9.3. Эволюция
9.3. Эволюция
Проектирование интерфейса классов
После того, как выработаны основные принципы построения архитектуры системы, остающаяся работа проста, но зачастую довольно скучна и утомительна. Следующий этап будет состоять в реализации трех или четырех семейств классов (таких, как очередь, множество и дерево) в соответствии с выбранной архитектурой, и в последующем их тестировании в нескольких приложениях [Вирфс-Брок считает, что необходимо тестировать среду разработки по крайней мере на трех приложениях, чтобы проверить правильность стратегических и тактических решений [15]].
Наиболее тяжелой частью данного этапа является создание подходящего интерфейса для каждого базового класса. И здесь, в процессе изолированной разработки отдельных классов (см. главу 6), нельзя забывать о задаче обеспечения глобального соответствия всех частей системы друг другу. В частности, для класса Set можно определить следующий протокол:
? setHashFunction Устанавливает функцию хеширования для элементов множества.
? clear Очищает множество.
? add Добавляет элемент к множеству.
? remove Удаляет элемент из множества.
? setUnion Объединяет с другим множеством.
? intersection Находит пересечение с другим множеством.
? difference Удаляет элементы, которые содержатся в другом множестве.
? extent Возвращает количество элементов в множестве.
? isEmpty Возвращает 1, если множество пусто.
? isMember Возвращает 1, если данный элемент принадлежит множеству.
? isSubset Возвращает 1, если множество является подмножеством другого множества.
? isProperSubset Возвращает 1, если множество является собственным подмножеством другого множества.
Подобным же образом можно определить протокол класса BinaryTree:
? clear Уничтожает дерево и всех его потомков.
? insert Добавляет новый узел в корень дерева.
? append Добавляет к дереву потомка.
? remove Удаляет потомка из дерева.
? share Структурно делит данное дерево.
? swapChild Переставляет потомка с деревом.
? child Возвращает данного потомка.
? leftChild Возвращает левого потомка.
? rightChild Возвращает правого потомка.
? parent Возвращает родителя дерева.
? setItem Устанавливает элемент, ассоциированный с деревом.
? hasChildren Возвращает 1, если у дерева есть потомки.
? isNull Возвращает 1, если дерево нулевое.
? isShared Возвращает 1, если дерево структурно разделено.
? isRoot Возвращает 1, если дерево имеет корень.
? itemAt Возвращает элемент, ассоциированный с деревом.
Для схожих операций мы используем схожие имена. При разработке интерфейса мы также проверяем полученное решение на соответствие критериям достаточности, полноты и примитивности (см. главу 3).
Классы поддержки
При реализации класса, ответственного за манипуляции с текстовыми строками, мы столкнулись с тем, что возможностей, предоставляемых классами поддержки Bounded и Unbounded, явно недостаточно. Ограниченная форма, в частности, оказывается неэффективной для работы со строками с точки зрения памяти, так как мы должны инстанцировать эту форму в расчете на максимально возможную строку, и следовательно понапрасну расходовать память на более коротких строках. Неограниченная форма, в свою очередь, неэффективна с точки зрения быстродействия: поиск элемента в строке может потребовать последовательного перебора всех элементов связного списка. По этим причинам нам пришлось разработать третий, "динамический" вариант:
? Динамический Структура хранится в "куче" в виде массива, длина которого может уменьшаться или увеличиваться.
Структура хранится в "куче" в виде массива, длина которого может уменьшаться или увеличиваться.
Соответствующий класс поддержки Dynamic представляет собой промежуточный вариант по отношению к ограниченному и неограниченному классам, обеспечивающий быстродействие ограниченной формы (возможно прямое индексирование элементов) и эффективность хранения данных, присущую неограниченной форме (память выделяется только под реально существующие элементы).
Ввиду того, что протокол данного класса идентичен протоколу классов Bounded и Unbounded, добавление к библиотеке нового механизма не составит большого труда. Мы должны создать по три новых класса для каждого семейства (например, DynamicString, GuardedDynamicString и SynchronizedDynamicString). Таким образом, мы вводим следующий класс поддержки:
template<class Item, class StorageManager> class Dynamic { public:
Dynamic(unsigned int chunkSize);
protected:
Item* rep; unsigned int size; unsigned int totalChunks; unsigned int chunkSize; unsigned int start; unsigned int stop; void resize(unsigned int currentLength, unsigned int newLength, int preserve - 1); unsigned int expandLeft(unsigned int from); unsigned int expandRight(unsigned int from); void shrinkLeft(unsigned int from); void shrinkRight(unsigned int from);
};
Последовательности разбиваются на блоки в соответствии с аргументом конструктора chunkSize. Таким образом, клиент может регулировать размер будущего объекта.
Из интерфейса видно, что класс Dynamic имеет много общего с классами Bounded и Unbounded. Отличия в реализации трех типов классов каждого семейства будут минимальны.
Займемся теперь классом ассоциативных массивов. Его реализация потребует новой переработки ограниченной, динамической и неограниченной форм. В частности, поиск элемента в ассоциативном массиве требует слишком много времени, если его приходится вести перебором всех элементов. Но производительность можно значительно увеличить, используя открытые хеш-таблицы.
Абстракция открытой хеш-таблицы проста. Таблица представляет собой массив последовательностей, которые называются клетками. Помещая в таблицу новый элемент, мы сначала генерируем хеш-код по этому элементу, а затем используем код для выбора клетки, куда будет помещен элемент. Таким образом, открытая хеш-таблица делит длинную последовательность на несколько более коротких, что значительно ускоряет поиск.
Соответствующую абстракцию можно определить следующим образом:
template<class Item, class Value, unsigned int Buckets, class Container> class Table { public:
Table(unsigned int (*hash)(const Item&)); void setHashFunction(unsigned int (*hash)(const Item&)); void clear(); int bind(const Item&, const Value&); int rebind(const Item&, const Value&); int unbind(const Item&); Container* bucket(unsigned int bucket); unsigned int extent() const; int isBound(const Item&) const; const Value* valueOf(const Item&) const; const Container *const bucket(unsigned int bucket) const;
protected:
Container rep[Buckets];
};
Использование класса Container в качестве аргумента шаблона позволяет применить абстракцию хеш-таблицы вне зависимости от типа конкретной последовательности. Рассмотрим в качестве примера (сильно упрощенное) объявление неограниченного ассоциативного массива, построенного на базе классов Table и Unbounded:
template<class Item, class Value, unsigned int Buckets, class StorageManager> class UnboundedMap : public Map<Item, Value> { public:
UnboundedMap(); virtual int bind(const Item&, const Value&); virtual int rebind(const Item&, const Value&); virtual int unbind(const Item&);
protected:
Table<Item, Value, Buckets, Unbounded<Pair<Item, Value>, StorageManager>> rep;
};
В данном случае мы истанцируем класс Table контейнером unbounded. Рис. 9-12 иллюстрирует схему взаимодействия этих классов.
В качестве свидетельства общей применимости этой абстракции мы можем использовать класс Table при реализации классов множеств и наборов.
Рис. 9-12. Классы поддержки.
Инструменты
Для нашей библиотеки основная роль шаблонов заключается в параметризации структур типами элементов, которые будут в них содержаться; поэтому такие структуры называют классами-контейнерами. Но, как видно из определения класса Table, шаблоны можно использовать также для передачи классу некоторой информации о реализации.
Еще более сложная ситуация возникает при создании инструментов, которые оперируют с другими структурами. Как уже отмечалось, алгоритмы тоже можно представить в виде классов, объекты которых будут выступать в роли агентов, ответственных за выполнение алгоритма. Такой подход соответствует идее Джекобсона об объекте управления, который служит связующим звеном, осуществляющим взаимодействие обычных объектов [16]. Преимущество данного подхода состоит в возможности создания семейств алгоритмов, объединенных наследованием. Это не только упрощает их использование, но также позволяет объединить концептуально схожие алгоритмы.
Рассмотрим в качестве примера алгоритмы поиска образца внутри последовательности. Существует целый ряд подобных алгоритмов:
? Простой Поиск образца последовательной проверкой всей структуры. В худшем случае временной показатель сложности данного алгоритма будет O(pn), где p - длина образца и n - длина последовательности.
? Кнут-Моррис-Пратт Поиск образца с временным показателем O(p+n) (Knuth-Morris-Pratt). Алгоритм не требует создания копий, поэтому годится для поиска в потоках.
? Бойер-Мур Поиск с сублинейным временным показателем (Boyere-Moore) O(c(p+n)), где c меньше 1 и обратно пропорционально p.
? Регулярное выражение Поиск образца, заданного регулярным выражением.
У всех этих алгоритмов существуют по крайней мере три общие черты: все они проводят операции над последовательностями (и значит работают с объектами, имеющими схожий протокол), требуют существования операции сравнения для того типа элементов, среди которых ведется поиск (стандартный оператор сравнения может оказаться недостаточным), и имеют одинаковую сигнатуру вызова (целевую строку, образец поиска и индекс элемента, с которого начнется поиск).
Об операции сравнения нужно поговорить особо. Предположим, например, что существует упорядоченный список сотрудников фирмы. Мы хотим произвести в нем поиск по определенному критерию, скажем, найти группы из трех записей с сотрудниками, работающими в одном и том же отделе. Использование оператора operator==, определенного для класса PersonnelRecord, не даст нужного результата, так как этот оператор, скорее всего, производит проверку в соответствии с другим критерием, например, табельным номером сотрудника. Поэтому нам придется специально разработать для этой цели новый оператор сравнения, который запрашивал бы (вызовом соответствующего селектора) название отдела, в котором работает сотрудник. Поскольку каждый агент, выполняющий поиск по образцу, требует своей функции проверки на равенство, мы можем разработать общий протокол введения такой функции в качестве части некоторого абстрактного базового класса. Рассмотрим в качестве примера следующее объявление:
template<class Item, class Sequence> class PatternMatch { public:
PatternMatch(); PatternMatch(int (*isEqual)(const Item& x, const Item& y)); virtual ~PatternMatch(); virtual void setIsEqualFunction(int (*)(const Item& x, const Item& y)); virtual int match(const Sequence& target, const Sequences; pattern, unsigned int start = 0) = 0; virtual int match(const Sequence&; target, unsigned int start = 0) = 0;
protected:
Sequence rep; int (*isEqual)(const Item& x, const Item& y);
private:
void operator=(coust PattemMatcb&) {} void operator==(const PatternMatch&) {} void operator!=(const PatternMatch&) {}
};
Операции присваивания и сравнения на равенство для объектов данного класса и его подклассов невозможны, поскольку мы использовали соответствующие идиомы. Мы сделали это, потому что операции присваивания и сравнения не имеют смысла для абстракций агентов.
Теперь опишем конкретный подкласс, определяющий алгоритм Бойера-Мура:
template<class Item, class Sequence> class BMPatternMatch : public PatternMatch<Item, Sequence> { public:
BMPatternMatch(); BMPattemMatch(int (*isEqual) (const Item& x, const Item& y)); virtual ~BMPattemMatch(); virtual int match(const Sequence& target, const Seque unsigned int start = 0); virtual int match(const Sequence& target, unsigned in
protected:
unsigned int length; unsigned int* skipTable; void preprogress(const Sequence& pattern); unsigned int itemsSkip(const Sequence& pattern, const Item& item);
};
Рис. 9-13. Классы поиска.
Открытый протокол этого класса полностью копирует соответствующий протокол своего суперкласса. Кроме того, его описание дополнительно включает два элемента данных и две вспомогательные функции. Одна из особенностей данного класса состоит в создании временной таблицы, которая используется для пропуска длинных неподходящих последовательностей. Эти добавочные элементы нужны для реализации алгоритма.
На рис. 9-13 приведена иерархия классов поиска. Иерархия подобного типа применима для большинства инструментов библиотеки. При этом формируются сходные по структуре семейства классов, что позволяет пользователям легко в них ориентироваться и выбирать те, которые наилучшим образом подходят для их приложений.
Более 800 000 книг и аудиокниг! 📚
Получи 2 месяца Литрес Подписки в подарок и наслаждайся неограниченным чтением
ПОЛУЧИТЬ ПОДАРОКЧитайте также
Эволюция Windows
Эволюция Windows Windows API поддерживается несколькими версиями Windows. Существование ряда различных версий Windows может вносить некоторую неразбериху, однако с точки зрения программиста все они аналогичны друг другу. В частности, все версии поддерживают подмножества идентичных
5.4. Эволюция
5.4. Эволюция Теория фреймов предполагает наличие большого числа разнообразных механизмов для манипуляции визуальными и символьными образами. Я не думаю, что большинство этих механизмов может возникнуть в процессе самоорганизации системы; скорее, они зависят от того,
Эволюция PowerPC
Эволюция PowerPC Концепция RISC была разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBM Research. Кок установил, что прогресс в области компиляторов достиг той точки, когда можно упростить набор команд процессора, и возложить на компилятор значительную часть работы, ранее выполнявшейся
11.6 Эволюция BOOTP
11.6 Эволюция BOOTP Протокол BOOTP обеспечивает в работе достаточную гибкость:? Перед запуском клиент может не иметь никакой информации или быть частично сконфигурированным.? Клиент может получить информацию на сервере загрузки или выбрать для этого специально указанный
8.3. Эволюция
8.3. Эволюция Планирование релизов Рассмотрев несколько сценариев работы системы и убедившись в правильности стратегических решений, можно начинать планирование процесса разработки. Разобьем работу на ряд этапов, результат каждого из которых будет являться основой для
9.3. Эволюция
9.3. Эволюция Проектирование интерфейса классов После того, как выработаны основные принципы построения архитектуры системы, остающаяся работа проста, но зачастую довольно скучна и утомительна. Следующий этап будет состоять в реализации трех или четырех семейств
11.3. Эволюция
11.3. Эволюция Интеграция Теперь, когда ключевые абстракции предметной области выявлены, можно приступить к их соединению в действующее приложение. Мы будем реализовывать и проверять вертикальные срезы системы, а затем последовательно отрабатывать механизмы. Интеграция
12.3. Эволюция
12.3. Эволюция Модульная архитектура Мы уже говорили о том, что модульность для больших систем необходима, но не достаточна; для задач такого масштаба, как система управления движением, нужно сосредоточиться на декомпозиции по подсистемам. На ранних стадиях эволюции мы
17.1. Эволюция С
17.1. Эволюция С Главным фактом практики Unix-программирования всегда была стабильность языка С и небольшого количества служебных интерфейсов, которые всегда ему сопутствовали (особенно стандартная 1/О-библиотека и подобные ей). Тот факт, что i язык, созданный в 1973 году, в
17.1. Эволюция С
17.1. Эволюция С Главным фактом практики Unix-программирования всегда была стабильность языка С и небольшого количества служебных интерфейсов, которые всегда ему сопутствовали (особенно стандартная I/O-библиотека и подобные ей). Тот факт, что язык, созданный в 1973 году, в
ГЛАВА 6: ЭВОЛЮЦИЯ
ГЛАВА 6: ЭВОЛЮЦИЯ Вы накормили и приручили слона. Но со временем он будет расти и развиваться, станет умнее.Ваша система должна меняться, потому что будет меняться ваша жизнь, её ценности и способы реализации ваших целей. Через год вы, может быть, плюнете на GTD и пошлёте
Функции и эволюция
Функции и эволюция Главная функция часто не только не является наилучшим критерием для начального определения системы, но она может также в процессе эволюции системы почти сразу оказаться среди изменяемых свойств. Рассмотрим в качестве примера программу, имеющую две
Эволюция доверия
Эволюция доверия Одним из главных сил развития технологии является закон, известный под названием эффект системы. Согласно этому закону полезность системы растет по экспоненциальному закону в зависимости от числа использующих ее людей. Классический пример значения