LẬP TRÌNH HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG VỚI C ++ CHƯƠNG 11
Chương 11 Phát triển các hệ thống hướng đối tượng • Giới thiệu • Các mô hình hướng-thủ tục • Các công cụ phát triển hướng-thủ tục • Mô hình hướng đối tượng • Các ký hiệu và đồ thò hướng đối tượng • Các bước phân tích hướng đối tượng • Các bước thiết kế hướng đối tượng • Cài đặt • Mô hình mẫu • Tóm tắt Chương 11 Phát triển hệ thống hướng đối tượng 338 Chương 11 Phát triển hệ thống hướng đối tượng 339 I/ Giới thiệu Các kỹ sư phần mềm đã dùng nhiều công cụ (tools), phương pháp (methods) và thủ tục (procedures) khác nhau để thực hiện tiến trình phát triển phần mềm nhằm xây dựng các sản phẩm phần mềm chất lượng cao với hiệu suất ngày càng cải tiến. Các phương pháp cung cấp khái niệm “làm như thế nào” để xây dựng phần mềm trong khi các công cụ cung ứng các hổ trợ tự động và bán tự động cho các phương pháp. Họ sử dụng mọi giai đoạn phát triển của tiến trình phát triển phần mềm, đó là, lập kế hoạch, phân tích, thiết kế, phát triển và bảo trì. Các thủ tục phát triển phần mềm tích hợp các phương pháp và các công cụ lại với nhau và làm cho sự phát triển các hệ thống phần mềm trở nên hợp lý và hợp thời. (hình 11.1). Chúng cung cấp các nguyên tắc chỉ đạo như làm thế nào áp dụng các phương pháp và công cụ, làm thế nào để tiến hành phân phối ở mỗi giai đoạn, các điều khiển nào sẽ áp dụng, và những cột mốc nào được dùng để đánh giá sự phát triển. Software development Procedures Methods Tools Hình 11.1 Các thành tố phát triển phần mềm Có một số mô hình phát triển phần mềm, mỗi mô hình bao gồm một tập hợp các phương pháp và công cụ khác nhau. Việc lựa chọn một mô hình phụ thuộc vào bản chất của một ứng dụng, ngôn ngữ lập trình được dùng, những điều khiền và phân phối được yêu cầu. Chương 11 Phát triển hệ thống hướng đối tượng 340 Sự phát triển một hệ thống hoàn chỉnh không những phụ thuộc vào những phương pháp và kỹ thuật thích hợp mà còn phụ thuộc các ràng buộc của những nhà phát triển vào các đối tượng của hệ thống. Một hệ thống hoàn chỉnh phải là : 1. thoả mãn những yêu cầu của người dùng. 2. trở nên dể hiểu đối với người dùng và người vận hành 3. trở nên dể thao tác 4. có giao diện tốt 5. dễ dàng chỉnh lý 6. có thể phát triển được 7. có những điều khiển bảo mật thích hợp chống lại sự lạm dụng dữ liệu 8. bắt lỗi và xử lý ngoại lệ thật hài lòng 9. phân phối sản phẩm theo đúng ngày giờ đã ấn đònh Trong chương này chúng ta sẽ xem xét một vài cách tiếp cận truyền thống được ứng dụng rộng rãi trong phát triển phần mềm và thảo luận một vài ý tưởng hiện nay có thể áp dụng được vào phát triển phần mềm hướng đối tượng. II/ Các mô hình hướng-thủ tục Prolem definition Analysis Design Coding Testing Maintenance Hình 11.2 Chu kỳ sống phát triển phần mềm cổ điển (mô hình “thác nước” nhúng được) Chương 11 Phát triển hệ thống hướng đối tượng 341 Phát triển phần mềm thường được mô tả bởi một bộ các trạng thái mô tả các tác vụ khác nhau bao gồm trong tiến trình phát triển. Hình 11.2 minh hoạ chu kỳ sống phần mềm cổ điển được ứng dụng rộng rãi trong phát triển hướng-thủ tục (procedure- oriented). Chu kỳ sống cổ điển dựa trên một mô hình cơ bản, thông thường là mô hình “thác nước”. Mô hình này cố gắng làm rõ những hoạt động có thể nhận biết được trong một chuỗi các hành động, mỗi một trong số chúng phải hoàn tất trước khi hành động khác lại bắt đầu. Các hoạt động bao gồm, xác đònh vấn đề, phân tích các yêu cầu, thiết kế, lập trình, kiểm nghiệm, và bảo trì. Sự tinh chế hơn nữa cho mô hình này bao gồm các bước lặp quay lui những giai đoạn trước đó nhằm kết hợp chặt chẽ bất kỳ sự biến đổi nào hoặc các liên kết còn thiếu. Xác đònh vấn đề : Hành động này yêu cầu một đònh nghóa chính xác về vấn đề trong những thuật ngữ đang dùng. Một phát biểu rõ ràng của vấn đề là một quyết đònh cho sự thành công của sản phẩm. Nó không chỉ giúp cho nhà phát triển mà còn giúp người sử dụng hiểu vần đề được tốt hơn. Phân tích các yêu cầu : Điều này bao trùm sự nghiên cứu chi tiết về những yêu cầu của cả người dùng lẫn sản phẩm. Hành động này là một bước cơ bản có liên quan đến “cái gì” ( What ) của hệ thống như là : • Những đầu vào cho hệ thống là cái gì ? • Các tiến trình yêu cầu cái gì ? • Những đầu ra mong muốn sẽ là cái gì ? • Những ràng buộc ( constraints ) là gì ? Thiết kế : pha thiết kế giải quyết những quan niệm khác nhau của thiết kế hệ thống như cấu trúc dữ liệu, kiến trúc sản phẩm, và các thuật toán. Pha này chuyển những yêu cầu vào cách biểu diễn ( representation ) của sản phẩm. Giai đoạn này trả lời câu hỏi “ How ”. Lập trình : Mã hoá có liên quan đến sự chuyển dòch bản thiết kế sang dạng mã-máy- có-thể-đọc-được. Chi tiết hoá bản thiết kế, dễ dàng hơn đó là sự mã hoá và làm cho tính tin cậy của thiết kế được tốt hơn. Kiểm nghiệm : một bản mã lệnh được viết xong , cần phải kiểm nghiệm nghiêm ngặt giúp cho bản mã và kết quả được tốt nhất. Sự kiểm nghiệm có thể là một vài modul Chương 11 Phát triển hệ thống hướng đối tượng 342 riêng lẽ hoặc có khi là toàn bộ hệ thống. Nó yêu cầu một kế hoạch chi tiết như kiểm tra cái gì, khi nào và làm như thế nào ( what, when, how to test) Bảo trì : sau khi sản phẩm đã được hoàn chỉnh, nó có thể phải chòu một vài thay đổi. Điều này thường xảy ra theo yêu cầu của người dùng và của cả môi trường điều hành, hoặc một lỗi nào đó trong sản phẩm bò sót trong quá trình kiểm nghiệm. Sự bảo trì bảo đảm rằng mọi thay đổi sẽ được kết hợp chặt chẽ bất cứ lúc nào thấy cần thiết. Mỗi pha của chu kỳ sống đều có mục đích và đầu ra. Đầu ra của pha này sẽ là đầu vào của pha tiếp theo. Bảng 11.1 sẽ chiû ra các kiểu của đầu ra Pha Đầu ra ( outputs ) Xác đònh vấn đề * Phiếu phát biểu của vấn đề (why) * Tài liệu đề nghò của dự án Phân tích * Tài liệu yêu cầu (what) * Báo cáo khả thi * Tài liệu đặc tả * Tiêu chuẩn kiểm nghiệm được công nhận Thiết kế * Tài liệu thiết kế (how) * Thiết kế các tình huống cho kiểm nghiệm Mã hoá * Tài liệu mã hoá (chương trình) (how) * Kế hoạch kiểm nghiệm * Tài liệu cho người dùng Kiểm nghiệm * Các mã hoá đã được kiểm nghiệm (what & how) * Các kết quả kiểm nghiệm * Tài liệu cho hệ thống Bảo trì * Các phiếu nhật ký bảo trì * Tài liệu các phiên bản Bảng 11.1 Các đầu ra của chu kỳ sống phần mềm cổ điển Chu kỳ sống phần mềm, được mô tả ở trên, thường được xem như kỹ thuật phân rã chức năng ( the functional decomposition ), được biết rộïng rãi như cách tiếp cận từ trên xuống ( top-down) , hoặc theo modun ( modular) . Kỹ thuật phân rã chức năng dựa trên sự thể hiện không gian vấn đề và nó chuyển sang không gian lời giải như là sự thông dòch một tập các hàm. Các hàm được phân rã theo trình tự tăng dần, những Chương 11 Phát triển hệ thống hướng đối tượng 343 hàm đơn giản nhất sẽ được thực thi cuối cùng. Hệ thống cuối cùng được xem như một tập các hàm được tổ chức theo cấu trúc phân cấp top-down . Cũng có một vài thiếu sót trong cách tiếp cận top-down , tiếp cận phân rã chức năng. Chúng bao gồm : 1. Không cho phép những thay đổi tiến hoá trong phần mềm. 2. Hệ thống được đặc trưng bởi một hàm đơn ( a single function ) ở đỉnh của cây phân cấp nhưng không phải lúc nào cũng hoàn toàn đúng. Trong nhiều trường hợp thực tế các hệ thống không có hàm đơn ở đỉnh. 3. Dữ liệu không được xem là đáng quan trọng. 4. Nó không khuyến khích việc tái sử dụng mã lệnh đã có. III/ Các công cụ phát triển hướng-thủ tục Các công cụ phát triển hiện nay có thể phân loại theo 3 thế hệ. Các công cụ thế hệ 1 được phát triển vào thập niên 60 và 70 được gọi là các công cụ truyền thống. Các công cụ thế hệ 2 được giới thiệu vào cuối thập niên 70 và đầu thập niên 80 dành cho phân tích và thiết kế các hệ thống có cấu trúc và do đó chúng được biết như là các công cụ có cấu trúc. Các công cụ thế hệ 3 được giới thiệu vào cuối thập niên 80 cho đến nay dành cho phân tích và thiết kế các hệ thống hướng đối tượng. Bảng 11.2 chỉ cho thấy một số công cụ thông dụng dành cho các tiến trình phát triển theo 3 chủng loại. Phần này sẽ giới thiệu tổng quát một vài công cụ thường dùng ở thế hệ 1 và 2. Process First generation Second generation Third generation Physical processes System flowcharts Context diagrams Inheritance graphs Object-relationship charts Data Layout forms Data dictionary Objects Chương 11 Phát triển hệ thống hướng đối tượng 344 representation Grid charts Object dictionary Logic processes Playscript English narrative Decision tables trees Data flow diagrams Inheritance graphs Data flow diagrams Program representation Program flowcharts I/O layouts Structure charts Warrier/Orr diagrams State change diagrams Ptech diagrams Coad/Yourdon charts Bảng 11.2 Các công cụ phát triển hệ thống !" Lưu đồ hệ thống (System flowcharts) !" Lưu đồ chương trình (Program flowcharts) !" Kòch bản từng giai đoạn (Playscripts) !" Các khuôn dạng sơ bộ (Layout forms) cho việc nhập và xuất kết quả . !" Biểu đồ (Grid charts) biểu diễn mối quan hệ giữa các modun của hệ thống. !" Lược đồ ngữ cảnh (Context diagrams) biểu diễn đầu vào với tài nguyên của chúng và đầu ra với các đích của chúng. !" Lược đồ dòng dữ liệu (Data flow diagrams) biểu diễn dòng dữ liệu giữa các thành phần khác nhau của hệ thống !" Từ điển dữ liệu (Data dictionary) !" Biểu đồ cấu trúc (Structures chart) biểu diễn đồ thò các điều khiển logic giữa các modun của hệ thống. !" Bảng quyết đònh (Decision table) một bảng các tình huống bất ngờ dành cho việc xác đònh vấn đề và các hành động để thực hiện. !" Cây quyết đònh (Decision tree) !" Lược đồ Warnier/Orr : một biểu đồ phân cấp hàng ngang sử dụng một tập các dấu móc, mã giả (pseudo-code) và các ký hiệu logic để chỉ các cấu trúc chương trình. Chương 11 Phát triển hệ thống hướng đối tượng 345 IV/ Mô hình hướng-đối tượng Mô hình hướng-đối tượng đặt nặng trên lý thuyết hệ thống tổng quát như là nền tảng thuộc về khái niệm. Một hệ thống có thể được xem như một sự tập hợp các thực thể (entities), chúng tương tác với nhau nhằm đạt đến mục tiêu nào đó (hình 11.3). Các thực thể có thể biểu diễn các đối tượng vật lý như các thiết bò hay con người, và các khái niệm trừu tượng như các file dữ liệu hoặc các hàm. Trong phân tích hướng- đối tượng các thực thể được gọi là các đối tượng ( objects ). PROCESS INPUT OUTPUT Hình 11.3 Một hệ thống với các quan hệ-bên trong của các thực thể Theo như tên gọi, mô hình hướng-đối tượng đặt để tầm quan trọng nhất vào các đối tượng đó là tính đóng gói dữ liệu và hàm. Chúng đóng vai trò trung tâm trong mọi giai đoạn của phát triển phần mềm và do đó sẽ tồn tại ở mức cao sự gối lên nhau ( overlap ) và sự lặp đi lặp lại ( iteration ) giữa các giai đoạn. Tiến trình phát triển toàn thể trở thành sự tiến hoá như trong tự nhiên. Bất kỳ một biểu diễn đồ hoạ nào của các phiên bản hướng-đối tượng của chu kỳ phát triển phần mềm đều phải lưu tâm đến hai khía cạnh gối lên nhau và và sự lặp đi lặp lại. Kết quả là mô hình “vòi phun nước” ( fountain model ) đã thay thế mô hình “thác nước cổ điển” (hình 11.4). Entity Entity Entity Entity Entity Chương 11 Phát triển hệ thống hướng đối tượng 346 Maintenance Further development Application Object-oriented OOP Objects programming in program Object-oriented OOD Objects design in solution space Object-oriented OOA Objects analysis in problem space Hình 11.4 Mô hình “vòi phun nước” trong phát triển phần mềm hướng-đối tượng Phân tích hướng-đối tượng (OOA) có liên quan đến các phương pháp của các yêu cầu đặc tả của phần mềm theo thuật ngữ các đối tượng của thế giới thực, các hành vi ứng xử và các tương tác của chúng. Thiết kế hướng-đối tượng (OOD) chuyển những yêu cầu của phần mềm sang những đặc tả cho đối tượng và các lớp dẫn xuất phân cấp từ đó các đối tượng sẽ được tạo ra. Lập trình hướng-đối tượng (OOP) có liên quan đến cài đặt chương trình trong một ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng như C++. Tương phản với cách tiếp cận phân rã chức năng top-down, tiếp cận hướng đối tượng sử dụng các thiết kế top-down lẫn bottom-up. Kỹ thuật phân rã chức năng từ trên xuống có thể áp dụng để thiết kế các lớp riêng lẽ trong khi hệ thống cuối có thể được xây dựng với sự trợ giúp các modun lớp sử dụng tiếp cận từ dưới lên. Problem space Objects defined . của phát triển phần mềm và do đó sẽ tồn tại ở mức cao sự gối lên nhau ( overlap ) và sự lặp đi lặp lại ( iteration ) giữa các giai đoạn. Tiến trình phát. quan đến cài đặt chương trình trong một ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng như C++. Tương phản với cách tiếp cận phân rã chức năng top-down, tiếp cận hướng