Методы объектно-ориентированного анализа и проектирования программного обеспечения

Методология объектно-ориентированного программирования пришла на смену процедурной или алгоритмической организации структуры программного кода, когда стало очевидно, что традиционные методы процедурного программирования не способны справиться ни с растущей сложностью программ и их разработки, ни с повышением их надежности. Во второй половине 80-х годов возникла настоятельная потребность в новой методологии программирования, которая бы позволила решить весь этот комплекс проблем. Такой методологией стало объектно-ориентированное программирование.

Концептуальной основой объектно-ориентированного анализа и проектирования программного обеспечения является объектная модель. Ее основные принципы (абстрагирование, инкапсуляция, модульность и иерархия) и понятия (объект, класс, атрибут, операция, интерфейс и др.) наиболее четко сформулированы Гради Бучем в его фундаментальной книге [2] и последующих работах.

Большинство современных методов объектно-ориентированного анализа и проектирования [5], [9], [14], [20] основаны на использовании языка UML. Унифицированный язык моделирования UML (Unified Modeling Language) [3], [19], [21] представляет собой язык для определения, представления, проектирования и документирования программных систем, организационно-экономических систем, технических систем и других систем различной природы. UML содержит стандартный набор диаграмм и нотаций самых разнообразных видов.

UML — это преемник того поколения методов объектно-ориентированного анализа и проектирования, которые появились в конце 1980;х и начале 1990;х годов. Создание UML фактически началось в конце 1994 г., когда Гради Буч и Джеймс Рамбо начали работу по объединению их методов Booch и OMT (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 году 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 им разрабатывать осмысленные модели и обмениваться ими;

предусмотреть механизмы расширяемости и специализации для расширения базовых концепций;

обеспечить независимость от конкретных языков программирования и процессов разработки;

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

стимулировать рост рынка объектно-ориентированных инструментальных средств;

интегрировать лучший практический опыт.

UML находится в процессе стандартизации, проводимом OMG (Object Management Group) — организацией по стандартизации в области объектно-ориентированных методов и технологий, в настоящее время принят в качестве стандартного языка моделирования и получил широкую поддержку в индустрии ПО. UML принят на вооружение практически всеми крупнейшими компаниями — производителями программного обеспечения (Microsoft, Oracle, IBM, Hewlett-Packard, Sybase и др.). Кроме того, практически все мировые производители CASE-средств, помимо IBM Rational Software, поддерживают UML в своих продуктах (Oracle Designer, Together Control Center (Borland), AllFusion Component Modeler (Computer Associates), Microsoft Visual Modeler и др.). Полное описание UML можно найти на сайтах http://www.omg.org и http://www.rational.com.

Стандарт UML версии 1.1, принятый OMG в 1997 году, содержит следующий набор диаграмм:

Структурные (structural) модели:

диаграммы классов (class diagrams) — для моделирования статической структуры классов системы и связей между ними;

диаграммы компонентов (component diagrams) — для моделирования иерархии компонентов (подсистем) системы;

диаграммы размещения (deployment diagrams) — для моделирования физической архитектуры системы.

Модели поведения (behavioral):

диаграммы вариантов использования (use case diagrams) — для моделирования функциональных требований к системе (в виде сценариев взаимодействия пользователей с системой);

диаграммы взаимодействия (interaction diagrams):

диаграммы последовательности (sequence diagrams) и кооперативные диаграммы (collaboration diagrams) — для моделирования процесса обмена сообщениями между объектами;

диаграммы состояний (statechart diagrams) — для моделирования поведения объектов системы при переходе из одного состояния в другое;

диаграммы деятельности (activity diagrams) — для моделирования поведения системы в рамках различных вариантов использования, или потоков управления.

Диаграммы вариантов использования показывают взаимодействия между вариантами использования и действующими лицами, отражая функциональные требования к системе с точки зрения пользователя. Цель построения диаграмм вариантов использования — это документирование функциональных требований в самом общем виде, поэтому они должны быть предельно простыми.

Вариант использования представляет собой последовательность действий (транзакций), выполняемых системой в ответ на событие, инициируемое некоторым внешним объектом (действующим лицом). Вариант использования описывает типичное взаимодействие между пользователем и системой и отражает представление о поведении системы с точки зрения пользователя. В простейшем случае вариант использования определяется в процессе обсуждения с пользователем тех функций, которые он хотел бы реализовать, или целей, которые он преследует по отношению к разрабатываемой системе.

Диаграмма вариантов использования является самым общим представлением функциональных требований к системе. Для последующего проектирования системы требуются более конкретные детали, которые описываются в документе, называемом «сценарием варианта использования» или «потоком событий» (flow of events). Сценарий подробно документирует процесс взаимодействия действующего лица с системой, реализуемого в рамках варианта использования [11]. Основной поток событий описывает нормальный ход событий (при отсутствии ошибок). Альтернативные потоки описывают отклонения от нормального хода событий (ошибочные ситуации) и их обработку.

Достоинства модели вариантов использования заключаются в том, что она:

определяет пользователей и границы системы;

определяет системный интерфейс;

удобна для общения пользователей с разработчиками;

используется для написания тестов;

является основой для написания пользовательской документации;

хорошо вписывается в любые методы проектирования (как объектно-ориентированные, так и структурные).

Диаграммы взаимодействия описывают поведение взаимодействующих групп объектов (в рамках варианта использования или некоторой операции класса). Как правило, диаграмма взаимодействия охватывает поведение объектов в рамках только одного потока событий варианта использования. На такой диаграмме отображается ряд объектов и те сообщения, которыми они обмениваются между собой. Существует два вида диаграмм взаимодействия: диаграммы последовательности и кооперативные диаграммы.

Диаграммы последовательности отражают временную последовательность событий, происходящих в рамках варианта использования, а кооперативные диаграммы концентрируют внимание на связях между объектами.

Диаграмма классов определяет типы классов системы и различного рода статические связи, которые существуют между ними. На диаграммах классов изображаются также атрибуты классов, операции классов и ограничения, которые накладываются на связи между классами. Вид и интерпретация диаграммы классов существенно зависит от точки зрения (уровня абстракции): классы могут представлять сущности предметной области (в процессе анализа) или элементы программной системы (в процессах проектирования и реализации).

Диаграммы состояний определяют все возможные состояния, в которых может находиться конкретный объект, а также процесс смены состояний объекта в результате наступления некоторых событий. Диаграммы состояний не надо создавать для каждого класса, они применяются только в сложных случаях. Если объект класса может существовать в нескольких состояниях и в каждом из них ведет себя по-разному, для него может потребоваться такая диаграмма.

Диаграммы деятельности, в отличие от большинства других средств UML, заимствуют идеи из нескольких различных методов, в частности, метода моделирования состояний SDL и сетей Петри. Эти диаграммы особенно полезны в описании поведения, включающего большое количество параллельных процессов. Диаграммы деятельности являются также полезными при параллельном программировании, поскольку можно графически изобразить все ветви и определить, когда их необходимо синхронизировать.

Диаграммы деятельности можно применять для описания потоков событий в вариантах использования. С помощью текстового описания можно достаточно подробно рассказать о потоке событий, но в сложных и запутанных потоках с множеством альтернативных ветвей будет трудно понять логику событий. Диаграммы деятельности предоставляют ту же информацию, что и текстовое описание потока событий, но в наглядной графической форме.

Диаграммы компонентов моделируют физический уровень системы. На них изображаются компоненты программного обеспечения и связи между ними. На такой диаграмме обычно выделяют два типа компонентов: исполняемые компоненты и библиотеки кода.

Каждый класс модели (или подсистема) преобразуется в компонент исходного кода. Между отдельными компонентами изображают зависимости, соответствующие зависимостям на этапе компиляции или выполнения программы.

Диаграммы компонентов применяются теми участниками проекта, кто отвечает за компиляцию и сборку системы. Они нужны там, где начинается генерация кода.

Диаграмма размещения отражает физические взаимосвязи между программными и аппаратными компонентами системы. Она является хорошим средством для того, чтобы показать размещение объектов и компонентов в распределенной системе.

Диаграмма размещения показывает физическое расположение сети и местонахождение в ней различных компонентов. Ее основными элементами являются узел (вычислительный ресурс) и соединение — канал взаимодействия узлов (сеть).

Диаграмма размещения используется менеджером проекта, пользователями, архитектором системы и эксплуатационным персоналом, чтобы понять физическое размещение системы и расположение ее отдельных подсистем.

UML обладает механизмами расширения, предназначенными для того, чтобы разработчики могли адаптировать язык моделирования к своим конкретным нуждам, не меняя при этом его метамодель. Наличие механизмов расширения принципиально отличает UML от таких средств моделирования, как IDEF0, IDEF1X, IDEF3, DFD и ERM. Перечисленные языки моделирования можно определить как сильно типизированные (по аналогии с языками программирования), поскольку они не допускают произвольной интерпретации семантики элементов моделей. UML, допуская такую интерпретацию (в основном за счет стереотипов), является слабо типизированным языком. К его механизмам расширения относятся:

стереотипы;

тегированные (именованные) значения;

ограничения.

Стереотип — это новый тип элемента модели, который определяется на основе уже существующего элемента. Стереотипы расширяют нотацию модели и могут применяться к любым элементам модели. Стереотипы классов — это механизм, позволяющий разделять классы на категории. Разработчики программного обеспечения могут создавать свои собственные наборы стереотипов, формируя тем самым специализированные подмножества UML (например, для описания бизнес-процессов, Web-приложений, баз данных и т. д.). Такие подмножества (наборы стереотипов) в стандарте языка UML носят название профилей языка.

Именованное значение — «тег = значение», или «имя = содержимое», в которых, хранится дополнительная информация о каком-либо элементе системы, например, время создания, статус разработки или тестирования, время окончания работы над ним и т. п.

Ограничение — это семантическое ограничение, имеющее вид текстового выражения на естественном или формальном языке (OCL — Object Constraint Language), которое невозможно выразить с помощью нотации UML.