Лабораторная работа №3. Создание объектной модели предметной области.

Лабораторная работа №3. Создание объектной модели предметной области.

 

Цель работы

Получить опыт практической работы в создании иерархий классов предметной области с помощью UML диаграмм.

 

Введение

UML (Unified Modeling Language – унифицированный язык моделирования) – язык графического описания для объектного моделирования в области разработки программного обеспечения. UML является языком широкого профиля, это – открытый стандарт, использующий графические обозначения для создания абстрактной модели системы, называемой UML-моделью. UML был создан для определения, визуализации, проектирования и документирования, в основном, программных систем. UML не является языком программирования, но на основании UML-моделей возможна генерация кода.

Использование UML не ограничивается моделированием программного обеспечения. Его также используют для моделирования бизнес-процессов, системного проектирования и отображения организационных структур.

 

Сущности в UML

Объект – реальная именованная сущность, обладающая свойствами и проявляющая свое поведение.

Класс содержит описание данных и операций над ними. В классе дается обобщенное описание некоторого набора родственных, реально существующих объектов. Объект – конкретный экземпляр класса.

В качестве примера можно привести чертеж танка или его описание (класс) и реальный танк (экземпляр класса, или объект).

Рис.1. Графическое изображение класса

 

Рис.2. Описание класса (чертеж) и реальный объект

Объектно-ориентированное программирование основано на принципах:

- абстрагирования данных;

- инкапсуляции;

- наследования;

- полиморфизма;

- «позднего связывания».

Инкапсуляция (encapsulation) – принцип, объединяющий данные и код, манипулирующий этими данными, а также защищающий в первую очередь данные от прямого внешнего доступа и неправильного использования. Другими словами, доступ к данным класса возможен только посредством методов этого же класса.

Наследование (inheritance) – это процесс, посредством которого один объект может приобретать свойства другого. Точнее, объект может наследовать основные свойства другого объекта и добавлять к ним свойства и методы, характерные только для него.

Наследование бывает двух видов:

одиночное – класс (он же подкласс) имеет один и только один суперкласс (предок);

множественное – класс может иметь любое количество предков (в Java запрещено).

Графически наследование часто изображается в виде диаграмм UML:

Рис.3. Графическое изображение наследования

Класс «Auto» называется суперклассом, а «Tank» – подклассом.

Полиморфизм (polymorphism) – механизм, использующий одно и то же имя метода для решения двух или более похожих, но несколько отличающихся задач.

Целью полиморфизма применительно к ООП является использование одного имени для задания общих для класса действий. В более общем смысле концепцией полиморфизма является идея «один интерфейс, множество методов».

Механизм «позднего связывания» в процессе выполнения программы определяет принадлежность объекта конкретному классу и производит вызов метода, относящегося к классу, объект которого был использован.

Краеугольным камнем наследования и полиморфизма предстает следующая парадигма: «объект подкласса может использоваться всюду, где используется объект суперкласса».

При вызове метода класса он ищется в самом классе. Если метод существует, то он вызывается. Если же метод в текущем классе отсутствует, то обращение происходит к родительскому классу и вызываемый метод ищется у него. Если поиск неудачен, то он продолжается вверх по иерархическому дереву вплоть до корня (верхнего класса) иерархии.

Класс имеет название, атрибуты и операции. Класс на диаграмме показывается в виде прямоугольника, разделенного на 3 области. В верхней содержится название класса, в средней – описание атрибутов (свойств), в нижней – названия операций – услуг, предоставляемых объектами этого класса.

Рис.4. Изображение класса в нотации UML

Атрибуты класса определяют состав и структуру данных, хранимых в объектах этого класса. Каждый атрибут имеет имя и тип, определяющий, какие данные он представляет. При реализации объекта в программном коде для атрибутов будет выделена память, необходимая для хранения всех атрибутов, и каждый атрибут будет иметь конкретное значение в любой момент времени работы программы. Объектов одного класса в программе может быть сколь угодно много, все они имеют одинаковый набор атрибутов, описанный в классе, но значения атрибутов у каждого объекта свои и могут изменяться в ходе выполнения программы.

Для каждого атрибута класса можно задать видимость (visibility). Эта характеристика показывает, доступен ли атрибут для других классов. В UML определены следующие уровни видимости атрибутов:

· Открытый (public) – атрибут виден для любого другого класса (объекта);

· Защищенный (protected) – атрибут виден для потомков данного класса;

· Закрытый (private) – атрибут не виден внешними классами (объектами) и может использоваться только объектом, его содержащим.

Последнее значение позволяет реализовать свойство инкапсуляции данных. Например, объявив все атрибуты класса закрытыми, можно полностью скрыть от внешнего мира его данные, гарантируя отсутствие несанкционированного доступа к ним. Это позволяет сократить число ошибок в программе. При этом любые изменения в составе атрибутов класса никак не скажутся на остальной части ПС.

Класс содержит объявления операций, представляющих собой определения запросов, которые должны выполнять объекты данного класса. Каждая операция имеет сигнатуру, содержащую имя операции, тип возвращаемого значения и список параметров, который может быть пустым. Реализация операции в виде процедуры – это метод, принадлежащий классу. Для операций, как и для атрибутов класса, определено понятие «видимость». Закрытые операции являются внутренними для объектов класса и недоступны из других объектов. Остальные образуют интерфейсную часть класса и являются средством интеграции класса в ПС.

Надо избегать слишком больших или, наоборот, чересчур маленьких классов. Каждый класс должен хорошо делать что-то одно. Если ваши абстрактные классы слишком велики, то модель будет трудно модифицировать и повторно использовать. Если же они слишком малы, то придется иметь дело с таким большим количеством абстракций, что ни понять, ни управлять ими будет невозможно.

 

Отношения между сущностями

Взаимосвязь – это особый тип логических отношений между сущностями, показанных на диаграммах классов и объектов. В UML представлены следующие виды отношений:

Ассоциации

Ассоциация показывает, что объекты одной сущности (класса) связаны с объектами другой сущности.

Каждая ассоциация несет информацию о связях между объектами. Наиболее часто используются бинарные ассоциации, связывающие два класса. Ассоциация может иметь название, которое должно выражать суть отображаемой связи. Помимо названия, ассоциация может иметь такую характеристику, как множественность. Она показывает, сколько объектов каждого класса может участвовать в ассоциации. Множественность указывается у каждого конца ассоциации (полюса) и задается конкретным числом или диапазоном чисел. Множественность, указанная в виде звездочки, предполагает любое количество (в том числе, и ноль). Например, ассоциация связывает один объект класса «Набор товаров» с одним или более объектами класса «товар». Связаны между собой могут быть и объекты одного класса, поэтому ассоциация может связывать класс с самим собой. Например, для класса «Житель города» можно ввести ассоциацию «Соседство», которая позволит находить всех соседей конкретного жителя.

Рис.5 Применение ассоциаций

Существует пять различных типов ассоциации. Наиболее распространёнными являются двунаправленная и однонаправленная. Например, классы «рейс» и «самолёт» связаны двунаправленной ассоциацией, а классы «человек» и «кофейный автомат» связаны однонаправленной.

Двойные ассоциации (с двумя концами) представляются линией, соединяющей два классовых блока. Ассоциации более высокой степени имеют более двух концов и представляются линиями, один конец которых идет к классовому блоку, а другой к общему ромбику. В представлении однонаправленной ассоциации добавляется стрелка, указывающая на направление ассоциации.

Ассоциация может быть именованной, и тогда на концах представляющей её линии будут подписаны роли, принадлежности, индикаторы, мультипликаторы, видимости или другие свойства.

Агрегация

Агрегация — это разновидность ассоциации при отношении между целым и его частями. Как тип ассоциации агрегация может быть именованной. Одно отношение агрегации не может включать более двух классов (контейнер и содержимое).

Рис.6 Диаграмма классов, показывающая агрегацию между двумя классами

Агрегация встречается, когда один класс является коллекцией или контейнером других. Причём по умолчанию, агрегацией называют агрегацию по ссылке, то есть когда время существования содержащихся классов не зависит от времени существования содержащего их класса. Если контейнер будет уничтожен, то его содержимое — нет.

Графически агрегация представляется пустым ромбиком на блоке класса и линией, идущей от этого ромбика к содержащемуся классу.

Композиция

Композиция — более строгий вариант агрегации. Известна также как агрегация по значению.

Композиция имеет жёсткую зависимость времени существования экземпляров класса контейнера и экземпляров содержащихся классов. Если контейнер будет уничтожен, то всё его содержимое будет также уничтожено.

Графически представляется как и агрегация, но с закрашенным ромбиком.

Обобщение (наследование)

Обобщение на диаграммах классов используется, чтобы показать связь между классом-родителем и классом-потомком. Оно вводится на диаграмму, когда возникает разновидность какого-либо класса, а также в тех случаях, когда в системе обнаруживаются несколько классов, обладающих сходным поведением (в этом случае общие элементы поведения выносятся на более высокий уровень, образуя класс-родитель).

Рис.7 Диаграмма классов, показывающая обобщение

Например: животные — супертип млекопитающих, которые, в свою очередь, — супертип приматов, и так далее. Эта взаимосвязь легче всего описывается фразой «А — это Б» (приматы — это млекопитающие, млекопитающие — это животные).

Графически обобщение представляется линией с пустым треугольником у супертипа.

Обобщение также известно как наследование или «is a» взаимосвязь.

Рис.8 Обощение

UML позволяет строить модели с различным уровнем детализации. На рис.4 показана детализация модели, представленной на рис.2.

Рис. 9 Детализация модели набора товаров

Обобщение показывает, что набор товаров – это тоже товар, который может быть предметом заказа, продажи, поставки и т.д. Набор включает опись, в которой указывается, какие товары входят в набор, а класс-ассоциация «включает» определяет количество каждого вида товаров в наборе.

Реализация

Реализация — отношение между двумя элементами модели, в котором один элемент (клиент) реализует поведение, заданное другим (поставщиком). Графически реализация представляется также как и наследование, но с пунктирной линией.

Зависимость

Зависимость — это слабая форма отношения использования, при котором изменение в спецификации одного влечёт за собой изменение другого, причем обратное не обязательно. Возникает когда объект выступает например в форме параметра или локальной переменной.

Графически представляется пунктирной стрелкой, идущей от зависимого элемента к тому, от которого он зависит. Зависимость может быть между экземплярами, классами или экземпляром и классом.

Уточнения отношений

Уточнение имеет отношение к уровню детализации. Один пакет уточняет другой, если в нем содержатся те же самые элементы, но в более подробном представлении. Например, при написании книги вы наверняка начнете с формулировки предложения, в котором кратко будет представлено содержание каждой главы. Предположим, что резюме к каждой главе в качестве отдельного элемента входит в пакет «Предложение». Допустим также, что «Завершённая книга» — это пакет, элементами которого являются законченные главы. В этом контексте пакет «Завершённая книга» является уточнением пакета «Предложение».

Работа в StarUML

Создание нового проекта

Запустите программу StarUML на рабочем столе.

Создание нового проекта: выберите меню [File] -> [New Project]

Создание диаграмм

Палитра элементов содержит различные типы элементов, доступных для создания в зависимости от типа диаграммы (рисунок 2). Список доступных элементов изменяется при переходе от диаграммы одного типа к диаграмме другого типа.

1.Выберите тип создаваемого элемента на палитре элементов.

2.Щёлкните желаемое место для нового элемента на диаграмме, чтобы создать там элемент.

Рис.10 Палитра элементов

Что бы редактировать созданный элемент на диаграмме, нажмите в палитре инструментов стрелочку «select» (рисунок 3). После этого вы можете выбирать элементы, изменять их имя (двойным щелчком мыши), размер и местоположение, менять их свойства (правым щелчком мыши).

Рис.11 Режим редактирования элементов

Все остальные манипуляции с элементами можно производить так же как и в любых других программах, копирование, вставка, выбор сразу нескольких элементов (при удерживании нажатой клавиши «shift») и т.д..

Создание подсистемы

1.Выберите в палитре элементов «Subsystem».

2. Затем щелкните место или границу, куда нужно поместить подсистему.

3.Сразу после создания подсистемы на диаграмме классов (справа) будет открыт её горячий диалог. В горячем диалоге, введите имя подсистемы.

Создание класса

Таким же образом создайте класс, выбрав элемент «Class» на панели элементов. И добавьте ему атрибут. Таким же образом можно добавлять операции классу.

Задание

Необходимо описать иерархию классов предметной области в виде UML диаграммы и классов на языке C# в соответствии с выбранным вариантом задания (см. приложение).

Требования и рекомендации

Иерархия классов должна состоять из 3 уровней.

Каждый класс должен содержать уникальный набор атрибутов.

Классы рекомендуется оформить в виде DLL библиотеки в консольном проекте.

Пример описания класса на C#

public class Product

{

private string _name;

private int _price;

private double _weight;

 

public string Name

{

get { return _name; }

set { _name = value; }

}

 

public int Price

{

get { return _price; }

set { _price = value; }

}

 

public double Weight

{

get { return _weight; }

set { _weight = value; }

}

}

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое наследование?

2. Что такое инкапсуляция?

3. Что такое полиморфизм?

4. Что такое абстрактный класс?

 

Приложение

Варианты заданий

1. Цветочница. Определить иерархию цветов. Создать несколько объектов-цветов. Собрать букет с определением его стоимости.

2. Новогодний подарок. Определить иерархию конфет и прочих сладостей. Создать несколько объектов-конфет. Собрать детский подарок с определением его веса.

3. Электрик. Определить иерархию электроприборов. Включить некоторые в розетку. Посчитать потребляемую мощность

4. Диета. Определить иерархию овощей. Собрать в салат. Посчитать калорийность.

5. Меломан. Определить иерархию музыкальных композиций. Записать на диск сборку. Посчитать продолжительность.

6. Камни. Определить иерархию драгоценных и полудрагоценных камней. Отобрать камни для ожерелья. Посчитать общий вес (в каратах) и стоимость.

7. Оружие. Определить иерархию оружия (холодного и огнестрельного). Вооружить военное подразделение. Посчитать стоимость.

8. Транспорт. Определить иерархию пассажирского транспорта. Создать набор маршрутов для перемещения и точки А в точку Б. Посчитать общую стоимость проезда.

9. Авиакомпания. Определить иерархию самолетов. Создать авиакомпанию. Посчитать общую вместимость (в пассажирах).

10. Автомобили. Определить иерархию легковых автомобилей. Создать автопарк организации. Посчитать стоимость автопарка.

 

 

Лабораторная работа №3. Создание объектной модели предметной области.

 

Цель работы

Получить опыт практической работы в создании иерархий классов предметной области с помощью UML диаграмм.

 

Введение

UML (Unified Modeling Language – унифицированный язык моделирования) – язык графического описания для объектного моделирования в области разработки программного обеспечения. UML является языком широкого профиля, это – открытый стандарт, использующий графические обозначения для создания абстрактной модели системы, называемой UML-моделью. UML был создан для определения, визуализации, проектирования и документирования, в основном, программных систем. UML не является языком программирования, но на основании UML-моделей возможна генерация кода.

Использование UML не ограничивается моделированием программного обеспечения. Его также используют для моделирования бизнес-процессов, системного проектирования и отображения организационных структур.

 

Сущности в UML

Объект – реальная именованная сущность, обладающая свойствами и проявляющая свое поведение.

Класс содержит описание данных и операций над ними. В классе дается обобщенное описание некоторого набора родственных, реально существующих объектов. Объект – конкретный экземпляр класса.

В качестве примера можно привести чертеж танка или его описание (класс) и реальный танк (экземпляр класса, или объект).

Рис.1. Графическое изображение класса

 

Рис.2. Описание класса (чертеж) и реальный объект

Объектно-ориентированное программирование основано на принципах:

- абстрагирования данных;

- инкапсуляции;

- наследования;

- полиморфизма;

- «позднего связывания».

Инкапсуляция (encapsulation) – принцип, объединяющий данные и код, манипулирующий этими данными, а также защищающий в первую очередь данные от прямого внешнего доступа и неправильного использования. Другими словами, доступ к данным класса возможен только посредством методов этого же класса.

Наследование (inheritance) – это процесс, посредством которого один объект может приобретать свойства другого. Точнее, объект может наследовать основные свойства другого объекта и добавлять к ним свойства и методы, характерные только для него.

Наследование бывает двух видов:

одиночное – класс (он же подкласс) имеет один и только один суперкласс (предок);

множественное – класс может иметь любое количество предков (в Java запрещено).

Графически наследование часто изображается в виде диаграмм UML:

Рис.3. Графическое изображение наследования

Класс «Auto» называется суперклассом, а «Tank» – подклассом.

Полиморфизм (polymorphism) – механизм, использующий одно и то же имя метода для решения двух или более похожих, но несколько отличающихся задач.

Целью полиморфизма применительно к ООП является использование одного имени для задания общих для класса действий. В более общем смысле концепцией полиморфизма является идея «один интерфейс, множество методов».

Механизм «позднего связывания» в процессе выполнения программы определяет принадлежность объекта конкретному классу и производит вызов метода, относящегося к классу, объект которого был использован.

Краеугольным камнем наследования и полиморфизма предстает следующая парадигма: «объект подкласса может использоваться всюду, где используется объект суперкласса».

При вызове метода класса он ищется в самом классе. Если метод существует, то он вызывается. Если же метод в текущем классе отсутствует, то обращение происходит к родительскому классу и вызываемый метод ищется у него. Если поиск неудачен, то он продолжается вверх по иерархическому дереву вплоть до корня (верхнего класса) иерархии.

Класс имеет название, атрибуты и операции. Класс на диаграмме показывается в виде прямоугольника, разделенного на 3 области. В верхней содержится название класса, в средней – описание атрибутов (свойств), в нижней – названия операций – услуг, предоставляемых объектами этого класса.

Рис.4. Изображение класса в нотации UML

Атрибуты класса определяют состав и структуру данных, хранимых в объектах этого класса. Каждый атрибут имеет имя и тип, определяющий, какие данные он представляет. При реализации объекта в программном коде для атрибутов будет выделена память, необходимая для хранения всех атрибутов, и каждый атрибут будет иметь конкретное значение в любой момент времени работы программы. Объектов одного класса в программе может быть сколь угодно много, все они имеют одинаковый набор атрибутов, описанный в классе, но значения атрибутов у каждого объекта свои и могут изменяться в ходе выполнения программы.

Для каждого атрибута класса можно задать видимость (visibility). Эта характеристика показывает, доступен ли атрибут для других классов. В UML определены следующие уровни видимости атрибутов:

· Открытый (public) – атрибут виден для любого другого класса (объекта);

· Защищенный (protected) – атрибут виден для потомков данного класса;

· Закрытый (private) – атрибут не виден внешними классами (объектами) и может использоваться только объектом, его содержащим.

Последнее значение позволяет реализовать свойство инкапсуляции данных. Например, объявив все атрибуты класса закрытыми, можно полностью скрыть от внешнего мира его данные, гарантируя отсутствие несанкционированного доступа к ним. Это позволяет сократить число ошибок в программе. При этом любые изменения в составе атрибутов класса никак не скажутся на остальной части ПС.

Класс содержит объявления операций, представляющих собой определения запросов, которые должны выполнять объекты данного класса. Каждая операция имеет сигнатуру, содержащую имя операции, тип возвращаемого значения и список параметров, который может быть пустым. Реализация операции в виде процедуры – это метод, принадлежащий классу. Для операций, как и для атрибутов класса, определено понятие «видимость». Закрытые операции являются внутренними для объектов класса и недоступны из других объектов. Остальные образуют интерфейсную часть класса и являются средством интеграции класса в ПС.

Надо избегать слишком больших или, наоборот, чересчур маленьких классов. Каждый класс должен хорошо делать что-то одно. Если ваши абстрактные классы слишком велики, то модель будет трудно модифицировать и повторно использовать. Если же они слишком малы, то придется иметь дело с таким большим количеством абстракций, что ни понять, ни управлять ими будет невозможно.

 

Отношения между сущностями

Взаимосвязь – это особый тип логических отношений между сущностями, показанных на диаграммах классов и объектов. В UML представлены следующие виды отношений:

Ассоциации

Ассоциация показывает, что объекты одной сущности (класса) связаны с объектами другой сущности.

Каждая ассоциация несет информацию о связях между объектами. Наиболее часто используются бинарные ассоциации, связывающие два класса. Ассоциация может иметь название, которое должно выражать суть отображаемой связи. Помимо названия, ассоциация может иметь такую характеристику, как множественность. Она показывает, сколько объектов каждого класса может участвовать в ассоциации. Множественность указывается у каждого конца ассоциации (полюса) и задается конкретным числом или диапазоном чисел. Множественность, указанная в виде звездочки, предполагает любое количество (в том числе, и ноль). Например, ассоциация связывает один объект класса «Набор товаров» с одним или более объектами класса «товар». Связаны между собой могут быть и объекты одного класса, поэтому ассоциация может связывать класс с самим собой. Например, для класса «Житель города» можно ввести ассоциацию «Соседство», которая позволит находить всех соседей конкретного жителя.

Рис.5 Применение ассоциаций

Существует пять различных типов ассоциации. Наиболее распространёнными являются двунаправленная и однонаправленная. Например, классы «рейс» и «самолёт» связаны двунаправленной ассоциацией, а классы «человек» и «кофейный автомат» связаны однонаправленной.

Двойные ассоциации (с двумя концами) представляются линией, соединяющей два классовых блока. Ассоциации более высокой степени имеют более двух концов и представляются линиями, один конец которых идет к классовому блоку, а другой к общему ромбику. В представлении однонаправленной ассоциации добавляется стрелка, указывающая на направление ассоциации.

Ассоциация может быть именованной, и тогда на концах представляющей её линии будут подписаны роли, принадлежности, индикаторы, мультипликаторы, видимости или другие свойства.

Агрегация

Агрегация — это разновидность ассоциации при отношении между целым и его частями. Как тип ассоциации агрегация может быть именованной. Одно отношение агрегации не может включать более двух классов (контейнер и содержимое).

Рис.6 Диаграмма классов, показывающая агрегацию между двумя классами

Агрегация встречается, когда один класс является коллекцией или контейнером других. Причём по умолчанию, агрегацией называют агрегацию по ссылке, то есть когда время существования содержащихся классов не зависит от времени существования содержащего их класса. Если контейнер будет уничтожен, то его содержимое — нет.

Графически агрегация представляется пустым ромбиком на блоке класса и линией, идущей от этого ромбика к содержащемуся классу.

Композиция

Композиция — более строгий вариант агрегации. Известна также как агрегация по значению.

Композиция имеет жёсткую зависимость времени существования экземпляров класса контейнера и экземпляров содержащихся классов. Если контейнер будет уничтожен, то всё его содержимое будет также уничтожено.

Графически представляется как и агрегация, но с закрашенным ромбиком.