UML или Unified Modeling Language - язык графического описания для объектного моделирования в области разработки программного обеспечения. Но использование UML не ограничивается IT, другая большая сфера практического применения UML - моделирование бизнес-процессов, системного проектирования и отображения организационных структур. UML дает возможность разработчикам программного обеспечения достигнуть соглашения в графических обозначениях для представления общих понятий и сконцентрироваться на проектировании и разработке.
Преимущества UML
- В UML используются графические обозначения для элементов моделируемой системы, при этом схемы UML достаточно просты для понимания;
- UML делает возможным описывать системы практически со всех возможных точек зрения, учитывая различные аспекты;
- UML объектно-ориентирован: его методы анализа и построения семанитически близки к методам программирования, используемым в современных языках ООП;
- UML - открытый стандарт. Стандарт развивается и эволюционирует от версии к версии, отвечая самым современным требованиям к описанию систем;
- содержит механизм расширения, позволяющий вводить дополнительные текстовые и графические типы, что делает возможным применение UML не только в сфере IT.
Типы диаграмм UML
В UML 14 типов диаграмм. Их можно разделить на 2 категории:
- структурные , представляющие информационную структуру;
- поведенческие , представляющие поведение системы и различные аспекты взаимодействий. Отдельным подвидом диаграмм поведения считаются диаграммы взаимодействия .
Иерархия типов диаграмм UML,
представленная диаграммой классов
Структурные диаграммы
- Диаграмма классов является ключевым элементом в объектно-ориентированном моделировании. С помощью этой диаграммы (собственно, через классы , их атрибуты , методы и зависимости между классами) описывается модель предметной области и структура моделируемой системы.
- Диаграмма компонентов отображает разбиение программного кода на крупные блоки (структурные компоненты) и показывает зависимости между ними. Компонентами могут быть пакеты, модули, библиотеки, файлы и т.д.
- Объектная диаграмма показывает полный или частичный срез моделируемой системы в заданный момент времени. Она представляет экземплеры классов (объекты), их состояние (текущие значения аттрибутов) и отношения между ними.
- Диаграмма композитной структуры демонстрирует внутреннюю структуру классов и, по возможности, взаимодействия между элементами этой структуры.
- Диаграмма пакетов показывает пакеты и отношения между ними. Этот вид диаграмм служит для упрощения структуры модели (и, соответственно, работы с ней) через объединение элементов модели в группы по некоторым критериям.
- Диаграмма развертывания моделирует развертывание программных компонентов (артефактов ) на вычислительных ресурсах/аппаратных компонентах (узлах ).
- Диаграмма профилей описывает механизм расширения, позволяющий приспособить UML к разнообразным предметным областям и сферам деятельности.
Пример UML-диаграммы классов
Диаграммы поведения
- Диаграмма деятельности показывает действия (actions ) из которых состоит некоторая деятельность (activity ). Диаграммы деятельности используются для моделирования бизнесс-процессов, технологических процессов, последовательных и параллельных вычислений.
- Диаграмма вариантов использования (или диаграмма прецедентов ) описывает отношения между актёрами (действующими лицами) и вариантами использования моделируемой системы (ее возможностями). Основное назначение диаграммы - быть универсальным средством для заказчиков, разработчиков и конечных пользователей, с помощью которого можно было бы совместно обсуждать систему - ее возможности и поведение.
- Диаграмма состояний изображает динамическое поведение сущности, показывая как эта сущность в зависимости от своего текущего состояния реагирует на различные события. По сути это диаграмма состояний из теории атоматов.
- Диаграмма коммуникации (в ранних версиях диаграмма кооперации ) показывает взаимодействия между частями композитной структуры и ролями кооперации. На диаграмме явно указываются отношения между элементами (объектами).
- Диаграмма последовательности используется для визуализации последовательности взаимодействий объектов. Показывает жизненный цикл заданного объекта и взаимодействие актеров (действующих лиц) в рамках некоторого варианта использования, последовательность сообщений которыми они обмениваются.
- Диаграмма обзора взаимодействия включает часть диаграммы последовательности и конструкции потока управления. Помогает рассмотреть взаимодействие объектов с различных точек зрения.
- Диаграмма синхронизации - отдельный подвид диаграмм взаимодействия, специализируйющийся на тайминге. Диаграммы этого вида используются для исследования поведения объектов в течение определенного периода времени.
В настоящее время язык UML - это стандартная нотация визуального моделирования программных систем, принятая консорциумом Object Managing Group (OMG) осенью 1997 г., которая поддерживается многими объектно-ориентированными CASE-продуктами.
Стандарт UML предлагает следующий набор диаграмм для моделирования:
· диаграмма вариантов использования (use case diagram) – для моделирования бизнес-процессов организации или предприятия и определения требований к создаваемой информационной системе;
· диаграмма классов (class diagram) – для моделирования статической структуры классов системы и связей между ними;
· диаграмма поведения системы (behavior diagrams);
· диаграмма взаимодействия (interaction diagrams);
· диаграмма последовательности (sequence diagrams) – для моделирования процесса обмена сообщениями между объектами в рамках одного варианта использования;
· диаграмма кооперации (collaboration diagram) – для моделирования процесса обмена сообщениями между объектами в рамках одного варианта использования;
· диаграмма состояний (statechart diagram) – для моделирования поведения объектов системы при переходе из одного состояния в другое;
· диаграмма видов деятельности (activity diagram) – для моделирования поведения системы в рамках различных вариантов использования, или моделирования деятельностей;
· диаграмма реализации (implementation diagrams):
· диаграмма компонентов (component diagrams) – для моделирования иерархии компонентов (подсистем) информационной системы;
· диаграмма развертывания (deployment diagram) – для моделирования физической архитектуры спроектированной информационной системы.
На рис. 1.1 представлена интегрированная модель информационной системы, включающая основные диаграммы, которые должны быть разработаны в данном курсовом проекте.
Рис. 1. Интегрированная модель информационной системы в нотации языка UML
4.2. Диаграмма вариантов использования
Вариант использования представляет собой последовательность действий, выполняемых системой в ответ на событие, инициируемое некоторым внешним объектом (актером). Вариант использования описывает типичное взаимодействие между пользователем и системой. В простейшем случае вариант использования определяется в процессе обсуждения с пользователем тех функций, которые он хотел бы реализоватьв данной информационной системе. На языке UML вариант использования изображают следующим образом:
Рис.2. Вариант использования
Актер (actor) – это роль, которую пользователь играет по отношению к системе. Актеры представляют собой роли, а не конкретных людей или наименования работ. Несмотря на то, что на диаграммах вариантов использования они изображаются в виде стилизованных человеческих фигурок, актер может также быть внешней информационной системой, которой необходима некоторая информация от данной системы. Показывать на диаграмме актеров следует только в том случае, когда им действительно необходимы некоторые варианты использования. На языке UML актеры представляют в виде фигур:
Рис.3. Действующее лицо (актер)
Актеры делятся на три основных типа:
· пользователи;
· системы;
· другие системы, взаимодействующие с данной;
Время становится актером, если от него зависит запуск каких-либо событий в системе.
4.2.1. Связи между вариантами использования и актерами
В языке UML на диаграммах вариантов использования поддерживается несколько типов связей между элементами диаграммы:
· коммуникация (communication),
· включение (include),
· расширение (extend),
· обобщение (generalization).
Связь коммуникации – это связь между вариантом использования и актером. На языке UML связи коммуникации показывают с помощью однонаправленной ассоциации (сплошной линии).
Рис.4. Пример связи коммуникации
Связь включения применяется в тех ситуациях, когда имеется какой-либо фрагмент поведения системы, который повторяется более чем в одном варианте использования. С помощью таких связей обычно моделируют многократно используемую функцию.
Связь расширения применяется при описании изменений в нормальном поведении системы. Она позволяет одному варианту использования при необходимости использовать функциональные возможности другого варианта использования.
Рис.5. Пример связи включения и расширения
Связь обобщения показывает, что у нескольких актеров или классов имеются общие свойства.
Рис.6. Пример связи обобщения
4.3.
Диаграммы взаимодействия (interaction diagrams) описывают поведение взаимодействующих групп объектов. Как правило, диаграмма взаимодействия охватывает поведение объектов в рамках только одного варианта использования. На такой диаграмме отображается ряд объектов и те сообщения, которыми они обмениваются между собой.
Сообщение (message) – это средство, с помощью которого объект-отправитель запрашивает у объекта получателя выполнение одной из его операций.
Информационное (informative) сообщение – это сообщение, снабжающее объект-получатель некоторой информацией для обновления его состояния.
Сообщение-запрос (interrogative) – это сообщение, запрашивающее выдачу некоторой информации об объекте-получателе.
Императивное (imperative) сообщение – это сообщение, запрашивающее у объекта-получателя выполнение некоторых действий.
Существует два вида диаграмм взаимодействия: диаграммы последовательности (sequence diagrams) и диаграммы кооперац (collaboration diagrams).
4.3.1. Диаграмма последовательности (sequence diagrams)
Диаграмма последовательности отражает поток событий, происходящих в рамках одного варианта использования.
Все действующие лица (актеры, классы или объекты), участвующие в данном сценарии (варианте использования), показываются в верхней части диаграммы. Стрелки соответствуют сообщениям, передаваемым между актером и объектом или между объектами для выполнения требуемых функций.
На диаграмме последовательности объект изображается в виде прямоугольника, от которого вниз проведена пунктирная вертикальная линия. Эта линия называется линией жизни (lifeline) объекта . Она представляет собой фрагмент жизненного цикла объекта в процессе взаимодействия.
Каждое сообщение представляется в виде стрелки между линиями жизни двух объектов. Сообщения появляются в том порядке, как они показаны на странице сверху вниз. Каждое сообщение помечается как минимум именем сообщения. При желании можно добавить также аргументы и некоторую управляющую информацию. Можно показать самоделегирование (self-delegation) – сообщение, которое объект посылает самому себе, при этом стрелка сообщения указывает на ту же самую линию жизни.
Рис. 7. Пример диаграммы последовательности
4.3.2. Диаграмма кооперации (collaboration diagram)
Диаграммы кооперации отображают поток событий в рамках конкретного сценария (варианта использования). Сообщения упорядочены по времени, хотя диаграммы кооперации больше внимания заостряют на связях между объектами. На диаграмме кооперации представлена вся та информация, которая есть и на диаграмме последовательности, но диаграмма кооперации по-другому описывает поток событий. Из нее легче понять связи, существующие между объектами.
На диаграмме кооперации так же, как и на диаграмме последовательности, стрелки обозначают сообщения, обмен которыми осуществляется в рамках данного варианта использования. Их временная последовательность указывается путем нумерации сообщений.
Рис. 8. Пример диаграммы кооперации
4.4. Диаграмма классов
4.4.1. Общие сведения
Диаграмма классов определяет типы классов системы и различного рода статические связи, которые существуют между ними. На диаграммах классов изображаются также атрибуты классов, операции классов и ограничения, которые накладываются на связи между классами.
Диаграмма классов в языке UML - это граф, узлами которого являются элементы статической структуры проекта (классы, интерфейсы), а дугами - отношения между узлами (ассоциации, наследование, зависимости).
На диаграмме классов изображаются следующие элементы:
· Пакет (package) - набор элементов модели, логически связанных между собой;
· Класс (class) - описание общих свойств группы сходных объектов;
· Интерфейс (interface) - абстрактный класс, задающий набор операций, которые объект произвольного класса, связанного с данным интерфейсом, предоставляет другим объектам.
4.4.2. Класс
Класс - это группа сущностей (объектов), обладающих сходными свойствами, а именно, данными и поведением. Отдельный представитель некоторого класса называется объектом класса или просто объектом.
Под поведением объекта в UML понимаются любые правила взаимодействия объекта с внешним миром и с данными самого объекта.
На диаграммах класс изображается в виде прямоугольника со сплошной границей, разделенного горизонтальными линиями на 3 секции:
Верхняя секция (секция имени) содержит имя класса и другие общие свойства (в частности, стереотип).
В средней секции содержится список атрибутов
В нижней - список операций класса, отражающих его поведение (действия, выполняемые классом).
Любая из секций атрибутов и операций может не изображаться (а также обе сразу). Для отсутствующей секции не нужно рисовать разделительную линию и как-либо указывать на наличие или отсутствие элементов в ней.
На усмотрение конкретной реализации могут быть введены дополнительные секции, например, исключения (Exceptions).
Рис. 9. Пример диаграммы классов
4.4.2.1.Стереотипы классов
Стереотипы классов – это механизм, позволяющий разделять классы на категории.
В языке UML определены три основных стереотипа классов:
Boundary (граница);
Entity (сущность);
Control (управление).
4.4.2.2.Граничные классы
Граничными классами (boundary classes) называются такие классы, которые расположены на границе системы и всей окружающей среды. Это экранные формы, отчеты, интерфейсы с аппаратурой (такой как принтеры или сканеры) и интерфейсы с другими системами.
Чтобы найти граничные классы, надо исследовать диаграммы вариантов использования. Каждому взаимодействию между действующим лицом и вариантом использования должен соответствовать, по крайней мере, один граничный класс. Именно такой класс позволяет действующему лицу взаимодействовать с системой.
4.4.2.3.Классы-сущности
Классы-сущности (entity classes) содержат хранимую информацию. Они имеют наибольшее значение для пользователя, и потому в их названиях часто используют термины из предметной области. Обычно для каждого класса-сущности создают таблицу в базе данных.
4.4.2.4.Управляющие классы
Управляющие классы (control classes) отвечают за координацию действий других классов. Обычно у каждого варианта использования имеется один управляющий класс, контролирующий последовательность событий этого варианта использования. Управляющий класс отвечает за координацию, но сам не несет в себе никакой функциональности, так как остальные классы не посылают ему большого количества сообщений. Вместо этого он сам посылает множество сообщений. Управляющий класс просто делегирует ответственность другим классам, по этой причине его часто называют классом-менеджером.
В системе могут быть и другие управляющие классы, общие для нескольких вариантов использования. Например, может быть класс SecurityManager (менеджер безопасности), отвечающий за контроль событий, связанных с безопасностью. Класс TransactionManager (менеджер транзакций) занимается координацией сообщений, относящихся к транзакциям с базой данных. Могут быть и другие менеджеры для работы с другими элементами функционирования системы, такими как разделение ресурсов, распределенная обработка данных или обработка ошибок.
Помимо упомянутых выше стереотипов можно создавать и свои собственные.
4.4.2.5.Атрибуты
Атрибут – это элемент информации, связанный с классом. Атрибуты хранят инкапсулированные данные класса.
Так как атрибуты содержатся внутри класса, они скрыты от других классов. В связи с этим может понадобиться указать, какие классы имеют право читать и изменять атрибуты. Это свойство называется видимостью атрибута (attribute visibility).
У атрибута можно определить четыре возможных значения этого параметра:
Public (общий, открытый). Это значение видимости предполагает, что атрибут будет виден всеми остальными классами. Любой класс может просмотреть или изменить значение атрибута. В соответствии с нотацией UML общему атрибуту предшествует знак « + ».
Private (закрытый, секретный). Соответствующий атрибут не виден никаким другим классом. Закрытый атрибут обозначается знаком « – » в соответствии с нотацией UML.
Protected (защищенный). Такой атрибут доступен только самому классу и его потомкам. Нотация UML для защищенного атрибута – это знак « # ».
Package or Implementation (пакетный). Предполагает, что данный атрибут является общим, но только в пределах его пакета. Этот тип видимости не обозначается никаким специальным значком.
С помощью закрытости или защищенности удается избежать ситуации, когда значение атрибута изменяется всеми классами системы. Вместо этого логика изменения атрибута будет заключена в том же классе, что и сам этот атрибут. Задаваемые параметры видимости повлияют на генерируемый код.
4.4.2.6.Операции
Операции реализуют связанное с классом поведение. Операция включает три части – имя, параметры и тип возвращаемого значения.
Параметры – это аргументы, получаемые операцией «на входе». Тип возвращаемого значения относится к результату действия операции.
На диаграмме классов можно показывать как имена операций, так и имена операций вместе с их параметрами и типом возвращаемого значения. Чтобы уменьшить загруженность диаграммы, полезно бывает на некоторых из них показывать только имена операций, а на других их полную сигнатуру.
В языке UML операции имеют следующую нотацию:
Имя Операции (аргумент: тип данных аргумента, аргумент2:тип данных аргумента2,...): тип возвращаемого значения
Следует рассмотреть четыре различных типа операций:
Операции реализации;
Операции управления;
Операции доступа;
Вспомогательные операции.
Операции реализации
Операции реализации (implementor operations) реализуют некоторые бизнес-функции. Такие операции можно найти, исследуя диаграммы взаимодействия. Диаграммы этого типа фокусируются на бизнес-функциях, и каждое сообщение диаграммы, скорее всего, можно соотнести с операцией реализации.
Каждая операция реализации должна быть легко прослеживаема до соответствующего требования. Это достигается на различных этапах моделирования. Операция выводится из сообщения на диаграмме взаимодействия, сообщения исходят из подробного описания потока событий, который создается на основе варианта использования, а последний – на основе требований. Возможность проследить всю эту цепочку позволяет гарантировать, что каждое требование будет реализовано в коде, а каждый фрагмент кода реализует какое-то требование.
Операции управления
Операции управления (manager operations) управляют созданием и уничтожением объектов. В эту категорию попадают конструкторы и деструкторы классов.
Операции доступа
Атрибуты обычно бывают закрытыми или защищенными. Тем не менее, другие классы иногда должны просматривать или изменять их значения. Для этого существуют операции доступа (access operations). Такой подход дает возможность безопасно инкапсулировать атрибуты внутри класса, защитив их от других классов, но все же позволяет осуществить к ним контролируемый доступ. Создание операций Get и Set (получения и изменения значения) для каждого атрибута класса является стандартом.
Вспомогательные операции
Вспомогательными (helper operations) называются такие операции класса, которые необходимы ему для выполнения его ответственностей, но о которых другие классы не должны ничего знать. Это закрытые и защищенные операции класса.
Чтобы идентифицировать операции, выполните следующие действия:
1. Изучите диаграммы последовательности и кооперативные диаграммы. Большая часть сообщений на этих диаграммах является операциями реализации. Рефлексивные сообщения будут вспомогательными операциями.
2. Рассмотрите управляющие операции. Может потребоваться добавить конструкторы и деструкторы.
3. Рассмотрите операции доступа. Для каждого атрибута класса, с которым должны будут работать другие классы, надо создать операции Get и Set.
4.4.2.7.Связи
Связь представляет собой семантическую взаимосвязь между классами. Она дает классу возможность узнавать об атрибутах, операциях и связях другого класса. Иными словами, чтобы один класс мог послать сообщение другому на диаграмме последовательности или кооперативной диаграмме, между ними должна существовать связь.
Существуют четыре типа связей, которые могут быть установлены между классами: ассоциации, зависимости, агрегации и обобщения.
Связь ассоциация
Ассоциация (association) – это семантическая связь между классами. Их рисуют на диаграмме классов в виде обыкновенной линии.
Рис. 10. Связь ассоциация
Ассоциации могут быть двунаправленными, как в примере, или однонаправленными. На языке UML двунаправленные ассоциации рисуют в виде простой линии без стрелок или со стрелками с обеих ее сторон. На однонаправленной ассоциации изображают только одну стрелку, показывающую ее направление.
Направление ассоциации можно определить, изучая диаграммы последовательности и кооперативные диаграммы. Если все сообщения на них отправляются только одним классом и принимаются только другим классом, но не наоборот, между этими классами имеет место однонаправленная связь. Если хотя бы одно сообщение отправляется в обратную сторону, ассоциация должна быть двунаправленной.
Ассоциации могут быть рефлексивными. Рефлексивная ассоциация предполагает, что один экземпляр класса взаимодействует с другими экземплярами этого же класса.
Связь зависимость
Связи зависимости (dependency) также отражают связь между классами, но они всегда однонаправлены и показывают, что один класс зависит от определений, сделанных в другом. Например, класс A использует методы класса B. Тогда при изменении класса B необходимо произвести соответствующие изменения в классе A.
Зависимость изображается пунктирной линией, проведенной между двумя элементами диаграммы, и считается, что элемент, привязанный к концу стрелки, зависит от элемента, привязанного к началу этой стрелки.
Рис. 11. Связь зависимость
При генерации кода для этих классов к ним не будут добавляться новые атрибуты. Однако, будут созданы специфические для языка операторы, необходимые для поддержки связи.
Связь агрегация
Агрегации (aggregations) представляют собой более тесную форму ассоциации. Агрегация – это связь между целым и его частью. Например, у вас может быть класс Автомобиль, а также классы Двигатель, Покрышки и классы для других частей автомобиля. В результате объект класса Автомобиль будет состоять из объекта класса Двигатель, четырех объектов Покрышек и т. д. Агрегации визуализируют в виде линии с ромбиком у класса, являющегося целым:
Рис. 11. Связь агрегация
В дополнение к простой агрегации UML вводит более сильную разновидность агрегации, называемую композицией. Согласно композиции, объект-часть может принадлежать только единственному целому, и, кроме того, как правило, жизненный цикл частей совпадает с циклом целого: они живут и умирают вместе с ним. Любое удаление целого распространяется на его части.
Такое каскадное удаление нередко рассматривается как часть определения агрегации, однако оно всегда подразумевается в том случае, когда множественность роли составляет 1..1; например, если необходимо удалить Клиента, то это удаление должно распространиться и на Заказы (и, в свою очередь, на Строки заказа).
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 .
11.1. Структура Унифицированного языка моделированияУнифицированный язык моделирования (UML) в настоящий момент является стандартом де-факто при описании (документирования) результатов проектирования и разработки объектно-ориентированных систем. Начало разработки UML было положено в 1994 г. Гради Бучем и Джеймсом Рамбо, работавшим в компании Rational Software. Осенью 1995 г. к ним присоединился Ивар Якобсон и в октябре того же года была выпущена предварительная версия 0.8 унифицированного метода (англ. Unified Method). С этого времени было выпущено несколько версий спецификации UML, две из которых носят статус международного стандарта:
UML 1.4.2 – "ISO/IEC 19501:2005. Информационные технологии. Открытая распределительная обработка. Унифицированный язык моделирования (UML). Версия 1.4.2" (англ. "Information technology. Open distributed processing. Unified modeling language (UML). Version 1.4.2");
UML 2.4.1 – "ISO/IEC 19505-1:2012. Информационные технологии. Унифицированный язык моделирования группы по управлению объектами (OMG UML). Часть 1. Инфраструктура" (англ. "Information technology -- Object Management Group Unified Modeling Language (OMG UML) - Part 1: Infrastructure") и "ISO/IEC 19505-2:2012. Информационные технологии. Унифицированный язык моделирования группы по управлению объектами (OMG UML). Часть 2. Сверхструктура" (англ. "Information technology -- Object Management Group Unified Modeling Language (OMG UML) - Part 2: Superstructure").
Последнюю официальную спецификацию языка можно найти на сайте www.omg.org .
Общая структура UML показана на следующем рисунке .
Рис. 11.1. Структура UML
11.2. Семантика и синтаксис UML
Семантика – раздел языкознания, изучающий значение единиц языка, прежде всего его слов и словосочетаний .
Синтаксис – способы соединения слов и их форм в словосочетания и предложения, соединения предложений в сложные предложения, способы создания высказываний как части текста .
Таким образом, применительно к UML, семантика и синтаксис определяют стиль изложения (построения моделей), который объединяет естественный и формальный языки для представления базовых понятий (элементов модели) и механизмов их расширения.
11.3. Нотация UML
Нотация представляет собой графическую интерпретацию семантики для ее визуального представления.
В UML определено три типа сущностей :
Структурная – абстракция, являющаяся отражением концептуального или физического объекта;
Группирующая – элемент, используемый для некоторого смыслового объединения элементов диаграммы;
Поясняющая (аннотационная) – комментарий к элементу диаграммы.
В следующей таблице приведено краткое описание основных сущностей, используемых в графической нотации, и основные способы их отображения.
Таблица 11.1. Сущности
| Тип | Наименование | Обозначение | Определение (семантика) |
| Структурная | (class) |
 |
Множество объектов, имеющих общую структуру и поведение |
| (object) |
 |
Абстракция реальной или воображаемой сущности с четко выраженными концептуальными границами, индивидуальностью (идентичностью), состоянием и поведением. С точки зрения UML объекты являются экземплярами класса (экземплярами сущности) | |
| (actor) |
Инженер службы пути |
Внешняя по отношению к системе сущность, которая взаимодействует с системой и использует ее функциональные возможности для достижения определенных целей или решения частных задач. Таким образом актер – это внешний источник или приемник информации | |
| (use case) |
 |
Описание выполняемых системой действий, которая приводит к значимому для актера результату | |
| (state) |
 |
Описание момента в ходе жизни сущности, когда она удовлетворяет некоторому условию, выполняет некоторую деятельность или ждет наступления некоторого события | |
| Кооперация (collaboration) |
 |
Описание совокупности экземпляров актеров, объектов и их взаимодействия в процессе решения некоторой задачи | |
| (component) |
 |
Физическая часть системы (файл), в том числе модули системы, обеспечивающие реализацию согласованного набора интерфейсов | |
| (interface) |
iРасчет |
Совокупность операций, определяющая сервис (набор услуг), предоставляемый классом или компонентом | |
| (node) |
 |
Физическая часть системы (компьютер, принтер и т. д.), предоставляющая ресурсы для решения задачи | |
| Группирующая | (package) |
Общий механизм группировки элементов. В отличие от компонента, пакет – чисто концептуальное (абстрактное) понятие. Частными случаями пакета являются система и модель |
|
| (fragment) |
 |
Область специфического взаимодействия экземпляров актеров и объектов | |
| (activity partition) |
 |
Группа операций (зона ответственности), выполняемых одной сущностью (актером, объектом, компонентом, узлом и т.д.) | |
| (interruptible activity region) |
 |
Группа операций, обычная последовательность выполнения которых может прервана в результате наступления нестандартной ситуации | |
| Поясняющая | Примечание (comment) |
 |
Комментарий к элементу. Присоединяется к комментируемому элементу штриховой линией |
В некоторых источниках, в частности [ , ], выделяют также поведенческие сущности взаимодействия и конечные автоматы , но с логической точки зрения их следует отнести к диаграммам.
Некоторые из приведенных выше сущностей в соответствии с подразумевают их подробное описание на диаграммах декомпозиции. На диаграмме верхнего уровня они помечаются особым значком или меткой.
В следующей таблице приведено описание всех видов отношений UML, используемых на диаграммах для указания связей между сущностями.
Таблица 11.3. Отношения
| Наименование | Обозначение | Определение (семантика) |
| Ассоциация (association) |  |
Отношение, описывающее значимую связь между двумя и более сущностями. Наиболее общий вид отношения |
| Агрегация (aggregation) |  |
Подвид ассоциации, описывающей связь "часть"–"целое", в котором "часть" может существовать отдельно от "целого". Ромб указывается со стороны "целого". Отношение указывается только между сущностями одного типа |
| Композиция (composition) |  |
Подвид агрегации, в которой "части" не могут существовать отдельно от "целого". Как правило, "части" создаются и уничтожаются одновременно с "целым" |
| Зависимость (dependency) |  |
Отношение между двумя сущностями, в котором изменение в одной сущности (независимой) может влиять на состояние или поведение другой сущности (зависимой). Со стороны стрелки указывается независимая сущность |
| Обобщение (generalization) |  |
Отношение между обобщенной сущностью (предком, родителем) и специализированной сущностью (потомком, дочкой). Треугольник указывается со стороны родителя. Отношение указывается только между сущностями одного типа |
| Реализация (realization) |  |
Отношение между сущностями, где одна сущность определяет действие, которое другая сущность обязуется выполнить. Отношения используются в двух случаях: между интерфейсами и классами (или компонентами), между вариантами использования и кооперациями. Со стороны стрелки указывается сущность, определяющее действие (интерфейс или вариант использования) |
Для ассоциации, агрегации и композиции может указываться кратность (англ. multiplicity), характеризующая общее количество экземпляров сущностей, участвующих в отношении. Она, как правило, указывается с каждой стороны отношения около соответствующей сущности. Кратность может указываться следующими способами:
- * – любое количество экземпляров, в том числе и ни одного;
Целое неотрицательное число – кратность строго фиксирована и равна указанному числу (например: 1, 2 или 5);
Диапазон целых неотрицательных чисел "первое число.. второе число" (например: 1..5, 2..10 или 0..5);
Диапазон чисел от конкретного начального значения до произвольного конечного "первое число.. *" (например: 1..*, 5..* или 0..*);
Перечисление целых неотрицательных чисел и диапазонов через запятую (например: 1, 3..5, 10, 15..*).
Если кратность не указана, то принимается ее значение, равное 1. Кратность экземпляров сущностей, участвующих в зависимости, обобщении и реализации, всегда принимается равной 1.
В следующей таблице приведено описание механизмов расширения , применяемых для уточнения семантики сущностей и отношений. В общем случае, механизм расширения представляет собой строку текста, заключенную в скобки или кавычки.
Таблица 11.4. Механизмы расширения
| Наименование | Обозначение | Определение (семантика) |
| Стереотип (stereotype) |
« » | Обозначение, уточняющее семантику элемента нотации (например: зависимость со стереотипом «include» рассматривается, как отношение включения, а класс со стереотипом «boundary» – граничный класс) |
| Сторожевое условие (guard condition) |
Логическое условие (например: или [идентификация выполнена]) | |
| Ограничение (constraint) |
{ } | Правило, ограничивающее семантику элемента модели (например, {время выполнения менее 10 мс}) |
| Помеченное значение (tagged value) |
{ } | Новое или уточняющее свойство элемента нотации (например: {version = 3.2}) |
Помимо стереотипов, указываемых в виде строки текста в кавычках, на диаграммах могут использоваться графические стереотипы. На следующем рисунке приведены примеры стандартного и стереотипного отображения .
 |
||||
| a) стандартное обозначение | б) стандартное обозначение с текстовым стереотипом |
в) графический стереотип |
Рис. 11.2. Примеры стандартного и стереотипного отображения класса
Диаграмма представляет собой группировку элементов нотации для отображения некоторого аспекта разрабатываемой информационной системы. Диаграммы представляют собой, как правило, связный граф, в котором сущности являются вершинами, а отношения – дугами. В следующей таблице дана краткая характеристика диаграмм UML .
Таблица 11.5. Диаграммы
| Диаграмма | Назначение | |||||
| по степени физической реализации | по отображению динамики | по отображаемому аспекту | ||||
| (use case) |
Отображает функции системы, взаимодействие между актерами и функциями | Логическая | Статическая | Функциональная | ||
| (class) |
Отображает набор классов, интерфейсов и отношений между ними | Логическая или физическая |
Статическая | Функционально-информационная | ||
| (package) |
Отображает набор пакетов и отношений между ними | Логическая или физическая |
Статическая | Компонентная | ||
| Поведения (behavior) |
(state machine) |
Отображает состояния сущности и переходы между ними в процессе ее жизненного цикла | Логическая | Динамическая | Поведенческая | |
| (activity) |
Отображает бизнес-процессы в системе (описание алгоритмов поведения) | |||||
| Взаимодействия (interaction) |
(sequence) |
Отображает последовательность передачи сообщений между объектами и актерами | ||||
| (communication) |
Аналогична диаграмме последовательности, но основной акцент делается на структуру взаимодействия между объектами | |||||
| Реализации (implementation) |
(component) |
Отображает компоненты системы (программы, библиотеки, таблицы и т.д.) и связи между ними | Физическая | Статическая | Компонентная | |
| (deployment) |
Отображает размещение компонентов по узлам сети, а также ее конфигурацию | |||||
Стандарт UML 2.x определяет также дополнительные, узкоспециализированные диаграммы:
Диаграмму объектов (object diagram) - аналогична , но вместо классов отображаются объекты;
Диаграмму синхронизации (timing diagram) - описывает состояния объекта с течением времени;
Композитную структурную диаграмму (composite structure diagram) - описывает порты (включая интерфейсы) класса для взаимодействия с другими классами;
Профильную диаграмму (profile diagram) - аналогична с описанием классов, входящих в них;
Обзорную диаграмму взаимодействия (interaction overview diagram) - аналогична , но со скрытыми фрагментами взаимодействия (фрагментами с меткой ref). Представляет собой контекстную (концептуальную) , элементы которой будут конкретизированы на отдельных диаграммах декомпозиции.
В целях укрупненного концептуального представления внутренней архитектуры системы большинство при построении допускает использование устоявшихся графических стереотипов для так называемых . Такая диаграмма называется 1 , но не относится к перечню диаграмм, определенных стандартом UML.
При разработке отдельной модели системы в строят несколько видов диаграмм. Более того, при разработке модели сложной системы, как правило, строят несколько диаграмм одного и того же вида. В то же время можно не создавать отдельные виды диаграмм, если в этом нет необходимости. Например, диаграммы и являются взаимозаменяемыми, строятся только для объектов, обладающих сложным поведением. В следующей таблице приведены рекомендации о необходимости разработки (уточнении) диаграмм по моделям системы.
Таблица 11.6. Связь моделей и диаграмм
В приведенной таблице не приведена модель тестирования, так как в рамках ее построения диаграммы не разрабатываются, а проверяются (тестируются) на полноту и непротиворечивость.
Часть диаграмм после их построения требует развития и уточнения в рамках разработки следующей модели (технологического процесса). Так, например, должны быть уточнены при разработке . В моделях.
4. Дайте определение понятию " ".
Модель UML (UML model) ‒ это совокупность конечного множества конструкций языка, главные из которых ‒ это сущности и отношения между ними.
Сами сущности и отношения модели являются экземплярами метаклассов метамодели.
Рассматривая модель UML с наиболее общих позиций, можно сказать, что это граф (точнее, нагруженный мульти-псевдо-гипер-орграф), в котором вершины и ребра нагружены дополнительной информацией и могут иметь сложную внутреннюю структуру. Вершины этого графа называются сущностями, а ребра ‒ отношениями . Остальная часть раздела содержит беглый (предварительный), но полный обзор имеющихся типов сущностей и отношений. К счастью, их не слишком много. В последующих главах книги все сущности и отношения рассматриваются еще раз, более детально и с примерами.
1.4.1. Сущности
Для удобства обзора сущности в UML можно подразделить на четыре группы:
- структурные;
- поведенческие;
- группирующие;
- аннотационные.
Структурные сущности, как нетрудно догадаться, предназначены для описания структуры. Обычно к структурным сущностям относят следующие.
Объект (object) 1 ‒ сущность, обладающая уникальностью и инкапсулирующая в себе состояние и поведение.
Класс (class) 2 ‒ описание множества объектов с общими атрибутами, определяющими состояние, и операциями, определяющими поведение.
Интерфейс (interface) 3 ‒ именованное множество операций, определяющее набор услуг, которые могут быть запрошены потребителем и предоставлены поставщиком услуг.
Кооперация (collaboration) 4 ‒ совокупность объектов, которые взаимодействуют для достижения некоторой цели.
Действующее лицо (actor) 5 ‒ сущность, находящаяся вне моделируемой системы и непосредственно взаимодействующая с ней.
∇ Подобная взаимосвязь безусловно существует, что выражается на рис. Иерархия типов диаграмм для UML 1 в виде отношения зависимости со стереотипом «refine» .
∇∇ В UML 1 возникала невольная ассоциация между диаграммой кооперации и одноименной сущностью, что было не совсем верно и порой вводило в заблуждение.
∇∇∇ В UML 2 синтаксическая и смысловая нагрузка диаграммы состояний настолько изменилась, что название уже не отражало содержания.
Список новых диаграмм и их названий, принятых в этой книге, приведен ниже.
- Диаграмма внутренней структуры (Composite Structure diagram)
- Диаграмма пакетов (Package diagram)
- Диаграмма автомата (State machine diagram)
- Диаграмма коммуникации (Communication diagram)
- Обзорная диаграмма взаимодействия (Interaction Overview diagram)
- Диаграмма синхронизации (Timing diagram)
На рис. Иерархия типов диаграмм для UML 2 (часть 1 и 2) приведена диаграмма классов, отражающая взаимосвязь диаграмм в UML 2.
Далее в этой главе мы очень бегло опишем все тринадцать канонических диаграмм, с тем, чтобы иметь определенный контекст и словарный запас для последующего изложения. Детали изложены в остальных главах книги.
Но прежде чем перейти к следующему разделу, сделаем одно небольшое отступление относительно того, как стандарт требует оформлять диаграммы. Общий шаблон представления диаграммы приведен ниже.
Основных элементов оформления два: наружная рамка и ярлычок с названием диаграммы. Если с рамкой все просто ‒ это прямоугольник, ограничивающий область в котором должны находиться элементы диаграммы, то название диаграммы записывается в специальном формате, приведенном на рис. Нотация для диаграмм .
Указанная сложная форма ярлычка поддерживается не всеми инструментами. Впрочем, это не обязательно, поскольку семантика первична, а нотация вторична. Далее мы везде используем в качестве ярлычка диаграммы прямоугольник, и это не должно вызывать недоразумений.
Возможные теги (типы) для диаграмм приведены в следующей таблице. Теги, предлагаемые стандартом, записаны во второй столбец. Однако, как показала практика, предлагаемые стандартом правила не всегда удобны и логически обоснованы, поэтому третий столбец таблицы содержит разумную на наш взгляд альтернативу.
Табл. Типы и теги диаграмм
| Название диаграммы | Тег (стандартный) | Тег (предлагаемый) |
|---|---|---|
| Диаграмма использования | use case или uc | use case |
| Диаграмма классов | class | class |
| Диаграмма автомата | state machine или stm | state machine |
| Диаграмма деятельности | activity или act | activity |
| Диаграмма последовательности | interaction или sd | sd |
| Диаграмма коммуникации | interaction или sd | comm |
| Диаграмма компонентов | component или cmp | component |
| Диаграмма размещения | не определен | deployment |
| Диаграмма объектов | не определен | object |
| Диаграмма внутренней структуры | class | class или component |
| Обзорная диаграмма взаимодействия | interaction или sd | interaction |
| Диаграмма синхронизации | interaction или sd | timing |
| Диаграмма пакетов | package или pkg | package |