1 Неделя

Лекция

Структура определения языка

Терминология и нотация

Выводы

Контрольные вопросы

Практическая работа №1

Лабораторная работа №1

Лекция

Введение в язык UML

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

UML пригоден для моделирования любых систем: от информационных систем масштаба предприятия до распределенных Web-приложений и даже встроенных систем реального времени.

Изучение UML удобнее всего начать с его концептуальной модели, которая включает в себя три основных элемента: базовые строительные блоки, правила, определяющие, как эти блоки могут сочетаться между собой, и некоторые общие механизмы языка.

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

Язык - система знаков, служащая:

· средством человеческого общения и мыслительной деятельности;

· способом выражения самосознания личности;

· средством хранения и передачи информации.

Язык включает в себя набор знаков (словарь) и правила их употребления и интерпретации (грамматику).

К этому достаточно исчерпывающему определению нужно добавить, что языки бывают естественные и искусственные, формальные и неформальные. UML - язык формальный и искусственный, хотя, как мы увидим далее, этот ярлык к нему не совсем подходит. Искусственный он потому, что у него имеются авторы, о которых мы еще не раз упомянем в дальнейшем (в то же время, развитие UML непрерывно продолжается, что ставит его в один ряд с естественными языками). Формальным его можно назвать, поскольку имеются правила его употребления (правда, описание UML содержит и явно неформальные элементы, как мы, опять-таки, позже увидим). Еще один нюанс: UML - язык графический, что также немного путает ситуацию!

При описании формального искусственного языка, что мы уже видели на примерах описания языков программирования, как правило, описываются такие его элементы, как:

1. синтаксис, то есть определение правил построения конструкций языка;

2. семантика, то есть определение правил, в соответствии с которыми конструкции языка приобретают смысловое значение;

3. прагматика, то есть определение правил использования конструкций языка для достижения нужных нам целей.

Естественно, UML включает все эти элементы, хотя, как мы опять-таки увидим далее, в их описании тоже наблюдаются отличия от правил, принятых в языках программирования.

Второе слово в фразе, которой расшифровывается аббревиатура UML - слово " моделирование ". Да, UML - это язык моделирования. Причем объектно-ориентированного моделирования. Более подробно о смысле понятия "моделирование" мы поговорим чуть позже, а пока отметим, что слово это весьма многозначно. В английском языке есть целых два слова - modeling и simulation, которые оба переводятся как "моделирование", хотя означают разные понятия. Modeling подразумевает создание модели, лишь описывающей объект, а simulation предполагает получение с помощью созданной модели некоторой дополнительной информации об объекте. UML в первую очередь - язык моделирования именно в первом смысле, то есть средство построения описательных моделей. Как средство симулирования его тоже можно использовать, хотя для этой роли он подходит не так хорошо.

Третье слово в названии UML - слово " унифицированный ". Его можно понимать тоже неоднозначно. В литературе можно встретить описание эры "до UML" как "войны методов" моделирования, ни один из которых "не дотягивал" до уровня индустриального стандарта. UML как раз и стал таким единым универсальным стандартом для объектно-ориентированного моделирования, которое во времена его создания как раз "вошло в моду". "Единым" языком моделирования UML можно назвать еще и потому, что в его создании, как мы увидим далее, объединились усилия авторов трех наиболее популярных методов моделирования (и не только их).

Подводя итоги, кратко можно сказать, что UML - искусственный язык, который имеет некоторые черты естественного языка, и формальный язык, который имеет черты неформального. Это звучит не очень понятно, но это действительно так!

Историческая справка

Сведения

UML вобрал в себя черты нотаций Грейди Буча (Grady Booch), Джима Румбаха (Jim Rumbaugh), Айвара Якобсона (Ivar Jacobson) и многих других.

В не такие уж и далекие 80-е годы было множество различных методологий моделирования. Каждая из них имела свои достоинства и недостатки, а также свою нотацию. То смутное время получило название "войны методов". Проблема в том, что разные люди использовали разные нотации, и для того чтобы понять, что описывает та или иная диаграмма, зачастую требовался "переводчик". Один и тот же символ мог означать в разных нотациях абсолютно разные вещи! На рисунке ниже можно увидеть лишь малую часть многообразия методов, которые существовали в то время и в какой-то мере повлияли на UML (рисунок А).

Рисунок А – Обзор методов

К тому же примерно в это же время (начало 80-х) стартовала "объектно-ориентированная эра". Все началось с появлением семейства языков программирования SmallTalk, которые применяли некоторые понятия языка Simula-67, использовавшегося в 60-х годах. Появление объектно-ориентированного подхода в первую очередь было обусловлено увеличением сложности задач.

Объектно-ориентированный подход внес достаточно радикальные изменения в сами принципы создания и функционирования программ, но, в то же время, позволил существенно повысить производительность труда программистов, по-иному взглянуть на проблемы и методы их решения, сделать программы более компактными и легко расширяемыми. Как результат, языки, первоначально ориентированные на традиционный подход к программированию, получили ряд объектноориентированных расширений. Одной из первых, в середине 80-х, была фирма Apple со своим проектом Object Pascal. Кроме этого, объектно-ориентированный подход породил мощную волну и абсолютно новых программных технологий, вершинами которой стали такие общепризнанные сегодня платформы, как Microsoft .NET Framework и Sun Java.

Но самое главное, что появление ООП требовало удобного инструмента для моделирования, единой нотации для описания сложных программных систем. Что потребовало собственно объединить наиболее популярные методы. В 1991-м авторы популярных методов начали с написания книг, в которых изложили свои методы ООАП. Каждая методология была по-своему хороша, но каждая имела и недостатки. Так, метод Буча был хорош в проектировании, но слабоват в анализе. OMT Румбаха был, наоборот, отличным средством анализа, но плох в проектировании. И наконец, Objectory Якобсона был действительно хорош с точки зрения user experience, на который ни метод Буча, ни OMT не обращали особого внимания. Основной идеей Objectory было то, что анализ должен начинаться с прецедентов, а не с диаграммы классов, которые должны быть производными от них.

К 1994-му существовало 72 метода, или частные методики. Многие из них "перекрывались", т. е. использовали похожие идеи, нотации и т. д. Как уже говорилось выше, чувствовалась острая потребность, "социальный заказ" - закончить "войну методов" и объединить в одном унифицированном средстве все лучшее, что было создано в области моделирования.

На сегодняшний The UML до сих пор живет и развивается. Сейчас мы имеем UML 2.0 и десятки CASE-средств, поддерживающих UML, о многих из которых будет рассказано в "Обзор CASE-средств для построения диаграмм UML" . Вопреки популярному мнению, в наши дни Rational не владеет UML, но продолжает работать над ним. UML же принадлежит OMG, а сама Rational ныне является одним из подразделений IBM и фигурирует во всех документах как IBM Rational. UML же получил множество пакетов расширений, называемых профайлами и позволяющих использовать его для моделирования систем из специфических предметных областей.

Способы использования языка

И вот Румбах присоединился к Бучу в Rational Inc. Они объединили свои нотации и создали первую версию UML. В 1995 году на конференции OOPSLA они представили его как Unified Method, который потом и получил название UML. Чуть позже к ним присоединился Якобсон, который добавил к результатам их труда элементы Objectory и начал работу над Rational Unified Process (RUP). В 1997 году UML был отправлен в Object Management Group (OMG) для стандартизации. Кроме трех нотаций основоположников UML вобрал в себя элементы многих других методологий, что опять-таки хорошо видно из рисунка, приведенного выше.

Начать хотелось бы с демонстрации известной картинки. Эта картинка прекрасно иллюстрирует типичный процесс создания продукта, или "решения" (поскольку продукт решает проблему заказчика), как любят говорить в Microsoft (рисунок 1).

Рисунок 1 - Типичный процесс создания продукта

Здесь мы видим все проблемы программной инженерии, в частности проблемы с коммуникацией и пониманием, вызванные отсутствием четкой спецификации создаваемого продукта. Так вот, авторы UML определяют его как графический язык моделирования общего назначения (т. е. его можно применять для проектирования чего угодно - от простой качели, как на рисунке, до сложного аппаратно-программного комплекса или даже космического корабля), предназначенный для спецификации, визуализации, проектирования и документирования всех артефактов, создаваемых в ходе разработки.

Итак, UML в первую очередь - это спецификации. Заглянем снова в глоссарий.

Спецификация - подробное описание системы, которое полностью определяет ее цель и функциональные возможности. Различают:

· словесные спецификации на естественном языке;

· модельные спецификации;

· формальные спецификации.

Не следует также забывать, что заказчик и разработчик имеют, как правило, абсолютно разное понимание смысла этого артефакта. А ведь кроме этого есть еще аналитики, менеджеры, бизнес-консультанты... Каждый из них называет спецификации по-своему: постановка задачи, требования пользователя, техническое задание, функциональная спецификация, архитектура системы... Причем все эти люди, являясь специалистами в абсолютно разных предметных областях, говорят каждый на своем языке и зачастую просто не понимают друг друга. Вот потому-то и возникает проблема, представленная на рисунке, проблема, которую может решить только наличие единого, унифицированного средства создания спецификаций, достаточно простого и понятного для всех заинтересованных лиц.

Как уже говорилось выше, различают спецификации трех видов. Словесные спецификации на естественном языке как раз и вызывают массу проблем, поскольку создаются разными специалистами на "их языке". Другим видом спецификаций являются формальные спецификации. Действительно, описание спецификации с помощью строгого математического языка было бы чудесным решением всех проблем, т. к. сам способ записи исключал бы малейшие неоднозначности. Да, в математике есть, например, алгебра высказываний, с помощью которой можно пытаться создавать технические задания на разработку некоторых приложений. Проблема кроется в слове "некоторых". Понятно, что формальная спецификация является, по сути, математической моделью задачи и потому для вычислительных задач все выглядит достаточно просто. Формализация же задач из других областей знаний может оказаться более сложной и трудоемкой проблемой, чем разработка самого приложения ввиду отсутствия четкой математической модели. Один из принципов прикладной "мерфологии" гласит, что лучшей спецификацией программы является ее текст. Так же, как и большинство остальных законов Мерфи, это утверждение просто поражает своей правдивостью...

Когда мы говорим о том, что UML - это средство визуализации, мы имеем в виду модельные спецификации. Все мы знаем, как иногда трудно заставить себя "вникнуть" в суть материала, излагаемого в очередном учебнике или мануале. Изучение чего-то нового идет гораздо проще, если документ содержит не только текст, а еще и иллюстрации к нему. А если руководство или учебник выглядят как картинки с подписями (вспомните майкрософтовские учебники и трейнер-киты или руководства пользователя мобильных телефонов!), то усвоение нового материала происходит еще проще и эффективнее. Недаром до сих пор так популярны комиксы, которые также представляют собой картинки с текстом!

Так вот, такие картинки с подписями наглядны и интуитивно понятны, причем почти однозначно понимаются любыми заинтересованными лицами, так что могут использоваться в качестве средства общения между людьми. UML позволяет создавать такие простые и понятные картинки (модели), описывающие систему с разных сторон, которые можно показать заказчику и обсудить с ним, т. е. служит средством коммуникации в команде. Посмотрите на рисунок ниже (рисунок 2 ).

Рисунок 2 – Модель, описывающая все процессы

Перейдем к проектированию. Да, UML позволяет строить модели программных систем (вообще говоря - ЛЮБЫХ систем). По этим моделям потом может производиться генерация каркасного кода проектируемых приложений. Более того, возможен процесс, который часто называют "реверс-инжинирингом", - т. е. создание UML-модели из существующего кода приложения. Не будем сейчас обсуждать качество получающегося кода или моделей при реверс-инжиниринге. Пока оно весьма далеко от идеала, но ведь технологии и инструменты постоянно совершенствуются, так что можно надеяться, что когда-нибудь мы сможем создавать приложения визуально, не прибегая к языку программирования, а пользуясь лишь UML...

И последнее из этого набора слов - " документирование ". По большому счету, UML-модели сами по себе уже являются документами (и весьма понятными, даже для неспециалиста, как мы уже могли убедиться, посмотрев на предыдущий рисунок; кроме этого, как мы еще упомянем далее, модели UML являются XML-документами). Причем любой элемент на любой диаграмме может быть снабжен ноутсом - текстовым комментарием. Т. е. построение набора диаграмм уже является процессом документирования будущей системы. Более того, большинство инструментов UML-проектирования умеют извлекать текстовую информацию из моделей и генерировать относительно удобочитаемые тексты.

Итак, подводя итоги, скажем, что UML можно использовать для рисования картинок, которые можно использовать для коммуникаций внутри команды и в ходе взаимодействия с заказчиком, т. е. он может служить средством обмена информацией. Кроме этого, как мы уже говорили, UML является отличным средством спецификации систем, причем спецификации в процессе разработки. Разработанные архитектурные решения, задокументированные с помощью UML, могут быть использованы повторно (что сейчас также очень "модно"). Как уже упоминалось выше, о таких вещах, как генерация кода, симуляция и верификация моделей, пока серьезно говорить не приходится, но в будущем, надеемся, будет и это...

Теперь о том, для чего UML использовать нельзя, вернее, чем он не является. Во-первых, UML не является языком программирования, хотя существуют средства выполнения UML-моделей как интерпретируемого кода (Unimod, FLORA и др.) и возможна, как уже говорилось выше, кодогенерация. Несмотря на это, UML - средство не программирования, а моделирования, т. е. создания не программ, а моделей любого уровня абстракции для систем из любой предметной области. Во-вторых, UML не является и спецификацией какого бы то ни было инструмента моделирования, хотя такие инструменты (и в больших количествах) имеются. Например, TAU G2 (с помощью которого создано большинство диаграмм в этом курсе), Borland Together, Poseidon, Enterprise Architect, IBM Rational Rose, Dia, Visio и др. Каким образом то или иное CASE-средство реализует UML-моделирование, никак не регламентируется и определяется самими разработчиками этих инструментов. И, наконец, в-третьих, UML не является и моделью какого-либо процесса разработки, даже Rational Unified Process (RUP), который был описан именно с помощью UML (а точнее, с помощью SPEM - профайла UML). UML можно использовать независимо от того, какую методологию разработки ПО вы используете, и даже если вы вообще не пользуетесь никакой методологией.

Структура определения языка

Довольно часто компиляторы и IDE языков программирования написаны с использованием этих же языков (вспомните хотя бы Turbo Pascal!). Подобный метод применяется и при описании UML. Авторы использовали так называемое четырехуровневое мета-моделирование.

Первый уровень - это сами данные. Второй - это их модель, т. е., например, описание их в программе. Третий - метамодель, т. е. описание языка построения модели. Четвертый - мета-метамодель, т. е. описание языка, на котором описана метамодель. Для примера - следующий рисунок, позаимствованный из стандарта UML, показывает применение этого подхода к простым записям о котировках акций (рисунок 3).

Рисунок 3 - Применение метамодели к простым записям о котировках акций

UML, как уже говорилось выше, описывается подобным образом. Метамодель - описание самого языка, мета-метамодель - описание формализма, с помощью которого производится описание языка. Все это сопровождается комментариями на естественном языке и примерами моделей. Организованное таким образом описание UML распространяется OMG абсолютно свободно и "лежит" на сайте OMG, по адресу http://www.omg.org/.

Этот грандиозный документ насчитывает около тысячи страниц, и неподготовленному читателю имеет смысл ознакомиться в нем лишь с первым и последним разделами (краткий обзор и словарь терминов). Зато, если человек уже знаком с UML, изучение метамодели языка - весьма интересное и полезное занятие.

Терминология и нотация

"Нотация" - это то, что в других языках называют "синтаксисом". Само слово "нотация" подчеркивает, что UML - язык графический и модели (а точнее диаграммы) не "записывают", а рисуют. Как уже говорилось выше, одна из задач UML - служить средством коммуникации внутри команды и при общении с заказчиком. "В рабочем порядке" диаграммы часто рисуют на бумаге от руки, причем обычно - не слишком аккуратно. Поэтому при выборе элементов нотации основным принципом был отбор значков, которые хорошо смотрелись бы и были бы правильно интерпретированы в любом случае - будь они нарисованы карандашом на салфетке или созданы на компьютере и распечатаны на лазерном принтере.

Вообще же, в UML используется четыре вида элементов нотации:

1. фигуры,

2. линии,

3. значки,

4. надписи.

Разберем все по порядку. Фигуры используются "плоские" - прямоугольники, эллипсы, ромбы и т. д. Но есть одно исключение - как мы увидим далее, на диаграмме развертывания для обозначения узлов инфраструктуры применяется "трехмерное" изображение параллелепипеда. Это единственное исключение из правил. Внутри любой фигуры могут помещаться другие элементы нотации.

О линиях стоит сказать лишь то, что своими концами они должны соединяться с фигурами. На UML диаграммах вы не встретите линий, нарисованных "сами по себе" и не соединяющих фигуры. Применяется два типа линий - сплошная и пунктирная. Линии могут пересекаться, и хотя таких случаев следует по возможности избегать, в этом нет ничего страшного.

Вообще же стоит сказать, что UML предоставляет исключительную свободу - можно рисовать что угодно и как вздумается, лишь бы можно было понять смысл созданных диаграмм. В изображении фигур и значков тоже нет каких-то жестких требований, и разработчики CASE-средств для UML-проектирования вовсю используют эту свободу, применяя различные стили рисования, заливку фигур цветом, тени и т. д. Иногда это смотрится весьма симпатично, а иногда даже раздражает.

Кстати об инструментах рисования. Мы уже упоминали, что такое ПО существует, и далее мы рассмотрим этот вопрос более подробно (проведя сравнительные исследования), пока же скажем лишь о нескольких наиболее заметных программах этого класса. К таким пакетам можно отнести:

· IBM Rational Rose;

· Borland Together;

· Gentleware Poseidon;

· Microsoft Visio;

· Telelogic TAU G2.

Наиболее известными из этой пятерки являются Rational Rose и Together. Это действительно средства для проектирования, а не рисования, как Visio.

Выводы

· UML - еще один формальный язык, который необходимо освоить каждому, кто собирается заниматься программной инженерией.

· Само собой разумеется, что знание UML не гарантирует построения разумных и понятных моделей, хотя и является для этого необходимым.

· UML предоставляет огромную свободу при рисовании диаграмм и выборе инструмента рисования. Производители инструментов также воспользовались этой свободой, чтобы по своему разумению "украсить" имеющуюся нотацию.

Контрольные вопросы

· Как расшифровывается аббревиатура UML?

· Какая версия UML является текущей?

· Кто были авторами UML?

· Чем НЕ является UML?

· Какие программные средства, поддерживающие UML, вы знаете?

· Используются ли в UML "трехмерные" фигуры?

#

#

# Практическая работа 1

# Назначение и основные понятия языка UML

#

Назначение языка и сфера применения

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

· информационные системы масштаба предприятия;

· банковские и финансовые услуги;

· телекоммуникации;

· транспорт;

· оборонная промышленность, авиация и космонавтика;

· розничная торговля;

· медицинская электроника;

· наука;

· распределенные Web-системы.

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

## Концептуальная модель UML

Для понимания UML необходимо усвоить его концептуальную модель, которая включает в себя три составные части: основные строительные блоки языка, правила их сочетания и некоторые общие для всего языка механизмы. Усвоив эти элементы, вы сумеете читать модели на UML и самостоятельно создавать их -вначале, конечно, не очень сложные. По мере приобретения опыта в работе с языком вы научитесь пользоваться и более развитыми его возможностями.

### Строительные блоки UML

Словарь языка UML включает три вида строительных блоков:

· сущности;

· отношения;

· диаграммы.

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

В UML имеется четыре типа сущностей:

· структурные;

· поведенческие;

· группирующие;

· аннотационные.

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

Структурные сущности - это имена существительные в моделях на языке UML. Как правило, они представляют собой статические части модели, соответствующие концептуальным или физическим элементам системы. Существует семь разновидностей структурных сущностей.

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

Рисунок 1 Классы

Интерфейс (Interface) - это совокупность операций, которые определяют сервис (набор услуг), предоставляемый классом или компонентом. Таким образом, интерфейс описывает видимое извне поведение элемента. Интерфейс может представлять поведение класса или компонента полностью или частично; он определяет только спецификации операций (сигнатуры), но никогда - их реализации. Графически интерфейс изображается в виде круга, под которым пишется его имя, как показано на Рисунок 2. Интерфейс редко существует сам по себе - обычно он присоединяется к реализующему его классу или компоненту.

Рисунок 2 Интерфейсы

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

Рисунок 3 Кооперации

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

Рисунок 4 Прецеденты

Три другие сущности - активные классы, компоненты и узлы - подобны классам: они описывают совокупности объектов с общими атрибутами, операциями, отношениями и семантикой. Тем не менее они в достаточной степени отличаются друг от друга и от классов и, учитывая их важность при моделировании определенных аспектов объектно-ориентированных систем, заслуживают специального рассмотрения.

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

Рисунок 5 Активные классы

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

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

Рисунок 6 Компоненты

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

Рисунок 7 Узлы

Эти семь базовых элементов - классы, интерфейсы, кооперации, прецеденты, активные классы, компоненты и узлы - являются основными структурными сущностями, которые могут быть включены в модель UML Существуют также разновидности этих сущностей: актеры, сигналы, утилиты (виды классов), процессы и нити (виды активных классов), приложения, документы, файлы, библиотеки, страницы и таблицы (виды компонентов).

Поведенческие сущности (Behavioral things) являются динамическими составляющими модели UML. Это глаголы языка: они описывают поведение модели во времени и пространстве. Существует всего два основных типа поведенческих сущностей.

Взаимодействие (Interaction) - это поведение, суть которого заключается в обмене сообщениями (Messages) между объектами в рамках конкретного контекста для достижения определенной цели. С помощью взаимодействия можно описать как отдельную операцию, так и поведение совокупности объектов. Взаимодействие предполагает ряд других элементов, таких как сообщения, последовательности действий (поведение, инициированное сообщением) и связи (между объектами). Графически сообщения изображаются в виде стрелки, над которой почти всегда пишется имя соответствующей операции, как показано на Рисунок 8.

Рисунок 8 Сообщения

Автомат (State machine) - это алгоритм поведения, определяющий последовательность состояний, через которые объект или взаимодействие проходят на протяжении своего жизненного цикла в ответ на различные события, а также реакции на эти события. С помощью автомата можно описать поведение отдельного класса или кооперации классов. С автоматом связан ряд других элементов: состояния, переходы (из одного состояния в другое), события (сущности, инициирующие переходы) и виды действий (реакция на переход). Графически состояние изображается в виде прямоугольника с закругленными углами, содержащего имя и, возможно, подсостояния (см. Рисунок 9).

Рисунок 9 Состояния

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

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

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

Изображается пакет в виде папки с закладкой, содержащей, как правило, только имя и иногда - содержимое (см. Рисунок 10).

Рисунок 10 Пакеты

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

Аннотационные сущности - пояснительные части модели UML. Это комментарии для дополнительного описания, разъяснения или замечания к любому элементу модели. Имеется только один базовый тип аннотационных элементов - примечание (Note). Примечание - это просто символ для изображения комментариев или ограничений, присоединенных к элементу или группе элементов. Графически примечание изображается в виде прямоугольника с загнутым краем, содержащим текстовый или графический комментарий, как показано на Рисунок 11.

Рисунок 11 Примечания

Этот элемент является основной аннотационной сущностью, которую можно включать в модель UML. Чаще всего примечания используются, чтобы снабдить диаграммы комментариями или ограничениями, которые можно выразить в виде неформального или формального текста. Существуют вариации этого элемента, например требования, где описывают некое желательное поведение с точки зрения внешней по отношению к модели.

Лабораторная работа 1

Отношения в языке UML

В языке UML определены четыре типа отношений:

· зависимость;

· ассоциация;

· обобщение;

· реализация.

Эти отношения являются основными связующими строительными блоками в UML и применяются для создания корректных моделей.

Зависимость (Dependency) - это семантическое отношение между двумя сущностями, при котором изменение одной из них, независимой, может повлиять на семантику другой, зависимой. Графически зависимость изображается в виде прямой пунктирной линии, часто со стрелкой, которая может содержать метку (см. рис. 12).

Рис. 12 Зависимости

Ассоциация (Association) - структурное отношение, описывающее совокупность связей; связь - это соединение между объектами. Разновидностью ассоциации является агрегирование (Aggregation) - так называют структурное отношение между целым и его частями. Графически ассоциация изображается в виде прямой линии (иногда завершающейся стрелкой или содержащей метку), рядом с которой могут присутствовать дополнительные обозначения, например кратность и имена ролей. На рис. 13 показан пример отношений этого типа.

Рис. 13 Ассоциации

Обобщение (Generalization) - это отношение "специализация/обобщение", при котором объект специализированного элемента (потомок) может быть подставлен вместо объекта обобщенного элемента (родителя или предка). Таким образом, потомок (Child) наследует структуру и поведение своего родителя (Parent). Графически отношение обобщения изображается в виде линии с незакрашенной стрелкой, указывающей на родителя, как показано на рис. 14. Наконец, реализация (Realization) - это семантическое отношение между классификаторами, при котором один классификатор определяет "контракт", а другой гарантирует его выполнение .

Рис. 14 Обобщения

Отношения реализации встречаются в двух случаях: во-первых, между интерфейсами и реализующими их классами или компонентами, а во-вторых, между прецедентами и реализующими их кооперациями. Отношение реализации изображается в виде пунктирной линии с незакрашенной стрелкой, как нечто среднее между отношениями обобщения и зависимости (см. рис. 15). Четыре описанных элемента являются основными типами отношений, которые можно включать в модели UML. Существуют также их вариации, например уточнение (Refinement), трассировка (Trace), включение и расширение (для зависимостей). Диаграмма в UML - это графическое представление набора элементов, изображаемое чаще всего в виде связанного графа с вершинами (сущностями) и ребрами (отношениями). Диаграммы рисуют для визуализации системы с разных точек зрения. Диаграмма - в некотором смысле одна из проекций системы. Как правило, за исключением наиболее тривиальных случаев, диаграммы дают свернутое представление элементов, из которых составлена система. Один и тот же элемент может присутствовать во всех диаграммах, или только в нескольких (самый распространенный вариант), или не присутствовать ни в одной (очень редко). Теоретически диаграммы могут содержать любые комбинации сущностей и отношений. На практике, однако, применяется сравнительно небольшое количество типовых комбинаций, соответствующих пяти наиболее употребительным видам, которые составляют архитектуру программной системы.

Рис. 15 Реализации

Таким образом, в UML выделяют девять типов диаграмм:

· диаграммы классов;

· диаграммы объектов;

· диаграммы прецедентов;

· диаграммы последовательностей;

· диаграммы кооперации;

· диаграммы состояний;

· диаграммы действий;

· диаграммы компонентов;

· диаграммы развертывания.

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

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

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

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

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

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

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

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

Здесь приведен неполный список диаграмм, применяемых в UML. Инструментальные средства позволяют генерировать и другие диаграммы, но девять перечисленных встречаются на практике чаще всего.

### Правила языка UML

Строительные блоки UML нельзя произвольно объединять друг с другом. Как и любой другой язык, UML характеризуется набором правил, определяющих, как должна выглядеть хорошо оформленная модель, то есть семантически самосогласованная и находящаяся в гармонии со всеми моделями, которые с нею связаны.

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

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

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

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

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

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

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

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

· неполные (отдельные элементы пропущены);

· несогласованные (целостность модели не гарантируется).

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

### Общие механизмы языка UML

Строительство упрощается и ведется более эффективно, если придерживаться некоторых соглашений. Следуя определенным архитектурным образцам, можно оформить здание в викторианском или французском стиле. Тот же принцип применим и в отношении UML. Работу с этим языком существенно облегчает последовательное использование общих механизмов, перечисленных ниже:

· спецификации (Specifications);

· дополнения (Adornments);

· принятые деления (Common divisions);

· механизмы расширения (Extensibility mechanisms).

UML - это не просто графический язык. За каждой частью его системы графической нотации стоит спецификация, содержащая текстовое представление синтаксиса и семантики соответствующего строительного блока. Например, пиктограмме класса соответствует спецификация, полностью описывающая его атрибуты, операции (включая полные сигнатуры) и поведение, хотя визуально пиктограмма порой отражает только малую часть этой совокупности. Более того, может существовать другое представление этого класса, отражающее совершенно иные его аспекты, но тем не менее соответствующее все той же спецификации. С помощью графической нотации UML вы визуализируете систему, с помощью спецификаций UML - описываете ее детали. Таким образом, допустимо строить модель инкрементно, то есть пошаговым образом - сначала нарисовать диаграмму, а потом добавить семантику в спецификацию модели, или наоборот - начать со спецификации (возможно, применив обратное проектирование к существующей системе), а потом на ее основе создавать диаграммы.

Спецификации UML создают семантический задний план, который полностью включает в себя составные части всех моделей системы, согласованные между собой. Таким образом, диаграммы UML можно считать визуальными проекциями на этот задний план, при этом каждая из них раскрывает один из значимых аспектов системы.

Почти каждый из элементов UML имеет соответствующее ему уникальное графическое обозначение, которое дает визуальное представление о самых важных аспектах этого элемента. Например, обозначение класса специально придумано так, чтобы его было легко рисовать, поскольку классы - наиболее употребительный элемент при моделировании объектно-ориентированных систем. Нотация класса содержит самые важные его характеристики: имя, атрибуты и операции.

Спецификация класса может содержать и другие детали, например видимость атрибутов и операций или указание на то, что класс является абстрактным. Многие такие детали можно визуализировать в виде графических или текстовых дополнений к стандартному прямоугольнику, служащему изображением класса. Так, на рис. 16 показан класс, в обозначение которого включены сведения о том, что он абстрактный и содержит две открытые, одну защищенную и одну закрытую операцию.

Рис. 16 Дополнения

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

Принятые деления. При моделировании объектно-ориентированных систем реальность членится с учетом по крайней мере двух подходов.

Прежде всего, существует разделение на классы и объекты. Класс - это абстракция, объект - конкретная материализация этой абстракции. В языке UML можно моделировать и классы, и объекты, как показано на рис. 17.

Рис. 17 . Классы и объекты

На этом рисунке показан один класс Customer (Клиент) и три объекта: Jan (явно определенный как объект данного класса), : Customer (анонимный объект класса Customer) и Elyse (спецификация которого относит его к классу Customer, хотя это и не выражено явно).

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

Еще одним вариантом членения является деление на интерфейс и его реализацию. Интерфейс декларирует контракт, а реализация представляет конкретное воплощение этого контракта и обязуется точно следовать объявленной семантике интерфейса. UML позволяет моделировать обе эти категории, интерфейсы и их реализации, как показано на рис. 18: в данном случае один компонент spellingwizard.dll реализует два интерфейса lUnknown и ISpelling. Почти все строительные блоки UML характеризуются дихотомией "интерфейс/реализация". Например, прецеденты реализуются кооперациями, а операции - методами.

Рис. 18 Интерфейсы и реализации

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

· стереотипы;

· помеченные значения;

· ограничения.

Стереотип (Stereotype) расширяет словарь UML, позволяя на основе существующих блоков языка создавать новые, специфичные для решения конкретной проблемы. Например, работая с такими языками программирования, как Java или C++, часто приходится моделировать исключения (Exceptions) - они являются обыкновенными классами, хотя и рассматриваются особым образом. Обычно требуется, чтобы исключения можно было возбуждать и перехватывать, и ничего больше. Если пометить исключения соответствующим стереотипом, то с ними можно будет обращаться как с обычными строительными блоками языка; на рис. 19 это продемонстрировано на примере класса Overflow.

Рис. 19 Механизмы расширения

Помеченное значение (Tagged value) расширяет свойства строительных блоков UML, позволяя включать новую информацию в спецификацию элемента. Скажем, если вы работаете над "коробочным" продуктом и выпускаете много его версий, то зачастую необходимо отслеживать версию и автора какой-нибудь важной абстракции. Ни версия, ни автор не являются первичными концепциями UML, но их можно добавить к любому блоку, такому, например, как класс, задавая для него новые помеченные значения. На рис. 19 показано, как это можно сделать, на примере класса EventQueue.

Ограничения (Constraints) расширяют семантику строительных блоков UML, позволяя определять новые или изменять существующие правила. Вы можете, например, ограничить класс EventQueue так, чтобы все события добавлялись в очередь по порядку. На рис. 19 показано, как можно определить ограничение, которое явно постулирует это правило для операции add.

Совместно эти три механизма расширения языка позволяют модифицировать UML в соответствии с потребностями вашего проекта. Кроме того, они дают возможность адаптировать UML к новым технологиям разработки программного обеспечения, например к вероятному появлению более мощных языков распределенного программирования. С помощью механизмов расширения можно создавать новые строительные блоки, модифицировать существующие и даже изменять их семантику. Не забывайте, однако, о чувстве меры: за расширениями важно не потерять главную цель UML - возможность обмена информацией.

Задание:

Приведите пример для каждого отношения:

· зависимость;

· ассоциация;

· обобщение;

· реализация.

Контрольные вопросы:

1. Раскройте понятия «UML», «отношение»?

2. Какие основные принципы языка вы знаете?