Главная → Программы → UML. Виды диаграмм UML

UML. Виды диаграмм UML

Большинство существующих методов объектно-ориентированного анализа и проектирования (ООАП) включают как язык моделирования, так и описание процесса моделирования. Язык моделирования – это нотация (в основном графическая), которая используется методом для описания проектов.

Нотация представляет собой совокупность графических объектов, которые используются в моделях; она является синтаксисом языка моделирования. Например, нотация диаграммы классов определяет, каким образом представляются такие элементы и понятия, как класс, ассоциация и множественность.

Процесс – это описание шагов, которые необходимо выполнить при разработке проекта.

Унифицированный язык моделирования UML (Unified Modeling Language) – это преемник того поколения методов ООАП, которые появились в конце 80-х и начале 90-х гг.

Язык UML представляет собой общецелевой язык визуального моделирования, который разработан для спецификации, визуализации, проектирования и документирования компонентов программного обеспечения, бизнес-процессов и других систем. Язык UML одновременно является простым и мощным средством моделирования, который может быть эффективно использован для построения концептуальных, логических и графических моделей сложных систем самого различного целевого назначения.

Конструктивное использование языка UML основывается на понимании общих принципов моделирования сложных систем и особенностей процесса объектно-ориентированного проектирования (ООП) в частности. Выбор выразительных средств для построения моделей сложных систем предопределяет те задачи, которые могут быть решены с использованием данных моделей. При этом одним из основных принципов построения моделей сложных систем является принцип абстрагирования, который предписывает включать в модель только те аспекты проектируемой системы, которые имеют непосредственное отношение к выполнению системой своих функций или своего целевого предназначения. При этом все второстепенные детали опускаются, чтобы чрезмерно не усложнять процесс анализа и исследования полученной модели.

Другим принципом построения моделей сложных систем является принцип многомодельности . Этот принцип представляет собой утверждение о том, что никакая единственная модель не может с достаточной степенью адекватности описывать различные аспекты сложной системы. Применительно к методологии ООП это означает, что достаточно полная модель сложной системы допускает некоторое число взаимосвязанных представлений (views), каждое из которых адекватно отражает некоторый аспект поведения или структуры системы. При этом наиболее общими представлениями сложной системы принято считать статическое и динамическое представления, которые в свою очередь могут подразделяться на другие более частные представления.) феномен сложной системы как раз и состоит в том, что никакое ее единственное представление не является достаточным для адекватного выражения всех особенностей моделируемой системы.

Еще одним принципом прикладного системного анализа является принцип иерархического построения моделей сложных систем. Этот принцип предписывает рассматривать процесс построения модели на разных уровнях абстрагирования или детализации в рамках фиксированных представлений. При этом исходная или первоначальная модель сложной системы имеет наиболее общее представление (метапредставление). Такая модель строится на начальном этапе проектирования и может не содержать многих деталей и аспектов моделируемой системы.

Создание UML фактически началось в конце 1994 г., когда Гради Б уч и Джеймс Рамбо начали работу по объединению методов Booch и ОМТ (Object Modeling Technique) под эгидой компании Rational Software. К концу 1995 г. они создали первую спецификацию объединенного метода, названного ими Unified Method, версия 0.8. Тогда же, в 1995 г., к ним присоединился создатель метода OOSE (Object-Oriented Software Engineering) Ивар Якобсон . Таким образом, UML является прямым объединением и унификацией методов Буча, Рамбо и Якобсона , однако дополняет их новыми возможностями.

Главными в разработке UML были следующие цели:

– предоставить пользователям готовый к использованию выразительный язык визуального моделирования, позволяющий разрабатывать осмысленные модели и обмениваться ими;

– предусмотреть механизмы расширяемости и специализации для расширения базовых концепций;

– обеспечить независимость от конкретных языков программирования и процессов разработки;

– обеспечить формальную основу для понимания этого языка моделирования (язык должен быть одновременно точным и доступным для понимания, без лишнего формализма);

– стимулировать рост рынка объектно-ориентированных инструментальных средств;

– интегрировать лучший практический опыт.

Язык UML находится в процессе стандартизации, проводимом OMG (Object Management Group) – организацией по стандартизации в области объектно-ориентированных методов и технологий, в настоящее время принят в качестве стандартного языка моделирования и получил широкую поддержку в индустрии ПО.

Язык UML принят на вооружение практически всеми крупнейшими компаниями – производителями ПО (Microsoft, IBM, Hewlett-Packard, Oracle, Sybase и др.). Кроме того, практически все мировые производители CASE-средств, помимо Rational Software (Rational Rose), поддерживают UML в своих продуктах (Paradigm Plus 3.6, System Architec, Microsoft Visual Modeler for Visual Basic, Delphi, PowerBuilder и др.). Полное описание UML можно найти на сайтах http://www.omg.urg, http://www.rational.com и http://uml.shl.com. Описание UML на русском языке содержится в книге М. Фаулера и К. Скотта, в дальнейшем изложении терминология языка соответствует данному переводу.

Создатели UML представляют его как язык для определения, представления, проектирования и документирования программных систем, организационно-экономических, технических и др.

UML содержит стандартный набор диаграмм и нотаций самых разнообразных видов.

Диаграмма в UML – это графическое представление набора элементов, изображаемое чаще всего в виде связанного графа с вершинами (сущностями) и ребрами (отношениями). Диаграммы рисуют для визуализации системы с разных точек зрения.

Диаграмма – в некотором смысле одна из проекций системы. Как правило, за исключением наиболее тривиальных случаев, диаграммы дают свернутое представление элементов, из которых составлена система. Один и тот же элемент может присутствовать во всех диаграммах, или только в нескольких (самый распространенный вариант), или не присутствовать ни в одной (очень редко).

Теоретически диаграммы могут содержать любые комбинации сущностей и отношений. На практике, однако, применяется сравнительно небольшое количество типовых комбинаций, соответствующих пяти наиболее употребительным видам, которые составляют архитектуру программной системы.

В UML выделяют следующие типы диаграмм:

– диаграммы вариантов использования (usecase diagrams) – для моделирования бизнес-процессов организации (требований к системе);

– диаграммы классов (class diagrams) – для моделирования статической структуры классов системы и связей между ними. На таких диаграммах показывают классы, интерфейсы, объекты и кооперации, а также их отношения. При моделировании объектно-ориентированных систем этот тип диаграмм используют чаще всего. Диаграммы классов соответствуют статическому виду системы с точки зрения проектирования;

– диаграммы поведения системы (behavior diagrams);

– диаграммы взаимодействия (interaction diagrams) – для моделирования процесса обмена сообщениями между объектами. Существуют два вида диаграмм взаимодействия: диаграммы последовательности (sequence diagrams) и кооперативные диаграммы (collaboration diagrams). На диаграммах взаимодействия представлены связи между объектами; показаны, в частности, сообщения, которыми объекты могут обмениваться. Диаграммы взаимодействия относятся к динамическому виду системы. При этом диаграммы последовательности отражают временную упорядоченность сообщений, а диаграммы кооперации – структурную организацию обменивающихся сообщениями объектов. Эти диаграммы являются изоморфными, то есть могут быть преобразованы друг в друга;

– диаграммы состояний (statechart diagrams) – для моделирования поведения объектов системы при переходе из одного состояния в другое. На них представлен автомат, включающий в себя состояния, переходы, события и виды действий. Диаграммы состояний относятся к динамическому виду системы; особенно они важны при моделировании поведения интерфейса, класса или кооперации. Они акцентируют внимание на поведении объекта, зависящем от последовательности событий, что очень полезно для моделирования реактивных систем;

– диаграммы деятельностей (activity diagrams) – для моделирования поведения системы в рамках различных вариантов использования или моделирования деятельностей. Это частный случай диаграммы состояний; на ней представлены переходы потока управления от одной деятельности к другой внутри системы. Диаграммы деятельности относятся к динамическому виду системы; они наиболее важны при моделировании ее функционирования и отражают поток управления между объектами;

– диаграммы реализации (implementation diagrams): диаграммы компонентов (component diagrams) – для моделирования иерархии компонентов (подсистем) системы; диаграммы размещения (deployment diagrams) – для моделирования физической архитектуры системы. На диаграмме компонентов представлена организация совокупности компонентов и существующие между ними зависимости. Диаграммы компонентов относятся к статическому виду системы с точки зрения реализации. Они могут быть соотнесены с диаграммами классов, так как компонент обычно отображается на один или несколько классов, интерфейсов или коопераций.Краткая история UML

Объектно-ориентированные языки моделирования появились в период с середины 70-х до конца 80-х годов, когда исследователи, поставленные перед необходимостью учитывать новые возможности объектно-ориентированных языков программирования и требования, предъявляемые все более сложными приложениями, вынуждены были начать разработку различных альтернативных подходов к анализу и проектированию.

С 1989 по 1994 год число различных объектно-ориентированных методов возросло с десяти более чем до пятидесяти. Тем не менее, многие пользователи испытывали затруднения при выборе языка моделирования, который бы полностью соответствовал их потребностям, что послужило причиной так называемой «войны методов». В результате этих войн появилось новое поколение методов, среди которых особое значение приобрели языки Booch , созданный Грейди Бучем (Grady Booch), OOSE (Object-Oriented Software Engineering), разработанный Айваром Джекобсоном (Ivar Jacobson) и ОМТ (Object Modeling Technique), автором которого является Джеймс Рамбо (James Rumbaugh). Кроме того, следует упомянуть языки Fusion, Шлаера-Меллора (Shlaer-Mellor) и Коада-Йордона (Coad-Yourdon). Каждый из этих методов можно считать вполне целостным и законченным, хотя любой из них имеет не только сильные, но и слабые стороны.

Выразительные возможности метода Буча особенно важны на этапах проектирования и конструирования модели. OOSE великолепно приспособлен для анализа и формулирования требований, а также для высокоуровневого проектирования. ОМТ-2 оказался особенно полезным для анализа и разработки информационных систем, ориентированных на обработку больших объемов данных.

Критическая масса новых идей начала формироваться к середине 90-х годов, когда Грейди Буч (компания Rational Software Corporation), Айвар Джекобсон (Objectory) и Джеймс Рамбо (General Electric) предприняли попытку объединить свои методы, уже получившие мировое признание как наиболее перспективные в данной области. Являясь основными авторами языков Booch, OOSE и ОМТ , партнеры попытались создать новый, унифицированный язык моделирования и руководствовались при этом тремя соображениями.

Во-первых, все три метода, независимо от желания разработчиков, уже развивались во встречном направлении. Разумно было продолжать эту эволюцию вместе, а не по отдельности, что помогло бы в будущем устранить нежелательные различия и, как следствие, неудобства для пользователей.

Во-вторых, унифицировав методы, проще было привнести стабильность на рынок инструментов объектно-ориентированного моделирования, что дало бы возможность положить в основу всех проектов единый зрелый язык, а создателям инструментальных средств позволило бы сосредоточиться на более продуктивной деятельности.

Наконец, следовало полагать, что подобное сотрудничество приведет к усовершенствованию всех трех методов и обеспечит решение задач, для которых любой из них, взятый в отдельности, был не слишком пригоден.

– моделировать системы целиком, от концепции до исполняемого артефакта, с помощью объектно-ориентированных методов;

– решить проблему масштабируемости, которая присуща сложным системам, предназначенным для выполнения ответственных задач;

– создать такой язык моделирования, который может использоваться не только людьми, но и компьютерами.

Изобретение языка для объектно-ориентированного анализа и проектирования не слишком отличается от разработки языка программирования. Во-первых , требовалось ограничить задачу. Следует ли включать в язык возможность спецификации требований? Должен ли язык позволять визуальное программирование? Во-вторых , было необходимо найти точку равновесия между выразительной мощью и простотой. Слишком простой язык ограничил бы круг решаемых с его помощью задач, а слишком сложный мог ошеломить неискушенного разработчика. Кроме того, при объединении существующих методов приходилось учитывать наличие уже разработанных с их помощью продуктов. Внесение слишком большого числа изменений могло бы оттолкнуть уже имевшихся пользователей, а сопротивляясь развитию языка, авторы потеряли бы возможность привлекать новых пользователей и делать язык более простым и удобным для применения. Создавая UML, разработчики старались найти оптимальное решение этих проблем.

Официально создание UML началось в октябре 1994 года , когда Рамбо перешел в компанию Rational Software, где работал Буч. Первоначальной целью было объединение методов Буча и ОМТ. Первая пробная версия 0.8 Унифицированного Метода (Unified Method), как его тогда называли, появилась в октябре 1995 года . Приблизительно в это же время в компанию Rational перешел Джекобсон, и проект UML был расширен с целью включить в него язык OOSE. В результате совместных усилий в июне 1996 года вышла версия 0.9 языка UML . На протяжении всего года создатели занимались сбором отзывов от основных компаний, работающих в области конструирования программного обеспечения. За это время стало ясно, что большинство таких компаний сочло UML языком, имеющим стратегическое значение для их бизнеса. В результате был основан консорциум UML, в который вошли организации, изъявившие желание предоставить ресурсы для работы, направленной на создание полного определения UML.

Версия 1.0 языка появилась в результате совместных усилий компаний Digital Equipment Corporation, Hewlett Packard, I-Logix, Intellicprp, IBM, ICON Computing, MCI Systemhouse, Microsoft, Oracle, Rational, Texas Instruments и Unisys. UML 1.0 оказался хорошо определенным, выразительным, мощным языком, применимым для решения большого количества разнообразных задач. В январе 1997 года он был представлен Группе по управлению объектами (Object Management Group, OMG) на конкурс по созданию стандартного языка моделирования.

Между январем и июнем 1997 года консорциум UML расширился, в него вошли практически все компании, откликнувшиеся на призыв OMG, а именно: Andersen Consulting, Ericsson, ObjecTime Limited, Platinum Technology, Ptech, Reich Technologies, Softeam, Sterling Software и Taskon. Чтобы формализовать спецификации UML и координировать работу с другими группами, занимающимися стандартизацией, под руководством Криса Кобрина (Cris Kobryn) из компании MCI Systemhouse и Эда Эйкхолта (Ed Eykholt) из Rational была организована семантическая группа. Пересмотренная версия UML (1.1) была снова представлена на рассмотрение OMG в июле 1997 года. В сентябре версия была утверждена на заседаниях Группы по анализу и проектированию и Комитета по архитектуре OMG, a 14 ноября 1997 года принята в качестве стандарта на общем собрании всех членов OMG.

Дальнейшая работа по развитию UML проводилась Группой по усовершенствованию (Revision Task Force, RTF) OMG под руководством Криса Кобрина. В июне 1998 года вышла версия UML 1.2, а осенью 1998 – UML 1.3.

Язык моделирования UML

UML (унифицированный язык моделирования) – язык графического описания для объектного моделирования в области разработки программного обеспечения. Он использует графические обозначения для создания модели системы. Данный язык был создан для определения, визуализации, проектирования и документирования программных систем, а также его используют для моделирования бизнес-процессов, системного проектирования.

Описание унифицированного языка моделирования UML

Краткая история UML (Создатели: Грейди Буч , Айвар Джекобсон и Джеймс Рамбо )

Концептуальная модель UML (концептуальную модель включает: основные строительные блоки языка; правила их сочетания; некоторые общие для всего языка механизмы)

Виды диаграмм для моделирования:

Диаграммы вариантов использования (они описывают функциональное назначение системы или то, что система должна делать)

Диаграммы классов (используются для представления статической структуры модели системы в терминологии классов объектно-ориентированного программирования; такие диаграммы могут отражать различные взаимосвязи между отдельными сущностями предметной области, такими как объекты и подсистемы, а также описывать их внутреннюю структуру и типы отношений)

Диаграммы взаимодействия (описывают взаимодействие между объектами в системе и подразделяются на два основных типа диаграмм: диаграммы последовательности и кооперативные диаграммы)

Диаграммы состояний (используется для описания всех возможных состояний одного экземпляра определенного класса и возможные последовательности его переходов из одного состояния в другое, то есть моделирует все изменения состояний объекта как его реакцию на внешние воздействия)

Диаграммы деятельности (применяется для моделирования процесса выполнения операций)

Диаграммы реализации (служат для представления компонентов системы и относятся к ее физической модели)

Диаграммы компонентов (описывает особенности физического представления системы и позволяет определить архитектуру разрабатываемой системы, установив зависимости между программными компонентами, в роли которых может выступать исходный и исполняемый код)

Диаграммы размещения (отражают физические взаимосвязи между программными и аппаратными компонентами системы, а также используются для изображения маршрутов перемещения объектов в распределенной системе)

Язык Unified Modelling Language (UML) можно считать результатом довольно длинной и еще не завершившейся эволюции методологий моделирования и дизайна.

В 90-х годах наиболее популярными были три объектно-ориентированных подхода:

В результате соперничества этих методов авторы вышеперечисленных методологий создали унифицированный язык моделирования UML (рис. 1), который унаследовал присутствовавшие в других языках элементы. Далее приведена оригинальная терминология заимствованных/унаследованных элементов языка этой методологии - дело в том, что сейчас существует несколько вариантов переводов этих терминов на русский язык.

Рис. 1. UML и его предшественники

Данная унификация преследовала три основные цели:

Моделирование системы, начиная с концепции и заканчивая исполняемым модулем, с применением объектно-ориентированных методик;

Разрешение проблем масштабирования в сложных системах;

Создание языка моделирования, используемого и человеком, и компьютером.

Официальной датой начала работ по UML считают октябрь 1994 года, когда Рамбо перешел в компанию Rational (ныне Rational - одно из подразделений корпорации IBM). Последним стандартом этого языка является версия UML1.3, вышедшая в 1999 году.

Средства UML-моделирования

Является ли UML необходимым компонентом RUP? Да, безусловно. Но практика использования UML как средства описания процесса моделирования и разработки программного обеспечения не ограничивается RUP. Как и любой другой язык, UML - это всего только средство. В RUP предусмотрен ряд утилит, позволяющих довольно легко использовать UML, но их набор не ограничивается лишь продуктами IBM/Rational. Ниже приводится далеко не полный список некоторых продуктов, поддерживающих UML:

Rational Rose (Rational Software, Windows 98/NT/2000/XP, Linux Red Hat 6.2, 7.0, Solaris 2.5.1, 2.6, 7, 8, HP-UX 10.20, 11.0, 11.i);

Microsoft Visual Studio .NET Enterprise Architect, Microsoft Visio (Microsoft, платформы: Windows 98/NT/2000/XP/Server 2003);

Describe Enterprise (Embarcadero technologies, платформы: Windows 98/NT/2000/XP);

Семейство продуктов Together (Borland, платформы: Windows 98/NT/2000/XP, Linux, Solaris);

Bold for Delphi (Borland, платформы: Windows 98/NT/2000/XP);

MagicDraw (Magic, Inc., платформы: Windows 98/Me/NT/2000/XP, Solaris, OS/2, Linux, HP-UX, AIX, Mac OS);

QuickUML (ExcelSoftware, платформы: Windows 98/NT/2000/XP) - неплохая утилита для начинающих.

Отметим также некоторые продукты OpenSourse, например ArgoUML, Novosoft UML Library.

Документ, который содержит списки продуктов, поддерживающих UML, компаний-производителей, платформ, а также информацию о примерных ценах продуктов, можно найти по адресу: http://www.objectsbydesign.com/tools/umltools_byCompany.html .

Следует также отметить, что, несмотря на факт существования стандарта UML 1.3, поддерживаемые перечисленными продуктами реализации UML или обладают собственными особенностями, или не полностью следуют стандарту, поэтому при выборе средства моделирования следует обращать внимание на поддерживаемые типы диаграмм и особенности синтаксиса. Кроме того, возможности прямого и обратного проектирования (Round-Trip Engineering) в разных продуктах весьма различны. Не все вышеуказанные продукты могут поддерживать языки программирования Java, C++, CORBA IDL, поэтому следует обращать особое внимание на то, какую модель сможет сгенерировать тот или иной продукт из имеющегося у вас кода, на каком языке может быть получен код из вашей UML-модели и какого она должна быть типа.

Таблица, показывающая, какие диаграммы UML реализованы в том или ином продукте, находится по адресу: http://www.jeckle.de/umltools.htm .

Для чего применяется UML

UML прежде всего язык, и, как всякое языковое средство, он предоставляет словарь и правила комбинирования слов в этом словаре. В данном случае словарь и правила фокусируются на концептуальном и физическом представлениях системы. Язык диктует, как создать и прочитать модель, однако не содержит никаких рекомендаций о том, какую модель системы необходимо создать, это выходит за рамки UML и является прерогативой процесса разработки программного обеспечения. В связи с этим, видимо, UML довольно часто ассоциируют с RUP одним из возможных процессов, рекомендующих, какие модели, как и когда нужно создавать для успешной разработки продукта.

UML это язык визуализации. Написание моделей на UML преследует одну простую цель облегчение процесса передачи информации о системе. За каждым символом UML стоит строго определенная семантика, что позволяет избегать ошибок интерпретации (ответы на вопросы типа «а что имел в виду разработчик Х, когда он описал иерархию классов Y…» и т.п. будут достаточно прозрачны).

UML это язык спецификаций и точных определений. В этом смысле моделирование на UML означает построение моделей, которые точны, недвусмысленны и полны.

UML это язык конструирования. UML не является визуальным языком программирования, но модели в терминах UML могут быть отображены на определенный набор объектно-ориентированных языков программирования. UML предоставляет возможности прямого (существующая модель ® новый код) и обратного (существующий код ® новая модель) проектирования. Достаточно часто средства UML-моделирования реализуют отображения UML-моделей в коде на языках Java, C++, CORBA, VB, Smalltalk.

UML это язык документирования. Процесс разработки программного обеспечения предусматривает не только написание кода, но и создание таких артефактов, как список требований, описание архитектуры, дизайн, исходный код системы, планирование проекта, тесты, набор прототипов, релизы продукта. В зависимости от культуры разработки продукта в той или иной компании степень формализации данных документов существенно различается, варьируясь от строго определенных шаблонов и формата документов до разговоров на произвольную тему по e-mail или лично. Тем не менее все эти артефакты критичны для успешного процесса разработки продукта. UML предоставляет средства отображения требований к системе, построения документации, тестов, моделирования необходимых действий для планирования проекта и для управления поставленными конечному пользователю релизами.

Элементы языка

Основными элементами UML являются сущности (Thing), отношения (Relationship), диаграммы (Diagram). Сущности являются ключевыми абстракциями языка, отношения связывают сущности вместе, диаграммы группируют коллекции сущностей, которые представляют интерес.

Сущности

Структурные сущности являются существительными языка (рис. 2). К ним относятся:

классы (Class) это набор объектов, разделяющих одни и те же атрибуты, операции, отношения и семантику. Класс реализует один или несколько интерфейсов и изображается виде прямоугольника, включающего имя класса, имена атрибутов, операций, примечание;

интерфейсы (Interface) это набор операций, которые определяют сервис класса или компоненты. Интерфейс графически изображается в виде круга и, как правило, присоединяется к классу или к компоненту, который реализует данный интерфейс;

кооперации (Collaboration) определяют взаимодействие и служат для объединения ролей и других элементов, которые взаимодействуют вместе так, что получающееся в результате поведение объекта оказывается большим, чем просто сумма всех элементов. Изображается в виде эллипса с пунктирной границей;

Прецеденты (Use case) описание набора последовательностей действий, которые выполняются системой и имеют значение для конкретного действующего лица (Actor). Прецеденты изображаются в виде эллипса и используются для структурирования поведенческих сущностей в модели;

активные классы (Active class) это классы, чьими экземплярами являются активные объекты, которые владеют процессом или потоком управления и могут инициировать управляющее воздействие. Стереотипами конкретного класса являются процесс (Process) и поток (Thread). Графически такой класс изображается как класс с жирной границей;

компоненты (Component) это физически заменяемые части системы, обеспечивающие реализацию ряда интерфейсов. Компонент это физическое представление таких логических элементов, как классы, интерфейсы и кооперации. Предметная область компонентов относится к реализации. Изображаются компоненты в виде прямоугольника с ярлыками слева и, как правило, имеют только имя и примечание;

узлы (Node) физические объекты, которые существуют во время исполнения программы и представляют собой коммуникационный ресурс, обладающий, по крайней мере, памятью, а зачастую и процессором. На узлах могут находиться выполняемые объекты и компоненты. Изображаются узлы в виде куба, имеют имя и примечание.

Данные перечисленных семи типов объектов являются базовыми структурными объектами UML. Существуют также вариации данных объектов, такие как действующие лица (Actor), сигналы (Signal), утилиты (Utility - вид класса), процессы и нити (Process и Thread - виды активного класса), приложения (Application), документы (document), файлы (File), библиотеки (Library), страницы (Page), таблицы (Table).

Поведенческие сущности это динамические части моделей UML (рис. 3). К ним относятся:

взаимодействия (Interaction) включают набор сообщений, которыми обмениваются указанные объекты с целью достижения указанной цели. Взаимодействие описывается в контексте кооперации и изображается направленной линией, маркируется именем операции сверху;

автоматы (State machine) спецификации поведения, представляющие собой последовательности состояний, через которые проходит в течение своей жизни объект, или взаимодействие в ответ на происходящие события (а также ответные действия объекта на эти события). Автомат прикреплен к исходному элементу (классу, кооперации или методу) и служит для определения поведения его экземпляров. Изображается автомат как прямоугольник с закругленными углами.

Группирующие сущности это организационные составляющие моделей UML. К ним относятся пакеты (Package) обобщенный механизм для организации элементов в группы. Структурные, поведенческие, группирующие сущности могут быть помещены в пакет. Пакеты являются чисто концептуальными сущностями в отличие от компонентов, существующих во время исполнения программы. Изображается пакет как папка с ярлыком сверху и, как правило, имеет только имя.

Аннотационные сущности это пояснительные составляющие моделей UML, к которым относятся примечания (Note) пояснительные элементы языка (рис. 4). Они содержат текст комментария, изображаются в виде прямоугольника с загнутым уголком страницы.

Отношения

К базовым отношениям между объектами, которые позволяют строить блоки UML, можно отнести следующие (рис. 5):

зависимость (Dependency) это семантическое отношение между двумя сущностями, при котором изменение одной из них (независимой сущности) может отразиться на семантике другой (зависимой). Виды зависимостей, которые соответствуют нескольким видам отношений между объектами, перечислены ниже:

- абстракция (Abstraction) представляет собой изменение уровня абстрактности для некоторого понятия. Как правило, один из элементов, более абстрактный, а второй более конкретный, хотя возможны ситуации, когда оба элемента являются двумя возможными вариантами понятия, существующими на одном уровне абстракции. К зависимости абстракции относятся следующие стереотипы (в порядке возрастания специфичности отношений): трассировать (Trace), уточнять (Refine), реализовать (есть собственная нотация) и выводить (Derive),

- связывание (Binding) связывает элемент с шаблоном. Аргументы, необходимые для параметров шаблона, прикреплены к зависимости связывания в виде списка,

- комбинирование (Combination) соотносит две части описания классификатора (любой элемент модели, описывающий определенные черты структуры и поведения системы), чтобы получить полное описание элемента,

- разрешение (Permission) зависимость (всегда изображается в виде особого стереотипа), связывающая тот или иной пакет (или класс) с другим пакетом (или классом), которому он предоставляет разрешение использовать свое содержимое. Стереотипами зависимости разрешения являются: быть доступным (Access), быть дружественным (Friend) и импортировать (Import),

- использование (Usage) описывает ситуацию, когда одному элементу для правильной реализации или функционирования требуется присутствие другого элемента. К стереотипам этого вида зависимости относятся: вызывать (Call), создать экземпляр (Instantiate), параметр (Parameter) и отправить (Send);

ассоциация (Association) структурное отношение, описывающее множество связей между объектами классификаторов, где связь (Link) это соединение между объектами, которое описывает связи между их экземплярами. Ассоциации являются как бы клеем, который связывает систему воедино. Без ассоциаций мы имели бы просто некоторое количество классов, не способных взаимодействовать друг с другом. У ассоциации может быть имя, однако основную информацию об ассоциации следует искать у ее полюсов, где описывается, каким образом каждый объект участвует в ассоциации: у ассоциации есть список, состоящий из двух или более полюсов ассоциации: каждый из них определяет роль, которую играет данный классификатор в этой ассоциации. Один и тот же классификатор может играть несколько ролей, которые не являются взаимозаменяемыми. Каждый полюс ассоциации описывает свойства, применимые к конкретному объекту этой ассоциации, например сколько раз один объект может появляться в связях (множественность). Некоторые свойства (такие как допустимость навигации) применимы только к бинарным ассоциациям, хотя большинство свойств относится и к бинарным, и к n-арным ассоциациям;

обобщение (Generalization) это отношение специализации/обобщения, при котором объекты специализированного элемента (потомка Child) можно подставить вместо объектов обобщенного элемента (родителя, предка Parent). В случае обобщения классов прямой предок может именоваться суперклассом, а прямой потомок подклассом;

реализация (Realization) отношение между спецификацией и ее программной реализацией; указание на то, что поведение наследуется без структуры.

Мы перечислили четыре основных отношения. В UML также существуют их варианты: уточнение (Refinement), трассировка (Trace), включение (Include), расширение (Extend).

Диаграммы UML

Визуализация представления проектируемой системы с различных точек зрения в UML реализована посредством диаграмм - проекций системы. Диаграмма (Diagram) - это графическое представление множества элементов, которое изображается в виде связного графа с вершинами (сущностями) и ребрами (отношениями).

Чаще всего UML рассматривает систему с пяти взаимосвязанных точек зрения (рис. 6).

Представление с точки зрения прецедентов (Use case view) включает пользовательские истории, описывающие систему с точки зрения конечного пользователя, аналитика, тестера. Это представление не определяет структуру программного обеспечения, а существует для передачи общего представления о системе. В UML это отображается посредством диаграмм прецедентов (Use case diagram), динамический аспект представлен в диаграммах взаимодействий (Interaction diagram), состояний (Statechart diagram), активности (Activity diagram).

Представление с точки зрения дизайна (Design view) включает классы, интерфейсы и кооперации, которые формируют словарь задачи и ее решение. Данное представление в первую очередь осуществляет поддержку функциональных требований к системе, значение сервисов, которые система должна предоставить конечному пользователю. В UML это отображается посредством диаграмм классов (Class diagram) и объектов (Object diagram), динамический аспект отображается в диаграммах взаимодействий, состояний, активности.

Представление с точки зрения процессов (Process view) включает нити и процессы, которые формируют параллельную обработку и синхронизацию в системе. Данное представление в первую очередь относится к производительности, масштабируемости и пропускной способности системы. В UML статический и динамический аспекты отображаются теми же диаграммами, что и в Design view, но внимание акцентируется на активных классах, представляющих процессы и нити.

Представление с точки зрения реализации (Implementation view) включает компоненты и файлы, используемые при сборке системы. Подобное представление в первую очередь относится к управлению конфигурациями (Configuration management) релизов продукта. Статический аспект в UML отображен диаграммой компонентов (Component diagram), а динамический - диаграммами взаимодействий, состояний, активности.

Представление с точки зрения внедрения (Deployment view) включает узлы и их взаимодействие - они определяют аппаратную топологию, на которой выполняется программное обеспечение. Это представление в первую очередь относится к распространению, доставке, установке компонентов, из которых строится физическая система. Статический аспект в UML отображается диаграммой внедрения (Deployment diagram), а динамический - диаграммами взаимодействий, состояний, активности.

Ниже приведены определения и примеры диаграмм:

диаграмма классов (Class diagram) структурная диаграмма, на которой показано множество классов, интерфейсов, коопераций и отношений между ними (рис. 7);

диаграмма объектов (Object diagram) структурная диаграмма, на которой показано множество объектов и отношений между ними. Ее можно считать особым случаем диаграммы классов. Инструментам моделирования не нужно поддерживать отдельный формат для диаграмм объектов. На них изображены объекты, поэтому диаграмма классов, на которой нет классов, но есть принадлежащие им объекты, может считаться диаграммой объектов;

диаграмма прецедентов (Use case diagram) диаграмма поведения, на которой показано множество прецедентов и актеров, а также отношений между ними (рис. 8);

диаграммы взаимодействий (Interaction diagram) :

- диаграмма последовательностей (Sequence diagram) диаграмма поведения, на которой показано взаимодействие и подчеркнута временная последовательность событий (рис. 9),

- диаграмма кооперации (Collaboration diagram) диаграмма поведения, на которой показано взаимодействие и подчеркнута структурная организация объектов, посылающих и принимающих сообщения (рис. 10);

диаграмма состояний (Statechart diagram) диаграмма поведения, на которой показан автомат и подчеркнуто поведение объектов с точки зрения порядка получения событий (рис. 11);

диаграмма активности (Activity diagram) диаграмма поведения, на которой показан автомат и подчеркнуты переходы потока управления от одной деятельности к другой (рис. 12);

диаграмма компонентов (Component diagram) диаграмма, на которой изображена организация некоторого множества компонентов и зависимости между ними, относится к статистическому виду системы (рис. 13);

диаграмма топологии системы (Deployment diagram) структурная диаграмма, на которой показаны узлы и отношения между ними (рис. 14).

Продолжение следует.

Диаграмма классов занимает центральное место в проектировании объектно-ориентированной системы. Нотация классов используется на разных этапах проектирования и строится с различной степенью детализации. Язык UML применяется не только для проектирования, но и с целью документирования, а также эскизирования проекта. Я (в отличии от Гради Буча) не являюсь сторонником разработки проекта с использованием всех видов UML диаграмм, а также детального проектирования. Чаще всего я применяю UML для эскизирования, а также для проектирования по процессу ICONIX . В статье описана часть нотации классов UML, применение которой достаточно в большинстве случаев. Тут не будет информации о кратности ассоциаций и атрибутов, особенностях изображения параллельных операций, шаблонах (параметризованных классах) и ограничениях. При необходимости всю эту информации можно посмотреть в других книгах . Мы же ограничимся базовой частью нотации и больше внимания уделим применению диаграммы классов.

1 Элементы диаграммы классов

На диаграмме классов с помощью специальных символов изображаются типы данных программы и отношения между ними, хотя в некоторых случаях могут использоваться и некоторые другие элементы — пакеты и даже экземпляры классов (объекты) .

1.1 Символ класса

Символ класса на диаграмме может выглядеть различным образом в зависимости от детализации диаграммы:

Вопросы детализации будут рассмотрены в следующих разделах, а сейчас надо обратить внимание, что символ класса содержит имя (Player), набор операций (move , get_gealth) и атрибутов (pos , state). Для элементов класса могут задаваться тип, кратность, видимость и т.д.:

Формат спецификации атрибута:
видимость имя: тип [кратность] = значение_по_умолчанию

Формат спецификации операции:
видимость имя(аргумент: тип) = тип_возвращаемого_значения

В зависимости от параметра видимости элемент может быть:

приватным (private , доступен только внутри класса) — задается символом «минус» (-), может отображаться в виде квадрата;
защищенным (protected , доступен внутри класса, а также внутри классов-наследников) — задается символом «решетка» (#), может отображаться в виде ромба;
открытым (public , доступен всем) — задается символом «плюс» (+), может отображаться в виде круга.

Виртуальная функция и имя абстрактного класса выделяются курсивом, а статическая функция — подчеркивается.

1.2 Отношения классов

Диаграмма классов допускает различные виды отношений, рассмотрим их на части диаграммы модели некоторой игры:

В игре есть различные виды элементов (стены, сундуки, персонажи). Все эти элементы являются наследниками абстрактного класса AbstractItem , при этом часть из них умеет двигаться (такие элементы должны быть унаследованы от MovingItem). Наследование (отношение «является») изображается с помощью сплошной линии с закрытой стрелки, направленной в сторону суперкласса — на диаграмме класс MovingItem унаследован от AbstractItem , класс Player — от MovingItem и т.д. Штриховая линия с закрытой стрелкой задает отношение реализации (закрытое наследование).

Другой вид отношений между классами — включение, в объектно-ориентированном программировании различают два вида этого отношения — композицию и агрегацию. Напомню, что композиция — это разновидность включения, когда объекты неразрывно связаны друг с другом (время их жизни совпадает), в случае агрегации, время жизни различно (например, когда объект вложенного класса может быть заменен другим объектом во время выполнения программы).

Отношение композиции обозначается закрашенным ромбом, который рисуется со стороны включающего класса — так, класс MovingItem включает в себя класс Position , т.к. перемещающийся объект всегда имеет позицию. Отношение агрегации изображается незакрашенным ромбом — игрок (Player) агрегирует состояние (IPlayerState).

Если вы знакомы с паттернами State, Strategy или Delegation — секцию можно пропустить.
На приведенной выше диаграмме используется шаблон проектирования Состояние (State), являющийся разновидностью шаблона Делегирование (Delegation) и близкой к паттерну Стратегия (Strategy). Суть делегирования заключается в том, что для упрощения логики работы класса, часть его работы может быть передана (делегирована) вспомогательному классу. В свою очередь, паттерн State может быть добавлен, например, на этапе рефакторинга если в нескольких функциях класса встречается разлапистая проверка состояния объекта для выполнения тех или иных действий. В нашем случае персонаж может взаимодействовать с ежом, предположим, что если персонаж движется сидя и контактирует с ежом — у него должно уменьшится здоровье, а если стоя — увеличится счет (points). Кроме ежа могла быть еда, противники, патроны и т.д. Для демонстрации такого паттерна создан абстрактный класс IPlayerState и два наследника StayState и SeatState . В классе Player , при нажатии кнопки Ctrl состояние могло бы меняться на SeatState , а при отпускании — на StayState . Таким образом, при выполнении state->process_hedgehog(this) наш игрок каким-то образом, определенным объектом state , проконтактирует с ежиком.

Шаблон проектирования Delegation (и все его разновидности) — хороший пример для демонстрации агрегации. В нашем случае состояние игрока может меняться за счет изменения объекта по указателю, т.е. время жизни объектов различается.

Наиболее общий вид отношений между классами — ассоциация, обозначается сплошной линией (иногда со стрелкой). Вообще, и композиция, и агрегация, и обобщение (наследование) — являются частными случаями ассоциации. В нашей диаграмме с помощью ассоциации показано, что класс IPlayerState изменяет stats (health и points) объекта Player . Ассоциация может иметь название связи, поясняющую суть отношения. В качестве названия связей композиции и агрегации часто используется имя соответствующей переменной. Кроме того, ассоциация может иметь кратность, она задается на концах линии:

1 — одна связь (на нашей диаграмме показано, что один игрок включает в себя один экземпляр класса IPlayerState);
* любое число связей (если бы на диаграмме был класс игрового поля, то с помощью звездочки можно было бы показать, что оно может содержать произвольное число игровых элементов);
[от..до] — может задаваться диапазоном. Так диапазон эквивалентен звездочке, но если мы захотим показать, что должно присутствовать более одного объекта — можем записать

Последний вид отношений, который мы рассмотрим — зависимость, изображается штриховой (прерывистой) линией. Если есть стрелка — то направлена от зависимого к независимому классу, если стрелки нет — то классы зависят друг от друга. Под зависимостью понимается зависимость от интерфейса, т.е. если интерфейс независимого класса изменится — то придется вносить изменения в зависимый класс. В нашей диаграмме SeatState и StayState зависят от класса Player , т.к. обращаются к его методам для изменения характеристик игрока. Для изображения отношения дружбы между классами используется отношение зависимости с подписью friend .

Очевидно, что не все виды отношений стоит отображать на диаграмме и одни отношения могут быть заменены другими. Так, я убрал бы из нашего примера отношения зависимости, однако при некоторых обстоятельствах (например при эскизировании на маркерной доске) они были бы вполне уместны. Расстановка кратности и имен связей тоже выполняется далеко не во всех случаях. Вообще, не стоит помещать на диаграмму лишнюю информацию. Главное — диаграмма должна быть наглядной.

2 Использование диаграммы классов

Мы рассмотрели основные обозначения, используемые на диаграммах классов — их должно быть достаточно в подавляющем большинстве случаев. По крайней мере, владея этим материалом вы легко сможете разобраться в диаграммах шаблонов проектирования и понять эскиз любого проекта. Однако, как правильно строить такие диаграммы? В каком порядке и с какой степенью детализации? — ответ зависит от целей построения диаграммы, поэтому приведенный материал будет разбит на подразделы в соответствии с целями моделирования.

Стоит отметить, что у Гради Буча советы по использованию UML даны в книге «Руководство пользователя» , но в его «Объектно-ориементированном анализе» можно найти хорошие примеры и критерии качества проекта. Леоненков и вовсе избегает этой темы, оставляя лишь ссылки на литературу, конкретные рекомендации я нашел у Лармана и Розенберга , часть материала основана на моем личном опыте. Фаулер рассматривает UML как средство эскизирования, поэтому у него свой (сильно отличающийся от Буча и Розенберга) взгляд на диаграмму классов .

2.1 Диаграмма классов как словарь системы, концептуальная модель

Словарь системы формируется параллельно с разработкой диаграммы прецедентов, т.е. технического задания. Выглядит это следующим образом — вы задаете заказчику вопросы типа «что еще может сделать пользователь?», «что произойдет (должна выдать система) если пользователь сделает нажмет на <эту> кнопку?», а ответы на них записываете в виде описания прецедентов. Однако, заказчик, давая ответы может называть одни и те же вещи разными именами — из личного опыта: говоря «клетка», «пересечение», «узел» и «ячейка» заказчик может иметь ввиду одно и тоже. В вашей же системе все эти понятия должны быть представлены одной абстракцией (классом/функцией/…). Для этого при общении с заказчиком стоит фиксировать терминологию в виде словаря системы — очень хорошо с этим справляется диаграмма классов.

Гради Буч для построения словаря системы предлагает выполнять в следующем порядке :

анализируя прецеденты, определить какие элементы пользователи и разработчики применяют для описания задачи или ее решения;
выявить для каждой абстракции соответствующее ей множество обязанностей (ответственности). Проследите правильность распределения обязанностей (в том числе, соблюдение );
разработайте процедуры и операции для выполнения классами своих обязанностей.

В качестве примера рассмотрим словарь системы для игры «Сапер». На приведенной ниже диаграмме показан вариант, который получился в результате обсуждения задачи у моего студента. Видно, что на диаграмме изображены сущности и их атрибуты, понятные для заказчика, эту диаграмму стоит иметь перед глазами при составлении прецедентов чтобы не называть «Клетку» — «Полем», вводя всех в заблуждение. При построении словаря системы следует избегать нанесения на диаграмму функций классов, т.к. настолько детализированное распределение обязанностей лучше выполнять после построения диаграмм взаимодействия.

В процессе проектирования словарь системы может дополняться, Розенберг очень хорошо демонстрирует это в своей книге описывая итеративный процесс проектирования ICONIX . Например, после рассмотрения нескольких прецедентов может оказаться, что несколько классов реализуют один и тот же функционал — для решения проблемы надо более четко прописать обязанности каждого класса, возможно, добавить новый класс и перенести часть этих обязанностей ему.

Ларман предлагает строить концептуальную модель системы — это примерно то, что мы описали как словарь системы, но помимо терминов предметной области в ней фиксируются некоторые отношения, понятные заказчику. Например, заказчик понимает (и фиксирует в техническом задании), что <покупку> оформляет <продавец> — следовательно, между продавцом и покупкой существует отношение ассоциации "оформляет" . Я рекомендую строить концептуальную модель, дорабатывая словарь системы, хотя Ларман рекомендует сначала добавлять ассоциации, а затем — атрибуты.

2.2 Диаграмма классов уровня проектирования

В любом объектно-ориентированном процессе проектирования диаграмма классов является результатом, т.к. является моделью, наиболее близкой к реализации (коду). Существуют инструменты, способные преобразовать диаграмму классов в код — такой процесс называется кодогенерацией и поддерживается множеством IDE и средств проектирования. Например, кодогенерацию выполняет Visual Paradigm (доступно в виде плагинов для множества IDE), новые версии Microsoft Visual Studio, такие средств UML-моделирования как StarUML, ArgoUML и др. Чтобы построить по диаграмме хороший код, она должна быть достаточно подробной. Именно о такой диаграмме идет речь в этом разделе.

До Ларману до начала построения диаграммы классов уровня проектирования должны быть построены диаграммы взаимодействия и концептуальная модель системы. При этом порядок построения диаграммы следующий:

перенести классы с диаграммы последовательности;
добавить атрибуты концептуальной модели;
добавить имена методов по анализу диаграмм взаимодействия (например, );
добавить типы атрибутов и методов;
добавить ассоциации (на основании атрибутов — отношения композиции и агрегации);
добавить стрелки (направление ассоциаций)
добавить ассоциации, определяющие другие виды отношений (в первую очередь, наследование).

Отношения, добавляемые на диаграмму классов уровня проектирования отличаются от тех, что были в концептуальной модели тем, что они могут быть не очевидны для заказчика (эту диаграмму он вообще смотреть не должен — она разрабатывается для программистов). Если на этапе анализа технического задания мы могли выделить основные сущности, не задумываясь о том, как это будет реализовано, то теперь обязанности между нашими классами должны быть окончательно распределены.

Например, при анализе задания на игру «Сапер» мы выделили классы и, но будут ли эти классы в окончательном проекте или останутся только в воображении? — решение можно принять только проанализировав диаграммы взаимодействия. Ведь возможен и такой код:

Enum class CellType { EmptyOpened, EmptyClose, EmptyCloseFlagged, MineOpened, MineClose, MineCloseFlagged }; class PlayingGround { // ... CellType **m_ground; }

Поясню (для тех, кто не пишет на С++) — тут создается перечисление, которое задает тип ячейки. Ячейка может принимать одно из этих шести значений (пустая открытая, пустая закрытая, пустая закрытая с флажком и т.п.). В таком случае, ячейка никак не сможет сама реагировать на нажатия мыши и отвечать за свое отображение (например пустая открытая должна выводить число мин вокруг себя) — все эти обязанности, видимо, лягут на класс PlayingGround .

Пример выше утрированный и однозначно не является образцом хорошего проектирования — на класс PlayingGround возложено слишком много обязанностей, но могли ли мы учесть это при анализе технического задания? Сможем ли мы это сделать до разработки диаграмм взаимодействия для проекта любой сложности? — именно поэтому построение диаграммы классов является последним этапом проектирования.

2.3 Диаграмма классов для эскизирования, документирования

Под эскизированием понимают моделирование некоторой (интересной нам в данный момент) части системы. Например, эскизирование может выполняться на маркерной доске когда в вашу компанию попадет новый сотрудник и вы будете помогать ему «влиться» в существующий проект. Очевидно, что если если дать человеку диаграмму классов уровня проектирования — разбираться он будет долго. Суть эскизирования в избирательности — вы выносите на диаграмму только те элементы, которые важны для пояснения того или иного механизма.

Сторонником применения UML для эскизирования является Фаулер , который считает, что целостный процесс проектирования с использованием UML слишком сложен. Эскизирование применяется очень часто (не только при объяснении проекта на маркерной доске):

в любой книге, посвященной паттернам проектирования, вы найдете массу UML диаграмм, выполненных в этом стиле;
при моделировании прецедента выбираются классы, за счет которых этот прецедент реализуется. Моделирование прецедента выполняется при рефакторинге;
в документацию для разработчиков нет смысла вставлять диаграмму классов уровня проектирования — гораздо полезнее описать наиболее важные (ключевые) моменты системы. Для этого строятся эскизные диаграммы классов и диаграммы взаимодействия. Также существуют специальные инструменты построения документацию по готовому коду — такие как JavaDoc или , в частности они строят диаграмму классов, но чтобы документация была понятной, в исходный код программы требуется вносить комментарии специального вида.

Каких-либо конкретных рекомендаций к эскизам диаграмм классов предложить невозможно, кроме того, обычно это достаточно простая задача. Важно понимать суть — избирательность представления элементов снижает сложность восприятия диаграммы.

2.4 Диаграмма классов для моделирования БД

Частным случаем диаграммы классов является диаграмма «сущность-связь» (E-R диаграмма), используемая для моделирования логической схемы базы данных. В отличии от классических E-R диаграмм, диаграмма классов позволяет моделировать поведение (триггеры и хранимые процедуры).

Обычно ситуация выглядит следующим образом — вы разработали систему, состояние которой нужно сохранять между запусками, например:

в вашей игре надо хранить информацию о достижениях пользователя — пройденные уровни, набранные очки и т.п.;
если игра сетевая — то может существовать сервер, на котором хранятся достижения разных игроков;
ваше приложение для телефона записывает координаты пользователя и позволяет ему оставлять пометки на карте. Вся эта информация тоже не должна уничтожаться после закрытия приложения.

Хранимые между запусками данные должны каким-то образом загружаться по запросу пользователя, т.е. должны задаваться параметры соответствующих классов. Например, приложение должно получить из базы данных список треков (маршрутов) и отобразить его в виде списка в меню программы. При выборе элемента списка — запросить в БД параметры трека, создать объект трека и отобразить его на карте. В любом случае, данные с базы используются при инициализации объектов программы — это важно понимать.

Для моделирования схемы БД с помощью диаграммы классов нужно :

идентифицировать классы, данные которых должны храниться между запусками приложения (или обращениями пользователя) и нанести эти классы на отдельную диаграмму;
детально специфицировать атрибуты классов, ассоциации и кратности. В E-R модели кратности имеют огромное значение — так например, при наличии кратности «многие-ко-многим» придется создавать вспомогательную таблицу. Используйте специфические стереотипы классов и пометки атрибутов (для задания первичных и вторичных ключей, например) ;
решить проблемы использования полученной диаграммы в качестве физической модели базы данных — циклические ассоциации, n-арные ассоциации и т.д. При необходимости создать промежуточные абстракции;
раскрыть операции, важные для доступа к данным и поддержания целостности;

Заключение и список литературы

В статье я постарался описать наиболее существенные элементы диаграммы классов, а также аспекты их применения. Просматривается, что диаграмма строится на начальном этапе проектирования (концептуальная модель) и является его результатом. На всех этапах проектирования созданная в начале диаграмма классов дорабатывается, т.е. я рассматриваю итеративный процесс (такой как RUP или ICONIX). Кроме того, показано, использование диаграммы классов в других целях — эскизирования, документирования, моделирования логической схемы БД. На других страницах этого блога вы можете найти множество примеров использования диаграммы классов.

диаграмма ;
множество диаграмм, демонстрирующих шаги рефакторинга для приведения проекта в соответствие ;
диаграммы классов для .
Буч Градди Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений, 3-е изд. / Буч Градди, Максимчук Роберт А., Энгл Майкл У., Янг Бобби Дж., Коналлен Джим, Хьюстон Келли А.: Пер с англ. - М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2010. - 720 с.
Леоненков, А.В. Самоучитель UML 2 / А.В. Леоненков. – СПб.: БХВ — Петербург, 2007. – 576с.
Ларман, К. Применение UML и шаблонов проектирования: Уч. Пос / К. Ларман. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2001. — 496 с.
Розенберг Д., Скотт К. Применение объектного моделирования с использованием UML и анализ прецедентов.: Пер. с англ. М.: ДМК Пресс, 2002
Бадд Т. Объектно-ориентированное программирование в действии: Пер с англ. — СПб: «Питер», 1997. — 464 с. 2002
Буч Г., Рамбо Д., Джекобсон А. Язык UML. Руководство пользователя: Пер. с англ. — М.: ДМК, 2000. — 432 с.
Фаулер, М. UML. Основы / М. Фаулер, К. Скотт; пер. с англ. – СПб.: Символ – Плюс, 2002. – 192 с.
— URL: https://сайт/archives/1914
— URL: https://сайт/archives/2769
UML data modeling — URL: http://www.agiledata.org/essays/umlDataModelingProfile.html
— URL: https://сайт/archives/887
— URL: https://сайт/archives/2400
— URL: https://сайт/archives/1372

UML – это унифицированный графический язык моделирования для описания, визуализации, проектирования и документирования ОО систем. UML призван поддерживать процесс моделирования ПС на основе ОО подхода, организовывать взаимосвязь концептуальных и программных понятий, отражать проблемы масштабирования сложных систем. Модели на UML используются на всех этапах жизненного цикла ПС, начиная с бизнес-анализа и заканчивая сопровождением системы. Разные организации могут применять UML по своему усмотрению в зависимости от своих проблемных областей и используемых технологий.

Краткая история UML

К середине 90-х годов различными авторами было предложено несколько десятков методов ОО моделирования, каждый из которых использовал свою графическую нотацию. При этом любой их этих методов имел свои сильные стороны, но не позволял построить достаточно полную модель ПС, показать ее «со всех сторон», то есть, все необходимые проекции (См. статью 1). К тому же отсутствие стандарта ОО моделирования затрудняло для разработчиков выбор наиболее подходящего метода, что препятствовало широкому распространению ОО подхода к разработке ПС.

По запросу Object Management Group (OMG) – организации, ответственной за принятие стандартов в области объектных технологий и баз данных назревшая проблема унификации и стандартизации была решена авторами трех наиболее популярных ОО методов – Г.Бучем, Д.Рамбо и А.Джекобсоном, которые объединенными усилиями создали версию UML 1.1, утвержденную OMG в 1997 году в качестве стандарта.

UML – это язык

Любой язык состоит из словаря и правил комбинирования слов для получения осмысленных конструкций. Так, в частности, устроены языки программирования, таковым является и UML. Отличительной его особенностью является то, что словарь языка образуют графические элементы. Каждому графическому символу соответствует конкретная семантика, поэтому модель, созданная одним разработчиком, может однозначно быть понята другим, а также программным средством, интерпретирующим UML. Отсюда, в частности, следует, что модель ПС, представленная на UML, может автоматически быть переведена на ОО язык программирования (такой, как Java, C++, VisualBasic), то есть, при наличии хорошего инструментального средства визуального моделирования, поддерживающего UML, построив модель, мы получим и заготовку программного кода, соответствующего этой модели.

Следует подчеркнуть, что UML – это именно язык, а не метод. Он объясняет, из каких элементов создавать модели и как их читать, но ничего не говорит о том, какие модели и в каких случаях следует разрабатывать. Чтобы создать метод на базе UML, надо дополнить его описанием процесса разработки ПС. Примером такого процесса является Rational Unified Process, который будет рассматриваться в последующих статьях.

Словарь UML

Модель представляется в виде сущностей и отношений между ними, которые показываются на диаграммах.

Сущности – это абстракции, являющиеся основными элементами моделей. Имеется четыре типа сущностей – структурные (класс, интерфейс, компонент, вариант использования, кооперация, узел), поведенческие (взаимодействие, состояние), группирующие (пакеты) и аннотационные (комментарии). Каждый вид сущностей имеет свое графическое представление. Сущности будут подробно рассмотрены при изучении диаграмм.

Отношения показывают различные связи между сущностями. В UML определены следующие типы отношений:

Зависимость показывает такую связь между двумя сущностями, когда изменение одной из них – независимой – может повлиять на семантику другой – зависимой. Зависимость изображается пунктирной стрелкой, направленной от зависимой сущности к независимой.
Ассоциация – это структурное отношение, показывающее, что объекты одной сущности связаны с объектами другой. Графически ассоциация показывается в виде линии, соединяющей связываемые сущности. Ассоциации служат для осуществления навигации между объектами. Например, ассоциация между классами «Заказ» и «Товар» может быть использована для нахождения всех товаров, указанных в конкретном заказе – с одной стороны, или для нахождения всех заказов в которых есть данный товар, – с другой. Понятно, что в соответствующих программах должен быть реализован механизм, обеспечивающий такую навигацию. Если требуется навигация только в одном направлении, оно показывается стрелкой на конце ассоциации. Частным случаем ассоциации является агрегирование – отношение вида «целое» – «часть». Графически оно выделяется с помощью ромбика на конце около сущности-целого.
Обобщение – это отношение между сущностью-родителем и сущностью-потомком. По существу, это отношение отражает свойство наследования для классов и объектов. Обобщение показывается в виде линии, заканчивающейся треугольничком направленным к родительской сущности. Потомок наследует структуру (атрибуты) и поведение (методы) родителя, но в то же время он может иметь новые элементы структуры и новые методы. UML допускает множественное наследование, когда сущность связана более чем с одной родительской сущностью.
Реализация – отношение между сущностью, определяющей спецификацию поведения (интерфейс) с сущностью, определяющей реализацию этого поведения (класс, компонент). Это отношение обычно используется при моделировании компонент и будет подробнее описано в последующих статьях.

Диаграммы. В UML предусмотрены следующие диаграммы:

Диаграммы, описывающие поведение системы:

Диаграммы состояний (State diagrams),
Диаграммы деятельностей (Activity diagrams),
Диаграммы объектов (Object diagrams),
Диаграммы последовательностей (Sequence diagrams),
Диаграммы взаимодействия (Collaboration diagrams);

Диаграммы, описывающие физическую реализацию системы:

Диаграммы компонент (Component diagrams);
Диаграммы развертывания (Deployment diagrams).

Представление управления моделью. Пакеты.

Мы уже говорили о том, что для того чтобы модель была хорошо понимаемой человеком необходимо организовать ее иерархически, оставляя на каждом уровне иерархии небольшое число сущностей. UML включает средство организации иерархического представления модели – пакеты. Любая модель состоит из набора пакетов, которые могут содержать классы, варианты использования и прочие сущности и диаграммы. Пакет может включать другие пакеты, что позволяет создавать иерархии. В UML не предусмотрено отдельных диаграмм пакетов, но они могут присутствовать на других диаграммах. Пакет изображается в виде прямоугольника с закладкой.

Что обеспечивает UML.

иерархическое описание сложной системы путем выделения пакетов;
формализацию функциональных требований к системе с помощью аппарата вариантов использования;
детализацию требований к системе путем построения диаграмм деятельностей и сценариев;
выделение классов данных и построение концептуальной модели данных в виде диаграмм классов;
выделение классов, описывающих пользовательский интерфейс, и создание схемы навигации экранов;
описание процессов взаимодействия объектов при выполнении системных функций;
описание поведения объектов в виде диаграмм деятельностей и состояний;
описание программных компонент и их взаимодействия через интерфейсы;
описание физической архитектуры системы.

И последнее…

Несмотря на всю привлекательность UML, его было бы затруднительно использовать при реальном моделировании ПС без инструментальных средств визуального моделирования. Такие средства позволяют оперативно представлять диаграммы на экране дисплея, документировать их, генерировать заготовки программных кодов на различных ОО языках программирования, создавать схемы баз данных. Большинство из них включают возможности реинжиниринга программных кодов – восстановления определенных проекций модели ПС путем автоматического анализа исходных кодов программ, что очень важно для обеспечения соответствия модели и кодов и при проектировании систем, наследующих функциональность систем-предшественников.

UML-диаграмма - это специализированный язык графического описания, предназначенный для объектного моделирования в сфере разработки различного программного обеспечения. Данный язык имеет широкий профиль и представляет собой открытый стандарт, в котором используются различные графические обозначения, чтобы создать абстрактную модель системы. UML создавался для того, чтобы обеспечить определение, визуализацию, документирование, а также проектирование всевозможных программных систем. Стоит отметить, что сама по себе UML-диаграмма не представляет собой язык программирования, но при этом предусматривается возможность генерации на ее основе отдельного кода.

Зачем она нужна?

Применение UML не заканчивается на моделировании всевозможного ПО. Также данный язык активно сегодня используется для моделирования различных бизнес-процессов, ведения системного проектирования, а также отображения организационных структур.

С помощью UML разработчики программного обеспечения могут обеспечить полное соглашение в используемых графических обозначениях, чтобы представить общие понятия, такие как: компонент, обобщение, класс, поведение и агрегация. За счет этого достигается большая степень концентрации на архитектуре и проектировании.

Также стоит отметить, что есть несколько видов таких диаграмм.

Диаграмма классов

Диаграмма классов UML представляет собой статическую структурную диаграмму, предназначенную для описания структуры системы, а также демонстрации атрибутов, методов и зависимостей между несколькими различными классами.

Стоит отметить тот факт, что есть несколько точек зрения на построение таких диаграмм в зависимости от того, каким образом они будут использоваться:

Концептуальная. В данном случае диаграмма классов UML осуществляет описание модели определенной предметной области, и в ней предусматриваются только классы прикладных объектов.
Специфическая. Диаграмма используется в процессе проектирования различных информационных систем.
Реализационная. Диаграмма классов включает в себя всевозможные классы, которые непосредственно используются в программном коде.

Диаграмма компонентов

Диаграмма компонентов UML представляет собой полностью статическую структурную диаграмму. Предназначается она для того, чтобы продемонстрировать разбиение определенной программной системы на разнообразные структурные компоненты, а также связи между ними. Диаграмма компонентов UML в качестве таковых может использовать всевозможные модели, библиотеки, файлы, пакеты, исполняемые файлы и еще множество других элементов.

Диаграмма композитной/составной структуры

UML диаграмма композитной/составной структуры также является статической структурной диаграммой, но используется она для того, чтобы показать внутреннюю структуру классов. По возможности данная диаграмма может продемонстрировать также взаимодействие элементов, находящихся во внутренней структуре класса.

Подвидом их является UML-диаграмма кооперации, которая используется для демонстрации ролей, а также взаимодействия различных классов в границах кооперации. Они являются достаточно удобными в том случае, если нужно моделировать шаблоны проектирования.

Стоит отметить, что одновременно могут использоваться виды диаграмм UML классов и композитной структуры.

Диаграмма развертывания

Данная диаграмма используется для того, чтобы моделировать работающие узлы, а также всевозможные артефакты, которые на них были развернуты. В UML 2 на различных узлах осуществляется разворачивание артефактов, в то время как в первой версии разворачивались исключительно компоненты. Таким образом, диаграмма развертывания UML используется преимущественно ко второй версии.

Между артефактом и тем компонентом, который он реализует, формируется зависимость манифестации.

Диаграмма объектов

Данный вид позволяет увидеть полноценный или же частичный снимок создаваемой системы в определенный момент времени. На ней полностью отображаются все экземпляры классов конкретной системы с указанием текущих значений их параметров, а также связей между ними.

Диаграмма пакетов

Эта диаграмма носит структурный характер, и основным ее содержанием являются всевозможные пакеты, а также отношения между ними. В данном случае нет никакого жесткого разделения между несколькими структурными диаграммами, вследствие чего их использование чаще всего встречается исключительно для удобства, и никакого семантического значения в себе не несет. Стоит отметить, что различные элементы могут предоставлять другие UML диаграммы (примеры: пакеты и сами диаграммы пакетов).

Их использование осуществляется для того, чтобы обеспечить организацию нескольких элементов в группы по определенному признаку, чтобы упростить структуру, а также организовать работу с моделью данной системы.

Диаграмма деятельности

Диаграмма деятельности UML отображает разложение определенной деятельности на несколько составных частей. В данном случае понятием «деятельность» называется спецификация определенного исполняемого поведения в виде параллельного, а также координированного последовательного выполнения различных подчиненных элементов - вложенных типов деятельности и различных действий, объединенных потоками, идущими от выходов определенного узла к входам другого.

Диаграмма деятельности UML достаточно часто используются для того, чтобы моделировать различные бизнес-процессы, параллельные и последовательные вычисления. Помимо всего прочего ими моделируются всевозможные технологические процедуры.

Диаграмма автомата

Этот вид называется и несколько иначе - диаграмма состояний UML. Имеет представленный конечный автомат с простыми и композитными состояниями, а также переходами.

Конечный автомат представляет собой спецификацию последовательности различных состояний, через которые проходит определенный объект, или же взаимодействие в ответ на некоторые события своей жизни, а также ответные действия объекта на такие события. Конечный автомат, который использует диаграмма состояний UML, закрепляется за исходным элементом и используется для того, чтобы определить поведение его экземпляров.

В качестве аналогов таких диаграмм могут использоваться так называемые дракон-схемы.

Диаграммы сценариев использования

Диаграмма вариантов использования UML отображает на себе все отношения, которые возникают между актерами, а также различными вариантами использования. Главная ее задача - осуществлять собой полноценное средство, при помощи которого заказчик, конечный пользователь или же какой-нибудь разработчик сможет совместно обсуждать поведение и функциональность определенной системы.

Если диаграмма вариантов использования UML используется в процессе моделирования системы, то аналитик собирается:

Четко отделить моделируемую систему от ее окружения.
Выявить действующих лиц, пути их взаимодействия с данной системой, а также ожидаемый ее функционал.
Установить в глоссарии в качестве предметной области различные понятия, которые относятся к подробному описанию функционала данной системы.

Если разрабатывается в UML диаграмма использования, процедура начинается с текстового описания, которое получается при работе с заказчиком. При этом стоит отметить тот факт, что различные нефункциональные требования в процессе составления модели прецедентов полностью опускаются, и для них уже будет формироваться отдельный документ.

Коммуникации

Диаграмма коммуникации точно так же, как и диаграмма последовательности UML, является транзитивной, то есть выражает в себе взаимодействие, но при этом демонстрирует его разными способами, и при необходимости с нужной степенью точности можно преобразовать одну в другую.

Диаграмма коммуникации отображает в себе взаимодействия, которые происходят между различными элементами композитной структуры, а также ролями кооперации. Главным отличием ее от диаграммы последовательности является то, что на ней достаточно явно указываются отношения между несколькими элементами, а время не используется в качестве отдельного измерения.

Данный тип отличается абсолютно свободным форматом упорядочивания нескольких объектов и связей точно так же, как это осуществляется в диаграмме объектов. Если есть необходимость в том, чтобы поддерживать порядок сообщений при этом свободном формате, осуществляется их хронологическая нумерация. Чтение данной диаграммы начинается с изначального сообщения 1.0, и впоследствии продолжается по тому направлению, по которому осуществляется передача сообщений от одного объекта к другому.

В большинстве своем такие диаграммы демонстрируют точно такую же информацию, которую предоставляет нам диаграмма последовательности, однако из-за того, что здесь используется другой способ представления информации, определенные вещи на одной диаграмме становится гораздо проще определить, чем на другой. Также стоит отметить, что диаграмма коммуникаций более наглядно показывает, с какими элементами вступает во взаимодействие каждый отдельный элемент, в то время как диаграмма последовательности более ясно показывает, в каком порядке осуществляются взаимодействия.

Диаграмма последовательности

Диаграмма последовательности UML демонстрирует взаимодействия между несколькими объектами, которые упорядочиваются в соответствии с временем их проявления. На такой диаграмме отображается упорядоченное во времени взаимодействие между несколькими объектами. В частности, на ней отображаются все объекты, которые принимают участие во взаимодействии, а также полная последовательность обмениваемых ими сообщений.

Главными элементами в данном случае выступают обозначения различных объектов, а также вертикальные линии, отображающие течение времени и прямоугольники, предоставляющие деятельность определенного объекта или же выполнение им какой-либо функции.

Диаграмма сотрудничества

Данный тип диаграмм позволяет продемонстрировать взаимодействия между несколькими объектами, абстрагируясь от последовательности трансляции сообщений. Данный тип диаграмм в компактном виде отображает в себе абсолютно все передаваемые и принимаемые сообщения определенного объекта, а также форматы этих сообщений.

По причине того, что диаграммы последовательности и коммуникации представляют собой просто-напросто разный взгляд на одни и те же процедуры, Rational Rose предоставляет возможность создавать из диаграммы последовательности коммуникационную или же наоборот, а также осуществляет полностью автоматическую их синхронизацию.

Диаграммы обзора взаимодействия

Это диаграммы языка UML, которые относятся к разновидности диаграмм деятельности и включают в себя одновременно элементы Sequence и конструкции потока управления.

Стоит отметить тот факт, что данный формат объединяет в себе Collaboration и Sequence diagram, которые предоставляют возможность с разных точек зрения рассматривать взаимодействие между несколькими объектами в формируемой системе.

Диаграмма синхронизации

Представляет собой альтернативный вариант диаграммы последовательности, который явным образом демонстрирует изменение состояния на линии жизни с определенной шкалой времени. Может быть достаточно полезной в различных приложениях реального времени.

В чем преимущества?

Стоит отметить несколько преимуществ, которыми отличается UML диаграмма пользования и другие:

Язык является объектно-ориентированным, вследствие чего технологии описания результатов проведенного анализа и проектирования являются семантически близкими к методам программирования на всевозможных объектно-ориентированных языках современного типа.
При помощи данного языка система может быть описана практически с любых возможных точек зрения, и точно так же описываются различные аспекты ее поведения.
Все диаграммы являются сравнительно простыми для чтения даже после относительно быстрого ознакомления с его синтаксисом.
UML позволяет расширить, а также вводить собственные графические и текстовые стереотипы, что способствует его использованию не только в программной инженерии.
Язык получил достаточно широкое распространение, а также довольно активно развивается.

Недостатки

Несмотря на то что построение UML-диаграмм отличается массой своих плюсов, довольно часто их и критикуют за следующие недостатки:

Избыточность. В преимущественном большинстве случаев критики говорят о том, что UML является слишком большим и сложным, и зачастую это неоправданно. В него входит достаточно много избыточных или же практически бесполезных конструкций и диаграмм, причем наиболее часто подобная критика идет в адрес второй версии, а не первой, потому что в более новых ревизиях присутствует большее количество компромиссов «разработанных комитетом».
Различные неточности в семантике. По той причине, что UML определяется комбинацией себя, английского и OCL, у него отсутствует скованность, которая является присущей для языков, точно определенных техникой формального описания. В определенных ситуациях абстрактный синтаксис OCL, UML и английский начинают друг другу противоречить, в то время как в других случаях они являются неполными. Неточность описания самого языка одинаково отражается как на пользователях, так и на поставщиках инструментов, что в конечном итоге приводит к несовместимости инструментов из-за уникального способа трактовки различных спецификаций.
Проблемы в процессе внедрения и изучения. Все указанные выше проблемы создают определенные сложности в процессе внедрения и изучения UML, и в особенности это касается тех случаев, когда руководство заставляет инженеров насильно его использовать, в то время как у них отсутствуют предварительные навыки.
Код отражает код. Еще одним мнением является то, что важность имеют не красивые и привлекательные модели, а непосредственно рабочие системы, то есть код и есть проект. В соответствии с данным мнением есть потребность в том, чтобы разработать более эффективный способ написания программного обеспечения. UML принято ценить при подходах, компилирующих модели для регенерирования выполнимого или же исходного кода. Но на самом деле этого может быть недостаточно, потому что в данном языке отсутствуют свойства полноты по Тьюрингу, и каждый сгенерированный код в конечном итоге будет ограничиваться тем, что может предположить или же определить интерпретирующий UML инструмент.
Рассогласование нагрузки. Данный термин происходит из теории системного анализа для определения неспособности входа определенной системы воспринять выход иной. Как в любых стандартных системах обозначений, UML может представлять одни системы в более эффективном и кратком виде по сравнению с другими. Таким образом, разработчик больше склоняется к тем решениям, которые являются более комфортными для переплетения всех сильных сторон UML, а также других языков программирования. Данная проблема является более очевидной в том случае, если язык разработки не соответствует основным принципам объектно-ориентированной ортодоксальной доктрины, то есть не старается работать в соответствии с принципами ООП.
Пытается быть универсальным. UML представляет собой язык моделирования общего назначения, который старается обеспечить совместимость с любым существующим на сегодняшний день языком обработки. В контексте определенного проекта, для того, чтобы команда проектировщиков смогла добиться конечной цели, нужно выбирать применимые возможности этого языка. Помимо этого возможные пути ограничения сферы использования UML в какой-то определенной области проходят через формализм, который является не полностью сформулированным, а который сам представляет собой объект критики.

Таким образом, использование данного языка является актуальным далеко не во всех ситуациях.

Это интересно: