Последовательность операций


При работе над многими проектами, нам приходится моделировать и анализировать последовательности операций пользователей, что является частью анализа требований. Мы хотели бы выяснить, что может происходить одновременно, а что – в строгой последовательности. Одним из способов осуществить задуманное является создание диаграммы последовательностей, с помощью системы обозначений наподобие языка UML (унифицированного языка моделирования)
[31].
Диаграмма состоит из совокупности действий, изображенных в виде прямоугольников с закругленными уголками. Стрелка, выходящая из одной операции, идет либо к другой операции (которая может начаться после того, как первая закончится) либо к жирной линии, называемой полосой синхронизации. Как только все операции, направленные к полосе синхронизации, завершаются, можно перемещаться по стрелкам, идущим от полосы синхронизации. Операция, на которую не указывают никакие стрелки, может быть начата в любой момент.
Вы можете использовать диаграммы, чтобы добиться максимального параллелизма, определив те процессы, которые могли бы осуществляться параллельно, но не осуществляются.
Подсказка 39: Анализируйте последовательность операций для увеличения параллелизма
Например, в проекте блендера для коктейлей (упражнение 17) пользователи могут вначале описать последовательность операций следующим образом:
1. Открыть блендер
2. Открыть упаковку со смесью "Пинаколада"
3. Засыпать смесь в блендер
4. Отмерить полчашки белого рома
5. Влить ром
6. Добавить 2 чашки льда
7. Закрыть блендер
8. Перемешивать в течение 2 мин
9. Открыть блендер
10. Взять бокалы
11. Украсить
12. Налить
Хотя они описывают эти операции последовательно (и даже могут выполнять их последовательно), заметим, что многие из них могли бы выполняться параллельно, как показано на блок-схеме (см. рис. 5.2).
Это может открыть вам глаза на реально существующие зависимости. В этом случае задачи высшего уровня приоритета (1, 2, 4, 10 и 11) могут выполняться параллельно, как бы авансом. Задачи 3, 5 и 6 могут выполняться параллельно, но позже.
Если бы вы участвовали в конкурсе по приготовлению коктейлей «Пинаколада», эти оптимальные решения выгодно отличали бы вас от всех остальных.
Рис. 5.2. Диаграмма на языке UML: приготовление коктейля "Пинаколада"
Архитектура
Несколько лет назад мы написали систему оперативной обработки транзакций (OLAP – on-line transaction processing). В простейшем варианте все, что должна была сделать система, – это принять запрос и обработать транзакцию в сравнении с БД. Но мы написали трехзвенное, многопроцессорное распределенное приложение: каждый компонент представлял собой независимую единицу, которая выполнялась параллельно со всеми другими компонентами. Хотя при этом возникает впечатление большой работы, это не так: при написании этого приложения мы использовали преимущество временной несвязанности. Рассмотрим этот проект более подробно.
Система принимает запросы от большого числа каналов передачи данных и обрабатывает транзакции в рамках БД.
Проект налагает следующие ограничения:
• Операции с БД занимают сравнительно большое время.
• При каждой транзакции мы не должны блокировать коммуникационные службы в момент обработки транзакции БД.
• Производительность базы ухудшается за счет слишком большого числа параллельных сеансов.
• Множественные транзакции осуществляются параллельно на каждой линии передачи данных.
Решение, обеспечивающее наилучшую производительность и самый четкий интерфейс, выглядит подобно представленному на рисунке 5.3.
РИС. 5.3. Общая схема архитектуры системы оперативной обработки транзакций
Каждый прямоугольник обозначает отдельный процесс; процессы связываются через очереди работ. Каждый входной процесс отслеживает состояние одного входного канала связи и осуществляет запросы к серверу приложения. Все запросы являются асинхронными: как только входной процесс осуществляет текущий запрос, он сразу же возвращается к отслеживанию канала на наличие трафика. Точно так же сервер приложения осуществляет запросы процесса БД
[32]и уведомляется в момент завершения отдельной транзакции.
На этом примере также демонстрируется способ быстрого и грубого распределения нагрузки между множественными потребительскими процессами: это так называемая модель голодного потребителя.
В модели голодного потребителя центральный планировщик заменяется на несколько независимых задач потребителя и централизованную очередь работ. Каждая задача потребителя захватывает некий фрагмент очереди работ и продолжает заниматься своим делом – его обработкой. Как только задача заканчивает свою работу, она возвращается к очереди за новой порцией. В этом случае, если выполнение какой-либо задачи срывается, другие задачи могут "натянуть поводья" и каждый отдельный компонент может продолжаться в своем собственном темпе. Происходит временная несвязанность одного компонента с другими.
Подсказка 40: Проектируйте, используя службы
На самом деле, вместо компонентов мы создали службы – независимые, параллельные объекты, скрытые за четко определенными, непротиворечивыми интерфейсами.
Проектирование с использованием принципа параллелизма
Поскольку Java все чаще принимается в качестве платформы, многие разработчики перешли к многопоточному программированию. Но программирование с использованием потоков налагает на конструкцию некоторые ограничения – и это хорошо. Эти ограничения настолько полезны, что нам хотелось бы пребывать под их благодатным покровом, когда бы мы ни занимались написанием программ. Это поможет нам делать нашу программу несвязанной и бороться с так называемым "программированием в расчете на стечение обстоятельств" (см. ниже одноименный раздел).
При работе с линейной программой легко сделать предположения, которые в конечном итоге приведут к небрежно написанным программам. Но параллелизм заставляет задумываться о происходящем несколько глубже – вы больше не находитесь в безвоздушном пространстве. Поскольку многие события могут теперь происходить "в одно и то же время", вы можете внезапно столкнуться с зависимостями, основанными на факторе времени. Прежде всего необходимо защитить любые глобальные или статические переменные от параллельного доступа. Теперь можно задать самому себе вопрос, зачем нужна глобальная переменная на первом месте. Кроме того, необходимо убедиться в том, что вы предоставляете непротиворечивую информацию о состоянии независимо от порядка вызовов. Например, в какой момент допускается опрашивание состояния вашего объекта? Если ваш объект находится в недопустимом состоянии в период между определенными вызовами, то вы, вероятно, полагаетесь на стечение обстоятельств – никто не вызовет ваш объект в этот момент времени.
Предположим, что есть подсистема работы с окнами, в которой интерфейсные элементы вначале создаются, а затем отображаются на дисплее. Вам не разрешается задавать состояние в элементе, пока он не отобразится. В зависимости от заданных параметров программы вы можете полагаться на то условие, что ни один другой объект не может воспользоваться созданным элементом, пока вы не выведете его на дисплей.
Но в параллельной системе это может и не выполняться. При вызове объекты всегда обязаны находиться в допустимом состоянии, а они могут вызываться в самое неподходящее время. Вы обязаны убедиться, что объект находится в допустимом состоянии в любой момент, когда потенциально он может быть вызван. Зачастую эта проблема возникает с классами, которые определяют отдельные программы конструктора и инициализации (где конструктор не оставляет объект в инициализированном состоянии). Используя инварианты класса, обсуждаемые в разделе "Проектирование по контракту", вы сможете избежать этой ловушки.
Четкие интерфейсы
Размышления о параллелизме и зависимостях, упорядоченных во времени, могут заставить вас проектировать более четкие интерфейсы. Рассмотрим библиотечную подпрограмму на языке С под названием strtok, которая расщепляет строку на лексемы.
Конструкция strtok не является поточно-ориентированной
[33], но это не самое плохое, рассмотрим временную зависимость. Первый раз вы обязаны вызвать подпрограмму Strtok с переменной, которую вы хотите проанализировать, а во всех последующих вызовах использовать NULL вместо этой переменной.
Если переменная принимает значение, отличное от NULL, программа повторно производит разбор содержимого буфера. Не принимая во внимание потоки, предположим, что вы собираетесь использовать Strtok для одновременного синтаксического анализа двух отдельных строк:
char buf1[BUFSIZ];
char buf2[BUFSIZ];
char *p, *q;
strcpy(bufl, "это тестовая программа");
strcpy(buf2, "которая не будет работать");
р = strtck(buf1," ");
q = strtok(buf2," ");
while (p && q) {
printf("%s %s\n", p, q);
p = strtok(NULL, " ");
q = strtok(NULL, " ");
}
Представленная программа работать не будет: существует неявное состояние, сохраняющееся в strtok между запросами. Вам придется использовать Strtok одновременно только с одним буфером.
Конструкция синтаксического анализатора строк на языке Java будет отличаться от указанной выше. Она должна быть поточно-ориентированной и представлять непротиворечивое состояние.
StringTokenizer st1 = new StringTokenizer("this is a test");
StrJngTokenlzer st2 = new StringTokenizer("this test will work");
while (st1.hasMoreTokens() && st2.hasMoreTokens()) {
System.out.println(st1.nextToken());
System.out.println(st2.nextToken());
}
Программа StringTokenizer обладает более четким и простым в сопровождении интерфейсом. Она не содержит в себе никаких сюрпризов и в будущем не приводит к появлению таинственных дефектов, чего нельзя сказать о программе Strtok.
Подсказка 41: При проектировании всегда есть место параллелизму
Развертывание
Как только вы спроектировали архитектуру с элементом параллельности, задача об управлении многими параллельными службами упрощается: модель становится всеобъемлющей.
Теперь вы можете проявить гибкость относительно способа развертывания приложения: по автономной модели, модели «клиент-сервер» или по n-звенной модели. Создавая архитектуру системы на основе независимых служб, вы также придаете динамизм процессу конфигурирования. Рассчитывая на параллелизм и разделяя операции во времени, вы получаете вес эти варианты, включая автономный вариант развертывания, где вы можете отказаться от параллелизма.
Другой путь (попытка внести параллелизм в непараллельное приложение) представляется намного сложнее. Если мы проектируем с учетом параллелизма, то со временем нам легче обеспечивать расширяемость и производительность, а если этот момент не настает, мы все равно получаем выгоду от более четкого интерфейса.
Так, может быть, пора?
Другие разделы, относящиеся к данной теме:
• Проектирование по контракту
• Программирование в расчете на стечение обстоятельств
Вопросы для обсуждения
• Сколько задач вы выполняете параллельно, готовясь к работе? Можете ли вы выразить это с помощью диаграммы на языке UML? Можете ли вы найти иной, более быстрый способ подготовки к работе, придав своим действиям больший параллелизм?
29
Всего лишь визуальное представление
Каждый смертный все же видит
Только то, что хочет видеть,
Отметая остальное.
Ля-ля-ля…
П. Саймон и А. Гарфункель, Боксер
Ранее нас учили не писать программы одним большим куском, а использовать принцип "разделяй и властвуй" и разбивать программу на модули. У каждого молу-ля есть свои собственные обязанности; модуль (или класс) считается четко определенным, если у него имеется одна четко обозначенная обязанность.
Но как только вы разбиваете программу на различные модули, основанные на обязанностях, вы сталкиваетесь с новой проблемой. Каким образом объекты общаются друг с другом на стадии выполнения программы? Как вы управляете логическими зависимостями между ними? Другими словами, как вы осуществляете синхронизацию изменений состояния (или обновление значений данных) различных объектов? Этой работе должна быть присуща четкость и гибкость – мы не хотим, чтобы они узнали друг о друге слишком много. Мы хотим, чтобы каждый модуль был похож на героя песни Саймона и Гарфункеля и видел только то, что хочет увидеть.
Начнем с концепции события. Событие представляет собой специальное сообщение, в котором говорится: "Только что случилось нечто интересное" (разумеется, с точки зрения наблюдателя). Мы можем использовать события, чтобы сигнализировать одному объекту об изменениях, произошедших с другим объектом, в которых последний может быть заинтересован.
Подобное использование событий сводит к минимуму связывание между двумя объектами – отправителю события не нужно обладать явной информацией о получателе. На самом деле могут существовать и множественные получатели, каждый из которых сосредоточен на собственном перечне основных операций (отправитель же находится в блаженном неведении относительно этого факта).
Однако при использовании событий необходимо соблюдать некоторую осторожность. Например, в одной из ранних версий Java одна подпрограмма получила все события, предназначенные для специфического приложения. Это не совсем подходит для облегчения сопровождения или развития программы.
Протокол "Публикация и подписка"
Почему считается дурным тоном пропускать все события через одну-единственную программу? Потому что при этом нарушается инкапсулирование объекта – теперь этой подпрограмме приходится получать сокровенную информацию о взаимодействии между многими объектами. Это также способствует увеличению связывания, а мы пытаемся его уменьшить. Поскольку и самим объектам приходится получать информацию об этих событиях, то, по всей вероятности, вы собираетесь нарушить принцип DRY, принцип ортогональности и, может быть, некоторые разделы Женевской конвенции. Быть может, вам случалось видеть подобные программы – их доминантой является огромный оператор case или многообразная конструкция if-then. Мы можем сделать это изящнее.
Объекты должны иметь возможность регистрации только для приема событий, которые им нужны, и никогда не должны посылать события, которые им не нужны. Мы не хотим, чтобы наши объекты подверглись спаммингу! Вместо этого мы можем воспользоваться протоколом типа "публикация и подписка", который представлен на рисунке 5.4 с помощью диаграммы последовательностей на языке UML
[34].
На блок-схеме последовательности показан поток сообщений между несколькими объектами, которые располагаются по столбцам. Каждое сообщение обозначено стрелкой с текстом, идущей от столбца отправителя к столбцу получателя. Звездочка у текста означает, что возможна посылка более одного сообщения данного типа.
Рис. 5.4. Протокол "Публикация и подписка"
Если нам интересны определенные события, которые генерируются объектом Publisher (Издатель), то все, что нам нужно, – это зарегистрироваться. Объект Publisher отслеживает все заинтересованные объекты Subscriber (Подписчик); когда объект Publisher генерирует событие, представляющее интерес, он, в свою очередь обращается к каждому объекту Subscriber, извещая их о том, что данное событие произошло.
На эту тему существует несколько вариаций, отражающих другие стили обмена данными. Объекты могут использовать протокол "Публикация и подписка" на одноранговой основе (как показано выше), а также "программную шину", где централизованный объект поддерживает базу данных «слушателей» и осуществляет соответствующую диспетчеризацию. Вы даже можете получить схему, в которой критические события транслируются ко всем «слушателям» – как зарегистрированным, так и незарегистрированным. Одна из возможных реализаций событий в распределенной среде иллюстрируется службой сообщений CORBA, описанной во врезке "Служба событий CORBA" (см. ниже).
Можно использовать протокол "Публикация и подписка" для реализации очень важного принципа проектирования: отделения самой модели от ее визуальных представлений. Начнем с примера графического интерфейса, используя конструкцию на языке Smalltalk, где зародилась данная концепция.
Принцип "модель-визуальное представление-контроллер»
Предположим, что есть приложение – электронная таблица. В дополнение к числам, расположенным в самой таблице, также имеется график, отображающий числа на гистограмме и диалоговое окно суммы с накоплением, отображающим сумму чисел в некотором столбце таблицы.
<< | >>
Источник: Эндрю Хант. Программист-прагматик. Путь от подмастерья к мастеру. 2004

Еще по теме Последовательность операций:

  1. Будьте последовательны
  2. Закон последовательности
  3. 13.5. Последовательные игры
  4. 13.5. Последовательные игры
  5. Что такое последовательность
  6. 12.7. Разработка диаграммы последовательности в среде Rational Rose
  7. 8.3. Пример построения диаграммы последовательности
  8. 3. СЧЕТ ОПЕРАЦИЙ С КАПИТАЛОМ И ФИНАНСОВЫХ ОПЕРАЦИЙ
  9. Диаграмма последовательности (sequence diagram)
  10. 8.4. Заключительные рекомендации по построению диаграмм последовательности
  11. ЗАКОН ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ЙЭНА БЕЙТИ
  12. рабочая процедура (последовательность работ