Проблемы разработки сложных программных систем

Принципы работы со сложными системами

Помимо методических рекомендаций, при конструировании больших систем часто используются прагматические принципы работы со сложными системами вообще. Они играют значительную роль в выработке качественных технических решений в достаточно широком контексте. Эти принципы позволяют распределять работы между участвующими в проектах людьми с меньшими затратами на обеспечение их взаимодействия и акцентировать внимание каждого из участников на наиболее существенных для его части работы характеристиках системы. К таким принципам относятся использование абстракции и уточнения, модульная разработка и переиспользование.

Абстракция (abstraction) и уточнение (refinement).

Абстракция является универсальным подходом к рассмотрению сложных вещей. Интеллект одного человека достаточно ограничен и просто не в силах иметь дело сразу со всеми элементами и свойствами систем большой сложности. Известно, что человеку крайне тяжело держать в голове одновременно десяток-полтора различных мыслей, а в современных системах число различных существенных аспектов доходит до сотен. Для того чтобы каким-либо образом работать с такими системами, мы пользуемся своей возможностью абстрагироваться, т.е. отвлекаться от всего, что несущественно для достижения поставленной в данной момент частной цели и не влияет на те аспекты рассматриваемого предмета, которые для этой цели важны.

Чтобы перейти от абстрактного представления к более конкретному, используется обратный процесс последовательного уточнения. Рассмотрев систему в каждом аспекте в отдельности, мы пытаемся объединить результаты анализа, добавляя аспекты по одному и обращая при этом внимание на возможные взаимные влияния и возникающие связи между элементами, выявленными при анализе отдельных аспектов.

Абстракция и уточнение используются, прежде всего, для получения работоспособных решений, гарантирующих нужные свойства результирующей системы.

Пример абстракции и уточнения.

Систему хранения идентификаторов пользователей Интернет-магазина можно представить как множество целых чисел, забыв о том, что эти числа — идентификаторы пользователей, и о том, что все это как-то связано с Интернет-магазином.

Затем описанную модель системы хранения идентификаторов пользователей Интернет-магазина можно уточнить, определив конкретную реализацию множества чисел, например, на основе сбалансированных красно-черных деревьев (см. [2], раздел 14, глава III и JDK классы java.util.TreeSet и java.util.TreeMap ).

Другой пример.

Рассматривая задачу передачи данных по сети, можно временно абстрагироваться от большинства проблем организации связи и заниматься только одним аспектом — организацией надежной передачи данных в нужной последовательности. При этом можно предполагать, что мы каким-нибудь образом умеем передавать данные между двумя компьютерами в сети, хотя, быть может, и с потерями и с нарушением порядка их прибытия по сравнению с порядком отправки. Установленные ограничения выделяют достаточно узкий набор задач. Любое их решение представляет собой некоторый протокол передачи данных транспортного уровня, т.е. нацеленный именно на надежную упорядоченную доставку данных. Выбирая такой протокол из уже существующих, например, TCP, или разрабатывая новый, мы производим уточнение исходной общей задачи передачи данных.

Другой способ уточнения — перейти к рассмотрению протоколов, обеспечивающих исходные условия для нашей первой абстракции, т.е. возможность вообще что-то передавать по сети. При этом возникают протоколы нижележащих уровней — сетевого (отвечают за организацию связи между не соединенными непосредственно компьютерами при наличии между ними цепи машин, соединенных напрямую), канального (такие протоколы отвечают за определение формата передаваемых данных и надежность передачи отдельных элементов информации между двумя физически соединенными компьютерами) и физического (отвечают за определение физического носителя передаваемого сигнала и правильность интерпретации таких сигналов обеими машинами, в частности, за конкретный способ передачи битов с помощью электрических сигналов или радиоволн).

Модульность (modularity).

Модульность — принцип организации больших систем в виде наборов подсистем, модулей или компонентов. Этот принцип предписывает организовывать сложную систему в виде набора более простых систем — модулей, взаимодействующих друг с другом через четко определенные интерфейсы. При этом каждая задача, решаемая всей системой, разбивается на более простые, решаемые отдельными модулями подзадачи, решение которых, будучи скомбинировано определенным образом, дает в итоге решение исходной задачи. После этого можно отдельно рассматривать каждую подзадачу и модуль, ответственный за ее решение, и отдельно — вопросы интеграции полученного набора модулей в целостную систему, способную решать исходные задачи.

Выделение четких интерфейсов для взаимодействия упрощает интеграцию, позволяя проводить ее на основе явно очерченных возможностей этих интерфейсов, без обращения к многочисленным внутренним элементам модулей, что привело бы к росту сложности.

Пример.

Примером разбиения на модули может служить структура пакетов и классов библиотеки JDK. Классы, связанные с основными сущностями языка Java и виртуальной машины, собраны в пакете java.lang. Вспомогательные широко применяемые в различных приложениях классы, такие как коллекции, представления даты и пр., собраны в java.util. Классы, используемые для реализации потокового ввода-вывода — в пакете java.io, и т.д.

Интерфейсом класса служат его общедоступные методы, а интерфейсом пакета — его общедоступные классы.

Другой пример.

Другой пример модульности — принятый способ организации протоколов передачи данных. Мы уже видели, что удобно выделять несколько уровней протоколов, чтобы на каждом решать свои задачи. При этом надо определить, как информация передается от машины к машине при помощи всего этого многоуровневого механизма. Обычное решение таково: для каждого уровня определяется способ передачи информации с верхнего уровня или на верхний уровень — предоставляемые данным уровнем службы. Точно так же определяется, в каких службах нижнего уровня нуждается верхний, т.е. как передать данные на нижний уровень и получить их оттуда. После этого каждый протокол на данном уровне может быть сформулирован в терминах обращений к нижнему уровню и должен реализовать операции-службы, необходимые верхнему. Это позволяет заменять протокол-модуль на одном уровне без внесения изменений в другие.