Стеняшин Андрій Юрійович. Методи зборки програмних систем з функціональних та інтерфейсних об'єктів зі стандартними та згенерованими даними.

Краткое описание

Стеняшин Андрій Юрійович. Назва дисертаційної роботи: "Методи зборки програмних систем з функціональних та інтерфейсних об'єктів зі стандартними та згенерованими даними."

Міністерство освіти і науки України
Київський національний університет імені Тараса Шевченка
На правах рукопису
СТЕНЯШИН Андрій Юрійович
УДК 004.4
МЕТОДИ ЗБОРКИ ПРИКЛАДНИХ СИСТЕМ
З ФУНКЦІОНАЛЬНИХ ТА ІНТЕРФЕЙСНИХ ОБ’ЄКТІВ
ЗІ СТАНДАРТНИМИ ТА ГЕНЕРОВАНИМИ ДАНИМИ
01.05.03 – математичне та програмне забезпечення обчислювальних
машин і систем
Дисертація на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Науковий керівник
ЛАВРІЩЕВА Катерина Михайлівна
доктор фіз.-мат. наук, професор
Київ – 2016
2
ЗМІСТ
РОЗДІЛ 1 РОЗГЛЯД ПІДХОДІВ ДО ПОБУДОВИ ПРОГРАМНИХ
СИСТЕМ З ВИКОРИСТАННЯМ ГОТОВИХ РЕСУРСІВ................................ 17
1.1 Характеристика загальних підходів об’єктних парадигм ...................... 17
1.2 Огляд об’єктно-орієнтованого методу UML................................................ 18
1.2.1. Підходи до аналізу та проектування у предметній області (ПрО)...... 19
1.2.2 UML-метод проектування ПС.................................................................. 22
1.3 Фундаментальні та загальні типи даних об’єктів ...................................... 25
1.3.1 Приклади зв’язку об’єктів в мовах Pascal, Java, C++
............................. 27
1.3.2 Загальні типи даних GDT ......................................................................... 27
1.4 Підходи до перетворення даних об’єктів для збереження в БД ............. 31
1.4.1 Підходи до перебудови даних в БД....................................................... 32
1.4.2 Використання даних в індустрії продуктів............................................. 34
1.4.3 Застосування об’єктного підходу у сучасних середовищах ................ 35
1.4.4 Загальні і системні засоби обробки даних............................................ 37
1.5 Постановка задач дослідження ...................................................................... 40
РОЗДІЛ 2 ПІДХІД ДО ФОРМАЛЬНОГО ПРОЕКТУВАННЯ ПС
З ФУНКЦІОНАЛЬНИХ ТА ІНТЕРФЕЙСНИХ ОБ’ЄКТІВ.............................. 42
2.1. Система операцій обміну даними між функціональними
та інтерфейсними об’єктами................................................................................ 43
2.1.1 Теоретичні засоби перебудови ТД .......................................................... 44
2.1.2 Формалізація зв’язку функціональних та інтерфейсних об’єктів........ 49
2.1.3. Теорія структурної організації даних. Трансформація типів даних ... 51
2.1.4. Аксіоматика структурних та складних типів даних ............................. 53
2.2. Фундаментальні типи даних МП................................................................. 56
2.2.1. Основні типи С++
...................................................................................... 56
2.2.2. Співставлення ТД GDT ISO/IEC 11404-2007 З ТД МП JAVA .......... 59
2.3 Перебудова загальних ТД до фундаментальних ТД................................ 63
2.3. Основні функції генерації типів даних GDT........................................... 65
2.3.2. Взаємодія компонентів в середовищі Java............................................. 67
2.4. Генератор типів даних стандарту GDT ISO/IEC 11404.............................. 68
3
РОЗДІЛ 3 ПРОЕКТУВАННЯ ТА ТЕСТУВАННЯ ФУНКІОНАЛЬНИХ
ТА ІНТЕРФЕЙСНИХ ОБ'ЄКТІВ І СИСТЕМ .................................................... 73
3.1. Проектування ПС з функціональних та інтерфейсних об'єктів ................ 73
3.2. Математичне моделювання предметної області (ПрО) ............................. 76
3.2.1. Рівні проектування ПрО .......................................................................... 78
3.2.2. Алгебра об’єктного аналізу ПрО............................................................ 80
3.2.3. Реалізація інтерфейсів об’єктів............................................................... 82
3.3. Моделювання та зборка різнорідних об'єктів у ПС.................................... 85
3.3.1. Визначення компонентної алгебри......................................................... 87
3.3.2. Зв'язок між об'єктним і компонентним проектуванням. ..................... 91
3.4. Засоби перетворення ТД у середовищах DCOM і CORBA ...................... 92
3.4.1. Формалізми інтеграції у системі CORBA.............................................. 93
3.4.2. Формалізми в системі СОМ .................................................................... 93
3.4.3. Формальні засоби перетворення ТД у Java ........................................... 96
3.4.4. Підхід до перетворення форматів даних................................................ 97
3.5. Тестування функціональних і інтерфейсних об'єктів ................................ 98
3.5.1. Тестовність об'єктів.................................................................................. 99
3.5.2. Концептуальна модель тестування ПС ................................................ 106
3.6. Операції зборки пар різнорідних програмних об’єктів........................... 109
3.7. Реалізація моделей ПС і доменів................................................................ 112
РОЗДІЛ 4 ЗАСТОСУВАННЯ МОДЕЛЕЙ ТА МЕТОДІВ ПЕРЕТВОРЕННЯ
РІЗНОТИПНИХ ТИПІВ ДАНИХ ДЛЯ ВДОСКОНАЛЕННЯ ДІЛОВИХ ПРОЦЕСІВ
ОБРОБЛЕННЯ ІНФОРМАЦІЇ............................................................................... 119
4.1. Конфігуратор різнотипних і неформатних даних .................................. 119
4.2. Апробація результатів дослідження ........................................................ 121
4.2.1. Удосконалення операцій обробки даних в ІТКЗП за допомогою
конфігуратора ................................................................................................... 122
4.2.2. Використання конфігуратора для вдосконалення ділового процесу
оброблення інформації в агрохолдингу ......................................................... 123
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ................................................... 129
ДОДАТОК.................................................................................................... 138
4
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ
ГОР – Готовий ресурс
КПВ – Компонент повторного використання
ЖЦ – життєвий цикл
ІС – інформаційна система
КП – комплекс програм
ОКМ – об'єктно-компонентний метод
ОМ – об'єктна модель
ООП – об'єктно-орієнтований підхід
ПІ – Програмна інженерія
ПЗ – Програмне забезпечення
ПП – програмний продукт
ППП – пакет прикладних програм
ПС – Програмна система
ПрО – Предметна область
ССПМ – система збірки програм з модулів
ТЛ – технологічна лінія
ТМ – технологічний модуль
ТО – технологічна операція
ТП – технологічний процес
ЖЦ – Життєвий цикл
МП – мова програмування
ACM – Association for Computing Machinery
CBD – Component-Based Development
CS – Computer science
GDM – Generative Domain Model
DSL – Domain specific language
5
ВСТУП
Сучасний розвиток індустрії програмного забезпечення
характеризується: зростанням об’ємів і кількості програмних продуктів та
розширенням сфери їх застосування; неузгодженістю та різнобоєм у
використанні стандартних форматів даних та типів інтерфейсів;
використанням генерованої нестандартної інформації від зовнішніх систем і
апаратних пристроїв.
Ця ситуація значно ускладнює багаторазове сумісне використання вже
існуючого програмного забезпечення, особливо організацію обміну даними
між різними програмами і зовнішніми апаратними пристроями.
Для перших поколінь обчислювальної техніки і програмного
забезпечення ця проблема легко вирішувалась за рахунок відсутності потреб
в організації взаємодії програмних продуктів різного походження, обмеженої
кількості застосовних типів даних та простого застосування зовнішніх
апаратних пристроїв з нестандартним інтерфейсом.
Ще у 1980 році академік В.М. Глушков передбачав проблеми, пов’язані
з сумісним використанням різних програм і запропонував концепцію
збирального конвеєра для різномовних модулів. Поширені нині технічні
реалізації обміну даними використовують ручне створення ситуативних
модулів посередників за допомогою спеціальних мов програмування і тому
не можуть забезпечити ефективність розробки та необхідну якість роботи.
Зазначені проблеми опрацьовувалися Г. Бучем, С. Шлеєр і С. Меллором
та ін., але їхні підходи не враховували вимог сучасних хмарних обчислень та
гетерогенних середовищ. Зазначені труднощі можуть наразі бути подолані за
допомогою побудови специфікацій інтерфейсів між взаємодіючими
ресурсами в складних програмних системах. Це забезпечує ефективний обмін
стандартними та генерованими даними в різних сучасних середовищах,
зокрема MS.Net, Cobra, Java тощо.
Таким чином, дослідження розвитку методу об'єктного проектування
програмних систем (ПС) шляхом запровадження функціональних та
6
інтерфейсних об’єктів, які перетворюють фундаментальні, загальні та
генеровані типи даних, є важливою, сучасною й актуальною проблемою
програмної інженерії.
Зв’язок роботи з науковою тематикою. Дисертація виконувалася в
рамках тематики наукових досліджень Інституту програмних систем (ІПС)
НАН України:
– проект «Розробка теоретичного фундаменту генерувального
програмування та інструментальних засобів його підтримки» (ДР
0107U002205, 2007-2011 рр.);
– проект «Розробка теоретичних основ та прикладних питань побудови
сервіс-орієнтованих прикладних програмних систем у семантичному Вебсередовищі» (ДР 0112U004505, 2012–2016 рр.).
Мета і завдання дослідження.
Метою дисертаційної роботи є розвиток методу об'єктного
проектування ПС шляхом використання функціональних та інтерфейсних
об’єктів для перетворення стандартних та генерованих типів даних (ТД) з
сучасних глобальних сховищ.
Для досягнення зазначеної мети поставлено й вирішено такі завдання.
1. Удосконалити чотирьохрівневий підхід до проектування моделі
предметної області (ПрО) шляхом декомпозиції об'єктів, розподілу їх по
різних вузлах гетерогенного середовища та забезпечення їх взаємодії через
інтерфейсні дані.
2. Розробити функції інтерфейсу даних, що надаються як неформатні,
нерелевантні чи неструктуровані дані, за допомогою протоколів або операцій
виклику взаємодіючих об’єктів для організації обчислень.
3. Розробити теорію ізоморфного перетворення між загальними і
фундаментальними типами даних (ТД) та визначити нові функції адекватної
обробки генерованих ТД, що вибираються з глобальних сховищ або можуть
автоматично надаватися різними пристроями.
7
4. Програмно реалізувати клас функцій генерації стандартних і
генерованих ТД (табличних, векторних, матричних тощо) в інструментальнотехнологічному комплексі зборки програм ІПС НАН України (ІТКЗП).
5. Апробувати запропонований метод проектування ПС з об’єктних та
інтерфейсних ресурсів, які обробляють в динаміці дані спеціального вигляду,
генеровані пристроями одного з агрохолдингів України.
Об'єкт дослідження – структури ПС, пакети прикладних програм
(ППП) і методи змінювання цих структур, що сформувалися на сучасних
системних і комерційних фабриках програм і масово застосовуються
користувачами в інформаційному просторі.
Предмет дослідження – моделі та методи програмної інженерії
(об’єктний, компонентний, генерувальний, збиральний, сервісний тощо), що
забезпечують проектування окремих ресурсів у руслі парадигми компонентів
повторного використання (КПВ).
Методи дослідження. Використано методології компонентноорієнтованого та об’єктно-орієнтованого розроблення ПС, теоретикоматематичні засади побудови моделей програм та фундаментальних,
загальних і генерованих ТД.
Наукова новизна отриманих результатів.
Отримано нові теоретичні результати щодо формального логікоматематичного об'єктного проектування ПС з використанням
функціональних та інтерфейсних об’єктів для перетворення стандартних та
генерованих даних з інформаційних сховищ даних, а саме:
вперше:
– адаптовано теоретичний апарат чотирьохрівневого проектування
об’єктної моделі ПрО, базований на принципах унікальності,
впорядкованості й інтероперабельності та функціях перетворення об’єктів у
компоненти, а одних ТД – в інші з перевіркою його правильності;
– наведено нові сучасні ТД, класи операцій виклику методів обміну
даними та трансформації даних шляхом перетворення ТД;
8
– надано онтологічний опис стандартних, згенерованих ТД і їх
ізоморфного відображення до простих ТД, процесів життєвого циклу ПС з
тестуванням функціональних та інтерфейсних об’єктів ПрО та ПС;
– розроблено метод проектування складних систем з використанням
функціональних та інтерфейсних об’єктів із забезпеченням коректності
системи, утвореної з цих об’єктів;
удосконалено систему інтерфейсного зв’язку різнорідних об’єктів для
взаємодії програм і систем між собою в сучасних середовищах;
набула подальшого розвитку концепція конвеєрної зборки
функціональних і інтерфейсних об’єктів з перевіркою правильності їх
взаємозв’язку через обмін різнорідними даними між ними (сайт ІТКЗП за
адресою http://factory.unicyb.kiev.ua).
Практичне значення отриманих результатів.
1. Результати дисертаційних досліджень впроваджені у ряд
системних компонентів ІТКЗП ІПС та фабрики програм Київського
національного університету імені Тараса Шевченка (КНУ) у складі технології
збирання різномовних компонентів (http://programsfactory.univ.kiev.ua).
2. На фабриці програм накопичені функції перебудови загальних
типів даних GDT до фундаментальних, як засіб зборки готових КПВ.
3. Розроблено набір програмних компонентів для перебудови даних
з різних пристроїв в агропідприємстві.
4. Реалізовано збір з агрономічних пристроїв даних для розрахунків
земельних ділянок функціями перетворення неформатних даних до даних
операційного середовища агросистеми і занесення інформації з цих
пристроїв в базу даних для наступних обчислень.
Отримані результати роботи сприяють: скороченню часу та людських
ресурсів на розроблення ПС за рахунок використання готових КПВ;
підвищенню продуктивності ПС; зменшенню часу на внесення змін у
функціональність окремих компонентів і систем.
9
Окремі програмні засоби автора, а саме набір функцій перебудови типів
даних і програм підтримки процесу тестування життєвого циклу (ЖЦ),
належать до складу ІТКЗП ІПС НАНУ, переданого у Державну службу
інтелектуальної власності України (свідоцтво про реєстрацію авторського
права на твір № 45292 від 27.08.2012 р.).
Розроблено моделі, засоби і програмне забезпечення процесу підтримки
реалізації об’єктної моделі (ОМ) з функціональних й інтерфейсних об’єктів
та набір функцій перебудови різних типів даних, що передаються між цими
об’єктами в межах сайту ІТКЗП «Програмна інженерія. Технології і
навчання» (http://factory.unicyb.kiev.ua). Цей сайт розроблений керівником
дисертації та аспірантами з метою використання у курсах з програмної
інженерії на кафедрах інформаційних систем, теорії та технології
програмування факультету кібернетики КНУ та в Московському фізикотехнічному інституті (МФТІ).
Особистий внесок здобувача. Основні наукові і прикладні результати,
викладені в дисертаційній роботі, отримано автором самостійно згідно з
постановками задач керівника. В працях, виконаних у співавторстві з
керівником, автором отримано наступні результати: в [56] описано
формальні основи типів і структур даних, що використовуються у сучасних
різнорідних компонентах; в [57] розглянуто особливості обробки даних в
новітніх глобальних середовищах типу Grid; в [58] подано формалізм
об’єктного проектування і тестування розподілених програмних систем; в
[59] подано опис теорії і практики об’єктного і компонентного проектування
ПС із готових програмних ресурсів з реалізацією в ІТКЗП, автором
розроблено набір функцій трансформації генерованих ТД до простих
фундаментальних і їх збереження у базі даних (БД) проекту; в [60] написана
на основі виступу автора на міжнародній конференції, включаючи опис
основних положень дисертації, в співавторстві з керівником; в [61]
удосконалено підхід до розробки нових програм з вже готових для виконання
в гетерогенних середовищах; в [62] запропоновано метод перетворення GDT
10
до FDT; в [63] дано опис розвитку методу побудови і тестування ПС з
функціональних та інтерфейсних об’єктів з використанням алгебри об’єктів;
в [64-66] надано опис частини комплексу ІТКЗП з перебудови даних.
Апробація результатів дисертації. Основні ідеї, принципи, положення
і результати дисертації доповідалися та обговорювалися на Міжнародних
науково-практичних конференціях УкрПрог (Київ, 2012 р.); International
Conferense PDCS–2012, 2013 р.; «Theoretical and Applied Aspects of Program
Systems Development» (TAAPSD, Ялта, 2013 р.); наукових семінарах ІПС
НАН України і факультету кібернетики КНУ. Здійснено практичне
впровадження окремих результатів дисертації в межах фабрики програм
КНУ та ІТКЗП, переданого Державній службі інтелектуальної власності
України (свідоцтво № 45292 від 27.08.2012 р.) , а також в одному з провідних
агрохолдингів України.
Публікації. Основні наукові положення, висновки і результати
дисертації опубліковано в 9 наукових працях, з них 5 – статті у виданнях з
Переліку наукових фахових видань ДАК України та 3 – тези міжнародних
наукових конференцій.
Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із
вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (100
найменувань) і додатку. Основний текст роботи викладено на 124 с.
Дисертація містить 22 рис., 5 табл., акти про впровадження отриманих
результатів та свідоцтво про право інтелектуальної власності на ІТКЗП

Список литературы

ВИСНОВКИ
Основним результатом дисертаційного дослідження є створення,
обґрунтування та апробація нового формального апарату автоматизованого
одержання та перетворення різнорідних типів даних, який вдосконалює
процес взаємодії різнорідних програм і є важливим для розвитку галузі
програмної інженерії.
Основний результат дисертаційного дослідження включає в себе
наступне.
1. Запропоновано і обґрунтовано чотирьохрівневу концепцію
логіко-математичного узагальнення властивостей об’єктів предметної
області, структурування їх при моделюванні об’єктної моделі в упорядковану
графову структуру, виділення об’єктів в компонентній моделі та поступову
трансформацію елементів моделей до програмних компонентів.
2. Формально визначено нові сучасні види обміну даними, операцію
виклику методів обміну даними, розроблені функції перетворення
фундаментальних типів даних FDT і загальних типів даних GDT в
інтерфейсних об'єктах.
3. Програмно реалізовано ізоморфне відображення стандартних та
генерованих ТД до простих ТД, а також їх тестування в процесі життєвого
циклу.
4. Розроблено і математично обґрунтовано метод проектування
складних ПС за допомогою функціональних і інтерфейсних об’єктів із
забезпеченням коректності їх роботи, а також метод програмної реалізації
для цих систем інтерфейсного зв’язку різнорідних об’єктів в сучасних
інформаційних середовищах.
5. Реалізовано програмно-апаратну обробку генерованих типів
даних з декількох пристроїв та від користувачів для аналітичної підтримки
моніторингу процесів сільськогосподарської діяльності в агрохолдингу з
функціями перетворення неформатних даних у дані операційного
128
середовища агрохолдингу і занесення їх до БД для подальшого
використання.
6. Запропоновано та програмно реалізовано концепцію конвеєрної
зборки функціональних і інтерфейсних об’єктів з перевіркою правильності їх
взаємозв’язку при обміні різнорідними даними. Ця концепція використана
для створення фабрики програм, яка поєднує розроблені функції перебудови
типів даних, що використовуються при збірці готових КПВ
(http://programsfactory.univ.kiev.ua).