Как проектируют программы: от UML до автоматного подхода

Создавать для программы дополнительное визуальное и документальное сопровождение – процесс трудоемкий и утомительный: отнимает много времени и кажется совершенно излишним, если архитектура программного обеспечения проста или является эталонной. Однако на практике программисты далеко не всегда сталкиваются с такими задачами.

Мы уже рассказывали ^[1], как автоматное программирование помогает решать вопросы создания документации и разработки логики всей программы (на примерах от примитивных до сложных ^[2]). Сегодня поговорим о том, какие еще концепции и инструменты можно использовать для этой цели – и какое место автоматное программирование занимает среди них.

^[3]Andrew Butitta ^[4] / Flickr / CC ^[5]

Почему не «взлетел» UML

В большинстве случаев при разработке программного обеспечения, если система требует правок, то программисты просто берут код и исправляют ошибки так, как им удобно, а затем демонстрируют результат заказчику.

«Сегодня программирование — это не инженерная наука, а прикладная математика. При этом программисты сразу учатся писать код», — уточняет заведующий кафедрой Технологии программирования Университета ИТМО Анатолий Шалыто.

Чаще всего архитектура решения объясняется на словах или с применением простейших блок-диаграмм. Универсальный язык моделирования (UML), основанный на базе нескольких предыдущих стандартов, таких как метод Гради Буча (Booch), метод Джима Румбаха (OMT) и метод Айвара Джекобсона (OOSE), должен был помочь в этом вопросе. И на него возлагали определенные надежды.

Люди пробовали работать с UML, надеясь, что тот станет своеобразной «серебряной пулей», однако он не приобрел широкой популярности. Исследователи выделяют три главных препятствия, которые помешали массовому распространению диаграмм состояний в качестве общепринятого средства описания алгоритмов и сложных поведений программ.

Во-первых, для описания поведения, кроме диаграмм состояний, предлагалось использовать и другие типы диаграмм, однако правила, определяющие их взаимодействие, не были регламентированы.

«Многие считают, что этот язык слишком объемный, — говорит ^[6] исследователь и предприниматель Хорди Кабот (Jordi Cabot). — Это связано с большим количеством диаграмм, доступных в UML».

Во-вторых, не было предложено подходов для совместного использования диаграмм, описывающих структуру и поведение программ. В-третьих, диаграммы для описания поведения в основном использовались разработчиками для общения друг с другом, в то время как назначение UML — составление спецификации с последующим её воплощением в программном коде.

Подобная судьба ожидала и множество других решений, которые, однако, не являются полноценными альтернативами ^[7] UML. Речь идет о системе условных обозначений для моделирования бизнес-процессов (BPMN ^[8]), моделях сущность-связь (ERM ^[9]), диаграммах потоков данных (DFD ^[10]), диаграммах состояний и др. Как отмечает ^[11] Крис Фурман (Cris Fuhrman), все это не более, чем инструменты общения.

Переход к автоматам

Однако спецификации проектов нужны, поскольку они фиксируют ^[12] результат процесса проектирования, освобождая ум разработчика для решения других задач, а также используются в качестве входных данных на этапе реализации.

Этапы разработки программной системы со сложным поведением

Автоматное программирование является подходом, способным облегчить процесс формирования спецификации. Во время работы создаются графы, в которых под влиянием внешних или любых других входных воздействий осуществляются переходы между состояниями и формируются выходные «импульсы». Для этого сперва формируется текстовая версия технического задания, в котором заказчик прописывает подробную работу желаемого решения.

После этого объявляются условные обозначения входных и выходных воздействий, источников и приемников информации, а затем рисуется схема. Графы переходов позволяют заказчику лучше понять то, что будет делать программист.

Имея схему связей и диаграмму переходов, с помощью формального преобразования можно построить код, реализующий автомат на языке программирования. После этого спецификации становятся частью проектной документации системы. Проектная документация составляется на естественном языке и обычно содержит постановку задачи, описание структуры и поведения системы, примеры ее использования.

Автоматное описание в ООП

Принципы автоматного подхода находят применение и в объектно-ориентированном программировании. Это возможно благодаря концепции «автоматы и объекты управления как классы». Такая модель принята, например, в инструментальном средстве автоматного программирования UniMod. Архитектура системы со сложным поведением, построенная согласно этому принципу представлена на рисунке ниже.

Сопоставление отдельного класса каждому объекту управления приводит к тому, что усилия разработчиков по выделению этих объектов на стадии моделирования не пропадают на этапе реализации. При этом каждый запрос или команда имеет доступ только к строго определенной части вычислительного состояния.

В целом же процесс проектирования системы со сложным поведением можно описать ^[12] следующим образом:

1. Проведение объектной декомпозиции, когда система разбивается на множество самостоятельных взаимодействующих сущностей.
2. Сопоставление сущностей с классами, определение интерфейсов классов и отношений.
3. Выделение тех сущностей, которые обладают сложным поведением, — именно для их описания будет применяться автоматный подход.
4. Задание набора управляющих состояний для каждой сущности. Запросы и команды сопоставляются с входными и выходными переменными управляющего автомата, а компоненты интерфейса — с его событиями. На их основе строится сам управляющий автомат.
5. Реализация неавтоматизированных классов на выбранном объектно-ориентированном языке. Генерация кода может выполняться как автоматически, так и вручную.

Этот алгоритм не ограничивает программиста в выборе модели процесса разработки (водопадная, итеративная, кластерная и т. д.) и легко модифицируется в многоитерационный. При этом он также позволяет вносить изменения в уже существующую объектно-ориентированную систему и не требует проведения разработки «с чистого листа».

Автор: Университет ИТМО

Источник ^[13]