассивных.
Параллелизм позволяет различным объектам действовать одновременно.
Сохраняемостьлюбой программный объект существует в памяти и живет во времени. Аткинсон предположил, что есть непрерывное множество продолжительности существования объектов: существуют объекты, которые присутствуют лишь во время вычисления выражения, но есть и такие, как базы данных, которые существуют независимо от программы. Этот спектр сохраняемости объектов охватывает:
· "Промежуточные результаты вычисления выражений.
· Локальные переменные в вызове процедур.
· Собственные переменные, глобальные переменные и динамически создаваемые данные.
· Данные, сохраняющиеся между сеансами выполнения программы.
· Данные, сохраняемые при переходе на новую версию программы.
· Данные, которые вообще переживают программу" .
Традиционно, первыми тремя уровнями занимаются языки программирования, а последними — базы данных. Этот конфликт культур приводит к неожиданным решениям: программисты разрабатывают специальные схемы для сохранения объектов в период между запусками программы, а конструкторы баз данных переиначивают свою технологию под короткоживущие объекты.
Языки программирования, как правило, не поддерживают понятия сохраняемости; примечательным исключением является Smalltalk, в котором есть протоколы для сохранения объектов на диске и загрузки с диска. Однако, записывать объекты в неструктурированные файлы — это подход, пригодный только для небольших систем.
До сих пор мы говорили о сохранении объектов во времени. В большинстве систем объектам при их создании отводится место в памяти, которое не изменяется и в котором объект находится всю свою жизнь. Однако для распределенных систем желательно обеспечивать возможность перенесения объектов в пространстве, так, чтобы их можно было переносить с машины на машину и даже при необходимости изменять форму представления объекта в памяти.
Определим сохраняемость следующим образом:
Сохраняемость — способность объекта существовать во времени, переживая породивший его процесс, и (или) в пространстве, перемещаясь из своего первоначального адресного пространства.
Сохраняемость поддерживает состояние и класс объекта в пространстве и во времени.
4.2 Характеристики языков программирования с точки зрения элементов объектной модели
Приведем характеристики объектно-ориентированных языков программирования с точки зрения семи основных элементов объектной модели.
Табл.1 Основные характеристики Smalltalk
| Абстракции | Переменные экземпляра Методы экземпляра Переменные класса Методы класса | Да Да Да Да |
| Инкапсуляция | Переменных Методов | Закрытые Открытые |
| Модульность | Разновидности модулей | Нет |
| Иерархии | Наследование Шаблоны Метаклассы | Одиночное Нет Да |
| Типизация | Сильная типизация Полиморфизм | Нет Да (одиночный) |
| Параллельность | Многозадачность | Непрямая (посредством классов) |
| Сохраняемость | Долгоживущие объекты | Нет |
Табл.2 Основные характеристики Object Pascal.
| Абстракции | Переменные экземпляра Методы экземпляра Переменные класса Методы класса | Да Да Нет Нет |
| Инкапсуляция | Переменных Методов | Открытые Открытые |
| Модульность | Разновидности модулей | Модуль (unit) |
| Иерархии | Наследование Шаблоны Метаклассы | Одиночное Нет Нет |
| Типизация | Сильная типизация Полиморфизм | Да Да (одиночный) |
| Параллельность | Многозадачность | Нет |
| Сохраняемость | Долгоживущие объекты | Нет |
Табл.3.Основные характеристики C++ .
| Абстракции | Переменные экземпляра Методы экземпляра Переменные класса Методы класса | Да Да Да Да |
| Инкапсуляция | Переменных Методов | Открытые, защищенные, закрытые Открытые, защищенные, закрытые |
| Модульность | Разновидности модулей | файл |
| Иерархии | Наследование Шаблоны Метаклассы | Множественное Да Нет |
| Типизация | Сильная типизация Полиморфизм | Да Да (одиночный) |
| Параллельность | Многозадачность | Непрямая (посредством классов) |
| Сохраняемость | Долгоживущие объекты | Нет |
Табл.4 Основныехарактеристики CLOS(Common Lisp Object System).
| Абстракции | Переменные экземпляра Методы экземпляра Переменные класса Методы класса | Да Да Да Да |
| Инкапсуляция | Переменных Методов | Чтение, запись, доступ Открытые |
| Модульность | Разновидности модулей | Пакет |
| Иерархии | Наследование Шаблоны Метаклассы | Множественное Нет Да |
| Типизация | Сильная типизация Полиморфизм | Возможна Да (множественный) |
| Параллельность | Многозадачность | Да |
| Сохраняемость | Долгоживущие объекты | Нет |
Табл. 5 Основные характеристики Ada