Диаграммы переходов состояний (SDT)

SDT демонстрирует поведение разрабатываемой программной системы при получении управляющих воздействий (извне).

В диаграммах такого вида узлы соответствуют состояниям ди­намической системы, а дуги — переходу системы из одного состояния в другое. Узел, из которого выходит дуга, является на­чальным состоянием, узел, в который дуга входит, — следующим. Дуга помечается именем входного сигнала или события, вызы­вающего переход, а также сигналом или действием, сопровож­дающим переход.

 

Условные обозначения, используемые при построении диаграмм переходов состояний, показаны на рис. 3.19.

Рис. 3.19. Условные обозначения диаграмм переходов состояний:

a — терминальное состояние; б — промежуточное состояние; в — переход

На рис. 3.20 представлена диаграмма переходов состояний программы, активно не взаимодействующей с окружающей средой, которая имеет примитивный интерфейс, производит неко­торые вычисления и выводит простой результат [1].

Рис. 3.20. Диаграмма переходов состояний программного обеспечения, активно не взаимодействующего с окружающей средой

На рис. 3.21 представлена диаграмма переходов торгового автомата, активно взаимодействующего с покупателем [55].

 

Рис. 3.21. Диаграмма переходов состояний торгового автомата

 

Функциональные диаграммы

Функциональными называют диаграммы, в первую очередь отражающие взаимосвязи функций разрабатываемого программного обеспечения [53].

Они создаются на ранних этапах проектирования систем, для того чтобы помочь проектировщику выявить основные функции и составные части проектируемой системы и, по возможности, обнаружить и устранить существенные ошибки. Современные методы структурного анализа и проектирования предоставляют разработчику определенные синтаксические и графические средства проектирования функциональных диаграмм информационных систем.

В качестве примера рассмотрим методологию SADT, предложенную Дугласом Россом. На ее основе разработана, в частности, известная методология IDEFO (Icam DEFinition). Методология SADT представляет собой набор методов, правил и процедур, предназначенных для построения функциональной модели объекта какой-либо предметной области.

Функциональная модель SADT отображает функциональную структуру объекта, т. е. производимые им действия и связи между этими действиями. Основные элементы этой методологии основываются на следующих концепциях:

• графическое представление блочного моделирования. На SADT-диаграмме функции представляются в виде блока, а интерфейсы входа-выхода — в виде дуг, соответственно входящих в блок и выходящих из него. Интерфейсные дуги отображают взаимодействие функций друг с другом;

• строгость и точность отображения.

Правила SADT включают:

• уникальность меток и наименований;

• ограничение количества блоков на каждом уровне декомпозиции;

• синтаксические правила для графики;

• связность диаграмм;

• отделение организации от функции;

• разделение входов и управлений.

Методология SADT может использоваться для моделирова­ния и разработки широкого круга систем, удовлетворяющих определенным требованиям и реализующих требуемые функции. В уже разработанных системах методология SADT может быть использована для анализа выполняемых ими функций, а также для указания механизмов, посредством которых они осуществляются.

 

 

Диаграммы — главные компоненты модели, все функции программной системы и интерфейсы на них представлены как блоки и дуги. Место соединения дуги с блоком определяет тип интерфейса. Дута, обозначающая управление, входит в блок сверху, в то время как информация, которая подвергается обработке, представляется дугой с левой стороны блока, а результаты обработки — дугами с правой стороны. Механизм (человек или автоматизированная система), который осуществляет операцию, представляется в виде дуги, входящей в блок снизу (рис. 3.22).

Рис. 3.22. Функциональный блок и интерфейсные дуги

 

Блоки на диаграмме размещают по «ступенчатой» схеме в соответствии с последовательностью их работы или доминированием, которое понимается как влияние, оказываемое одним блоком на другие. В функциональных диаграммах SADT различают пять типов влияний блоков друг на друга [1]:

• вход-выход блока подается на вход блока с меньшим доминированием, т. е. следующего (рис. 3.23, я);

• управление. Выход блока используется как управление для блока с меньшим доминированием (рис. 3.23, б)\

• обратная связь по входу. Выход блока подается на вход блока с большим доминированием (рис. 3.23, в);

• обратная связь по управлению. Выход блока используется как управляющая информация для блока с большим доми­нированием (рис. 3.23, г);

• выход-исполнитель. Выход блока используется как меха­низм для другого блока (рис. 3.23, д).

Одной из наиболее важных особенностей методологии SADT является постепенное введение все больших уровней детализации по мере создания диаграмм, отображающих модель.

Рис. 3.23. Типы влияний блоков:

о — вход; б — управление; в — обратная связь по входу;

г — обратная связь по управлению; д — выход-исполнитель

На рис. 3.24 приведены четыре диаграммы и их взаимосвязи, показывающие структуру SADT-модели. Каждый компонент модели может быть декомпозирован на другой диаграмме. Детальная диаграмма иллюстрирует внутреннее строение блока «родительской» диаграммы.

 

Рис. 3.24. Структура SADT-модели. Декомпозиция диаграмм

Иерархия диаграмм

 

Прежде всего, вся система представляется в виде простейшей компоненты — одного блока и дуг, представляющих собой интерфейсы с внешними по отношению к данной системе функциями. Имя блока является общим для всей системы [53].

Затем блок, который представляет систему в целом, детализируется на следующей диаграмме. Он представляется в виде нескольких блоков, соединенных интерфейсными дугами. Каждый блок детальной диаграммы представляет собой подфункцию, границы которой определены интерфейсными дугами. Каждый из блоков детальной диаграммы может быть также детализирован на следующей в иерархии диаграмме. На каждом шаге декомпозиции более общая диаграмма называется родительской для более детальной диаграммы.

Все диаграммы связывают друг с другом иерархической нумерацией блоков: первый уровень — АО, второй — Al, А2 и т. п., третий — All, А12, А13 и т. п., где первые цифры — номер родительского блока, а последняя — номер конкретного блока детальной диаграммы.

Во всех случаях каждая подфункция может содержать только те элементы, которые входят в исходную функцию, причем никакие из них не могут быть опущены. То есть родительский блок и его интерфейсы обеспечивают контекст. К нему нельзя ничего добавить, и из него не может быть ничего удалено.

Дуги, входящие в блок и выходящие из него на диаграмме верхнего уровня, являются точно теми же самыми, что и дуги, входящие в диаграмму нижнего уровня и выходящие из нее, потому что блок и диаграмма представляют одну и ту же часть системы.

На рис. 3.25—3.27 представлены различные варианты выполнения функций и соединения дуг с блоками.

Последовательность операций, время их выполнения не указываются на SADT-диаграммах. Обратные связи, итерации, продолжающиеся процессы и перекрывающиеся (по времени) Функции могут быть изображены с помощью дуг. Обратные связи могут выступать в виде комментариев, замечаний, исправлений и т. д. (см. рис. 3.27).

Рис. 3.25. Одновременное выполнение

Рис. 3.26. Соответствие родительской и детальной диаграмм

Рис. 3.27. Пример обратной связи

Пример 3.1. Разработку функциональных диаграмм продемонстрируем на примере уточнения спецификаций программы сортировки одномерного массива с использованием нескольких методов.

Диаграмма, представленная на рис. 3.28, а, является диаграммой верхнего уровня. Она иллюстрирует исходные данные программы и ожидаемые результаты.

б

Рис. 3.28. Функциональные диаграммы для программы сортировки массива: а — диаграмма верхнего уровня; б — уточняющая диаграмма

Диаграмма, представленная на рис. 3.28, б, детализирует Функции программы. На ней показаны три блока: Меню, Сортировка, Вывод результата. Для каждого блока определены исходные данные, управляющие воздействия и результаты. На детализирующей диаграмме используются следующие обозначения:

11 — размер массива;

12 — массив;

С1 — выбор метода;

R1 — вывод описания метода;

R2 — отсортированный массив.

 

Диаграммы потоков данных (DFD)

Такая диаграмма состоит из трех типов узлов: узлов обработки данных, узлов хранения данных и внешних узлов, представляющих внешние по отношению к используемой диаграмме источники или потребители данных. Дуги в диаграмме соответствуют потокам данных, передаваемых от узла к узлу. Они помечены именами соответствующих данных. Описание процесса, функции или системы обработки данных, соответствующих узлу диаграммы, может быть представлено диаграммой следующего уровня детализации, если процесс достаточно сложен [1, 53].

Для изображения диаграмм потоков данных традиционно используют два вида нотаций: нотации Йордана и Гейна — Сар- сона (табл. 3.4).

Таблица 3.4. Обозначения элементов диаграмм потоков данных

Первым шагом при построении иерархии диаграмм потоков данных является построение контекстных диаграмм, показывающих, как система будет взаимодействовать с пользователями и другими внешними системами. При проектировании простых систем достаточно одной контекстной диаграммы, имеющей звездную топологию, в центре которой располагается основной процесс, соединенный с источниками и приемниками информации.

Для сложных систем строится иерархия контекстных диаграмм, которая определяет взаимодействие основных функциональных подсистем проектируемой системы как между собой, так и с внешними входными и выходными потоками данных и внешними объектами. При этом контекстная диаграмма верхнего уровня содержит набор подсистем, соединенных потоками данных. Контекстные диаграммы следующего уровня детализируют содержимое и структуру подсистем.

После построения контекстных диаграмм полученную модель следует проверить на полноту исходных данных и отсутствие информационных связей с другими объектами.

Для каждой подсистемы, присутствующей на контекстных диаграммах, выполняется ее детализация с помощью диаграмм потоков данных, при этом необходимо соблюдать следующие правила [53]:

• правило балансировки. Означает, что при детализации подсистемы можно использовать только те компоненты (подсистемы, процессы, внешние сущности, накопители данных), с которыми она имеет информационную связь на родительской диаграмме;

• правило нумерации. Означает, что при детализации подсистем должна поддерживаться их иерархическая нумерация. Например, подсистемы, детализирующие подсистему с номером 2, получают номера 2.1, 2.2, 2.3 и т. д.

При построении иерархии диаграмм потоков данных переходить к детализации процессов следует только после определения структур данных, которые описывают содержание всех потоков и накопителей данных. Структуры данных могут содержать альтернативы, условные вхождения и итерации. Условное вхождение означает, что соответствующие компоненты могут отсутствовать в структуре. Альтернатива означает, что в структуру мо­жет входить один из перечисленных элементов. Итерация означает, что компонент может повторяться в структуре некоторое указанное число раз. Для каждого элемента данных может указываться его тип (непрерывный или дискретный). Для непрерывных данных может указываться единица измерения (кг, см и т. п.), диапазон значений, точность представления и форма Физического кодирования. Для дискретных данных может указываться таблица допустимых значений.

Построенную модель системы необходимо проверить на полноту и согласованность. В полной модели все ее объекты (подсистемы, процессы, потоки данных) должны быть подробно описаны и детализированы. Выявленные не детализированные объекты следует детализировать, вернувшись на предыдущие шаги разработки. В согласованной модели для всех потоков данных и накопителей данных должно выполняться правило сохранения информации: все поступающие куда-либо данные должны быть считаны, а все считываемые данные должны быть записаны.

В соответствии с вышесказанным процесс построения моде­ли разбивается на следующие этапы [39]:

1. Выделение множества требований в основные функциональные группы — процессы.

2. Выявление внешних объектов, связанных с разрабатываемой системой.

3. Идентификация основных потоков информации, циркулирующей между системой и внешними объектами.

4. Предварительная разработка контекстной диаграммы.

5. Проверка предварительной контекстной диаграммы и внесение в нее изменений.

6. Построение контекстной диаграммы путем объединения всех процессов предварительной диаграммы в один процесс, а также группирования потоков.

7. Проверка основных требований контекстной диаграммы.

8. Декомпозиция каждого процесса текущей DFD с помощью детализирующей диаграммы или спецификации процесса.

9. Проверка основных требований по DFD соответствующего уровня.

10. Добавление определений новых потоков в словарь данных при каждом их появлении на диаграммах.

11. Проверка полноты и наглядности модели после построения каждых двух-трех уровней.

Пример 3.2. Разработаем иерархию диаграмм потоков данных программы сортировки одномерных массивов.

Для начала построим контекстную диаграмму, для чего определим внешние сущности и потоки данных между программой и внешними сущностями. Внешней сущностью по отношению к программе является Пользователь. Он выбирает метод сортировки и вводит исходные данные, а затем получает от программы описание выбранного метода и отсортированный массив. На рис. 3.29 представлена контекстная диаграмма данной программы.

Рис. 3.29. Контекстная диаграмма программы сортировки массива

 

После детализации получилось три процесса: Меню, Сортировка, Вывод результата. Для хранения описаний алгоритмов служит Хранилище алгоритмов. Теперь определим потоки данных.

Детализирующая диаграмма потоков данных изображена на рис. 3.30.

Как мы видим, она несколько отличается от функциональной диаграммы (см. рис. 3.28), например, на ней показано хранилище данных для хранения описаний алгоритмов. Это отличие является важным при проектировании баз данных.

 

Рис. 3.30. Детализирующая диаграмма потоков данных программы сортировки одномерного массива (нотация Гей на — Сарсона)

Диаграммы сущность-связь

Базовыми понятиями ER-модели данных (ER — Entity- Relationship) являются сущность, атрибут и связь [55].

Первый вариант модели «сущность—связь» был предложен в 1976 г. Питером Пин-Шэн Ченом. В дальнейшем многими авторами были разработаны свои варианты подобных моделей (нотация Мартина, нотация IDEF1X, нотация Баркера и др.). Кроме того, различные программные средства, реализующие одну и ту же нотацию, могут отличаться своими возможностями. Все ва­рианты диаграмм «сущность—связь» исходят из одной идеи — рисунок всегда нагляднее текстового описания. Все такие диа­граммы используют графическое изображение сущностей предметной области, их свойств (атрибутов) и взаимосвязей между сущностями.

Поскольку нотация Баркера является наиболее распространенной, в дальнейшем будем придерживаться именно ее.

 

Основные понятия ER-диаграмм

Сущность — это класс однотипных объектов, информация о которых должна быть учтена в модели [55]. Сущность имеет наименование, выраженное существительным в единственном чис­ле, и обозначается в виде прямоугольника с наименованием (рис. 3.31, а). Примерами сущностей могут быть такие классы объектов, как «Студент», «Сотрудник», «Товар».

Рис. 3.31. Обозначения сущности в нотации Баркера: а — без атрибутов;

б — с указанием атрибутов; в — с ключевым атрибутом

 

Экземпляр сущности — это конкретный представитель данной сущности. Например, конкретный представитель сущности «Студент» — «Максимов». Причем сущности должны иметь некоторые свойства, уникальные для каждого экземпляра этой сущности, для того чтобы различать экземпляры.

Атрибут сущности — это именованная характеристика, являющаяся некоторым свойством сущности. Наименование атрибута должно быть выражено существительным в единственном числе (возможно, с описательными оборотами или прилагательными). Примерами атрибутов сущности «Студент» могут быть такие атрибуты, как «Номер зачетной книжки», «Фамилия», «Имя», «Пол», «Возраст», «Средний балл» и т. п. Атрибуты изображаются в прямоугольнике, обозначающем сущность (рис. 3.31, б).

Ключ сущности — это неизбыточный набор атрибутов, значения которых в совокупности являются уникальными для каждого экземпляра сущности. При удалении любого атрибута из ключа нарушается его уникальность. Ключей у сущности может быть несколько. На диаграмме ключевые атрибуты отображаются подчеркиванием (рис. 3.31, в).

Связь — это отношение одной сущности к другой или к самой себе. Возможно по одной сущности находить другие, связанные с ней. Например, связи между сущностями могут выражаться следующими фразами — «СОТРУДНИК может иметь несколько ДЕТЕЙ», «СОТРУДНИК обязан числиться точно в одном ОТДЕЛЕ». Графически связь изображается линией, соединяющей две сущности (рис. 3.32).

Рис. 3.32. Пример связи между сущностями

 

Каждая связь имеет одно или два наименования. Наименование обычно выражается неопределенной формой глагола: «Продавать», «Быть проданным» и т. п. Каждое из наименований относится к своему концу связи. Иногда наименования не пишутся ввиду их очевидности.

Связь может иметь один из следующих типов — рис. 3.33.

Связь типа один-к-одному означает, что один экземпляр первой сущности связан точно с одним экземпляром второй сущности. Такая связь чаще всего свидетельствует о том, что мы неправильно разделили одну сущность на две.

Связь типа один-ко-многим означает, что один экземпляр первой сущности связан с несколькими экземплярами второй сущности. Это наиболее часто используемый тип связи. Пример такой связи приведен на рис. 3.32.

Связь типа много-ко-многим означает, что каждый экземпляр первой сущности может быть связан с несколькими экземплярами второй сущности, и наоборот. Тип связи много-ко-многим является временным типом связи, допустимым на ранних этапах разработки модели. В дальнейшем такую связь необходимо заменить двумя связями типа один-ко-многим путем создания промежуточной сущности.

Каждая связь может иметь одну из двух модальностей связи (рис. 3.34).

Рис. 3.33. Типы связей

Рис. 3.34. Модальности связей

Связь может иметь разную модальность с разных концов, как на рис. 3.32. Каждая связь может быть прочитана как слева направо, так и справа налево. Связь на рис. 3.32 читается так: слева направо: «Сотрудник может иметь несколько детей»; справа налево: «Ребенок должен принадлежать точно одному сотруднику».

Пример разработки простой ER-диаграммы

Необходимо разработать информационную систему по заказу некоторой оптовой торговой фирмы, которая должна выполнять следующие действия:

• хранить информацию о покупателях;

• печатать накладные на отпущенные товары;

• следить за наличием товаров на складе.

Выделим все существительные в этих предложениях — это будут потенциальные кандидаты на сущности и атрибуты, и проанализируем их (непонятные термины будем выделять знаком вопроса):

• Покупатель — явный кандидат на сущность.

• Накладная — явный кандидат на сущность.

• Товар — явный кандидат на сущность

• (?)Склад — а вообще, сколько складов имеет фирма? Если несколько, то это будет кандидатом на новую сущность.

• (?)Наличие товара — это, скорее всего, атрибут, но атрибут какой сущности?

Сразу возникает очевидная связь между сущностями — «покупатели могут покупать много товаров» и «товары могут прода­ваться многим покупателям». Первый вариант диаграммы выглядит, как показано на рис. 3.35.

Рис. 3.35. Первый вариант ER-диаграммы

Задав дополнительные вопросы менеджеру, мы выяснили, что фирма имеет несколько складов. Причем каждый товар может храниться на нескольких складах и быть проданным с любого склада.

Куда поместить сущности «Накладная» и «Склад» и с чем их связать? Спросим себя, как связаны эти сущности между собой и с сущностями «Покупатель» и «Товар»? Покупатели покупают товары, получая при этом накладные, в которые внесены данные ° количестве и цене купленного товара. Каждый покупатель может получить несколько накладных. Каждая накладная обязана вписываться на одного покупателя. Каждая накладная обязана одержать несколько товаров (не бывает пустых накладных). Каждый товар, в свою очередь, может быть продан нескольким покупателям по нескольким накладным. Кроме того, каждая накладная должна быть выписана с определенного склада, и с любого склада может быть выписано много накладных. Таким образом, после уточнения диаграмма будет выглядеть следующим образом (рис. 3.36).

Рис. 3.36. Промежуточный вариант ER-диаграммы

Пора подумать об атрибутах сущностей. Беседуя с сотрудниками фирмы, мы выяснили следующее:

• каждый покупатель является юридическим лицом и имеет наименование, адрес, банковские реквизиты;

• каждый товар имеет наименование, цену, а также характе­ризуется единицами измерения;

• каждая накладная имеет уникальный номер, дату выписки, список товаров с количествами и ценами, а также общую сумму накладной. Накладная выписывается с определенного склада и на определенного покупателя;

• каждый склад имеет свое наименование.

Снова выпишем все существительные, которые будут потенциальными атрибутами, и проанализируем их:

• Юридическое лицо — термин риторический, мы не работаем с физическими лицами. Не обращаем внимания;

• Наименование покупателя — явная характеристика покупателя;

• Адрес — явная характеристика покупателя;

• Банковские реквизиты — явная характеристика покупателя;

• Наименование товара — явная характеристика товара;

• (?)Цена товара — похоже, что это характеристика товара. Отличается ли эта характеристика от цены в накладной?

• Единица измерения — явная характеристика товара;

• Номер накладной — явная уникальная характеристика накладной;

• Дата накладной — явная характеристика накладной;

• (?) Список товаров в накладной — список не может быть атрибутом. Вероятно, нужно выделить этот список в отдельную сущность;

• (?)Количество товара в накладной — это явная характеристика, но характеристика чего? Это характеристика не просто «товара», а «товара в накладной»;

• (?)Цена товара в накладной — опять же это должна быть не просто характеристика товара, а характеристика товара в накладной. Но цена товара уже встречалась выше — это одно и то же?

• Сумма накладной — явная характеристика накладной. Эта характеристика не является независимой. Сумма наклад­ной равна сумме стоимостей всех товаров, входящих в на­кладную;

• Наименование склада — явная характеристика склада.

В ходе дополнительной беседы с менеджером удалось прояснить различные понятия цен. Оказалось, что каждый товар имеет некоторую текущую цену. Это цена, по которой товар продается в данный момент. Естественно, что эта цена может меняться со временем. Цена одного и того же товара в разных накладных, выписанных в разное время, может быть различной. Таким образом, имеется две цены — цена товара в накладной и текущая цена товара.

С возникающим понятием «Список товаров в накладной»

все довольно ясно. Сущности «Накладная» и «Товар» связаны друг с другом отношением типа много-ко-многим. Такая связь, как мы отмечали ранее, должна быть расщеплена на две связи типа один-ко-многим. Для этого требуется дополнительная сущность. Этой сущностью и будет сущность «Список товаров в накладной». Связь ее с сущностями «Накладная» и «Товар» характеризуется следующими фразами — «каждая накладная обязана иметь несколько записей из списка товаров в накладной», «каждая запись из списка товаров в накладной обязана включаться ровно в одну накладную», «каждый товар может включаться в несколько записей из списка товаров в накладной», «каждая запись из списка товаров в накладной обязана быть связана ровно с одним товаром». Атрибуты «Количество товара в накладной» и «Цена товара в накладной» являются атрибутами сущности «Список товаров в накладной».

Точно так же поступим со связью, соединяющей сущности «Склад» и «Товар». Введем дополнительную сущность «Товар на складе».

Атрибутом этой сущности будет «Количество товара на складе». Таким образом, товар будет числиться на любом складе и количество его на каждом складе будет свое.

Теперь можно внести все это в диаграмму (рис. 3.37).

Рис. 3.37. Окончательный вариант ER-диаграммы

6. Анализ требований и определение спецификаций при объектном подходе

При объектном подходе к программированию модели разрабатываемой системы основываются на предметах и явлениях окружающего мира.

Модель — упрощенное представление реальности. С точки зрения программирования модель — это чертеж системы. Моделирование необходимо для решения следующих задач [4]:

1) визуализации системы;

2) определения ее структуры и поведения;

3) получения шаблона, позволяющего затем сконструировать систему;

4) документирования принимаемых решений, используя полученные модели.

Для решения этих задач при описании поведения проектируемого программного обеспечения в настоящее время используется UML (Unified Modeling Language) — унифицированный язык моделирования.