2. Arquitectura (1) Definición, estilos y evaluación:
Primer nivel de descomposición, que muestra como se organiza el sistema en términos de sus componentes y las interacciones entre ellos. Cambiar la Arquitectura de un producto ya construido en general exige mucho esfuerzo => Evaluación de Arquitecturas Distintos “estilos” que definen familias de sistemas en términos de patrones de organización estructural. Un estilo de arquitectura implica sus componentes, conectores y exigencias al combinarlos. Identificarlos y caracterizarlos para facilitar la comunicación entre diseñadores
2. Arquitectura (2) Influencia y características:
Sus características condicionan las características del producto final (escalabilidad, capacidad, desempeño, consistencia, mantenibilidad, compatibilidad, etc.) Estilo y estructura particular elegidos pueden depender de Requerimientos No Funcionales: 1 – Desempeño: localizar operaciones críticas en un número reducido de subsistemas con poca comunicación. Componentes de grano grueso.
2 – Seguridad: estructurar en capas con los recursos más críticos protegidos por las capas más internas con alto nivel de validación.
3 – Mantenibilidad: componentes autocontenidos que puedan ser intercambiados con facilidad, evitando estructuras de datos compartidas. Componentes de grano fino.
CONFLICTO DE INTERESES: entre los requerimientos 1 y 3, si se tienen ambos se deberá buscar una solución intermedia.
2. Arquitectura (3) Elementos para la documentación:
SAD (Software Architecture Description) salida del proceso de diseño de arquitectura, donde se incluyen modelos gráficos que muestran perspectivas distintas del sistema y descripciones textuales. Documentarla para que pueda ser utilizada y mantenida por otros, con suficiente detalle, sin ambiguedades ni repeticiones, registrando decisiones tomadas. Notaciones: UML general, accesible. ADL’s formales, para expertos. Complejidad se maneja documentando diferentes vistas de la arq., proyección en una dimensión mostrada desde una perspectiva, sin tener en cuenta entidades no relevantes a esa perspectiva.
The “4+1” View Model of Software Architecture – Kruchten’95 Vistas definidas: lógica, procesos, implementación, física y CU. Todas son guiadas por los CU (o escenarios) significativos a la arquitectura
Beneficios esperados de prestarle atención:
Mejorar la comunicación entre los distintos interesados: Cliente – diseñadores Diseñadores – desarrolladores Clarificar intenciones de diseño la arquitectura concebida a menudo se pierde, comunicación en gral. informal (difícil) Proporcionar bases para análisis del diseño predecir desempeño y otras características y ajustar el diseño como tarea rutinaria Mejorar el mantenimiento gran parte del esfuerzo de mantenimiento se dedica a entender Identificar cuestiones interesantes incluso careciendo de métodos formales 2. Arquitectura (4)
Métodos para evaluación de arquitecturas:
Analizar la arquitectura para ver si cumple requisitos de calidad establecidos (ej. confiabilidad, interoperabilidad) Preferible realizar evaluaciones tempranas que permitan introducir cambios con menor impacto y mejorar los aspectos de riesgo identificados Evaluaciones a posteriori resultan útiles como forma de aprendizaje y estudio de posibilidades de mejora, por ej. para una nueva versión del producto Software Engineering Institute (SEI) propone: Architecture Tradeoff Analysis Method (ATAM) Software Architecture Analysis Method (SAAM) 2. Arquitectura (5)
Diseño: Arquitectura vs. Programas (Gp:) Implementaciones de partes (Gp:) Interacciones entre partes (Gp:) Muestra (Gp:) Copia de código o llamado a bibliotecas (Gp:) Composición de subsistemas (Gp:) Reutilización (Gp:) Dentro de los límites de módulo (Gp:) Fuera de los límites de módulo (Gp:) Visión (Gp:) Desempeño de algoritmos (Gp:) Desempeño a nivel del Sistema (Gp:) Evaluación (Gp:) En general dinámico (Gp:) En general estático (Gp:) Análisis (Gp:) Propiedades computacionales (Gp:) Propiedades estructurales (Gp:) Considera (Gp:) Programas (Gp:) Arquitectura
Arquitectura–Estilos (Garlan&Shaw, Sommerville,otros) Flujo de Datos Secuencial por lotes / Tubos y Filtros/ Circuitos de Control Llamada y Retorno Programa Principal y subrutinas / Orientada a Objetos Componentes Independientes Procesos que se comunican / Invocación implícita (Eventos) Centrado en los Datos (repositorios) Bases de Datos / Pizarrones (Blackboards) Máquinas Virtuales Intérpretes / Capas Jerárquicas Específicas del Dominio de Aplicación Modelos genéricos / Modelos de referencia Distribuidas Cliente-Servidor/ Objetos Dists. / Dist. Procesos, datos / SOAs Heterogéneas y Otras
1 – Flujo de Datos Caracterizadas por: La disponibilidad de los datos controla la ejecución La estructura del diseño está dominada por el movimiento ordenado de los datos de un componente a otro El patrón del flujo de datos es explícito En un sistema puro no hay otra interacción entre procesos Ejemplos: Secuencial por lotes (dominada por actualización de BD) Tubos y Filtros – Filtros conectados en un grafo de flujo de datos Circuitos de Control de Procesos
Tubos y Filtros (1) Características: Por los tubos fluyen datos, transmisión de salidas de un filtro a la entrada de otro Cada filtro admite una o varias entradas (tubos) y una o varias salidas (tubos) Cada filtro es independiente del resto y no conocen la identidad de los filtros antes y después de él La transformación del filtro puede comenzar antes de terminar de leer la entrada (distinto al proceso por lotes) Respetando el grafo, no importa la secuencia (paralelismo)
Ejemplo: pipelines (Unix)
Filtro Tubo
Tubos y Filtros (2) Bondades: Fácil comprender el comportamiento total de entrada/salida del sistema a partir de los efectos de cada filtro (entrada->transformación->salida) Permite reutilización (simplicidad de interfaces, filtros reutilizables) Fácil evolución y mantenimiento (agregar, sustituir, eliminar filtros) Permite evaluar desempeño (independencia de filtros) Permite ejecución en paralelo
Limitaciones: Orientado a procesamiento por lotes (no interactivo) Necesidad de consistencia entre flujos de datos La independencia entre filtros puede acarrear la repetición de procesos de preparación (ineficiencias) (ej. validaciones)
Circuitos de Control (de Procesos) (1) Propósito: Proveer control dinámico de un entorno físico. Ej. sist. acond. ambiental Mantener propiedades específicas de las salidas del proceso dentro o cerca de valores de referencia indicados (puntos fijos o referencias) Elementos a considerar: Variables a monitorear, sensores a utilizar, su calibración, temporización tanto del sensado como del control. Clasificación: Bucle con retroalimentación (feedback loop) Mide la variable controlada y ajusta el proceso para mantener el valor cerca o dentro de la referencia. Bucle con prealimentación o anticipador (feedforward loop) Mide otras variables del proceso que actúan como indicadores e intenta anticipar los futuros efectos sobre la variable controlada.
Circuitos de Control (de Procesos) (2) Proceso Controlador variables de Entrada Punto de fijación Variable Controlada Cambios en las variables manipuladas Bucle con retroalimentación (feedback loop): Bucle anticipador (feedforward loop): variables de Entrada Punto de fijación Controlador Cambios en las variables manipuladas Variable Controlada Proceso
Flujo de Control vs. Flujo de Datos Flujo de Control: La cuestión dominante es cómo se mueve el control a través del programa los datos pueden acompañar el control pero no son dominantes el razonamiento se refiere al orden de ejecución
Flujo de Datos: La cuestión dominante es cómo los datos se mueven a través de un conjunto de procesos atómicos a medida que se mueven los datos se activa el control el razonamiento se refiere a la disponibilidad de los datos, su transformación, las demoras
2 – Llamada y retorno Programa Principal y Subrutinas: Descomposición Funcional tradicional Orientada a Objetos (tipos abstractos de datos) Ocultamiento de Información, especialmente de representaciones Otros Capas Jerárquicas Sistemas Cliente/Servidor Remote Procedure Call
Programa Principal y Subrutinas (1) Características: Descomposición jerárquica: basada en la relación “usa” Único Hilo de Control (Thread of Control) soportado directamente por los lenguajes de programación Estructura de subsistemas implícita subrutinas agregadas en un módulo Razonamiento jerárquico: que una subrutina sea correcta depende de que sean correctas las subrutinas llamadas Bondades: Permite analizar los flujos de control y saber como responderá el sistema a cierto tipo de entradas Limitaciones: Manejo de excepciones
Programa Principal y Subrutinas (2) Principal Subr. A Subr.B Subr.C Subsistema Llamado/Retorno
Orientada a Objetos (1) Caracterizada por: La solución está compuesta por un conjunto de agentes que interactúan Representación de datos y operaciones asociadas se encapsulan en un objeto o TAD. Herencia, Polimorfismo, Sobrecarga de operadores, enlace dinámico Bondades: Facilita el Mantenimiento (localización de impacto) Promueve la reutilización de componentes Permite cambiar la implementación de un objeto sin afectar al resto Limitaciones: Un objeto debe conocer las interfaces de aquellos que utiliza Si se cambia una interfaz, se afectan todos los que la utilizan
Orientada a Objetos (2) Llamado Objeto
3 – Componentes Independientes Procesos que se comunican Pasan mensajes a los participantes conocidos Sistemas guiados por eventos Invocación implícita de participantes desconocidos Otros Envíos de mensajes múltiples con enlace dinámico
Procesos guiados por interrupciones Controlador de interrupciones pasa el control a algún componente para su procesamiento
Procesos que se comunican (1) Características: Muestra al sistema como un conjunto de unidades ejecutando concurrentemente y sus interacciones. Componentes: procesos independientes típicamente implementados como tareas independientes Conectados por: mensajes punto a punto asincrónicos y sincrónicos RPC y otros protocolos se pueden construir encima Ejemplos: procesos que monitorean ejecución de otros procesos.
Procesos que se comunican (2) Mensaje Proceso
Invocación Implícita (guiada por eventos) Caracterizada por: Se registran procedimientos para los eventos Un componente comunica un evento Cuando se anuncia un evento los procedimientos asociados son invocados implícitamente El orden de invocación es no determinista Bondades: Facilita la reutilización de componentes Fácil cambiar los componentes que atienden un evento Limitaciones: No hay garantías respecto a qué va a pasar frente a un evento (quién responderá ni en que orden se dará la ejecución) Limitaciones en la verificación (comprobar correctitud debido a dependencia del contexto y secuencia de eventos) Ejemplos: Depurador de programas que invoca uno u otro editor
4 – Centrados en los datos (repositorios) Caracterizada por: Hay un almacenamiento central de datos y un conjunto de componentes que operan sobre éste.
Bases de Datos transaccionales gran almacén de datos central orden de operación determinado por la entrada de datos Pizarrón (blackboard) representación central compartida adecuada a una aplicación orden de operación determinado por estado actual de la estructura central Otros Herramientas CASE Sistemas integrados de diseño
Pizarrón (Blackboard) (1) Fuentes de Conocimiento Procesos independientes que corresponden a particiones del conocimiento del mundo y del dominio dependientes de la aplicación Responden a cambios en el pizarrón Estructura de datos del Pizarrón Estado completo de la solución del problema Jerarquía de datos de estado para resolver el problema único medio por el cual las Fuentes de conocimiento interactúan para llegar a la solución Control Guíado enteramente por el estado del pizarrón Las Fuentes de conocimiento responden oportunamente cuando los cambios en el pizarrón aplican Puede implementarse en las FC, en el pizarrón, en un componente separado o cualquier combinación de éstos.
Pizarrón (2) Pizarrón FC 1 FC 7 FC 6 FC 2 FC 3 FC 4 FC 5 Cálculos Memoria (Compartida)
5 – Máquinas Virtuales Intérpretes: crean una máquina virtual cuando no se dispone de la que se desea Capas Jerárquicas: cada capa constituye una máquina virtual que provee servicios a las otras capas Otros: Sistemas basados en Reglas tipo especial de intérpretes procesadores de lenguaje de comandos shells
Intérpretes (1) Características: procesador emulado por software datos representación del programa que se interpreta estado del programa que se interpreta estado interno del intérprete El control reside en el ciclo de ejecución del intérprete
(Gp:) Datos (estado del programa) (Gp:) Programa siendo interpretado (Gp:) Estado interno del interprete (Gp:) Motor de interpretación simulada (Gp:) Memoria (Gp:) entradas (Gp:) salidas (Gp:) Máquina de estado de la ejecución (Gp:) Instrucción seleccionada (Gp:) Datos seleccionados (Gp:) Acceso a datos Recuperar/Almacenar
Intérpretes (2)
Capas Jerárquicas (1) Caracterizada por: Hay diversas capas, cada una provee un conjunto de servicios a las capas superiores y requiere servicios de las inferiores. Modelo estricto: el acceso a servicios de otras capas está limitado, una capa sólo utiliza servicios de la inmediata inferior, y ofrece servicios a la inmediata superior. Sino Modelo relajado. Definición de protocolos mediante los que interactúan las capas Bondades: Facilita la comprensión (basado en niveles de abstracción) Facilita mantenimiento (posible modificar una capa sin afectar al resto) Facilita reutilización Facilita portabilidad Limitaciones: No siempre es fácil estructurar en capas ni identificar los niveles de abstracción a partir de los Requerimientos Puede afectar el desempeño la coordinación entre los niveles
Capas Jerárquicas (2) (Gp:) Usuarios (Gp:) Criptografía (Gp:) Interfaces de Archivos (Gp:) Gestión de Claves (Gp:) Autenticación
Ejemplo: Capas de Sistema de Seguridad
6 – Específicas del dominio de aplicación Modelos específicos para un dominio de aplicación particular Modelos genéricos: Abstracciones de sistemas existentes que encapsulan las características principales de los mismos. A menudo representan la arq. común de una familia de aplicaciones (línea de productos). Ejs. Módulos que se deben incluir en un compilador Modelos de referencia: Modelos abstractos idealizados derivados de un estudio del dominio de aplicación. Proveen información sobre la estructura general del sistema y actúan como estándar contra el cual evaluar sistemas. Ejs. Modelo de capas OSI para sists. de comunicación
7 – Distribuidas Cliente-Servidor: servicios provistos por los servidores y requeridos por los clientes Objetos Distribuidos: objetos brindan y requieren servicios de otros objetos Service Oriented Architecture (SOA): composición de servicios (ej. web-services) Distribución de: Datos (centralizados, distribuidos, replicados) Procesos (fija, variable) Comunicación: Remote Procedure Call Pasaje de mensajes
7 – Distribuidas Características: El procesamiento de la info es distribuído sobre varias computadoras (procesadores) conectados por una red se requiere cierto software de “middleware” para administrar las partes y asegurar comunicación e intercambio de datos el “middleware” es un software de propósito gral. que por lo regular se vende comercialmente, y actúa como mediador entre las partes categorías de “middleware”: monitor transaccional (TPM), remote procedure call (RPC), message oriented mid.(MOM), distributed object mid., database access mid. Bondades: Compartición de recursos, apertura, concurrencia, escalabilidad, tolerancia a fallas, transparencia. Limitaciones: complejidad, seguridad, difíciles de gestionar, poco predecibles
Cliente – Servidor Caracterizada por: hay un conjunto de servicios provistos por los servidores y un conjunto de clientes que requieren esos servicios. Los clientes conocen a los servidores pero no a otros clientes y los servidores no tienen porque conocer a los clientes tanto los clientes como los servidores son procesos lógicos la asignación de procesos a procesadores no tiene porqué ser 1:1 Ejemplo: Ci = clientes Si = servidores
Cliente – Servidor en 2 niveles Organización más simple de la distribución C/S, un conjunto de clientes y un servidor (o varios servidores idénticos): CLIENTE FINO: el procesamiento de la aplicación y manejo de los datos se hace en el servidor. El software en el cliente implementa solo la presentación Gran carga de procesamiento tanto en el servidor como en la red CLIENTE GRUESO: el servidor solo es responsable por el manejo de los datos. El software en el cliente implementa la lógica de la aplicación y las interacciones con el usuario. Administración del sistema más compleja (actualizaciones)
Los applets descargables de Java permiten: Parte del software de procesamiento de la aplicación se descarga en el cliente como applets de Java, la interfaz de usuario se construye utilizando un navegador Web que los ejecuta
3 niveles: Los procesos lógicos que tienen que ver con la presentación, lógica de aplicación y administración de datos pueden ser distribuídos en 3 sistemas de cómputo distintos. N niveles: Se amplía la de 3 niveles agregando niveles según se requiera. Ej. aplicación que necesita acceder y utilizar datos de distintas fuentes (integración) Bondades: Respecto a C/S en 2 niveles: son más escalables, se reduce el tráfico en la red (respecto a cliente fino), facilita la actualización del procesamiento de la aplicación (respecto a cliente grueso)
Cliente – Servidor en 3 y más niveles
Objetos distribuidos Características: No hay distinción entre clientes y servidores Cada elemento distribuido es un objeto que provee servicios a otros objetos y requiere servicios de otros objetos. Comunicación entre objetos es a través de un middleware llamado Object Request Broker (software bus) ej. CORBA Más complejos de diseñar que los sistemas C/S Ejemplo:
Service Oriented Architecture (SOA) Características: Funcionalidades expuestas como servicios independientes mediante interfaces públicas bien definidas Procesos del negocio se realizan estableciendo secuencias (coreografías) de invocación de éstas funcionalidades Implementación con web-services brinda mayor interoperabilidad, utilización de protocolos estándares de comunicación e intercambio de información (SOAP, XML) Funcionamiento gral.:
Motivación: Costo de un acceso remoto en una red super-rápida es aprox. 4 veces el costo de un acceso local. Soluciones: Distribuir los datos en varias máquinas según cercanía a quienes más los acceden, el todo es la suma de las partes. Replicar los datos en varias máquinas (caso extremo en cada una) de forma que los accesos sean mayormente locales. Se debe mantener consistencia de las copias
Distribución de Datos Distribución de Procesos Puede ser estática o dinámica: Estática: está predefinido donde se ejecutará cada proceso Dinámica: la distribución de procesos se establece en tiempo de ejecución ? permite migración de procesos
Remote Procedure Call: Llamada retorno entre módulos en distintas máquinas. Aspectos a tener en cuenta: pasaje de parámetros (distintos espacios de memoria), manejo de excepciones.
Pasaje de mensajes: Cada módulo recibe mensajes de otros, los procesa y responde al módulo apropiado. Aspectos a tener en cuenta: cantidad de mensajes que se pueden recibir.
Ambos paradigmas son iguales en capacidades, uno puede simularse con el otro. RPC inherentemente sincrónico y pasaje de mensajes asincrónico.
Comunicación
8 – Heterogéneas y Otras Combinación de varios de los estilos vistos anteriormente
Distintas formas de realizar esta combinación: Jerárquicamente: un componente organizado en un estilo puede tener estructura interna desarrollada en otro estilo. Ej. Tubos y filtros y cada filtro con otro estilo.
Mezcla de conectores: un componente puede utilizar distintos estilos de conectores para interactuar con distintas partes del sistema. Ej. un componente accede a un repositorio a través de parte de su interface pero interactúa a través de tubos con otros componentes.
Otras: clasificación no cerrada, pueden haber otros estilos, pueden clasificarse en forma distinta ……
3. Técnicas y Herramientas Concurrencia Interfaz de Usuario Principios para guiar el Diseño Modelo de Análisis de Jacobson Tarjetas CRC Diagramas UML Patrones de Diseño Marcos de trabajo (Frameworks) Model Driven Development / Architecture (MDD – MDA) Desarrollo basado en componentes
Procesos Concurrentes Control de Acceso a Recursos Compartidos Exclusión mutua (Prueba y Bloqueo en una operación indivisible) Guardián (un “demonio” que acepta requerimientos si el recurso está disponible) Monitores (un objeto abstracto que exporta servicios garantizando exclusión) Tiempo Real Procesos Concurrentes + tiempo crítico Según gravedad de no suministrar servicio en el plazo: Soft – operación se degrada si no se cumplen los reqs. de tiempo (ej: central telefónica) Hard – operación es incorrecta si no se cumplen los reqs. de tiempo (ej: central nuclear)
Complejidad en el diseño Sist. Secuencial tiempo solo Sist. Concurrente afecta performance Sist. Tiempo Real Soft tiempo también Hard afecta correctitud
Los Sists. de Tiempo Real en gral. interactúan con ambiente externo que produce estímulos en forma autónoma a los cuales el software debe responder en un tiempo límite establecido.
Diseño de la Interfaz de Usuario (1) Principios generales (Sommerville) Familiaridad: utilizar términos familiares a los usuarios Consistencia: menúes y comandos con el mismo formato y significado en toda la aplicación Mínima sorpresa: misma acción en contextos comparables produzcan un cambio similar Recuperabilidad: recuperación frente a errores cometidos por el usuario, brindar: confirmación de acciones destructivas recursos para deshacer en varios niveles Guía al usuario: proveer ayuda en varios niveles Diversidad de usuarios: tener en cuenta distintos tipos de usuarios.
Diseño de la Interfaz de Usuario (2) Elementos Claves (Pfleeger): Metáforas: imágenes fundamentales y conceptos Modelo del método: la organización y representación de la información Reglas de navegación para el modelo: cómo moverse y el modelo espacial Apariencia: transmite información y significado para los usuarios Sensación: la que proporciona experimentar las técnicas de interacción
Color en el diseño de la Interfaz (1) Lineamientos clave (Shneiderman 1998) Limitar cantidad de colores utilizados, no más de cuatro o cinco colores distintos por ventana Utilizar un cambio de color para indicar un cambio en el estado del sistema Utilizar el código de colores para apoyar tarea de usuarios, por ej. resaltar similitudes o diferencias Utilizar el código de colores en forma consistente, por ej. desplegar mensajes de error en rojo siempre! Tener cuidado al combinar colores que puedan producir cansancio en la vista
Color en el diseño de la Interfaz (2) Elementos culturales ¿Qué color utilizar? ¿Púrpura? En Inglaterra representa la realeza En Japón, dignidad y nobleza En Grecia representaba al diablo y la muerte Dos pasos para hacer nuestros sistemas multi-culturales (1) eliminar sesgos o referencias a una cultura específica (2) ajustar (1) para las culturas que utilizarán el software
Preferencias de Usuario A ella le gusta, a él no… No hay una interfaz universal aplicable a todo el mundo construir un prototipo y evaluarlo con la audiencia objetivo permitir adaptar la interfaz de usuario ejemplo: Microsoft Word vs. WordPerfect
Guía para definir la interfaz de usuario Facilidad de Uso Alto
Medio
Bajo Entrada de datos Reconocimiento Línea de Formu- Pantalla OCR de Voz Comandos larios sensible optical character al tacto recognition
Soporte al Usuario Sistema de ayuda debe proveer: Mensajes de error Amables, concisos, consistentes y constructivos, si es posible incluir sugerencia para correción Ayuda en línea Páginas web con hipervinculos, ventanas múltiples Cuidar la estructura de navegación, si es compleja los usuarios se pierden Documentación de usuario Incluyendo secciones de: instalación, descripción general, descripción funcional, mensajes de error.
Mensajes de error Err or #27 Identificador de paciente no válido ? El paciente J. Bates no está registrado
Seleccione: Pacientes para listado de pacientes registrados Reintentar para reingresar el nombre del paciente Ayuda para más información Pacientes Mensaje orientado al sistema Mensaje orientado al usuario Ayuda Reintentar Cancelar Aceptar Cancelar
Diseño – Principios Diseño para el Cambio Separación de Intereses Modularización (localización del impacto de los cambios) Niveles de Abstracción (facilita comprensión) Ocultamiento de Información (encapsular) Alta Cohesión, Bajo Acoplamiento
Diseño para el cambio ¿Qué puede cambiar? Algoritmos requerimientos de desempeño, escala Representación de los datos requerimientos de desempeño, escala cambios en interfaces equipos externos ambiente social Para reducir el impacto de los cambios: Modularizar
Modularización (1) Módulo: un componente bien definido de un sistema de software que provee recursos y servicios Están bien definidos: Recursos y Servicios La forma de suministrarlos (Interfaces) Un módulo puede ser un programa o varios, una subrutina o varias Principio de Separación de Intereses cada módulo se ocupa de aspectos específicos
Modularización (2) Definir módulos e interfaces Interfaces definen el acoplamiento entre módulos Comportamiento (Pre-Post condiciones) y colaboraciones Ocultamiento de Información La información de un módulo debe ser privada a menos que se declare pública, única garantía de que otros módulos no la utilicen ( – impacto de cambios, + fácil de comprender y usar) Diseño interfaz:¿Qué servicios brindar, qué ocultar? Mínima, bien definida, independiente de implementación Alta Cohesión – Bajo acoplamiento Alta cohesión interna de cada módulo (los elementos del módulo están fuertemente relacionados entre sí) Bajo acoplamiento entre módulos (débiles conexiones entre módulos -impacto reducido de cambios)
Categorías de módulos Sin persistencia (estado) Abstracciones de procedimientos (algoritmo) Bibliotecas (ej. rutinas matemáticas) Sólo Datos Repositorio común de datos (ej. Configuración) Algoritmos + Estado Objetos abstractos (ej. Stack) Tipos Abstractos de Datos paramétrico en tipo (ej. Stack (?) ) Clases (OO)
Criterios para modularizar Descomposición Descomponer el problema en sub-problemas (diseño top-down) Composición A partir de los componentes es posible obtener un nuevo sistema (diseño bottom-up) Continuidad del impacto por cambios Pequeños cambios en la especificación afectan pocos módulos Protección durante ejecución Efectos de anomalías durante la ejecución están localizados
Principio Abierto/Cerrado “los módulos debieran ser a la vez abiertos y cerrrados” Abierto para permitir extensiones Agregar operaciones o atributos para extender el comportamiento Cambiar representaciones internas e implementaciones en caso necesario Cerrado para permitir ser usado por otros módulos La interfaz debe mantenerse cerrada a los cambios y asegurar que se mantiene el comportamiento (pre- y post-condiciones)
Principio de elección única Cuando un sistema de software debe soportar un conjunto de alternativas, un módulo y sólo uno debe conocer la lista completa de alternativas Minimiza Código a escribir Impacto de cambios en la lista Reduce la complejidad y por lo tanto facilita comprensión En general, se debe minimizar la distribución de conocimiento
Modularización – Beneficios Separar aspectos del diseño Permitir cambiar algunos sin afectar al resto Permite Extender fácilmente artefactos (extensibilidad) Reusar artefactos existentes (reusabilidad) Ocultar dependencias de la plataforma (portabilidad) Diseñar interfaces que se adapten a otras (compatibilidad) Minimizar impacto de cambios (mantenibilidad) Facilitar la comprensión Organizar y distribuir el trabajo Alta modularización => Alta cohesión – Bajo acoplamiento
Cohesión Coincidente (no relacionados) Lógica (tipo de función) Temporal (se usan en el mismo momento) de Procedimiento (asegurar el orden de ejecución) de Comunicación (operan sobre o generan los mismos datos) Secuencial (salida de una parte es entrada de otra) Funcional (cada parte es esencial para cumplir una función) de Información (TAD – extensión para OO)
Cohesión Coincidente Poca o ninguna relación entre los elementos de un módulo Dificulta el mantenimiento Módulos no reusables Manifestaciones en el caso de OO Clase no representa un único concepto OO Conjunto de código usado frecuentemente como una clase con herencia múltiple
Cohesión Lógica El módulo cumple varias funciones relacionadas. Al invocar al módulo se debe indicar mediante un parámetro qué función llevar a cabo Interfaz difícil de entender El código para más de una función puede entremezclado Difícil de reusar Solución: Aislar cada función en operaciones separadas
Cohesión Temporal Los elementos del módulo están agrupados porque se usan en el mismo período No reusable Ejemplo: Módulo que concentra la inicialización de valores a objetos Módulos que se encargan de limpiar al fin de un trabajo
Cohesión de Procedimiento Los elementos del módulo están agrupados sobre la base de participar en un proceso o algoritmo Específicos para una aplicación Difícilmente reusable En el contexto el módulo es razonable, pero difícil de entender fuera de este Solución: Rediseñar
Cohesión de Comunicación Los elementos del módulo usan y/o generan el mismo conjunto de datos Difícilmente reusable Solución: Aislar cada elemento en módulos separados
Cohesión Funcional Las operaciones de un módulo se pueden describir colectivamente como una única función más reusable Mantenimiento correctivo más fácil En OO: Cada operación de la interfaz pública debiera presentar cohesión funcional Cada objeto debe representar un único concepto cohesivo
Cohesión de Información Un módulo tiene cohesión de información si cumple varias funciones: Varios puntos de entrada Cada entrada desempeña una función específica Todas las funciones están relacionadas por un concepto, estructura de datos, o recurso que el módulo oculta
Acoplamiento Acoplamiento por Contenido modificación de variable interna, ejecución de una porción de procedimiento Area Común (cualquiera modifica) De Control (No hay ocultamiento de información) Parámetro (de entrada o salida) que gobierna ejecución Estructura de Datos (comparten la estructura) Datos (lo deseable) – mínima No acoplado
Tarjetas CRC (1) Clase – el nombre Responsabilidades – lo que sabe y lo que hace Collaboraciones – quiénes le ayudan (Gp:) Clase: Model (Gp:) Colaboradores: View Controller
(Gp:) Responsabilidad: Proporciona el núcleo de funcionalidad de la aplicación Registra los View y Controller dependientes Notifica a los componentes dependientes acerca de cambios en los datos
Tarjetas CRC (2) Permite una rápida visión de los elementos esenciales de las clases al encarar la descomposición Se usan como técnica de diseño con participación de usuarios Cada uno desempeña el rol de una clase Cada uno describe lo que hace al “ejecutar” un determinado escenario de cierto caso de uso
Diagramas UML (1) Paquetes (visión de alto nivel mostrando dependencias) mecanismo para agrupación de elementos la dependencia significa que cambios en uno afectan al otro Subsistemas (visión de paquetes, comportamiento de clases) agrupación lógica de elementos de diseño, con interface de servicios que brinda (implementados por las clases) De Interacción (dos visiones distintas de lo mismo) Secuencia (deja en claro la evolución temporal) Comunicación (muestra más claramente las interacciones, pero el orden está dado por números) Clases (relaciones estáticas, operaciones,navegabilidad) Componentes (dependencias entre componentes) Despliegue (Deployment del software en el hardware)
Diagramas UML (2) Paquetes Elemento de modelado que contiene otros elementos de modelado como mecanismo de agrupación no tiene semántica definida puede no tener representación en implementación (si tiene podría ser un directorio) un paquete es dueño de sus elementos; un elemento pertenece a un solo paquete el uso de paquetes fuerza a la modularidad
Diagramas UML (3) Subsistemas agrupación de elementos donde algunos constituyen la especificación del comportamiento ofrecido por otros elementos contenidos [Booch,1999] elemento de modelado que tiene semántica package+clase que provee comportamiento implementa una o más interfaces que definen el comportamiento del subsistema un subsistema representa un componente en el diseño el uso de subsistemas fuerza a la modularidad &encapsulación
Diagramas UML (4) Componentes describe la organización de los componentes físicos del sistema un componente es la realización física de una abstracción en el diseño los componentes corresponden a implementación ejemplos de componentes son: .exe, .dll, .java, .class se pueden estereotipar como: < < source code>>, < < file>>, < < executable>>, entre otros.
Diagramas UML (5) De Interacción: Secuencia sobre un conjunto de objetos y sus relaciones, muestra la interacción entre éstos incluyendo los mensajes que intercambian el orden de los mensajes se muestra en relación al tiempo cada objeto tiene una línea de vida sobre la cual se muestran los bloques de activación (tiempo que el objeto necesita para completar una tarea) se pueden modelar mensajes sincrónicos y asincrónicos, loops, entre otros.
Diagramas UML (6) De Interacción:Comunicación sobre un conjunto de objetos y sus relaciones, muestra la interacción entre éstos incluyendo los mensajes que intercambian el orden de los mensajes se muestra numerado
los mensajes se pueden anidar mostrando la anidación con la numeración, se pueden modelar loops. las asociaciones son las existentes entre los objetos en el diagrama de clases.
Diagramas UML (7) Clases: Muestra las clases en el sistema y como se relacionan Información sobre atributos y tipos correspondientes, operaciones con paramétros y tipos correspondientes, multiplicidad de las asociaciones, agregación, composición, generalización. Clases que pueden iniciar y controlar flujo de las actividades se recuadran en negritas (por ej. correspondiente a una clase de control para un CU)
Diagramas UML (8) Deployment o despliegue muestra los recursos físicos de un sistema incluyendo componentes, nodos y conexiones presenta la distribución de componentes de software en nodos donde ejecutan, y las asociaciones entre los nodos asociaciones representan conexiones físicas entre nodos estereotipadas por protocolos de la comunicación, ej. TCP/IP, HTTP.
Patrones de Diseño “ Un patrón es una solución a un problema en un contexto” (Christopher Alexander) => Reuso y Diseminación Surgen en la arquitectura (de casas) y los principios se aplicaron exitosamente a OOP. Nombre del patrón. Hace posible referirse a él. El problema. Un patrón particular es aplicable a ciertos tipos de problemas. Un aspecto relevante de la definición de un patrón es la descripción de para qué tipos de problemas es útil. La solución. Un patrón define una solución conceptual particular al problema. Consecuencias. Las decisiones de implementación implican ciertos compromisos. Las consecuencias de esas decisiones y las fuerzas que están por detrás del patrón son aspectos esenciales de este.
Patrones de Diseño para Sistemas Interactivos Mecanismos complicados de GUI Cambios y adaptaciones frecuentes Múltiples estándares de apariencia Funcionalidad Compleja Usualmente permanece relativamente estable El problema: mantener la funcionalidad del núcleo independiente de Interfaz de Usuario Patrones: Model-View-Controller (MVC) Presentation-Abstraction-Control (PAC)
Model-View-Controller (MVC) Model Núcleo de la Funcionalidad View Desplegar la Información Controller manejar la entrada de usuario
GUI Datos del Núcleo Ejemplo:
MVC – Fuerzas La misma información se presenta distinto en diferentes ventanas El despliegue y comportamiento de la aplicación debe reflejar inmediatamente las manipulaciones de los datos Cambios a la IU debieran ser fáciles y posibles en tiempo de ejecución Soportar distintos estándares de apariencia o portar la IU no debiera afectar el núcleo de la aplicación
MVC – Clases (1) (Gp:) Clase: Model (Gp:) Colaboradores: View Controller
(Gp:) Responsabilidad: Proporciona el núcleo de funcionalidad de la aplicación Registra los View y Controller dependientes Notifica a los componentes dependientes acerca de cambios en los datos
Encapsula los datos, proporciona métodos de acceso para las vistas “Controllers” invocan los métodos exportados para el procesamiento de la aplicación El patrón “Observer” se puede usar para propagar los cambios
MVC – Clases (2) (Gp:) Clase: View (Gp:) Colaboradores: Controller Model
(Gp:) Responsabilidad: Crea e inicializa su Controller asociado Obtiene datos de Model Despliega información al usuario Implementa el procedimiento update
Cada View crea un Controller adecuado (uno a uno) Ofrece interfaces que habilitan a Controller para algunas manipulaciones de despliegue que no afectan el modelo (p.e. scroll)
MVC – Clases (3) (Gp:) Clase: Controller (Gp:) Colaboradores: View Model
(Gp:) Responsabilidad: Acepta entradas del usuario como eventos Traduce eventos en solicitudes de servicio para Model o View Si se precisa, implementa el procedimiento update
EL procedimiento update se implementa en caso de que el comportamiento de Controller depende del estado de Model (p.e. un cambio del modelo habilita o deshabilita un menú)
Diagrama de Clases
Distintas opciones Cliente/Servidor Cliente Servidor Int. Usuario Int. Usuario Lógica Aplic. DBMS Int. Usuario Lógica Aplic. DBMS Interfaz distribuida Aplic. Remota (Gp:) Int. Usuario (Gp:) Lógica Aplic.
Lógica Aplic. DBMS Aplic. distribuida (Gp:) Int. Usuario (Gp:) Lógica Aplic.
(Gp:) DBMS
(Gp:) DBMS
Int. Usuario Lógica Aplic. DBMS DBMS Remoto DBMS distribuido
Patrones para Distribución Además, se pueden tener otros niveles… ¿cuál es el costo de cambiar la forma de distribución? ¿cómo incide en el esfuerzo de desarrollo la comunicación entre los componentes?
Problema: Componentes remotos debieran aparecer como locales Cliente y Servidores no debieran preocuparse de la comunicación
Solución: Un sustituto del servicio que permite el acceso local Proxy Cliente (Gp:) Servicio Abstracto (Gp:) servicio
(Gp:) Servicio (Gp:) servicio
(Gp:) Proxy (Gp:) servicio
No es directamente accesible al Cliente 1 1 Proxy representa al Servicio y asegura el acceso a él (misma interfaz)
Proxy – diagrama de secuencia (Gp:) Cliente (Gp:) Proxy (Gp:) Servicio (Gp:) servicio (Gp:) servicio (Gp:) Pre-proceso y asignación (Gp:) Post-proceso y devolución
¿Cuántos proxys precisamos? Problema: Muchos servicios pueden ser remotos Las ubicaciones de estos pueden cambiar Se deben poder agregar, cambiar y suprimir servicios dinámicamente Los detalles debieran quedar ocultos para el desarrollador
Broker (Gp:) Broker (Gp:) Proxy-Cliente (Gp:) Servicio_p (Gp:) Proxy-Servidor (Gp:) Servicio Abstracto (Gp:) Call_servicio_p (Gp:) Servidor (Gp:) Servicio_i (Gp:) llama (Gp:) llama (Gp:) mensajes (Gp:) mensajes
Solución: Un intermediario entre proxys cliente y servidor
Broker – diagrama de secuencia
Marcos de trabajo (Frameworks) (1) Aplicación reusable, semi-completa que puede ser especializada Proporciona un esqueleto extensible Soporta reuso del diseño y del código Gran parte del esfuerzo y costo proviene de: Redescubrir y reinventar el diseño de clases básicas y de sus interacciones Clases de frameworks: infraestructura de sistemas (ej. interfaces usuario Struts) integración de middleware (ej. Corba, Com) aplicaciones empresariales (ej. sists. Financieros)
Marcos de trabajo (Frameworks) (2) Diferencias con otras bibliotecas de clases: Principio de “inversión del control” Basado en el patrón de diseño “template method Captura las interacciones entre objetos en un “template method”, postergando algunos pasos (“hook methods”) Especificando los “hook methods” los desarrolladores pueden ajustar las interacciones provistas por el framework Son los “template methods” los que invocan a los “hook methods” => inversión del control
Marcos de trabajo (Frameworks) (3) biblioteca aplicación Framework Biblioteca de Clases biblioteca aplicación Reescribiendo los “hook methods”el desarrollador inserta la personalización Framework invoca “hook methods” como parte de su interacción El desarrollador implementa las clases del núcleo y sus interacciones reusando funcionalidad ya existente Conjunto de clases con funcionalidad preexistente
Marcos de trabajo (Frameworks) (4) Problemas: No existe metodología: cómo desarrollarlos Cómo usarlos Curva de aprendizaje En general lleva mucho tiempo y esfuerzo aprender a utilizar un marco de forma eficiente. Cuanto más complejo el marco, mayor es la curva de aprendizaje
Model Driven Development/Architecture (MDD – MDA) (1) Enfoque de desarrollo basado en modelos brinda significado al uso de modelos dirigen el curso del: conocimiento, diseño, construcción, distribución, operación, mantenimiento y modificación del sw MDA es un estándar bastante reciente del OMG (Object Management Group) (versión 1.0.1 junio 2003) Principales objetivos de MDA Portabilidad Interoperabilidad reusabilidad
Principales conceptos de MDA
Computation Independent Model (= modelo de dominio)
Platform Independent Model (funcionalidad y comportamiento del sistema, sin detalles de tecnología)
Platform Specific Model (mapeo a diversas tecnologías de middleware, generado a partir del PIM, aplicando mapeos standard de la OMG. Código parcialmente autom.) Model Driven Development/Architecture (MDD – MDA) (2) (Gp:) CIM (Gp:) PIM (Gp:) PSM
Ejemplo de MDA Modelo conceptual UNICO
Modelo funcionalidad y comportamiento UNICO
PSM (distintas plataformas) y Deployment Model Driven Development/Architecture (MDD – MDA) (3) (Gp:) CIM (Gp:) PIM (Gp:) Modelo Corba (Gp:) Modelo Java/EJB (Gp:) Modelo XML/SOAP (Gp:) Otros Modelos (Gp:) Corba (Gp:) Java/EJB (Gp:) XML/SOAP (Gp:) Otros
Desarrollo basado en componentes (1) Surgimiento a fines de los ’90, originado por el no cumplimiento de las expectativas de reutilización que había prometido el desarrollo OO, debido a: Clases demasiado detalladas, específicas y ligadas a las aplicaciones Muchas veces hacía necesario disponer del código fuente => dificultades en comercialización Visión de componente: proveedor de servicios Entidad ejecutable e independiente Publica interfaz de servicios suministrados y las interacciones son a través de ésta Generalmente también define interfaz de servicios que debe proveer el sistema que lo utiliza
Desarrollo basado en componentes (2) Distintos niveles de abstracción (Meyer ’99) Funcional: implementa una sola función (ej.matematica) Agrupamiento casual: colección de entidades relacionadas débilmente (ej. declaraciones de datos, funciones) Abstracciones de datos: abstracción o clase de datos en OO (crear, modificar, acceder) Abstracciones de clúster: grupo de clases relacionadas que trabajan conjuntamente (también marcos de trabajo o frameworks) Abstracciones de sistemas: sistema autocontenido (también COTS)
4. Características de un buen Diseño Independencia de Componentes Tratamiento de Anomalías Prevención de Fallas
Independencia de componentes Cuanto mayor es la independencia, más fácil es: La comprensión Mejorar, extender, adaptar, corregir Mantenimiento Medida de independencia (Myers, Constantine) Cohesión: medida de cuán focalizado está el módulo en una cosa Acoplamiento: medida de cuán conectado está el módulo con otros y con el ambiente Se busca alta cohesión y bajo acoplamiento
Identificación y Tratamiento de Anomalías Diseño defensivo tratando de anticipar situaciones que podrían llevar a problemas en el sistema Anomalías incluyen: imposibilidad de brindar un servicio proporcionar un servicio o datos incorrectos corrupción de datos Tratamiento: Reintentar: restaurar e intentar nuevamente con estrategia distinta Corregir: restaurar, corregir algo e intentar de nuevo con misma estrategia Informar: de la imposibilidad a alguien, restaurar pero no intentar nuevamente
Prevención de Faltas y Tolerancia a Faltas Tratar de anticipar faltas y manejarlas de forma de minimizar los efectos negativos y maximizar la seguridad
Falta: el error cometido por una persona se traduce en una falta en un producto de software (o productos)
Falla: desvío del sistema del comportamiento requerido
No toda falta produce una falla, las condiciones para que una falta resulte en falla pueden no producirse nunca
Prevenir o tolerar faltas para evitar fallas, construyendo el sistema para que reaccione de manera aceptable
Técnicas para evitar fallas (1) Detección activa de faltas (antes de ser falla) Periódicamente verificar síntomas de faltas, anticipar si van a ocurrir: control de totales, dígitos verificadores (redundancia) Sospecha mutua: cada componente verifica sus entradas, supone que los demás tienen defectos Procesos independientes sincronizados: arquitectura especial, realizan en paralelo el mismo trabajo y comparan resultados continuamente Ejecutar n versiones distintas del programa: diseño y construcción independiente con mecanismos de votación para decidir acción siguiente
Técnicas para evitar fallas (2) Respuesta a la Falta Detectada: Dependiendo de la criticidad del sistema, falta, requerimientos de disponibilidad, mantenibilidad, se puede: Detener el sistema (más fácil determinar causa) Registrar y continuar a partir de un estado seguro reparar el daño causado por la falta cambiar el sistema para eliminar la falta Tolerancia a Faltas: aislamiento del daño causado por la falta prevenir que la falta se convierta en falla basada en la predicción de las ubicaciones de las faltas y definición de caminos alternativos de operación
5. Técnicas para Mejorar el Diseño Reducir Complejidad Diseño por Contrato Prototipado del Diseño Análisis de Arbol de Faltas
Reducir Complejidad (1) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 20 25 30 35 Complejidad del Diseño del Sistema Faltas por mil lineas de código
Reducir Complejidad (2) Generalidad de la solución con menos componentes más simples resolver el problema nivel de abstracción Adaptabilidad de la solución cubrir con una solución distintos problemas particulares
Diseño por Contrato (B.Meyer) interacción entre componentes basada en contrato entre un cliente de un servicio y un proveedor del mismo contrato define: obligaciones del cliente-requisitos del servidor (precondiciones) beneficios cliente-compromiso servidor (post-condiciones) si un servidor recibe un requerimiento que no cumple las precondiciones, no está obligado a nada podría abortar la ejecución, entrar en ciclo sin fin, etc. internamente cada componente tendrá ciertas restricciones de consistencia (invariantes) tratamiento de excepciones si un servidor no puede cumplir un servicio, debe levantar una excepción (la que debe ser tratada por el cliente)
Prototipado de Diseño Brooks (1975) recomienda construir un sistema, tirarlo y construirlo de nuevo para aprovechar en el segundo el aprendizaje de los errores cometidos al construir el primero Construir una parte del sistema para evaluar factibilidad /riesgos prototipo desechable evolutivo herramientas RAD (Rapid Application Development) Mejora la comunicación en el grupo y con el cliente
Análisis del Arbol de Faltas Ayudan a descomponer el diseño para identificar situaciones que podrían generar una falla árbol lógico desde el efecto a las posibles causas and Modo llenado activo Sistema de enfriamiento desbordado or falla Válvula abierta trancada Pueden ocurrir ambos Timeout falla Falla Sensor Deben ocurrir ambos Evento básico
Análisis del Arbol de Faltas G3 G1 G2 G4 G5 A1 A2 A3 A4 A5 G1 G2 G3 {G4,G5} {A4,A5} {A1,G5} {A2,G5} {A1,A3} {A1,A4} {A2,A3} {A2,A4} Conjunto de Corte Arbol de Faltas
6. Validación del diseño Evaluación y validación del diseño Técnicas para validar y verificar
Evaluación y Validación del Diseño Validación: asegurar que el diseño satisface todos los requerimientos
Verificación: asegurar que incorpora características de un buen diseño
Técnicas para Validar y Verificar Validación Matemática Medir la Calidad del Diseño Comparar Diseños Una Especificación, Varios Diseños Tablas Comparativas Revisiones de Diseño Preliminar Crítica De Programas
Validación Matemática Prueba que el diseño es correcto Demostrando que: Si el conjunto de entradas se formula correctamente, es transformada correctamente en las salidas esperadas El proceso termina sin fallar.
Medir la Calidad del Diseño Medir el diseño de alto nivel, incluyendo cohesión y acoplamiento
Medir la complejidad de cada componente y de la relación entre componentes
Comparar Diseños Una Especificación, Varios Diseños Generar varios diseños para la misma especificación basados en diferentes estilos de arquitectura Decidir cuál es el más adecuado para el propósito del sistema Tablas Comparativa (ejemplo): Facilidad para cambiar algoritmos Facilidad para cambiar la representación de los datos Facilidad para cambiar las funciones Desempeño (tiempo de respuesta) Facilidad de reuso
Revisiones de Diseño ¿Para qué? Cuanto antes encontremos un problema, en menos lugares deberemos buscar la causa y corregirla. Hacer todas las preguntas para asegurar que el diseño cubre todo lo necesario (listas de comprobación) Preparación Definir Participantes deben saber qué se espera de ellos y recibir la documentación con antelación (posiblemente con breve charla) Roles especiales: Moderador: para que la reunión sea productiva Secretario: para registrar los problemas y de las acciones a tomar Acciones posteriores (Verificar que se cumplan)
Revisiones de Diseño RD Preliminar (Al definir la Arquitectura) cliente, usuario analistas, diseñador sistema, otros no involucrados moderador, secretario RD Crítica (Técnica, previa al diseño detallado) analistas, diseñador sistema, otros no involucrados Diseñadores de programas moderador, secretario RD de Programas (Técnica, previa a la codificación) analistas, diseñador sistema, otros no involucrados Diseñadores de programas Programadores moderador, secretario
7. Documentando el Diseño Un producto importante del proceso de Diseño es un conjunto de documentos que describen el sistema a construir. Referencia Cruzada a los Requerimientos Es la solución del problema
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