Курс Проектирование программных систем (осень 2023)

Обновлено 17.11.2023

На курсе вы узнаете как использовать язык моделирования UML2 в разработке распределенных приложений в микросервисной архитектуре (MSA) с применением метода предметно-ориентированного проектирования (Domain-Driven Design).

А также, как анализировать и проверять требования, структурировать программы, почему интерфейс это не абстрактный класс, как разрабатывать большие системы из небольших сервисов, паттерны и приемы, используемые архитекторами и тим лидами.

Практика предполагает выполнение и защиту двух заданий по командному курсовому проекту.

Для разработчиков, системных аналитиков и будущих архитекторов программного обеспечения.

Содержание

Примерный план

Неделя Раздел Тема
07/09 INTRO+REQ Введение в курс (качество ПО, цели курса). Кратко о требованиях. Сценарии. Фичи. Варианты использования (динамич. представл.)
15/09 REQ Потоки данных DFD. Разработка требований к продуктам. Элементы customer development. Персоны. Метод JTBD. Путешествия. Истории пользователей и истории задач. Процесс разработки требований.
22/09 DDD+UML2 Объектно-ориентированное моделирование. Системы типов. Абстрактные типы данных (ADT). Понятие о классах. Статическое представление модели UML2. Сравнение с моделями данных ER
29/09 DDD Выделение классов и построение моделей в Методы именных групп и Аббота, контрольные списки. Переход к статической модели UML. Повсеместный язык, сущности, агрегаты. Окрестности, предметные области.
06/10 DDD+UML2 Моделирование поведения. Согласованность моделей. Проектирование на основе обязанностей (метод CRC, RDD).
13/10 UML2 Динамическое представление модели (кооперации, последовательности). Статическое представление модели (структурные классы, расширенные классы, пакеты)
20/10 UML2 Динамическое представление модели. Схемы состояний. Представление деятельности. Action Language
27/10 UML2+PROC Построение согласованных моделей. Big Picture UML2. Процесс гибкого моделирования по требованиям (на основе ICONIX+AM+DDD)
02/11 ARCH Методы структурного проектирования (история, связность и сцепление, постепенное уточнение). Введение в архитектуру ПО (определение,стили).
09/11 ARCH+UML2 Функциональная декомпозиция. UML 2. Диаграммы компонентов и размещения
16/11 MSA Введение в микросервисную архитектуру. Ресурсы. Распределенные системы. Декомпозиция на окрестности и на сервисы. Гексагональная архитектура. Паттерны API и коммуникаций. Представление на диаграмме компонентов.
23/11 MSA Паттерны, принципы SOLID в реализации микросервисов. Фреймворки.
30/11 MSA Объектно-ориентированное проектирование. Применение паттернов проектирования.
07/12 MSA+DATA Проектирование данных. Реляционная, размерностные, нереляционные модели. Применение для MSA
14/12 ARCH+MSA Измерения в проектировании. Метрики сложности программ, оценка качества дизайна для ООП, для MSA
21/12 EXAM Защита проектов по курсу

Учебный проект

Учебный проект - это ваш полигон, где вы практикуетесь в применении DDD к разработке микросервисных приложений. По проекту будет два задания, объединенные общей темой. Это может быть упрощенный аналог существующей системы, или ваш собственный проект, или часть дипломной работы.

Выполнение учебного проекта по интересной теме позволит упорядочить знания и умения в проектировании и разработке ПО, жизненно необходимые для старших разработчиков, тим лидов и руководителей проектов.

Примерная таблица этапов проекта и применяемых методов проектирования.

#ЭтапМетоды и результатыЗадачи
1 Анализ требований к продукту Customer Development, JTBD, JTBD Interview, Personas, User story, Job story, Story Map, Customer Journey Map*, Value Proposition Canvas*, Jobs Map*, UI Wireframes, Product features Предложить и описать образ продукта и решаемые задачи. Определить аудиторию и провести интервью с пользователями. Сформулировать полезные функции и ограничить его рамки. Прояснить элементарные сценарии для полезных функций. Составить словарь данных.
2 Разработка модели анализа Use Case model, Use case text, Candidate classes, SIAOUT checklist, Abbot's method/Noun phrases, Entity-Relationship model По описанию продукта разработать модель использования. Выделить кандидаты классов, построить модель предметной области в UML2 или ERD. Выписать важные требования к атрибутам качества по стандарту.
3 Разработка динамической модели Responsibility-driven design, CRC, UML2 Collaborations model and implementation, UML2 Structured classes, UML2 Activity and Statechart and Interactions models, Logical Data-flow model. Разделить сценарии по обязанностям и назначить ролям классов. Разработать модель деятельности или псевдокод для исполняемого поведения, схемы состояний или конечных автоматов для интерактивного и реактивного, модели взаимодействий или потоков данных для эмерджентного поведения. Обновить модель классов / данных.
4 Декомпозиция на микросервисы Data consistency I, Ресурсы и алгоритмы / решетки типов, CRDT, Event storming, Domain-Driven Design, UML2 Components and Deployments models, Physical Data-flow model Разделить модель предметной области на агрегаты и сформировать микросервисы. Разработать модель событий и процессов. Разработать модель компонентов в UML2 или Physical DFD. Разработать модель размещения
5 Техническое проектирование Microservices applications, Reference architecture, Technology stacks, RESTful API, HTTP(S)/URL/HATEOAS, API Design patterns Выбрать и обосновать эталонную архитектуру для приложения. Подобрать библиотеки и каркасы, инструменты разработки, сравнить и обосновать выбор. Разработать API сервисов применив RESTful API и паттерны проектирования API. Представить в виде OpenAPIv3 схемы.
6 Проектирование данных и прототип Polyglot persistence, Relational schema, NoSQL, Data consistency II: Saga and CRDT and 2PC, Develop prototype with source code, SOLID and GoF patterns, MSA Metrics Перейти от логической модели к физической схеме хранения данных. Разработать модели процессов взаимодействия микросервисов. Реализовать прототип системы в коде и автоматические интеграционные тесты к нему. Применить и обосновать приципы SOLID или GoF паттерны. Посчитать метрики сложности MSA

Задание 1

Первое задание посвящено проработке требований применению DDD к предметной области, в которой проектируете систему. Прорабатываете и уточняете требования и рамки проекта. В итоге для дальнейшего моделирования с помощью Domain Driven Design нужны 3-4 вариантв использования или 5-6 историй пользователей.

В таблице выше это задание включает этапы 1-3.

Что можно будет освоить:

  • анализ требований: use cases, job/user stories, модели потоков данных, структуры подсистем
  • DDD: анализ повсеместного языка, выделение окрестностей, concept/noun phrase extraction, построение модели предметной области, анализ обязанностей и виды классов: service, entity, aggregate, value object, и т. д.
  • UML2: диаграммы классов, вариантов использования, деятельности или последовательности.

Задание 2

В этом задании нужно декомпозировать систему на сервисы и продумать для них API, переложить на микросервисную архитектуру (MSA), применив архитектурные паттерны для API, работы с реляционными и нереляционными данными, применить паттерны ООП для реализации микросервисов. В результате у вас получится модель реализации (design model) микросервисного приложения, реализующего требования из первого задания. В проекте нужно спроектировать 3-5 связанных микросервисов, совместно решающих задачи первого задания.

В таблице выше это задание включает этапы 4-6.

Что можно будет освоить:

  • DDD: декомпозиция и интеграция окрестностей (bounded context), моделирование сервисов и ресурсов
  • MSA: OpenAPI для RESTful web services, hexagonal architecture, SOLID, GoF паттерны проектирования, Backend-for-Frontend и др.
  • Data: ER диаграммы, схема при чтении, модели данных для NoSQL, в статике, в движении
  • UML2: диаграммы компонентов, расширенные диаграммы классов

Результаты и оценивание проекта

Хорошо сделанный проект - это круче, чем типовое тестовое задание на архитектора программных систем, релевантный опыт в применении методов проектирования. Понравившиеся методы можно забрать к себе на работу или вспомнить к собеседованию.

Общие критерии оценивания приведены в методичке Критерии оценивания проектов

Задания по проекту, по возможности, выполняются на семинарах, защита проходит в виде доклада, материалы по проекту высылаются на проверку не позднее, чем за 1 неделю до даты доклада.

Если кратко, то оцениваются следующие харатеристики выполненного проекта

  • Согласованность разных представлений в составе проекта между собой
  • Правильность применения методов проектирования
  • Полнота выполнения проекта и следование рекомендациям
  • Обоснованность и целесообразность принятых проектировочных решений
  • Ошибки и недочеты в применении языков моделирования
  • Вклад участников в общий результат

Примеры тем проектов

В таблице примеры тем проектов, предлагавшихся в прошлые годы.

#НазваниеОписание
1. СмартРитейл Интегрируем недоверчивых участников рынка ритейла с помощью блокчейна
2. Ok, Fridge Холодильник доставит к дивану соки и воды под настроение, дозакажет в магазине
3. ЗалейсяIS Управляем сетью авто-автозаправок, работающих без персонала
4. БезВрача Контролируем соблюдение условий медицинского страхования, и вообще соблюдения правил ЗОЖ
5. Перетачка Едем вместе на чужой машине и везем посылки. Система обеспечивает работу сервиса
6. Как?Никак! Модернизированный CallЦентр, роботы отвечают на типовые вопросы и сами ведут FAQ
7. ДоставимВсе Служба доставки формирует из товаров заказы и перемещает по маршрутам. Маршруты формируются вручную, автоматически как план, динамически. Учет веса и стоимости при планировании
8. Физтех-Такси Агрегатор такси со скидкой на поездки в МФТИ

Использование проектов инновационного практикума

Можно по согласованию с семинаристом и ментором проекта инновационного практикума.

См. также задачи прошлых лет

Контрольная работа и устный ответ

Контрольная работа может быть предложена тем студентам, кто не набрал достаточно баллов для получения оценки автоматом. В составе письменной контрольной работы на лекции будут предложены примерные задания.

  1. Задача на проектирование с применением UML2, ER, DFD, MSA, GoF, SOLID.
  2. Вопросы по методам проектирования по билетам для ответа устно

Примерные критерии оценивания

  • Правильность и количество решенных задач
  • Полнота и правильность ответа на вопросы по методам проектирования
  • Ответы на дополнительные вопросы по теме
  • Владение терминологией и методами проектирования
  • Способность принимать и обосновывать проектировочные решения
  • Способность находить и устранять ошибки в применении методов

Оценки по курсу

Критерии оценивания, итоговый балл

ИБ = 0,2 * (ПЗ или ЛЗ)+ 0,3 * КЛК + 0,7 * (ПРЭ или ЭКЗ)

ЛЗ + ПЗ - посещения лекций и работа на семинаре

КЛК - оценка за коллоквиум

ЭКЗ - устно-письменный экзамен в конце семестра

ПРЭ - курсовой проект

Литература

  1. Martina Seidl, Marion Scholz, Christian Huemer, Gerti Kappel. UML @ Classroom
  2. C. Larman. Applying UML and Patterns
  3. Vaughn Vernon. Implementing Domain-Driven Design, (любое издание)
  4. Sam Newman. Building Microservices
  5. Eric Freeman, Elisabeth Robson, Bert Bates, Kathy Sierra. Head First Design Patterns
  6. Ian Sommerville. Software Engineering 10th Ed или Roger Pressman. Software Engineering: A Practitioner's Approach 8th Ed.
  7. UML diagrams reference, https://www.uml-diagrams.org
  8. UML. Сборник задач

Инструменты моделирования

Modelio Community

https://www.modelio.org/downloads/download-modelio.html

IDE для моделирования, с открытым исходным кодом, понимает UML2 и SysML в редакции Community Edition. Неплохой UI, в целом прост в использовании. Тем не менее, не полностью поддерживает все тонкости UML 2.4.1 или UML 2.5. Подходит для небольших и учебных проектов

Visual Paradigm Community Ed

https://www.visual-paradigm.com/download/community.jsp

Бесплатная версия коммерческого IDE для моделирования ПО с помощью UML 2, помогает с ER-диаграммами и построением моделей по тексту. Требует регистрации при старте. Много фич и диаграммы, которые не спрятать и они требуют платной версии. Получается перегруженный интерфейс, сложнее в использовании.

Draw.io + VS Code Plugin

https://marketplace.visualstudio.com/items?itemName=hediet.vscode-drawio

Известный онлайн и офлайн инструмент для рисования диаграмм, поможет с UML2, ER диаграммами и пр. Дополнения помогут проверить согласованность моделей, но проверки и рефакторинги явно хуже чем у инструментов выше. Хорошо подходит для гибкого моделирования в правильных руках.

Другие рисовалки и средства моделирования

При выборе инструмента для моделирования обратите внимание на удобство UI, поддержку стандартов UML2 и др, функций экспорта и импорта, а также ограничения лицензии. Для курса понадобятся минимум эти диаграммы: классов, вариантов использования, деятельности или состояний, компонентов.

Еще релевантные источники и дополнительные ссылки

Дополнительная литература:

  1. Нотация UML 2 uml2-notation.zip
  2. Б. Мейер, Объектно-ориентированное конструирование программных систем. - Русская Редакция, 2005
  3. Microsoft. Руководство Майкрософт по проектированию архитектуры приложений для Azure, [https://docs.microsoft.com/en-us/azure/architecture/guide/| на сайте Майкрософт]]

Интернет-источники:

  1. Спецификация UML 2.5 на сайте OMG. (http://www.omg.org/spec/UML/2.2/)

Классические статьи методам проектирования:

  1. (discussion) P. Ralph, R. Mohanani. Is Requirements Engineering Inherently Counterproductive?
  2. N. Wirth. Program Development by Stepwise Refinement. (http://www.inf.ethz.ch/personal/wirth/Articles/StepwiseRefinement.pdf)
  3. D. Parnas. On the Criteria to be used in Decomposing System into Modules (http://www.cs.umd.edu/class/spring2003/cmsc838p/Design/criteria.pdf)
  4. D. Garlan, M. Shaw. An Introduction to Software Architecture (http://www.cs.cmu.edu/afs/cs/project/vit/ftp/pdf/intro_softarch.pdf)
  5. Kent Beck, Ward Cunningham. A Laboratory For Teaching Object-Oriented Thinking / OOPSLA89 (http://c2.com/doc/oopsla89/paper.html)
  6. Doug Rosenberg, Kendall Scott, The ICONIX Process, (http://www.informit.com/articles/printerfriendly.aspx?p=167902)
  7. B. Liskov. Programming with abstract data types
  8. Friedrich Steimann, Philip Mayer. Patterns of Interface-Based Programming
  9. Rebecca Wirfs-Brock, Object-oriented design. A responsibility-driven approach
  10. Robert C. Sharblet, Samuel S. Cohen. The object-oriented brewery. A comparison of two object-oriented development methods
  11. P. Krutchen. Architectural Blueprints—The “4+1” View Model of Software Architecture, (http://www.cs.ubc.ca/~gregor/teaching/papers/4+1view-architecture.pdf)
  12. IEEE Recommended practice for architectural description of software intensive systems, (http://www.win.tue.nl/~wsinmak/Education/2II45/software-architecture-std1471-2000.pdf)
  13. M. Fowler. Who need an Achitect?, http://martinfowler.com/ieeeSoftware/whoNeedsArchitect.pdf
  14. D. Greer, Interactive Application Architecture, http://aspiringcraftsman.com/2007/08/25/interactive-application-architecture/
  15. Frank DeRemer, Hans Kron. PROGRAMMING-IN-THE LARGE VERSUS PROGRAMMING-IN-THE-SMALL (google it)
  16. The Agile Method and Other Fairy Tales (google it)
  17. A RATIONAL DESIGN PROCESS: HOW AND WHY TO FAKE IT (google it)
  18. Edward V. Berard. Be Careful With “Use Cases”
  19. (beware!)Chidamber Kemerer Metrics Suite. A Measurement Theory Perspective
  20. McCabe. A complexity measure

Паттерны:

  1. Antipatterns Wiki, http://c2.com/cgi/wiki?AntiPatternsCatalog
  2. Паттерны обработки ошибок, http://c2.com/cgi/wiki?ExceptionPatterns
  3. Microservices patterns, https://microservices.io
  4. GoF. Design Patterns: elements of reusable object-oriented software
  5. Статья на c2.com про DoubleDispatch и DoubleDispatchExample,
  6. Jenifer Tidwell, Designing Interfaces
  7. Scott Ambler, Process Patterns
  8. Martin Fowler, Analysis Patterns
  9. Martin Fowler, Patterns of Enterprise Application Architecture
  10. G. Hohpe, Enterprise Integration Patterns
  11. D. Greer, Interactive Application Architecture, http://aspiringcraftsman.com/2007/08/25/interactive-application-architecture/
  12. Pattern-Oriented Software Architecture (несколько томов), http://www.cs.wustl.edu/~schmidt/POSA/
  13. C++ Idioms, http://en.wikibooks.org/wiki/More_C%2B%2B_Idioms
  14. Linda Rising - Patterns Almanac 2000, http://www.smallmemory.com/almanac/

Контакты

Хританков Антон Сергеевич, автор курса, course [at] objectoriented.ru



В прошлом семинары по курсу вели

Межуев Игорь Юрьевич

Андрианов Андрей Иванович

Ахтямов Павел Ибрагимович

Старичков Никита Юрьевич

Штукатуров Алексей Николаевич

Сергей Зыков Викторович

Шестаков Роман

Ивахненко Андрей Александрович