Моделирование при разработке программного обеспечения

• 1.

  Введение

  в процесс моделирования

• 2. Жизненный цикл программного обеспечения
• 2.1 Понятие технологии разработки программного обеспечения
• 2.2 Модели жизненного цикла
• 2.3 Rational Objectory Process — модель жизненного цикла
• 3. Объектно-ориентированный подход к разработке программного обеспечения
• 3.1 Сущность объектно-ориентированного подхода
• 3.2 Объект и класс
• 3.3 Наследование и полиморфизм
• 3.4 Унифицированный язык моделирования UML
• 4.

  Введение

  в язык моделирования UML

• 5. Строительные блоки UML
• 5.1 Сущности
• 5.2 Отношения
• 5.3 Диаграммы
• 6. Правила языка UML
• 7. Общие механизмы языка UML
• 7.1 Спецификация
• 7.2 Дополнения
• 7.3 Принятые деления
• 7.4 Механизмы расширения
• 8. Диаграмма вариантов использования
• 9. Диаграммы классов
• 9.1 Шаблоны классов
• 10. Диаграммы состояний
• 11. Диаграммы деятельности
• 11.1 Состояния действия и состояния деятельности
• 11.2 Переходы
• 11.3 Ветвление
• 11.4 Разделение и слияние
• 11.5 Дорожки. Траектория объекта
• 12. Диаграммы взаимодействий
• 12.1 Диаграммы последовательностей
• 12.2 Диаграммы кооперации
• 12.3 Семантическая эквивалентность
• 13. Диаграммы компонентов
• 14. Диаграммы развертывания
• Литература

1.

Введение

в процесс моделирования

Модель является упрощенным представлением реальности. Модель — это чертеж системы: в нее может входить как детальный план, так и более абстрактное представление системы. Хорошая модель всегда включает элементы, существенно влияющие на результат, и не включает те, которые малозначимы на данном уровне абстракции. Каждая система может быть описана с разных точек зрения, для чего используются различные модели, каждая из которых, следовательно, является семантически замкнутой абстракцией системы. Модель может быть структурной, подчеркивающей организацию системы, или поведенческой, то есть отражающей ее динамику.

Мы строим модели для того, чтобы лучше понимать разрабатываемую систему. Моделирование позволяет решить четыре различных задачи:

— визуализировать систему в ее текущем или желательном для нас состоянии;

— определить структуру или поведение системы;

— получить шаблон, позволяющий затем сконструировать систему;

— документировать принимаемые решения, используя полученные модели.

Длительный опыт использования моделирования позволил сформулировать четыре основных принципа.

— выбор модели оказывает определяющее влияние на подход к решению проблемы и на то, как будет выглядеть это решение;

— каждая модель может быть воплощена с разной степенью абстракции;

— лучшие модели — те, что ближе к реальности;

— нельзя ограничиваться созданием только одной модели.

При разработке программного обеспечения существует несколько подходов к моделированию. Важнейшие из них — алгоритмический и объектно-ориентированный.

Алгоритмический метод представляет традиционный подход к созданию программного обеспечения. Основным строительным блоком является процедура или функция, а внимание уделяется, прежде всего, вопросам передачи управления и декомпозиции больших алгоритмов на меньшие. При изменении требований или увеличении размера приложения (что происходит нередко) сопровождать их становится сложнее.

Наиболее современным подходом к разработке программного обеспечения является объектно-ориентированный.

2. Жизненный цикл программного обеспечения

2.1 Понятие технологии разработки программного обеспечения

В современном мире всеобщей компьютеризации и информатизации требования, предъявляемые к программному обеспечению (ПО) вообще и к программным продуктам, программным средствам и программам, в частности, весьма высоки. В связи с этим обеспечение удовлетворяющих пользователя потребительских качеств программы, таких, как надежность, быстродействие, соответствие заявленным возможностям, полнота документации, возможность расширения, развития и т. д., без строгого соблюдения определенной технологии практически не возможно.

Под технологией программирования в широком смысле следует понимать технологию разработки программного средства как совокупность абсолютно всех технологических процессов его создания. Результатом таких процессов является программное средство — совокупность логически связанных программ на носителях данных, снабженных программной документацией и предназначенных для людей, не участвующих в процессе разработки.

2.2 Модели жизненного цикла

В основе разработки и дальнейшего применения ПО пользователем лежит понятие жизненного цикла, который, в сущности, является моделью его создания и использования, отражающей различные состояния, начиная с момента осознания необходимости появления данного ПО и заканчивая моментом его полного выхода из употребления.

Первой по времени появления и самой распространенной явилась каскадная модель.

Основные этапы каскадной модели представлены на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 — Каскадная модель жизненного цикла ПО

Каскадная модель характеризуется следующими основными особенностями:

— последовательным выполнением входящих в ее состав этапов;

— окончанием каждого предыдущего этапа до начала последующего;

— отсутствием возврата к предыдущим этапам;

— наличием результата только в конце обработки.

Выявление и устранение ошибок в каскадной модели производится только на стадии тестирования, которая может растянуться по времени или вообще не завершиться.

Следующей стадией развития теории проектирования ПО стала итерационная модель жизненного цикла, или так называемая поэтапная модель с промежуточным контролем. Итерационная модель жизненного цикла программного обеспечения представлена на рисунке 2.2.

Основной ее особенностью является наличие обратных связей между этапами, вследствие чего появляется возможность проведения проверок и корректировок. В результате трудоемкость отладки по сравнению с каскадной моделью снижается. Итерационность модели проявляется в обработке ошибок, выявленных промежуточным контролем. Если на каком-то этапе промежуточной проверки обнаружена ошибка, допущенная на более ранней стадии разработки, необходимо повторить весь цикл работ этой стадии. При этом анализируются причины ошибки и корректируются в случае необходимости исходные данные этапа или его содержание.

Рисунок 2.2 — Итерационная модель жизненного цикла ПО

В процессе разработки системы могут измениться начальные требования, и в этом случае итерационная модель может оказаться неэффективной.

Третья модель жизненного цикла ПО — спиральная модель — поддерживает итерации поэтапной модели, но особое внимание уделяется начальным этапам проектирования: анализу требований, проектированию спецификаций, предварительному и детальному проектированию (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 — Спиральная модель жизненного цикла ПО

Каждый виток спирали соответствует поэтапной модели создания фрагмента или версии ПО, уточняются цели и требования к программному обеспечению, оценивается качество разработанного фрагмента или версии и планируются работы следующей стадии разработки (витка). Таким образом, углубляются и конкретизируются все детали проектируемого ПО, в результате получается продукт, который удовлетворяет всем требованиям заказчика.

2.3 Rational Objectory Process — модель жизненного цикла

Объектно-ориентированное проектирование программного обеспечения стало результатом появления объектно-ориентированного программирования (ООП), т. е. применение новой методологии началось с этапа кодирования. Ранние стадии описания предметной области и разработки архитектуры системы не поддерживались, первые варианты использования объектно-ориентированной методологии явились повторением принципов ООП.

Такие вопросы, как декомпозиция предметной области, спецификация требований, интерфейс пользователя, не рассматривались, однако успехи ООП заставили распространить новую технологию на весь жизненный цикл ПО. В результате все преимущества подхода применяются теперь не только в процессе кодирования, но и на более ранних этапах. Таким образом, были определены основные компоненты методологии:

— модель ЖЦ;

— действия;

— нотация языка.

Фирма Rational Software, разработавшая язык UML, предложила также и свою модель ЖЦ (рисунок 2.4), которая называется Rational Objectory Process (ROP). Основные свойства ROP-технологии:

— ROP — итеративный процесс, в течение которого происходит последовательное уточнение результатов;

— ROP направлен именно на создание моделей, а не на разработку каких-либо других элементов проекта (например, текстовых документов);

— Действия ROP определяются блоками использования.

ROP разбит на циклы, каждый из которых в свою очередь, состоит из четырех фаз:

— начальная стадия (Inception);

— разработка (Elaboration);

— конструирование (Construction);

— ввод в эксплуатацию (Transition).

Результатом работы каждого цикла является своя версия программной системы.

Каждая стадия завершается в четко определенной контрольной точке (milestone). В этот момент должны быть достигнуты важные результаты и приняты критически важные решения о дальнейшей разработке.

Рисунок 2.4 — Модель жизненного цикла UML

На начальной стадии выполняется некоторый начальный анализ оценки проекта. Здесь изучаются все возможности реализации, вырабатывается бизнес-план проекта, определяется его стоимость, примерный доход, а также ограничения ресурсов. Окончанием этого этапа могут служить следующие результаты: начальный проектный словарь терминов; общее описание системы; основные требования к проекту, его характеристики и ограничения; начальная модель вариантов использования; начальный бизнес-план; план проекта, отражающий стадии и итерации; один или несколько прототипов.

На стадии разработки выявляются более детальные требования к системе, выполняется высокоуровневый анализ предметной области и проектирование базовой архитектуры системы, создается план конструирования и устраняются наиболее рискованные элементы проекта. Результатом стадии разработки являются: оценка времени реализации каждого варианта использования; идентификация всех наиболее серьёзных рисков и возможности их ликвидации.

Сущность стадии конструирования заключается в определении последовательности итераций конструирования и вариантов использования, реализуемых на каждой итерации, которые являются одновременно инкрементными и повторяющимися. Результатом стадии конструирования является продукт, готовый к передаче пользователям и содержащий, как правило, руководство пользователей и готовый к интеграции на требуемых платформах.

Назначением стадии ввода в эксплуатацию является передача готового продукта в полное распоряжение конечных пользователей.

3. Объектно-ориентированный подход к разработке программного обеспечения

В начале 70-х гг. в США был отмечен кризис программирования (software crisis). Это выражалось в том, что большие проекты стали выполнятся с отставанием от графика или с превышением сметы расходов, разработанный продукт не обладал требуемыми функциональными возможностями, производительность его была низка, качество получаемого программного обеспечения не устраивало потребителей.

Аналитические исследования и обзоры, выполняемые в течение ряда последних лет ведущими зарубежными аналитиками, показывали не слишком обнадеживающие результаты. Так, например, в 1995 г. компания Standish Group проанализировала работу 364 американских корпораций и итоги выполнения более 23 тыс. проектов, связанных с разработкой ПО, и сделали следующие выводы: только 16% проектов завершились в срок, 52,7% завершились с опозданием, расходы превысили запланированный бюджет.

В числе причин неудач фигурируют: нечеткая и не полная формулировка требований к ПО, недостаточное вовлечение пользователей в работу над проектом, неудовлетворительное планирование и т. п.

На этом фоне выгодно отличается объектно-ориентированный подход к проектированию ПО — устраняет эти и другие недостатки, обладает богатым набором изобразительных средств.

3.1 Сущность объектно-ориентированного подхода

Принципиальное различие между структурным и объектно-ориентированным подходом заключается в способе декомпозиции системы. Объектно-ориентированный подход использует объектную декомпозицию, при этом статическая структура системы описывается в терминах объектов и связей между ними, а поведение системы описывается в терминах обмена сообщениями между объектами. Каждый объект системы обладает своим собственным поведением, моделирующим поведение объекта реального мира. Понятие «объект» впервые было использовано около 30 лет назад в технических средствах при попытках отойти от традиционной архитектуры фон Неймана и преодолеть барьер между высоким уровнем программных абстракций и низким уровнем абстрагирования на уровне компьютеров. С объектно-ориентированной архитектурой также тесно связаны объектно-ориентированные операционные системы. Однако наиболее значительный вклад в объектный подход был внесен объектными и объектно-ориентированными языками программирования: Simula, Smalltalk, C++, Object Pascal. На объектный подход оказали влияние также развивавшиеся достаточно независимо методы моделирования баз данных, в особенности подход «сущность-связь» .

Концептуальной основой объектно-ориентированного подхода является объектная модель. Основными се элементами являются:

— абстрагирование (abstraction);

— инкапсуляция (encapsulation);

— модульность (modularity);

— иерархия (hierarchy).

Кроме основных имеются еще три дополнительных элемента, не являющихся в отличие от основных строго обязательными:

— типизация (typing);

— параллелизм (concurrency);

— устойчивость (persistence).

Абстрагирование — это выделение существенных характеристик некоторого объекта, которые отличают его от всех других видов объектов и, таким образом, четко определяют его концептуальные границы относительно дальнейшего рассмотрения и анализа. Абстрагирование концентрирует внимание на внешних особенностях объекта и позволяет отделить самые существенные особенности его поведения от деталей их реализации. Выбор правильного набора абстракций для заданной предметной области представляет собой главную задачу объектно-ориентированного проектирования.

Инкапсуляция — это процесс отделения друг от друга отдельных элементов объекта, определяющих его устройство и поведение. Инкапсуляция служит для того, чтобы изолировать интерфейс объекта, отражающий его внешнее поведение, от внутренней реализации объекта. Объектный подход предполагает, что собственные ресурсы, которыми могут манипулировать только методы самого класса, скрыты от внешней среды. Абстрагирование и инкапсуляция являются взаимодополняющими операциями: абстрагирование фокусирует внимание на внешних особенностях объекта, а инкапсуляция (или, иначе, ограничение доступа) не позволяет объектам-пользователям различать внутреннее устройство объекта.

Модульность — это свойство системы, связанное с возможностью ее декомпозиции на ряд внутренне связных, но слабо связанных между собой модулей. Инкапсуляция и модульность создают барьеры между абстракциями.

Иерархия — это ранжированная или упорядоченная система абстракций, расположение их по уровням. Основными видами иерархических структур применительно к сложным системам являются структура классов (иерархия по номенклатуре) и структура объектов (иерархия по составу). Примерами иерархии классов являются простое и множественное наследование (один класс использует структурную или функциональную часть соответственно одного или нескольких других классов), а иерархии объектов — агрегация.

Типизация — это ограничение, накладываемое на класс объектов и препятствующее взаимозаменяемости различных классов (или сильно сужающее ее возможность). Типизация позволяет защититься от использования объектов одного класса вместо другого или, по крайней мере, управлять таким использованием.

Параллелизм — свойство объектов находиться в активном или пассивном состоянии и различать активные и пассивные объекты между собой.

Устойчивость — свойство объекта существовать во времени (вне зависимости от процесса, породившего данный объект) и/или в пространстве (при перемещении объекта из адресного пространства, в котором он был создан).

3.2 Объект и класс

Объект определяется как осязаемая реальность (tangible entity) — предмет или явление, имеющее четко определяемое поведение. Объект обладает состоянием, поведением и индивидуальностью; структура и поведение схожих объектов определяют общий для них класс. Термины «экземпляр класса» и «объект'' являются эквивалентными. Состояние объекта характеризуется перечнем всех возможных (статических) свойств данного объекта и текущими значениями (динамическими) каждого из этих свойств. Поведение характеризует воздействие объекта на другие объекты и наоборот относительно изменения состояния этих объектов и передачи сообщений. Иначе говоря, поведение объекта полностью определяется его действиями. Индивидуальность — это свойства объекта, отличающие его от всех других объектов.

Определенное воздействие одного объекта на другой с целью вызвать соответствующую реакцию называется операцией. Как правило, в объектных и объектно-ориентированных языках операции, выполняемые над данным объектом, называются методами и являются составной частью определения класса.

Класс — это множество объектов, связанных общностью структуры и поведения. Любой объект является экземпляром класса. Определение классов и объектов — одна из самых сложных задач объектно-ориентированного проектирования.

3.3 Наследование и полиморфизм

Следующую группу важных понятий объектного подхода составляют наследование и полиморфизм. Понятие полиморфизма может быть интерпретировано как способность класса принадлежать более чем одному типу.

Наследование означает построение новых классов на основе существующих с возможностью добавления или переопределения данных и методов.

Объектно-ориентированная система изначально строится с учетом ее эволюции. Наследование и полиморфизм обеспечивают возможность определения новой функциональности классов с помощью создания производных классов — потомков базовых классов. Потомки наследуют характеристики родительских классов без изменения их первоначального описания и добавляют при необходимости собственные структуры данных и методы. Определение производных классов, при котором задаются только различия или уточнения, в огромной степени экономит время и усилия при производстве и использовании спецификаций и программного кода.

Важным качеством объектного подхода является согласованность моделей деятельности организации и моделей проектируемой системы от стадии формирования требований до стадии реализации. Требование согласованности моделей выполняется благодаря возможности применения абстрагирования, модульности, полиморфизма на всех стадиях разработки. Модели ранних стадий могут быть непосредственно подвергнуты сравнению с моделями реализации. По объектным моделям может быть прослежено отображение реальных сущностей моделируемой предметной области (организации) в объекты и классы информационной системы.

3.4 Унифицированный язык моделирования UML

Большинство существующих методов объектно-ориентированного анализа и проектирования (ООАП) включают как язык моделирования, так и описание процесса моделирования. Язык моделирования — это нотация (в основном графическая), которая используется методом для писания проектов. Нотация представляет собой совокупность графических объектов, которые используются в моделях; она является синтаксисом языка моделирования. Например, нотация диаграммы классов определяет, каким образом представляются такие элементы и понятия, как класс, ассоциация и множественность. Процесс — это описание шагов, которые необходимо выполнить при разработке проекта.

Унифицированный язык моделирования UML (Unified Modeling Language) — это преемник того поколения методов ООАП, которые появились в конце 80-х и начале 90-х гг. Создание UML фактически началось в конце 1994 г., когда Гради Буч и Джеймс Рамбо начали работу по объединению методов Booch и ОМТ (Object Modeling Technique) под эгидой компании Rational Software. К концу 1995 г. они создали первую спецификацию объединенного метода, названного ими Unified Method, версия 0.8. Тогда же, в 1995 г., к ним присоединился создатель метода OOSE (Object-oriented Software Engineering) Ивар Якобсон. Таким образом, UML является прямым объединением и унификацией методов Буча, Рамбо и Якобсона, однако дополняет их новыми возможностями. Главными в разработке UML были следующие цели:

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

— предусмотреть механизмы расширяемости и специализации для расширения базовых концепций;

— обеспечить независимость от конкретных языков программирования и процессов разработки;

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

4.

Введение

в язык моделирования UML

Унифицированный язык моделирования (UML) является стандартным инструментом для создания «чертежей» программного обеспечения. С помощью UML можно визуализировать, специфицировать, конструировать и документировать артефакты программных систем.

UML пригоден для моделирования любых систем: от информационных систем масштаба предприятия до распределенных Web-приложений и даже встроенных систем реального времени. Это очень выразительный язык, позволяющий рассмотреть систему со всех точек зрения, имеющих отношение к ее разработке и последующему развертыванию. Несмотря на обилие выразительных возможностей, этот язык прост для понимания и использования. Изучение UML удобнее всего начать с его концептуальной модели, которая включает в себя три основных элемента: базовые строительные блоки, правила, определяющие, как эти блоки могут сочетаться между собой, и некоторые общие механизмы языка.

Несмотря на свои достоинства, UML — это всего лишь язык; он является одной из составляющих процесса разработки программного обеспечения, и не более того. Хотя UML не зависит от моделируемой реальности, лучше всего применять его, когда процесс моделирования основан на рассмотрении прецедентов использования, является итеративным и пошаговым, а сама система имеет четко выраженную архитектуру.

Язык состоит из словаря и правил, позволяющих комбинировать входящие в него слова и получать осмысленные конструкции. В языке моделирования словарь и правила ориентированы на концептуальное и физическое представление системы.

Моделирование необходимо для понимания системы. При этом единственной модели никогда не бывает достаточно.

Словарь и правила такого языка, как UML, объясняют, как создавать и читать хорошо определенные модели, но ничего не сообщают о том, какие модели и в каких случаях нужно создавать. Это задача всего процесса разработки программного обеспечения. Хорошо организованный процесс должен подсказать, какие требуются артефакты, какие ресурсы необходимы для их создания, как можно использовать эти артефакты, чтобы оценить выполненную работу и управлять проектом в целом.

Язык UML предназначен прежде всего для разработки программных систем. Его использование особенно эффективно в следующих областях:

— информационные системы масштаба предприятия;

— банковские и финансовые услуги;

— телекоммуникации;

— транспорт;

— оборонная промышленность, авиация и космонавтика;

— розничная торговля;

— медицинская электроника;

— наука;

— распределенные Web-системы.

Сфера применения UML не ограничивается моделированием программного обеспечения. Его выразительность позволяет моделировать, например, документооборот в юридических системах, структуру и функционирование системы обслуживания пациентов в больницах, осуществлять проектирование аппаратных средств.

5. Строительные блоки UML

Словарь языка UML включает три вида строительных блоков: сущности; отношения; диаграммы.

Сущности — это абстракции, являющиеся основными элементами модели. Отношения связывают различные сущности; диаграммы группируют представляющие интерес совокупности сущностей.

5.1 Сущности

В UML имеется четыре типа сущностей: структурные; поведенческие; группирующие; аннотационные.

Сущности являются основными объектно-ориентированными блоками языка. С их помощью можно создавать корректные модели.

Структурные сущности — это имена существительные в моделях на языке UML. Как правило, они представляют собой статические части модели, соответствующие концептуальным или физическим элементам системы.

Существует семь разновидностей структурных сущностей.

1. Класс (Class) — это описание совокупности объектов с общими атрибутами, операциями, отношениями и семантикой. Класс реализует один или несколько интерфейсов. Графически класс изображается в виде прямоугольника, в котором обычно записаны его имя, атрибуты и операции, как показано на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 — Класс

2. Интерфейс (Interface) - это совокупность операций, которые определяют сервис (набор услуг), предоставляемый классом или компонентом. Таким образом, интерфейс описывает видимое извне поведение элемента. Графически интерфейс изображается в виде круга, под которым пишется его имя, как показано на рисунке 5.2. Интерфейс редко существует сам по себе — обычно он присоединяется к реализующему его классу или компоненту.

Рисунок 5.2 — Интерфейс

3. Кооперация (Collaboration) определяет взаимодействие; она представляет собой совокупность ролей и других элементов, которые, работая совместно, производят некоторый кооперативный эффект, не сводящийся к простой сумме слагаемых. Кооперация имеет как структурный, так и поведенческий аспект. Один и тот же класс может принимать участие в нескольких кооперациях. Графически кооперация изображается в виде эллипса, ограниченного пунктирной линией, в который обычно заключено только имя, как показано на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 — Кооперация

4. Прецедент (Use case) - это описание последовательности выполняемых системой действий, которая производит наблюдаемый результат, значимый для какого-то определенного актера (Actor). Прецедент применяется для структурирования поведенческих сущностей модели. Прецеденты реализуются посредством кооперации. Графически прецедент изображается в виде ограниченного непрерывной линией эллипса, обычно содержащего только его имя, как показано на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 — Прецедент

Три другие сущности — активные классы, компоненты и узлы — подобны классам: они описывают совокупности объектов с общими атрибутами, операциями, отношениями и семантикой.

5. Активным классом (Active class) называется класс, объекты которого вовлечены в один или несколько процессов, или нитей (Threads), и поэтому могут инициировать управляющее воздействие. Активный класс во всем подобен обычному классу, за исключением того, что его объекты представляют собой элементы, деятельность которых осуществляется одновременно с деятельностью других элементов. Графически активный класс изображается так же, как простой класс, но ограничивающий прямоугольник рисуется жирной линией.

Два оставшихся элемента — компоненты и узлы — также имеют свои особенности. Они соответствуют физическим сущностям системы, в то время как пять предыдущих — концептуальным и логическим сущностям.

6. Компонент (Component) - это физическая заменяемая часть системы, которая соответствует некоторому набору интерфейсов и обеспечивает его реализацию. В системе можно встретить различные виды устанавливаемых компонентов, такие как СОМ+ или Java Beans, а также компоненты, являющиеся артефактами процесса разработки, например файлы исходного кода. Компонент, как правило, представляет собой физическую упаковку логических элементов, таких как классы, интерфейсы и кооперации. Графически компонент изображается в виде прямоугольника с вкладками, содержащего обычно только имя, как показано на рисунке 5.5.

Рисунок 5.5 — Компонент

7. Узел (Node) - это элемент реальной (физической) системы, который существует во время функционирования программного комплекса и представляет собой вычислительный ресурс, обычно обладающий как минимум некоторым объемом памяти, а часто еще и способностью обработки. Совокупность компонентов может размещаться в узле, а также мигрировать с одного узла на другой. Графически узел изображается в виде куба, обычно содержащего только имя, как показано на рисунке 5.6.

Рисунок 5.6 — Узел

Существуют также разновидности этих сущностей: актеры, сигналы, утилиты (виды классов), процессы и нити (виды активных классов), приложения, документы, файлы, библиотеки, страницы и таблицы (виды компонентов).

Поведенческие сущности (Behavioral things) являются динамическими составляющими модели UML. Это глаголы языка: они описывают поведение модели во времени и пространстве.

Существует всего два основных типа поведенческих сущностей.

1. Взаимодействие (Interaction) — это поведение, суть которого заключается в обмене сообщениями (Messages) между объектами в рамках конкретного контекста для достижения определенной цели. С помощью взаимодействия можно описать как отдельную операцию, так и поведение совокупности объектов. Взаимодействие предполагает ряд других элементов, таких как сообщения, последовательности действий (поведение, инициированное сообщением) и связи (между объектами). Графически сообщения изображаются в виде стрелки, над которой почти всегда пишется имя соответствующей операции, как показано на рисунке 5.7.

Рисунок 5.7 — Сообщение

2. Автомат (State machine) - это алгоритм поведения, определяющий последовательность состояний, через которые объект или взаимодействие проходят на протяжении своего жизненного цикла в ответ на различные события, а также реакции на эти события. С помощью автомата можно описать поведение класса или кооперации классов. С автоматом связан ряд других элементов: состояния, переходы (из одного состояния в другое), события (сущности, инициирующие переходы) и виды действий (реакция на переход). Графически состояние изображается в виде прямоугольника с закругленными углами, содержащего имя (рисунок 5.8).

Рисунок 5.8 — Состояние

Эти два элемента — взаимодействия и автоматы — являются основными поведенческими сущностями, входящими в модель UML. Семантически они часто бывают связаны с различными структурными элементами, в первую очередь — классами, кооперациями и объектами.

Группирующие сущности являются организующими частями модели UML. Это блоки, на которые можно разложить модель. Есть только одна первичная группирующая сущность, а именно пакет.

Пакеты (Packages) представляют собой универсальный механизм организации элементов в группы. В пакет можно поместить структурные, поведенческие и даже другие группирующие сущности. В отличие от компонентов, существующих во время работы программы, пакеты носят чисто концептуальный характер, то есть существуют только во время разработки.

Изображается пакет в виде папки с закладкой, содержащей, как правило, только имя и иногда — содержимое (рисунок 5.9).

Рисунок 5.9 — Пакет

Пакеты — это основные группирующие сущности, с помощью которых можно организовать модель UML. Существуют также вариации пакетов, например каркасы (Frameworks), модели и подсистемы.

Аннотационные сущности — пояснительные части модели UML. Это комментарии для дополнительного описания, разъяснения или замечания к любому элементу модели. Имеется только один базовый тип аннотационных элементов — примечание.

Примечание (Note)— это просто символ для изображения комментариев или ограничений, присоединенных к элементу или группе элементов. Графически примечание изображается в виде прямоугольника с загнутым краем, содержащим комментарий, как показано на рисунке. 5.10.

Рисунок 5.10 — Примечание

Существуют вариации этого элемента, например требования, где описывают некое желательное поведение с точки зрения внешней по отношению к модели.

5.2 Отношения

В языке UML определены четыре типа отношений: зависимость, ассоциация, обобщение, реализация. Эти отношения являются основными связующими строительными блоками в UML и применяются для создания корректных моделей.

Зависимость (Dependency) — это семантическое отношение между двумя сущностями, при котором изменение одной из них, независимой, может повлиять на семантику другой, зависимой. Графически зависимость изображается в виде прямой пунктирной линии, часто со стрелкой, которая может содержать метку (рисунок. 5.11).

Рисунок 5.11 — Зависимость

Ассоциация (Association) — структурное отношение, описывающее совокупность связей; связь — это соединение между объектами. Разновидностью ассоциации является агрегирование (Aggregation) — так называют структурное отношение между целым и его частями. Графически ассоциация изображается в виде прямой линии (иногда завершающейся стрелкой или содержащей метку), рядом с которой могут присутствовать дополнительные обозначения, на пример кратность и имена ролей. На рисунке 5.12 показан пример отношений этого типа.

Рисунок 5.12 — Ассоциация

Обобщение (Generalization) — это отношение «специализация/обобщение», при котором объект специализированного элемента (потомок) может быть подставлен вместо объекта обобщенного элемента (родителя или предка).

Таким образом, потомок (Child) наследует структуру и поведение своего родителя (Parent). Графически отношение обобщения изображается в виде линии с не закрашенной стрелкой, указывающей на родителя, как показано на рисунке 5.13.

Рисунок 5.13 — Обобщение

Реализация (Realization) — это семантическое отношение между классификаторами, при котором один классификатор определяет «контракт», а другой гарантирует его выполнение. Отношения реализации встречаются в двух случаях: во-первых, между интерфейсами и реализующими их классами или компонентами, а во-вторых, между прецедентами и реализующими их кооперациями. Отношение реализации изображается в виде пунктирной линии с не закрашенной стрелкой, как нечто среднее между отношениями обобщения и зависимости (рисунок 5.14).

Рисунок 5.14 — Реализация

Четыре описанных элемента являются основными типами отношений, которые можно включать в модели UML. Существуют также их вариации, например уточнение (Refinement), трассировка (Trace), включение и расширение (для зависимостей).

5.3 Диаграммы

Диаграмма в UML — это графическое представление набора элементов, изображаемое чаще всего в виде связанного графа с вершинами (сущностями) и ребрами (отношениями).

Диаграммы рисуют для визуализации системы с разных точек зрения. Диаграмма — в некотором смысле одна из проекций системы. Как правило, за исключением наиболее тривиальных случаев, диаграммы дают свернутое представление элементов, из которых составлена система. Один и тот же элемент может присутствовать во всех диаграммах, или только в нескольких (самый распространенный вариант), или не присутствовать ни в одной (очень редко). Теоретически диаграммы могут содержать любые комбинации сущностей и отношений. На практике, однако, применяется сравнительно небольшое количество типовых комбинаций, соответствующих пяти наиболее употребительным видам, которые составляют архитектуру программной системы.

В UML выделяют девять типов диаграмм:

— диаграммы классов;

— диаграммы объектов;

— диаграммы прецедентов;

— диаграммы последовательностей;

— диаграммы кооперации;

— диаграммы состояний;

— диаграммы действий;

— диаграммы компонентов;

— диаграммы развертывания.

На диаграмме классов показывают классы, интерфейсы, объекты и кооперации, а также их отношения. При моделировании объектно-ориентированных систем этот тип диаграмм используют чаще всего. Диаграммы классов соответствуют статическому виду системы с точки зрения проектирования. Диаграммы классов, которые включают активные классы, соответствуют статическому виду системы с точки зрения процессов.

На диаграмме объектов представлены объекты и отношения между ними. Они являются статическими «фотографиями» экземпляров сущностей, показанных на диаграммах классов. Диаграммы объектов, как и диаграммы классов, относятся к статическому виду системы с точки зрения проектирования или процессов, но с расчетом на настоящую или макетную реализацию.

На диаграмме прецедентов представлены прецеденты и актеры (частный случай классов), а также отношения между ними. Диаграммы прецедентов относятся к статическому виду системы с точки зрения прецедентов использования. Они особенно важны при организации и моделировании поведения системы.

Диаграммы последовательностей и кооперации являются частными случаями диаграмм взаимодействия. На диаграммах взаимодействия представлены связи между объектами; показаны, в частности, сообщения, которыми объекты могут обмениваться. Диаграммы взаимодействия относятся к динамическому виду системы. При этом диаграммы последовательности отражают временную упорядоченность сообщений, а диаграммы кооперации — структурную организацию обменивающихся сообщениями объектов. Эти диаграммы являются изоморфными, то есть могут быть преобразованы друг в друга.

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

Диаграмма деятельности — это частный случай диаграммы состояний; на ней представлены переходы потока управления от одной деятельности к другой внутри системы. Диаграммы деятельности относятся к динамическому виду системы; они наиболее важны при моделировании ее функционирования и отражают поток управления между объектами.

На диаграмме компонентов представлена организация совокупности компонентов и существующие между ними зависимости. Диаграммы компонентов относятся к статическому виду системы с точки зрения реализации. Они могут быть соотнесены с диаграммами классов, так как компонент обычно отображается на один или несколько классов, интерфейсов или коопераций.

На диаграмме развертывания представлена конфигурация обрабатывающих узлов системы и размещенных в них компонентов. Диаграммы развертывания относятся к статическому виду архитектуры системы с точки зрения развертывания. Они связаны с диаграммами компонентов, поскольку в узле обычно размещаются один или несколько компонентов.

6. Правила языка UML

Строительные блоки UML нельзя произвольно объединять друг с другом. Как и любой другой язык, UML характеризуется набором правил, определяющих, как должна выглядеть хорошо оформленная модель.

В языке UML имеются семантические правила, позволяющие корректно и однозначно определять:

— имена, которые можно давать сущностям, отношениям и диаграммам;

— область действия (контекст, в котором имя имеет некоторое значение);

— видимость (когда имена видимы и могут использоваться другими элементами);

— целостность (как элементы должны правильно и согласованно соотноситься друг с другом);

— выполнение (что значит выполнить или имитировать некоторую динамическую модель).

Модели, создаваемые в процессе разработки программных систем, эволюционируют со временем и могут неоднозначно рассматриваться разными участниками проекта в разное время. По этой причине создаются не только хорошо оформленные модели, но и такие, которые:

— содержат скрытые элементы (ряд элементов не показывают, чтобы упростить восприятие);

— неполные (отдельные элементы пропущены);

— несогласованные (целостность модели не гарантируется).

Появление не слишком хорошо оформленных моделей неизбежно в процессе разработки, пока не все детали системы прояснились в полной мере. Правила языка UML побуждают — хотя не требуют — в ходе работы над моделью решать наиболее важные вопросы анализа, проектирования и реализации, в результате чего модель со временем становится хорошо оформленной.

7. Общие механизмы языка UML

Строительство упрощается и ведется более эффективно, если придерживаться некоторых соглашений. Следуя определенным архитектурным образцам, можно оформить здание в викторианском или французском стиле. Тот же принцип применим и в отношении UML. Работу с этим языком существенно облегчает последовательное использование общих механизмов, таких как: спецификации (Specifications), дополнения (Adornments), принятые деления (Common Pisions), механизмы расширения (Extensibility mechanisms).

7.1 Спецификация

UML — это не просто графический язык. За каждой частью его системы графической нотации стоит спецификация, содержащая текстовое представление синтаксиса и семантики соответствующего строительного блока. Например, пиктограмме класса соответствует спецификация, полностью описывающая его атрибуты, операции и поведение, хотя визуально пиктограмма порой отражает только малую часть этой совокупности. Более того, может существовать другое представление этого класса, отражающее совершенно иные его аспекты, но, тем не менее, соответствующее все той же спецификации. С помощью графической нотации UML вы визуализируете систему, с помощью спецификаций UML — описываете ее детали.

Спецификации UML создают семантический задний план, который полностью включает в себя составные части всех моделей системы, согласованные между собой. Таким образом, диаграммы UML можно считать визуальными проекциями на этот задний план.

Почти каждый из элементов UML имеет соответствующее ему уникальное графическое обозначение, которое дает визуальное представление о самых важных аспектах этого элемента.

7.2 Дополнения

Спецификация класса может содержать и другие детали, например видимость атрибутов и операций или указание на то, что класс является абстрактным. Многие такие детали, можно визуализировать в виде графических или текстовых дополнений к стандартному прямоугольнику, служащему изображением класса. Так, на рисунке 7.1 показан класс, в обозначение которого включены сведения о том, что он абстрактный и содержит две открытые, одну защищенную и одну закрытую операцию.

Рисунок 7.1 — Дополнения

Каждый элемент нотации UML содержит базовый для него символ, к которому можно добавлять разнообразные специфичные для него дополнения.

7.3 Принятые деления

При моделировании объектно-ориентированных систем реальность делится с учетом, по крайней мере, двух подходов.

Прежде всего, существует разделение на классы и объекты. Класс — это абстракция, объект — конкретная материализация этой абстракции. В языке UML можно моделировать и классы, и объекты, как показано на рисунке 7.2. На этом рисунке показан один класс Customer (Клиент) и объект Jan явно определенный как объект данного класса.

Рисунок 7.2 — Класс и объект

Практически все строительные блоки UML характеризуются дихотомией «класс/объект». Так, имеются прецеденты и экземпляры прецедентов, компоненты и экземпляры компонентов, узлы и экземпляры узлов и т. д. В графическом представлении для объекта принято использовать тот же символ, что и для его класса, а название объекта подчеркивать.

Еще одним вариантом членения является деление на интерфейс и его реализацию. Интерфейс декларирует контракт, а реализация представляет конкретное воплощение этого контракта и обязуется точно следовать объявленной семантике интерфейса. UML позволяет моделировать обе эти категории, интерфейсы и их реализации, как показано на рисунке 7.3.

Рисунок 7.3 — Интерфейсы и реализации

В данном случае один компонент spellingwizard. dll реализует два интерфейса IUnknown и ISpelling. Почти все строительные блоки UML характеризуются дихотомией «интерфейс/реализация». Например, прецеденты реализуются кооперациями, а операции — методами.

7.4 Механизмы расширения

UML — это стандартный язык для разработки «чертежей» программного обеспечения, но ни один замкнутый язык не в состоянии охватить нюансы всех возможных моделей в различных предметных областях. Поэтому UML является открытым языком, то есть допускает контролируемые расширения. Механизмы расширения UML включают: стереотипы, помеченные значения, ограничения.

Стереотип (Stereotype) расширяет словарь UML, позволяя на основе существующих блоков языка создавать новые, специфичные блоки для решения конкретной проблемы. Например, работая с такими языками программирования, как Java или C++, часто приходится моделировать исключения (Exceptions) — они являются обыкновенными классами, хотя и рассматриваются особым образом. Обычно требуется, чтобы исключения можно было возбуждать и перехватывать, и ничего больше. Если пометить исключения соответствующим стереотипом, то с ними можно будет обращаться как с обычными строительными блоками языка. На рисунке 7.4 это продемонстрировано на примере класса Overflow.

Рисунок 7.4 — Механизмы расширения

Помеченное значение (Tagged value) расширяет свойства строительных блоков UML, позволяя включать новую информацию в спецификацию элемента. Скажем, если вы работаете над «коробочным» продуктом и выпускаете много его версий, то зачастую необходимо отслеживать версию и автора какой-нибудь важной абстракции. Ни версия, ни автор не являются первичными концепциями UML, но их можно добавить к любому блоку, такому, например, как класс, задавая для него новые помеченные значения. На рисунке 7.4 показано, как это можно сделать, на примере класса EventQueue.

Ограничения (Constraints) расширяют семантику строительных блоков UML, позволяя определять новые или изменять существующие правила. Вы можете, например, ограничить класс EventQueue так, чтобы все события добавлялись в очередь по порядку. На рисунке 7.4 показано, как можно определить ограничение, которое явно постулирует это правило для операции add.

Совместно эти три механизма расширения языка позволяют модифицировать UML в соответствии с потребностями проекта. Кроме того, они дают возможность адаптировать UML к новым технологиям разработки программного обеспечения, например к вероятному появлению более мощных языков распределенного программирования. С помощью механизмов расширения можно создавать новые строительные блоки, модифицировать существующие и даже изменять их семантику.

модель программный объектный uml

8. Диаграмма вариантов использования

Диаграммы прецедентов (вариантов использования) представляют собой один из пяти типов диаграмм, применяемых в UML для моделирования динамических аспектов. Диаграммы прецедентов играют основную роль в моделировании поведения системы. Каждая диаграмма показывает множество прецедентов, актеров и отношения между ними.

Диаграммы прецедентов имеют большое значение для визуализации, специфицирования и документирования поведения элемента. Они облегчают понимание систем, подсистем или классов, представляя взгляд извне на то, как данные элементы могут быть использованы в соответствующем контексте.

Диаграммы прецедентов позволяют визуализировать поведение системы, подсистемы или класса, чтобы пользователи могли понять, как их использовать, а разработчики — реализовать соответствующий элемент. На рисунке 8.1 приводится диаграмма, описывающая использование сотового телефона.

Рисунок 8.1 — Диаграмма прецедентов

Диаграммой прецедентов, или использования (Use case diagram), называется диаграмма, на которой показана совокупность прецедентов и актеров, а также отношения между ними.

Диаграмма прецедентов обладает стандартными свойствами — именем и графическим содержанием, которое представляет собой одну из проекций модели. Диаграмма прецедентов отличается от прочих своим конкретным содержанием.

Диаграммы прецедентов обычно включают в себя: прецеденты, актеры, отношения зависимости, обобщения и ассоциации.

Как и все остальные диаграммы, они могут содержать примечания и ограничения. Иногда в диаграммы прецедентов помещают пакеты, применяемые для группирования элементов модели в более крупные блоки.

Диаграммы прецедентов, или использования, применяют для моделирования статического вида системы с точки зрения прецедентов. Этот вид охватывает главным образом поведение системы, то есть видимые извне сервисы, предоставляемые системой в контексте ее окружения.

При моделировании статического вида системы с точки зрения прецедентов, диаграммы использования обычно применяются двумя способами: