Projektowanie systemów informacyjnych Wykład 1: Wprowadzenie do obiektowości, cz. 1 Kazimierz Subieta Instytut Podstaw Informatyki PAN, Warszawa Polsko-Japońska Wyższa Szkoła Technik Komputerowych, Warszawa

Wprowadzenie do obiektowości, cz. 1 Geneza obiektowości Obiektowość jako nowa ideologia informatyczna Motywacje stojące za obiektowością Zasady obiektowości Obszary oddziaływania obiektowości obiektowe języki programowania obiektowe bazy danych Pojęcia obiektowości obiekty tożsamość obiektu powiązania komunikaty trwałość polimorfizm

Oczekiwania dotyczące obiektowości Większa wydajność tworzenia oprogramowania, krótszy cykl tworzenia oprogramowania, mniejsze kosztytworzenia i utrzymywania oprogramowania. Mechanizmy abstrakcji dostarczone projektantowi, pozwalające budować coraz większe jednostki oprogramowania i operować tymi jednostkami bez wnikania w ich wewnętrzną struktur; oddzielenie specyfikacji od implementacji. Mechanizmy kompozycji i dekompozycji: - zamykanie detali projektu lub oprogramowania w coraz większe jednostki - dekomponowanie złożonych struktur na ich fragmenty i rozpatrywanie tych fragmentów niezależnie od siebie i niezależnie od całości Ponowne użycie (reuse) wcześniej wytworzonych komponentów oprogramowania. Może ono dotyczyć wszystkich elementów projektu i oprogramowania. Podstawowe mechanizmy: tworzenie klas wyspecjalizowanych, tworzenie agregatów. Efekty: Jakość, niezawodność, testowalność, rozszerzalność, łatwa pielęgnacja oprogramowania, szybkie prototypowanie, współdziałanie, przenaszalność

Symptomy kryzysu oprogramowania USA: Utrzymanie 10 mld. linii istniejących programów kosztuje 70 mld. $ rocznie (IEEE Software Development, Aug 94, p.65) 31% nowych projektów jest anulowanych przed zakończeniem; koszt 81 mld. $ (PC Week, 16 Jan 95, p.68) Średnia wydajność wykonawców oprogramowania spadła o 13% w ciągu dwóch lat; stosunek najlepszej wydajności do najgorszej od 1990 r. rozszerzył się od 4:1 do 600:1. (Ed Yourdon’s Guerilla Programmer, Jul 95)

Wyzwania technologiczne Wydajność wytwarzania oprogramowania Ponowne użycie składników projektów i oprogramowania Hermetyzacja składowych oprogramowania Automatyzacja wytwarzania oprogramowania Skalowalność oprogramowania (możliwość rozbudowy) Rynek składników oprogramowania

Czynniki wydajności produkcji oprogramowania Wydajność = krótki czas cyklu tworzenia Programowanie wizyjne sterowane zdarzeniami Wysoki poziom abstrakcji w programowaniu Środowisko obiektowe Środki uniwersalne (generic) wysokiego poziomu Współdziałanie systemów informatycznych (standardy) Składniki oprogramowania ponownego użycia Automatyczne składanie modułów oprogramowania

Obiektowość jako ideologia Obiektowość jest nową ideologią która wynika z zaobserwowanych wad istniejącego świata i podaje receptę jak te wady usunąć. Wady: Złożoność: syndrom obecnych systemów informatycznych, przekleństwo ciążące na większości projektów i produktów informatyki. Kryzys softwerowy: oprogramowanie i jego utrzymanie kosztuje zbyt dużo i jest zawodne współdziałanie pomiędzy produktami oprogramownia jest problemem Niedopasowanie metodyk analizy i projektowania systemów informacyjnych do bazy realizacyjnej systemów (języków programowania, systemów zarządzania bazami danych) Złożoność powoduje, że głównym problemem systemów stał się człowiek (analityk, projektant, programista) z jego róznymi uwarunkowaniami psychologicznymi i mentalnymi. Technologie komputerowe powinny być bardziej zorientowane na ludzi, nie na maszyny Co robić? Podwyższyć poziom abstrakcji w projektowaniu i programowaniu. Dopasować wszystkie fazy projektu do uwarunkowań technicznych i ludzkich.

Filozoficzna misja obiektowości Uzyskanie jak najmniejszej luki pomiędzy myśleniem o rzeczywistości a myśleniem o danych i procesach które zachodzą na danych. Schemat struktury danych Model pojęciowy Mentalna percepcja świata rzeczywistego W modelu relacyjnym model pojęciowy stara się odwzorować świat rzeczywisty, lecz jest ograniczony dostępną bazą implementacyjną. W rezultacie, schemat struktury danych gubi semantykę danych. Model obiektowy podtrzymuje te zgodności, przybliżając semantykę danych do świata rzeczywistego.

Źródła obiektowości Współczesne pojęcia obiektowości Języki programowania operujące na złożonych strukturach danych, wprowadzające klasy, metody, dziedziczenie i hermetyzację. (Simula 67, Smalltalk) Skierowanie uwagi na czynniki ludzkie w tworzeniu oprogramowania. Współczesne pojęcia obiektowości Bazy danych, od początku bazujące na obiektach (IMS, CODASYL). Wady modelu relacyjnego baz danych; odrzucenie jego powierzchownej prostoty. Metodyki projektowania oprogramowania, od swojego początku bazujące na wyróżnianiu obiektów i ich klas w otaczającej nas rzeczywistości

Podstawowe zasady obiektowości Obiekty - Oprogramowanie powinno składać się z małych, zrozumiałych modułów, zawierających struktury danych i dozwolone na nich operacje, czyli obiektów. Hermetyzacja - Jasne rozróżnienie pomiędzy interfejsem do obiektu opisującym co obiekt zawiera i co robi, a implementacją definiującą jak on jest zbudowany i jak on to robi. Typy i klasy - Zgrupowanie obiektów o tych samych charakterystykach i traktowanie ich jako bytów tej samej klasy; sprawdzanie typologicznej poprawności użycia obiektów. Dziedziczenie - Wielokrotne użycie tego, co wcześniej zostało zrobione: definiowanie typów, które mają wszystkie wcześniej zdefiniowane cechy plus niektóre nowe cechy. Komunikaty - Obiekt wykonuje jedną z jego funkcji po wysłaniu do niego odpowiedniego komunikatu, który nie zależy od tego jak obiekt jest zaimplementowany. Polimorfizm - Wybór nazwy dla operacji jest określony wyłącznie jej zewnętrznym, pojęciowym znaczeniem. Obiekt sam decyduje, którą operację wybrać, jeżeli w skierowanym do niego komunikacie została użyta ta nazwa.

Obszary oddziaływania obiektowości Metodyki analizy i projektowania SI (Rumbaugh, Booch, Jacobson, Yourdon,...), narzędzia CASE.Najbardziej istotna zmiana: możliwość związania z obiektami operacji, które można wykonać na tych obiektach. Języki programowania (Smalltalk, C++, Java, Eiffel,...) Klasy, metody, dziedziczenie, hermetyzacja, późne wiązanie Bazy danych i składy trwałych obiektów (standard ODMG-93, ObjectStore, O2, Poet, Versant, ...) przeniesienie obiektowych technologii programowania na grunt baz danych Współdziałanie systemów heterogenicznych (OMG CORBA,OLE/DCOM/ActiveX) Obiekty i klasy jako standard wymiany informacji pomiędzy systemami Wizyjne środki programistyczne (Smalltalk, CA OpenRoad, IBM VisualAge,...) Przeniesienie technik obiektowych do programowania wizyjnego Inne: biblioteki oprogramowania, grafika, miary i oceny oprogramowania, re-inżynieria biznesu (BPR)

Nakładające się obszary obiektowości Obiektowe interfejsy użytkownika Programowanie obiektowe Narzędzia obiektowe Metodyki obiektowe Obiektowe systemy operacyjne Obiektowe bazy danych

Przeszkody dla obiektowości Każda nowa ideologia ściera się z zastanym stanem rzeczy i poprzednimi ideologiami. Z czym walczy obiektowość? Zastany świat interfejsów programistycznych (C, COBOL, Fortran, SQL, ...) Mity i fałszywe steoretypy: Relacyjna baza danych zapewnia prostotę struktur danych Bezpośrednie powiązania (wskaźniki) w bazie danych są niekorzystne Tylko relacyjna baza danych zapewnia możliwość definiowania języków zapytań Tylko relacyjna baza danych zapewnia sprawne przetwarzanie transakcji Relacyjne bazy danych mają solidne podstawy matematyczne Relacyjne bazy danych mają bardzo dobrą wydajność, nieosiągalną dla innych. “Spuścizna”: ogromne inwestycje w hierarchiczne, sieciowe i relacyjne bazy danych Porównywanie technologicznie dojrzałych interfejsów z laboratoryjnymi Własna słabość: słabo wyartykułowane zasady, formalizmy, języki, standardy; kompromisy w zakresie celów.

Obiektowość - potencjalne ryzyko Nieopracowane mechanizmy zarządzania dużą bazą obiektów, sterowania wersjami, rejestrowania zmian, zapewnienia stabilności interfejsów Technologie obiektowe są jak dotąd stosowane przez małe i średnie organizacje. Nie jest do końca pewne jak przeskalują się dla wielkich organizacji. Duża liczba tematów znajduje się ciągle w fazie laboratoryjnej. Szereg technologii jest mało stabilnych (np. metodyki projektowania). Przejście na technologie obiektowe może zagrozić funkcjonowaniu obecnie działających i sprawnych systemów, które są krytyczne dla misji organizacji. Zbyt mała liczba ekspertów jest wyszkolona w zakresie technologii obiektowych. Nie jest jasne, jakie koszty pociągnie za sobą przejście na technologie obiektowe. Standardy w zakresie obiektowości są niedopracowane i niestabilne. Nie wiadomo w jakim zakresie będą one pełnić swoją funkcję.

Obiektowe języki programowania (1) Jezyk zrobiony w latach 1976-83 w Xerox Palo Alto Research Center w Kalifornii. Klasy, podklasy, wirtualne funkcje, przesyłanie komunikatów, meta-klasy. Wszystko jest obiektem, w szczególności liczby i klasy. Istotą sukcesu Smalltalk’a jest to, że nie jest on tylko językiem, ale mocnym zintegrowanym środowiskiem programistycznym z doskonałym interfejsem okienkowym. Prostota, możliwość szybkich dynamicznych zmian, elastyczna natura Smalltalk’a uczyniła go doskonałym narzędziem do szybkiego tworzenia prototypów. Mniej są znane przemysłowe aplikacje na dużą skalę. Smalltalk Język hybrydowy, pochodna języka C. Łączy własności C niskiego poziomu, takie jak arytmetyka wskaźników, z konstrukcjami wysokiego poziomu, takimi jak klasy, podklasy, funkcje wirtualne, hermetyzacja. (Eklektyczna natura C++ jest przedmiotem krytyki.) Duże zastosowania na skalę przemysłową. Jednocześnie, jest on krytykowany z powodu wolnego tworzenia aplikacji, zawodności, słabej przenaszalność, zwiększonego ryzyka wadliwego działania programów. C++

Obiektowe języki programowania (2) Mieszanina C++, Smalltalk’a i Objective-C, z obcięciem własności niskiego poziomu i wyeliminowaniem niektórych ograniczeń i mętnych własności. Język pomyślany jako narzędzie do programowania stron Webu (ale oczywiście, jest to tylko jedno z zastosowań). Istotną własnością Java jest to, że programy kompiluje się nie do poziomu kodu maszynowego, a do poziomu znakowego języka pośredniego, czyli. tzw. apletów (applets), które są następnie interpreto- wane. Daje to efekt dużej przenaszalności programów oraz zwiększenia bezpieczeństwa (security), co jest szczególnie istotne w środowiskach rozproszonych takich jak Internet. Java Ponadto mrowie języków: OO-COBOL Beta Trellis-Owl Actor Object Pascal DSM Eiffel Sina Modula-3 Agora Sather Ada95 Theta Dylan CLOS Objective-C Self Python LENS

Obiektowe bazy danych Bazy danych w swoich początkach były obiektowe, chociaż nie realizowały wszystkich pojęć obiektowości, takich jak klasy, metody i dziedziczenie. Podstawowy wyróżnik: trwałe obiekty + identyfikatory obiektów Kategorie obiektowości Systemy strukturalnie obiektowe (wyróżniające obiekty) Systemy operacyjnie obiektowe (obiektom są przypisane operacje) Systemy behawioralnie obiektowe (hierarchia klas, metody i dziedziczenie) Docelowa tendencja: Programista podczas programowania nie musi nic wiedzieć o bazie danych, operując na jej obiektach tak jak na zmiennych programu. Baza danych powinna być niewidoczna (przezroczysta).

Obiektowy SZBD jest to SZBD Klasyczne funkcje SZBD: Zarządzanie pamięcią zewnętrzną Zarządzanie schematem Sterowanie współbieżnością Zarządzanie transakcjami Odtwarzalność Przetwarzanie zapytań Kontrola dostępu Do tych funkcji dołożone są: Złożone obiekty Typy definiowane przez użytkownika Tożsamość obiektów Hermetyzacja Typy i/lub klasy oraz ich hierarchia Przesłanianie/przeciązanie/późne wiązanie Kompletność obliczeniowa (pragmatyczna)

Obiekty (1) Obiektem jest rzecz lub pojęcie obserwowane w świecie rzeczywistym którego dotyczy SI. Obiekt jest odróżnialny od innych obiektów, ma dobrze określone granice i nazwę. Obiektem może być także pewien zamknięty fragment oprogramowania (dana, procedura, moduł, dokument, okienko dialogu,...), którym można operować jako zwartą bryłą (wyszukiwać, wiązać, kopiować, blokować, usuwać, indeksować, ...). Obiekt posiada swoją tożsamość, która wyróżnia go spośród innych obiektów. Tożsamość obiektu jest niezależna od wartości jakichkolwiek jego atrybutów i od jego lokacji w świecie rzeczywistym lub w przestrzeni adresowej komputera. (praktycznie: tożsamość = trwały wewnętrzny identyfikator obiektu) Obiekt posiada stan, który może zmieniać się w czasie (bez zmiany tożsamości obiektu).

Obiekty (2) Obiekt może być złożony, tj. może składać się z mniejszych obiektów. Obiekt złożony zawiera w sobie wszelkie informacje, które składają się na jego stan Obiekt może być powiązany z innymi obiektami związkami skojarzeniowymi. Obiekt ma przypisane zachowanie, tj. zestaw operacji które wolno do niego stosować (implementacja operacji jest zwana metodą). Obiekt ma przypisany typ, tj. wyrażenie językowe, które ogranicza dopuszczalną budowę obiektu oraz ustala operacje, które wolno wykonać na obiekcie.

Przykład obiektu Obiekt KONTO definiujący konto bankowe Wypłać Wpłać Porównaj podpis Sprawdź stan Numer: 123-4321 Stan konta: 34567 PLN Właściciel: Jan Kowalski Upoważniony:..... .... Nalicz procent Zlikwiduj konto Obiekt KONTO definiujący konto bankowe Zmień upoważnienie Upoważnij

Tożsamość obiektu identity Obiekt jest wyróżnialny w otaczającym nas świecie poprzez swoje istnienie, nie poprzez jakąkolwiek wartość, która go odróżnia od innych obiektów. Może się zdarzyć, że z punktu widzenia naszych obserwacji (tj. stanu obiektu) dwa obiekty są nieodróżnialne. Niemniej są to różne obiekty. W implementacji obiektowej bazy danych system automatycznie nadaje unikalny identyfika- tor dla obiektu, który odróżnia go od innych obiektów oraz umożliwia budowanie referencji do obiektu. Taki identyfikator jest wewnętrzny, nie ma żadnego znaczenia dla dziedziny problemowej i programista/użytkowwnik nigdy nie operuje jego wartością explicite. Identyfikator może być trwały, tj. niezmienny dla całego życia obiektu.

Powiązania pomiędzy obiektami links, pointers, associations, relationships W obiektowych językach programowania i bazach danych możliwe jest tworzenie bezpośrednich powiązań wskaźnikowych prowadzących od jednego obiektu do innego obiektu. Wskaźnik jest daną zawierającą identyfikator jako swoją wartość. W metodykach obiektowych unika się pojęcia wskaźnika, na rzecz czegoś “bardziej abstrakcyjnego”. PRACOWNIK FIRMA Nazwisko Nowak Szef o Nazwa Relax Ltd. Zarobek 1500 Zatrudnia o Zatrudnia o Pracuje_w o Zatrudnia o Zalety powiązań: naturalne odwzorowanie semantycznych związków między obiektami, konceptualizacja programów (wyrażenia ścieżkowe), zwiększenie szybkości działania. Wady: zwiększona “sztywność” struktury danych, możliwość utraty spójności wskutek “zwisających” wskaźników, możliwość naruszenia reguł hermetyzacji.

Komunikaty (1) message Komunikat jest wyrażeniem językowym skierowanym do obiektu i wywołującym jedną z metod, które są z nim związane. Komunikat jest wysyłany z jednego obiektu do innego obiektu, lub z pewnego programu sterującego do obiektu (Smalltalk vs. C++). Komunikat może mieć zero, jeden lub więcej parametrów. Obiekt, który otrzymał komunikat wykonując odpowiednią metodę może zmienić stan. Po wykonaniu metody obiekt, który otrzymał komunikat może zwrócić odpowiedź do obiektu lub programu, który go wysłał (czyli wartość, lub w terminologii Smalltalka - obiekt). Odpowiedź nie jest komunikatem.

Komunikaty (2) Cccco proszę...? Graj Wypłać 1000 PLN OK, wypłaciłem Numer: 123-4321 Stan konta: 34567 PLN Właściciel: Jan Kowalski Upoważniony: .... Wypłać Wpłać Sprawdź stan Upoważnij Zmień upoważnienie Porównaj podpis Zlikwiduj konto Nalicz procent OK, wypłaciłem Graj Cccco proszę...?

Komunikat a wołanie procedury (1) Pojęcia są podobne: Wołanie procedury: obiekt jest komunikowany jako parametr: procedura( obiekt, par1, par2,...) Komunikat: obiekt-adresat poprzedza wywołanie metody: obiekt.metoda(par1, par2,...) Nie jest to wyłącznie różnica syntaktyczna, gdyż: Dla metody, środowisko na którym działa, może zmieniać się dynamicznie (późne wiązanie metod, w odróżnieniu od wczesnego wiązania dla procedur). Komunikat nie określa która konkretnie metoda ma być wywołana; komunikat idzie do obiektu, i w zależności od niego może być wywołana zupełnie inna metoda.

Komunikat a wołanie procedury (2) X = dochody( emeryt ) Y = dochody( pracownik ) Przełączenie explicite wewnątrz procedury dochody; procedurę musi pisać jeden programista, na wszystkie okazje X = emeryt.dochody() Y = pracownik.dochody() Nie ma przełączenia; wywoływana jest zupełnie inna metoda dochody w zależności od obiektu - adresata komunikatu. Te metody (i ich programiści) nie muszą nic o sobie wiedzieć.

Trwałość persistence Wartość jest trwała, jeżeli żyje dłużej niż czas działania programu, który jej używa (przenosi się pomiędzy kolejnymi uruchomieniami programu). Wszystko, co zawierają bazy danych, jest trwałe. Trwała zmienna: zmienna programistyczna, która ma wszystkie własności normalnej zmiennej (w sensie konstrukcji programistycznych, w których może być użyta), ale której wartość przy nowym uruchomieniu programu jest taka sama jak przy zakończeniu poprzedniego uruchomienia programu. Popularne języki programowania (C, C++, Smalltalk, Pascal, Java,...) nie mają trwałych zmiennych. Wymagają one wczytania explicite trwałej wartości z pliku zewnętrznego na swoją zmienną (i zapisania vice versa). Istnieje grupa prototypowych języków posiadających trwałe zmienne (PJama). Trwały obiekt: obiekt o własnościach trwałej zmiennej, obiekt bazy danych.

Ortogonalna trwałość orthogonal persistence Tradycyjnie, bazy danych przechowywały typy trwałe i masowe (zbiory, relacje, etc.). Tradycyjnie, języki programowania zajmowały się typami indywidualnymi i nietrwałymi (zmienne, struktury, zapisy, etc.). Tradycyjnie, istnieją różnice w koncepcjach dostępu do bazy danych i dostępu do zmiennych programu. Nie istnieje logiczne uzasadnienie takiego podziału. Można podać wiele przykładów, kiedy przydałoby się zapamiętanie w bazie danych jakichś zmiennych indywidualnych (np. nazwisko prezydenta RP). Podobnie, brak typów masowych w językach programowania doprowadził do koncepcji “sterty” (heap), która ma liczne wady, w szczególności, ograniczoną kontrolę typów, konieczność dynamicznych operacji alokacji i zwalniania pamięci, konieczność przetwarzania poprzez wskaźniki. Ortogonalna trwałość oznacza nowy typ języka programowania, w którym cecha trwałości jest ortogonalna do konstruktorów typu. W szczególności, baza danych może przechowywać dane indywidualne (trwałe), zaś w obszarze roboczym programu mogą znajdować się wartości masowe (nietrwałe). Cecha trwałości powinna być obsługiwana przez wyspecjalizowane funkcje, ale wszystkie pozostałe funkcjonalności (w tym języki zapytań) powinny nie robić żadnej różnicy w dostępie do trwałych i nietrwałych danych.

Polimorfizm polymorphism Z greckiego, oznacza “wiele form”. Znaczenie słowa “polimorfizm” jest też polimorficzne. Znaczenie 1 (zostało już wyjaśnione): ta sama nazwa operacji może mieć różne znaczenie, w zależności od tego, do którego obiektu został wysłany komunikat zawierający tę nazwę. Znaczenie 2 (z teorii typów): polimorfizm w jęz. programowania oznacza istnienie procedur lub funkcji, które mogą działać na wartościach wielu typów i zwracać wartości wielu typów. Przykładowo, funkcja daj_pierwszy(lista) zwraca pierwszy element dowolnej listy, niezależnie od tego, czy jest to lista liczb całkowitych, czy lista liczb rzeczywistych, czy lista rekordów, czy też inna. Dość powszechne jest plątanie Znaczenia 1 ze Znaczeniem 2. Argumentacja, że Znaczenie 1 jest szczególnym przypadkiem Znaczenia 2 (obiekt, do którego jest wysłany komunikat jest dodatkowym parametrem metody) jest nie zawsze poprawna. Polimorficzne języki programowania (ML, Quest, Napier88,...) nie muszą być obiektowe, ale mogą być obiektowe (Fibonacci).