Функциональная модель подсистемы

Функциональная модель описывает вычисления в системе. Она показывает, каким образом выходные данные вычисляются по входным данным, не рассматривая порядок и способ реализации вычислений. Функциональная модель состоит из набора диаграмм потока данных, которые показывают потоки значений от внешних входов через операции и внутренние хранилища данных к внешним выходам. Функциональная модель описывает смысл операций объектной модели и действий динамической модели, а также ограничения на объектную модель. Неинтерактивные программы (например, компиляторы) имеют тривиальную динамическую модель: их цель состоит в вычислении значения некоторой функции. Основной моделью таких программ является функциональная модель (хотя если программа имеет нетривиальные структуры данных, для нее важна и объектная модель).

2.6.1. Диаграммы потоков данных. Функциональная модель представляет собой набор диаграмм потоков данных (далее - ДПД), которые описывают смысл операций и ограничений. ДПД отражает функциональные зависимости значений, вычисляемых в системе, включая входные значения, выходные значения и внутренние хранилища данных. ДПД - это граф, на котором показано движение значений данных от их источников через преобразующие их процессы к их потребителям в других объектах.

ДПД содержит процессы, которые преобразуют данные, потоки данных, которые переносят данные, активные объекты, которые производят и потребляют данные, и хранилища данных, которые пассивно хранят данные.

Процессы. Процесс преобразует значения данных. Процессы самого нижнего уровня представляют собой функции без побочных эффектов (примерами являются вычисление суммы двух чисел, вычисление комиссионного сбора за выполнение проводки с помощью банковской карточки и т.п.). Весь граф потока данных тоже представляет собой процесс (высокого уровня). Процесс может иметь побочные эффекты, если он содержит нефункциональные компоненты, такие как хранилища данных или внешние объекты.

На ДПД процесс изображается в виде эллипса, внутри которого помещается имя процесса; каждый процесс имеет фиксированное число входных и выходных данных, изображаемых стрелками (см. рис. 2.60).

Рис. 2.60. Примеры процессов

Процессы реализуются в виде методов (или их частей) и соответствуют операциям конкретных классов.

Потоки данных. Поток данных соединяет выход объекта (или процесса) со входом другого объекта (или процесса). Он представляет промежуточные данные вычислений. Поток данных изображается в виде стрелки между производителем и потребителем данных, помеченной именами соответствующих данных; примеры стрелок, изображающих потоки данных, представлены на рис. 2.61. На первом примере изображено копирование данных при передаче одних и тех же значений двум объектам, на втором - расщепление структуры на ее поля при передаче разных полей структуры разным объектам.

Рис. 2.61. Потоки данных

Активные объекты. Активным называется объект, который обеспечивает движение данных, поставляя или потребляя их. Активные объекты обычно бывают присоединены к входам и выходам ДПД. Примеры активных объектов показаны на рис. 2.62. На ДПД активные объекты обозначаются прямоугольниками.

Рис. 2.62. Активные объекты (экторы)

Хранилища данных. Хранилище данных - это пассивный объект в составе ДПД, в котором данные сохраняются для последующего доступа. Хранилище данных допускает доступ к хранимым в нем данным в порядке, отличном от того, в котором они были туда помещены. Агрегатные хранилища данных, как например, списки и таблицы, обеспечивают доступ к данным в порядке их поступления, либо по ключам. Примеры хранилищ данных приведены на рис. 2.63.

Рис. 2.63. Хранилища данных

Потоки управления. ДПД показывает все пути вычисления значений, но не показывает в каком порядке значения вычисляются. Решения о порядке вычислений связаны с управлением программой, которое отражается в динамической модели. Эти решения, вырабатываемые специальными функциями, или предикатами, определяют, будет ли выполнен тот или иной процесс, но при этом не передают процессу никаких данных, так что их включение в функциональную модель необязательно. Тем не менее иногда бывает полезно включать указанные предикаты в функциональную модель, чтобы в ней были отражены условия выполнения соответствующего процесса. Функция, принимающая решение о запуске процесса, будучи включенной в ДПД, порождает в ДПД поток управления (он изображается пунктирной стрелкой).

Рис. 2.64. Поток управления

На рис. 2.64 изображен пример потока управления: клиент, желающий снять часть своих денег со счета в банке, вводит в ATM пароль и требуемую сумму, однако фактическое снятие и выдача денег происходит только в том случае, когда введенный пароль совпадает с его образцом.

Несмотря на то, что потоки управления иногда оказываются весьма полезными, следует иметь в виду, что включение их в ДПД приводит к дублированию информации, входящей в динамическую модель.

2.6.2. Описание операций. Процессы ДПД в конце концов должны быть реализованы как операции объектов. Каждый процесс нижнего (базового) уровня, так же как и процессы верхних уровней, в состав которых входят процессы более нижних уровней, реализуются как операции. При этом реализация процессов верхних уровней может отличаться от их представления на ДПД, так как при реализации обычно производится их оптимизация: в результате оптимизации процессы нижних уровней, составляющие процесс более высокого уровня могут "слиться", после чего они станут невидимы.

Все операции должны быть специфицированы. Спецификация операции содержит ее сигнатуру (имя операции, количество, порядок и типы ее параметров, количество, порядок и типы возвращаемых ею значений) и описание ее эффекта (действия, преобразования). Для описания эффекта операции можно использовать:

· математические формулы;

· табличные функции: таблицы, сопоставляющие выходные значения входным;

· уравнения, связывающие входные и выходные значения;

· аксиоматическое определение операций с помощью пред- и пост-условий;

· таблицы принятия решений;

· псевдокод;

· естественный язык.

Пример описания операции (эффект ее описан на естественном языке) приведен на рис. 2.65.

изменить_счет (счет, сумма, вид_проводки) -> деньги, квитанция если сумма снимается и больше баланса счета, то "отменить_проводку" если сумма снимается и меньше баланса счета, то "дебетовать_счет" и "выдать_деньги" если сумма вносится на счет то "кредитовать_счет" если запрос то "выдать_запрос" во всех случаях: квитанция должна содержать номер ATM, дату, время, номер счета, вид проводки, сумму проводки (если она есть), новый баланс счета

Рис. 2.65. Спецификация операции изменить_счет (при описании эффекта операции использованы операции отменить_проводку, выдать_запрос, выдать_деньги, дебетовать_счет и кредитовать_счет)

Внешняя спецификация операции описывает только те изменения, которые видны вне операции. Операция может быть реализована таким образом, что при ее выполнении будут использоваться некоторые значения, определенные внутри операции (например, в целях оптимизации), некоторые из этих значений могут даже быть частью состояния объекта. Эти детали реализации операции скрыты от остальных объектов и не участвуют в определении внешнего эффекта операции. Изменения внутреннего состояния объекта, не видные вне его, не меняют значения объекта.

Все нетривиальные операции можно разделить на три категории: запросы, действия и активности. Запросом называется операция без побочных эффектов над видимым извне объекта его состоянием (чистая функция). Запрос, у которого нет параметров, кроме целевого объекта, является производным атрибутом. Например, для точки на координатной плоскости, радиус и полярный угол - производные атрибуты; из этого примера видно, что между основными и производными атрибутами нет принципиальной разницы, и выбор основных атрибутов во многом случаен.

Действием называется операция, имеющая побочные эффекты, которые могут влиять на целевой объект и на другие объекты системы, которые достижимы из целевого объекта. Действие не занимает времени (логически, оно совершается мгновенно). Каждое действие может быть определено через те изменения, которые оно производит в состоянии объекта, меняя значения его атрибутов и связей; в каком порядке производятся эти изменения, несущественно: мы считаем, что все они происходят одновременно и мгновенно. Наиболее распространенным способом описания действия является задание алгоритма его выполнения на компьютере.

Активностью называется операция, выполняемая объектом, или над объектом, выполнение которой занимает определенное время. Активность имеет побочные эффекты. Активности могут быть только у активных объектов, так как пассивные объекты есть попросту склады данных.

2.6.3. Ограничения. Ограничение указывает на зависимость между соответственными значениями двух объектов, либо между различными значениями одного объекта. Ограничение может быть выражено в виде некоторой функции (количественное ограничение), либо отношения (качественное ограничение). Нас интересуют ограничения на атрибуты объектов, а также на состояния и события. Важным видом ограничений являются инварианты: утверждения о том, что значение некоторой функции от атрибутов, состояний и событий остается постоянным при функционировании объекта.

2.6.4. Функциональная модель банковской сети. Функциональная модель показывает как вычисляются значения в системе и как они зависят одно от другого. Для конструирования функциональной модели необходимо выполнить следующее:

· определить входные и выходные значения;

· построить ДПД, показывающие функциональные зависимости;

· описать функции;

· описать ограничения;

· сформулировать критерии оптимизации;

· уточнить набор операций в объектной модели.

Выполним все эти шаги, чтобы построить функциональную модель банковской сети (ATM).

Определение входных и выходных значений. Начнем с определения входных и выходных значений. Эти значения являются параметрами событий между системой и окружающим ее миром. Входные и выходные значения банковской сети показаны на рис. 2.66 (пунктирная линия показывает границу системы).

Рис. 2.66. Входные и выходные значения банковской сети

Поскольку все взаимодействия между внешним миром и системой проходят через ATM (или кассовый терминал, который здесь не рассматривается), все входные и выходные значения являются параметрами событий, связанных с объектом ATM (банкомат).

Построение ДПД. ДПД обычно строится по уровням. На верхнем уровне, как правило, показывают один единственный процесс, или, как в нашем примере (рис. 2.67), процесс ввода, основной процесс вычисления требуемых значений и процесс вывода. Входные и выходные данные на этой диаграмме поставляются и потребляются внешними объектами (клиент, карточка).

Рис. 2.67. Процессы верхнего уровня в системе обслуживания банковской сети

На ДПД каждого уровня указываются элементы данных более высоких уровней, чтобы показать данные, обрабатываемые каждым процессом (см. рис. 2.68). Большая часть систем содержит внутренние хранилища данных, в которых хранятся данные в периодах между взаимодействиями. Для процесса выполнить проводку таким хранилищем является объект счет. Внутренние хранилища данных отличаются тем, что получаемые ими данные не выдаются немедленно, а хранятся в объекте для использования в будущем.

Рис. 2.68. ДПД процесса выполнить проводку в системе обслуживания банковской сети

ДПД показывают только зависимости между операциями; они не содержат информации о последовательности выполнения операций (операции, показанные на ДПД могут быть не всегда выполняемыми или исключающими одна другую). Например, пароль должен быть подтвержден до внесения изменений в счет; если он указан неверно, изменения в счет не вносятся. Последовательность выполнения операций указывается в динамической, а не в функциональной модели.

Некоторые значения данных влияют на выбор последовательности вычислений в динамической модели; тем не менее эти значения не влияют непосредственно на выходные значения ДПД, так как ДПД показывает все возможные пути вычислений. Однако может оказаться полезным поместить функции, осуществляющие выбор последовательности вычислений, и в функциональную модель, так как эти функции могут выражать сложные зависимости от входных данных. Такие функции показаны на ДПД, но их выходными значениями являются управляющие сигналы, показанные пунктирными линиями. Примером такой функции является функция проверить пароль.

Описание функций. После того как ДПД составлена, необходимо составить описание каждой функции из ДПД. Пример описания функции приведен на рис. 2.65. Мы не приводим других примеров описания функций банковской сети в виду их тривиальности.

Описание ограничений. Ограничения - это функциональные зависимости между объектами, не сводящиеся к непосредственным зависимостям между выходами и входами. Ограничения могут накладываться одновременно на два объекта, на различные объекты одного класса в различные моменты времени (инвариант), или на объекты разных классов в различные моменты времени (хотя в последнем случае это, как правило, связи между входами и выходами). Ограничения, которым должны удовлетворять входные значения функции, называются ее предусловиями, а ограничения, которым удовлетворяют выходные значения функции, - ее постусловиями.

В банковской сети можно ввести следующие ограничения:

· "счет не может иметь отрицательного баланса";

· "отрицательный баланс кредитуемого счета не может быть больше лимита кредитования для этого счета".

Определение критериев оптимизации. Определяем какие значения необходимо максимизировать или минимизировать в процессе работы системы; если критериев оптимизации несколько и они противоречат один другому, следует определить компромиссные решения. На этой стадии не следует принимать по этому поводу слишком точных решений, так как в процессе дальнейшего проектирования критерии будут уточняться и изменяться.

Оптимизационные критерии для банковской сети:

· минимизировать количество физических пересылок между разными узлами сети;

· минимизировать время, в течение которого счет закрыт для доступа.

Операции вводятся на различных стадиях разработки модели проектируемой системы:

· при разработке объектной модели;

· при определении событий;

· при определении действий и активностей;

· при определении функций.

На заключительном этапе разработки модели проектируемой системы все введенные операции вводятся в ее объектную модель.

К перечисленным операциям добавляются операции, связанные с внешним поведением объектов рассматриваемых классов: эти операции определяются природой объектов, а не свойствами разрабатываемой системы. Такие операции расширяют определение объекта, выводя его за рамки непосредственных требований со стороны конкретной системы. Примерами таких операций для банковской сети являются: закрыть счет, создать сберегательный счет, создать банковскую карточку и т.п. С точки зрения системы эти операции не имеют смысла, но они отражают реальные свойства классов счет и карточка и могут оказаться полезными при использовании этих классов в других системах. В заключение следует исследовать объектную модель на предмет упрощения операций ее классов. Пример банковской сети недостаточно сложен, чтобы продемонстрировать это.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: