Проектирование программного обеспечения (Software Design) является одним из ключевых аспектов успешной разработки программных продуктов. Хорошо спроектированное программное обеспечение не только обеспечивает функциональность и эффективность, но также является легким в поддержке, гибким и расширяемым. Для достижения этих целей существуют ряд фундаментальных принципов, которые помогают разработчикам создавать качественное ПО.
Важным аспектом проектирования программного обеспечения является анализ требований. Разработчики должны полностью понимать потребности пользователей и функциональные требования, чтобы создать систему, которая будет удовлетворять их ожидания. В процессе анализа требований осуществляется сбор и документирование информации, определение основных функций системы, идентификация ограничений и взаимодействий с другими системами.
При проектировании программного обеспечения важно учитывать принципы модульности, высокой связности и слабой зависимости между компонентами системы. Это позволяет создать гибкую и расширяемую архитектуру, где каждый модуль выполняет конкретную функцию и может быть легко изменен или заменен без влияния на другие компоненты. Такой подход способствует повторному использованию кода и облегчает сопровождение и развитие программного обеспечения в долгосрочной перспективе.
Кроме того, при проектировании программного обеспечения важно уделять внимание аспектам безопасности, производительности, масштабируемости и использованию ресурсов. Разработчики должны обеспечить надежность системы, защиту от возможных уязвимостей и эффективное использование аппаратных и программных ресурсов. Это позволит создать качественное программное обеспечение, которое будет надежно работать в различных сценариях использования и справится с растущей нагрузкой. Хорошо спроектированное программное обеспечение обеспечивает не только нужную функциональность, но и простоту использования, гибкость, эффективность и масштабируемость в будущем.
При проектировании программного обеспечения разработчики используют различные методики и подходы, которые помогают создавать качественное и эффективное программное обеспечение. Вот несколько известных принципов проектирования программного обеспечения, которые широко используются в индустрии: YAGNI, KISS, DRY, SOLID, BDUF, Occam’s Razor.
Проектирование программного обеспечения (ПО) играет ключевую роль в успешной разработке программных продуктов и вот почему:
Обеспечение функциональности и эффективности.
Хорошо спроектированное ПО должно полностью соответствовать требованиям пользователей и функциональным требованиям. Только тогда оно сможет предоставить необходимую функциональность, обеспечивая эффективное выполнение задач.
Легкость в поддержке.
Грамотное проектирование упрощает процессы поддержки и обновлений. Когда архитектура программы понятна и модульна, внесение изменений или устранение ошибок становится более простым и меньше вероятность воздействия на другие части системы.
Гибкость и расширяемость.
Принципы модульности, связности и слабой зависимости способствуют созданию гибкой и расширяемой архитектуры. Это важно для того, чтобы ПО могло легко адаптироваться к изменениям требований пользователей и условий рынка.
Анализ требований.
Внимательный анализ требований позволяет разработчикам понять потребности пользователей. Тщательная документация требований является основой для успешного проектирования, предотвращая недопонимания и ошибки в последующих этапах разработки.
Безопасность.
При проектировании необходимо уделять особое внимание аспектам безопасности. Защита от уязвимостей и правильное управление доступом к данным являются неотъемлемой частью качественного программного обеспечения.
Производительность и масштабируемость.
Проектирование должно учитывать производительность и способность системы масштабироваться. Это важно для обеспечения эффективной работы приложения в условиях растущей нагрузки и изменяющихся условий эксплуатации.
Эффективное использование ресурсов.
Разработчики должны оптимально использовать аппаратные и программные ресурсы, чтобы обеспечить эффективность работы приложения и избежать излишних нагрузок на систему.
Простота использования.
Хорошее проектирование не только удовлетворяет технические требования, но и обеспечивает удобство использования для конечных пользователей. Простой и интуитивный интерфейс важен для успешной реализации программного продукта.
Долгосрочная перспектива.
Качественное программное обеспечение, спроектированное с учетом всех вышеописанных аспектов, обеспечивает долгосрочную устойчивость и удовлетворение потребностей пользователей даже при изменяющихся условиях.
YAGNI – это акроним от фразы “You Ain’t Gonna Need It” (Тебе это не понадобится).
Это принцип разработки программного обеспечения, который призывает избегать создания функциональности, которая в данный момент не является необходимой.
Принцип YAGNI подразумевает, что разработчики не должны тратить время на реализацию функциональности, которая не требуется в текущем контексте или не подтверждена конкретными требованиями или сценариями использования. Вместо этого следует сосредоточиться на создании функциональности, которая действительно необходима и требуется в настоящий момент.
Преимущества применения принципа YAGNI включают:
Простота.
Избегание излишней сложности и функциональности позволяет создавать более простые и понятные системы.
Гибкость.
Отсутствие ненужной функциональности делает систему более гибкой и легко поддерживаемой. Удаление ненужного кода или функциональности требует меньше усилий.
Эффективность.
Фокусировка на необходимой функциональности позволяет сосредоточить усилия на ее качественной реализации и тестировании.
Ускорение разработки.
Избегание создания неиспользуемой функциональности позволяет сократить время разработки и ускорить доставку продукта.
Принцип YAGNI не означает, что разработчики не должны быть гибкими и адаптивными к изменяющимся требованиям. В случае, если новая функциональность становится необходимой в будущем, ее можно добавить на основе актуальных требований и контекста.
Принцип YAGNI является одним из принципов Agile-разработки и способствует созданию более эффективного и гибкого программного обеспечения.
Гибкие методики разработки (agile software development, agile-разработка) — обобщающий термин для целого ряда подходов и практик, основанных на ценностях Манифеста гибкой разработки программного обеспечения и 12 принципах, лежащих в его основе.
Основные идеи:
Основополагающие принципы Agile Manifesto:
В разработке игр применение принципа YAGNI позволяет более эффективно использовать доступные ресурсы и сосредоточиться на ключевых функциях, оптимизируя процесс разработки.
Представим, что вы разрабатываете простую игру-платформер, где игрок управляет персонажем, прыгает по платформам и собирает предметы. Согласно принципу YAGNI, вы должны фокусироваться на реализации базового функционала игры, который обеспечивает основной игровой процесс.
В начале разработки игры вы создаете основной механизм управления персонажем, анимацию прыжка и коллизии для платформ и предметов. Однако, вам приходит в голову идея добавить дополнительные функции, такие как система бонусов или множество уровней с разными темами оформления.
Принцип YAGNI подразумевает, что в данном случае лучше начать с реализации базового игрового процесса. После завершения основной функциональности вы сможете оценить, насколько дополнительные функции действительно необходимы и принести значимую пользу игровому опыту.
Возможно, вы обнаружите, что ваша игра уже достаточно интересна и увлекательна без сложных бонусных уровней или вариаций множества тем оформления.
Принцип YAGNI помогает избежать излишней сложности и избыточной работы при разработке игры. Он позволяет сосредоточиться на создании базового функционала, а затем расширять его по мере необходимости, основываясь на фактических потребностях игры и обратной связи игроков. Данный принцип применяется в разработке игр и других приложений.
KISS – это акроним от “Keep It Simple, Stupid” (Делайте это просто, глупцы).
Этот принцип заключается в том, что решения должны быть простыми и понятными, а не излишне сложными.
Принцип KISS подразумевает, что простота является ключом к лучшей понятности, поддерживаемости и надежности кода.
Применение принципа KISS включает следующие аспекты:
Рассмотрим простой пример применения принципа KISS в разработке игры:
Предположим, вы разрабатываете игру-головоломку, в которой игроку нужно перемещать объекты по игровому полю, чтобы достичь определенной цели.
В соответствии с принципом KISS, вы стремитесь к простоте и ясности в разработке игры.
Простой интерфейс.
Вы создаете простой и интуитивно понятный пользовательский интерфейс. Например, используете минималистичные кнопки для управления объектами, ясные инструкции и понятные символы или иконки для обозначения функций.
Ограниченное количество правил.
Вы определяете небольшое количество простых правил, которые регулируют перемещение объектов и достижение цели. Это помогает избежать излишней сложности и позволяет игрокам быстро понять, как играть.
Понятные уровни.
Ваша игра предлагает последовательность уровней с увеличивающейся сложностью. Однако вы следуете принципу KISS, чтобы уровни оставались понятными и логичными. Вы вводите новые элементы геймплея постепенно, объясняете их простыми способами и даете игрокам возможность освоиться с каждым новым элементом перед переходом к более сложным заданиям.
Минимальные детали.
Вы уделяете внимание основным игровым механикам и аспектам, не перегружая игру дополнительными и сложными функциями, которые несут мало ценности для геймплея. Вы выбираете самые важные и интересные элементы и сосредотачиваетесь на их разработке и улучшении.
Принцип KISS помогает создать игру, которая будет привлекательной и доступной для широкой аудитории. Простота и ясность в дизайне и геймплее способствуют легкому пониманию игры и увлекательному игровому опыту. Данный принцип применяется в разработке игр и других приложений.
DRY – это акроним от “Don’t Repeat Yourself” (не повторяйся).
Этот принцип гласит, что каждая часть знания или функциональности в системе должна иметь единственный источник и не должна дублироваться. Повторяющийся код или дублирующиеся данные могут привести к увеличению сложности, ухудшению поддерживаемости и возможности возникновения ошибок. При соблюдении принципа DRY следует вынести общую логику, функции или данные в переиспользуемые компоненты, чтобы избежать дублирования и обеспечить единственный источник правды (Single Source Of Truth — SSOT).
В проектировании и теории информационных систем единый источник истины (SSOT) – это практика структурирования информационных моделей и схемы данных, которая подразумевает, что все фрагменты данных обрабатываются (или редактируются) только в одном месте. SSOT предоставляют достоверные, актуальные и пригодные к использованию данные.
Принцип DRY применяется не только к коду, но и к другим аспектам разработки, таким как базы данных, конфигурационные файлы, документация и т.д. Цель состоит в том, чтобы уменьшить сложность, повысить эффективность разработки и обеспечить легкость поддержки кода и системы в целом.
В разработке игр принцип DRY подразумевает избегание повторения кода или логики, путем создания повторно используемых компонентов или функций. Это позволяет уменьшить дублирование кода, упростить его поддержку и обновление, а также повысить эффективность разработки.
Рассмотрим пример применения принципа DRY в разработке игры:
Представим, что вы разрабатываете ролевую игру, в которой игрок может собирать различные предметы и использовать их в битвах.
В соответствии с принципом DRY, вы стремитесь к повторному использованию кода и избегаете дублирования функциональности.
Создание базового класса предметов.
Вы создаете базовый класс, который определяет общие свойства и функциональность для всех предметов в игре, таких как имя, описание, стоимость и действия. Это позволяет избежать повторения кода для каждого отдельного предмета и упрощает добавление новых предметов в игру.
Использование модулей и компонентов.
Вы разделяете функциональность игры на модули и компоненты, которые можно повторно использовать. Например, вы создаете компонент для управления инвентарем игрока, который может использоваться в разных частях игры. Это позволяет избежать дублирования кода для каждой ситуации, где требуется управление инвентарем.
Извлечение общей логики.
Если в игре есть повторяющиеся действия или алгоритмы, вы извлекаете их в отдельные функции или классы. Например, если у вас есть несколько боевых сцен, где игрок может использовать специальные атаки, вы создаете отдельную функцию для выполнения специальной атаки и повторно используете ее во всех сценах.
Управление данными централизованно.
Вы используете централизованное хранилище данных для игры, где информация о предметах, персонажах и других элементах хранится в одном месте. Это позволяет избежать дублирования данных и облегчает их изменение и обновление.
Принцип DRY помогает уменьшить сложность кода, улучшить его читаемость и облегчить его поддержку. Повторное использование кода и логики способствует более эффективной разработке игры. При изменении функциональности или добавлении новых элементов в игру, вам потребуется внести изменения только в одном месте, что упрощает обновление и снижает риск ошибок.
Например, если вы вносите изменения в базовый класс предметов, они автоматически отразятся на всех предметах в игре, которые используют этот класс. Это экономит время и силы разработчиков, позволяя им сосредоточиться на новой функциональности и улучшении игрового опыта.
Принцип DRY также способствует более легкому тестированию игры, поскольку функциональность, реализованная однажды в отдельной компоненте или функции, может быть протестирована и отлажена единожды, а затем многократно использована в различных ситуациях.
В итоге, применение принципа DRY в разработке игр приводит к улучшению эффективности, упрощению кода, повышению его читаемости, облегчению поддержки и расширяемости игры. А также позволяет разработчикам сосредоточиться на создании новых функций и улучшении геймплея, вместо траты времени на повторение одного и того же кода и функциональности в разных частях игры. Данный принцип применяется в разработке игр и других приложений.
SOLID – это аббревиатура, состоящая из первых букв пяти принципов объектно-ориентированного программирования, сформулированных Робертом Мартином (также известным как “дядя Боб”)
Принцип единственной ответственности (Single Responsibility Principle - SRP)
Каждый класс должен быть ответственен только за одну четко определенную функцию или задачу.
Принцип открытости/закрытости (Open/Closed Principle - OCP)
Программные сущности должны быть открытыми для расширения, но закрытыми для изменения.
Изменения должны происходить путем добавления нового кода, а не изменения существующего.
Принцип подстановки Барбары Лисков (Liskov Substitution Principle - LSP)
Объекты должны быть заменяемыми своими подтипами без изменения корректности программы. Если класс A является подтипом класса B, то объекты типа B могут быть безопасно использованы вместо объектов типа A.
Принцип разделения интерфейса (Interface Segregation Principle - ISP)
Клиенты не должны зависеть от интерфейсов, которые они не используют.
Принцип разделения интерфейсов говорит о том, что слишком “толстые” интерфейсы необходимо разделять на более маленькие и специфические, чтобы программные сущности маленьких интерфейсов знали только о методах, которые необходимы им в работе. В итоге, при изменении метода интерфейса не должны меняться программные сущности, которые этот метод не используют.
Принцип инверсии зависимостей (Dependency Inversion Principle - DIP)
Зависимости должны строиться на абстракциях, а не на конкретных реализациях. Высокоуровневые модули не должны зависеть от низкоуровневых модулей. Оба уровня должны зависеть от абстракций.
Соблюдение принципов SOLID помогает создавать гибкие, расширяемые и поддерживаемые программные системы.
В разработке игр принципы SOLID помогают создавать гибкую, модульную и легко расширяемую архитектуру игры.
Рассмотрим применение принципа SOLID на примере разработки игры:
Принцип единственной ответственности (Single Responsibility Principle - SRP)
Каждый класс или модуль в игре должен иметь только одну ответственность.
Например, у вас может быть класс, отвечающий за управление врагами в игре. Он должен заниматься только логикой врагов, а не смешивать эту ответственность с другими задачами, такими как отображение графики или управление пользовательским интерфейсом.
Принцип открытости/закрытости (Open/Closed Principle - OCP)
Код должен быть открытым для расширения, но закрытым для модификации.
Вы должны разрабатывать компоненты, которые можно легко расширять новыми функциями или возможностями, без необходимости изменения существующего кода. Например, создание базового класса для различных типов оружия, который можно легко расширять для добавления новых видов оружия без изменения базовой логики.
Принцип подстановки Барбары Лисков (Liskov Substitution Principle - LSP)
Объекты в программе должны быть заменяемыми на экземпляры их подтипов без изменения корректности исходной программы.
Каждый подкласс должен соответствовать интерфейсу родительского класса и сохранять его контракты и предусловия. Например, если у вас есть базовый класс для игровых персонажей, каждый конкретный персонаж должен быть заменяемым без нарушения логики и правил игры.
Принцип разделения интерфейса (Interface Segregation Principle - ISP)
Клиенты не должны зависеть от интерфейсов, которые они не используют.
Каждый класс или модуль должен иметь свой собственный интерфейс, содержащий только необходимые для него методы. Например, если у вас есть класс управления звуком в игре, он должен иметь только методы, связанные с управлением звуком, и не должен содержать методы, не относящиеся к этой функциональности.
Принцип инверсии зависимостей (Dependency Inversion Principle - DIP)
Зависимости должны строиться на абстракциях, а не на конкретных реализациях.
Вы должны программировать на уровне интерфейсов или абстрактных классов, а не на уровне конкретных классов. Например, если у вас есть модуль управления входными событиями, он должен зависеть от абстрактного интерфейса для обработки событий, а не от конкретной реализации этого интерфейса.
Принципы SOLID помогают создавать гибкую, модульную и легко расширяемую архитектуру игры. Они способствуют уменьшению зависимостей между компонентами, повышению переиспользуемости кода, улучшению тестирования и облегчению сопровождения проекта. Данный принцип применяется в разработке игр и других приложений.
BDUF – это акроним от фразы “Big Design Up Front” (Глобальное проектирование прежде всего), является подходом к разработке программного обеспечения, основным принципом которого является создание полного и детального дизайна системы еще до начала разработки.
BDUF предполагает, что все требования и аспекты системы должны быть полностью определены и специфицированы заранее, а затем на основе этих спецификаций разрабатывается общая архитектура и дизайн системы. Такой подход предполагает, что с точностью можно предугадать все необходимые изменения и детали системы еще до ее создания.
Зачастую продумывание решений избавляло нас от проблем при разработке… Внесение изменений в спецификации занимало час или два. Если бы мы вносили эти изменения в код, на это уходили бы недели. Я даже не могу выразить, насколько сильно я верю в важность проектирования перед реализацией, хотя адепты экстремального программирования предали эту практику анафеме. Я экономил время и делал свои продукты лучше, используя **BDUF**, и я горжусь этим фактом, чтобы там ни говорили фанатики экстремального программирования. Они просто ошибаются, иначе сказать не могу.
— Джоел Спольски
Принцип BDUF имеет свои недостатки. Во-первых, создание полного дизайна заранее требует больших временных и ресурсных затрат, что может привести к задержкам в разработке. Во-вторых, BDUF не учитывает возможность изменения требований или обстоятельств в процессе разработки, что может привести к необходимости внесения значительных изменений в уже разработанный дизайн.
В современных методологиях разработки ПО, таких как гибкие методы разработки (Agile Software Development), принцип BDUF обычно не рекомендуется. Вместо этого, акцент ставится на итеративном и инкрементальном подходе, где дизайн и разработка происходят параллельно, а требования и детали системы уточняются и корректируются на протяжении всего процесса разработки.
В конечном счете, выбор между принципом BDUF и другими подходами зависит от специфики проекта, его размера, сложности и требований. В некоторых случаях, особенно при разработке крупных и сложных систем, предварительное планирование и детальный дизайн могут быть полезными. Однако в большинстве ситуаций рекомендуется более гибкий и итеративный подход, который позволяет более гибко реагировать на изменения и улучшать систему на протяжении всего процесса разработки.
Джоел Спольски — программист и писатель. Известен прежде всего как автор блога «Джоэл о программном обеспечении», в котором он обсуждает вопросы программирования, прежде всего — под Windows. В 1991—1994 годах он занимал должность менеджера по продуктам в команде Microsoft Excel. В разработке игр, принцип **BDUF**, предполагает что все аспекты игры, включая дизайн, архитектуру, функциональность и технологии, планируются и проектируются вначале процесса разработки, до того, как начинается фактическая реализация.
Принцип BDUF был распространен в традиционной водопадной (Waterfall) модели разработки, где все этапы проекта проходят последовательно и требуют предварительного планирования и документирования. Однако, в современных методологиях разработки игр, таких как гибкая разработка или итеративные подходы, принцип BDUF часто не рекомендуется.
В разработке игр применение принципа BDUF может иметь следующие негативные аспекты:
Затраты времени и ресурсов.
Подготовка детального дизайна заранее может потребовать значительных усилий и затрат времени, особенно если проект находится в начальной стадии, когда многие аспекты игры еще неопределены.
Ограничение гибкости и изменений.
BDUF предполагает, что все аспекты проекта определены и запланированы заранее. Однако, при разработке игр часто возникают необходимость внесения изменений, экспериментов и адаптации на основе обратной связи от игроков. Чрезмерное следование принципа BDUF может ограничить быстрое реагирование на изменения и привести к потере гибкости развития.
Неэффективное использование ресурсов.
BDUF может привести к тому, что значительное количество времени и усилий будет потрачено на разработку подробного плана, который в конечном итоге может потребовать значительных изменений или оказаться неактуальным в процессе реализации.
Важно найти баланс между предварительным планированием и гибкостью в процессе разработки игр или других приложений. Использование гибких методологий, позволяет команде быстро прототипировать, тестировать и вносить изменения в игру на основе обратной связи.
Occam’s Razor – принцип бритва Оккама является одним из фундаментальных принципов в научном мышлении и философии, который также имеет применение в программировании и проектировании программного обеспечения.
Суть принципа заключается в следующем: “Если есть два объяснения, равноценные по своей способности объяснить определенное явление, то предпочтение следует отдать более простому объяснению.”
Применительно к программированию и проектированию программного обеспечения, принцип бритвы Оккама рекомендует выбирать наиболее простые и минимальные решения, которые могут объяснить требуемое поведение или решить задачу.
Принцип бритвы Оккама напоминает о важности избегания излишней сложности в коде и проектировании. Предпочтение отдается более простым и понятным решениям, которые легче поддерживать, отлаживать и модифицировать.
Применение принципа бритвы Оккама в программировании может помочь избежать излишних украшательств, сложных алгоритмов или неоправданной сложности в структуре программы. Вместо этого, разработчики стремятся создавать минимальные, ясные и простые решения, которые решают поставленные задачи эффективно и понятно.
Однако, важно отметить, что принцип бритвы Оккама не является жестким правилом или абсолютной истиной!
В некоторых случаях, более сложные решения могут быть необходимы из-за специфики задачи или контекста. В таких ситуациях, принцип бритвы Оккама не означает, что всегда нужно выбирать самое простое решение без учета других факторов. Важно найти баланс между простотой и функциональностью, учитывая требования проекта и его цели.
Применение принципа бритвы Оккама в программировании способствует созданию чистого, понятного и эффективного кода. Это помогает снизить сложность разработки, улучшить поддерживаемость и повысить качество программного обеспечения.
Важно отметить, что принцип бритвы Оккама является руководящим принципом и не предоставляет конкретных инструкций или алгоритмов для принятия решений. Его применение требует субъективного суждения и анализа конкретной ситуации. Кроме того, он не исключает необходимость дальнейшего исследования, экспериментов и проверки гипотез для достижения оптимальных результатов.
В разработке игр, принцип Occam’s Razor может быть применен следующим образом:
Простота игровой механики.
При разработке игры стоит стремиться к созданию простых и интуитивно понятных игровых механик. Если у вас есть несколько вариантов механик для достижения одной и той же цели, предпочтение следует отдавать более простому и понятному варианту. Простые механики облегчают игровой процесс и уменьшают нагрузку на игрока.
Упрощение архитектуры игры.
При проектировании архитектуры игры, стоит предпочесть более простые и модульные решения. Использование сложных и избыточных компонентов может привести к усложнению разработки, тестирования и поддержки игры. Более простая архитектура облегчает понимание кода и повышает его поддерживаемость.
Минимализм в графике и дизайне. При создании графического оформления и дизайна игры, принцип Occam’s Razor может помочь выбрать более простые и минималистичные решения. Избегайте излишней сложности и детализации, если они не несут необходимой функциональности или добавляют значимого визуального эффекта. Простота дизайна способствует чистоте восприятия и позволяет игрокам легко сосредоточиться на геймплее.
Принцип Occam’s Razor помогает избегать излишней сложности и сохранять простоту в разработке игры. Это способствует более эффективному использованию ресурсов, улучшению производительности и повышению качества игрового опыта. Данный принцип применяется в разработке игр и других приложений.
Принцип KISS (Keep It Simple, Stupid) и принцип Occam’s Razor (Принцип Бритвы Оккама) имеют сходные концептуальные корни, но они обычно применяются в разных контекстах и имеют различные акценты.
Принцип KISS подразумевает, что решения должны быть максимально простыми и несложными. Он чаще всего связан с проектированием и разработкой, где его цель - упростить архитектуру, код или дизайн продукта, чтобы уменьшить сложность, улучшить читаемость и облегчить поддержку. В контексте KISS, упрощение является конечной целью.
Принцип Occam’s Razor берет начало из философии и науки и гласит, что “не следует умножать сущности без необходимости”. То есть, когда есть несколько объяснений для какого-либо явления или явления, научный подход предполагает, что более простое объяснение, требующее меньше допущений, чаще всего является предпочтительным. Occam’s Razor широко применяется в философии, науке и логике.
Все эти принципы в совокупности помогают создавать программное обеспечение, которое не только соответствует текущим требованиям, но и готово к эволюции и изменениям в будущем.