Какие виды моделей существуют в uml. Общая характеристика языка UML. Диаграммы обзора взаимодействия

UML-диаграмма - это специализированный язык графического описания, предназначенный для объектного моделирования в сфере разработки различного программного обеспечения. Данный язык имеет широкий профиль и представляет собой открытый стандарт, в котором используются различные графические обозначения, чтобы создать абстрактную модель системы. UML создавался для того, чтобы обеспечить определение, визуализацию, документирование, а также проектирование всевозможных программных систем. Стоит отметить, что сама по себе UML-диаграмма не представляет собой язык программирования, но при этом предусматривается возможность генерации на ее основе отдельного кода.

Зачем она нужна?

Применение UML не заканчивается на моделировании всевозможного ПО. Также данный язык активно сегодня используется для моделирования различных бизнес-процессов, ведения системного проектирования, а также отображения организационных структур.

С помощью UML разработчики программного обеспечения могут обеспечить полное соглашение в используемых графических обозначениях, чтобы представить общие понятия, такие как: компонент, обобщение, класс, поведение и агрегация. За счет этого достигается большая степень концентрации на архитектуре и проектировании.

Также стоит отметить, что есть несколько видов таких диаграмм.

Диаграмма классов

Диаграмма классов UML представляет собой статическую структурную диаграмму, предназначенную для описания структуры системы, а также демонстрации атрибутов, методов и зависимостей между несколькими различными классами.

Стоит отметить тот факт, что есть несколько точек зрения на построение таких диаграмм в зависимости от того, каким образом они будут использоваться:

• Концептуальная. В данном случае диаграмма классов UML осуществляет описание модели определенной предметной области, и в ней предусматриваются только классы прикладных объектов.
• Специфическая. Диаграмма используется в процессе проектирования различных информационных систем.
• Реализационная. Диаграмма классов включает в себя всевозможные классы, которые непосредственно используются в программном коде.

Диаграмма компонентов

Диаграмма компонентов UML представляет собой полностью статическую структурную диаграмму. Предназначается она для того, чтобы продемонстрировать разбиение определенной программной системы на разнообразные структурные компоненты, а также связи между ними. Диаграмма компонентов UML в качестве таковых может использовать всевозможные модели, библиотеки, файлы, пакеты, исполняемые файлы и еще множество других элементов.

Диаграмма композитной/составной структуры

UML диаграмма композитной/составной структуры также является статической структурной диаграммой, но используется она для того, чтобы показать внутреннюю структуру классов. По возможности данная диаграмма может продемонстрировать также взаимодействие элементов, находящихся во внутренней структуре класса.

Подвидом их является UML-диаграмма кооперации, которая используется для демонстрации ролей, а также взаимодействия различных классов в границах кооперации. Они являются достаточно удобными в том случае, если нужно моделировать шаблоны проектирования.

Стоит отметить, что одновременно могут использоваться виды диаграмм UML классов и композитной структуры.

Диаграмма развертывания

Данная диаграмма используется для того, чтобы моделировать работающие узлы, а также всевозможные артефакты, которые на них были развернуты. В UML 2 на различных узлах осуществляется разворачивание артефактов, в то время как в первой версии разворачивались исключительно компоненты. Таким образом, диаграмма развертывания UML используется преимущественно ко второй версии.

Между артефактом и тем компонентом, который он реализует, формируется зависимость манифестации.

Диаграмма объектов

Данный вид позволяет увидеть полноценный или же частичный снимок создаваемой системы в определенный момент времени. На ней полностью отображаются все экземпляры классов конкретной системы с указанием текущих значений их параметров, а также связей между ними.

Диаграмма пакетов

Эта диаграмма носит структурный характер, и основным ее содержанием являются всевозможные пакеты, а также отношения между ними. В данном случае нет никакого жесткого разделения между несколькими структурными диаграммами, вследствие чего их использование чаще всего встречается исключительно для удобства, и никакого семантического значения в себе не несет. Стоит отметить, что различные элементы могут предоставлять другие UML диаграммы (примеры: пакеты и сами диаграммы пакетов).

Их использование осуществляется для того, чтобы обеспечить организацию нескольких элементов в группы по определенному признаку, чтобы упростить структуру, а также организовать работу с моделью данной системы.

Диаграмма деятельности

Диаграмма деятельности UML отображает разложение определенной деятельности на несколько составных частей. В данном случае понятием «деятельность» называется спецификация определенного исполняемого поведения в виде параллельного, а также координированного последовательного выполнения различных подчиненных элементов - вложенных типов деятельности и различных действий, объединенных потоками, идущими от выходов определенного узла к входам другого.

Диаграмма деятельности UML достаточно часто используются для того, чтобы моделировать различные бизнес-процессы, параллельные и последовательные вычисления. Помимо всего прочего ими моделируются всевозможные технологические процедуры.

Диаграмма автомата

Этот вид называется и несколько иначе - диаграмма состояний UML. Имеет представленный конечный автомат с простыми и композитными состояниями, а также переходами.

Конечный автомат представляет собой спецификацию последовательности различных состояний, через которые проходит определенный объект, или же взаимодействие в ответ на некоторые события своей жизни, а также ответные действия объекта на такие события. Конечный автомат, который использует диаграмма состояний UML, закрепляется за исходным элементом и используется для того, чтобы определить поведение его экземпляров.

В качестве аналогов таких диаграмм могут использоваться так называемые дракон-схемы.

Диаграммы сценариев использования

Диаграмма вариантов использования UML отображает на себе все отношения, которые возникают между актерами, а также различными вариантами использования. Главная ее задача - осуществлять собой полноценное средство, при помощи которого заказчик, конечный пользователь или же какой-нибудь разработчик сможет совместно обсуждать поведение и функциональность определенной системы.

Если диаграмма вариантов использования UML используется в процессе моделирования системы, то аналитик собирается:

• Четко отделить моделируемую систему от ее окружения.
• Выявить действующих лиц, пути их взаимодействия с данной системой, а также ожидаемый ее функционал.
• Установить в глоссарии в качестве предметной области различные понятия, которые относятся к подробному описанию функционала данной системы.

Если разрабатывается в UML диаграмма использования, процедура начинается с текстового описания, которое получается при работе с заказчиком. При этом стоит отметить тот факт, что различные нефункциональные требования в процессе составления модели прецедентов полностью опускаются, и для них уже будет формироваться отдельный документ.

Коммуникации

Диаграмма коммуникации точно так же, как и диаграмма последовательности UML, является транзитивной, то есть выражает в себе взаимодействие, но при этом демонстрирует его разными способами, и при необходимости с нужной степенью точности можно преобразовать одну в другую.

Диаграмма коммуникации отображает в себе взаимодействия, которые происходят между различными элементами композитной структуры, а также ролями кооперации. Главным отличием ее от диаграммы последовательности является то, что на ней достаточно явно указываются отношения между несколькими элементами, а время не используется в качестве отдельного измерения.

Данный тип отличается абсолютно свободным форматом упорядочивания нескольких объектов и связей точно так же, как это осуществляется в диаграмме объектов. Если есть необходимость в том, чтобы поддерживать порядок сообщений при этом свободном формате, осуществляется их хронологическая нумерация. Чтение данной диаграммы начинается с изначального сообщения 1.0, и впоследствии продолжается по тому направлению, по которому осуществляется передача сообщений от одного объекта к другому.

В большинстве своем такие диаграммы демонстрируют точно такую же информацию, которую предоставляет нам диаграмма последовательности, однако из-за того, что здесь используется другой способ представления информации, определенные вещи на одной диаграмме становится гораздо проще определить, чем на другой. Также стоит отметить, что диаграмма коммуникаций более наглядно показывает, с какими элементами вступает во взаимодействие каждый отдельный элемент, в то время как диаграмма последовательности более ясно показывает, в каком порядке осуществляются взаимодействия.

Диаграмма последовательности

Диаграмма последовательности UML демонстрирует взаимодействия между несколькими объектами, которые упорядочиваются в соответствии с временем их проявления. На такой диаграмме отображается упорядоченное во времени взаимодействие между несколькими объектами. В частности, на ней отображаются все объекты, которые принимают участие во взаимодействии, а также полная последовательность обмениваемых ими сообщений.

Главными элементами в данном случае выступают обозначения различных объектов, а также вертикальные линии, отображающие течение времени и прямоугольники, предоставляющие деятельность определенного объекта или же выполнение им какой-либо функции.

Диаграмма сотрудничества

Данный тип диаграмм позволяет продемонстрировать взаимодействия между несколькими объектами, абстрагируясь от последовательности трансляции сообщений. Данный тип диаграмм в компактном виде отображает в себе абсолютно все передаваемые и принимаемые сообщения определенного объекта, а также форматы этих сообщений.

По причине того, что диаграммы последовательности и коммуникации представляют собой просто-напросто разный взгляд на одни и те же процедуры, Rational Rose предоставляет возможность создавать из диаграммы последовательности коммуникационную или же наоборот, а также осуществляет полностью автоматическую их синхронизацию.

Диаграммы обзора взаимодействия

Это диаграммы языка UML, которые относятся к разновидности диаграмм деятельности и включают в себя одновременно элементы Sequence и конструкции потока управления.

Стоит отметить тот факт, что данный формат объединяет в себе Collaboration и Sequence diagram, которые предоставляют возможность с разных точек зрения рассматривать взаимодействие между несколькими объектами в формируемой системе.

Диаграмма синхронизации

Представляет собой альтернативный вариант диаграммы последовательности, который явным образом демонстрирует изменение состояния на линии жизни с определенной шкалой времени. Может быть достаточно полезной в различных приложениях реального времени.

В чем преимущества?

Стоит отметить несколько преимуществ, которыми отличается UML диаграмма пользования и другие:

• Язык является объектно-ориентированным, вследствие чего технологии описания результатов проведенного анализа и проектирования являются семантически близкими к методам программирования на всевозможных объектно-ориентированных языках современного типа.
• При помощи данного языка система может быть описана практически с любых возможных точек зрения, и точно так же описываются различные аспекты ее поведения.
• Все диаграммы являются сравнительно простыми для чтения даже после относительно быстрого ознакомления с его синтаксисом.
• UML позволяет расширить, а также вводить собственные графические и текстовые стереотипы, что способствует его использованию не только в программной инженерии.
• Язык получил достаточно широкое распространение, а также довольно активно развивается.

Недостатки

Несмотря на то что построение UML-диаграмм отличается массой своих плюсов, довольно часто их и критикуют за следующие недостатки:

• Избыточность. В преимущественном большинстве случаев критики говорят о том, что UML является слишком большим и сложным, и зачастую это неоправданно. В него входит достаточно много избыточных или же практически бесполезных конструкций и диаграмм, причем наиболее часто подобная критика идет в адрес второй версии, а не первой, потому что в более новых ревизиях присутствует большее количество компромиссов «разработанных комитетом».
• Различные неточности в семантике. По той причине, что UML определяется комбинацией себя, английского и OCL, у него отсутствует скованность, которая является присущей для языков, точно определенных техникой формального описания. В определенных ситуациях абстрактный синтаксис OCL, UML и английский начинают друг другу противоречить, в то время как в других случаях они являются неполными. Неточность описания самого языка одинаково отражается как на пользователях, так и на поставщиках инструментов, что в конечном итоге приводит к несовместимости инструментов из-за уникального способа трактовки различных спецификаций.
• Проблемы в процессе внедрения и изучения. Все указанные выше проблемы создают определенные сложности в процессе внедрения и изучения UML, и в особенности это касается тех случаев, когда руководство заставляет инженеров насильно его использовать, в то время как у них отсутствуют предварительные навыки.
• Код отражает код. Еще одним мнением является то, что важность имеют не красивые и привлекательные модели, а непосредственно рабочие системы, то есть код и есть проект. В соответствии с данным мнением есть потребность в том, чтобы разработать более эффективный способ написания программного обеспечения. UML принято ценить при подходах, компилирующих модели для регенерирования выполнимого или же исходного кода. Но на самом деле этого может быть недостаточно, потому что в данном языке отсутствуют свойства полноты по Тьюрингу, и каждый сгенерированный код в конечном итоге будет ограничиваться тем, что может предположить или же определить интерпретирующий UML инструмент.
• Рассогласование нагрузки. Данный термин происходит из теории системного анализа для определения неспособности входа определенной системы воспринять выход иной. Как в любых стандартных системах обозначений, UML может представлять одни системы в более эффективном и кратком виде по сравнению с другими. Таким образом, разработчик больше склоняется к тем решениям, которые являются более комфортными для переплетения всех сильных сторон UML, а также других языков программирования. Данная проблема является более очевидной в том случае, если язык разработки не соответствует основным принципам объектно-ориентированной ортодоксальной доктрины, то есть не старается работать в соответствии с принципами ООП.
• Пытается быть универсальным. UML представляет собой язык моделирования общего назначения, который старается обеспечить совместимость с любым существующим на сегодняшний день языком обработки. В контексте определенного проекта, для того, чтобы команда проектировщиков смогла добиться конечной цели, нужно выбирать применимые возможности этого языка. Помимо этого возможные пути ограничения сферы использования UML в какой-то определенной области проходят через формализм, который является не полностью сформулированным, а который сам представляет собой объект критики.

Таким образом, использование данного языка является актуальным далеко не во всех ситуациях.

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

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

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

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

Почему нужно несколько видов диаграмм

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Виды диаграмм

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

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

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

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

Итак, мы кратко рассмотрим такие виды диаграмм, как:

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

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

Диаграмма прецедентов (use case diagram)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

UML – это унифицированный графический язык моделирования для описания, визуализации, проектирования и документирования ОО систем. UML призван поддерживать процесс моделирования ПС на основе ОО подхода, организовывать взаимосвязь концептуальных и программных понятий, отражать проблемы масштабирования сложных систем. Модели на UML используются на всех этапах жизненного цикла ПС, начиная с бизнес-анализа и заканчивая сопровождением системы. Разные организации могут применять UML по своему усмотрению в зависимости от своих проблемных областей и используемых технологий.

Краткая история UML

К середине 90-х годов различными авторами было предложено несколько десятков методов ОО моделирования, каждый из которых использовал свою графическую нотацию. При этом любой их этих методов имел свои сильные стороны, но не позволял построить достаточно полную модель ПС, показать ее «со всех сторон», то есть, все необходимые проекции (См. статью 1). К тому же отсутствие стандарта ОО моделирования затрудняло для разработчиков выбор наиболее подходящего метода, что препятствовало широкому распространению ОО подхода к разработке ПС.

По запросу Object Management Group (OMG) – организации, ответственной за принятие стандартов в области объектных технологий и баз данных назревшая проблема унификации и стандартизации была решена авторами трех наиболее популярных ОО методов – Г.Бучем, Д.Рамбо и А.Джекобсоном, которые объединенными усилиями создали версию UML 1.1, утвержденную OMG в 1997 году в качестве стандарта.

UML – это язык

Любой язык состоит из словаря и правил комбинирования слов для получения осмысленных конструкций. Так, в частности, устроены языки программирования, таковым является и UML. Отличительной его особенностью является то, что словарь языка образуют графические элементы. Каждому графическому символу соответствует конкретная семантика, поэтому модель, созданная одним разработчиком, может однозначно быть понята другим, а также программным средством, интерпретирующим UML. Отсюда, в частности, следует, что модель ПС, представленная на UML, может автоматически быть переведена на ОО язык программирования (такой, как Java, C++, VisualBasic), то есть, при наличии хорошего инструментального средства визуального моделирования, поддерживающего UML, построив модель, мы получим и заготовку программного кода, соответствующего этой модели.

Следует подчеркнуть, что UML – это именно язык, а не метод. Он объясняет, из каких элементов создавать модели и как их читать, но ничего не говорит о том, какие модели и в каких случаях следует разрабатывать. Чтобы создать метод на базе UML, надо дополнить его описанием процесса разработки ПС. Примером такого процесса является Rational Unified Process, который будет рассматриваться в последующих статьях.

Словарь UML

Модель представляется в виде сущностей и отношений между ними, которые показываются на диаграммах.

Сущности – это абстракции, являющиеся основными элементами моделей. Имеется четыре типа сущностей – структурные (класс, интерфейс, компонент, вариант использования, кооперация, узел), поведенческие (взаимодействие, состояние), группирующие (пакеты) и аннотационные (комментарии). Каждый вид сущностей имеет свое графическое представление. Сущности будут подробно рассмотрены при изучении диаграмм.

Отношения показывают различные связи между сущностями. В UML определены следующие типы отношений:

• Зависимость показывает такую связь между двумя сущностями, когда изменение одной из них – независимой – может повлиять на семантику другой – зависимой. Зависимость изображается пунктирной стрелкой, направленной от зависимой сущности к независимой.
• Ассоциация – это структурное отношение, показывающее, что объекты одной сущности связаны с объектами другой. Графически ассоциация показывается в виде линии, соединяющей связываемые сущности. Ассоциации служат для осуществления навигации между объектами. Например, ассоциация между классами «Заказ» и «Товар» может быть использована для нахождения всех товаров, указанных в конкретном заказе – с одной стороны, или для нахождения всех заказов в которых есть данный товар, – с другой. Понятно, что в соответствующих программах должен быть реализован механизм, обеспечивающий такую навигацию. Если требуется навигация только в одном направлении, оно показывается стрелкой на конце ассоциации. Частным случаем ассоциации является агрегирование – отношение вида «целое» – «часть». Графически оно выделяется с помощью ромбика на конце около сущности-целого.
• Обобщение – это отношение между сущностью-родителем и сущностью-потомком. По существу, это отношение отражает свойство наследования для классов и объектов. Обобщение показывается в виде линии, заканчивающейся треугольничком направленным к родительской сущности. Потомок наследует структуру (атрибуты) и поведение (методы) родителя, но в то же время он может иметь новые элементы структуры и новые методы. UML допускает множественное наследование, когда сущность связана более чем с одной родительской сущностью.
• Реализация – отношение между сущностью, определяющей спецификацию поведения (интерфейс) с сущностью, определяющей реализацию этого поведения (класс, компонент). Это отношение обычно используется при моделировании компонент и будет подробнее описано в последующих статьях.

Диаграммы. В UML предусмотрены следующие диаграммы:

• Диаграммы, описывающие поведение системы:
• Диаграммы состояний (State diagrams),
• Диаграммы деятельностей (Activity diagrams),
• Диаграммы объектов (Object diagrams),
• Диаграммы последовательностей (Sequence diagrams),
• Диаграммы взаимодействия (Collaboration diagrams);
• Диаграммы, описывающие физическую реализацию системы:
• Диаграммы компонент (Component diagrams);
• Диаграммы развертывания (Deployment diagrams).

Представление управления моделью. Пакеты.

Мы уже говорили о том, что для того чтобы модель была хорошо понимаемой человеком необходимо организовать ее иерархически, оставляя на каждом уровне иерархии небольшое число сущностей. UML включает средство организации иерархического представления модели – пакеты. Любая модель состоит из набора пакетов, которые могут содержать классы, варианты использования и прочие сущности и диаграммы. Пакет может включать другие пакеты, что позволяет создавать иерархии. В UML не предусмотрено отдельных диаграмм пакетов, но они могут присутствовать на других диаграммах. Пакет изображается в виде прямоугольника с закладкой.

Что обеспечивает UML.

• иерархическое описание сложной системы путем выделения пакетов;
• формализацию функциональных требований к системе с помощью аппарата вариантов использования;
• детализацию требований к системе путем построения диаграмм деятельностей и сценариев;
• выделение классов данных и построение концептуальной модели данных в виде диаграмм классов;
• выделение классов, описывающих пользовательский интерфейс, и создание схемы навигации экранов;
• описание процессов взаимодействия объектов при выполнении системных функций;
• описание поведения объектов в виде диаграмм деятельностей и состояний;
• описание программных компонент и их взаимодействия через интерфейсы;
• описание физической архитектуры системы.

И последнее…

Несмотря на всю привлекательность UML, его было бы затруднительно использовать при реальном моделировании ПС без инструментальных средств визуального моделирования. Такие средства позволяют оперативно представлять диаграммы на экране дисплея, документировать их, генерировать заготовки программных кодов на различных ОО языках программирования, создавать схемы баз данных. Большинство из них включают возможности реинжиниринга программных кодов – восстановления определенных проекций модели ПС путем автоматического анализа исходных кодов программ, что очень важно для обеспечения соответствия модели и кодов и при проектировании систем, наследующих функциональность систем-предшественников.

Все диаграммы UML можно условно разбить на две группы, первая из которых ‒ общие диаграммы. Общие диаграммы практически не зависят от предмета моделирования и могут применяться в любом программном проекте без оглядки на предметную область, область решений и т.д.

1.5.1. Диаграмма использования

Диаграмма использования (use case diagram) ‒ это наиболее общее представление функционального назначения системы.

Диаграмма использования призвана ответить на главный вопрос моделирования: что делает система во внешнем мире?

На диаграмме использования применяются два типа основных сущностей: варианты использования 1 и действующие лица 2 , между которыми устанавливаются следующие основные типы отношений:

• ассоциация между действующим лицом и вариантом использования 3 ;
• обобщение между действующими лицами 4 ;
• обобщение между вариантами использования 5 ;
• зависимости (различных типов) между вариантами использования 6 .

На диаграмме использования, как и на любой другой, могут присутствовать комментарии 7 . Более того, это настоятельно рекомендуется делать для улучшения читаемости диаграмм.

Основные элементы нотации, применяемые на диаграмме использования, показаны ниже. Детальное описание приведено в разделе 2.2 .

1.5.2. Диаграмма классов

Диаграмма классов (class diagram) ‒ основной способ описания структуры системы.

Это не удивительно, поскольку UML в первую очередь объектно-ориентированный язык, и классы являются основным (если не единственным) "строительным материалом".

На диаграмме классов применяется один основной тип сущностей: классы 1 (включая многочисленные частные случаи классов: интерфейсы, примитивные типы, классы-ассоциации и многие другие), между которыми устанавливаются следующие основные типы отношений:

• ассоциация между классами 2 (с множеством дополнительных подробностей);
• обобщение между классами 3 ;
• зависимости (различных типов) между классами 4 и между классами и интерфейсами.

Некоторые элементы нотации, применяемые на диаграмме классов, показаны ниже. Детальное описание приведено в главе 3 .

1.5.3. Диаграмма автомата

Диаграмма автомата (state machine diagram) ‒ это один из способов детального описания поведения в UML на основе явного выделения состояний и описания переходов между состояниями.

В сущности, диаграммы автомата, как это следует из названия, представляют собой граф переходов состояний (см. главу 4), нагруженный множеством дополнительных деталей и подробностей.

На диаграмме автомата применяют один основной тип сущностей ‒ состояния 1 , и один тип отношений ‒ переходы 2 , но и для тех и для других определено множество разновидностей, специальных случаев и дополнительных обозначений. Перечислять их все во вступительном обзоре не имеет смысла.

Детальное описание всех вариаций диаграмм автомата приведено в разделе 4.2 , а на следующем рисунке показаны только основные элементы нотации, применяемые на диаграмме автомата.

1.5.4. Диаграмма деятельности

Диаграмма деятельности (activity diagram) ‒ способ описания поведения на основе указания потоков управления и потоков данных.

Диаграмма деятельности ‒ еще один способ описания поведения, который визуально напоминает старую добрую блок-схему алгоритма. Однако за счет модернизированных обозначений, согласованных с объектно-ориентированным подходом, а главное, за счет новой семантической составляющей (свободная интерпретация сетей Петри), диаграмма деятельности UML является мощным средством для описания поведения системы.

На диаграмме деятельности применяют один основной тип сущностей ‒ действие 1 , и один тип отношений ‒ переходы 2 (передачи управления и данных). Также используются такие конструкции как развилки, слияния, соединения, ветвления 3 , которые похожи на сущности, но таковыми на самом деле не являются, а представляют собой графический способ изображения некоторых частных случаев многоместных отношений. Семантика элементов диаграмм деятельности подробно разобрана в главе 4 . Основные элементы нотации, применяемые на диаграмме деятельности, показаны ниже.

1.5.5. Диаграмма последовательности

Диаграмма последовательности (sequence diagram) ‒ это способ описания поведения системы на основе указания последовательности передаваемых сообщений.

Фактически, диаграмма последовательности ‒ это запись протокола конкретного сеанса работы системы (или фрагмента такого протокола). В объектно-ориентированном программировании самым существенным во время выполнения является пересылка сообщений между взаимодействующими объектами. Именно последовательность посылок сообщений отображается на данной диаграмме, отсюда и название.

На диаграмме последовательности применяют один основной тип сущностей ‒ экземпляры взаимодействующих классификаторов 1 (в основном классов, компонентов и действующих лиц), и один тип отношений ‒ связи 2 , по которым происходит обмен сообщениями 3 . Предусмотрено несколько способов посылки сообщений, которые в графической нотации различаются видом стрелки, соответствующей отношению.

Важным аспектом диаграммы последовательности является явное отображение течения времени. В отличие от других типов диаграмм, кроме разве что диаграмм синхронизации, на диаграмме последовательности имеет значение не только наличие графических связей между элементами, но и взаимное расположение элементов на диаграмме. А именно, считается, что имеется (невидимая) ось времени, по умолчанию направленная сверху вниз, и то сообщение, которое отправлено позже, нарисовано ниже.

Ось времени может быть направлена горизонтально, в этом случае считается, что время течет слева направо.

На следующем рисунке показаны основные элементы нотации, применяемые на диаграмме последовательности. Для обозначения самих взаимодействующих объектов применяется стандартная нотация ‒ прямоугольник с именем экземпляра классификатора. Пунктирная линия, выходящая из него, называется линией жизни (lifeline) 4 . Это не обозначение отношения в модели, а графический комментарий, призванный направить взгляд читателя диаграммы в правильном направлении. Фигуры в виде узких полосок, наложенных на линию жизни, также не являются изображениями моделируемых сущностей. Это графический комментарий, показывающий отрезки времени, в течении которых объект владеет потоком управления (execution occurrence) 5 или другими словами имеет место активация (activation) объекта. Составные шаги взаимодействия(combined fragment) 6 позволяют на диаграмме последовательности, отражать и алгоритмические аспекты протокола взаимодействия. Прочие детали нотации диаграммы последовательностей см. в главе 4 .

1.5.6. Диаграмма коммуникации

Диаграмма коммуникации (communication diagram) ‒ способ описания поведения, семантически эквивалентный диаграмме последовательности.

Фактически, это такое же описание последовательности обмена сообщениями взаимодействующих экземпляров классификаторов, только выраженное другими графическими средствами. Более того, большинство инструментов умеет автоматически преобразовывать диаграммы последовательности в диаграммы коммуникации и обратно.

Таким образом, на диаграмме коммуникации также как и на диаграмме последовательности применяют один основной тип сущностей ‒ экземпляры взаимодействующих классификаторов 1 и один тип отношений ‒ связи 2 . Однако здесь акцент делается не на времени, а на структуре связей между конкретными экземплярами.

На рисунке показаны основные элементы нотации, применяемые на диаграмме коммуникации. Для обозначения самих взаимодействующих объектов применяется стандартная нотация ‒ прямоугольник с именем экземпляра классификатора. Взаимное положение элементов на диаграмме кооперации не имеет значения ‒ важны только связи (чаще всего экземпляры ассоциаций), вдоль которых передаются сообщения 3 . Для отображения упорядоченности сообщений во времени применяется иерархическая десятичная нумерация.

1.5.7. Диаграмма компонентов

Диаграмма компонентов (component diagram) ‒ показывает взаимосвязи между модулями (логическими или физическими), из которых состоит моделируемая система.

Основной тип сущностей на диаграмме компонентов ‒ это сами компоненты 1 , а также интерфейсы 2 , посредством которых указывается взаимосвязь между компонентами. На диаграмме компонентов применяются следующие отношения:

• реализации между компонентами и интерфейсами (компонент реализует интерфейс);
• зависимости между компонентами и интерфейсами (компонент использует интерфейс) 3 .

На рисунке показаны основные элементы нотации, применяемые на диаграмме компонентов. Детальное описание приведено в главе 3 .

1.5.8. Диаграмма размещения

Диаграмма размещения (deployment diagram) наряду с отображением состава и связей элементов системы показывает, как они физически размещены на вычислительных ресурсах во время выполнения.

Таким образом, на диаграмме размещения, по сравнению с диаграммой компонентов, добавляется два типа сущностей: артефакт 1 , который является реализацией компонента 2 и узел 3 (может быть как классификатор, описывающий тип узла, так и конкретный экземпляр), а также отношение ассоциации между узлами 4 , показывающее, что узлы физически связаны во время выполнения.

На рисунке показаны основные элементы нотации, применяемые на диаграмме размещения. Для того чтобы показать, что одна сущность является частью другой, применяется либо отношение зависимости «deploy» 5 , либо фигура одной сущности помещается внутрь фигуры другой сущности 6 . Детальное описание диаграммы приведено в главе 3 .

UML или Unified Modeling Language - язык графического описания для объектного моделирования в области разработки программного обеспечения. Но использование UML не ограничивается IT, другая большая сфера практического применения UML - моделирование бизнес-процессов, системного проектирования и отображения организационных структур. UML дает возможность разработчикам программного обеспечения достигнуть соглашения в графических обозначениях для представления общих понятий и сконцентрироваться на проектировании и разработке.

Преимущества UML

• В UML используются графические обозначения для элементов моделируемой системы, при этом схемы UML достаточно просты для понимания;
• UML делает возможным описывать системы практически со всех возможных точек зрения, учитывая различные аспекты;
• UML объектно-ориентирован: его методы анализа и построения семанитически близки к методам программирования, используемым в современных языках ООП;
• UML - открытый стандарт. Стандарт развивается и эволюционирует от версии к версии, отвечая самым современным требованиям к описанию систем;
• содержит механизм расширения, позволяющий вводить дополнительные текстовые и графические типы, что делает возможным применение UML не только в сфере IT.

Типы диаграмм UML

В UML 14 типов диаграмм. Их можно разделить на 2 категории:

• структурные , представляющие информационную структуру;
• поведенческие , представляющие поведение системы и различные аспекты взаимодействий. Отдельным подвидом диаграмм поведения считаются диаграммы взаимодействия .

Иерархия типов диаграмм UML,
представленная диаграммой классов

Структурные диаграммы

1. Диаграмма классов является ключевым элементом в объектно-ориентированном моделировании. С помощью этой диаграммы (собственно, через классы , их атрибуты , методы и зависимости между классами) описывается модель предметной области и структура моделируемой системы.
2. Диаграмма компонентов отображает разбиение программного кода на крупные блоки (структурные компоненты) и показывает зависимости между ними. Компонентами могут быть пакеты, модули, библиотеки, файлы и т.д.
3. Объектная диаграмма показывает полный или частичный срез моделируемой системы в заданный момент времени. Она представляет экземплеры классов (объекты), их состояние (текущие значения аттрибутов) и отношения между ними.
4. Диаграмма композитной структуры демонстрирует внутреннюю структуру классов и, по возможности, взаимодействия между элементами этой структуры.
5. Диаграмма пакетов показывает пакеты и отношения между ними. Этот вид диаграмм служит для упрощения структуры модели (и, соответственно, работы с ней) через объединение элементов модели в группы по некоторым критериям.
6. Диаграмма развертывания моделирует развертывание программных компонентов (артефактов ) на вычислительных ресурсах/аппаратных компонентах (узлах ).
7. Диаграмма профилей описывает механизм расширения, позволяющий приспособить UML к разнообразным предметным областям и сферам деятельности.

Пример UML-диаграммы классов

Диаграммы поведения

1. Диаграмма деятельности показывает действия (actions ) из которых состоит некоторая деятельность (activity ). Диаграммы деятельности используются для моделирования бизнесс-процессов, технологических процессов, последовательных и параллельных вычислений.
2. Диаграмма вариантов использования (или диаграмма прецедентов ) описывает отношения между актёрами (действующими лицами) и вариантами использования моделируемой системы (ее возможностями). Основное назначение диаграммы - быть универсальным средством для заказчиков, разработчиков и конечных пользователей, с помощью которого можно было бы совместно обсуждать систему - ее возможности и поведение.
3. Диаграмма состояний изображает динамическое поведение сущности, показывая как эта сущность в зависимости от своего текущего состояния реагирует на различные события. По сути это диаграмма состояний из теории атоматов.
4. Диаграмма коммуникации (в ранних версиях диаграмма кооперации ) показывает взаимодействия между частями композитной структуры и ролями кооперации. На диаграмме явно указываются отношения между элементами (объектами).
5. Диаграмма последовательности используется для визуализации последовательности взаимодействий объектов. Показывает жизненный цикл заданного объекта и взаимодействие актеров (действующих лиц) в рамках некоторого варианта использования, последовательность сообщений которыми они обмениваются.
6. Диаграмма обзора взаимодействия включает часть диаграммы последовательности и конструкции потока управления. Помогает рассмотреть взаимодействие объектов с различных точек зрения.
7. Диаграмма синхронизации - отдельный подвид диаграмм взаимодействия, специализируйющийся на тайминге. Диаграммы этого вида используются для исследования поведения объектов в течение определенного периода времени.