MetaProg

[dyvniy]

Объектно-ориентированный анализ (ООА)
https://studfiles.net/preview/4593563/

Лекция 1

Объектно-ориентированный анализ (ООА)- это метод отождествления важных сущностей реального мира для понимания и объяснения того, как они взаимодействуют между собой. ООА - это моделирование проблемы с целью формирования словаря предметной области, определения объектов и классов.

Известны несколько подходов к проведению ООА.

В книге Салли Шлеер и Стефана Меллора «Объектно-ориентированный анализ: моделирование мира в состояниях» выделено три этапа ООА:

- Построение информационной модели, абстрагирование реальных сущностей в терминах объектов и атрибутов.

- Построение модели состояний для формализации жизненных циклов объектов и отображение этой модели диаграммами и таблицами переходов, взаимодействие между объектами осуществляется путем передачи сообщений о происходящих с ними событиях. - Разработка модели процессов, в которой действия в моделях состояний расчленяются на фундаментальные и многократно используемые процессы.

В книге Гради Буча “Объектно-ориентированное проектирование с примерами применения” отмечаются альтернативные подходы к ООА:

- Метод неформального описания, в котором выделяются существительные и глаголы в описании предметной области. Существительные рассматриваются как кандидаты для образования классов. а глаголы - кандидаты в операции над классами.

- Структурный анализ, при котором на основе модели системы, представленной диаграммами потоков данных, выделяются внешние события и объекты, база данных, поток управления, преобразования потока управления. Далее, на основе анализа потока данных и потока управления, выделяются классы и методы классов.

Основные понятия методов объектного анализа предметной области.

К основным понятиям методов объектного анализа ПрО отнесем следующие .

Объект- это простой объект, методами, свойствами и событиями которого вы можете управлять.

Объект - это осязаемая сущность, которая четко проявляет свое поведение.

Объект(предмет) вообще то, что дано в познании, или на что обращена наша познавательная деятельность.

Объект ПрО- это абстрактный образ с поведением, которое обусловлено его характеристиками и взаимоотношениями с другими объектами ПрО.

Согласно теории Фреге спецификацию объекта можно трактовать как треугольник:

<имя объекта > <денотат > <концепт>,

где <имя объекта> - идентификатор, строка из литер и десятичных чисел; <денотат> - сущность реального мира ПрО, которую обозначает идентификатор; <концепт> - смысл (семантика) денотата в соответствии с интерпретацией сущности моделируемой ПрО.

Объект интерпретируется как понятийная структура, состоит из идентификатора, денотата - образа предмета и концепта, отображающего смысл этого денотата, исходя из цели объектного моделирования ПрО. Денотат можно идентифицировать различными символами алфавита. Одному объекту могут соответствовать несколько концептов в зависимости от избранного уровня абстракции. Объект определяется через его внешнее отличие от других объектов. Внутренняя особенность объекта (его структура, внутренние характеристики) не влияет на внешнее отличие и для объектного моделирования значения не имеет.

Сущность - это семантически важный объект или тип объекта, существующий реально в ПрО или является абстрактным понятием, информацию о котором необходимо знать и/или сохранять. Имя сущности должно быть уникальным и может представлять тип или класс объектов. Сущность может иметь синонимы, записываемые через знак "/" (например, аэропорт/аэродром).

Концепт - значение некоторой абстрактной сущности ПрО, обозначается уникальным именем или идентификатором. Группа подобных концептов - это родительский концепт, который заведомо определяется некоторым набором общих атрибутов. Концепт вместе со своими атрибутами представляется графически в ОМ или в текстовом виде.

Атрибут - это абстракция, которой владеют все абстрагированные концепты сущности. Каждый атрибут обозначается именем, уникальным в границах описания концепта. Множество объединенных в группу атрибутов обозначает идентификатор этой группы. Группа атрибутов может объединяться в класс и иметь идентификатор класса.

Отношение - это абстракция набора связей, которые имеют место между разными видами объектов ПрО, абстрагированных как концепты. Каждая связь имеет уникальный идентификатор. Отношения могут быть текстовыми или графическими. Для формализации отношений между концептами добавляются вспомогательные атрибуты и ссылки на идентификаторы этих отношений. Некоторые отношения образуются как следствие существования других отношений.

Класс - это множество объектов, обладающих одинаковыми свойствами, операциями, отношениями и семантикой. Любой объект - это экземпляр класса. Класс представляется различными способа-ми (например, списками объектов, операций, состояний). Измеряется класс количеством экземпляров, операций и т.п.

Предметная область- это мысленно ограниченная область реальной действительности, подлежащая описанию или моделированию и исследованию.

Предметная область состоит из объектов, различаемых по свойствам и находящихся в определенных отношениях между собой или взаимодействующих каким-либо образом.

Предметная область- это часть реального мира, она бесконечна и содержит как существенные, так и не значащие данные, с точки зрения проводимого исследования.

Предметная область- это то, что анализируется с целью выделения специфичного множества понятий (сущностей, объектов) и связей между ними. На множестве этих понятий определяются задачи в целях автоматизированного их решения. Пространство ПрО можно разделить на пространство задач (problem space) и пространство решений (solution space).Пространство задач- это сущности, концепты ПрО, а пространство решений - это множество программных реализаций задач, в том числе функциональные компоненты, которые обеспечивают решение задач и функций ПрО, представленных в этом пространстве.

Выделение сущностей ПрО проводится с учетом отличий, определяемых соответствующими понятийными структурами. Объект как абстракции реального мира и понятийная структура обладает поведением, обусловленным свойствами и отношениями данного объекта с другими объектами. Выделенные в ПрО объекты структурно упорядочиваются теоретико-множественными операциями (принадлежности, объединения, пересечения и др.).

Модель ПрО- это совокупность точных определений понятий, концептов, объектов и их характеристик, а также множества синонимов и классифицированных логических взаимосвязей между этими понятиями.

Концептуальная модель - это модель ПрО, она создается без ориентации на программные и технические средства выполнения задач ПрО в операционной среде.

Для объектов модели устанавливаются отношения или связи. Различаются статические (постоянные) связи, которые не изменяются или изменяются редко, и динамические связи, которые имеют определенные состояния и изменяются во время функционирования системы.

Связи между объектами могут быть следующие:

связь один к одному (1:1) существует тогда, когда один экземпляр объекта некоторого класса связан с единственным экземпляром другого класса, т.е. в связи принимают участие по одному экземпляру из классов;

связь один ко многим (1:N), существует тогда, когда один экземпляр объекта некоторого класса связан одновременно с одним или более экземплярами другого класса или того же самого класса;

связь многие ко многим (M:N) существует тогда, когда в связях принимают участие несколько экземпляров объектов двух классов, т.е. один или больше экземпляров другого класса связан с одним или более экземплярами первого класса.

Состояние связей между объектами с течением времени может эволюционировать, и они могут существенно влиять на ход решения задачи. Для таких случаев связи строится ассоциативный объект и определяется модель состояний этого объекта путем добавления атрибута, фиксирующего текущее состояние.

Среди действий, которые сопровождают переходы объектов в определенные состояния в модели состояний, должны быть операции создания нового экземпляра ассоциативного объекта, если новая пара экземпляров вступает в связь или его уничтожения в случае, если объект или связь перестают существовать.

Метод- это процедура или просто набор команд, сообщающих объекту, что нужно выполнить некоторую задачу.

Свойство- это некоторый вид параметра объекта. Событие - это сигнал, подаваемый, если с объектом что-то происходит.

Методы объектного анализа

Главная цель объектного анализа - представить предметную область как множество объектов со свойствами и характеристиками, которые достаточны для их определения и идентификации, а также для задания поведения объектов в рамках выбранной системы понятий и абстракций. На произвольном шаге объектного анализа все понятия (сущности) ПрО - суть объекты. Каждый объект - это уникальный элемент, имеет, по крайней мере, одно свойство или характеристику и уникальную идентификацию во множестве объектов.

Предметная область сама является самостоятельным объектом или может быть объектом в составе другой предметной области.

Анализ ПрО проводится с помощью объектно-ориентированных методов и соответствующих стандартов. Конечная цель объектно-ориентированного анализа ПрО - определение объектной модели (ОМ) с помощью выделенных объектов, отношений между ними и их свойствами и характеристиками.

При построении модели ОМ в предметной области также выявляются функциональные задачи, формулируются требования к их проектированию и реализации. Требования, задачи и модель ОМ - необходимые условия построения архитектуры системы для анализируемой ПрО.

Краткий обзор объектно-ориентированных методов анализа и построения моделей
На данный момент известно более пятидесяти объектно-ориентированных методов анализа ПрО, которые прошли проверку практикой. Приведем некоторые основные из них:

метод объектно-ориентированного системного анализа OOAS (Object-Oriented system analysis), позволяющий выделить сущности и объекты ПрО, определить их свойства и отношения, а также построить на их основе информационную модель, модель состояний объектов и процессов представления потоков данных (dataflow);

метод объектно-ориентированного анализа OOA (Object-Oriented analysis), обеспечивающий моделирование ОМ и формирование требований к ПрО с помощью понятия "сущность-связь" (entity-relationship ER), спецификацию потоков данных и соответствующих процессов;

метод SD (Structured Design) структурного проектирования системы, данных и программ преобразования входных данных в выходные с помощью структурных карт Джексона;

методология объектно-ориентированного анализа и проектирования OOAD (Object-oriented analysis and design), которая основывается на ER-моделировании сущностей и отношений в объектной модели ПрО, она обеспечивает определение системы и организацию данных с использованием структурных диаграмм, диаграмм "сущность-связь" и матрицы информационного управления;

технология объектного моделирования OMT (Object Modeling Technique) включает в себя процессы (анализа, проектирования и реализации), набор нотаций для задания четырех моделей (объектной, динамической, функциональной и взаимодействия);

объединенный метод UML, включающий средства и понятия метода Г. Буча (объекты, классы, суперклассы), принципы наследования, полиморфизма и упрятывания информации об объектах, а также варианты использования метода Джекобсона для задания сценариев работы системы при выполнении задач ПрО и диаграммные средства взаимодействия объектов Румбауха;

метод определения распределенных объектов на основе объектной модели CORBA и набора сервисных системных компонентов общего пользования, обеспечивающих их функционирование в среде распределенных приложений ;

метод генерации (generative) частей системы из семейства ПрО с помощью готовых объектов, аспектов, компонентов, программ многоразового использования и приложений, а также модели характеристик, в которой представлены функциональные и нефункциональные требования к семейству систем .

Методы проектирования архитектуры ПО

Проектирование ПО - это процесс разработки, следующий за этапом анализа и формирования требований. Задача проектирования - это преобразование требований к системе в требования к ПО и построение архитектуры системы .

Архитектура системы- это структурная схема компонентов системы, взаимодействующих между собой через интерфейсы. Компоненты могут составляться из последовательности более мелких компонентов и интерфейсов. Разработка архитектуры основывается на общем наборе справочников, классификаторов и т.п. В ней идентифицированы общие части, в том числе готовые программные продукты и вновь разработанные компоненты, а также многократно используемые в производстве других приложений.

Основное условие построения архитектуры системы - это декомпозиция системы на компоненты или модули, а также

определение целей и проверка их выполнимости;

определение входных и выходных данных;

иерархическое представление абстракции системы и скрытие тех деталей, которые будут отработаны на следующих уровнях.

Основные решения по структуре системы принимаются группой архитекторов и аналитиков. Проект разбивается на разделы или отдельные части для их выполнения небольшими группами разработчиков, каждая из которых отвечает за одну или несколько частей системы.

При применении объектно-ориентированного подхода в качестве компонентов выступают отдельные объекты, а процесс конструирования объектной структуры превращается в процесс выявления имеющихся в ПрО объектов и определения их поведения и взаимодействия.

Объектно-ориентированный анализ и проектирование. Объектная модель Объектная модель
Объектно-ориентированная технология основывается на так называемой объектной модели.Основными ее принципами являются: абстрагирование, инкапсуляция, модульность, иерархичность, типизация, параллелизм и сохраняемость. Каждый из этих принципов сам по себе не нов, но в объектной модели они впервые применены в совокупности.

Объектно-ориентированный анализ и проектирование принципиально отличаются от традиционных подходов структурного проектирования: здесь нужно по-другому представлять себе процесс декомпозиции, а архитектура получающегося программного продукта в значительной степени выходит за рамки представлений, традиционных для структурного программирования. Отличия обусловлены тем, что структурное проектирование основано на структурном программировании, тогда как в основе объектно-ориентированного проектирования лежит методология объектно-ориентированного программирования,

Основные положения объектной модели

Методы структурного проектирования помогают упростить процесс разработки сложных систем за счет использования алгоритмов как готовых строительных блоков. Аналогично, методы объектно-ориентированного проектирования созданы, чтобы помочь разработчикам применять мощные выразительные средства объектного и объектно-ориентированного программирования, использующего в качестве блоков классы и объекты.

Но в объектной модели отражается и множество других факторов. Как показано во врезке ниже, объектный подход зарекомендовал себя как унифицирующая идея всей компьютерной науки, применимая не только в программировании, но также в проектировании интерфейса пользователя, баз данных и даже архитектуры компьютеров. Причина такой широты в том, что ориентация на объекты позволяет нам справляться со сложностью систем самой разной природы.



Рис. 2-4. Топология малых и средних приложений в объектных и объектно-ориентированных языках.

Объектно-ориентированное программирование- это методология программирования, основанная на представлении программы в виде совокупности объектов, каждый из которых является экземпляром определенного класса, а классы образуют иерархию наследования.

В данном определении можно выделить три части:

1) OOП использует в качестве базовых элементов объекты,а не алгоритмы (иерархия "быть частью");

2) каждый объект является экземпляромкакого-либо определенногокласса;

3) классы организованы иерархически.

Программа будет объектно-ориентированной только при соблюдении всех трех указанных требований. В частности, программирование, не основанное на иерархических отношениях, не относится к OOП, а называется программированием на основе абстрактных типов данных.

Лекция 2.

Объектно-ориентированное проектирование.Программирование прежде всего подразумевает правильное и эффективное использование механизмов конкретных языков программирования. Проектирование, напротив, основное внимание уделяет правильному и эффективному структурированию сложных систем. Мы определяем объектно-ориентированное проектирование следующим образом:

Объектно-ориентированное проектирование- это методология проектирования, соединяющая в себе процесс объектной декомпозиции и приемы представления логической и физической, а также статической и динамической моделей проектируемой системы.

В данном определении содержатся две важные части:

объектно-ориентированное проектирование

1) основывается на объектно-ориентированной декомпозиции;

2) использует многообразие приемов представления моделей, отражающих логическую (классы и объекты) и физическую (модули и процессы) структуру системы,

а также ее статические и динамические аспекты.

Для объектно-ориентированного стиля концептуальная база - это объектная модель.Она имеет четыре главных элемента:

абстрагирование;

инкапсуляция;

модульность;

иерархия.

Эти элементы являются главнымив том смысле, что без любого из них модель не будет объектно-ориентированной. Кроме главных, имеются еще три дополнительных элемента:

типизация;

параллелизм;

сохраняемость.

Называя их дополнительными,мы имеем в виду, что они полезны в объектной модели, но не обязательны.

Абстрагирование

Смысл абстрагирования.Абстрагирование является одним из основных методов, используемых для решения сложных задач. Хоар считает, что "абстрагирование проявляется в нахождении сходств между определенными объектами, ситуациями или процессами реального мира, и в принятии решений на основе этих сходств, отвлекаясь на время от имеющихся различий". Шоу определила это понятие так: "Упрощенное описание или изложение системы, при котором одни свойства и детали выделяются, а другие опускаются. Хорошей является такая абстракция, которая подчеркивает детали, существенные для рассмотрения и использования, и опускает те, которые на данный момент несущественны". Берзинс, Грей и Науман рекомендовали, чтобы "идея квалифицировалась как абстракция только, если она может быть изложена, понята и проанализирована независимо от механизма, который будет в дальнейшем принят для ее реализации". Суммируя эти разные точки зрения, получим следующее определение абстракции:

Абстракция выделяет существенные характеристики некоторого объекта, отличающие его от всех других видов объектов и, таким образом, четко определяет его концептуальные границы с точки зрения наблюдателя.

Абстрагирование концентрирует внимание на внешних особенностях объекта и позволяет отделить самые существенные особенности поведения от несущественных. Абельсон и Суссман назвали такое разделение смысла и реализации барьером абстракции, который основывается на принципе минимизации связей, когда интерфейс объекта содержит только существенные аспекты поведения и ничего больше. Мы считаем полезным еще один дополнительный принцип, называемыйпринципом наименьшего удивления,согласно которому абстракция должна охватывать все поведение объекта, но не больше и не меньше, и не привносить сюрпризов или побочных эффектов, лежащих вне ее сферы применимости.

По мнению Сейдвица и Старка "существует целый спектр абстракций, начиная с объектов, которые почти точно соответствуют реалиям предметной области, и кончая объектами, не имеющими право на существование". Вот эти абстракции, начиная от наиболее полезных к наименее полезным:

∙ Абстракция сущности
Объект представляет собой полезную модель некой сущности в предметной области
∙ Абстракция поведения
Объект состоит из обобщенного множества операций
Абстракция виртуальной машины
Объект группирует операции, которые либо вместе используются более высоким уровнем управления, либо сами используют некоторый набор операций более низкого уровня
∙ Произвольная абстракция
Объект включает в себя набор операций, не имеющих друг с другом ничего общего
Мы стараемся строить абстракции сущности, так как они прямо соответствуют сущностям предметной области.

Клиентомназывается любой объект, использующий ресурсы другого объекта (называемогосервером). Мы будем характеризовать поведение объекта услугами, которые он оказывает другим объектам, и операциями, которые он выполняет над другими объектами. Такой подход концентрирует внимание на внешних проявлениях объекта и приводит к идее, которую Мейер назвалконтрактной модельюпрограммирования: внешнее проявление объекта рассматривается с точки зрения его контракта с другими объектами, в соответствии с этим должно быть выполнено и его внутреннее устройство (часто во взаимодействии с другими объектами). Контракт фиксирует все обязательства, которые объект-сервер имеет перед объектом-клиентом. Другими словами, этот контракт определяетответственность объекта- то поведение, за которое он отвечает.

Каждая операция, предусмотренная этим контрактом, однозначно определяется ее формальными параметрами и типом возвращаемого значения. Полный набор операций, которые клиент может осуществлять над другим объектом, вместе с правильным порядком, в котором эти операции вызываются, называется протоколом.Протокол отражает все возможные способы, которыми объект может действовать или подвергаться воздействию, полностью определяя тем самым внешнее поведение абстракции со статической и динамической точек зрения.

Центральной идеей абстракции является понятие инварианта. Инвариант - это некоторое логическое условие, значение которого (истина или ложь) должно сохраняться. Для каждой операции объекта можно задатьпредусловия(инварианты предполагаемые операцией) ипостусловия(инварианты, которым удовлетворяет операция). Изменение инварианта нарушает контракт, связанный с абстракцией. В частности, если нарушено предусловие, то клиент не соблюдает свои обязательства и сервер не может выполнить свою задачу правильно. Если же нарушено постусловие, то свои обязательства нарушил сервер, и клиент не может более ему доверять. В случае нарушения какого-либо условия возбуждается исключительная ситуация. Как мы увидим далее, некоторые языки имеют средства для работы с исключительными ситуациями: объекты могут возбуждать исключения, чтобы запретить дальнейшую обработку и предупредить о проблеме другие объекты, которые в свою очередь могут принять на себя перехват исключения и справиться с проблемой.

Все абстракции обладают как статическими, так и динамическими свойствами. Например, файл как объект требует определенного объема памяти на конкретном устройстве, имеет имя и содержание. Эти атрибуты являются статическими свойствами. Конкретные же значения каждого из перечисленных свойств динамичны и изменяются в процессе использования объекта: файл можно увеличить или уменьшить, изменить его имя и содержимое. В процедурном стиле программирования действия, изменяющие динамические характеристики объектов, составляют суть программы. Любые события связаны с вызовом подпрограмм и с выполнением операторов. Стиль программирования, ориентированный на правила, характеризуется тем, что под влиянием определенных условий активизируются определенные правила, которые в свою очередь вызывают другие правила, и т.д. Объектно-ориентированный стиль программирования связан с воздействием на объекты (в терминах Smalltalk с передачей объектам сообщений). Так, операция над объектом порождает некоторую реакцию этого объекта. Операции, которые можно выполнить по отношению к данному объекту, и реакция объекта на внешние воздействия определяют поведение этого объекта.

Инкапсуляция

Что это значит?Хотя мы описывали нашу абстракциюGrowingPlanкак сопоставление действий моментам времени, она не обязательно должна быть реализована буквально как таблица данных. Действительно, клиенту нет никакого дела до реализации класса, который его обслуживает, до тех пор, пока тот соблюдает свои обязательства. На самом деле, абстракция объекта всегда предшествует его реализации. А после того, как решение о реализации принято, оно должно трактоваться как секрет абстракции, скрытый от большинства клиентов. Как мудро замечает Ингалс: "Никакая часть сложной системы не должна зависеть от внутреннего устройства какой-либо другой части". В то время, как абстракция "помогает людям думать о том, что они делают", инкапсуляция "позволяет легко перестраивать программы".

Абстракция и инкапсуляция дополняют друг друга: абстрагирование направлено на наблюдаемое поведение объекта, а инкапсуляция занимается внутренним устройством. Чаще всего инкапсуляция выполняется посредством скрытия информации, то есть маскировкой всех внутренних деталей, не влияющих на внешнее поведение. Обычно скрываются и внутренняя структура объекта и реализация его методов.

Инкапсуляция, таким образом, определяет четкие границы между различными абстракциями. Возьмем для примера структуру растения: чтобы понять на верхнем уровне действие фотосинтеза, вполне допустимо игнорировать такие подробности, как функции корней растения или химию клеточных стенок. Аналогичным образом при проектировании базы данных принято писать программы так, чтобы они не зависели от физического представления данных; вместо этого сосредотачиваются на схеме, отражающей логическое строение данных. В обоих случаях объекты защищены от деталей реализации объектов более низкого уровня.

Дисков прямо утверждает, что "абстракция будет работать только вместе с инкапсуляцией". Практически это означает наличие двух частей в классе: интерфейса и реализации. Интерфейсотражает внешнее поведение объекта, описывая абстракцию поведения всех объектов данного класса. Внутренняяреализацияописывает представление этой абстракции и механизмы достижения желаемого поведения объекта. Принцип разделения интерфейса и реализации соответствует сути вещей: в интерфейсной части собрано все, что касается взаимодействия данного объекта с любыми другими объектами; реализация скрывает от других объектов все детали, не имеющие отношения к процессу взаимодействия объектов. Бритон и Парнас назвали такие детали "тайнами абстракции".

Итак, инкапсуляцию можно определить следующим образом:

Инкапсуляция - это процесс отделения друг от друга элементов объекта, определяющих его устройство и поведение; инкапсуляция служит для того, чтобы изолировать контрактные обязательства абстракции от их реализации.

Модульность

Правильное разделение программы на модули является почти такой же сложной задачей, как выбор правильного набора абстракций.

Модули выполняют роль физических контейнеров, в которые помещаются определения классов и объектов при логическом проектировании системы.

Для небольших задач допустимо описание всех классов и объектов в одном модуле. Однако для большинства программ (кроме самых тривиальных) лучшим решением будет сгруппировать в отдельный модуль логически связанные классы и объекты, оставив открытыми те элементы, которые совершенно необходимо видеть другим модулям.

В традиционном структурном проектировании модульность - это искусство раскладывать подпрограммы по кучкам так, чтобы в одну кучку попадали подпрограммы, использующие друг друга или изменяемые вместе. В объектно-ориентированном программировании ситуация несколько иная: необходимо физически разделить классы и объекты, составляющие логическую структуру проекта.

Модульность- это свойство системы, которая была разложена на внутренне связные, но слабо связанные между собой модули.

Принципы абстрагирования, инкапсуляции и модульности являются взаимодополняющими. Объект логически определяет границы определенной абстракции, а инкапсуляция и модульность делают их физически незыблемыми.

В процессе разделения системы на модули могут быть полезными два правила. Во-первых, поскольку модули служат в качестве элементарных и неделимых блоков программы, которые могут использоваться в системе повторно, распределение классов и объектов по модулям должно учитывать это. Во-вторых, многие компиляторы создают отдельный сегмент кода для каждого модуля. Поэтому могут появиться ограничения на размер модуля. Динамика вызовов подпрограмм и расположение описаний внутри модулей может сильно повлиять на локальность ссылок и на управление страницами виртуальной памяти. При плохом разбиении процедур по модулям учащаются взаимные вызовы между сегментами, что приводит к потере эффективности кэш-памяти и частой смене страниц.

Вычленение классов и объектов в проекте и организация модульной структуры - независимыедействия. Процесс вычленения классов и объектов составляет часть процесса логического проектирования системы, а деление на модули - этап физического проектирования. Разумеется, иногда невозможно завершить логическое проектирование системы, не завершив физическое проектирование, и наоборот. Два этих процесса выполняются итеративно.

Иерархия
Что такое иерархия?Абстракция - вещь полезная, но всегда, кроме самых простых ситуаций, число абстракций в системе намного превышает наши умственные возможности. Инкапсуляция позволяет в какой-то степени устранить это препятствие, убрав из поля зрения внутреннее содержание абстракций. Модульность также упрощает задачу, объединяя логически связанные абстракции в группы. Но этого оказывается недостаточно.

Значительное упрощение в понимании сложных задач достигается за счет образования из абстракций иерархической структуры. Определим иерархию следующим образом:

Иерархия - это упорядочение абстракций, расположение их по уровням.

Основными видами иерархических структур применительно к сложным системам являются структура классов (иерархия "is-a") и структура объектов (иерархия "part of").

Примеры иерархии: одиночное наследование. Важным элементом объектно-ориентированных систем и основным видом иерархии "is-a" является упоминавшаяся выше концепция наследования. Наследование означает такое отношение между классами (отношение родитель/потомок), когда один класс заимствует структурную или функциональную часть одного или нескольких других классов (соответственно, одиночноеимножественное наследование). Иными словами, наследование создает такую иерархию абстракций, в которой подклассы наследуют строение от одного или нескольких суперклассов. Часто подкласс достраивает или переписывает компоненты вышестоящего класса.

Семантически, наследование описывает отношение типа "is-a". Например, медведь есть млекопитающее, дом есть недвижимость и "быстрая сортировка" есть сортирующий алгоритм. Таким образом, наследование порождает иерархию "обобщение-специализация", в которой подкласс представляет собой специализированный частный случай своего суперкласса. "Лакмусовая бумажка" наследования - обратная проверка; так, если B не есть A, то B не стоит производить от A.

Примеры иерархии: агрегация.Если иерархия "is а" определяет отношение "обобщение/специализация", то отношение "part of" (часть) вводит иерархию агрегации.

Агрегация есть во всех языках, использующих структуры или записи, состоящие из разнотипных данных. Но в объектно-ориентированном программировании она обретает новую мощь: агрегация позволяет физически сгруппировать логически связанные структуры, а наследование с легкостью копирует эти общие группы в различные абстракции.

Типизация

Что такое типизация? Понятие типавзято из теории абстрактных типов данных. Дойч определяет тип, как "точную характеристику свойств, включая структуру и поведение, относящуюся к некоторой совокупности объектов". Большинству смертных различать типы и классы просто противно и бесполезно. Достаточно сказать, что класс реализует понятие типа. Тем не менее, типы стоит обсудить отдельно, поскольку они выставляют смысл абстрагирования в совершенно другом свете. В частности, мы утверждаем, что:

Типизация - это способ защититься от использования объектов одного класса вместо другого, или по крайней мере управлять таким использованием.

Типизация заставляет нас выражать наши абстракции так, чтобы язык программирования, используемый в реализации, поддерживал соблюдение принятых проектных решений. Вегнер замечает, что такой способ контроля существенен для программирования "в большом".

Идея согласования типов занимает в понятии типизации центральное место. Например, возьмем физические единицы измерения. Деля расстояние на время, мы ожидаем получить скорость, а не вес. В умножении температуры на силу смысла нет, а в умножении расстояния на силу - есть. Все это примеры сильной типизации, когда прикладная область накладывает правила и ограничения на использование и сочетание абстракций.

Теслер отметил следующие важные преимущества строго типизированных языков:

"Отсутствие контроля типов может приводить к загадочным сбоям в программах во время их выполнения.

В большинстве систем процесс редактирование-компиляция-отладка утомителен, и раннее обнаружение ошибок просто незаменимо.

Объявление типов улучшает документирование программ.

Многие компиляторы генерируют более эффективный объектный код, если им явно известны типы".

Языки, в которых типизация отсутствует, обладают большей гибкостью, но даже в таких языках, по мнению Борнинга и Ингалса: "Программисты обычно знают, какие объекты ожидаются в качестве аргументов и какие будут возвращаться"

Примеры типизации: статическое и динамическое связывание.

Сильная и статическая типизация - разные вещи. Строгая типизация следит за соответствием типов, а статическая типизация (иначе называемая статическимилиранним связыванием)определяет время, когда имена связываются с типами. Статическая связь означает, что типы всех переменных и выражений известны во время компиляции;динамическое связывание(называемое такжепоздним связыванием)означает, что типы неизвестны до момента выполнения программы. Концепции типизации и связывания являются независимыми, поэтому в языке программирования может быть: типизация - сильная, связывание - статическое (Ada), типизация - сильная, связывание - динамическое (C++, Object Pascal), или и типов нет, и связывание динамическое (Smalltalk). Язык CLOS занимает промежуточное положение между C++ и Smalltalk: определения типов, сделанные программистом, могут быть либо приняты во внимание, либо не приняты.

полиморфизм - одно и то же имя может означать объекты разных типов, но, имея общего предка, все они имеют и общее подмножество операций, которые можно над ними выполнять. Противоположность полиморфизму называетсямономорфизмом;он характерен для языков с сильной типизацией и статическим связыванием (Ada).

Полиморфизм возникает там, где взаимодействуют наследование и динамическое связывание. Это одно из самых привлекательных свойств объектно-ориентированных языков (после поддержки абстракции), отличающее их от традиционных языков с абстрактными типами данных.

[dyvniy]

Объектно-ориентированный анализ (ООА)
https://studfiles.net/preview/4593563/page:6/

Параллелизм

Что такое параллелизм?Есть задачи, в которых автоматические системы должны обрабатывать много событий одновременно. В других случаях потребность в вычислительной мощности превышает ресурсы одного процессора. В каждой из таких ситуаций естественно использовать несколько компьютеров для решения задачи или задействовать многозадачность на многопроцессорном компьютере. Процесс (поток управления) - это фундаментальная единица действия в системе. Каждая программа имеет по крайней мере один поток управления, параллельная система имеет много таких потоков: век одних недолог, а другие живут в течении всего сеанса работы системы. Реальная параллельность достигается только на многопроцессорных системах, а системы с одним процессором имитируют параллельность за счет алгоритмов разделения времени.

В то время, как объектно-ориентированное программирование основано на абстракции, инкапсуляции и наследовании, параллелизм главное внимание уделяет абстрагированию и синхронизации процессов. Объект есть понятие, на котором эти две точки зрения сходятся: каждый объект (полученный из абстракции реального мира) может представлять собой отдельный поток управления (абстракцию процесса). Такой объект называется активным.Для систем, построенных на основе OOD, мир может быть представлен, как совокупность взаимодействующих объектов, часть из которых является активной и выступает в роли независимых вычислительных центров.

Параллелизм - это свойство, отличающее активные объекты от пассивных.

Как только в систему введен параллелизм, сразу возникает вопрос о том, как синхронизировать отношения активных объектов друг с другом, а также с остальными объектами, действующими последовательно. Например, если два объекта посылают сообщения третьему, должен быть какой-то механизм, гарантирующий, что объект, на который направлено действие, не разрушится при одновременной попытке двух активных объектов изменить его состояние. В этом вопросе соединяются абстракция, инкапсуляция и параллелизм. В параллельных системах недостаточно определить поведение объекта, надо еще принять меры, гарантирующие, что он не будет растерзан на части несколькими независимыми процессами.

Сохраняемость.
Любой программный объект существует в памяти и живет во времени. Аткинсон и др. предположили, что есть непрерывное множество продолжительности существования объектов: существуют объекты, которые присутствуют лишь во время вычисления выражения, но есть и такие, как базы данных, которые существуют независимо от программы. Этот спектр сохраняемости объектов охватывает:

Промежуточные результаты вычисления выражений.

Локальные переменные в вызове процедур.

Собственные переменные (как в ALGOL-60), глобальные переменные и динамически создаваемые данные.

Данные, сохраняющиеся между сеансами выполнения программы.

Данные, сохраняемые при переходе на новую версию программы.

Данные, которые вообще переживают программу".

Сохраняемость- способность объекта существовать во времени, переживая породивший его процесс, и (или) в пространстве, перемещаясь из своего первоначального адресного пространства.

Пример объектно-ориентированного анализа

Пусть требуется разработать пакет программ для решения расчетных задач, настраиваемый на конкретную предметную область. Каждая предметная область определяется совокупностью переменных и связей между этими переменными - формулами и алгоритмами для вычисления некоторых переменных по известным значениям других переменных. Такой пакет должен состоять из двух частей, универсальной, обеспечивающей ввод и представления данных пользователям и общее управление работой пакета, и функциональной части, содержащей алгоритмы вычислений для конкретной предметной области.

Предметная область ППП для решения расчетных задач может быть формально описана совокупностью трех множеств:

- множества данных X;

- множества функциональных связей (задач, решаемых с использованием пакета) F;

- множества связей по определению R.

При использовании пакета пользователь может вводить некоторые данные из заранее определенного набора данных и запрашивать решение одной или нескольких задач, а затем выводить вычисленные данные на экран, в файл или на принтер. Пакет должен настраиваться на конкретную предметную область путем определения множеств X, F и R и подключения соответствующего набора обрабатывающих модулей (подпрограмм).

Объектно-ориентированный анализ проще всего начать с неформального описания и построения словаря предметной области. В данном случае такой словарь может включать понятия:

Данные (множество X):

-множество данных;

-элемент множества данных;

Элемент множества данных должен описываться его типом, уровнем агрегирования и наличием или отсутствием конкретного значения.

Задачи (множество F):

-множество задач,

-элемент множества задач (конкретная задача),

-набор аргументов (входных и выходных данных задачи),

-аргумент задачи.

Связи по определению (множество R):

-множество связей,

-элемент множества связей,

-тип связи (старший - младший, функция-предикат).

Поскольку каждая задача должна реализовываться вызовом некоторого обрабатывающего модуля (подпрограммы), добавим соответствующие понятия.

Модули (множество M):

-множество модулей;

-элемент множества модулей,

-список параметров модуля;

-параметр модуля.

Элементы перечисленных множеств находятся в определенных отношениях между собой. Элемент множества задач использует элементы множества данных для передачи аргументов связанному с задачей модулю. Элементы множества связей либо связывают между собой пары данных, либо описывают некоторый предикат, аргументами которого служат элементы множества данных (рис.1).



Рис. 1. Связь между множествами

Кроме понятий - существительных следует выделить понятия - глаголы (действия), относящиеся к понятиям - существительным. В рассматриваемом примере действиями могут быть:

- определить новый элемент множества данных, задач или связей;

- добавить новый элемент в множество (данных, задач, связей);

- удалить элемент из множества (данных задач связей);

- ввести значение элемента множества данных;

- вывести на экран (в файл, на принтер) значение элемента множества данных;

- выполнить задачу.

Предполагается, что перечисленные действия должны выполняться по командам пользователя. Следовательно, все предыдущие рассуждения следует повторить для процесса диалога с пользователем. Отличие будет лишь в том, что для организации диалога, как правило, применяются готовые инструментальные средства и свойственные им основные понятия: диалоговое окно, объект ввода строкового данного, независимые и зависимые, списки строк.

Результаты ООА документируются наборами диаграмм и таблиц, отражающих как структуру выделенных классов объектов, так и отношения между ними.

Понятия, которые принимаются как кандидаты в используемые классы, описываются более подробно по специальному шаблону, который включает следующие характеристики класса:

- имя класса, т.е. присвоенный классу идентификатор.

- множественность экземпляров класса (0/1/n).

- иерархия класса (базовые классы).

- структура и интерфейс класса.

Здесь под структурой понимаются как атрибуты класса (элементы-данные), так и действия (методы). Данные и методы разбиваются по уровням доступа, например, предполагая использование при программировании C++, выделяются уровни доступа public, protected и private.

Под интерфейсом класса понимаются элементы-данные, доступные из экземпляров других классов, и методы, которые могут вызываться из других классов.

Для классов желательно определить жизненные циклы экземпляров класса: когда, при каких условиях создается экземпляр класса, когда изменяется его состояние и когда он уничтожается.

Поскольку в объектно-ориентированной системе экземпляры классов обмениваются сообщениями, следует определить для каждого класса поступающие его экземплярам сообщения и на их основе построить диаграммы перехода (описать класс как конечный автомат). В ряде случаев целесообразно построить модели состояний для каждого объекта и определить списки событий, изменяющих состояние объектов.

После выделения классов и их неформального описания могут быть построены модели процессов, которые должны быть реализованы в будущем программном изделии. В такой модели отражаются внешние события (действия пользователя) и вызываемые этими событиями действия с экземплярами классов.

Например, в рассматриваемом примере процесс определения нового данного должен включать ввод имени данного и его описания, включающего тип данного, уровень агрегирования, границы индексов для массива. После ввода пользователем имени данного нужно проверить, является ли это имя уникальным.

После ввода границ индекса для массива также нужно проверить их допустимость.

Если пользователь указал все характеристики данного правильно, нужно построить экземпляр объекта “данное” и включить его в множество данных.

Лекция 3.

UML

Язык UML представляет собой общецелевой язык визуального моделирования, который разработан для спецификации, визуализации, проектирования и документирования компонентов программного обеспечения, бизнес-процессов и других систем. Язык UML одновременно является простым и мощным средством моделирования, который может быть эффективно использован для построения концептуальных, логических и графических моделей сложных систем самого различного целевого назначения. Этот язык вобрал в себя наилучшие качества методов программной инженерии, которые с успехом использовались на протяжении последних лет при моделировании больших и сложных систем.

Язык UML основан на некотором числе базовых понятий, которые могут быть изучены и применены большинством программистов и разработчиков, знакомых с методами объектно-ориентированного анализа и проектирования. При этом базовые понятия могут комбинироваться и расширяться таким образом, что специалисты объектного моделирования получают возможность самостоятельно разрабатывать модели больших и сложных систем в самых различных областях приложений.

Конструктивное использование языка UML основывается на понимании общих принципов моделирования сложных систем и особенностей процесса объектно-ориентированного анализа и проектирования в частности. Выбор выразительных средств для построения моделей сложных систем предопределяет те задачи, которые могут быть решены с использованием данных моделей. При этом одним из основных принципов построения моделей сложных систем является принцип абстрагирования, который предписывает включать в модель только те аспекты проектируемой системы, которые имеют непосредственное отношение к выполнению системой своих функций или своего целевого предназначения. При этом все второстепенные детали опускаются, чтобы чрезмерно не усложнять процесс анализа и исследования полученной модели.

Другим принципом построения моделей сложных систем является принцип многомодельности. Этот принцип представляет собой утверждение о том, что никакая единственная модель не может с достаточной степенью адекватности описывать различные аспекты сложной системы. Применительно к методологии ООАП это означает, что достаточно полная модель сложной системы допускает некоторое число взаимосвязанных представлений (views), каждое из которых адекватно отражает некоторый аспект поведения или структуры системы. При этом наиболее общими представлениями сложной системы принято считать статическое и динамическое представления, которые в свою очередь могут подразделяться на другие более частные представления.) феномен сложной системы как раз и состоит в том, что никакое ее единственное представление не является достаточным для адекватного выражения всех особенностей моделируемой системы.

Еще одним принципом прикладного системного анализа является принцип иерархического построения моделей сложных систем. Этот принцип предписывает рассматривать процесс построения модели на разных уровнях абстрагирования или детализации в рамках фиксированных представлений. При этом исходная или первоначальная модель сложной системы имеет наиболее общее представление (метапредставление). Такая модель строится на начальном этапе проектирования и может не содержать многих деталей и аспектов моделируемой системы.



Рис. 1.Общая схема взаимосвязей моделей и представлений сложной системы в процессе объектно-ориентированного анализа и проектирования

Таким образом, процесс ООАП можно представить как поуровневый спуск от наиболее общих моделей и представлений концептуального уровня к более частным и детальным представлениям логического и физического уровня. При этом на каждом из этапов ООАП данные модели последовательно дополняются все большим количеством деталей, что позволяет им более адекватно отражать различные аспекты конкретной реализации сложной системы. Общая схема взаимосвязей моделей ООАП представлена на рис. 1.

Название "физическая модель" в терминологии ООАП и языка UML отражает компонентный состав проектируемой системы с точки зрения ее реализации на некоторой технической базе и вычислительных платформах конкретных производителей.

Назначение языка UML

Язык UML предназначен для решения следующих задач:

Предоставить в распоряжение пользователей легко воспринимаемый и выразительный язык визуального моделирования, специально предназначенный для разработки и документирования моделей сложных систем самого различного целевого назначения.

Язык UML включает в себя не только абстрактные конструкции для представления метамоделей систем, но и целый ряд конкретных понятий, имеющих вполне определенную семантику.

Практика системного моделирования показала, что абстрактного описания языка на некотором метауровне недостаточно для разработчиков, которые ставят своей целью реализацию проекта системы в конкретные сроки.

Для адекватного понимания базовых конструкций языка UML важно не только владеть некоторыми навыками объектно-ориентированного программирования, но и хорошо представлять себе общую проблематику процесса разработки моделей систем. Именно интеграция этих представлений образует новую парадигму ООАП, практическим следствием и центральным стержнем которой является язык UML.

Снабдить исходные понятия языка UML возможностью расширения и специализации для более точного представления моделей систем в конкретной предметной области.

Язык UML допускает также специализацию базовых понятий. Речь идет о том, что в конкретных приложениях пользователи должны уметь дополнять имеющиеся базовые понятия новыми характеристиками или свойствами, которые не противоречат семантике этих понятий в языке UML.

Описание языка UML должно поддерживать такую спецификацию моделей, которая не зависит от конкретных языков программирования и инструментальных средств проектирования программных систем.

Речь идет о том, что ни одна из конструкций языка UML не должна зависеть от особенностей ее реализации в известных языках программирования. То есть, хотя отдельные понятия языка UML и связаны с последними очень тесно, их жесткая интерпретация в форме каких бы то ни было конструкций программирования не может быть признана корректной.

Описание языка UML должно включать в себя семантический базис для понимания общих особенностей ООАП.

Поощрять развитие рынка объектных инструментальных средств.

Языку UML отводится роль базового средства для описания и документирования различных объектных компонентов CORBA.

Способствовать распространению объектных технологий и соответствующих понятий ООАП.

Интегрировать в себя новейшие и наилучшие достижения практики ООАП.

Общая структура языка UML

С самой общей точки зрения описание языка UML состоит из двух взаимодействующих частей, таких как:

Семантика языка UML.

Представляет собой некоторую метамодель, которая определяет абстрактный синтаксис и семантику понятий объектного моделирования на языке UML.

Нотация языка UML.

Представляет собой графическую нотацию для визуального представления семантики языка UML.

Абстрактный синтаксис и семантика языка UML описываются с использованием некоторого подмножества нотации UML. В дополнение к этому, нотация UML описывает соответствие или отображение графической нотации в базовые понятия семантики. Таким образом, с функциональной точки зрения эти две части дополняют друг друга. При этом семантика языка UML описывается на основе некоторой метамодели, имеющей три отдельных представления: абстрактный синтаксис, правила корректного построения выражений и семантику. Рассмотрение семантики языка UML предполагает некоторый "полуформальный" стиль изложения, который объединяет естественный и формальный языки для представления базовых понятий и правил их расширения.

Семантика определяется для двух видов объектных моделей: структурных моделей и моделей поведения. Структурные модели, известные также как статические модели, описывают структуру сущностей или компонентов некоторой системы, включая их классы, интерфейсы, атрибуты и отношения. Модели поведения, называемые иногда динамическими моделями, описывают поведение или функционирование объектов системы, включая их методы, взаимодействие и сотрудничество между ними, а также процесс изменения состояний отдельных компонентов и системы в целом.

Для решения столь широкого диапазона задач моделирования разработана достаточно полная семантика для всех компонентов графической нотации. Требования семантики языка UML конкретизируются при построении отдельных видов диаграмм, последовательное рассмотрение которых служит темой второй части книги. Нотация языка UML включает в себя описание отдельных семантических элементов, которые могут применяться при построении диаграмм.

Формальное описание самого языка UML основывается на некоторой общей иерархической структуре модельных представлений, состоящей из четырех уровней:

Мета-метамодель

Метамодель

Модель

Объекты пользователя

Уровень мета-метамодели образует исходную основу для всех метамодельных представлений. Главное предназначение этого уровня состоит в том, чтобы определить язык для спецификации метамодели. Мета-метамодель определяет модель языка UML на самом высоком уровне абстракции и является наиболее компактным ее описанием. С другой стороны, мета-метамодель может специфицировать несколько метамоделей, чем достигается потенциальная гибкость включения дополнительных понятий. Хотя в книге этот уровень не рассматривается, он наиболее тесно связан с теорией формальных языков. Примерами понятий этого уровня служат метакласс, метаатрибут, метаоперация.

Метамодель является экземпляром или конкретизацией мета-метамодели. Главная задача этого уровня - определить язык для спецификации моделей. Данный уровень является более конструктивным, чем предыдущий, поскольку обладает более развитой семантикой базовых понятий. Все основные понятия языка UML - это понятия уровня метамодели. Примеры таких понятий - класс, атрибут, операция, компонент, ассоциация и многие другие.

Модель в контексте языка UML является экземпляром метамодели в том смысле, что любая конкретная модель системы должна использовать только понятия метамодели, конкретизировав их применительно к данной ситуации. Это уровень для описания информации о конкретной предметной области. Однако если для построения модели используются понятия языка UML, то необходима полная согласованность понятий уровня модели с базовыми понятиями языка UML уровня метамодели. Примерами понятий уровня модели могут служить, например, имена полей проектируемой базы данных, такие как имя и фамилия сотрудника, возраст, должность, адрес, телефон. При этом данные понятия используются лишь как имена соответствующих информационных атрибутов.

Конкретизация понятий модели происходит на уровне объектов. В настоящем контексте объект является экземпляром модели, поскольку содержит конкретную информацию относительно того, чему в действительности соответствуют те или иные понятия модели. Примером объекта может служить следующая запись в проектируемой базе данных: "Илья Петров, 30 лет, иллюзионист, ул. Невидимая, 10-20, 100-0000".

Описание семантики языка UML предполагает рассмотрение базовых понятий только уровня метамодели, который представляет собой лишь пример или частный случай уровня мета-метамодели. Метамодель UML является по своей сути скорее логической моделью, чем физической или моделью реализации. Особенность логической модели заключается в том, что она концентрирует внимание на декларативной или концептуальной семантике, опуская детали конкретной физической реализации моделей. При этом отдельные реализации, использующие данную логическую метамодель, должны быть согласованы с ее семантикой, а также поддерживать возможности импорта и экспорта отдельных логических моделей.

В то же время, логическая метамодель может быть реализована различными способами для обеспечения требуемого уровня производительности и надежности соответствующих инструментальных средств. В этом заключается недостаток логической модели, которая не содержит на уровне семантики требований, обязательных для ее эффективной последующей реализации. Однако согласованность метамодели с конкретными "моделями реализации является обязательной для всех разработчиков программных средств, обеспечивающих поддержку языка UML.

Метамодель языка UML имеет довольно сложную структуру, которая включает в себя порядка 90 метаклассов, более 100 метаассоциаций и почти 50 стереотипов, число которых возрастает с появлением новых версий языка. Чтобы справиться с этой сложностью языка UML, все его элементы организованы в логические пакеты. Поэтому рассмотрение языка UML на метамодельном уровне заключается в описании трех его наиболее общих логических блоков или пакетов: основные элементы, элементы поведения и общие механизмы.

Для описания языка UML используются средства самого языка, и одним из таких средств является пакет. В общем случае пакет служит для группировки элементов модели. При этом сами элементы модели, которыми могут быть произвольные сущности, отнесенные к одному пакету, выступают в роли единого целого. Пакеты, так же как и другие элементы модели, могут быть вложены в другие пакеты. Важной особенностью языка UML является тот факт, что все виды элементов модели UML могут быть организованы в пакеты.

Пакеты в языке UML

Пакет- основной способ организации элементов модели в языке UML.

Каждый пакет владеет всеми своими элементами, т. е. теми элементами, которые включены в него. Про соответствующие элементы пакета говорят, что они принадлежат пакету или входят в него. При этом каждый элемент может принадлежать только одному пакету. В свою очередь, одни пакеты могут быть вложены в другие пакеты. В этом случае первые называются подпакетами, поскольку все элементы подпакета будут принадлежать более общему пакету. Тем самым для элементов модели задается отношение вложенности пакетов, которое представляет собой иерархию.

Для графического представления иерархий могут использоваться графы специального вида, которые называются деревьями.

Однако в языке UML эти графические обозначения настолько модифицированы, что соответствующие ассоциации с общетеоретическими понятиями могут представлять определенную трудность для начинающих разработчиков. Тем не менее важно уметь ассоциировать специальные конструкции языка UML с соответствующими понятиями теории множеств и системного моделирования, что, в некотором смысле, формирует стиль мышления системного аналитика.

В языке UML для визуализации пакетов разработана специальная символика или графическая нотация, которой мы и будем пользоваться в дальнейшем. Именно с описания этой системы обозначений мы приступим к изучению основных элементов данного языка.

Для графического изображения пакетов на диаграммах применяется специальный графический символ - большой прямоугольник с небольшим прямоугольником, присоединенным к левой части верхней стороны первого (рис. 3.2 а, б). Можно сказать, что визуально символ пакета напоминает пиктограмму папки в популярном графическом интерфейсе. Внутри большого прямоугольника может записываться информация, относящаяся к данному пакету. Если такой информации нет, то внутри большого прямоугольника записывается имя пакета, которое должно быть уникальным в пределах рассматриваемой модели (рис. 2, а). Если же такая информация имеется, то имя пакета записывается в верхнем маленьком прямоугольнике (рис. 2, б).



Рис. 2.Графическое изображение пакета в языке UML

С целью удобства спецификации пакетов принято в качестве их имен использовать одно или несколько существительных, например, контроллер, графический интерфейс, форма ввода данных.

Перед именем пакета может помещаться строка текста, содержащая некоторое ключевое слово. Подобными ключевыми словами являются заранее определенные в языке UML слова, которые получили название стереотипов. Такими стереотипами для пакетов являются слова facade, framework, stub и topLevel. В качестве содержимого пакета могут выступать имена его отдельных элементов и их свойства, такие как видимость элементов за пределами пакета.

сами по себе пакеты могут найти ограниченное применение, поскольку содержат лишь информацию о входящих в их состав элементах модели. Не менее важно представить графически отношения, которые могут иметь место между отдельными пакетами. Как и в теории графов, для визуализации отношений в языке UML применяются отрезки линий, внешний вид которых имеет смысловое содержание.

Одним из типов отношений между пакетами является отношение вложенности или включения пакетов друг в друга. С одной стороны, в языке UML это отношение может быть изображено без использования линий простым размещением одного пакета-прямоугольника внутри другого пакета-прямоугольника (рис. 3). Так, в данном случае пакет с именем ПакетЛ содержит в себе два подпакета: Пакет_2 и Пакет_3.



Рис. 3.Графическое изображение вложенности пакетов друг в друга



Рис. 4.Графическое изображение вложенности пакетов друг в друга с помощью явной визуализации отношения включения

С другой стороны, это же отношение может быть изображено с помощью отрезков линий аналогично графическому представлению дерева. В этом случае наиболее общий пакет (метапакет или контейнер) изображается в верхней части рисунка, а его подпакеты - уровнем ниже. Метапакет соединяется с подпакетами сплошной линией, на конце которой, примыкающей к метапакету, изображается специальный символ © (знак плюс в кружочке). Этот символ означает, что подпакеты являются "собственностью" или частью контейнера, и, кроме этих подпакетов, контейнер не содержит никаких других подпакетов. Рассмотренный выше пример (рис. 3) может быть представлен с помощью явной визуализации отношения включения (рис. 4).

Основные пакеты метамодели языка UML

Основой представления на метамодельном уровне языка UML является описание трех его логических блоков или пакетов: Основные элементы, Элементы поведения и Общие механизмы (рис. 5).

Эти пакеты в свою очередь делятся на отдельные подпакеты. Например, пакет Основные элементы состоит из подпакетов: Элементы ядра, Вспомогательные элементы, Механизмы расширения и типы данных (рис. 6). При этом пакет Элементы ядра описывает базовые понятия и принципы включения в структуру метамодели основных понятий языка, таких как метаклассы, метаассоциации и метаатрибуты. Пакет Вспомогательные элементы определяет дополнительные конструкции, которые расширяют базовые элементы для описания зависимостей, шаблонов, физических структур и элементов представлений. Пакет Механизмы расширения задает правила уточнения и расширения семантики базовых элементов моделей. Пакет Типы данных определяет основные структуры данных для языка UML.



Рис. 5.Основные пакеты метамодели языка UML



Рис. 6.Подпакеты пакета Основные элементы языка UML

Пакет Основные элементы

Подпакеты:

Пакет Элементы ядра

Пакет Элементы ядра является наиболее фундаментальным из всех подпакетов, которые входят в пакет Основные элементы языка UML. Этот пакет определяет основные абстрактные и конкретные компоненты, необходимые для разработки объектных моделей. При этом абстрактные компоненты метамодели не имеют экземпляров или примеров и используются исключительно для уточнения других компонентов модели. Конкретные компоненты метамодели имеют экземпляры и отражают особенности представления лиц, которые разрабатывают объектные модели.

Одна и та же моделируемая сущность или система может быть представлена средствами языка UML по-разному. При этом разные разработчики могут построить объектные модели одной и той же системы, существенно отличающиеся не только формой своего представления, но и составом используемых в модели компонентов.

Пакет Элементы ядра специфицирует базовые конструкции, требуемые для описания исходной метамодели, и определяет архитектурный "скелет" для присоединения дополнительных конструкций языка, таких как метаклассы, метаассоциации и метаатрибуты. Хотя пакет Элементы ядра содержит семантику, достаточную для определения всей оставшейся части языка UML, он не является мета-метамоделью UML.

В этот пакет входят основные метаклассы языка UML: класс (Class), атрибут (Attribute), ассоциациях (Association), ассоциация-класс (AssociationClass), конец ассоциации (AssociationEnd), свойство поведения (BehavioralFeature), классификатор (Classifier), ограничение (Constraint), тип данных (DataType), зависимость (Dependency), элемент (Element), право на элемент (ElementOwnership), свойство (Feature), обобщение (Generalization), элемент отношения обобщения (GeneralizableElement), интерфейс (Interface), метод (Method), элемент модели (ModelElement), пространство имен (Namespace), операция (Operation), параметр (Parameter), структурное свойство (StructuralFeature), правила правильного построения выражений (Well-formedness rules).

Пакет Вспомогательные элементы

Пакет Вспомогательные элементы является подпакетом пакета Основные элементы и специфицирует дополнительные конструкции языка UML, которые расширяют пакет Элементы ядра. Вспомогательные элементы обеспечивают понятийный базис для зависимостей, шаблонов, физических структур и элементов представлений. В этот пакет входят следующие метаклассы: связывание (Binding), комментарий (Comment), компонент (Component), узел (Node), презентация (Presentation), уточнение (Refinement), цепочка зависимостей (Trace), потребление (Usage), элемент представления (ViewElement), зависимость (Dependency), элемент модели (ModelElement), правила правильного построения выражений (Well-formedness rules). При этом три последних метакласса взяты из пакета Элементы ядра и используются для спецификации остальных.

Пакет Механизмы расширения

Пакет Механизмы расширения также является подпакетом пакета Основные элементы и специфицирует порядок включения в модель элементов с уточненной семантикой, а также модификацию отдельных компонентов языка UML для более точного отражения специфики моделируемых систем. Механизм расширения определяет семантику для стереотипов, ограничений и помеченных значений. Хотя язык UML обладает богатым множеством понятий и нотаций для моделирования типичных программных систем, реально разработчик может столкнуться с необходимостью включить в модель дополнительные свойства или нотации, которые не определены явно в языке UML. При этом разработчики часто сталкиваются с необходимостью включения в модель графической информации, такой, например, как дополнительные значки и украшения.

Для этой цели в языке UML предусмотрены три механизма расширения, которые могут использоваться совместно или раздельно для определения новых элементов модели с отличающимися семантикой, нотацией и свойствами от специфицированных в метамодели языка UML элементов. Такими механизмами являются: ограничение (Constraint), стереотип (Stereotype) и помеченное значение (TaggedValue).

Таким образом, механизмы расширения языка UML предназначены для выполнения следующих задач:

Уточнения существующих модельных элементов при разработке моделей на языке UML.

В спецификации самого языка UML для определения стандартных компонентов, которые либо не являются достаточно интересными, либо сложны для непосредственного определения в качестве элементов мета-модели UML.

Определения таких расширений языка UML, которые зависят от специфики моделируемого процесса или от языка реализации программного кода.

Присоединения произвольной семантической или несемантической информации к элементам модели.

Пакет Типы данных

Пакет Типы данных является четвертым подпакетом пакета Основные элементы и, как следует из его названия, специфицирует различные типы данных, которые могут использоваться в языке UML. Этот пакет имеет более простую по сравнению с другими пакетами внутреннюю структуру и описание, поскольку предполагается, что семантика соответствующих понятий хорошо известна.

В метамодели UML типы данных используются для объявления типов атрибутов классов. Они записываются в форме строк текста на диаграммах и не имеют отдельного значка "тип данных". Благодаря этому происходит уменьшение размеров диаграмм без потери информации. Однако каждая из одинаковых записей для некоторого типа данных должна соответствовать одному и тому же типу данных в модели. При этом типы данных, используемые в описании языка UML, могут отличаться от типов данных, которые определяет разработчик для своей модели на языке UML. Типы данных в последнем случае будут являться частным случаем или экземплярами метакласса типы данных, который определен в метамодели.

При задании типа данных наиболее часто применяется неформальная конструкция, которая получила называние перечисления. Речь идет о множестве допустимых значений атрибута, которое наделяется некоторым отношением порядка. При этом упорядоченность значений либо указывается явно заданием первого и последнего элементов списка, либо следует неявно в случае простого типа данных, как, например, для множества натуральных чисел. В пакете Типы данных определены способы спецификации перечислений для корректного задания допустимых значений атрибутов.

Для определения различных типов данных в языке UML используются как простые конструкции: целое число (Integer), строка (String), имя (Name), Булев (Boolean), время (Time), кратность (Multiplicity), тип видимости (VisibilityKind), диапазон кратности (MultiplicityRange), так и более сложные: выражение (Expression), булевское выражение (BooleanExpression), тип агрегирования (AggregationKind), тип изменения (ChangeableKind), геометрия (Geometry), отображение (Mapping), выражение-процедура (ProcedureExpression), тип псевдосостояния (PseudostateKind), выражение времени (TimeExpression), непрерываемый (Uninterpreted).

Пакет Элементы поведения

Этот пакет является самостоятельной компонентой языка UML и, как следует из его названия, специфицирует динамику поведения в нотации UML. Пакет Элементы поведения состоит из четырех подпакетов: Общее поведение, Кооперации, Варианты использования и Автоматы (рис. 7). Ниже дается краткая характеристика каждого из этих подпакетов.



Рис. 7.Подпакеты пакета Элементы поведения языка UML

Пакет Общее поведение

Пакет Общее поведение является наиболее фундаментальным из всех подпакетов и определяет базовые понятия ядра, необходимые для всех элементов поведения. В этом пакете специфицирована семантика для динамических элементов, которые включены в другие подпакеты элементов поведения. В пакет Общее поведение входит достаточно большое число элементов, таких как объект (Object), действие (Action), последовательность действий (ActionSequence), аргумент (Argument), экземпляр (Instance), исключение (Exception), связь (Link), сигнал (Signal), значение данных (DataValue), связь атрибутов (AttributeLink), действие вызова (CallAction), действие создания (CreateAction), действие уничтожения (DestroyAction).

Наиболее важным понятием пакета Общее поведение является объект. Под объектом в языке UML понимается отдельный экземпляр или пример класса, структура и поведение которого полностью определяется порождающим этот объект классом. Предполагается, что все без исключения объекты, порожденные одним и тем же классом, имеют совершенно одинаковую структуру и поведение, хотя каждый из этих объектов может иметь свое собственное множество связей атрибутов. При этом каждая связь атрибута относится к некоторому экземпляру, обычно к значению данных. Это множество может быть модифицировано согласно спецификации отдельного атрибута в описании класса.

Рассматривая данный пакет, нельзя не сказать о том, что в языке UML под поведением понимается не только процесс изменения атрибутов объектов в результате выполнения операций над их значениями, но и такие процедуры, как создание и уничтожение самих объектов. При этом динамика взаимодействия объектов, которая определяет их поведение, описывается с помощью специальных понятий, таких как сигналы и действия.

Пакет Кооперации

Пакет Кооперации специфицирует контекст поведения при использовании элементов модели для выполнения отдельной задачи. В нем задается семантика понятий, которые необходимы для ответа на вопрос: "Как различные элементы модели взаимодействуют между собой с точки зрения структуры?" Этот пакет использует конструкции, определенные в пакетах Основные элементы языка UML и Общее поведение.

В частности, в пакет Кооперации входят элементы: кооперация (Collaboration), взаимодействие (Interaction), сообщение (Message), роль ассоциации (AssociationRole), роль классификатора (ClassifierRole), роль конца ассоциации (AssociationEndRole). Как можно догадаться из названия пакета, его элементы непосредственно используются при построении диаграмм кооперации. Понятие кооперации имеет важное значение для представления взаимодействия элементов модели с точки зрения классификаторов и ассоциаций.

Пакет Варианты использования

Пакет Варианты использования специфицирует поведение при включении в модель специальных конструкций, которые в языке UML называются актерами и вариантами использования. Эти понятия служат для определения функциональности моделируемой сущности, такой как система. Особенность элементов этого пакета состоит в том, что они используются для первоначального определения поведения сущности без спецификации ее внутренней структуры.

В пакет Варианты использования кроме уже упомянутых элементов актер (Actor) и вариант использования (UseCase) входят: расширение (Extension), точка расширения (ExtensionPoint), включение (Include) и экземпляр варианта использования (UseCaselnstance).

Объединение в языке UML средств концептуализации исходных требований к проектируемой системе и структуризации ее внутренних компонентов с достаточно богатой семантикой применяемых для этого элементов имеет важное значение для построения адекватных моделей сложных систем.

Пакет Автоматы

Пакет Автоматы специфицирует поведение при построении моделей с использованием систем переходов для конечного множества состояний. В нем определено множесто понятий, которые необходимы для представления поведения модели в виде дискретного пространства с конечным числом состояний и переходов.

Формализм автомата, который используется в языке UML, отличается от формализма теории автоматов своей объектной ориентацией. Автоматы являются основным средством моделирования поведения различных элементов языка UML. Например, автоматы могут использоваться для моделирования поведения индивидуальных сущностей, таких как экземпляры классов, а также для спецификации взаимодействий между сущностями, таких как кооперации. Формализм автоматов дополнительно обеспечивает семантический базис для графов деятельности, которые являются частным случаем автомата.

В пакет Автоматы входят элементы: состояние (State), переход (Transition), событие (Event), автомат (StateMachine), простое состояние (SimpleState), составное состояние CompositeState, псевдосостояние (PseudoState), конечное состояние (FinalState) и некоторые другие.

Одним из ключевых понятий при моделировании динамических свойств систем является состояние. При этом под состоянием в языке UML понимается абстрактный метакласс, используемый для моделирования ситуации или процесса, в ходе которых имеет место (обычно неявное) выполнение некоторого инвариантного условия. Примером такого инвариантного условия может быть состояние ожидания объектом выполнения некоторого внешнего события, например запроса или передачи управления. С другой стороны, состояние может использоваться для моделирования динамических условий, таких как процесс выполнения некоторой деятельности. В этом случае момент начала выполнения деятельности является переходом объекта в соответствующее состояние.

Пакет Общие механизмы

В этом пакете определены общие механизмы, которые применимы ко всем моделям UML. Пакет состоит из единственного подпакета управления моделями (рис. . Этот подпакет служит для спецификации способов организации элементов в модели, пакеты и подсистемы. Кратко рассмотрим основные особенности данного подпакета.



Рис. 8.Состав пакета Общие механизмы

Пакет Управление моделями

Пакет Управление моделями (Model Management) специфицирует базовые элементы языка UML, которые необходимы для формирования всех модельных представлений. Именно в нем определяется семантика модели (Model), пакета (Package) и подсистемы (Subsystem). Эти элементы служат своеобразными контейнерами для группировки других элементов модели.

Пакет является метаклассом в языке UML и предназначен, как отмечалось выше, для организации других элементов модели, таких как другие пакеты, классификаторы и ассоциации. Пакет может также содержать ограничения и зависимости между элементами модели в самом пакете. Предполагается, что каждый элемент пакета имеет видимость только внутри данного пакета. Это означает, что за пределами пакета никакой его элемент не может быть использован, если нет дополнительных указаний на импорт или доступ к отдельным элементам пакета. Со своей стороны, пакеты со всем своим содержимым определены в некотором пространстве имен, которое определяет единственность использования имен всех элементов модели. Другими словами, имя каждого элемента модели должно быть единственным или уникальным в некотором пространстве имен, которое, являясь само элементом модели, может быть вложено в более общее пространство имен.

Модель является подклассом пакета и представляет собой абстракцию физической системы, которая предназначена для вполне определенной цели. Именно эта цель предопределяет те компоненты, которые должны быть включены в модель и те, рассмотрение которых не является обязательным. Другими словами, модель отражает релевантные аспекты физической системы, оказывающие непосредственное влияние на достижение поставленной цели. В прикладных задачах цель обычно задается в форме исходных требований к системе, которые, в свою очередь, в языке UML записываются в виде вариантов использования системы.

В языке UML для одной и той же физической системы могут быть определены различные модели, каждая из которых специфицирует систему с различных точек зрения. Примерами таких моделей являются: логическая модель, модель проектирования, модель вариантов использования и др. При этом каждая такая модель имеет свою собственную точку зрения на физическую систему и свой собственный уровень абстракции. Модели, как и пакеты, могут быть вложенными друг в друга. Со своей стороны, пакет может включать в себя несколько различных моделей одной и той же системы, и в этом состоит один из важнейших механизмов разработки моделей на языке UML.

Подсистема есть просто группировка элементов модели, которые специфицируют некоторое простейшее поведение физической системы. В метамодели UML подсистема является подклассом как пакета, так и классификатора. Элементы подсистемы делятся на две части - спецификацию поведения и его реализацию.

Для графического представления подсистемы применяется специальное обозначение - прямоугольник, как в случае пакета, но дополнительно разделенный на три секции (рис. 9). При этом в верхнем маленьком прямоугольнике изображается символ, по своей форме напоминающий "вилку" и указывающий на подсистему. Имя подсистемы вместе с необязательным ключевым словом или стереотипом записывается внутри большого прямоугольника. Однако при наличии строк текста внутри большого прямоугольника имя подсистемы может быть записано рядом с обозначением "вилки".



Рис. 9. Графическое изображение подсистемы в языке UML

Операции подсистемы записываются в левой верхней секции, ниже указываются элементы спецификации, а справа от вертикальной линии - элементы реализации. При этом два последних раздела помечаются соответствующими метками: "Элементы спецификации" и "Элементы реализации". Секция операций никак не помечается. Если в подсистеме отсутствуют те или иные секции, то они совсем не отображаются на схеме.

Специфика описания метамодели языка UML

Метамодель языка UML описывается на некотором полуформальном языке с использованием трех видов представлений:

Абстрактного синтаксиса

Правил правильного построения выражений

Семантики

Абстрактный синтаксис представляет собой модель для описания некоторой части языка UML, предназначенной для построения диаграмм классов на основе описаний систем на естественном языке. Возможности абстрактного синтаксиса в языке UML довольно ограничены и имеют отношение только к интерпретации обозначений отдельных компонентов диаграмм, связей между компонентами и допустимых дополнительных обозначений. К элементам абстрактного синтаксиса относятся некоторые ключевые слова и значения отдельных атрибутов базовых понятий уровня метамодели, которые имеют фиксированное обозначение в виде текста на естественном языке.

Правила правильного построения выражений используются для задания дополнительных ограничений или свойств, которыми должны обладать те или иные компоненты модели. Поскольку исходным понятием ООП является понятие класса, его общими свойствами должны обладать все экземпляры, которые в этом смысле должны быть инвариантны друг другу. Для задания этих инвариантных свойств классов и отношений необходимо использовать специальные выражения некоторого формального языка, в рамках UML получившего название языка объектных ограничений (Object Constraint Language, ОСL). Семантика языка UML описывается в основном на естественном языке, но может включать в себя некоторые дополнительные обозначения, вытекающие из связей определяемых понятий с другими понятиями. Семантика понятий раскрывает их смысл или содержание. Сложность описания семантики языка UML заключается именно в метамодельном уровне представлений его основных конструкций. С одной стороны, понятия языка UML имеют абстрактный характер (ассоциация, композиция, агрегация, сотрудничество, состояние). С другой стороны, каждое из этих понятий допускает свою конкретизацию на уровне модели (сотрудник, отдел, должность, стаж).

Сложность описания семантики языка UML вытекает из этой двойственности понятий. Здесь мы должны придерживаться традиционных правил изложения, поскольку понимание семантики носит индуктивный характер и требует для своей интерпретации примеров уровня модели и объекта. Иллюстрация абстрактных понятий на примере конкретных свойств и отношений, а также их значений позволяет акцентировать внимание на общих инвариантах этих понятий, что совершенно необходимо для понимания их семантики.

Метамодель языка UML может рассматриваться как комбинация графической нотации (специальных обозначений), некоторого формального языка и естественного языка. При этом следует иметь в виду, что существует некоторый теоретический предел, который ограничивает описание метамодели средствами самой метамодели. Именно в подобных случаях используется естественный язык, обладающий наибольшими выразительными возможностями.

Для придания формального характера моделям UML использование естественного языка должно строго соответствовать определенным правилам. Например, описание семантики языка UML может включать в себя фразы типа "Сущность А обладает способностью" или "Сущность Б есть сущность В". В каждом из этих случаев мы будем понимать смысл фраз, руководствуясь традиционным пониманием предложений русского языка. Однако этого может оказаться недостаточно для более формального представления знаний о рассматриваемых сущностях. Тогда необходимо дополнительно специфицировать семантику этих простых фраз, для чего рекомендуется использовать следующие правила:

Явно указывать в тексте экземпляр некоторого метакласса. Речь идет о том, что в естественной речи мы часто опускаем слово "пример" или "экземпляр", говоря просто "класс". Так, фразу "Атрибут возраст класса сотрудник имеет значение 30 лет" следует записать более точно, а именно: "Атрибут возраст экземпляра класса сотрудник имеет значение 30 лет".

В каждый момент времени используется только то значение слова, которое приписано имени соответствующей конструкции языка UML. Все дополнительные особенности семантики должны быть указаны явным образом без каких бы то ни было неявных предположений.

Термины языка UML могут включать только один из допустимых префиксов, таких как под-, супер- или мета-. При этом сам термин с префиксом записывается одним словом.

В дополнение к этому будут использоваться следующие правила выделения текста:

Если используются ссылки на конструкции языка UML, а не на их представления в метамодели, следует применять обычный текст без какого бы то ни было выделения.

Имена метаклассов являются элементом нотации языка UML и представляют собой существительное и, возможно, присоединенное к нему прилагательное. В этом случае имя метакласса на английском записывается одним словом с выделением каждой составной части имени заглавной буквой (например, ModelElement, StructuralFeature).

Имена метаассоциаций и ассоциаций классов записываются аналогичным образом (например, ElementReference).

Имена других элементов языка UML также записываются одним словом, но должны начинаться с маленькой буквы (например, ownedElement, allContents).

Имена метаатрибутов, которые принимают булевы значения, всегда начинаются с префикса "is" (например, isAbstract).

Перечислимые типы должны всегда заканчиваться словом "Kind" (например, AggregationKind).

При ссылках в тексте на метаклассы, метаассоциаций, метаатрибуты и т. д. должны всегда использоваться в точности те их имена, которые указаны в модели.

Имена стандартных обозначений (стереотипов) заключаются в кавычки и начинаются со строчной буквы (например, "type").

При описании семантики языка UML все имена его стандартных элементов (метаклассов, метаассоциаций, метаатрибутов) допускается записывать на русском с дополнительным указанием оригинального имени на английском. При этом, хотя имена стандартных элементов могут состоять из нескольких слов, согласно сложившейся отечественной традиции, будем их записывать раздельно (например, класс ассоциации, элемент модели, пространство имен).

При разработке конкретных моделей систем в форме диаграмм языка UML целесообразно применять оригинальные англоязычные термины, придерживаясь описанных выше правил (кроме, возможно, пояснительного текста на русском). Причина этой рекомендации вполне очевидна - последующая инструментальная реализация модели может оказаться невозможной, если не следовать оригинальным правилам выделения текста в языке UML. Это правило не распространяется на отдельные примеры и фрагменты диаграмм, которые приводятся в тексте книги с чисто иллюстративными целями и лишь раскрывают особенности использования стандартных элементов языка UML.

В рамках языка UML все представления о модели сложной системы фиксируются в виде специальных графических конструкций, получивших название диаграмм. В терминах языка UML определены следующие виды диаграмм:

Диаграмма вариантов использования (use case diagram)

Диаграмма классов (class diagram)

Диаграммы поведения (behavior diagrams)

Диаграмма состояний (statechart diagram)

Диаграмма деятельности (activity diagram)

Диаграммы взаимодействия (interaction diagrams)

Диаграмма последовательности (sequence diagram)

Диаграмма кооперации (collaboration diagram)

Диаграммы реализации (implementation diagrams)

Диаграмма компонентов (component diagram)

Диаграмма развертывания (deployment diagram)

Из перечисленных выше диаграмм некоторые служат для обозначения двух и более других подвидов диаграмм. При этом в качестве самостоятельных представлений в языке UML используются следующие диаграммы:

Диаграмма вариантов использования

Диаграмма классов.

Диаграмма состояний.

Диаграмма деятельности.

Диаграмма последовательности.

Диаграмма кооперации.

Диаграмма компонентов.

Диаграмма развертывания.

Перечень этих диаграмм и их названия являются каноническими в том смысле, что представляют собой неотъемлемую часть графической нотации языка UML. Более того, процесс ООАП неразрывно связан с процессом построения этих диаграмм. При этом совокупность построенных таким образом диаграмм является самодостаточной в том смысле, что в них содержится вся информация, которая необходима для реализации проекта сложной системы.

Каждая из этих диаграмм детализирует и конкретизирует различные представления о модели сложной системы в терминах языка UML. При этом диаграмма вариантов использования представляет собой наиболее общую концептуальную модель сложной системы, которая является исходной для построения всех остальных диаграмм. Диаграмма классов является, по своей сути, логической моделью, отражающей статические аспекты структурного построения сложной системы.

Диаграммы поведения также являются разновидностями логической модели, которые отражают динамические аспекты функционирования сложной системы. И, наконец, диаграммы реализации служат для представления физических компонентов сложной системы и поэтому относятся к ее физической модели. Таким образом, интегрированная модель сложной системы в нотации UML (рис. 10) представляется в виде совокупности указанных выше диаграмм (см. рис. 9).



Рис. 10.Интегрированная модель сложной системы в нотации UML

Особенности изображения диаграмм языка UML

Большинство перечисленных выше диаграмм являются в своей основе графами специального вида, состоящими из вершин в форме геометрических фигур, которые связаны между собой ребрами или дугами. Поскольку информация, которую содержит в себе граф, имеет в основном топологический характер, ни геометрические размеры, ни расположение элементов диаграмм (за некоторыми исключениями, такими как диаграмма последовательностей с метрической осью времени) не имеют принципиального значения.

Для диаграмм языка UML существуют три типа визуальных обозначений, которые важны с точки зрения заключенной в них информации:

Связи, которые представляются различными линиями на плоскости. Связи в языке UML обобщают понятие дуг и ребер из теории графов, но имеют менее формальный характер.

Текст, который содержится внутри границ отдельных геометрических фигур на плоскости. При этом форма этих фигур (прямоугольник, эллипс) соответствует некоторым элементам языка UML (класс, вариант использования) и имеет фиксированную семантику.

Графические символы, изображаемые вблизи от тех или иных визуальных элементов диаграмм.

Таким образом, в языке UML используется четыре основных вида графических конструкций:

Значки или пиктограммы. Значок представляет собой графическую фигуру фиксированного размера и формы. Она не может увеличивать свои размеры, чтобы разместить внутри себя дополнительные символы. Значки могут размещаться как внутри других графических конструкций, так и вне их. Примерами значков могут служить окончания связей элементов диаграмм или некоторые другие дополнительные обозначения (украшения).

Графические символы на плоскости. Такие двумерные символы изображаются с помощью некоторых геометрических фигур и могут иметь различную высоту и ширину с целью размещения внутри этих фигур других конструкций языка UML. Наиболее часто внутри таких символов помещаются строки текста, которые уточняют семантику или фиксируют отдельные свойства соответствующих элементов языка UML. Информация, содержащаяся внутри фигур, имеет важное значение для конкретной модели проектируемой системы, поскольку регламентирует реализацию соответствующих элементов в программном коде.

Пути, которые представляют собой последовательности из отрезков линий, соединяющих отдельные графические символы. При этом концевые точки отрезков линий должны обязательно соприкасаться с геометрическими фигурами, служащими для обозначения вершин диаграмм, как принято в теории графов (см. главу 2). С концептуальной точки зрения путям в языке UML придается особое значение, поскольку они являются простыми топологическими сущностями. С другой стороны, отдельные части пути или сегменты могут не существовать сами по себе вне содержащего их пути. Пути всегда соприкасаются с другими графическими символами на обеих границах соответствующих отрезков линий. Другими словами, пути не могут обрываться на диаграмме линией, которая не соприкасается ни с одним графическим символом. Как отмечалось выше, пути могут иметь в качестве окончания или терминатора специальную графическую фигуру - значок, который изображается на одном из концов линий, являющихся сегментами этого пути.

Строки текста. Служат для представления различных видов информации в некоторой грамматической форме. Предполагается, что каждое использование строки текста должно соответствовать синтаксису в нотации языка UML, посредством которого может быть реализован грамматический разбор этой строки. Последний необходим для получения полной информации о модели. Например, строки текста в различных секциях обозначения класса могут соответствовать атрибутам этого класса или его операциям. На использование строк накладывается важное условие - семантика всех допустимых символов должна быть заранее определена в языке UML или служить предметом его расширения в конкретной модели.

При графическом изображении диаграмм следует придерживаться следующих основных рекомендаций:

Каждая диаграмма должна служить законченным представлением соответствующего фрагмента моделируемой предметной области. Речь идет о том, что в процессе разработки диаграммы необходимо учесть все сущности, важные с точки зрения контекста данной модели и диаграммы. Отсутствие тех или иных элементов на диаграмме служит признаком неполноты модели и может потребовать ее последующей доработки.

Все сущности на диаграмме модели должны быть одного концептуального уровня. Здесь имеется в виду согласованность не только имен одинаковых элементов, но и возможность вложения отдельных диаграмм друг в друга для достижения полноты представлений. В случае достаточно сложных моделей систем желательно придерживаться стратегии последовательного уточнения или детализации отдельных диаграмм.

Вся информация о сущностях должна быть явно представлена на диаграммах. Речь идет о том, что, хотя в языке UML при отсутствии некоторых символов на диаграмме могут быть использованы их значения по умолчанию (например, в случае неявного указания видимости атрибутов и операций классов), необходимо стремиться к явному указанию свойств всех элементов диаграмм.

Диаграммы не должны содержать противоречивой информации. Противоречивость модели может служить причиной серьезнейших проблем при ее реализации и последующем использовании на практике. Например, наличие замкнутых путей при изображении отношений агрегирования или композиции приводит к ошибкам в программном коде, который будет реализовывать соответствующие классы. Наличие элементов с одинаковыми именами и различными атрибутами свойств в одном пространстве имен также приводит к неоднозначной интерпретации и может служить источником проблем.

Диаграммы не следует перегружать текстовой информацией. Принято считать, что визуализация модели является наиболее эффективной, если она содержит минимум пояснительного текста. Как правило, наличие больших фрагментов развернутого текста служит признаком недостаточной проработанности модели или ее неоднородности, когда в рамках одной модели представляется различная по характеру информация. Поскольку общая декомпозиция модели на отдельные типы диаграмм способна удовлетворить самые детальные представления разработчиков о системе, важно уметь правильно отображать те или иные сущности и аспекты моделирования в соответствующие элементы канонических диаграмм.

Каждая диаграмма должна быть самодостаточной для правильной интерпретации всех ее элементов и понимания семантики всех используемых графических символов. Любые пояснительные тексты, которые не являются собственными элементами диаграммы (например, комментариями), не должны приниматься во внимание разработчиками. В то же время отдельные достаточно общие фрагменты диаграмм могут уточняться или детализироваться на других диаграммах этого же типа, образуя вложенные или подчиненные диаграммы. Таким образом, модель системы на языке UML представляет собой пакет иерархически вложенных диаграмм, детализация которых должна быть достаточной для последующей генерации программного кода, реализующего проект соответствующей системы.

Количество типов диаграмм для конкретной модели приложения не является строго фиксированным. Речь идет о том, что для простых приложений нет необходимости строить все без исключения типы диаграмм. Некоторые из них могут просто отсутствовать в проекте системы, и этот факт не будет считаться ошибкой разработчика. Например, модель системы может не содержать диаграмму развертывания для приложения, выполняемого локально на компьютере пользователя. Важно понимать, что перечень диаграмм зависит от специфики конкретного проекта системы.

Любая из моделей системы должна содержать только те элементы, которые определены в нотации языка UML. Имеется в виду требование начинать разработку проекта, используя только те конструкции, которые уже определены в метамодели UML. Как показывает практика, этих конструкций вполне достаточно для представления большинства типовых проектов программных систем. И только в случае отсутствия необходимых базовых элементов языка UML следует использовать механизмы их расширения для адекватного представления конкретной модели системы. При этом не допускается какое бы то ни было переопределение семантики тех элементов, которые отнесены к базовой нотации метамодели языка UML.

Процесс построения отдельных типов диаграмм имеет свои особенности, которые тесно связаны с семантикой элементов этих диаграмм. Сам процесс ООАП в контексте языка UML получил специальное название - рациональный унифицированный процесс (Rational Unified Process, RUP). Концепция RUP и основные его элементы разработаны А. Джекобсоном в ходе его работы над языком UML.

Суть концепции RUP заключается в последовательной декомпозиции или разбиении процесса ООАП на отдельные этапы, на каждом из которых осуществляется разработка соответствующих типов канонических диаграмм модели системы. При этом на начальных этапах RUP строятся логические представления статической модели структуры системы, затем - логические представления модели поведения, и лишь после этого - физические представления модели системы. Как нетрудно заметить, в результате RUP должны быть построены канонические диаграммы на языке UML, при этом последовательность их разработки в основном совпадает с их последовательной нумерацией.

Лекция 4

Диаграмма вариантов использования (use case diagram)

Визуальное моделирование в UML можно представить как некоторый процесс поуровневого спуска от наиболее общей и абстрактной концептуальной модели исходной системы к логической, а затем и к физической модели соответствующей программной системы. Для достижения этих целей вначале строится модель в форме так называемой диаграммы вариантов использования (use case diagram), которая описывает функциональное назначение системы или, другими словами, то, что система будет делать в процессе своего функционирования. Диаграмма вариантов использования является исходным концептуальным представлением или концептуальной моделью системы в процессе ее проектирования и разработки.

Разработка диаграммы вариантов использования преследует цели:

Определить общие границы и контекст моделируемой предметной области на начальных этапах проектирования системы.

Сформулировать общие требования к функциональному поведению проектируемой системы.

Разработать исходную концептуальную модель системы для ее последующей детализации в форме логических и физических моделей.

Подготовить исходную документацию для взаимодействия разработчиков системы с ее заказчиками и пользователями.

Суть данной диаграммы состоит в следующем: проектируемая система представляется в виде множества сущностей или актеров, взаимодействующих с системой с помощью так называемых вариантов использования. При этом актером (actor) или действующим лицом называется любая сущность, взаимодействующая с системой извне. Это может быть человек, техническое устройство, программа или любая другая система, которая может служить источником воздействия на моделируемую систему так, как определит сам разработчик. В свою очередь, вариант использования (use case) служит для описания сервисов, которые система предоставляет актеру. Другими словами, каждый вариант использования определяет некоторый набор действий, совершаемый системой при диалоге с актером. При этом ничего не говорится о том, каким образом будет реализовано взаимодействие актеров с системой.

В самом общем случае, диаграмма вариантов использования представляет собой граф специального вида, который является графической нотацией для представления конкретных вариантов использования, актеров, возможно некоторых интерфейсов, и отношений между этими элементами. При этом отдельные компоненты диаграммы могут быть заключены в прямоугольник, который обозначает проектируемую систему в целом. Следует отметить, что отношениями данного графа могут быть только некоторые фиксированные типы взаимосвязей между актерами и вариантами использования, которые в совокупности описывают сервисы или функциональные требования к моделируемой системе.

Рациональный унифицированный процесс разработки модели сложной системы представляет собой разбиение ее на составные части с минимумом взаимных связей на основе выделения пакетов. В самом языке UML пакет Варианты использования является подпакетом пакета Элементы поведения. Последний специфицирует понятия, при помощи которых определяют функциональность моделируемых систем. Элементы пакета вариантов использования являются первичными по отношению к тем, с помощью которых могут быть описаны сущности, такие как системы и подсистемы. Однако внутренняя структура этих сущностей никак не описывается. Базовые элементы этого пакета - вариант использования и актер.

Вариант использования

Конструкция или стандартный элемент языка UML вариант использования применяется для спецификации общих особенностей поведения системы или любой другой сущности предметной области без рассмотрения внутренней структуры этой сущности. Каждый вариант использования определяет последовательность действий, которые должны быть выполнены проектируемой системой при взаимодействии ее с соответствующим актером. Диаграмма вариантов может дополняться пояснительным текстом, который раскрывает смысл или семантику составляющих ее компонентов. Такой пояснительный текст получил название примечания или сценария.

Отдельный вариант использования обозначается на диаграмме эллипсом, внутри которого содержится его краткое название или имя в форме глагола с пояснительными словами (рис. 11).



Рис. 11.Графическое обозначение варианта использования

Цель варианта использования заключается в том, чтобы определить законченный аспект или фрагмент поведения некоторой сущности без раскрытия внутренней структуры этой сущности. В качестве такой сущности может выступать исходная система или любой другой элемент модели, который обладает собственным поведением, подобно подсистеме или классу в модели системы.

Каждый вариант использования соответствует отдельному сервису, который предоставляет моделируемую сущность или систему по запросу пользователя (актера), т. е. определяет способ применения этой сущности. Сервис, который инициализируется по запросу пользователя, представляет собой законченную последовательность действий. Это означает, что после того как система закончит обработку запроса пользователя, она должна возвратиться в исходное состояние, в котором готова к выполнению следующих запросов.

Варианты использования описывают не только взаимодействия между пользователями и сущностью, но также реакции сущности на получение отдельных сообщений от пользователей и восприятие этих сообщений за пределами сущности. Варианты использования могут включать в себя описание особенностей способов реализации сервиса и различных исключительных ситуаций, таких как корректная обработка ошибок системы. Множество вариантов использования в целом должно определять все возможные стороны ожидаемого поведения системы. Для удобства множество вариантов использования может рассматриваться как отдельный пакет.

С системно-аналитической точки зрения варианты использования могут применяться как для спецификации внешних требований к проектируемой системе, так и для спецификации функционального поведения уже существующей системы. Кроме этого, варианты использования неявно устанавливают требования, определяющие, как пользователи должны взаимодействовать с системой, чтобы иметь возможность корректно работать с предоставляемыми данной системой сервисами!

Каждый выполняемый вариантом использования метод реализуется как неделимая транзакция, т. е. выполнение сервиса не может быть прервано никаким другим экземпляром варианта использования.

Применение вариантов использования на всех уровнях диаграммы позволяет не только достичь требуемого уровня унификации обозначений для представления функциональности подсистем и системы в целом, но и является мощным средством последовательного уточнения требований к проектируемой системе на основе полууровневого спуска от пакетов системы к операциям классов. С другой стороны, модификация отдельных операций класса может оказать обратное влияние на уточнение сервиса соответствующего варианта использования, т. е. реализовать эффект обратной связи с целью уточнения спецификаций или требований на уровне пакетов системы.

В метамодели UML вариант использования является подклассом классификатора, который описывает последовательности действий, выполняемых отдельным экземпляром варианта использования. Эти действия включают изменения состояния и взаимодействия со средой варианта использования. Эти последовательности могут описываться различными способами, включая такие, как графы деятельности и автоматы.

Примерами вариантов использования могут являться следующие действия: проверка состояния текущего счета клиента, оформление заказа на покупку товара, получение дополнительной информации о кредитоспособности клиента, отображение графической формы на экране монитора и другие действия.

Актеры

Актер представляет собой любую внешнюю по отношению к моделируемой системе сущность, которая взаимодействует с системой и использует ее функциональные возможности для достижения определенных целей или решения частных задач. При этом актеры служат для обозначения согласованного множества ролей, которые могут играть пользователи в процессе взаимодействия с проектируемой системой. Каждый актер может рассматриваться как некая отдельная роль относительно конкретного варианта использования. Стандартным графическим обозначением актера на диаграммах является фигурка "человечка", под которой записывается конкретное имя актера (рис. 12).



Рис. 12.Графическое обозначение актера

В некоторых случаях актер может обозначаться в виде прямоугольника класса с ключевым словом "актер" и обычными составляющими элементами класса. Имена актеров должны записываться заглавными буквами и следовать рекомендациям использования имен для типов и классов модели. При этом символ отдельного актера связывает соответствующее описание актера с конкретным именем. Имена абстрактных актеров, как и других абстрактных элементов языка UML, рекомендуется обозначать курсивом.

Имя актера должно быть достаточно информативным с точки зрения семантики. Вполне подходят для этой цели наименования должностей в компании (например, продавец, кассир, менеджер, президент). Не рекомендуется давать актерам имена собственные (например, "О.Бендер") или моделей конкретных устройств (например, "маршрутизатор Cisco 3640"), даже если это с очевидностью следует из контекста проекта. Дело в том, что одно и то же лицо может выступать в нескольких ролях и, соответственно, обращаться к различным сервисам системы.

Примерами актеров могут быть: клиент банка, банковский служащий, продавец магазина, менеджер отдела продаж, пассажир авиарейса, водитель автомобиля, администратор гостиницы, сотовый телефон и другие сущности, имеющие отношение к концептуальной модели соответствующей предметной области.

В метамодели актер является подклассом классификатора. Актеры могут взаимодействовать с множеством вариантов использования и иметь множество интерфейсов, каждый из которых может представлять особенности взаимодействия других элементов с отдельными актерами.

Актеры используются для моделирования внешних по отношению к проектируемой системе сущностей, которые взаимодействуют с системой и используют ее в качестве отдельных пользователей. В качестве актеров могут выступать другие системы, подсистемы проектируемой системы или отдельные классы. Важно понимать, что каждый актер определяет некоторое согласованное множество ролей, в которых могут выступать пользователи данной системы в процессе взаимодействия с ней. В каждый момент времени с системой взаимодействует вполне определенный пользователь, при этом он играет или выступает в одной из таких ролей. Наиболее наглядный пример актера - конкретный пользователь системы со своими собственными параметрами аутентификации.

Любая сущность, которая согласуется с подобным неформальным определением актера, представляет собой экземпляр или пример актера. Для моделируемой системы актерами могут быть как субъекты-пользователи, так и другие системы. Поскольку пользователи системы всегда являются внешними по отношению к этой системе, то они всегда представляются в виде актеров.

Так как в общем случае актер всегда находится вне системы, его внутренняя структура никак не определяется. Для актера имеет значение только его внешнее представление, т. е. то, как он воспринимается со стороны системы. Актеры взаимодействуют с системой посредством передачи и приема сообщений от вариантов использования. Сообщение представляет собой запрос актером сервиса от системы и получение этого сервиса. Это взаимодействие может быть выражено посредством ассоциаций между отдельными актерами и вариантами использования или классами. Кроме этого, с актерами могут быть связаны интерфейсы, которые определяют, каким образом другие элементы модели взаимодействуют с этими актерами.

Два и более актера могут иметь общие свойства, т. е. взаимодействовать с одним и тем же множеством вариантов использования одинаковым образом. Такая общность свойств и поведения представляется в виде рассматриваемого ниже отношения обобщения с другим, возможно, абстрактным актером, который моделирует соответствующую общность ролей.

Интерфейсы

Интерфейс (interface) служит для спецификации параметров модели, которые видимы извне без указания их внутренней структуры. В языке UML интерфейс является классификатором и характеризует только ограниченную часть поведения моделируемой сущности. Применительно к диаграммам вариантов использования, интерфейсы определяют совокупность операций, которые обеспечивают необходимый набор сервисов или функциональности для актеров. Интерфейсы не могут содержать ни атрибутов, ни состояний, ни направленных ассоциаций. Они содержат только операции без указания особенностей их реализации. Формально интерфейс эквивалентен абстрактному классу без атрибутов и методов с наличием только абстрактных операций.

На диаграмме вариантов использования интерфейс изображается в виде маленького круга, рядом с которым записывается его имя (рис. 13, а). В качестве имени может быть существительное, которое характеризует соответствующую информацию или сервис (например, "датчик", "сирена", "видеокамера"), но чаще строка текста (например, "запрос к базе данных", "форма ввода", "устройство подачи звукового сигнала"). Если имя записывается на английском, то оно должно начинаться с заглавной буквы I, например, ISecurelnformation, ISensor (рис. 13, б).



Рис. 13.Графическое изображение интерфейсов на диаграммах вариантов использования

Имена интерфейсов подчиняются общим правилам наименования компонентов языка UML, т. е. имя может состоять из любого числа букв, цифр и некоторых знаков препинания, таких как двойное двоеточие "::". Последний символ используется для более сложных имен, включающих в себя не только имя самого интерфейса (после знака), но и имя сущности, которая включает в себя данный интерфейс (перед знаком). Примерами таких имен являются: "Сеть предприятия сервер" для указания на сервер сети предприятия или "Система аутентификации клиентов::форма ввода пароля".

Графический символ отдельного интерфейса может соединяться на диаграмме сплошной линией с тем вариантом использования, который его поддерживает. Сплошная линия в этом случае указывает на тот факт, что связанный с интерфейсом вариант использования должен реализовывать все операции, необходимые для данного интерфейса, а возможно и больше (рис. 14, а). Кроме этого, интерфейсы могут соединяться с вариантами использования пунктирной линией со стрелкой (рис. 14, б), означающей, что вариант использования предназначен для спецификации только того сервиса, который необходим для реализации данного интерфейса.



Рис. 14.Графическое изображение взаимосвязей интерфейсов с вариантами использования

С системно-аналитической точки зрения интерфейс не только отделяет спецификацию операций системы от их реализации, но и определяет общие границы проектируемой системы. В последующем интерфейс может быть уточнен явным указанием тех операций, которые специфицируют отдельный аспект поведения системы. В этом случае он изображается в форме прямоугольника класса с ключевым словом "interface" в секции имени, с пустой секцией атрибутов и с непустой секцией операций. Однако подобное графическое представление используется на диаграммах классов или диаграммах, характеризующих поведение моделируемой системы.

Важность интерфейсов заключается в том, что они определяют стыковочные узлы в проектируемой системе, что совершенно необходимо для организации коллективной работы над проектом. Более того, спецификация интерфейсов способствует "безболезненной" модификации уже существующей системы при переходе на новые технологические решения. В этом случае изменению подвергается только реализация операций, но никак не функциональность самой системы. А это обеспечивает совместимость последующих версий программ с первоначальными при спиральной технологии разработки программных систем.

Примечания

Примечания (notes) в языке UML предназначены для включения в модель произвольной текстовой информации, имеющей непосредственное отношение к контексту разрабатываемого проекта. В качестве такой информации могут быть комментарии разработчика (например, дата и версия разработки диаграммы или ее отдельных компонентов), ограничения (например, на значения отдельных связей или экземпляры сущностей) и помеченные значения. Применительно к диаграммам вариантов использования примечание может носить самую общую информацию, относящуюся к общему контексту системы.

Графически примечания обозначаются прямоугольником с "загнутым" верхним правым уголком (рис. 15). Внутри прямоугольника содержится текст примечания. Примечание может относиться к любому элементу диаграммы, в этом случае их соединяет пунктирная линия. Если примечание относится к нескольким элементам, то от него проводятся, соответственно, несколько линий. Разумеется, примечания могут присутствовать не только на диаграмме вариантов использования, но и на других канонических диаграммах.



Рис. 15.Примеры примечаний в языке UML

Если в примечании указывается ключевое слово "constraint", то данное примечание является ограничением, налагаемым на соответствующий элемент модели, но не на саму диаграмму. При этом запись ограничения заключается в фигурные скобки и должна соответствовать правилам правильного построения выражений языка ОСL. Однако для диаграмм вариантов использования ограничения включать в модели не рекомендуется, поскольку они достаточно жестко регламентируют отдельные аспекты системы. Подобная регламентация противоречит неформальному характеру общей модели системы, в качестве которой выступает диаграмма вариантов использования.

Отношения на диаграмме вариантов использования

Между компонентами диаграммы вариантов использования могут существовать различные отношения, которые описывают взаимодействие экземпляров одних актеров и вариантов использования с экземплярами других актеров и вариантов. Один актер может взаимодействовать с несколькими вариантами использования. В этом случае этот актер обращается к нескольким сервисам данной системы. В свою очередь один вариант использования может взаимодействовать с несколькими актерами, предоставляя для всех них свой сервис. Следует заметить, что два варианта использования, определенные для одной и той же сущности, не могут взаимодействовать друг с другом, поскольку каждый из них самостоятельно описывает законченный вариант использования этой сущности. Более того, варианты использования всегда предусматривают некоторые сигналы или сообщения, когда взаимодействуют с актерами за пределами системы. В то же время могут быть определены другие способы для взаимодействия с элементами внутри системы.

В языке UML имеется несколько стандартных видов отношений между актерами и вариантами использования:

Отношение ассоциации (association relationship)

Отношение расширения (extend relationship)

Отношение обобщения (generalization relationship)

Отношение включения (include relationship)

При этом общие свойства вариантов использования могут быть представлены тремя различными способами, а именно с помощью отношений расширения, обобщения и включения.

Отношение ассоциации

Отношение ассоциации является одним из фундаментальных понятий в языке UML и в той или иной степени используется при построении всех графических моделей систем в форме канонических диаграмм.

Применительно к диаграммам вариантов использования оно служит для обозначения специфической роли актера в отдельном варианте использования. Другими словами, ассоциация специфицирует семантические особенности взаимодействия актеров и вариантов использования в графической модели системы. Таким образом, это отношение устанавливает, какую конкретную роль играет актер при взаимодействии с экземпляром варианта использования. На диаграмме вариантов использования, так же как и на других диаграммах, отношение ассоциации обозначается сплошной линией между актером и вариантом использования. Эта линия может иметь дополнительные условные обозначения, такие, например, как имя и кратность (рис. 16).



Рис. 16.Пример графического представления отношения ассоциации между актером и вариантом использования

Кратность (multiplicity) ассоциацииуказывается рядом с обозначением компонента диаграммы, который является участником данной ассоциации. Кратность характеризует общее количество конкретных экземпляров данного компонента, которые могут выступать в качестве элементов данной ассоциации. Применительно к диаграммам вариантов использования кратность имеет специальное обозначение в форме одной или нескольких цифр и, возможно, специального символа "*" (звездочка).

Катностьпредставляет собой мощность множества экземпляров сущности, участвующей в данной ассоциации. Что касается самого понятия ассоциации, то это одна из наиболее общих форм отношений в языке UML.

Для диаграмм вариантов использования наиболее распространенными являются четыре основные формы записи кратности отношения ассоциации:

Целое неотрицательное число (включая цифру 0). Предназначено для указания кратности, которая является строго фиксированной для элемента соответствующей ассоциации. В этом случае количество экземпляров актеров или вариантов использования, которые могут выступать в качестве элементов отношения ассоциации, в точности равно указанному числу.

Примером этой формы записи кратности ассоциации является указание кратности "1" для актера "Клиент банка" (рис. 4.6). Эта запись означает, что каждый экземпляр варианта использования "Оформить кредит для клиента банка" может иметь в качестве своего элемента единственный экземпляр актера "Клиент банка". Другими словами, при оформлении кредита в банке необходимо иметь в виду, что каждый конкретный кредит оформляется на единственного клиента этого банка.

Два целых неотрицательных числа, разделенные двумя точками и записанные в виде: "первое число .. второе число". Данная запись в языке UML соответствует нотации для множества или интервала целых чисел, которая применяется в некоторых языках программирования для обозначения границ массива элементов. Эту запись следует понимать как множество целых неотрицательных чисел, следующих в последовательно возрастающем порядке:

{первое_число, первое_число+1, первое_число+2, ..., второе_число]. Очевидно, что первое число должно быть строго меньше второго числа в арифметическом смысле, при этом первое число может быть равно 0.

Пример такой формы записи кратности ассоциации - "1..5". Эта запись означает, что количество отдельных экземпляров данного компонента, которые могут выступать в качестве элементов данной ассоциации, равно некоторому заранее неизвестному числу из множества целых чисел {1, 2, 3, 4, 5}. Эта ситуация может иметь место, например, в случае рассмотрения в качестве актера - клиента банка, а в качестве варианта использования - процедуру открытия счета в банке. При этом количество отдельных счетов каждого клиента в данном банке, исходя из некоторых дополнительных соображений, может быть не больше 5. Эти дополнительные соображения как раз и являются внешними требованиями по отношению к проектируемой системе и определяются ее заказчиком на начальных этапах ООАП.

Два символа, разделенные двумя точками. При этом первый из них является целым неотрицательным числом или 0, а второй - специальным символом "*". Здесь символ "*"обозначает произвольное конечное целое неотрицательное число, значение которого неизвестно на момент задания соответствующего отношения ассоциации.

Пример такой формы записи кратности ассоциации - "2..*". Запись означает, что количество отдельных экземпляров данного компонента, которые могут выступать в качестве элементов данной ассоциации, равно некоторому заранее неизвестному числу из подмножества натуральных чисел: {2, 3, 4}.

Единственный символ "*", который является сокращением записи интервала "0..*". В этом случае количество отдельных экземпляров данного компонента отношения ассоциации может быть любым целым неотрицательным числом. При этом 0 означает, что для некоторых экземпляров соответствующего компонента данное отношение ассоциации может вовсе не иметь места.

В качестве примера этой записи можно привести кратность отношения ассоциации для варианта использования "Оформить кредит для клиента банка" (рис. 16). Здесь кратность "*" означает, что каждый отдельный клиент банка может оформить для себя несколько кредитов, при этом их общее число заранее неизвестно и ничем не ограничивается. При этом некоторые клиенты могут совсем не иметь оформленных на свое имя кредитов (вариант значения 0).

Если кратность отношения ассоциации не указана, то по умолчанию принимается ее значение, равное 1.

Более детальное описание семантических особенностей отношения ассоциации будет дано при рассмотрении других диаграмм в последующих главах книги.

Отношение расширения

Отношение расширения определяет взаимосвязь экземпляров отдельного варианта использования с более общим вариантом, свойства которого определяются на основе способа совместного объединения данных экземпляров. В метамодели отношение расширения является направленным и указывает, что применительно к отдельным примерам некоторого варианта использования должны быть выполнены конкретные условия, определенные для расширения данного варианта использования. Так, если имеет место отношение расширения от варианта использования А к варианту использования В, то это означает, что свойства экземпляра варианта использования В могут быть дополнены благодаря наличию свойств у расширенного варианта использования А.

Отношение расширения между вариантами использования обозначается пунктирной линией со стрелкой (вариант отношения зависимости), направленной от того варианта использования, который является расширением для исходного варианта использования. Данная линия со стрелкой помечается ключевым словом "extend" ("расширяет"), как показано на рис. 17.



Рис. 17.Пример графического изображения отношения расширения между вариантами использования

Отношение расширения отмечает тот факт, что один из вариантов использования может присоединять к своему поведению некоторое дополнительное поведение, определенное для другого варианта использования. Данное отношение включает в себя некоторое условие и ссылки на точки расширения в базовом варианте использования. Чтобы расширение имело место, должно быть выполнено определенное условие данного отношения. Ссылки на точки расширения определяют те места в базовом варианте использования, в которые должно быть помещено соответствующее расширение при выполнении условия.

Один из вариантов использования может быть расширением для нескольких базовых вариантов, а также иметь в качестве собственных расширений несколько других вариантов. Базовый вариант использования может дополнительно никак не зависеть от своих расширений.

Семантика отношения расширения определяется следующим образом. Если экземпляр варианта использования выполняет некоторую последовательность действий, которая определяет его поведение, и при этом имеется точка расширения на экземпляр другого варианта использования, которая является первой из всех точек расширения у исходного варианта, то проверяется условие данного отношения. Если условие выполняется, исходная последовательность действий расширяется посредством включения действий экземпляра другого варианта использования. Следует заметить, что условие отношения расширения проверяется лишь один раз - при первой ссылке на точку расширения, и если оно выполняется, то все расширяющие варианты использования вставляются в базовый вариант.

В представленном выше примере (рис. 17) при оформлении заказа на приобретение товара только в некоторых случаях может потребоваться предоставление клиенту каталога всех товаров. При этом условием расширения является запрос от клиента на получение каталога товаров. Очевидно, что после получения каталога клиенту необходимо некоторое время на его изучение, в течение которого оформление заказа приостанавливается. После ознакомления с каталогом клиент решает либо в пользу выбора отдельного товара, либо отказа от покупки вообще. Сервис или вариант использования "Оформить заказ на приобретение товара" может отреагировать на выбор клиента уже после того, как клиент получит для ознакомления каталог товаров.



Рис. 18.Графическое изображение отношения расширения с примечаниями условий выполнения вариантов использования

Точка расширения может быть как отдельной точкой в последовательности действий, так и множеством отдельных точек. Важно представлять себе, что если отношение расширения имеет некоторую последовательность точек расширения, только первая из них может определять множество отдельных точек. Все остальные должны определять в точности одну такую точку. Какая из точек должна быть первой точкой расширения, т. е. определяться единственным расширением. Такие ссылки на расположение точек расширения могут быть представлены различными способами, например, с помощью текста примечания на естественном языке (рис. 18), пред- и постусловий, а также с использованием имен состояний в автомате.

Отношение обобщения

Отношение обобщения служит для указания того факта, что некоторый вариант использования А может быть обобщен до варианта использования В. В этом случае вариант А будет являться специализацией варианта В. При этом В называется предком или родителем по отношению А, а вариант А - потомком по отношению к варианту использования В. Следует подчеркнуть, что потомок наследует все свойства и поведение своего родителя, а также может быть дополнен новыми свойствами и особенностями поведения. Графически данное отношение обозначается сплошной линией со стрелкой в форме незакрашенного треугольника, которая указывает на родительский вариант использования (рис. 19). Эта линия со стрелкой имеет специальное название - стрелка "обобщение".



Рис. 19. Пример графического изображения отношения обобщения между вариантами использования

Отношение обобщения между вариантами использования применяется в том случае, когда необходимо отметить, что дочерние варианты использования обладают всеми атрибутами и особенностями поведения родительских вариантов. При этом дочерние варианты использования участвуют во всех отношениях родительских вариантов. В свою очередь, дочерние варианты могут наделяться новыми свойствами поведения, которые отсутствуют у родительских вариантов использования, а также уточнять или модифицировать наследуемые от них свойства поведения.

Применительно к данному отношению, один вариант использования может иметь несколько родительских вариантов. В этом случае реализуется множественное наследование свойств и поведения отношения предков: С другой стороны, один вариант использования может быть предком для нескольких дочерних вариантов, что соответствует таксономическому характеру отношения обобщения.

Между отдельными актерами также может существовать отношение обобщения. Данное отношение является направленным и указывает на факт специализации одних актеров относительно других. Например, отношение обобщения от актера А к актеру В отмечает тот факт, что каждый экземпляр актера А является одновременно экземпляром актера В и обладает всеми его свойствами. В этом случае актер В является родителем по отношению к актеру А, а актер А, соответственно, потомком актера В. При этом актер А обладает способностью играть такое же множество ролей, что и актер В. Графически данное отношение также обозначается стрелкой обобщения, т. е. сплошной линией со стрелкой в форме незакрашенного треугольника, которая указывает на родительского актера (рис. 20).



Рис. 20.Пример графического изображения отношения обобщения между актерами

Отношение включения

Отношение включения между двумя вариантами использования указывает, что некоторое заданное поведение для одного варианта использования включается в качестве составного компонента в последовательность поведения другого варианта использования. Данное отношение является направленным бинарным отношением в том смысле, что пара экземпляров вариантов использования всегда упорядочена в отношении включения.

Семантика этого отношения определяется следующим образом. Когда экземпляр первого варианта использования в процессе своего выполнения достигает точки включения в последовательность поведения экземпляра второго варианта использования, экземпляр первого варианта использования выполняет последовательность действий, определяющую поведение экземпляра второго варианта использования, после чего продолжает выполнение действий своего поведения. При этом предполагается, что даже если экземпляр первого варианта использования может иметь несколько включаемых в себя экземпляров других вариантов, выполняемые ими действия должны закончиться к некоторому моменту, после чего должно быть продолжено выполнение прерванных действий экземпляра первого варианта использования в соответствии с заданным для него поведением.

Один вариант использования может быть включен в несколько других вариантов, а также включать в себя другие варианты. Включаемый вариант использования может быть независимым от базового варианта в том смысле, что он предоставляет последнему некоторое инкапсулированное поведение, детали реализации которого скрыты от последнего и могут быть легко перераспределены между несколькими включаемыми вариантами использования. Более того, базовый вариант может зависеть только от результатов выполнения включаемого в него поведения, но не от структуры включаемых в него вариантов.

Отношение включения, направленное от варианта использования А к варианту использования В, указывает, что каждый экземпляр варианта А включает в себя функциональные свойства, заданные для варианта В. Эти свойства специализируют поведение соответствующего варианта А на данной диаграмме. Графически данное отношение обозначается пунктирной линией со стрелкой (вариант отношения зависимости), направленной от базового варианта использования к включаемому. При этом данная линия со стрелкой помечается ключевым словом "include" ("включает"), как показано на рис. 21.



Рис. 21.Пример графического изображения отношения включения между вариантами использования

Три последних отношения могут существовать только между вариантами использования, которые определены для одной и той же сущности. Причина этого заключается в том, что поведение некоторой сущности обусловлено вариантами использования только этой сущности. Другими словами, все экземпляры варианта использования выполняются лишь внутри данной сущности. Если некоторый вариант использования должен иметь отношение обобщения, включения или расширения с вариантом использования другой сущности, получаемые в результате экземпляры вариантов должны быть включены в обе сущности, что противоречит семантическим правилам представления элементов языка UML. Однако эти отношения, определенные в пределах одной сущности, могут быть использованы в пределах другой сущности, если обе сущности связаны между собой отношением обобщения. В этом случае поведение соответствующих вариантов использования подчиняется общим правилам наследования свойств и поведения сущности-предка всеми дочерними сущностями.

Лекция 5.

Диаграмма классов (class diagram)

Центральное место в ООАП занимает разработка логической модели системы в виде диаграммы классов. Нотация классов в языке UML проста и интуитивно понятна всем, кто когда-либо имел опыт работы с CASE-инструментариями. Схожая нотация применяется и для объектов - экземпляров класса, с тем различием, что к имени класса добавляется имя объекта и вся надпись подчеркивается.

Нотация UML предоставляет широкие возможности для отображения дополнительной информации (абстрактные операции и классы, стереотипы, общие и частные методы, детализированные интерфейсы, параметризованные классы). При этом возможно использование графических изображений для ассоциаций и их специфических свойств, таких как отношение агрегации, когда составными частями класса могут выступать другие классы.

Диаграмма классов (class diagram) служит для представления статической структуры модели системы в терминологии классов объектно-ориентированного программирования. Диаграмма классов может отражать, в частности, различные взаимосвязи между отдельными сущностями предметной области, такими как объекты и подсистемы, а также описывает их внутреннюю структуру и типы отношений. На данной диаграмме не указывается информация о временных аспектах функционирования системы. С этой точки зрения диаграмма классов является дальнейшим развитием концептуальной модели проектируемой системы.

Диаграмма классов представляет собой некоторый граф, вершинами которого являются элементы типа "классификатор", которые связаны различными типами структурных отношений. Следует заметить, что диаграмма классов может также содержать интерфейсы, пакеты, отношения и даже отдельные экземпляры, такие как объекты и связи. Когда говорят о данной диаграмме, имеют в виду статическую структурную модель проектируемой системы. Поэтому диаграмму классов принято считать графическим представленном таких структурных взаимосвязей логической модели системы, которые не зависят или инвариантны от времени.

Диаграмма классов состоит из множества элементов, которые в совокупности отражают декларативные знания о предметной области. Эти знания интерпретируются в базовых понятиях языка UML, таких как классы, интерфейсы и отношения между ними и их составляющими компонентами. При этом отдельные компоненты этой диаграммы могут образовывать пакеты для представления более общей модели системы. Если диаграмма классов является частью некоторого пакета, то ее компоненты должны соответствовать элементам этого пакета, включая возможные ссылки на элементы из других пакетов.

В общем случае пакет статической структурной модели может быть представлен в виде одной или нескольких диаграмм классов. Декомпозиция некоторого представления на отдельные диаграммы выполняется с целью удобства и графической визуализации структурных взаимосвязей предметной области. При этом компоненты диаграммы соответствуют элементам статической семантической модели. Модель системы, в свою очередь, должна быть согласована с внутренней структурой классов, которая описывается на языке UML.

Класс

Класс (class) в языке UML служит для обозначения множества объектов, которые обладают одинаковой структурой, поведением и отношениями с объектами из других классов. Графически класс изображается в виде прямоугольника, который дополнительно может быть разделен горизонтальными линиями на разделы или секции (рис. 22). В этих разделах могут указываться имя класса, атрибуты (переменные) и операции (методы).



Рис. 22.Графическое изображение класса на диаграмме классов

Обязательным элементом обозначения класса является его имя. На начальных этапах разработки диаграммы отдельные классы могут обозначаться простым прямоугольником с указанием только имени соответствующего класса (рис. 22, а). По мере проработки отдельных компонентов диаграммы описания классов дополняются атрибутами (рис. 22, б) и операциями (рис. 22, в).

Предполагается, что окончательный вариант диаграммы содержит наиболее полное описание классов, которые состоят из трех разделов или секций. Иногда в обозначениях классов используется дополнительный четвертый раздел, в котором приводится семантическая информация справочного характера или явно указываются исключительные ситуации.

Даже если секция атрибутов и операций является пустой, в обозначении класса она выделяется горизонтальной линией, чтобы сразу отличить класс от других элементов языка UML. Примеры графического изображения классов на диаграмме классов приведены на рис. 23. В первом случае для класса "Прямоугольник" (рис. 23, а) указаны только его атрибуты - точки на координатной плоскости, которые определяют его расположение. Для класса "Окно" (рис. 23, б) указаны только его операции, секция атрибутов оставлена пустой. Для класса "Счет" (рис. 23, в) дополнительно изображена четвертая секция, в которой указано исключение - отказ от обработки просроченной кредитной карточки.



Рис.23.Примеры графического изображения классов на диаграмме

Имя класса

Имя класса должно быть уникальным в пределах пакета, который описывается некоторой совокупностью диаграмм классов (возможно, одной диаграммой). Оно указывается в первой верхней секции прямоугольника. В дополнение к общему правилу наименования элементов языка UML, имя класса записывается по центру секции имени полужирным шрифтом и должно начинаться с заглавной буквы. Рекомендуется в качестве имен классов использовать существительные, записанные по практическим соображениям без пробелов. Необходимо помнить, что именно имена классов образуют словарь предметной области при ООАП.

В первой секции обозначения класса могут находиться ссылки на стандартные шаблоны или абстрактные классы, от которых образован данный класс и, соответственно, от которых он наследует свойства и методы. В этой секции может приводиться информация о разработчике данного класса и статус состояния разработки, а также могут записываться и другие общие свойства этого класса, имеющие отношение к другим классам диаграммы или стандартным элементам языка UML.

Примерами имен классов могут быть такие существительные, как "Сотрудник", "Компания", "Руководитель", "Клиент", "Продавец", "Менеджер", "Офис" и многие другие, имеющие непосредственное отношение к моделируемой предметной области и функциональному назначению проектируемой системы.

Класс может не иметь экземпляров или объектов. В этом случае он называется абстрактным классом, а для обозначения его имени используется наклонный шрифт (курсив). В языке UML принято общее соглашение о том, что любой текст, относящийся к абстрактному элементу, записывается курсивом. Данное обстоятельство является семантическим аспектом описания соответствующих элементов языка UML.

В некоторых случаях необходимо явно указать, к какому пакету относится тот или иной класс. Для этой цели используется специальный символ разделитель - двойное двоеточие "::". Синтаксис строки имени класса в этом случае будет следующий <Имя_пакета>::<Имя_класса>. Другими словами, перед именем класса должно быть явно указано имя пакета, к которому его следует отнести. Например, если определен пакет с именем "Банк", то класс "Счет" в этом банке может быть записан в виде: "Банк::Счет".

Атрибуты класса

Во второй сверху секции прямоугольника класса записываются его атрибуты (attributes) или свойства. В языке UML принята определенная стандартизация записи атрибутов класса, которая подчиняется некоторым синтаксическим правилам. Каждому атрибуту класса соответствует отдельная строка текста, которая состоит из квантора видимости атрибута, имени атрибута, его кратности, типа значений атрибута и, возможно, его исходного значения:

<квантор видимости><имя атрибута>[кратность]:

<тип атрибута> = <исходное значение>{строка-свойство}

Квантор видимостиможет принимать одно из трех возможных значений и, соответственно, отображается при помощи специальных символов:

Символ "+" обозначает атрибут с областью видимости типа общедоступный (public). Атрибут с этой областью видимости доступен или виден из любого другого класса пакета, в котором определена диаграмма.

Символ "#" обозначает атрибут с областью видимости типа защищенный (protected). Атрибут с этой областью видимости недоступен или невиден для всех классов, за исключением подклассов данного класса.

И, наконец, знак "-" обозначает атрибут с областью видимости типа закрытый (private). Атрибут с этой областью видимости недоступен или невиден для всех классов без исключения.

Квантор видимости может быть опущен. В этом случае его отсутствие просто означает, что видимость атрибута не указывается. Эта ситуация отличается от принятых по умолчанию соглашений в традиционных языках программирования, когда отсутствие квантора видимости трактуется как public или private. Однако вместо условных графических обозначений можно записывать соответствующее ключевое слово: public, protected, private.

Поскольку язык UML инвариантен относительно реализации своих конструкций в конкретных языках программирования, семантика отдельных кванторов видимости не является строго фиксированной. Значения этих кванторов должны дополнительно уточняться пояснительным текстом на естественном языке или соглашением по использованию соответствующих программно-зависимых синтаксических конструкций.

Имя атрибута представляет собой строку текста, которая используется в качестве идентификатора соответствующего атрибута и поэтому должна быть уникальной в пределах данного класса. Имя атрибута является единственным обязательным элементом синтаксического обозначения атрибута.

Кратность атрибутахарактеризует общее количество конкретных атрибутов данного типа, входящих в состав отдельного класса. В общем случае кратность записывается в форме строки текста в квадратных скобках после имени соответствующего атрибута:

[нижняя_граница1 .. верхняя_граница1, нижняя_граница2.. верхняя_грашца2, ..., нuжняя_гpaнuцak .. верхняя_границаk], где нижняя_граница и верхняя_граница являются положительными целыми числами, каждая пара которых служит для обозначения отдельного замкнутого интервала целых чисел, у которого нижняя (верхняя) граница равна значению нижняя_граница (верхняя_граница).

В целом данное условное обозначение кратности соответствует теоретико-множественному объединению соответствующих интервалов. В качестве верхней_границы может использоваться специальный символ "*", который означает произвольное положительное целое число. Другими словами, это означает неограниченное сверху значение кратности соответствующего атрибута.

Значения кратности из интервала следуют в монотонно возрастающем порядке без пропуска отдельных чисел, лежащих между нижней и верхней границами. При этом придерживаются следующего правила: соответствующие нижние и верхние границы интервалов включаются в значение кратности. Если в качестве кратности указывается единственное число, то кратность атрибута принимается равной данному числу. Если же указывается единственный знак "*", то это означает, что кратность атрибута может быть произвольным положительным целым числом или нулем.

В качестве примера рассмотрим следующие варианты задания кратности атрибутов.

[0..1] означает, что кратность атрибута может принимать значение О или 1. При этом 0 означает отсутствие значения для данного атрибута.

[0..*] означает, что кратность атрибута может принимать любое положительное целое значение большее или равное 0. Эта кратность может быть записана короче в виде простого символа - [*].

[1.:*] означает, что кратность атрибута может принимать любое положительное целое значение большее или равное 1.

[1..5] означает, что кратность атрибута может принимать любое значение из чисел: 1, 2, 3, 4, 5.

[1..3,5,7] означает, что кратность атрибута может принимать любое значение из чисел: 1, 2, 3, 5, 7.

[1..3,7.. 10] означает, что кратность атрибута может принимать любое значение из чисел: 1, 2, 3, 7, 8, 9, 10.

[1..3,7..*] означает, что кратность атрибута может принимать любое значение из чисел: 1, 2, 3, а также любое положительное целое значение большее или равное 7.

Если кратность атрибута не указана, то по умолчанию принимается ее значение равное 1..1, т. е. в точности 1.

Тип атрибутапредставляет собой выражение, семантика которого определяется языком спецификации соответствующей модели. В нотации UML тип атрибута иногда определяется в зависимости от языка программирования, который предполагается использовать для реализации данной модели. В простейшем случае тип атрибута указывается строкой текста, имеющей осмысленное значение в пределах пакета или модели, к которым относится рассматриваемый класс.

Можно привести следующие примеры задания имен и типов атрибутов классов:

цвет: Соlоr - здесь цвет является именем атрибута, Color - именем типа данного атрибута. Указанная запись может определять традиционно используемую RGB-модель (красный, зеленый, синий) для представления цвета. В этом случае имя типа Color как раз и характеризует семантическую конструкцию, которая применяется в большинстве языков программирования для представления цвета.

имя_сотрудника [1..2] : String - здесь имя_сотрудника является именем атрибута, который служит для представления информации об имени, а возможно, и отчестве конкретного сотрудника. Тип атрибута String (Строка) как раз и указывает на тот факт, что отдельное значение имени представляет собой строку текста из одного или двух слов (например, "Кирилл" или "Дмитрий Иванович"). Поскольку во многих языках программирования существует тип данных String, использование соответствующего англоязычного термина не вызывает недоразумения у большинства программистов. Однако, хотя в языке UML все термины даются в англоязычном представлении, использование в качестве типа атрибута Строка в данной ситуации не исключается и определяется только соображениями удобства.

видимость:Boolean- здесь видимость есть имя абстрактного атрибута (курсив здесь не случаен), который может характеризовать наличие визуального представления соответствующего класса на экране монитора. В этом случае тип Boolean означает, что возможными значениями данного атрибута является одно из двух логических значений: истина (true) или ложь (false). При этом значение истина может соответствовать наличию графического изображения на экране монитора, а значение ложь - его отсутствию, о чем дополнительно указывается в пояснительном тексте. Поскольку кратность атрибута видимость не указана, она принимает значение 1 по умолчанию. В этой ситуации англоязычное имя типа атрибута вполне оправдано наличием соответствующего базового типа в языках программирования. Абстрактный характер данного атрибута обозначается курсивным текстом в записи данного атрибута.

форма:Многоугольник - здесь имя атрибута форма может характеризовать такой класс, который является геометрической фигурой на плоскости. В этом случае тип атрибута Многоугольник указывает на тот факт, что отдельная геометрическая фигура может иметь форму треугольника, прямоугольника, ромба, пятиугольника и любого другого многоугольника, но не окружности или эллипса. Вполне очевидно, что в данной ситуации использование соответствующего англоязычного термина вряд ли целесообразно, поскольку тип Многоугольник не является базовым для языков программирования.

Исходное значение служит для задания некоторого начального значения для соответствующего атрибута в момент создания отдельного экземпляра класса. Здесь необходимо придерживаться правила принадлежности значения типу конкретного атрибута. Если исходное значение не указано, то значение соответствующего атрибута не определено на момент создания нового экземпляра класса. С другой стороны, конструктор соответствующего объекта может переопределять исходное значение в процессе выполнения программы, если в этом возникает необходимость.

В качестве примеров исходных значений атрибутов можно привести следующие дополненные выше варианты задания атрибутов:

цвет:Соlоr = (255, 0, 0) - в RGB-модели цвета это соответствует чистому красному цвету в качестве исходного значения для данного атрибута.

имя_сотрудника[1..2]:String = Иван Иванович - возможно, это нетипичный случай, который, скорее, соответствует ситуации имя_руководителя[2]:81пп§ = Иван Иванович.

видимость:Вооlеаn= истина - может соответствовать ситуации, когда в момент создания экземпляра класса создается видимое на экране монитора окно, соответствующее данному объекту.

форма:Многоугольник = прямоугольник - вряд ли требует комментариев, поскольку здесь речь идет о геометрической форме создаваемого объекта.

При задании атрибутов могут быть использованы две дополнительные синтаксические конструкции - это подчеркивание строки атрибута и пояснительный текст в фигурных скобках.

Подчеркивание строки атрибута означает, что соответствующий атрибут может принимать подмножество значений из некоторой области значений атрибута, определяемой его типом. Эти значения можно рассматривать как набор однотипных записей или массив, которые в совокупности характеризуют каждый объект класса.

Например, если некоторый атрибут задан в виде форма: Прямоугольник.то это будет означать, что все объекты данного класса могут иметь несколько различных форм, каждая из которых является прямоугольником. Другим примером может служить задание атрибута в виде номер_счета:Integer. что может означать для объекта Сотрудник наличие некоторого подмножества счетов, общее количество которых заранее не фиксируется.

Строка-свойство служит для указания значений атрибута, которые не могут быть изменены в программе при работе с данным типом объектов. Фигурные скобки как раз и обозначают фиксированное значение соответствующего атрибута для класса в целом, которое должны принимать все вновь создаваемые экземпляры класса без исключения. Это значение принимается за исходное значение атрибута, которое не может быть переопределено в последующем. Отсутствие строки-свойства по умолчанию трактуется так, что значение соответствующего атрибута может быть изменено в программе. Например, строка-свойство в записи атрибута заработная_плата:Currency = = {$500} может служить для обозначения фиксированной заработной платы для каждого объекта класса "Сотрудник" определенной должности в некоторой организации. С другой стороны, запись данного атрибута в виде зара-ботная_плата: Currency = $500 означает уже нечто иное, а именно - при создании нового экземпляра Сотрудник (аналогия - прием на работу нового сотрудника) для него устанавливается по умолчанию заработная плата в $500. Однако для отдельных сотрудников могут быть сделаны исключения как в большую, так и в меньшую сторону, о чем необходимо позаботиться дополнительно в программе.

Операция

В третьей сверху секции прямоугольника записываются операции или методы класса. Операция (operation) представляет собой некоторый сервис, предоставляющий каждый экземпляр класса по определенному требованию. Совокупность операций характеризует функциональный аспект поведения класса. Запись операций класса в языке UML также стандартизована и подчиняется определенным синтаксическим правилам. При этом каждой операции класса соответствует отдельная строка, которая состоит из квантора видимости операции, имени операции, выражения типа возвращаемого операцией значения и, возможно, строка-свойство данной операции:

<квантор видимости><имя операции>(список параметров):

<выражение типа возвращаемого значения>{строка-свойство}

Квантор видимости, как и в случае атрибутов класса, может принимать одно из трех возможных значений и, соответственно, отображается при помощи специального символа. Символ "+" обозначает операцию с областью видимости типа общедоступный (public). Символ "#" обозначает операцию с областью видимости типа защищенный (protected). И, наконец, символ "-" используется для обозначения операции с областью видимости типа закрытый (private).

Квантор видимости для операции может быть опущен. В этом случае его отсутствие просто означает, что видимость операции не указывается. Вместо условных графических обозначений также можно записывать соответствующее ключевое слово: public, protected, private.

Применительно к конкретным языкам программирования могут быть определены дополнительные кванторы видимости. В этом случае подобные дополнения являются расширением базовой нотации и требуют соответствующих пояснений в форме текста на естественном языке или в виде строки-свойства.

Имя операции представляет собой строку текста, которая используется в качестве идентификатора соответствующей операции и поэтому должна быть уникальной в пределах данного класса. Имя атрибута является единственным обязательным элементом синтаксического обозначения операции.

Список параметров является перечнем разделенных запятой формальных параметров, каждый из которых может быть представлен в следующем виде:

<вид параметра><имя параметра>:<выражение типа>=<значение параметра по умолчанию>.

Здесь вид параметра - есть одно из ключевых слов in, out или inout со значением in по умолчанию, в случае если вид параметра не указывается. Имя параметра есть идентификатор соответствующего формального параметра. Выражение типа является зависимой от конкретного языка программирования спецификацией типа возвращаемого значения для соответствующего формального параметра. Наконец, значение по умолчанию в общем случае представляет собой выражение для значения формального параметра, синтаксис которого зависит от конкретного языка программирования и подчиняется принятым в нем ограничениям.

Выражение типа возвращаемого значения также является зависимой от языка реализации спецификацией типа или типов значений параметров, которые возвращаются объектом после выполнения соответствующей операции. Двоеточие и выражение типа возвращаемого значения могут быть опущены, если операция не возвращает никакого значения. Для указания кратности возвращаемого значения данная спецификация может быть записана в виде списка отдельных выражений.

Строка-свойство служит для указания значений свойств, которые могут быть применены к данному элементу. Строка-свойство не является обязательной, она может отсутствовать, если никакие свойства не специфицированы.

Операция с областью действия на весь класс показывается подчеркиванием имени и строки выражения типа. По умолчанию под областью операции понимается объект класса. В этом случае имя и строка выражения типа операции не подчеркиваются.

Операция, которая не может изменять состояние системы и, соответственно, не имеет никакого побочного эффекта, обозначается строкой-свойством "{запрос}" ("{query}"). В противном случае операция может изменять состояние системы, хотя нет никаких гарантий, что она будет это делать.

Для повышения производительности системы одни операции могут выполняться параллельно или одновременно, а другие - только последовательно. В этом случае для указания параллельности выполнения операции используется строка-свойство вида "{concurrency = имя}", где имя может принимать одно из следующих значений: последовательная (sequential), параллельная (concurrent), охраняемая (guarded). При этом придерживаются следующей семантики для данных значений:

последовательная (sequential) - для данной операции необходимо обеспечить ее единственное выполнение в системе, одновременное выполнение других операций может привести к ошибкам или нарушениям целостности объектов класса.

параллельная (concurrent) - данная операция в силу своих особенностей может выполняться параллельно с другими операциями в системе, при этом параллельность должна поддерживаться на уровне реализации модели.

охраняемая (guarded) - все обращения к данной операции должны быть строго упорядочены во времени с целью сохранения целостности объектов данного класса, при этом могут быть приняты дополнительные меры по контролю исключительных ситуаций на этапе ее выполнения.

С целью сокращения обозначений допускается использование одного имени в качестве строки-свойства для указания соответствующего значения параллельности. Отсутствие данной строки-свойства означает, что семантика параллельности для операции не определена. Поэтому следует предположить худший с точки зрения производительности случай, когда данная операция требует последовательного выполнения.

Появление сигнатуры операции на самом верхнем уровне объявляет эту операцию на весь класс, при этом данная операция наследуется всеми потомками данного класса. Если в некотором классе операция не выполняется (т. е. некоторый метод не применяется), то такая операция может быть помечена как абстрактная "{abstract}". Другой способ показать абстрактный характер операции - записать ее сигнатуру курсивом. Подчиненное появление записи данной операции без свойства {абстрактная} указывает на тот факт, что соответствующий класс-потомок может выполнять данную операцию в качестве своего "метода.

Если для некоторой операции необходимо дополнительно указать особенности ее реализации (например, алгоритм), то это может быть сделано в форме примечания, записанного в виде текста, который присоединяется к записи операции в соответствующей секции класса. Если объекты класса принимают и реагируют на некоторый сигнал, то запись данной операции помечается ключевым словом "сигнал" ("signal"). Это обозначение равнозначно обозначению некоторой операции. Реакция объекта на прием сигнала может быть показана в виде некоторого автомата. Кроме других случаев эта нотация может быть использована, чтобы показать реакцию объектов класса на ошибочные ситуации или исключения, которые могут моделироваться как сигналы или сообщения.

Поведение операции может быть указано дополнительно в форме присоединенного к операции примечания. В этом случае текст примечания заключается в скобки, если он представляет собой формальную спецификацию на некотором языке программирования и соответствует элементу "семантическое ограничение языка UML". В противном случае текст примечания является простым описанием на естественном языке и обозначается прямоугольником с "загнутым" верхним правым уголком.

Список формальных параметров и тип возвращаемого значения могут не указываться. Квантор видимости атрибутов и операций может быть указан в виде специального значка или символа, которые используются для графического представления моделей в некотором инструментальном средстве. Имена операций, так же как и атрибутов, записываются со строчной (малой) буквы, а их типы - с заглавной (большой) буквы. При этом обязательной частью строки записи операции является наличие имени операции и круглых скобок.

В качестве примеров записи операций можно привести следующие обозначения отдельных операций:

+создать() - может обозначать абстрактную операцию по созданию отдельного объекта класса, которая является общедоступной и не содержит формальных параметров. Эта операция не возвращает никакого значения после своего выполнения.

+нарисовать(форма: Многоугольник = прямоугольник, цвет_заливки: Color = (О, О, 255)) - может обозначать операцию по изображению на экране монитора прямоугольной области синего цвета, если не указываются другие значения в качестве аргументов данной операции.

запросить_счет_клиента(номер_счета:1п1е§ег):Сиггепсу - обозначает операцию по установлению наличия средств на текущем счете клиента банка. При этом аргументом данной операции является номер счета клиента, который записывается в виде целого числа (например, "123456"). Результатом выполнения этой операции является некоторое число, записанное в принятом денежном формате (например, $1,500.00).

выдать_сообщение():{"Ошибка деления на ноль"} - смысл данной операции не требует пояснения, поскольку содержится в строке-свойстве операции. Данное сообщение может появиться на экране монитора в случае попытки деления некоторого числа на ноль, что недопустимо.

Отношения между классами

Кроме внутреннего устройства или структуры классов на соответствующей диаграмме указываются различные отношения между классами. При этом совокупность типов таких отношений фиксирована в языке UML и предопределена семантикой этих типов отношений. Базовыми отношениями или связями в языке UML являются:

Отношение зависимости (dependency relationship)

Отношение ассоциации (association relationship)

Отношение обобщения (generalization relationship)

Отношение реализации (realization relationship)

Каждое из этих отношений имеет собственное графическое представление на диаграмме, которое отражает взаимосвязи между объектами соответствующих классов.

Отношение зависимости

Отношение зависимости в общем случае указывает некоторое семантическое отношение между двумя элементами модели или двумя множествами таких элементов, которое не является отношением ассоциации, обобщения или реализации. Оно касается только самих элементов модели и не требует множества отдельных примеров для пояснения своего смысла. Отношение зависимости используется в такой ситуации, когда некоторое изменение одного элемента модели может потребовать изменения другого зависимого от него элемента модели.

Отношение зависимости графически изображается пунктирной линией между соответствующими элементами со стрелкой на одном из ее концов ("->" или "<-"). На диаграмме классов данное отношение связывает отдельные классы между собой, при этом стрелка направлена от класса-клиента зависимости к независимому классу или классу-источнику (рис. 24). На данном рисунке изображены два класса: Класс_А и Кяасс_Б, при этом Класс_Б является источником некоторой зависимости, а Класс_А - клиентом этой зависимости.



Рис. 24.Графическое изображение отношения зависимости на диаграмме классов

В качестве класса-клиента и класса-источника зависимости могут выступать целые множества элементов модели. В этом случае одна линия со стрелкой, выходящая от источника зависимости, расщепляется в некоторой точке на несколько отдельных линий, каждая из которых имеет отдельную стрелку для класса-клиента. Например, если функционирование Класса_С зависит от особенностей реализации Класса_А и Класса_/>, то данная зависимость может быть изображена следующим образом (рис. 25).



Рис. 25.Графическое представление зависимости между классом-клиентом (Класс_С) и классами-источниками (Класс_А и Класс_Б)

Стрелка может помечаться необязательным, но стандартным ключевым словом в кавычках и необязательным индивидуальным именем. Для отношения зависимости предопределены ключевые слова, которые обозначают некоторые специальные виды зависимостей. Эти ключевые слова (стереотипы) записываются в кавычках рядом со стрелкой, которая соответствует данной зависимости. Примеры стереотипов для отношения зависимости представлены ниже:

"access" - служит для обозначения доступности открытых атрибутов и операций класса-источника для классов-клиентов;

"bind" - класс-клиент может использовать некоторый шаблон для своей последующей параметризации;

"derive" - атрибуты класса-клиента могут быть вычислены по атрибутам класса-источника;

"import" - открытые атрибуты и операции класса-источника становятся частью класса-клиента, как если бы они были объявлены непосредственно в нем;

"refine" - указывает, что класс-клиент служит уточнением класса-источника в силу причин исторического характера, когда появляется дополнительная информация в ходе работы над проектом.

Отношение зависимости является наиболее общей формой отношения в языке UML. Все другие типы рассматриваемых отношений можно считать частным случаем данного отношения. Однако важность выделения специфических семантических свойств и дополнительных характеристик для других типов отношений обусловливают их самостоятельное рассмотрение при построении диаграмм.

Отношение ассоциации

Отношение ассоциации соответствует наличию некоторого отношения между классами. Данное отношение обозначается сплошной линией с дополнительными специальными символами, которые характеризуют отдельные свойства конкретной ассоциации. В качестве дополнительных специальных символов могут использоваться имя ассоциации, а также имена и кратность классов-ролей ассоциации. Имя ассоциации является необязательным элементом ее обозначения. Если оно задано, то записывается с заглавной (большой) буквы рядом с линией соответствующей ассоциации.

Наиболее простой случай данного отношения - бинарная ассоциация. Она связывает в точности два класса и, как исключение, может связывать класс с самим собой. Для бинарной ассоциации на диаграмме может быть указан порядок следования классов с использованием треугольника в форме стрелки рядом с именем данной ассоциации. Направление этой стрелки указывает на порядок классов, один из которых является первым (со стороны треугольника), а другой - вторым (со стороны вершины треугольника). Отсутствие данной стрелки рядом с именем ассоциации означает, что порядок следования классов в рассматриваемом отношении не определен.

В качестве простого примера отношения бинарной ассоциации рассмотрим отношение между двумя классами - классом "Компания" и классом "Сотрудник" (рис. 26). Они связаны между собой бинарной ассоциацией Работа, имя которой указано на рисунке рядом с линией ассоциации. Для данного отношения определен порядок следования классов, первым из которых является класс "Сотрудник", а вторым - класс "Компания". Отдельным примером или экземпляром данного отношения может являться пара значений (Петров И. И., "Рога&Копыта"). Это означает, что сотрудник Петров И. И. работает в компании "Рога&Копыта".



Рис. 26.Графическое изображение отношения бинарной ассоциации между классами

Тернарная ассоциация и ассоциации более высокой арности в общем случае называются N - арной ассоциацией (читается - "эн арная ассоциация"). Такая ассоциация связывает некоторым отношением 3 и более классов, при этом один класс может участвовать в ассоциации более чем один раз. Класс ассоциации имеет определенную роль в соответствующем отношении, что может быть явно указано на диаграмме. Каждый экземпляр N - арной ассоциации представляет собой N - арный кортеж значений объектов из соответствующих классов. Бинарная ассоциация является частным случаем N - арной ассоциации, когда значение N=2, и имеет свое собственное обозначение.

N - арная ассоциация графически обозначается ромбом, от которого ведут линии к символам классов данной ассоциации. В этом случае ромб соединяется с символами соответствующих классов сплошными линиями. Обычно линии проводятся от вершин ромба или от середины его сторон. Имя N - арной ассоциации записывается рядом с ромбом соответствующей ассоциации.

Порядок классов в N - арной ассоциации, в отличие от порядка множеств в отношении, на диаграмме не фиксируется. Некоторый класс может быть присоединен к ромбу пунктирной линией. Это означает, что данный класс обеспечивает поддержку свойств соответствующей N - арной ассоциации, а сама N-арная ассоциация имеет атрибуты, операции и/или ассоциации. Другими словами, такая ассоциация, в свою очередь, является классом с соответствующим обозначением в виде прямоугольника и является самостоятельным элементом языка UML - ассоциацией-классом (Association Class). N-арная ассоциация не может содержать символ агрегации ни для какой из своих ролей.

В качестве примера конкретной тернарной ассоциации рассмотрим отношение между тремя классами: "Футбольная команда", "Год" и "Игра". Данная ассоциация указывает на наличие отношения между этими тремя классами, которое может представлять информацию об играх футбольных команд в национальном чемпионате в течение нескольких последних лет (рис. 27).

Как уже упоминалось, отдельный класс ассоциации имеет собственную роль в отношении. Эта роль может быть изображена графически на диаграмме классов. С этой целью в языке UML вводится в рассмотрение специальный элемент - конец ассоциации (Association End), который графически соответствует точке соединения линии ассоциации с отдельным классом. Конец ассоциации является частью ассоциации, но не класса. Каждая ассоциация имеет два или больше концов ассоциации. Наиболее важные свойства ассоциации указываются на диаграмме рядом с этими элементами ассоциации и должны перемешаться вместе с ними.



Рис. 27.Графическое изображениеN-арной ассоциации между тремя классами

Одним из таких дополнительных обозначений является имя роли отдельного класса, входящего в ассоциацию. Имя роли представляет собой строку текста рядом с концом ассоциации для соответствующего класса. Она указывает специфическую роль, которую играет класс, являющийся концом рассматриваемой ассоциации. Имя роли не является обязательным элементом обозначений и может отсутствовать на диаграмме.

Следующий элемент обозначений - кратность отдельных классов, являющихся концами ассоциации. Кратность отдельного класса обозначается в виде интервала целых чисел, аналогично кратности атрибутов и операций классов. Интервал записывается рядом с концом ассоциации и для N-арной ассоциации означает потенциальное число отдельных экземпляров или значений кортежей этой ассоциации, которые могут иметь место, когда остальные N-1 экземпляров или значений классов фиксированы.

Так, для рассмотренного ранее примера (см. рис. 26) кратность "1" для класса "Компания" означает, что каждый сотрудник может работать только в одной компании. Кратность "1..*" для класса "Сотрудник" означает, что в каждой компании могут работать несколько сотрудников, общее число которых заранее неизвестно и ничем не ограничено. Заметим, что вместо кратности "1..*" записать только символ "*" нельзя, поскольку последний означает кратность "0..*". Для данного примера это означало бы, что отдельные компании могут совсем не иметь сотрудников в своем штате. Но такая кратность вполне приемлема в других ситуациях, как это видно из рассмотренного выше примера (рис. 27).

Что касается других свойств отношения, ассоциации, то в случае их наличия, они могут рассматриваться в качестве атрибутов класса ассоциации и могут быть указаны на диаграмме обычным для класса способом в соответствующей секции прямоугольника класса.

Частным случаем отношения ассоциации является так называемая исключающая ассоциация (Xor-association). Семантика данной ассоциации указывает на тот факт, что из нескольких потенциально возможных вариантов данной ассоциации в каждый момент времени может использоваться только один ее экземпляр. На диаграмме классов исключающая ассоциация изображается пунктирной линией, соединяющей две и более ассоциации, рядом с которой записывается строка-ограничение "{хог}".

Например, счет в банке может быть открыт для клиента, в качестве которого может выступать физическое лицо (индивидуум) или компания, что изображается с помощью исключающей ассоциации (рис. 28).



Рис. 28.Графическое изображение исключающей ассоциации между тремя классами

Специальной формой или частным случаем отношения ассоциации является отношение агрегации, которое, в свою очередь, тоже имеет специальную форму - отношение композиции. Поскольку эти отношения имеют свои специальные обозначения и относятся к базовым понятиям языка UML, рассмотрим их последовательно.

Отношение агрегации

Отношение агрегации имеет место между несколькими классами в том случае, если один из классов представляет собой некоторую сущность, включающую в себя в качестве составных частей другие сущности.

Данное отношение имеет фундаментальное значение для описания структуры сложных систем, поскольку применяется для представления системных взаимосвязей типа "часть-целое". Раскрывая внутреннюю структуру системы, отношение агрегации показывает, из каких компонентов состоит система и как они связаны между собой. С точки зрения модели отдельные части системы могут выступать как в виде элементов, так и в виде подсистем, которые, в свою очередь, тоже могут образовывать составные компоненты или подсистемы. Это отношение по своей сути описывает декомпозицию или разбиение сложной системы на более простые составные части, которые также могут быть подвергнуты декомпозиции, если в этом возникнет необходимость в последующем.

Очевидно, что рассматриваемое в таком аспекте деление системы на составные части представляет собой некоторую иерархию ее компонентов, однако данная иерархия принципиально отличается от иерархии, порождаемой отношением обобщения. Отличие заключается в том, что части системы никак не обязаны наследовать ее свойства и поведение, поскольку являются вполне самостоятельными сущностями. Более того, части целого обладают своими собственными атрибутами и операциями, которые существенно отличаются от атрибутов и операций целого.

В качестве примера отношения агрегации рассмотрим взаимосвязь типа "часть-целое", которая имеет место между сущностью "Грузовой автомобиль" и такими компонентами, как "Двигатель", "Шасси", "Кабина", "Кузов". Не претендуя на точное соответствие терминологии данной предметной области, нетрудно представить себе, что грузовой автомобиль состоит из двигателя, шасси, кабины и кузова. Именно это отношение между классом "Грузовой_автомобиль" и классами "Двигатель", "Шасси", "Кабина", "Кузов" описывает отношение агрегации.

Графически отношение агрегации изображается сплошной линией, один из концов которой представляет собой незакрашенный внутри ромб. Этот ромб указывает на тот из классов, который представляет собой "целое". Остальные классы являются его "частями" (рис. 29).



Рис. 29.Графическое изображение отношения агрегации в языке UML

Еще одним примером отношения агрегации может служить известное каждому из читателей деление персонального компьютера на составные части: системный блок, монитор, клавиатуру и мышь. Используя обозначения языка UML, компонентный состав ПК можно представить в виде соответствующей диаграммы классов (рис. 30), которая в данном случае иллюстрирует отношение агрегации.



Рис. 30.Диаграмма классов для иллюстрации отношения агрегации на примере ПК

Отношение композиции

Отношение композиции, как уже упоминалось ранее, является частным случаем отношения агрегации. Это отношение служит для выделения специальной формы отношения "часть-целое", при которой составляющие части в некотором смысле находятся внутри целого. Специфика взаимосвязи между ними заключается в том, что части не могут выступать в отрыве от целого, т. е. с уничтожением целого уничтожаются и все его составные части.

Возможно, не самый лучший, но наверняка понятный всем пример этого отношения представляет собой живая клетка в биологии. Другой пример - окно интерфейса программы, которое может состоять из строки заголовка, кнопок управления размером, полос прокрутки, главного меню, рабочей области и строки состояния. Нетрудно понять, что подобное окно представляет собой класс, а его компоненты являются как классами, так и атрибутами или свойствами окна. Последнее обстоятельство весьма характерно для отношения композиции, поскольку отражает различные способы представления данного отношения.

Графически отношение композиции изображается сплошной линией, один из концов которой представляет собой закрашенный внутри ромб. Этот ромб указывает на тот из классов, который представляет собой класс-композицию или "целое". Остальные классы являются его "частями" (рис. 31).

Рис. 31.Графическое изображение отношения композиции в языке UML

В качестве дополнительных обозначений для отношений композиции и агрегации могут использоваться дополнительные обозначения, применяемые для отношения ассоциации. А именно, указание кратности класса ассоциации и имени данной ассоциации, которые не являются обязательными. Применительно к описанному выше примеру класса "Окно_программы" его диаграмма классов может иметь следующий вид (рис. 32).

Рис. 32.Диаграмма классов для иллюстрации отношения композиции на примере класса окна программы

Данный пример может иллюстрировать и другие особенности разрабатываемой компьютерной программы, которые не указывались в явном виде при описании этого примера Так, в частности, указание кратности 1 рядом с классом "Рабочая_область" характерно для однодокументных приложений.

Отношение обобщения

Отношение обобщения является обычным таксономическим отношением между более общим элементом (родителем или предком) и более частным или специальным элементом (дочерним или потомком). Данное отношение может использоваться для представления взаимосвязей между пакетами, классами, вариантами использования и другими элементами языка UML.

Применительно к диаграмме классов данное отношение описывает иерархическое строение классов и наследование их свойств и поведения. При этом предполагается, что класс-потомок обладает всеми свойствами и поведением класса-предка, а также имеет свои собственные свойства и поведение, которые отсутствуют у класса-предка. На диаграммах отношение обобщения обозначается сплошной линией с треугольной стрелкой на одном из концов (рис. 33). Стрелка указывает на более общий класс (класс-предок или суперкласс), а ее отсутствие - на более специальный класс (класс-потомок или подкласс).



Рис. 33.Графическое изображение отношения обобщения в языке UML

Как правило, на диаграмме может указываться несколько линий для одного отношения обобщения, что отражает его таксономический характер. В этом случае более общий класс разбивается на подклассы одним отношением Обобщения. Например, класс Геометрическая_фигура_на_плоскости(курсив обозначает абстрактный класс) может выступать в качестве суперкласса для подклассов, соответствующих конкретным геометрическим фигурам, таким как, Прямоугольник, Окружность, Эллипс и др. Данный факт может быть представлен графически в форме диаграммы классов следующего вида (рис. 34).



Рис. 34.Пример графического изображения отношения обобщения классов

С целью упрощения обозначений на диаграмме классов совокупность линий, обозначающих одно и то же отношение обобщения, может быть объединена в одну линию. В этом случае данные отдельные линии изображаются сходящимися к единственной .стрелке, имеющей с ними общую точку пересечения (рис. 35).



Рис. 35.Вариант графического изображения отношения обобщения классов для случая объединения отдельных линий

Это обозначение по форме соответствует графу специального вида, а именно - иерархическому дереву. В этом случае класс-предок является корнем этого дерева, а классы-потомки - его листьями. Отличие заключается в возможности указания на диаграмме классов потенциальной возможности наличия других классов-потомков, которые не включены в обозначения представленных на диаграмме классов (многоточие вместо прямоугольника).

Рядом со стрелкой обобщения может размещаться строка текста, указывающая на некоторые дополнительные свойства этого отношения. Данный текст будет относиться ко всем линиям обобщения, которые идут к классам-потомкам. Другими словами, отмеченное свойство касается всех подклассов данного отношения. При этом текст следует рассматривать как ограничение, и тогда он записывается в фигурных скобках.

В качестве ограничений могут быть использованы следующие ключевые слова языка UML:

{complete} - означает, что в данном отношении обобщения специфицированы все классы-потомки, и других классов-потомков у данного класса-предка быть не может. Пример - класс Клиент_банка является предком для двух классов: Физическое_лицо и Компания, и других классов-потомков он не имеет. На соответствующей диаграмме классов это можно указать явно, записав рядом с линией обобщения данную строку-ограничение;

{disjoint} - означает, что классы-потомки не могут содержать объектов, одновременно являющихся экземплярами двух или более классов. В приведенном выше примере это условие также выполняется, поскольку предполагается, что никакое конкретное физическое лицо не может являться одновременно и конкретной компанией. В этом случае рядом с линией обобщения можно записать данную строку-ограничение;

{incomplete} - означает случай, противоположный первому. А именно, предполагается, что на диаграмме указаны не все классы-потомки. В последующем возможно восполнить их перечень не изменяя уже построенную диаграмму. Пример - диаграмма класса "Автомобиль", для которой указание всех без исключения моделей автомобилей соизмеримо с созданием соответствующего каталога. С другой стороны, для отдельной задачи, такой как разработка системы продажи автомобилей конкретных моделей, в этом нет необходимости. Но указать неполноту структуры классов-потомков все же следует;

{overlapping} - означает, что отдельные экземпляры классов-потомков могут принадлежать одновременно нескольким классам. Пример - класс "Многоугольник" является классом-предком для класса "Прямоугольник" и класса "Ромб". Однако существует отдельный класс "Квадрат", экземпляры которого одновременно являются объектами первых двух классов. Вполне естественно такую ситуацию указать явно с помощью данной строки-ограничения.

С учетом возможности использования строк-ограничений диаграмма классов (рис. 35) может быть изображена без многоточий и без потери информации (рис. 36).



Рис. 36.Вариант графического изображения отношения обобщения классов с использованием строки-ограничения

Чтобы проиллюстрировать особенности использования отношения обобщения, преобразуем один из примеров изображения классов в графическую нотацию языка UML. В качестве такого примера рассмотрим иерархию вложенности классов для абстрактного класса "Автомобиль" (см. рис. 37, 38). Как нетрудно заметить, отношение между отдельными классами на этих рисунках есть именно отношение обобщения, которое в языке UML имеет специальное графическое обозначение. С учетом этой графической нотации, фрагмент семантической сети для представления иерархии класса "Автомобиль" может быть представлен в виде следующей диаграммы классов (рис. 39).



Рис. 37.Иерархия вложенности классов для примера "Автомобиль"



Рис 38.Фрагмент семантической сети для представления иерархии классов "Автомобиль"

Заметим, что в данном примере все классы верхних уровней являются абстрактными, т. е. не могут быть представлены своими экземплярами. Именно поэтому их имена записаны курсивом. В отличие от них классы нижнего уровня являются конкретными, поскольку могут быть представлены своими экземплярами, в качестве которых выступают изготовленные автомобили соответствующей модели с уникальным заводским номером.



Рис. 39.Фрагмент диаграммы классов с отношением обобщения для представления иерархии классов "Автомобиль" .

Интерфейсы.

Интерфейсы являются элементами диаграммы вариантов использования, однако, при построении диаграммы классов отдельные интерфейсы могут уточняться и в этом случае для их изображения используется специальный графический символ - прямоугольник класса с ключевым словом или стереотипом "interface" (рис. 40). При этом секция атрибутов у прямоугольника отсутствует, а указывается только секция операций.



Рис. 40.Пример графического изображения интерфейса на диаграмме классов

Объекты

Объект (object) является отдельным экземпляром класса, который создается на этапе выполнения программы. Он имеет свое собственное имя и конкретные значения атрибутов. В силу самых различных причин может возникнуть необходимость показать взаимосвязи не только между классами модели, но и между отдельными объектами, реализующими эти классы. В данном случае может быть разработана диаграмма объектов, которая, хотя и не является канонической в метамодели языка UML, но имеет самостоятельное назначение.

Для графического изображения объектов используется такой же символ прямоугольника, что и для классов. Отличия проявляются при указании имен объектов, которые в случае объектов обязательно подчеркиваются (рис. 41). При этом запись имени объекта представляет собой строку текста "имя объекта:имя класса",разделенную двоеточием (рис. 41 а, в). Имя объекта может отсутствовать, в этом случае предполагается, что объект является анонимным, и двоеточие указывает на данное обстоятельство (рис. 41, г). Отсутствовать может и имя класса. Тогда указывается просто имя объекта (рис. 41, б). Атрибуты объектов принимают конкретные значения.

При изображении диаграммы объектов нужно помнить, что каждый объект представляет собой экземпляр соответствующего класса, а отношения между объектами описываются с помощью связей (links), которые являются экземплярами соответствующих отношений. При этом все связи изображаются сплошными линиями.



Рис. 41.Пример графического изображения объектов на диаграммах языка UML

Шаблоны или параметризованные классы

Шаблон (template) или параметризованный класс (parametrized class) предназначен для обозначения такого класса, который имеет один (или более) нефиксированный формальный параметр. Он определяет целое семейство или множество классов, каждый из которых может быть получен связыванием этих параметров с действительными значениями. Обычно параметрами шаблонов служат типы атрибутов классов, такие как целые числа, перечисление, массив строк и др. В более сложном случае формальные параметры могут представлять и операции класса.

Графически шаблон изображается прямоугольником, к верхнему правому углу которого присоединен маленький прямоугольник из пунктирных линий (рис. 42), большой прямоугольник может быть разделен на секции, аналогично обозначению для класса. В верхнем прямоугольнике указывается список формальных параметров для тех классов, которые могут быть получены на основе данного шаблона. В верхней секции шаблона записывается его имя по правилам записи имен для классов.



Рис. 42.Графическое изображение шаблона на диаграмме классов

Шаблон не может быть непосредственно использован в качестве класса, поскольку содержит неопределенные параметры. Чаще всего в качестве шаблона выступает некоторый суперкласс, параметры которого уточняются в его классах-потомках. Очевидно, в этом случае между ними существует отношение зависимости с ключевым словом "bind", когда класс-клиент может использовать некоторый шаблон для своей последующей параметризации. В более частном случае между шаблоном и формируемым от него классом имеет место отношение обобщения с наследованием свойств шаблона (рис. 43). В данном примере отмечен тот факт, что класс "Адрес" может быть получен из шаблона Связный_список на основе актуализации формальных параметров "S, k, I" фактическими атрибутами "улица, дом, квартира".

Этот же шаблон может использоваться для задания (инстанцирования) другого класса, скажем, класса "Точки_на_плоскости". В этом случае класс "Точки_на_плоскости" актуализирует те же формальные параметры, но с другими значениями, например, “S, k, I”<координаты_точки, х, у>. Концепция шаблонов является достаточно мощным средством в ООП, и поэтому ее использование в языке UML позволяет не только сократить размеры диаграмм, но и наиболее корректно управлять наследованием свойств и поведения отдельных элементов модели.

[dyvniy]

Игра программирования
http://www.zachtronics.com/shenzhen-io/

[dyvniy]

ООА
Объектно ориентированный анализ
https://studfiles.net/preview/4593563/
Надо прочитать!!!

[dyvniy]

Наследовать от интерфейсов можно, от классов нельзя.
Go идеально соответствующий статье язык.
https://habrahabr.ru/post/310314/

Спойлер

Наследование реализаций: закопайте стюардессу
Проектирование и рефакторинг,
Программирование,
ООП,
C#,
.NET
Ключевое противоречие ООП

Как известно, классическое ООП покоится на трех китах:


Инкапсуляция
Наследование
Полиморфизм

Классическая же реализация по умолчанию:


Инкапсуляция — публичные и приватные члены класса
Наследование — реализация функционала за счет расширения одного класса-предка, защищенные члены класса.
Полиморфизм — виртуальные методы класса-предка.

Но еще в 1986 году была обозначена серьезнейшая проблема, кратко формулируемая так:


Наследование ломает инкапсуляцию

Классу-потомку доступны защищенные члены класса-предка. Всем остальным доступен только публичный интерфейс класса. Предельный случай взлома — антипаттерн Паблик Морозов;
Реально изменить поведение предка можно только с помощью перекрытия виртуальных методов;
Принцип подстановки Лисков обязывает класс-потомок удовлетворять всем требованиям к классу-предку;
Для выполнения пункта 2 в точном соответствии с пунктом 3 классу-потомку необходима полная информация о времени вызова и реализации перекрытого виртуального метода;
Информация из пункта 4 зависит от реализации класса-предка, включая приватные члены и их код.

В теории мы уже имеем былинный отказ, но как насчет практики?


Зависимость, создаваемая наследованием, чрезвычайно сильна;
Наследники гиперчувствительны к любым изменениям предка;
Наследование от чужого кода добавляет адскую боль при сопровождении: разработчики библиотеки рискуют получить обструкцию из-за поломанной обратной совместимости при малейшем изменении базового класса, а прикладники — регрессию при любом обновлении используемых библиотек.

Все, кто используют фреймворки, требующие наследования от своих классов (WinForms, WPF, WebForms, ASP.NET), легко найдут подтверждения всем трем пунктам в своем опыте.
Неужели все так плохо?


Теоретическое решение

Влияние проблемы можно ослабить принятием некоторых конвенций:


1. Защищенные члены не нужны
Это соглашение ликвидирует пабликов морозовых как класс.


2. Виртуальные методы предка ничего не делают
Это соглашение позволяет сочетать знание о реализации предка с независимостью от нее реализации уже в потомке.


3. Виртуальные методы предка никогда не вызываются в его коде
Это соглашение позволяет потомкам не зависеть от внутренней реализации предка, а также требует публичности всех виртуальных методов.


4. Экземпляры предка никогда не создаются
Это соглашение позволяет избавиться от несоответствия требований к виртуальными методам (публичный контракт класса) с одной стороны и обязанностью ничего не делать (защищенный контракт класса) с другой. Теперь принцип подстановки Лисков можно соблюсти, не вступая в порочную связь с закрытым содержимым предка.


5. Невиртуальных членов у предка нет
С учетом предыдущих соглашений невиртуальные члены предка становятся бесполезными и подлежат ликвидации.


Результат: если класс-предок состоит из публичных виртуальных пустых методов и требований к ним для потомков, то наследование уже не ломает инкапсуляцию. Что и требовалось доказать.


Попутно получаем возможность решение проблемы ромба для случая множественного наследования от конвенционных предков. Но это все теория, а нам нужны...


Практические решения

Виртуальные методы-пустышки уже есть во многих языках и носят гордое звание абстрактных.
Классы, экземпляры которых создавать нельзя, тоже есть во многих языках и даже имеют то же звание.
Полное соблюдение указанных соглашений в языке C++ использовалось как паттерн для проектирования и реализации Component Object Model.
Ну и самое приятное: в C# и многих других языках соглашения реализованы как первоклассный элемент "интерфейс".
Происхождение названия очевидно — в результате соблюдения соглашений от класса остается только его публичный интерфейс. И если множественное наследование от обычных классов — редкость, то от интерфейсов оно доступно без всяких ограничений.

Итоги

Языки, где нет наследования от классов, но есть — от интерфейсов (например, Go), нельзя лишать звания объектно-ориентированных. Более того, такая реализация ООП правильнее теоретически и безопаснее практически.
Наследование от обычных классов (имеющих реализацию) — чрезвычайно специфический и крайне опасный архаизм.
Избегайте наследования реализаций без крайней необходимости.
Используйте модификатор sealed (для .NET) или его аналог для всех классов, кроме специально спроектированных для наследования реализации.
Избегайте публичных незапечатанных классов: пока наследование не выходит за рамки своих сборок, из него еще можно извлечь пользу и ограничить вред.

PS: Дополнения и критика традиционно приветствуются.

[dyvniy]

Ричард Хэмминг: «Учитель должен готовить ученика к будущему ученика, а не к прошлому учителя»
https://habrahabr.ru/post/345752/