UML. Виды диаграмм UML

Все диаграммы UML можно условно разбить на две группы, первая из которых ‒ общие диаграммы. Общие диаграммы практически не зависят от предмета моделирования и могут применяться в любом программном проекте без оглядки на предметную область, область решений и т.д.

1.5.1. Диаграмма использования

Диаграмма использования (use case diagram) ‒ это наиболее общее представление функционального назначения системы.

Диаграмма использования призвана ответить на главный вопрос моделирования: что делает система во внешнем мире?

На диаграмме использования применяются два типа основных сущностей: варианты использования 1 и действующие лица 2 , между которыми устанавливаются следующие основные типы отношений:

ассоциация между действующим лицом и вариантом использования 3 ;
обобщение между действующими лицами 4 ;
обобщение между вариантами использования 5 ;
зависимости (различных типов) между вариантами использования 6 .

На диаграмме использования, как и на любой другой, могут присутствовать комментарии 7 . Более того, это настоятельно рекомендуется делать для улучшения читаемости диаграмм.

Основные элементы нотации, применяемые на диаграмме использования, показаны ниже. Детальное описание приведено в разделе 2.2 .

1.5.2. Диаграмма классов

Диаграмма классов (class diagram) ‒ основной способ описания структуры системы.

Это не удивительно, поскольку UML в первую очередь объектно-ориентированный язык, и классы являются основным (если не единственным) "строительным материалом".

На диаграмме классов применяется один основной тип сущностей: классы 1 (включая многочисленные частные случаи классов: интерфейсы, примитивные типы, классы-ассоциации и многие другие), между которыми устанавливаются следующие основные типы отношений:

ассоциация между классами 2 (с множеством дополнительных подробностей);
обобщение между классами 3 ;
зависимости (различных типов) между классами 4 и между классами и интерфейсами.

Некоторые элементы нотации, применяемые на диаграмме классов, показаны ниже. Детальное описание приведено в главе 3 .

1.5.3. Диаграмма автомата

Диаграмма автомата (state machine diagram) ‒ это один из способов детального описания поведения в UML на основе явного выделения состояний и описания переходов между состояниями.

В сущности, диаграммы автомата, как это следует из названия, представляют собой граф переходов состояний (см. главу 4), нагруженный множеством дополнительных деталей и подробностей.

На диаграмме автомата применяют один основной тип сущностей ‒ состояния 1 , и один тип отношений ‒ переходы 2 , но и для тех и для других определено множество разновидностей, специальных случаев и дополнительных обозначений. Перечислять их все во вступительном обзоре не имеет смысла.

Детальное описание всех вариаций диаграмм автомата приведено в разделе 4.2 , а на следующем рисунке показаны только основные элементы нотации, применяемые на диаграмме автомата.

1.5.4. Диаграмма деятельности

Диаграмма деятельности (activity diagram) ‒ способ описания поведения на основе указания потоков управления и потоков данных.

Диаграмма деятельности ‒ еще один способ описания поведения, который визуально напоминает старую добрую блок-схему алгоритма. Однако за счет модернизированных обозначений, согласованных с объектно-ориентированным подходом, а главное, за счет новой семантической составляющей (свободная интерпретация сетей Петри), диаграмма деятельности UML является мощным средством для описания поведения системы.

На диаграмме деятельности применяют один основной тип сущностей ‒ действие 1 , и один тип отношений ‒ переходы 2 (передачи управления и данных). Также используются такие конструкции как развилки, слияния, соединения, ветвления 3 , которые похожи на сущности, но таковыми на самом деле не являются, а представляют собой графический способ изображения некоторых частных случаев многоместных отношений. Семантика элементов диаграмм деятельности подробно разобрана в главе 4 . Основные элементы нотации, применяемые на диаграмме деятельности, показаны ниже.

1.5.5. Диаграмма последовательности

Диаграмма последовательности (sequence diagram) ‒ это способ описания поведения системы на основе указания последовательности передаваемых сообщений.

Фактически, диаграмма последовательности ‒ это запись протокола конкретного сеанса работы системы (или фрагмента такого протокола). В объектно-ориентированном программировании самым существенным во время выполнения является пересылка сообщений между взаимодействующими объектами. Именно последовательность посылок сообщений отображается на данной диаграмме, отсюда и название.

На диаграмме последовательности применяют один основной тип сущностей ‒ экземпляры взаимодействующих классификаторов 1 (в основном классов, компонентов и действующих лиц), и один тип отношений ‒ связи 2 , по которым происходит обмен сообщениями 3 . Предусмотрено несколько способов посылки сообщений, которые в графической нотации различаются видом стрелки, соответствующей отношению.

Важным аспектом диаграммы последовательности является явное отображение течения времени. В отличие от других типов диаграмм, кроме разве что диаграмм синхронизации, на диаграмме последовательности имеет значение не только наличие графических связей между элементами, но и взаимное расположение элементов на диаграмме. А именно, считается, что имеется (невидимая) ось времени, по умолчанию направленная сверху вниз, и то сообщение, которое отправлено позже, нарисовано ниже.

Ось времени может быть направлена горизонтально, в этом случае считается, что время течет слева направо.

На следующем рисунке показаны основные элементы нотации, применяемые на диаграмме последовательности. Для обозначения самих взаимодействующих объектов применяется стандартная нотация ‒ прямоугольник с именем экземпляра классификатора. Пунктирная линия, выходящая из него, называется линией жизни (lifeline) 4 . Это не обозначение отношения в модели, а графический комментарий, призванный направить взгляд читателя диаграммы в правильном направлении. Фигуры в виде узких полосок, наложенных на линию жизни, также не являются изображениями моделируемых сущностей. Это графический комментарий, показывающий отрезки времени, в течении которых объект владеет потоком управления (execution occurrence) 5 или другими словами имеет место активация (activation) объекта. Составные шаги взаимодействия(combined fragment) 6 позволяют на диаграмме последовательности, отражать и алгоритмические аспекты протокола взаимодействия. Прочие детали нотации диаграммы последовательностей см. в главе 4 .

1.5.6. Диаграмма коммуникации

Диаграмма коммуникации (communication diagram) ‒ способ описания поведения, семантически эквивалентный диаграмме последовательности.

Фактически, это такое же описание последовательности обмена сообщениями взаимодействующих экземпляров классификаторов, только выраженное другими графическими средствами. Более того, большинство инструментов умеет автоматически преобразовывать диаграммы последовательности в диаграммы коммуникации и обратно.

Таким образом, на диаграмме коммуникации также как и на диаграмме последовательности применяют один основной тип сущностей ‒ экземпляры взаимодействующих классификаторов 1 и один тип отношений ‒ связи 2 . Однако здесь акцент делается не на времени, а на структуре связей между конкретными экземплярами.

На рисунке показаны основные элементы нотации, применяемые на диаграмме коммуникации. Для обозначения самих взаимодействующих объектов применяется стандартная нотация ‒ прямоугольник с именем экземпляра классификатора. Взаимное положение элементов на диаграмме кооперации не имеет значения ‒ важны только связи (чаще всего экземпляры ассоциаций), вдоль которых передаются сообщения 3 . Для отображения упорядоченности сообщений во времени применяется иерархическая десятичная нумерация.

1.5.7. Диаграмма компонентов

Диаграмма компонентов (component diagram) ‒ показывает взаимосвязи между модулями (логическими или физическими), из которых состоит моделируемая система.

Основной тип сущностей на диаграмме компонентов ‒ это сами компоненты 1 , а также интерфейсы 2 , посредством которых указывается взаимосвязь между компонентами. На диаграмме компонентов применяются следующие отношения:

реализации между компонентами и интерфейсами (компонент реализует интерфейс);
зависимости между компонентами и интерфейсами (компонент использует интерфейс) 3 .

На рисунке показаны основные элементы нотации, применяемые на диаграмме компонентов. Детальное описание приведено в главе 3 .

1.5.8. Диаграмма размещения

Диаграмма размещения (deployment diagram) наряду с отображением состава и связей элементов системы показывает, как они физически размещены на вычислительных ресурсах во время выполнения.

Таким образом, на диаграмме размещения, по сравнению с диаграммой компонентов, добавляется два типа сущностей: артефакт 1 , который является реализацией компонента 2 и узел 3 (может быть как классификатор, описывающий тип узла, так и конкретный экземпляр), а также отношение ассоциации между узлами 4 , показывающее, что узлы физически связаны во время выполнения.

На рисунке показаны основные элементы нотации, применяемые на диаграмме размещения. Для того чтобы показать, что одна сущность является частью другой, применяется либо отношение зависимости «deploy» 5 , либо фигура одной сущности помещается внутрь фигуры другой сущности 6 . Детальное описание диаграммы приведено в главе 3 .

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.

Что такое UML

UML- унифицированный язык моделирования

UML (Unified Modeling Language - унифицированный язык моделирования) - язык графического описания для объектного моделирования в области разработки программного обеспечения. UML является языком широкого профиля, это открытый стандарт, использующий графические обозначения для создания абстрактной модели системы, называемой UML-моделью . UML был создан для определения, визуализации, проектирования и документирования в основном программных систем. UML не является языком программирования, но в средствах выполнения UML-моделей как интерпретируемого кода возможна кодогенерация.

Использование

Использование UML не ограничивается моделированием программного обеспечения. Его также используют для моделирования бизнес-процессов системного проектирования и отображения организационных структур.

UML позволяет также разработчикам программного обеспечения достигнуть соглашения в графических обозначениях для представления общих понятий (таких как класс, компонент, обобщение (generalization), объединение (aggregation) и поведение, и больше сконцентрироваться на проектировании и архитектуре.

История

В 1994 году Гради Буч и Джеймс Рамбо, работавшие в компании Rational Software, объединили свои усилия для создания нового языка объектно-ориентированного моделирования. За основу языка ими были взяты методы моделирования, разработанные Бучем и Рамбо Object-Modeling Technique, (OMT). OMT был ориентирован на анализ, а Booch - на проектирование программных систем. В октябре 1995 года была выпущена предварительная версия 0.8 унифицированного метода Unified Method. Осенью 1995 года к компании Rational присоединился Айвар Якобсон, автор метода Object-Oriented Software Engineering - OOSE. OOSE обеспечивал превосходные возможности для спецификации бизнес-процессов и анализа требований при помощи сценариев использования. OOSE был также интегрирован в унифицированный метод.

На этом этапе основная роль в организации процесса разработки UML перешла к консорциуму OMG (Object Management Group). Группа разработчиков OMG, в которую также входили Буч, Рамбо и Якобсон, выпустила спецификации UML версий 0.9 и 0.91 в июне и октябре 1996 года.

На волне растущего интереса к UML к разработке новых версий языка в рамках консорциума UML Partners присоединились такие компании, как Digital Equipment Corporation, Hewlett-Packard, i-Logix, IntelliCorp, IBM, ICON Computing, MCI Systemhouse, Microsoft, Oracle Corporation, Rational Software, Texas Instruments и Unisys. Результатом совместной работы стала спецификация UML 1.0, вышедшая в январе 1997 года. В ноябре того же года за ней последовала версия 1.1, содержавшая улучшения нотации, а также некоторые расширения семантики.

Последующие релизы UML включали версии 1.3, 1.4 и 1.5, опубликованные, соответственно в июне 1999, сентябре 2001 и марте 2003 года.

Формальная спецификация последней версии UML 2.0 опубликована в августе 2005 года. Семантика языка была значительно уточнена и расширена для поддержки методологии Model Driven Development - MDD (англ.). Последняя версия UML 2.3 опубликована в мае 2010 года.

UML 1.4.2 принят в качестве международного стандарта ISO/IEC 19501:2005.

Диаграммы

В UML используются следующие виды диаграмм (для исключения неоднозначности приведены также обозначения на английском языке):

Structure Diagrams:

Class diagram

Component diagram

Composite structure diagram
Collaboration (UML2.0)

Deployment diagram

Object diagram

Package diagram

Profile diagram (UML2.2)

Behavior Diagrams:

Activity diagram

State Machine diagram

Use case diagram

Interaction Diagrams:
Communication diagram (UML2.0) / Collaboration (UML1.x)

Interaction overview diagram (UML2.0)

Sequence diagram

Timing diagram (UML2.0)

Структурные диаграммы:

Классов

Компонентов

Композитной/составной структуры
Кооперации (UML2.0)

Развёртывания

Объектов

Пакетов

Профилей (UML2.2)

Диаграммы поведения:

Деятельности

Состояний

Вариантов использования

Диаграммы взаимодействия:
Коммуникации (UML2.0) / Кооперации (UML1.x)

Обзора взаимодействия (UML2.0)

Последовательности

Синхронизации (UML2.0)

Структуру диаграмм UML 2.3 можно представить на диаграмме классов UML:

Диаграмма классов

Диаграмма классов (Class diagram) - статическая структурная диаграмма, описывающая структуру системы, она демонстрирует классы системы, их атрибуты, методы и зависимости между классами.

Существуют разные точки зрения на построение диаграмм классов в зависимости от целей их применения:

концептуальная точка зрения - диаграмма классов описывает модель предметной области, в ней присутствуют только классы прикладных объектов;

точка зрения спецификации - диаграмма классов применяется при проектировании информационных систем;

точка зрения реализации - диаграмма классов содержит классы, используемые непосредственно в программном коде (при использовании объектно-ориентированных языков программирования).

Диаграмма компонентов

Диаграмма компонентов (Component diagram) - статическая структурная диаграмма, показывает разбиение программной системы на структурные компоненты и связи (зависимости) между компонентами. В качестве физических компонент могут выступать файлы, библиотеки, модули, исполняемые файлы, пакеты и т. п.

Диаграмма композитной/составной структуры (Composite structure diagram) - статическая структурная диаграмма, демонстрирует внутреннюю структуру классов и, по возможности, взаимодействие элементов (частей) внутренней структуры класса.

Подвидом диаграмм композитной структуры являются диаграммы кооперации (Collaboration diagram, введены в UML 2.0), которые показывают роли и взаимодействие классов в рамках кооперации. Кооперации удобны при моделировании шаблонов проектирования.

Диаграммы композитной структуры могут использоваться совместно с диаграммами классов.

Диаграмма развёртывания

Диаграмма развёртывания (Deployment diagram) - служит для моделирования работающих узлов (аппаратных средств, англ. node ) и артефактов, развёрнутых на них. В UML 2 на узлах разворачиваются артефакты англ. artifact ), в то время как в UML 1 на узлах разворачивались компоненты. Между артефактом и логическим элементом (компонентом), который он реализует, устанавливается зависимость манифестации.

Диаграмма объектов

Диаграмма объектов (Object diagram) - демонстрирует полный или частичный снимок моделируемой системы в заданный момент времени. На диаграмме объектов отображаются экземпляры классов (объекты) системы с указанием текущих значений их атрибутов и связей между объектами.

Диаграмма пакетов

Диаграмма пакетов (Package diagram) - структурная диаграмма, основным содержанием которой являются пакеты и отношения между ними. Жёсткого разделения между разными структурными диаграммами не проводится, поэтому данное название предлагается исключительно для удобства и не имеет семантического значения (пакеты и диаграммы пакетов могут присутствовать на других структурных диаграммах). Диаграммы пакетов служат, в первую очередь, для организации элементов в группы по какому-либо признаку с целью упрощения структуры и организации работы с моделью системы.

Диаграмма деятельности

Диаграмма деятельности (Activity diagram) - диаграмма, на которой показано разложение некоторой деятельности на её составные части. Под деятельностью (англ. activity ) понимается спецификация исполняемого поведения в виде координированного последовательного и параллельного выполнения подчинённых элементов - вложенных видов деятельности и отдельных действий (англ. action ), соединённых между собой потоками, которые идут от выходов одного узла ко входам другого.

Диаграммы деятельности используются при моделировании бизнес-процессов, технологических процессов, последовательных и параллельных вычислений.

Аналогом диаграмм деятельности являются схемы алгоритмов по ГОСТ 19.701-90.

Диаграмма автомата

Диаграмма автомата (State Machine diagram, диаграмма конечного автомата , диаграмма состояний ) - диаграмма, на которой представлен конечный автомат с простыми состояниями, переходами и композитными состояниями.

Конечный автомат (англ. State machine ) - спецификация последовательности состояний, через которые проходит объект или взаимодействие в ответ на события своей жизни, а также ответные действия объекта на эти события. Конечный автомат прикреплён к исходному элементу (классу, кооперации или методу) и служит для определения поведения его экземпляров.

Диаграмма прецедентов

Диаграмма прецедентов (Use case diagram, диаграмма вариантов использования ) - диаграмма, на которой отражены отношения, существующие между акторами и прецедентами.

Основная задача - представлять собой единое средство, дающее возможность заказчику, конечному пользователю и разработчику совместно обсуждать функциональность и поведение системы.

Диаграммы коммуникации и последовательности

Диаграммы коммуникации и последовательности транзитивны, выражают взаимодействие, но показывают его различными способами и с достаточной степенью точности могут быть преобразованы одна в другую.

Диаграмма коммуникации (Communication diagram, в UML 1.x - диаграмма кооперации , collaboration diagram ) - диаграмма, на которой изображаются взаимодействия между частями композитной структуры или ролями кооперации. В отличие от диаграммы последовательности, на диаграмме коммуникации явно указываются отношения между элементами (объектами), а время как отдельное измерение не используется (применяются порядковые номера вызовов).

Диаграмма последовательности (Sequence diagram) - диаграмма, на которой изображено упорядоченное во времени взаимодействие объектов. В частности, на ней изображаются участвующие во взаимодействии объекты и последовательность сообщений, которыми они обмениваются.

Диаграмма сотрудничества - Этот тип диаграмм позволяет описать взаимодействия объектов, абстрагируясь от последовательности передачи сообщений. На этом типе диаграмм в компактном виде отражаются все принимаемые и передаваемые сообщения конкретного объекта и типы этих сообщений.

По причине того, что диаграммы Sequence и Collaboration являются разными взглядами на одни и те же процессы, Rational Rose позволяет создавать из Sequence диаграммы диаграмму Collaboration и наоборот, а также производит автоматическую синхронизацию этих диаграмм.

Диаграмма обзора взаимодействия (Interaction overview diagram) - разновидность диаграммы деятельности, включающая фрагменты диаграммы последовательности и конструкции потока управления.

Этот тип диаграмм включает в себя диаграммы Sequence diagram (диаграммы последовательностей действий) и Collaboration diagram (диаграммы сотрудничества). Эти диаграммы позволяют с разных точек зрения рассмотреть взаимодействие объектов в создаваемой системе.

Диаграмма синхронизации

Диаграмма синхронизации (Timing diagram) - альтернативное представление диаграммы последовательности, явным образом показывающее изменения состояния на линии жизни с заданной шкалой времени. Может быть полезна в приложениях реального времени.

Преимущества UML

UML объектно-ориентированный, в результате чего методы описания результатов анализа и проектирования семантически близки к методам программирования на современных объектно ориентированных языках;

UML позволяет описать систему практически со всех возможных точек зрения и разные аспекты поведения системы;

Диаграммы UML сравнительно просты для чтения после достаточно быстрого ознакомления с его синтаксисом;

UML расширяет и позволяет вводить собственные текстовые и графические стереотипы, что способствует его применению не только в сфере программной инженерии;

UML получил широкое распространение и динамично развивается.

Критика

Несмотря на то, что UML достаточно широко распространённый и используемый стандарт, его часто критикуют из-за следующих недостатков:

Избыточность языка . UML часто критикуется, как неоправданно большой и сложный. Он включает много избыточных или практически неиспользуемых диаграмм и конструкций. Чаще это можно услышать в отношении UML 2.0, чем UML 1.0, так как более новые ревизии включают больше «разработанных-комитетом» компромиссов.

Неточная семантика . Так как UML определён комбинацией себя (абстрактный синтаксис), OCL (языком описания ограничений - формальной проверки правильности) и Английского (подробная семантика), то он лишен скованности присущей языкам, точно определённым техниками формального описания. В некоторых случаях абстрактный синтаксис UML, OCL и Английский противоречат друг другу, в других случаях они неполные. Неточность описания самого UML одинаково отражается на пользователях и поставщиках инструментов, приводя к несовместимости инструментов из-за уникального трактования спецификаций.

Проблемы при изучении и внедрении . Вышеописанные проблемы делают проблематичным изучение и внедрение UML, особенно когда руководство насильно заставляет использовать UML инженеров при отсутствии у них предварительных навыков.

Только код отражает код . Ещё одно мнение - что важны рабочие системы, а не красивые модели. Как лаконично выразился Джек Ривс, «The code is the design» («Код и есть проект»).,. В соответствии с этим мнением, существует потребность в лучшем способе написания ПО; UML ценится при подходах, которые компилируют модели для генерирования исходного или выполнимого кода. Однако этого всё же может быть недостаточно, так как UML не имеет свойств полноты по Тьюрингу и любой сгенерированный код будет ограничен тем, что может разглядеть или предположить интерпретирующий UML инструмент.
(Cumulative Impedance/Impedance mismatch). Рассогласование нагрузки - термин из теории системного анализа для обозначения неспособности входа системы воспринять выход другой. Как в любой системе обозначений UML может представить одни системы более кратко и эффективно, чем другие. Таким образом, разработчик склоняется к решениям, которые более комфортно подходят к переплетению сильных сторон UML и языков программирования. Проблема становится более очевидной, если язык разработки не придерживается принципов ортодоксальной объектно-ориентированной доктрины (не старается соответствовать традиционным принципам ООП).
Пытается быть всем для всех . UML - это язык моделирования общего назначения, который пытается достигнуть совместимости со всеми возможными языками разработки. В контексте конкретного проекта, для достижения командой проектировщиков определённой цели, должны быть выбраны применимые возможности UML. Кроме того, пути ограничения области применения UML в конкретной области проходят через формализм, который не полностью сформулирован, и который сам является объектом критики.

Литература

Крэг Ларман. Применение UML 2.0 и шаблонов проектирования = Applying UML and Patterns: An Introduction to Object-Oriented Analysis and Design and Iterative Development. - 3-е изд. - М .: Вильямс, 2006. - 736 с. - ISBN 0-13-148906-2

Джозеф Шмуллер. Освой самостоятельно UML 2 за 24 часа. Практическое руководство = Sams Teach Yourself UML in 24 Hours, Complete Starter Kit. - М .: Вильямс, 2005. - 416 с. - ISBN 0-672-32640-X

Грейди Буч, Джеймс Рамбо, Айвар Джекобсон. Язык UML. Руководство пользователя = The Unified Modeling Language user guide. - 2-е изд. - М ., СПб. : ДМК Пресс, Питер, 2004. - 432 с. - ISBN 5-94074-260-2

Буч Г., Якобсон А., Рамбо Дж. UML. Классика CS. 2-е изд. / Пер. с англ.; Под общей редакцией проф. С. Орлова - СПб. : Питер, 2006. - 736 с. ISBN 5-469-00599-2

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

Создавать для программы дополнительное визуальное и документальное сопровождение – процесс трудоемкий и утомительный: отнимает много времени и кажется совершенно излишним, если архитектура программного обеспечения проста или является эталонной. Однако на практике программисты далеко не всегда сталкиваются с такими задачами.

Почему не «взлетел» UML

В большинстве случаев при разработке программного обеспечения, если система требует правок, то программисты просто берут код и исправляют ошибки так, как им удобно, а затем демонстрируют результат заказчику.

«Сегодня программирование - это не инженерная наука, а прикладная математика. При этом программисты сразу учатся писать код», - уточняет заведующий кафедрой Технологии программирования Университета ИТМО Анатолий Шалыто.

Чаще всего архитектура решения объясняется на словах или с применением простейших блок-диаграмм. Универсальный язык моделирования (UML), основанный на базе нескольких предыдущих стандартов, таких как метод Гради Буча (Booch), метод Джима Румбаха (OMT) и метод Айвара Джекобсона (OOSE), должен был помочь в этом вопросе. И на него возлагали определенные надежды.

Люди пробовали работать с UML, надеясь, что тот станет своеобразной «серебряной пулей», однако он не приобрел широкой популярности. Исследователи выделяют три главных препятствия, которые помешали массовому распространению диаграмм состояний в качестве общепринятого средства описания алгоритмов и сложных поведений программ.

Во-первых, для описания поведения, кроме диаграмм состояний, предлагалось использовать и другие типы диаграмм, однако правила, определяющие их взаимодействие, не были регламентированы.

«Многие считают, что этот язык слишком объемный, - говорит исследователь и предприниматель Хорди Кабот (Jordi Cabot). - Это связано с большим количеством диаграмм, доступных в UML».

Во-вторых, не было предложено подходов для совместного использования диаграмм, описывающих структуру и поведение программ. В-третьих, диаграммы для описания поведения в основном использовались разработчиками для общения друг с другом, в то время как назначение UML - составление спецификации с последующим её воплощением в программном коде.

Подобная судьба ожидала и множество других решений, которые, однако, не являются полноценными альтернативами UML. Речь идет о системе условных обозначений для моделирования бизнес-процессов (BPMN), моделях сущность-связь (ERM), диаграммах потоков данных (DFD), диаграммах состояний и др. Как отмечает Крис Фурман (Cris Fuhrman), все это не более, чем инструменты общения.

Переход к автоматам

Однако спецификации проектов нужны, поскольку они фиксируют результат процесса проектирования, освобождая ум разработчика для решения других задач, а также используются в качестве входных данных на этапе реализации.

Этапы разработки программной системы со сложным поведением

Автоматное программирование является подходом, способным облегчить процесс формирования спецификации. Во время работы создаются графы, в которых под влиянием внешних или любых других входных воздействий осуществляются переходы между состояниями и формируются выходные «импульсы». Для этого сперва формируется текстовая версия технического задания, в котором заказчик прописывает подробную работу желаемого решения.

После этого объявляются условные обозначения входных и выходных воздействий, источников и приемников информации, а затем рисуется схема. Графы переходов позволяют заказчику лучше понять то, что будет делать программист.

Имея схему связей и диаграмму переходов, с помощью формального преобразования можно построить код, реализующий автомат на языке программирования. После этого спецификации становятся частью проектной документации системы. Проектная документация составляется на естественном языке и обычно содержит постановку задачи, описание структуры и поведения системы, примеры ее использования.

Автоматное описание в ООП

Принципы автоматного подхода находят применение и в объектно-ориентированном программировании. Это возможно благодаря концепции «автоматы и объекты управления как классы». Такая модель принята, например, в инструментальном средстве автоматного программирования UniMod. Архитектура системы со сложным поведением, построенная согласно этому принципу представлена на рисунке ниже.

Сопоставление отдельного класса каждому объекту управления приводит к тому, что усилия разработчиков по выделению этих объектов на стадии моделирования не пропадают на этапе реализации. При этом каждый запрос или команда имеет доступ только к строго определенной части вычислительного состояния.

В целом же процесс проектирования системы со сложным поведением можно описать следующим образом:

Проведение объектной декомпозиции, когда система разбивается на множество самостоятельных взаимодействующих сущностей.
Сопоставление сущностей с классами, определение интерфейсов классов и отношений.
Выделение тех сущностей, которые обладают сложным поведением, - именно для их описания будет применяться автоматный подход.
Задание набора управляющих состояний для каждой сущности. Запросы и команды сопоставляются с входными и выходными переменными управляющего автомата, а компоненты интерфейса - с его событиями. На их основе строится сам управляющий автомат.
Реализация неавтоматизированных классов на выбранном объектно-ориентированном языке. Генерация кода может выполняться как автоматически, так и вручную.

Этот алгоритм не ограничивает программиста в выборе модели процесса разработки (водопадная, итеративная, кластерная и т. д.) и легко модифицируется в многоитерационный. При этом он также позволяет вносить изменения в уже существующую объектно-ориентированную систему и не требует проведения разработки «с чистого листа».