Аннотация: Предметом этого курса является The UML - унифицированный язык моделирования. В предыдущей лекции было рассказано о том, что же такое UML, о его истории, назначении, способах использования языка, структуре его определения, терминологии и нотации. Было отмечено, что модель UML - это набор диаграмм. В этой лекции мы рассмотрим такие вопросы: почему нужно несколько видов диаграмм; виды диаграмм; ООП и последовательность построения диаграмм

Прежде чем перейти к обсуждению основного материала этой лекции, давайте поговорим о том, зачем вообще строить какие-то диаграммы. Разработка модели любой системы (не только программной) всегда предшествует ее созданию или обновлению. Это необходимо хотя бы для того, чтобы яснее представить себе решаемую задачу. Продуманные модели очень важны и для взаимодействия внутри команды разработчиков, и для взаимопонимания с заказчиком. В конце концов, это позволяет убедиться в "архитектурной согласованности" проекта до того, как он будет реализован в коде.

Мы строим модели сложных систем, потому что не можем описать их полностью, "окинуть одним взглядом". Поэтому мы выделяем лишь существенные для конкретной задачи свойства системы и строим ее модель, отображающую эти свойства. Метод объектно-ориентированного анализа позволяет описывать реальные сложные системы наиболее адекватным образом. Но с увеличением сложности систем возникает потребность в хорошей технологии моделирования. Как мы уже говорили в предыдущей лекции, в качестве такой "стандартной" технологии используется унифицированный язык моделирования ( Unified Modeling Language , UML ), который является графическим языком для спецификации, визуализации, проектирования и документирования систем. С помощью UML можно разработать подробную модель создаваемой системы, отображающую не только ее концепцию, но и конкретные особенности реализации. В рамках UML -модели все представления о системе фиксируются в виде специальных графических конструкций, получивших название диаграмм.

Примечание . Мы рассмотрим не все, а лишь некоторые из видов диаграмм. Например, диаграмма компонентов не рассматривается в этой лекции, которая является лишь кратким обзором видов диаграмм. Количество типов диаграмм для конкретной модели приложения никак не ограничивается. Для простых приложений нет необходимости строить диаграммы всех без исключения типов. Некоторые из них могут просто отсутствовать, и этот факт не будет считаться ошибкой. Важно понимать, что наличие диаграмм определенного вида зависит от специфики конкретного проекта. Информацию о других (не рассмотренных здесь) видах диаграмм можно найти в стандарте UML.

Почему нужно несколько видов диаграмм

Для начала определимся с терминологией. В предисловии к этой лекции мы неоднократно использовали понятия системы, модели и диаграммы. Автор уверен, что каждый из нас интуитивно понимает смысл этих понятий, но, чтобы внести полную ясность , снова заглянем в глоссарий и прочтем следующее:

Система - совокупность взаимосвязанных управляемых подсистем, объединенных общей целью функционирования.

Да, не слишком информативно. А что же такое тогда подсистема? Чтобы прояснить ситуацию, обратимся к классикам:

Системой называют набор подсистем, организованных для достижения определенной цели и описываемых с помощью совокупности моделей, возможно, с различных точек зрения.

Что ж, ничего не попишешь, придется искать определение подсистемы. Там же сказано, что подсистема - это совокупность элементов, часть из которых задает спецификацию поведения других элементов. Ян Соммервилл объясняет это понятие таким образом:

Подсистема - это система, функционирование которой не зависит от сервисов других подсистем. Программная система структурируется в виде совокупности относительно независимых подсистем. Также определяются взаимодействия между подсистемами.

Тоже не слишком понятно, но уже лучше. Говоря "человеческим" языком, система представляется в виде набора более простых сущностей, которые относительно самодостаточны. Это можно сравнить с тем, как в процессе разработки программы мы строим графический интерфейс из стандартных "кубиков" - визуальных компонентов, или как сам текст программы тоже разбивается на модули, которые содержат подпрограммы, объединенные по функциональному признаку, и их можно использовать повторно, в следующих программах.

С понятием системы разобрались. В процессе проектирования система рассматривается с разных точек зрения с помощью моделей, различные представления которых предстают в форме диаграмм. Опять-таки у читателя могут возникнуть вопросы о смысле понятий модели и диаграммы . Думаем, красивое, но не слишком понятное определение модели как семантически замкнутой абстракции системы вряд ли прояснит ситуацию, поэтому попробуем объяснить "своими словами".

Модель - это некий (материальный или нет) объект , отображающий лишь наиболее значимые для данной задачи характеристики системы. Модели бывают разные - материальные и нематериальные, искусственные и естественные, декоративные и математические...

Приведем несколько примеров. Знакомые всем нам пластмассовые игрушечные автомобильчики, которыми мы с таким азартом играли в детстве, это не что иное, как материальная искусственная декоративная модель реального автомобиля. Конечно, в таком "авто" нет двигателя, мы не заполняем его бак бензином, в нем не работает (более того, вообще отсутствует) коробка передач, но как модель эта игрушка свои функции вполне выполняет: она дает ребенку представление об автомобиле, поскольку отображает его характерные черты - наличие четырех колес, кузова, дверей, окон, способность ехать и т. д.

В ходе медицинских исследований опыты на животных часто предшествуют клиническим испытаниям медицинских препаратов на людях. В таком случае животное выступает в роли материальной естественной модели человека.

Уравнение, изображенное выше - тоже модель, но это модель математическая, и описывает она движение материальной точки под действием силы тяжести.

Осталось лишь сказать, что такое диаграмма . Диаграмма - это графическое представление множества элементов. Обычно изображается в виде графа с вершинами (сущностями) и ребрами (отношениями). Примеров диаграмм можно привести множество. Это и знакомая нам всем со школьных лет блок-схема , и схемы монтажа различного оборудования, которые мы можем видеть в руководствах пользователя, и дерево файлов и каталогов на диске, которое мы можем увидеть, выполнив в консоли Windows команду tree , и многое-многое другое. В повседневной жизни диаграммы окружают нас со всех сторон, ведь рисунок воспринимается нами легче, чем текст...

Но вернемся к проектированию ПО (и не только). В этой отрасли с помощью диаграмм можно визуализировать систему с различных точек зрения . Одна из диаграмм, например, может описывать взаимодействие пользователя с системой, другая - изменение состояний системы в процессе ее работы, третья - взаимодействие между собой элементов системы и т. д. Сложную систему можно и нужно представить в виде набора небольших и почти независимых моделей-диаграмм, причем ни одна из них не является достаточной для описания системы и получения полного представления о ней, поскольку каждая из них фокусируется на каком-то определенном аспекте функционирования системы и выражает разный уровень абстракции . Другими словами, каждая модель соответствует некоторой определенной, частной точке зрения на проектируемую систему.

Несмотря на то что в предыдущем абзаце мы весьма вольготно обошлись с понятием модели, следует понимать, что в контексте приведенных выше определений ни одна отдельная диаграмма не является моделью . Диаграммы - лишь средство визуализации модели, и эти два понятия следует различать. Лишь набор диаграмм составляет модель системы и наиболее полно ее описывает, но не одна диаграмма , вырванная из контекста.

Виды диаграмм

UML 1.5 определял двенадцать типов диаграмм , разделенных на три группы:

• четыре типа диаграмм представляют статическую структуру приложения;
• пять представляют поведенческие аспекты системы;
• три представляют физические аспекты функционирования системы (диаграммы реализации).

Текущая версия UML 2.1 внесла не слишком много изменений. Диаграммы слегка изменились внешне (появились фреймы и другие визуальные улучшения), немного усовершенствовалась нотация , некоторые диаграммы получили новые наименования.

Впрочем, точное число канонических диаграмм для нас абсолютно неважно, так как мы рассмотрим не все из них, а лишь некоторые - по той причине, что количество типов диаграмм для конкретной модели конкретного приложения не является строго фиксированным. Для простых приложений нет необходимости строить все без исключения диаграммы. Например, для локального приложения не обязательно строить диаграмму развертывания. Важно понимать, что перечень диаграмм зависит от специфики разрабатываемого проекта и определяется самим разработчиком. Если же любопытный читатель все-таки пожелает узнать обо всех диаграммах UML , мы отошлем его к стандарту UML (http://www.omg.org/technology/documents/modeling_spec_catalog.htm#UML). Напомним, что цель этого курса - не описать абсолютно все возможности UML , а лишь познакомить с этим языком, дать первоначальное представление об этой технологии.

Итак, мы кратко рассмотрим такие виды диаграмм, как:

• диаграмма прецедентов ;
• диаграмма классов;
• диаграмма объектов ;
• диаграмма последовательностей;
• диаграмма взаимодействия;
• диаграмма состояний;
• диаграмма активности ;
• диаграмма развертывания .

О некоторых из этих диаграмм мы будем говорить подробнее в следующих лекциях. Пока же мы не станем заострять внимание на подробностях, а зададимся целью научить читателя хотя бы визуально различать виды диаграмм, дать начальное представление о назначении основных видов диаграмм. Итак, начнем.

Диаграмма прецедентов (use case diagram)

Любые (в том числе и программные) системы проектируются с учетом того, что в процессе своей работы они будут использоваться людьми и/или взаимодействовать с другими системами. Сущности, с которыми взаимодействует система в процессе своей работы, называются экторами , причем каждый эктор ожидает, что система будет вести себя строго определенным, предсказуемым образом. Попробуем дать более строгое определение эктора. Для этого воспользуемся замечательным визуальным словарем по UML Zicom Mentor :

Эктор (actor) - это множество логически связанных ролей, исполняемых при взаимодействии с прецедентами или сущностями (система, подсистема или класс). Эктором может быть человек или другая система, подсистема или класс, которые представляют нечто вне сущности.

Графически эктор изображается либо " человечком ", подобным тем, которые мы рисовали в детстве, изображая членов своей семьи, либо символом класса с соответствующим стереотипом , как показано на рисунке. Обе формы представления имеют один и тот же смысл и могут использоваться в диаграммах. "Стереотипированная" форма чаще применяется для представления системных экторов или в случаях, когда эктор имеет свойства и их нужно отобразить (рис. 2.1).

Внимательный читатель сразу же может задать вопрос: а почему эктор, а не актер ? Согласны, слово "эктор" немного режет слух русского человека. Причина же, почему мы говорим именно так, проста - эктор образовано от слова action , что в переводе означает действие . Дословный же перевод слова "эктор" - действующее лицо - слишком длинный и неудобный для употребления. Поэтому мы будем и далее говорить именно так.

Тот же внимательный читатель мог заметить промелькнувшее в определении эктора слово "прецедент". Что же это такое? Этот вопрос заинтересует нас еще больше, если вспомнить, что сейчас мы говорим о диаграмме прецедентов . Итак,

Прецедент (use-case) - описание отдельного аспекта поведения системы с точки зрения пользователя (Буч).

Определение вполне понятное и исчерпывающее, но его можно еще немного уточнить, воспользовавшись тем же Zicom Mentor "ом:

Прецедент (use case) - описание множества последовательных событий (включая варианты), выполняемых системой, которые приводят к наблюдаемому эктором результату. Прецедент представляет поведение сущности, описывая взаимодействие между экторами и системой. Прецедент не показывает, "как" достигается некоторый результат, а только "что" именно выполняется.

Прецеденты обозначаются очень простым образом - в виде эллипса, внутри которого указано его название. Прецеденты и экторы соединяются с помощью линий . Часто на одном из концов линии изображают рис. 2.3

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 :

1. анализируя прецеденты, определить какие элементы пользователи и разработчики применяют для описания задачи или ее решения;
2. выявить для каждой абстракции соответствующее ей множество обязанностей (ответственности). Проследите правильность распределения обязанностей (в том числе, соблюдение );
3. 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:

1. перенести классы с диаграммы последовательности;
2. добавить атрибуты концептуальной модели;
3. добавить имена методов по анализу диаграмм взаимодействия (например, );
4. добавить типы атрибутов и методов;
5. добавить ассоциации (на основании атрибутов — отношения композиции и агрегации);
6. добавить стрелки (направление ассоциаций)
7. 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 :

1. идентифицировать классы, данные которых должны храниться между запусками приложения (или обращениями пользователя) и нанести эти классы на отдельную диаграмму;
2. 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) ;
3. решить проблемы использования полученной диаграммы в качестве физической модели базы данных — циклические ассоциации, n-арные ассоциации и т.д. При необходимости создать промежуточные абстракции;
4. 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

достаточно было добавить новый компонент, что несколько проще.

При использовании второго варианта нам в двух разных сценариях, помимо добавления нового компонента, потребовалось изменить компонент, обрабатывающий буквы.

Таблица 6. Итоги оценки двух вариантов архитектуры индексатора.

+ обозначает возможность не изменять компонент, - - необходимость изменения компонента,

* - необходимость добавления одного компонента

6. В целом первая архитектура на предложенных сценариях выглядит лучше второй. Единственный ее недостаток - отсутствие возможности инкрементально поставлять данные на вход компонентам. Если его устранить, сделав компоненты способными потреблять данные постепенно, эта архитектура станет почти идеальным вариантом, поскольку она легко расширяется - для решения многих дополнительных задач потребуется только добавлять компоненты в общий конвейер.

Вторая архитектура, несмотря на выигрыш в инкрементальности, проигрывает в целом. Основная ее проблема - слишком специфически построенный компонент-обработчик букв. Необходимость изменить его в нескольких сценариях показывает, что нужно объединить обработчик букв и обработчик конца слов в единый компонент, выдающий слова целиком, после чего полученная архитектура не будет ничем уступать исправленной первой.

UML. Виды диаграмм UML

Для представления архитектуры, а точнее - различных входящих в нее структур, удобно использовать графические языки. На настоящий момент наиболее проработанным и наиболее широко используемым из них является унифицированный язык моделирования (Unified Modeling Language, UML) , хотя достаточно часто архитектуру системы описывают просто набором именованных прямоугольников, соединенных линиями и стрелками, которые представляют возможные связи.

UML предлагает использовать для описания архитектуры 8 видов диаграмм. 9-й вид UML диаграмм, диаграммы вариантов использования (см. Лекцию 4), не относится к архитектурным представлениям. Кроме того, и другие виды диаграмм можно использовать для описания внутренней структуры компонентов или сценариев действий пользователей и прочих элементов, к архитектуре часто не относящихся. В этом курсе мы не будем разбирать диаграммы UML в деталях, а ограничимся обзором их основных элементов, необходимым для общего понимания смысла того, что изображено на таких диаграммах.

Диаграммы UML делятся на две группы - статические идинамические диаграммы .

Статические диаграммы

Статические диаграммы представляют либо постоянно присутствующие в системе сущности и связи между ними, либо суммарную информацию о сущностях и связях, либо сущности и связи, существующие в какой-то определенный момент времени. Они не показывают способов поведения этих сущностей. К этому типу относятсядиаграммы классов ,объектов ,компонентов идиаграммы развертывания .

Диаграммы классов (class diagrams ) показываютклассы илитипы сущностей системы, характеристики классов (поля иоперации ) и возможные связи между ними. Пример диаграммы классов изображен на Рис. 31.

Классы представляются прямоугольниками, поделенными на три части. В верхней части показывают имя класса, в средней - набор его полей, с именами, типами, модификаторами доступа (public ‘+’,protected ‘#’,private ‘-’) и начальными значениями, в нижней - набор операций класса. Для каждой операции показывается ее модификатор доступа и

сигнатура.

На Рис. 31 изображены классы Account, Person, Organization, Address, CreditAccountи

абстрактный класс Client .

Класс CreditAccount имеетprivate полеmaximumCredit типаdouble , а такжеpublic методgetCredit() иprotected методsetCredit() .

Интерфейсы , т.е. типы, имеющие только набор операций и не определяющие способов их реализации, часто показываются в виде небольших кружков, хотя могут изображаться и как обычные классы. На Рис. 31 представлен интерфейсAccountInterface .

Рисунок 31. Диаграмма классов.

Наиболее часто используется три вида связей между классами - связи по композиции, ссылки, связи по наследованию и реализации.

Композиция описывает ситуацию, в которой объекты классаA включают в себя объекты классаB , причем последние не могут разделяться (объект классаB , являющийся частью объекта классаA , не может являться частью другого объекта классаA ) и существуют только в рамках объемлющих объектов (уничтожаются при уничтожении объемлющего объекта).

Композицией на Рис. 31 является связь между классами Organization иAddress .

Ссылочная связь (илислабая агрегация ) обозначает, что объект некоторого классаA имеет в качестве поля ссылку на объект другого (или того же самого) классаB , причем ссылки на один и тот же объект классаB могут иметься в нескольких объектах классаA .

И композиция, и ссылочная связь изображаются стрелками, ведущими от класса A к классуB . Композиция дополнительно имеет закрашенный ромбик у начала этой стрелки. Двусторонние ссылочные связи, обозначающие, что объекты могут иметь ссылки друг на друга, показываются линиями без стрелок. Такая связь показана на Рис. 31 между классами

Account и Client.

Эти связи могут иметь описание множественности , показывающее, сколько объектов классаB может быть связано с одним объектом классаA . Оно изображается в виде текстовой метки около конца стрелки, содержащей точное число или нижние и верхние границы, причем бесконечность изображается звездочкой или буквой n. Для двусторонних

связей множественности могут показываться с обеих сторон. На Рис. 31 множественности, изображенные для связи между классами Account иClient , обозначают, что один клиент может иметь много счетов, а может и не иметь ни одного, и счет всегда привязан ровно к одному клиенту.

Наследование классов изображается стрелкой с пустым наконечником, ведущей от наследника к предку. На Рис. 31 классCreditAccount наследует классуAccount , а классы

Person и Organization- классу Client.

Реализация интерфейсов показывается в виде пунктирной стрелки с пустым наконечником, ведущей от класса к реализуемому им интерфейсу, если тот показан в виде прямоугольника. Если же интерфейс изображен в виде кружка, то связь по реализации показывается обычной сплошной линией (в этом случае неоднозначности в ее толковании не возникает). Такая связь изображена на Рис. 31 между классомAccount и интерфейсом

AccountInterface.

Один класс использует другой, если этот другой класс является типом параметра или результата операции первого класса. Иногда связи по использованию показываются в виде пунктирных стрелок. Пример такой связи между классомPerson и перечислимым типомAddressKind можно видеть на Рис. 31.

Ссылочные связи, реализованные в виде ассоциативных массивов или отображений (map)

Такая связь в зависимости от некоторого набора ключей определяет набор ссылокзначений - показываются при помощи стрелок, имеющих прямоугольник с перечислением типов и имен ключей, примыкающий к изображению класса, от которого идет стрелка. Множественность на конце стрелки при этом обозначает количество ссылок, соответствующее одному набору значений ключей.

На Рис. 31 такая связь ведет от класса Person к классуAddress , показывая, что объект классаPerson может иметь один адрес для каждого значения ключаkind , т.е. один домашний и один рабочий адреса.

Диаграммы классов используются чаще других видов диаграмм.

Диаграммы объектов (object diagrams ) показывают часть объектов системы и связи между ними в некотором конкретном состоянии или суммарно, за некоторый интервал времени. Объекты изображаются прямоугольниками с идентификаторами ролей объектов (в контексте тех состояний, которые изображены на диаграмме) и типами. Однородные коллекции объектов могут изображаться накладывающимися друг на друга прямоугольниками.

Такие диаграммы используются довольно редко.

Рисунок 32. Диаграмма объектов.

Диаграммы компонентов (component diagrams) представляют компоненты в нескольких смыслах - атомарные составляющие системы с точки зрения ее сборки, конфигурационного управления и развертывания. Компоненты сборки и конфигурационного управления обычно представляют собой файлы с исходным кодом, динамически подгружаемые библиотеки, HTML-странички и пр., компоненты развертывания - это компоненты JavaBeans, CORBA, COM и т.д. Подробнее о таких компонентах см. Лекцию 12.

Компонент изображается в виде прямоугольника с несколькими прямоугольными или другой формы «зубами» на левой стороне.

Связи, показывающие зависимости между компонентами, изображаются пунктирными стрелками. Один компонент зависит от другого, если он не может быть использован в отсутствии этого другого компонента в конфигурации системы. Компоненты могут также реализовывать интерфейсы.

Диаграммы этого вида используются редко.

Рисунок 33. Диаграмма компонентов.

На диаграмме компонентов, изображенной на Рис. 33, можно также увидеть пакеты , изображаемые в виде «папок», точнее - прямоугольников с прямоугольными «наростами» над левым верхним углом. Пакеты являются пространствами имен и средством группировки диаграмм и других модельных элементов UML - классов, компонентов и пр. Они могут появляться на диаграммах классов и компонентов для указания зависимостей между ними и отдельными классами и компонентами. Иногда на такой диаграмме могут присутствовать только пакеты с зависимостями между ними.

Диаграммы развертывания (deployment diagrams) показывают декомпозицию системы на физические устройства различных видов - серверы, рабочие станции, терминалы, принтеры, маршрутизаторы и пр. - и связи между ними, представленные различного рода сетевыми и индивидуальными соединениями.

Физические устройства, называемые узлами системы (nodes ), изображаются в виде кубов или параллелепипедов, а физические соединения между ними - в виде линий.

На диаграммах развертывания может быть показана привязка (в некоторый момент времени или постоянная) компонентов развертывания системы к физическим устройствам

Например, для указания того, что компонент EJB AccountEJB исполняется на сервере приложений, а аплет AccountInfoEditor - на рабочей станции оператора банка.

Рисунок 34. Диаграмма развертывания.

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

«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.

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».

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

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

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:

1. Проведение объектной декомпозиции, когда система разбивается на множество самостоятельных взаимодействующих сущностей.
2. Сопоставление сущностей с классами, определение интерфейсов классов и отношений.
3. Выделение тех сущностей, которые обладают сложным поведением, - именно для их описания будет применяться автоматный подход.
4. 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.
5. Реализация неавтоматизированных классов на выбранном объектно-ориентированном языке. Генерация кода может выполняться как автоматически, так и вручную.