Генерувальне (порождувальне) програмування

 

Генерувальне програмування (generative programming) - це методи і засоби генерації сімейств систем і застосувань з окремих компонентів, аспектів, КПВ, кар­касів і ін. Базис цього програмування - ООП, доповнене механізмами генерації багаторазових елементів і КПВ, а також властивостями їхньої змінюваності, взаємодії й ін. [17]. Це програмування є новим видом програмування, в ньому використовуються різні методи інженерії складних ПрО для розроблення сімейств ПС із різних виготовлених раніше програмних продуктів, з генерованих програмних застосувань і систем, сімейств систем, члени яких задовольняють певні показники якості.

Головний продукт інженерії ПрО - це сімейство ПС, яке генерується на основі загальної генерувальної моделі домену GDM (Generative Domain Model), що містить у собі засоби визначення окремих членів (представників) сімейства, до яких відносять предметно-орієнтовану мову DSL (Domain Specific Language), методи генерації окремих членів і їх збирання у сімейство, а також базу конфігурації для розгортання сімейства або його членів у середовищі.

Кожен член сімейства створюється з окремих компонентів. Це створення планується, контролюється й оцінюється після інтеграційного тестування на якість, а також обліку витрат на використання КПВ, у тому числі готових, узятих, напри­клад, з активної бібліотеки [17].

Елементи цієї бібліотеки - цільовий код засобів забезпечення компіляції, налагодження, візуалізації й ін. Фактично компоненти бібліотеки - це інтелектуа­льні агенти, що генерують нові агенти в розширюваному середовищі програму­вання для розв'язання конкретних задач ПрО. У ньому містяться спеціальні метапрограми, тобто програми, що генерують інші програми, і компоненти бібліотеки для здійснення збирання згенерованих компонентів і поповнення ними цього середовища для майбутнього створення нових членів сімейства з компонентів багаторазового використання.

Задачі простору проблем предметної області або окремих членів сімейства, як правило, визначаються різними предметно-орієнтованими мовами. В даному ви­падку термін «мова» використовується в загальному розумінні. Тобто така мова може бути подана як засіб опису специфічних понять ПрО, різних аспектів функці­онування задач за допомогою операції взаємодії членів сімейств або їх складових і т.п. Поняття ПрО можуть бути поданні також процедурами, функціями, методами, як в ООП. Вони, як відомо, зберігаються в бібліотеках або вбудовуються в універсальну мову програмування (наприклад у C++, С# тощо). Коли в таку мову додаються різного типу абстракції опису різних задач ПрО, її називають модульною предметно-орієнтованою мовою.

Задачі можуть бути функціонального (наприклад, бухгалтерські, кадрові тощо) та системного (наприклад, захист даних, безпека, взаємодія тощо) типів. Спе­цифікація задач домену може використовуватися декількома предметно-орієнтованими мовами, кожній з них притаманна своя специфічна мова. До предметно-орієнтованих мов відносять такі:

- мова опису специфіки домену;

- мова опису функціональних задач домену;

- мова опису аспектів взаємодії, синхронізації компонентів у середовищі;

- мова опису захисту даних та безпеки виконання сімейства систем;

- мова опису інтерфейсів (PDL, IDL тощо).

Предметно-орієнтована мова - DSL. Вона належить до класу мов опису специфіки ПрО або домену, властивої саме цьому домену. Опис кожного члена сімейства може містить мову опису специфіки задач домену і генеруючої моделі домену GDM (Generative Domain Model), яка відображає склад домену із членів сі­мейства, специфікованих також у предметно-орієнтованих мовах.

Мова DSL не є новим винаходом, оскільки загальні абстракції програмування були визначені й вбудовані в мови загального призначення. І хоча мова DSL ство­рюється багато років і для кожної ПрО є свій варіант мови, її застосування для специфікації особливостей ПрО не забезпечує формування повного уявлення про предметну область, оскільки вона дає лише засоби визначення загальних рис ПрО.

Відомо, що будь-яка мова має визначену область застосування, проте мова DSL є більш спеціалізованою, ніж інші мови програмування (Фортран або Кобол), що створювалися для розв'язання конкретних типів задач (обчислювальних, еконо­мічних). Порівняно з ними, DSL близька до описових мов, таких, як HTML, XML. Вона має специфічні особливості порівняно з мовами загального призначення, а саме:

- абстракції DSL забезпечують визначення концепцій і абстрактних понять у предметній області;

- синтаксис мови DSL може надавати засоби природного опису понять доме­ну і запобігати синтаксичній неузгодженості, що буває при використанні мови загального призначення;

- перевірка опису в DSL вимагає статичних аналізаторів, що можуть знайти більше помилок, ніж аналізатори загального призначення, і дати повідомлення про них цією ж мовою, що є більш зрозумілим для фахівців у предметній області;

- оптимізація коду за описом в DSL базується на знаннях, що не є доступними компілятору з мови загального призначення;

- інструменти підтримки DSL погребують відповідного оточення, наприклад, середовища, редактора, контролера версій тощо. Специфікована в DSL модель ПрО є загальною моделлю GDM (рис.5.10).

 

 

Рис.5.10. Структура генерувальної моделі GDM

 

Модель відображає:

- поняття, характеристики ПрО і членів сімейства в просторі проблем;

- набір членів сімейства і їхніх специфікацій у мовах типу DSL, RAISE (Rigorous Approach to Industrial Software Engineering), RSL (RAISE Specification Language) і ін.;

- задачі ПрО в просторі задач для їхньої реалізації компонентами і з наступним їхнім збиранням в конфігурацію визначених членів сімейства;

- знання про конфігурацію (Configuration knowledge), що відображають характеристики членів сімейства, і їхнє поєднання в конфігурації;

- модель характеристик (feature models) відображає загальні, змінювані і незмінні характеристики членів сімейства і правила конструювання систем сімейс­тва з урахуванням їхньої залежності один від одного і від компонентів типу КПВ;

- архітектуру (каркас) сімейства систем;

- реалізацію компонентів архітектури у мовах програмування. Генерувальне програмування чітко поділяється на дві частини дослідження і проектування продукту ПрО - формування опису простору проблеми і простору розв'язків задач ПрО [5]. Перша частина призначена для проведення аналізу ПрО, виявлення її задач, які потрібно реалізувати, а друга - для розроблення засобів реалізації цих задач. Ці частини об'єднує конфігураційна і трансформаційна база знань про конфігурацію, тим самим утворюючи структуру моделі генерації у ПрО (або GDM) розроблюваних ПС (див. вищі рис.5.10).

Простір проблеми (problem space) містить у собі поняття ПрО та майбутньої системи, що будується за допомогою компонентів та КПВ, об'єкти та їхні характе­ристики тощо. Основою простору проблем є модель функціональних характерис­тик, властивості компонентів і об'єктів, змінювані параметри різних членів сімейс­тва, а також проектні рішення, обумовлені особливостями взаємодії членів сімейства між собою і з середовищем.

У базисі конфігурації відображені знання про конфігурацію системи у вигляді абстракцій загального і спеціального призначення, а також елементів з активної бібліотеки багаторазового використання. Крім того, у ньому зберігаються техноло­гічні знання про виготовлення компонентів, засоби їхнього тестування, планування, налагодження і вимірювання. На базисі конфігурації визначаються задачі ПрО і дається їх опис у відповідній мовній парадигмі.

Простір рішень (solution space) - це компоненти, каркаси, шаблони проекту­вання ПрО, а також засоби їхнього з'єднання або збудування в ПС і оцінки повноти. Елементи цього простору реалізують розв'язання задач ПрО. Каркас системи або сімейства систем оснащений механізмом зміни параметрів, що вимагають фрагментації множини дрібних методів і класів. Він забезпечує ство­рення багаторазових і використовуваних розв'язків у різних типах ПС, а також використання аспектів синхронізації, взаємодії і захисту даних за допомогою технології JavaBeans та нових механізмів композиції і генерації у середовищі Eclipse.

Простір проблем відбивається у простір задач за допомогою GDM моделі. Простір проблем містить у собі групу абстракцій, залежних від особливостей ПрО, які специфікуються так, щоб виразити поняття ПрО мовою, найбільш близькою до конкретного домену, і які можуть використовуватися для уточнення сутності того або іншого члена сімейства. Абстракції простору впливають на реалізацію компонентів мовою програмування в просторі, де розв'язуються задачі. Вони можуть бути змінені, якщо залежали від специфіки мови опису домену або від змі­нюваних особливостей області.

Перетворення простору проблем у простір задач проводиться конфігурацій­ним або трансформаційним способом. При конфігураційному способі використо­вують конструкторські правила й оптимізатори для додавання характерних рис до специфікації домену з урахуванням концепції домену, а також для перевірки ком­бінацій особливостей і залежностей в моделі GDM. Як результат утворюється кон­фігурація компонентів системи. Опис специфіки домену трансформується в опис мови реалізації компонентів простору розв'язання задач. Тобто перетворення опису ПрО у мову програмування відбувається шляхом генерації з використанням теорії мов і мовних перетворень.

Іншим способом перетворення (відображення) між просторами є трансфор­мація DSL - специфікації у реалізацію на мові програмування. Простір проблеми може бути не суцільним, а розділеним за окремими аспектами проблем. Залежно від аспекту проблеми трансформація може відбуватися не лише безпосередньо у мову реалізації, а й у іншу DSL-мову.

Оскільки при конфігураційному способі простір проблеми (загальні та особ­ливі характеристики і обмеження) фактично визначає проблемно-орієнтовану мову, а множина компонентів у просторі реалізацій мовою програмування може розгля­датися як елементи мови реалізації, конфігураційний спосіб можна інтерпретувати як окремий випадок трансформаційного способу.

У генерувальному програмуванні головним об'єктом є КПВ. Він використо­вується при створенні членів сімейства за двома інженерними напрямами програ­мної інженерії [11-14]:

1) прикладна інженерія (Application Engineering) - процес розроблення конкретних систем, так званих одиночних програм, із КПВ, а також застосування раніше створених незалежних ПС у різних середовищах;

2) інженерія ПрО (Domain Engineering) - побудова архітектури членів сімей­ства або самого сімейства систем шляхом використання КПВ, які зафіксовані в сховищах, а також частин і членів сімейства систем конкретної ПрО, отриманих за моделлю GDM (більш докладно див. розділ 9).

У цих напрямках інженерії моделювання архітектури здійснюється за моде­льно-орієнтованим підходом і завершується побудовою архітектури MDA (Model Driven Architecture). Моделювання MDA - архітектури системи відбувається на двох рівнях - платформо незалежному (за допомогою моделі РІМ, Platform Independent Model) і платформо залежному (за допомогою моделей PSM, Platform Specific Mod­els). Таке моделювання підтримує концепцію відображення простору у простір задач. Тобто в моделі сімейства ПС члени сімейства можуть мати спільні функції, але вони розрізняються платформами реалізації.

Вибір альтернативних платформ - є «точкою варіантності» у сімействі. Ця точка знаходиться над моделлю ПС, тобто вона невидима на її рівні. Керування «точкою варіантності» платформ відбувається через трансформацію PIM—>PSM без участі розробника.

Члени сімейства ПрО розрізняються не тільки на рівні платформи реалізації а й на рівні функцій ПС, вимог до якості та інфраструктури, тобто застосовних ресурсів, які реалізують альтернативні концепції. Вибір різних концепцій зумовлює появу різних прикладних моделей (моделей ПС), які автоматично трансформуються в традиційну модель MDA.

Головними ресурсами вказаних двох напрямів інженерії є не тільки КПВ, а й різні елементи (активи) сімейства систем, наприклад, описи спільних і різних характеристик представників сімейства в моделі характеристик. Вибрані КПВ вбудовуються в нові члени сімейства ПС зі сховищ домену, наприклад, репозитарію. Технологія розробки сімейства програм для ПрО містить у собі три види базових процесів:

- розробка ПрО й одиночних програм;

- повторне використання ресурсів;

- менеджмент домену.

Розробка ПрО з КПВ є конвеєрною. Для ПрО плануються базові ресурси, якими можуть бути КПВ, програми, генератори, DSL - описи, моделі аналізу, доку­ментація й ін. Проектування в ПрО одиночних програм у прикладній інженерії базується на програмуванні з повторним використанням, де конкретні програми містять у собі різні готові ресурси (assets), які можуть бути і КПВ. Розробка ПрО є більш складним виробничим процесом, який містить у собі загальні етапи: аналіз, проектування і впровадження.

Аналіз ПрО зводиться до подання сімейства як множини програмних систем, які треба побудувати, з урахуванням загальних і різних рис, а також структурних і поведінкових специфікацій окремих членів сімейства. Цей аналіз починається з формулювання і специфікації вимог до ПС- членів сімейства і сімейства загалом. Специфікація вимог - це вхідна інформація для ручного або автоматичного ство­рення домену з готових ресурсів. Після специфікації будується архітектура системи, в яку вміщуються запрограмовані члени сімейства та готові прикладні системи.

Повторне використання ресурсів стосується різних ресурсів для ПрО і методів їх використання. Ресурси можуть бути повторними і відображатися в загальній архітектурі (моделі) сімейства, а також у всіх членах сімейства ПрО. Сукупність цих ресурсів може бути частково або цілком автоматизована за допомогою генераторів або конфігураторів готових ресурсів. Генеровані продукти сімейства можуть містити у собі і методичні артефакти, наприклад, інструкції з користування DSL і компонентами домену.

Менеджмент домену - це керування конвеєрним розробленням з повторним використанням ресурсів. Він передбачає планування і контроль підбору типових для ПрО ресурсів, їхню оцінку і перевірку на задоволення вимог. У задачу менеджменту входить також перевірка застосовності готових ресурсів для реалізації специфіки ПрО і організація програмування компонентів простору задач відповідно до потреб клієнтів домену.

Таким чином, інженерія ПрО охоплює:

- аналіз ПрО і виявлення об'єктів і відношень між ними;

- визначення області дій об'єктів ПрО;

- визначення загальних функціональних і змінюваних характеристик, побу­дова моделі характеристик;

- створення базису для інженерії виробництва конкретних прикладних членів сімейства з механізмами змінюваності незалежно від засобів їхньої реалізації;

- підбір і підготовка компонентів багаторазового застосування для задач ПрО;

- генерація окремих членів сімейства або домену в цілому..

Етапи цієї схеми забезпечують формування моделі ПрО і моделі характерис­тик, як елементів простору проблем. Вони трансформуються в архітектуру системи й опис її компонентів, які об'єднуються у окремі системи для забезпечення розв'язання задач ПрО у просторі рішень.

Як готові ресурси в інженерії ПрО можуть використовуватися відомі горизонтальні і вертикальні типи компонентів загального призначення, що реалізовані зокрема в моделі CORBA [14]. Горизонтальні типи компонентів - це загальні системні засоби, що потрібні різним членам сімейства, а саме, графічні інтерфейси користувача, СКБД, бібліотеки розрахунку матриць, контейнери, каркаси і т.п.

До вертикальних типів компонентів належать прикладні системи (медичні, біологічні, наукові і т.д.), а також компоненти горизонтального типу з обслуговування архітектури багаторазового застосування компонентів і. їхніх інтерфейсів.

Приклад системи підтримки інженерії ПрО і застосування горизонтальних методів - система DEMRAL [14, 17], призначена для розробки бібліотек: чисельного аналізу, графових обчислень і т.д. Основні види елементів цієї бібліотеки - абстрактні типи даних (abstract data types) і алгоритми. DEMRAL підтримує інженерію домеїгу за допомогою бібліотек чисельного аналізу, обробки зображень тощо. Крім цього, ця система дозволяє моделювати характеристики ПрО і зображати їх у характеристичній моделі, а також в предметно-орієнтованих мовах опису конфігурації.

Система конструювання RSEB призначена для використання вертикальних методів, а також КПВ і сценаріїв (use case), як інструментів діаграмного проекту­вання архітектури системи. Методи вертикального типу можуть викликати різні горизонтальні методи, що входять до різних прикладних підсистем. При роботі над окремою частиною сімейства можуть застосовуватися аспекти взаємодії, потоків даних і ін. Важливу роль при цьому виконує графічний інтерфейс користувача і метод забезпечення взаємодії компонентів у розподілених середовищах.