Унифицированный язык моделирования

Унифицированный язык моделирования (UML - Unified Modeling Language) является стандартным инструментом для создания документированных каркасов ("чертежей") программного обеспечения. С помощью UML можно визуализировать, специфицировать, конструировать и документировать процесс разработки программных систем. UML разработан таким образом, чтобы удовлетворять потребности при моделировании любых систем.

Концептуальная модель UML содержит три основные элемента языка: базовые конструкции, правила, определяющие, каким образом эти конструкции могут сочетаться между собой, и некоторые общие механизмы языка.

UML не зависит от моделируемой реальности, лучше всего применять его, когда процесс моделирования основан на рассмотрении текстового описания процессов, происходящих в предметной области, является итеративным и пошаговым, а сама система имеет четко выраженную архитектуру.

Таким образом он идеально подходит для Унифицированного процесса разработки.
UML - это язык для визуализации, специфицирования, конструирования и документирования артефактов программных систем.

UML состоит из словаря и правил, позволяющих комбинировать входящие в него слова и получать осмысленные конструкции. В языке моделирования словарь и правила ориентированны на концептуальное и физическое представление системы.

Словарь и правила UML объясняют, как создавать и читать хорошо определенные модели, но ничего не сообщают, какие модели и в каких случаях нужно создавать. Эта задача всего процесса разработки программного обеспечения.

Хорошо организованный процесс должен показать, какие требуются артефакты, какие ресурсы необходимы для их создания, как можно использовать эти артефакты для того, чтобы оценить выполненную работу и управлять проектом в целом.

СУЩНОСТИ UML

В UML имеется четыре типа сущностей: структурные; поведенческие; группирующие; аннотационные.

Сущности являются основными объектно-ориентированными элементами языка, с их помощью можно создавать корректные модели. Структурные сущности - это имена существительные в моделях на языке UML. Семь разновидностей структурных сущностей нашли свое отражение в виде графического образа UML.

Класс (class) - это описание совокупности объектов с общими атрибутами, операциями отношениями и семантикой. Графически класс изображается в виде прямоугольника, в котором записаны его имя, атрибуты и операции:

ClassName

-PrivateAttribute: char #ProtectedAttribute +PublicAttribute

+Operation1(in S: String) +Operation2()

Интерфейс (interface) - это совокупность операций, которые определяют определенную службу (сервис, набор услуг), которые предоставляет класс или компонент.

На диаграммах интерфейс изображается в виде круга, под которым указывается его имя. Интерфейс обычно присоединяется к реализующему его классу или компоненту.

Кооперация (collaboration) определяет взаимодействие, она представляет собой совокупность ролей и других элементов, которые, работая вместе, производят некоторый кооперативный эффект, не сводящийся к обычно сумме слагаемых. Графически кооперация изображается в виде эллипса, который ограничивается пунктиром, внутри обычно заключено только имя.

Прецедент (use case) - это описание последовательности выполняемых системой действий, которая производит наблюдаемый результат. Графически прецедент изображается в виде эллипса, ограниченного непрерывной линией, содержащего имя.

Активным классом (active class) называется класс, объекты которого вовлечены в один или несколько процессов, или нитей (threads), и поэтому могут инициировать управляющее воздействие. Графически активный класс изображается как простой класс, ограничивается прямоугольником с жирной линией, и включает имя, атрибуты и операции.

ClassName

-PrivateAttribute: char #ProtectedAttribute +PublicAttribute

+Operation1(in S: String) +Operation2()

 

Компонент (component) - это физическая заменяемая часть системы, которая соответствует некоторому набору интерфейсов и обеспечивает его реализацию. Графически компонент изображается в виде прямоугольника с вкладками, содержащего имя.

Узел (node) - это элемент реальной (физической) системы, который существует во время функционирования программного продукта и представляет собой некоторый вычислительный ресурс, обладающий некоторым объемом памяти и возможностью обработки. Графически для изображения узла используется куб, обычно содержащий только имя узла.

Перечисленные семь базовых элементов: классы, интерфейсы, кооперации, прецеденты, активные классы, компоненты и узлы - являются основными структурными сущностями, которые могут быть использованы в модели UML.

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

Взаимодействие (interaction) - это поведение, суть которого заключается в обмене сообщениями (messages) между объектами в рамках конкретного контекста для достижения определенной цели. С помощью взаимодействия можно описать как отдельную операцию, так и поведение совокупности объектов. Взаимодействие предполагает ряд других элементов, таких как сообщения, последовательности действий (поведение, инициированное сообщениями) и связи (между объектами). Графически сообщение изображается в виде стрелки, над которой пишется имя соответствующей операции.

Автомат (state machine) - алгоритм поведения, определяющий последовательность состояний, через которые объект или взаимодействие проходят на протяжении своего жизненного цикла в ответ на различные события и реакции на эти события. С помощью автоматов описываются поведение отдельного класса или кооперации классов. С автоматом связан ряд других элементов: состояния, переходы из одного состояния в другое, события - сущности инициирующие переходы и виды действий - реакция на переходы.

Взаимодействия и автоматы являются основными поведенческими сущностями, входящими в модель UML. Семантически они часто бывают связаны с различными структурными элементами, в первую очередь с классами, кооперациями и объектами.
Группирующие сущности являются организующими частями модели UML. Это блоки, на которые можно разложить модель.

Такая первичная сущность имеется в единственном экземпляре - это пакет.

Пакеты (packages) представляют собой универсальный механизм организации элементов в группы. В пакет можно поместить структурные, поведенческие и другие группирующие сущности. В отличие от компонентов пакеты носят чисто концептуальный характер и существуют только в процессе разработки.

Аннотационные сущности - пояснительные части модели UML. Это комментарии для дополнительного описания, разъяснения или замечания к любому элементу модели. Имеется только один базовый тип аннотационных элементов - примечание.

Примечание (note) - это просто символ для изображения комментариев или ограничений, присоединенный к элементу или группе элементов. Чаще всего примечания используют, чтобы снабдить диаграммы комментариями или ограничениями, которые можно выразить в виде неформального или формального текста.

ОТНОШЕНИЯ UML

В языке UML определены четыре типа отношений: · зависимость; · ассоциация; · обобщение; · реализация. Эти отношения являются основными связующими конструкциями в UML и применяются для построения корректных моделей.

Зависимость (dependency) - это семантическое отношение между двумя сущностями, при котором изменение одной из них, независимой, может повлиять на семантику другой, зависимой.

Ассоциация (association) - структурное отношение, описывающее совокупность связей, где под связью понимается некоторая смысловая связь между объектами. Разновидностью ассоциации является агрегирование (aggregation) - так называется структурное отношение между целым и его частями. Графически ассоциация изображается в виде линии, рядом с которой могут присутствовать дополнительные обозначения.

Обобщение (generalization) - это отношение "специализация/обобщение", при котором объект специализированного элемента (проще говоря, потомок) может быть подставлен вместо объекта обобщенного элемента (родителя, предка). Как и положено в объектно-ориентированном программировании, потомок (child) наследует структуру и поведение своего предка (parent). Графически отношение обобщения изображается в виде линии с незакрашенной стрелкой, указывающей на предка.

Реализация (realization) - это семантическое отношение между классификаторами, при котором один классификатор определяет обязательство, а другой гарантирует его выполнение. Отношение реализации встречаются в двух случаях: между интерфейсами и реализующими их классами или компонентами и между прецедентами и реализующими их кооперациями. Отношение реализации изображается в виде пунктирной линии с незакрашенной стрелкой.

Существую также их варианты, например уточнение (refinement), трассировка (trace), включение и расширение для зависимостей.

ДИАГРАММЫ UML

Диаграмма в UML - это графическое представление набора элементов, изображаемое в виде связанного графа с вершинами (сущностями) и ребрами (отношениями).

Основная цель диаграмм - визуализация разрабатываемой системы с разных точек зрения. Диаграммы дают свернутое представление элементов, из которых состоит разрабатываемая система. Один и тот же элемент может присутствовать во всех диаграммах, или только в нескольких (самый часто встречающийся вариант), или не присутствовать ни в одной (очень редко). Согласно теории диаграммы могут содержать любые комбинации сущностей, однако в практике моделирования применяется сравнительно небольшое количество типовых комбинаций, каждая из которых соответствует одному из пяти наиболее необходимых видов, составляющих архитектуру программной системы. Таким образом, в UML определены девять типов диаграмм.

Диаграммы классов (class diagram), на которых показывают классы, интерфейсы, объекты и кооперации, отношения. При моделировании объектно-ориентированных систем этот тип диаграмм использует наиболее часто.

Диаграммы объектов (object diagram), на которых представляются объекты и отношения между ними. Это статические снимки экземпляров сущностей, показанных на диаграммах классов.

Диаграммы прецедентов (use case diagram), на которых представлены прецеденты, актеры (частный случай классов), отношения между ними. Диаграммы прецедентов относятся к статическому виду системы с точки зрения возможностей ее использования. Это вид диаграмм особенно важен при организации и моделирования поведения системы.

Диаграммы взаимодействия, на которых представлены связи между объектами, показаны, в частности, сообщения, которыми объекты могут обмениваться. Обычно рассматриваются два частных случая диаграмм: диаграммы последовательностей (sequence diagram), которые отражают временную упорядоченность сообщений, и диаграммы кооперации (collaboration diagram), на которых показана структурная организация обменивающихся сообщениями объектов. Эти виды диаграмм являются изоморфными, то есть свободно могут быть трансформированы друг в друга.

Диаграммы состояний (statechart diagram) представляют автомат, включающий в себя состояния, переходы, события и виды действий. Эти диаграммы относятся к динамическому виду системы, особенно важна их роль при моделировании поведения интерфейса, класса или кооперации.

Диаграммы деятельности (activity diagram) - это частный случай диаграмм состояний. На диаграмме представляются переходы потока управления от одной деятельности к другой внутри системы. Этот вид диаграмм относится к динамическим представлениям системы, и является наиболее полезным при моделировании ее функционирования, так как отражает передачу потока управления между объектами.

Диаграммы компонентов (component diagram), на которых представлена организация совокупности компонентов и существующие между ними зависимости. Диаграммы компонентов относятся к статистическому виду системы с точки зрения реализации. Они могут быть связаны с диаграммами классов в силу очень простой причины: один компонент обычно отображается на один или несколько классов, интерфейсов или коопераций.

Диаграммы развертывания (deployment diagram), на которых представлена конфигурация обрабатывающих узлов системы и размещенных в них компонентов. Диаграммы развертывания относятся к статическому виду системы с точки зрения развертывания. Они связаны с диаграммами компонентов, поскольку в узле обычно размещаются один или несколько компонентов.

ПРАВИЛА ЯЗЫКА UML

Конструкции UML нельзя объединять друг с другом в произвольном порядке. В UML существует набор правил, которые определяют, как должна выглядеть хорошо оформленная модель.

Семантические правила, которые имеются в UML, позволяют корректно и однозначно определять:

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

· области действия - контексты, в которых имя имеет некоторое значение;

· видимость, когда имена видимы и могут использоваться другими элементами;

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

· выполнение, что означает выполнить или имитировать некоторую динамическую модель.

Модели, которые создаются в процессе разработки программных продуктов, со временем имеют свойство эволюционировать, и могут неоднозначно рассматриваться разными членами команды разработчиков в разное время.

По этой причине создаются не только хорошо оформленные модели, но и такие, которые:

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

· неполные (отдельные элементы пропущены);

· несогласованные (целостность модели не гарантируется).

ОБЩИЕ МЕХАНИЗМЫ ЯЗЫКА UML

Моделирование упрощается и ведется более эффективно, если придерживаться некоторых соглашений. Работу с UML существенно облегчает последовательное использование общих механизмов: · спецификации (specifications); · дополнения (adornments); · принятые деления (common divisions); · механизмы расширения (extensibility mechanisms).

При моделировании объектно-ориентированных систем реальность делится с учетом двух методов.

Во-первых, существует деление на классы и объекты. Класс - это абстракция, а объект - конкретное воплощение этой абстракции. В связи с этим, практически все конструкции языка характеризуются дихотомией "класс/объект". Например, имеются прецеденты и экземпляры прецедентов, компоненты и экземпляры компонентов, узлы и экземпляры узлов и т. д. В графическом представлении для объекта принято использовать тот же символ, что и для класса, а название подчеркивать.

Во-вторых, существует деление на интерфейс и его реализацию. Интерфейс декларирует обязательства, а реализация представляет конкретное воплощение этих обязательств и обязуется точно следовать объявленной семантике интерфейса. А в связи с этим, почти все конструкции UML характеризуются дихотомией "интерфейс/реализация".

Механизмы расширения UML включают:

· стереотипы (stereotype), которые расширяют словарь UML, позволяя на основе существующих блоков языка создавать новые, специфичные для решения конкретной проблемы;

· помеченные значения (tagged value), которые расширяют свойства основных конструкций UML, позволяя включать новую информацию в спецификацию элемента;

· ограничения (constraints), которые расширяют семантику конструкций UML, позволяя создавать новые и отменять существующие правила.

С помощью механизмов расширения можно создавать новые конструкции языка, модифицировать существующие и даже изменять их семантику.

 

СИСТЕМЫ И МОДЕЛИ

Модель - это упрощение реальности, абстракция, которая создается для лучшего понимания системы. Система, очень часто разложенная на ряд подсистем, - это множество элементов, организованных некоторым образом для выполнения определенной цели. Системы описывается набором моделей, по возможности рассматривающих ее с различных точек зрения. Важными составляющими частями модели являются структурные сущности.

В UML все абстракции программной системы организуются в виде моделей, каждая из которых представляет относительно независимый, но важный аспект разрабатываемой системы. Для визуализации абстракций можно использовать диаграммы.

В UML предусмотрены средства для графического представления систем и подсистем. Такая нотация позволяет визуализировать декомпозицию системы на меньшие подсистемы.

Система (system), возможно разложенная на ряд подсистем, - это множество элементов, организованных некоторым образом для выполнения определенной цели. Подсистема (subsystem) - это объединение элементов, ряд которых составляет спецификацию поведения, предложенного другими ее элементами.

Система является той самой сущностью, для которой разрабатывается модель, и охватывает все артефакты, составляющие эту сущность, включая модели и элементы этих моделей, такие как классы, интерфейсы, компоненты, узлы и связи между ними.

Основное отношение между системами и подсистемами - это агрегирование. Система (целое) может состоять из нуля и более подсистем (частей).

Модель - это упрощение реального мира, реальность в ней описывается в контексте моделируемой системы, это абстракция системы.