Лекция
метамодель , метамоделирование , метакласс и метаобъект связаны через уровни абстракции в объектно‑ориентированном и модельно‑ориентированном подходах: метамодель описывает язык моделей, метамоделирование — процесс ее построения, метакласс — элемент метамодели, а метаобъект — экземпляр метакласса, который управляет объектами и их структурой.
Эти термины — из одной «мета-семьи»: они описывают системы на уровне выше обычных моделей, то есть модели о моделях. Разберем связь аккуратно и системно.
Общая идея (мета-уровни)
Есть иерархия уровней (часто в духе Object Management Group / MOF):
Основные понятия
| Понятие | Определение | Роль в иерархии |
|---|---|---|
| Модель | Абстрактное представление системы (например, UML‑диаграмма классов). | Уровень M1 |
| Метамодель | Модель, описывающая язык моделирования (например, UML как метамодель для диаграмм). | Уровень M2 |
| Метамоделирование | Процесс анализа, построения и развития метамоделей. | Деятельность, связывающая M2 и M3 |
| Метакласс | Класс в метамодели, определяющий правила для классов модели (например, Class, Association в UML). | Элемент M2 |
| Метаобъект | Экземпляр метакласса, описывающий структуру или управляющий объектами (например, объект «Класс Person» как экземпляр метакласса Class). | Уровень M1/M2 |
Как они связаны
Модель ↔ Метамодель
Каждая модель должна соответствовать своей метамодели.
Пример: диаграмма классов UML (модель) соответствует UML‑метамодели.
Метамодель ↔ Метамоделирование
Метамоделирование — это процесс создания метамодели, то есть языка для описания моделей.
В стандартах OMG используется MOF (Meta‑Object Facility) как язык для метамоделирования.
Метамодель ↔ Метакласс
Метамодель состоит из метаклассов.
Метакласс задает правила: какие свойства и связи могут иметь элементы модели.
Метакласс ↔ Метаобъект
Метакласс определяет структуру, а метаобъект — ее конкретная реализация.
В объектно‑ориентированных БД метаобъекты описывают структуры хранимых объектов и управляют ядром системы
Это модель, которая описывает другие модели
Пример:
То есть:
Метамодель = правила + структура для построения моделей
Метамоделирование -это процесс создания метамодели
То есть:
Пример:
Метамоделирование = деятельность
Метамодель = результат
Метамодель — это модель модели, а метамоделирование — это процесс создания таких метамоделей. Таким образом, метамоделирование — это анализ, построение и разработка фреймов, правил, ограничений, моделей и теорий, применимых и полезных для моделирования предопределенного класса задач. Как следует из названия, эта концепция применяет понятия мета- и моделирования в разработке программного обеспечения и системной инженерии . Метамодели бывают разных типов и имеют разнообразные области применения.
Метамодель/суррогатная модель — это модель модели, то есть упрощенная модель реальной модели схемы, системы или программно-подобного объекта. Метамодель может представлять собой математическое соотношение или алгоритм, описывающий отношения ввода и вывода. Модель — это абстракция явлений в реальном мире ; метамодель — это еще одна абстракция, подчеркивающая свойства самой модели. Модель соответствует своей метамодели так же, как компьютерная программа соответствует грамматике языка программирования, на котором она написана. Различные типы метамоделей включают полиномиальные уравнения, нейронные сети, кригинг и т. д. «Метамоделирование» — это построение набора «концепций» (вещей, терминов и т. д.) в определенной области. Метамоделирование обычно включает изучение отношений вывода и ввода, а затем подбор подходящих метамоделей для представления этого поведения.
Метамодели часто используются в следующих случаях:
Ввиду «мета»-характера метамоделирования, как практика , так и теория метамоделей имеют отношение к метанауке , метафилософии , метатеориям , системотехнике и метасознанию. Эта концепция может быть полезна в математике и имеет практическое применение в информатике и компьютерной инженерии / разработке программного обеспечения .
Метамодель DoDAF ОпределениеВ разработке программного обеспечения использование моделей является альтернативой более распространенным методам разработки на основе кода. Модель всегда соответствует уникальной метамодели. Одним из наиболее активных направлений в настоящее время разработки, основанной на моделях, является подход, называемый архитектурой, управляемой моделями, предложенный OMG . Этот подход воплощен в спецификации Meta Object Facility (MOF). [ Типичные спецификации метамоделирования, предложенные OMG , включают UML , SysML , SPEM или CWM. ISO также опубликовала стандартную метамодель ISO/IEC 24744. Все языки, представленные ниже, могут быть определены как метамодели MOF.Моделирование метаданныхМоделирование метаданных — это тип метамоделирования, используемый в разработке программного обеспечения и системной инженерии для анализа и построения моделей, применимых и полезных для определенного класса задач. (см. также: моделирование данных ).Преобразования моделейВажным шагом в разработке моделей является систематическое использование языков преобразования моделей . OMG предложила для этого стандарт под названием QVT ( Queries/Views/Transformations). QVT основан на механизме метаобъектов (MOF). Среди множества других языков преобразования моделей (MTL) примерами реализаций этого стандарта являются AndroMDA, VIATRA , Tefkat , MT , ManyDesigns Portofino .Связь с онтологиямиМетамодели тесно связаны с онтологиями . И те, и другие часто используются для описания и анализа отношений между понятиями:
В области разработки программного обеспечения можно выделить несколько типов моделей (и соответствующие им виды моделирования):
Библиотеку подобных метамоделей называют зоопарком метамоделей. Существует несколько типов зоопарков метамоделей. Некоторые из них представлены в ECore. Другие написаны на MOF 1.4 – XMI 1.2. Метамодели , представленные в UML - XMI 1.2, могут быть загружены в Poseidon for UML, инструмент UML CASE .
Это класс, который описывает классы
Связь уровней:
Пример:
в Python:
class MyClass:
pass
type(MyClass) # это метакласс
type — метакласс
Метакласс = строитель классов
В объектно-ориентированном программировании метакласс — это класс , синтаксические определения которого используются для синтаксического определения самих классов. В отличие от обычных классов, которые определяют поведение объектов, метаклассы определяют поведение классов и их экземпляров. Не все объектно-ориентированные языки программирования поддерживают концепцию метаклассов. Для тех, которые поддерживают, степень контроля метаклассов над поведением классов варьируется. Метаклассы часто реализуются путем рассмотрения классов как первоклассных объектов , что делает метакласс объектом, который создает и управляет этими классами. Каждый язык программирования придерживается своего собственного протокола метаобъектов , который представляет собой правила, определяющие взаимодействие между объектами, классами и метаклассами. Метаклассы используются для автоматизации генерации кода и для улучшения разработки фреймворков.
В Python встроенный класс typeявляется метаклассом. Рассмотрим этот простой класс Python:
Во время выполнения Carсам объект является экземпляром класса type. Исходный код класса Car, показанный выше, не содержит таких деталей, как размер Carобъектов в байтах, их бинарное расположение в памяти, способ их выделения, __init__автоматический вызов метода при каждом Carсоздании объекта и так далее. Эти детали вступают в силу не только при Carсоздании нового объекта, но и каждый раз Carпри обращении к любому атрибуту объекта. В языках без метаклассов эти детали определяются спецификацией языка и не могут быть переопределены. В Python метакласс — typeуправляет этими деталями Carповедения объекта. Их можно переопределить, используя другой метакласс вместо type.
В приведенном выше примере содержится избыточный код, связанный с четырьмя атрибутами make, model, year, и color. Часть этой избыточности можно устранить с помощью пользовательского метакласса. В Python метакласс проще всего определить как подкласс type.
Этот метакласс переопределяет только создание объектов. Все остальные аспекты поведения класса и объекта по-прежнему обрабатываются с помощью type.
Теперь класс Carможно переписать, чтобы он использовал этот метакласс. В Python 3 это делается путем передачи "ключевого аргумента" metaclassв определение класса:
Полученный объект Carможно создать как обычно, но он может содержать любое количество именованных аргументов:
new_car : Car = Car ( make = 'Toyota' , model = 'Prius' , year = 2005 , color = 'Green' , engine = 'Hybrid' )
В Smalltalk все является объектом . Кроме того, Smalltalk — это система, основанная на классах , что означает, что каждый объект имеет класс, который определяет структуру этого объекта (т. е. переменные экземпляра объекта) и сообщения, которые объект понимает. В совокупности это означает, что класс в Smalltalk является объектом, и, следовательно, класс должен быть экземпляром класса (называемого метаклассом).
Например, объект автомобиля cявляется экземпляром класса Car. В свою очередь, этот класс Carтакже является объектом и, следовательно, экземпляром метакласса с именем Car. Car classОбратите внимание на пробел в имени метакласса. Имя метакласса — это выражение Smalltalk, которое при вычислении приводит к объекту метакласса. Таким образом, вычисление Car classприводит к объекту метакласса, для Carкоторого имя равно Car class(это можно подтвердить, вычислив, Car class nameчто возвращает имя метакласса Car).
Методы класса фактически принадлежат метаклассу, так же как методы экземпляра фактически принадлежат классу. Когда объекту отправляется сообщение 2, поиск метода начинается в Integer. Если он не найден, поиск продолжается вверх по цепочке суперклассов, останавливаясь в Object независимо от того, найден он или нет.
Когда отправляется сообщение, Integerпоиск метода начинается в Integer classи продолжается вверх по цепочке суперклассов до Object class. Обратите внимание, что до сих пор цепочка наследования метаклассов точно следует цепочке наследования классов. Но цепочка метаклассов простирается дальше, поскольку Object classявляется подклассом Class. Все метаклассы являются подклассами класса.
В ранних версиях Smalltalk существовал только один метакласс с названием Class`.`. Это подразумевало, что методы всех классов были одинаковыми, в частности, метод создания новых объектов, т. е. ` new.`. Чтобы позволить классам иметь свои собственные методы и свои собственные переменные экземпляра (называемые переменными экземпляра класса и не следует путать их с переменными класса ), в Smalltalk-80 для каждого класса был введен Cсвой собственный метакласс ` C class.`. Это означает, что каждый метакласс фактически является классом- синглтоном .
Поскольку нет требования, чтобы метаклассы вели себя по-разному, все метаклассы являются экземплярами только одного класса, называемого Metaclass. Метакласс Metaclassназывается Metaclass class, который, в свою очередь, является экземпляром класса Metaclass.
В Smalltalk-80 каждый класс (кроме Object) имеет суперкласс . Абстрактным суперклассом всех метаклассов является Class, который описывает общую природу классов.
Иерархия суперклассов для метаклассов аналогична иерархии суперклассов для обычных классов, за исключением класса Object. ВСЕ метаклассы являются подклассами Class, следовательно:
Подобно сиамским близнецам , классы и метаклассы рождаются вместе. Metaclassимеет переменную экземпляра thisClass, которая указывает на связанный с ним класс. Обратите внимание, что обычный браузер классов Smalltalk не отображает метаклассы как отдельные классы. Вместо этого браузер классов позволяет редактировать класс одновременно с его метаклассом.
Названия классов в иерархии метаклассов легко спутать с понятиями, имеющими то же название. Например:
Четыре класса предоставляют средства для описания новых классов. Их иерархия наследования (от класса Object) и основные предоставляемые ими возможности следующие:
Ruby очищает концепцию метаклассов Smalltalk-80, вводя собственные классы , удаляя Metaclassкласс и (не)переопределяя отображение класса. Изменение можно схематически представить следующим образом:
|
→ |
|
Обратите внимание, в частности, на соответствие между неявными метаклассами Smalltalk и собственными классами классов Ruby. Модель собственных классов Ruby делает концепцию неявных метаклассов полностью единообразной: каждый объект x имеет свой собственный метаобъект, называемый собственным классом x , который на один метауровень выше, чем x . Собственные классы «более высокого порядка» обычно существуют чисто концептуально — они не содержат никаких методов и не хранят никаких (других) данных в большинстве программ Ruby.
На следующих диаграммах показана примерная структура ядра Smalltalk-80 и Ruby для сравнения. В обоих языках структура состоит из встроенной части, которая содержит циклические объекты (т.е. объекты, которые появляются в цикле, образованном комбинацией синих или зеленых ссылок), и пользовательской части, которая имеет четыре явных объекта: классы Aи B и терминальные объекты uи v. Зеленые ссылки показывают отношение наследования «дочерний→родитель» (с неявным направлением вверх), синие ссылки показывают отношение «дополнительный член→контейнер» при создании экземпляра (синяя ссылка от x указывает на наименьший фактический контейнер x , который является начальной точкой для поиска метода при вызове метода на x ). Серые узлы отображают собственные классы (соответственно, неявные метаклассы в случае Smalltalk-80).
| Smalltalk-80 | Руби | |
 |
 |
Диаграмма справа также иллюстрирует ленивую оценку собственных классов в Ruby. vОбъект может получить оценку своего собственного класса (выделение памяти) в результате добавления методов-синглтонов к v.
Согласно методу интроспекции Ruby, названному class, класс каждого класса (и каждого собственного класса) постоянно является Classклассом (обозначенным cна диаграмме). Class, и Structявляются единственными классами, которые имеют классы в качестве экземпляров. [ оспаривается – обсудить ] Наследование от Classзапрещено. Следуя стандартному определению метаклассов, мы можем заключить, что Classи Structявляются единственными метаклассами в Ruby. Это, кажется, противоречит соответствию между Ruby и Smalltalk, поскольку в Smalltalk-80 каждый класс имеет свой собственный метакласс. Расхождение основано на несоответствии между classметодом интроспекции в Ruby и Smalltalk. Хотя отображение x ↦ x.class совпадает на терминальных объектах, оно отличается ограничением на классы. Как уже упоминалось выше, для класса x, выражение Ruby x.classпостоянно оценивается как Class. В Smalltalk-80, если xявляется классом, то выражение x classсоответствует выражению Ruby x.singleton_class – которое оценивается как собственный класс x.
Метаклассы в Objective-C практически идентичны метаклассам в Smalltalk-80 — что неудивительно, поскольку Objective-C многое заимствует из Smalltalk. Как и в Smalltalk, в Objective-C переменные экземпляра и методы определяются классом объекта. Класс — это объект, следовательно, он является экземпляром метакласса.
Подобно Smalltalk, в Objective-C методы класса — это просто методы, вызываемые на объекте класса, поэтому методы класса должны быть определены как методы экземпляра в его метаклассе. Поскольку разные классы могут иметь разные наборы методов класса, каждый класс должен иметь свой собственный метакласс. Классы и метаклассы всегда создаются как пара: среда выполнения имеет функции objc_allocateClassPair()для objc_registerClassPair()создания и регистрации пар класс-метакласс соответственно.
У метаклассов нет названий; однако указатель на любой объект класса может быть указан с помощью обобщенного типа Class(аналогично типу, idиспользуемому для указателя на любой объект).
Поскольку методы классов наследуются посредством наследования, как в Smalltalk, метаклассы должны следовать схеме наследования, аналогичной схеме наследования классов (например, если родительский класс класса A — это класс B, то родительский класс метакласса A — это метакласс B), за исключением корневого класса.
В отличие от Smalltalk, метакласс корневого класса наследует свойства от самого корневого класса (обычно NSObjectс использованием фреймворка Cocoa ). Это гарантирует, что все объекты класса в конечном итоге являются экземплярами корневого класса, так что вы можете использовать методы экземпляра корневого класса, обычно полезные вспомогательные методы для объектов, непосредственно на самих объектах класса.
Поскольку объекты метаклассов не ведут себя по-разному (вы не можете добавлять методы класса для метакласса, поэтому все объекты метаклассов имеют одинаковые методы), все они являются экземплярами одного и того же класса — метакласса корневого класса (в отличие от Smalltalk). Таким образом, метакласс корневого класса является экземпляром самого себя. Причина этого в том, что все метаклассы наследуют от корневого класса; следовательно, они должны наследовать методы класса корневого класса.
Герб Саттер из комитета ISO C++ первым предложил включить метаклассы в C++ для C++20 , используя возможности C++17 . С принятием рефлексии в C++26 эта статья была пересмотрена.
Основная цель — расширить абстракцию C++ за пределы определенного словаря ( class, struct, union, enum, и т. д.), чтобы разрешить использование адаптивного словаря (например interface, value), для более либерального подхода к программированию, свободного от запоминания правил. Эта функция также позволит выражать нестандартные возможности (например, интерфейсы ) как основные возможности библиотек и устранит необходимость в специализированных компиляторах (таких как Qt moc , C ++/CX и т. д.) для выражения специфической информации с использованием стандартизированных возможностей.
Используя внедрение кода (еще одно предлагаемое дополнение к рефлексии C++, которое добавит внедрение последовательности токенов в исходный код ) , можно было бы создать " interface" в стиле Java/C# с помощью constevalфункции:
Также можно было бы применять несколько типов метаклассов. Например, для метаклассов xи yможно было бы написать .
class(x, y) MyClass {
/* ... */
};
В статье предлагается использовать абстракции для значительного сокращения шаблонного кода за счет создания генерируемых функций и настраиваемых значений по умолчанию, семантики и ограничений. Кроме того, это устраняет необходимость в создании новых предложений по языковым функциям, позволяя выражать такие функции с помощью метаклассовых характеристик.
Ниже перечислены некоторые из наиболее распространенных языков программирования , поддерживающих метаклассы.
К числу менее распространенных языков, поддерживающих метаклассы, относятся OpenJava , OpenC++ , OpenAda , CorbaScript , ObjVLisp , Object-Z , MODEL-K , XOTcl и MELDC . Некоторые из этих языков появились в начале 1990-х годов и представляют академический интерес .
Возможности Java 
для интроспекции , похожие на метаклассы, но на самом деле не являющиеся метаклассами.
Logtalk , объектно-ориентированное расширение Prolog , также поддерживает метаклассы.
И Resource Description Framework (RDF), и Unified Modeling Language (UML) поддерживают метаклассы.
Метаклассы были предложены для возможного включения в будущую версию C++ , но в настоящее время не являются включенной функцией.
Это объект, который управляет поведением других объектов
Используется в:
Пример:
__dict____class__Метаобъект = механизм, который влияет на поведение системы во время выполнения
В информатике метаобъект — это объект , который манипулирует, создает, описывает или реализует другие объекты (включая самого себя). Объект , к которому относится метаобъект, называется базовым объектом. Информация , которую может определять метаобъект , включает тип базового объекта , интерфейс , класс , методы , атрибуты , дерево разбора и т. д. Метаобъекты являются примером концепции рефлексии в информатике , когда система имеет доступ (обычно во время выполнения) к своей собственной внутренней структуре. Рефлексия позволяет системе, по сути, переписывать себя на лету, изменять свою собственную реализацию по мере выполнения
Метаобъектный протокол ( MOP ) предоставляет словарь ( протокол ) для доступа и манипулирования структурой и поведением систем объектов. Типичные функции метаобъектного протокола включают:
Протокол метаобъектов противоречит принципу открытости/закрытости Бертрана Мейера , который утверждает, что программные объектные системы должны быть открыты для расширения , но закрыты для модификации . Этот принцип фактически проводит различие между расширением объекта путем добавления к нему и модификацией объекта путем его переопределения, предполагая, что первое является желательным качеством («объекты должны быть расширяемыми для удовлетворения требований будущих вариантов использования»), в то время как второе нежелательно («объекты должны предоставлять стабильный интерфейс, не подлежащий сводной переработке»). Протокол метаобъектов, напротив, прозрачно раскрывает внутреннюю структуру объектов и всей объектной системы с точки зрения самой системы. На практике это означает, что программисты могут использовать объекты для переопределения самих себя, возможно, довольно сложными способами.
Более того, протокол метаобъектов — это не просто интерфейс к «базовой» реализации; скорее, посредством протокола метаобъектов объектная система рекурсивно реализуется через метаобъектную систему, которая, в свою очередь , теоретически реализуется через метаметаобъектную систему, и так далее, пока не будет определен произвольный базовый случай (согласованное состояние объектной системы ), при этом сам протокол представляет собой рекурсивную функциональную связь между этими уровнями реализации.
Реализация объектных систем таким образом открывает возможность радикального произвольного перепроектирования, обеспечивая высокую гибкость, но внося потенциально сложные или труднопонимаемые проблемы метастабильности (например, объектная система не должна деструктивно обновлять свой собственный метаобъектный протокол — свое внутреннее самопредставление, — но потенциальную деструктивность некоторых обновлений нетривиально предсказать и может быть трудно рассуждать), в зависимости от глубины рекурсии, до которой распространяются желаемые модификации. По этой причине метаобъектный протокол, если он присутствует в языке, обычно используется экономно и для специализированных целей, таких как программное обеспечение, которое сложным образом преобразует другое программное обеспечение или себя, например, при обратной разработке.
Когда компиляция недоступна во время выполнения, возникают дополнительные сложности при реализации протокола метаобъектов. Например, с помощью такого протокола можно изменить иерархию типов, но это может вызвать проблемы для кода, скомпилированного с альтернативным определением модели классов. В некоторых средах были найдены инновационные решения этой проблемы, например, путем обработки проблем с метаобъектами во время компиляции. Хорошим примером является OpenC++ . Объектно-ориентированная модель семантической сети более динамична, чем большинство стандартных объектных систем , и согласуется с протоколами метаобъектов во время выполнения. Например, в модели семантической сети ожидается, что классы будут изменять свои отношения друг с другом, и существует специальный механизм вывода, известный как классификатор, который может проверять и анализировать развивающиеся модели классов.
Первый метаобъектный протокол был разработан в объектно-ориентированном языке программирования Smalltalk , созданном в Xerox PARC . Система объектов Common Lisp (CLOS) появилась позже и находилась под влиянием протокола Smalltalk, а также оригинальных исследований Брайана К. Смита по 3-Lisp как бесконечной башне оценщиков. Модель CLOS, в отличие от модели Smalltalk, позволяет классу иметь более одного суперкласса ; это создает дополнительную сложность в таких вопросах, как разрешение родословной иерархии классов на некотором экземпляре объекта. CLOS также допускает динамическую многометодовую диспетчеризацию , которая обрабатывается с помощью обобщенных функций, а не передачи сообщений, как в однометодовой диспетчеризации Smalltalk . Наиболее влиятельной книгой, описывающей семантику и реализацию метаобъектного протокола в Common Lisp, является « Искусство метаобъектного протокола» Грегора Кичалеса и др.
Протоколы метаобъектов также широко используются в приложениях для разработки программного обеспечения. Практически во всех коммерческих CASE-средах, средах реинжиниринга и интегрированных средах разработки существует та или иная форма протокола метаобъекта для представления и манипулирования проектными артефактами.
Протокол метаобъектов — один из способов реализации аспектно-ориентированного программирования . Многие из первых основателей MOP, включая Грегора Кичалеса , впоследствии стали главными сторонниками аспектно-ориентированного программирования. Кичалес и его коллеги из PARC были наняты для разработки AspectJ для Java , языка, который не имеет собственного протокола метаобъектов.
Комментарии
Оставить комментарий
Объектно-ориентированный анализ и проектирование
Термины: Объектно-ориентированный анализ и проектирование