Обзор Язык UML как средство автоматизированных систем

Введение

 

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

UML пригоден для моделирования любых систем: от информационных систем масштаба предприятия до распределенных Web-приложений и даже встроенных систем реального времени. Это очень выразительный язык, позволяющий рассмотреть систему со всех точек зрения, имеющих отношение к ее разработке и последующему развертыванию.

	3

Обзор Язык UML как средство автоматизированных систем

 

UML - это язык для визуализации, специфицирования, конструирования и документирования артефактов программных систем.

Язык состоит из словаря и правил, позволяющих комбинировать входящие в него слова и получать осмысленные конструкции. В языке моделирования словарь и правила ориентированы на концептуальное и физическое представление системы. Язык моделирования, подобный UML, является стандартным средством для составления "чертежей" программного обеспечения.

Моделирование необходимо для понимания системы. При этом единственной модели никогда не бывает достаточно. Напротив, для понимания любой нетривиальной системы приходится разрабатывать большое количество взаимосвязанных моделей. В применении к программным системам это означает, что необходим язык, с помощью которого можно с различных точек зрения описать представления архитектуры системы на протяжении цикла ее разработки

Словарь и правила такого языка, как UML, объясняют, как создавать и читать хорошо определенные модели, но ничего не сообщают о том, какие модели и в каких случаях нужно создавать. Это задача всего процесса разработки программного обеспечения. Хорошо организованный процесс должен подсказать вам, какие требуются артефакты, какие ресурсы необходимы для их создания, как можно использовать эти артефакты, чтобы оценить выполненную работу и управлять проектом в целом.

2

UML - это язык визуализации

Использование UML позволяет решить третью проблему: явная модель облегчает общение.

Некоторые особенности системы лучше всего моделировать в виде текста, другие - графически. На самом деле во всех интересных системах существуют структуры, которые невозможно представить с помощью одного лишь языка программирования. UML - графический язык, что позволяет решить вторую из обозначенных проблем.

UML - это не просто набор графических символов. За каждым из них стоит хорошо определенная семантика. Это значит, что модель, написанная одним разработчиком, может быть однозначно интерпретирована другим - или даже инструментальной программой. Так решается первая из перечисленных выше проблем.

UML - это язык специфицирования

4

В данном контексте специфицирование означает построение точных, недвусмысленных и полных моделей. UML позволяет специфицировать все существенные решения, касающиеся анализа, проектирования и реализации, которые должны приниматься в процессе разработки и развертывания системы программного обеспечения.

5

UML - это язык конструирования

UML не является языком визуального программирования, но модели, созданные с его помощью, могут быть непосредственно переведены на различные языки программирования. Иными словами, UML-модель можно отобразить на такие языки, как Java, C++, Visual Basic, и даже на таблицы реляционной базы данных или устойчивые объекты объектно-ориентированной базы данных. Те понятия, которые предпочтительно передавать графически, так и представляются в UML; те же, которые лучше описывать в текстовом виде, выражаются с помощью языка программирования.

Такое отображение модели на язык программирования позволяет осуществлять прямое проектирование: генерацию кода из модели UML в какой-то конкретный язык. Можно решить и обратную задачу: реконструировать модель по имеющейся реализации. Обратное проектирование не представляет собой ничего необычного. Если вы не закодировали информацию в реализации, то эта информация теряется при прямом переходе от моделей к коду. Поэтому для обратного проектирования необходимы как инструментальные средства, так и вмешательство человека. Сочетание прямой генерации кода и обратного проектирования позволяет работать как в графическом, так и в текстовом представлении, если инструментальные программы обеспечивают согласованность между обоими представлениями.

Помимо прямого отображения в языки программирования UML в силу своей выразительности и однозначности позволяет непосредственно исполнять модели, имитировать поведение систем и контролировать действующие системы.

6

UML - это язык документирования

Компания, выпускающая программные средства, помимо исполняемого кода производит и другие артефакты, в том числе следующие:

· требования к системе;

· архитектуру;

· проект;

· исходный код;

· проектные планы;

· тесты;

· прототипы;

· версии, и др.

В зависимости от принятой методики разработки выполнение одних работ производится более формально, чем других. Упомянутые артефакты - это не просто поставляемые составные части проекта; они необходимы для управления, для оценки результата, а также в качестве средства общения между членами коллектива во время разработки системы и после ее развертывания.

UML позволяет решить проблему документирования системной архитектуры и всех ее деталей, предлагает язык для формулирования требований к системе и определения тестов,

Где используется UML

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

7

информационные системы масштаба предприятия;

· банковские и финансовые услуги;

· телекоммуникации;

· транспорт;

· оборонная промышленность, авиация и космонавтика;

· розничная торговля;

· медицинская электроника;

· наука;

· распределенные Web-системы.

Строительные блоки UML

Словарь языка UML включает три вида строительных блоков:

· сущности;

· отношения;

· диаграммы.

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

Обобщение (Generalization) - это отношение "специализация/обобщение", при котором объект специализированного элемента (потомок) может быть подставлен вместо объекта обобщенного элемента (родителя или предка)

 

Рис.2.14 Обобщения

 

Отношения реализации встречаются в двух случаях: во-первых, между интерфейсами и реализующими их классами или

2

компонентами, а во-вторых, между прецедентами и реализующими их кооперациями. Отношение реализации изображается в виде пунктирной линии с незакрашенной стрелкой, как нечто среднее между отношениями обобщения и зависимости (см. рис.2.15).

Диаграмма в UML - это графическое представление набора элементов, изображаемое чаще всего в виде связанного графа с вершинами (сущностями) и ребрами (отношениями). Диаграммы рисуют для визуализации системы с разных точек зрения. Диаграмма - в некотором смысле одна из проекций системы. Как правило, за исключением наиболее тривиальных случаев, диаграммы дают свернутое представление элементов, из которых составлена система. Один и тот же элемент может присутствовать во всех диаграммах, или только в нескольких (самый распространенный вариант), или не присутствовать ни в одной (очень редко). Теоретически диаграммы могут содержать любые комбинации сущностей и отношений. На практике, однако, применяется сравнительно небольшое количество типовых комбинаций, соответствующих пяти наиболее употребительным видам, которые составляют архитектуру программной системы (см. следующий раздел).

 

Рис.2.15 Реализации

 

Таким образом, в UML выделяют девять типов диаграмм:

· диаграммы классов;

· диаграммы объектов;

· диаграммы прецедентов;

· диаграммы последовательностей;

·

8

диаграммы кооперации;

·

9

диаграммы состояний;

· диаграммы действий;

· диаграммы компонентов;

· диаграммы развертывания.

Правила языка UML

 

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

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

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

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

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

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

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

Модели, создаваемые в процессе разработки программных систем, эволюционируют со временем и могут неоднозначно рассматриваться

2

разными участниками проекта в разное время. По этой причине создаются не только хорошо оформленные модели, но и такие, которые:

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

· неполные (отдельные элементы пропущены);

· несогласованные (целостность модели не гарантируется).

Диаграммы классов

 

Диаграмма классов (class diagram) служит для представления статической структуры модели системы в терминологии классов объектно-ориентированного программирования. Диаграмма классов может отражать, в частности, различные взаимосвязи между отдельными сущностями предметной области, такими как объекты и подсистемы, а также описывает их внутреннюю структуру и типы отношений. На данной диаграмме не указывается информация о временных аспектах функционирования системы.

Диаграмма классов представляет собой некоторый граф, вершинами которого являются элементы типа "классификатор", которые связаны различными типами структурных отношений. Диаграмма классов может также содержать интерфейсы, пакеты, отношения и даже отдельные экземпляры, такие как объекты и связи. Поэтому диаграмму классов принято считать графическим представленном таких структурных взаимосвязей логической модели системы, которые не зависят или инвариантны от времени.

10

Диаграмма классов состоит из множества элементов, которые в совокупности отражают декларативные знания о предметной области. Эти знания интерпретируются в базовых понятиях языка UML, таких

2

как классы, интерфейсы и отношения между ними и их составляющими компонентами. При этом отдельные компоненты этой диаграммы могут образовывать пакеты для представления более общей модели системы. Класс (class) в языке UML служит для обозначения множества объектов, которые обладают одинаковой структурой, поведением и отношениями с объектами из других классов. Графически класс изображается в виде прямоугольника, который дополнительно может быть разделен горизонтальными линиями на разделы или секции (рис.2.1). В этих разделах могут указываться имя класса, атрибуты (переменные) и операции (методы).

Рис.2.1. Графическое изображение класса на диаграмме классов

 

Обязательным элементов обозначения класса является его имя. На начальных этапах разработки диаграммы отдельные классы могут обозначаться простым прямоугольником с указанием только имени соответствующего класса (рис.2.1, а). По мере проработки отдельных компонентов диаграммы описания классов дополняются атрибутами (рис.2.1, б) и операциями (рис.2.1, в).

Предполагается, что окончательный вариант диаграммы содержит наиболее полное описание классов, которые состоят из трех разделов или секций.

11

2

Даже если секция атрибутов и операций является пустой, в обозначении класса она выделяется горизонтальной линией, чтобы сразу отличить класс от других элементов языка UML. Примеры графического изображения классов на диаграмме классов приведены на рис.2.2. В первом случае для класса "Прямоугольник" (рис.2.2, а) указаны только его атрибуты - точки на координатной плоскости, которые определяют его расположение. Для класса "Окно" (рис.2.2, б) указаны только его операции, секция атрибутов оставлена пустой. Для класса "Счет" (рис.2.2, в) дополнительно изображена четвертая секция, в которой указано исключение - отказ от обработки просроченной кредитной карточки.

Рис.2.2. Примеры графического изображения классов на диаграмме

 

Имя класса

 

12

Имя класса должно быть уникальным в пределах пакета, который описывается некоторой совокупностью диаграмм классов (возможно, одной диаграммой). Оно указывается в первой верхней секции прямоугольника. В дополнение к общему правилу наименования элементов языка UML, имя класса записывается по центру секции имени полужирным шрифтом и должно начинаться с заглавной буквы. Рекомендуется в качестве имен классов использовать существительные, записанные по практическим соображениям без пробелов.

13

В первой секции обозначения класса могут находиться ссылки на стандартные шаблоны или абстрактные классы, от которых образован данный класс и, соответственно, от которых он наследует свойства и методы. В этой секции может приводиться информация о разработчике данного класса и статус состояния разработки, а также могут записываться и другие общие свойства этого класса, имеющие отношение к другим классам диаграммы или стандартным элементам языка UML.

Класс может не иметь экземпляров или объектов. В этом случае он называется абстрактным классом, а для обозначения его имени используется наклонный шрифт (курсив). В языке UML принято общее соглашение о том, что любой текст, относящийся к абстрактному элементу, записывается курсивом. Данное обстоятельство является семантическим аспектом описания соответствующих элементов языка UML.

Атрибуты класса.

Во второй сверху секции прямоугольника класса записываются его атрибуты (attributes) или свойства. В языке UML принята определенная стандартизация записи атрибутов класса, которая подчиняется некоторым синтаксическим правилам. Каждому атрибуту класса соответствует отдельная строка текста, которая состоит из квантора видимости атрибута, имени атрибута, его кратности, типа значений атрибута и, возможно, его исходного значения:

<квантор видимости><имя атрибута> [кратность]:

<тип атрибута> = <исходное значение>{строка-свойство}

14

Квантор видимости может принимать одно из трех возможных значений и, соответственно, отображается при помощи специальных символов:

· Символ "+" обозначает атрибут с областью видимости типа общедоступный (public). Атрибут с этой областью видимости доступен или виден из любого другого класса пакета, в котором определена диаграмма.

· Символ "#" обозначает атрибут с областью видимости типа защищенный (protected). Атрибут с этой областью видимости недоступен или невиден для всех классов, за исключением подклассов данного класса.

· И, наконец, знак "-" обозначает атрибут с областью видимости типа закрытый (private). Атрибут с этой областью видимости недоступен или невиден для всех классов без исключения.

Квантор видимости может быть опущен. В этом случае его отсутствие просто означает, что видимость атрибута не указывается.

Имя атрибута представляет собой строку текста, которая используется в качестве идентификатора соответствующего атрибута и поэтому должна быть уникальной в пределах данного класса. Имя атрибута является единственным обязательным элементом синтаксического обозначения атрибута.

Кратность атрибута характеризует общее количество конкретных атрибутов данного типа, входящих в состав отдельного класса. В общем случае кратность записывается в форме строки текста в квадратных скобках после имени соответствующего атрибута:

2

[нижняя_граница1. верхняя_граница1, нижняя_граница2. верхняя_грашца2,.., нuжняя_гpaнuцak. верхняя_границаk], где нижняя_граница и верхняя_граница являются положительными целыми числами, каждая пара которых служит для обозначения отдельного замкнутого интервала целых чисел, у которого нижняя (верхняя) граница равна значению нижняя_граница (верхняя_граница). В целом данное условное обозначение кратности соответствует теоретико-множественному объединению соответствующих интервалов.

Значения кратности из интервала следуют в монотонно возрастающем порядке без пропуска отдельных чисел, лежащих между нижней и верхней границами. При этом придерживаются следующего правила: соответствующие нижние и верхние границы интервалов включаются в значение кратности. Если в качестве кратности указывается единственное число, то кратность атрибута принимается равной данному числу. Если же указывается единственный знак "*", то это означает, что кратность атрибута может быть произвольным положительным целым числом или нулем.

Если кратность атрибута не указана, то по умолчанию принимается ее значение равное 1.1, т.е. в точности 1.

Тип атрибута представляет собой выражение, семантика которого определяется языком спецификации соответствующей модели. В нотации UML тип атрибута иногда определяется в зависимости от языка программирования, который предполагается использовать для реализации данной модели. В простейшем случае тип атрибута указывается строкой текста, имеющей осмысленное значение в пределах пакета или модели, к которым относится рассматриваемый класс.

15

2

Исходное значение служит для задания некоторого начального значения для соответствующего атрибута в момент создания отдельного экземпляра класса. Здесь необходимо придерживаться правила принадлежности значения типу конкретного атрибута. Если исходное значение не указано, то значение соответствующего атрибута не определено на момент создания нового экземпляра класса. С другой стороны, конструктор соответствующего объекта может переопределять исходное значение в процессе выполнения программы, если в этом возникает необходимость.

При задании атрибутов могут быть использованы две дополнительные синтаксические конструкции - это подчеркивание строки атрибута и пояснительный текст в фигурных скобках.

Подчеркивание строки атрибута означает, что соответствующий атрибут может принимать подмножество значений из некоторой области значений атрибута, определяемой его типом. Эти значения можно рассматривать как набор однотипных записей или массив, которые в совокупности характеризуют каждый объект класса.

Строка-свойство служит для указания значений атрибута, которые не могут быть изменены в программе при работе с данным типом объектов. Фигурные скобки как раз и обозначают фиксированное значение соответствующего атрибута для класса в целом, которое должны принимать все вновь создаваемые экземпляры класса без исключения. Это значение принимается за исходное значение атрибута, которое не может быть переопределено в последующем. Отсутствие строки-свойства по умолчанию трактуется так, что значение соответствующего атрибута может быть изменено в программе.

16

17

Операция.

В третьей сверху секции прямоугольника записываются операции или методы класса. Операция (operation) представляет собой некоторый сервис, предоставляющий каждый экземпляр класса по определенному требованию. Совокупность операций характеризует функциональный аспект поведения класса. Запись операций класса в языке UML также стандартизована и подчиняется определенным синтаксическим правилам. При этом каждой операции класса соответствует отдельная строка, которая состоит из квантора видимости операции, имени операции, выражения типа возвращаемого операцией значения и, возможно, строка-свойство данной операции:

<квантор видимости><имя операции> (список параметров):

<выражение типа возвращаемого значения>{строка-свойство}

Квантор видимости, как и в случае атрибутов класса, может принимать одно из трех возможных значений и, соответственно, отображается при помощи специального символа. Символ "+" обозначает операцию с областью видимости типа общедоступный (public). Символ "#" обозначает операцию с областью видимости типа защищенный (protected). И, наконец, символ "-" используется для обозначения операции с областью видимости типа закрытый (private).

Квантор видимости для операции может быть опущен. В этом случае его отсутствие просто означает, что видимость операции не указывается. Вместо условных графических обозначений также можно записывать соответствующее ключевое слово: public, protected, private.

18

Имя операции представляет собой строку текста, которая используется в качестве идентификатора соответствующей операции и поэтому должна быть уникальной в пределах данного класса. Имя атрибута является единственным обязательным элементом синтаксического обозначения операции.

Список параметров является перечнем разделенных запятой формальных параметров, каждый из которых может быть представлен в следующем виде:

<вид параметра><имя параметра>: <выражение типа>=<значение параметра по умолчанию>.

Здесь вид параметра - есть одно из ключевых слов in, out или inout со значением in по умолчанию, в случае если вид параметра не указывается. Имя параметра есть идентификатор соответствующего формального параметра. Выражение типа является зависимой от конкретного языка программирования спецификацией типа возвращаемого значения для соответствующего формального параметра. Наконец, значение по умолчанию в общем случае представляет собой выражение для значения формального параметра, синтаксис которого зависит от конкретного языка программирования и подчиняется принятым в нем ограничениям.

Строка-свойство служит для указания значений свойств, которые могут быть применены к данному элементу. Строка-свойство не является обязательной, она может отсутствовать, если никакие свойства не специфицированы.

Операция с областью действия на весь класс показывается подчеркиванием имени и строки выражения типа. По умолчанию под

2

областью операции понимается объект класса. В этом случае имя и строка выражения типа операции не подчеркиваются.

Для повышения производительности системы одни операции могут выполняться параллельно или одновременно, а другие - только последовательно. В этом случае для указания параллельности выполнения операции используется строка-свойство вида "{concurrency = имя}", где имя может принимать одно из следующих значений: последовательная (sequential), параллельная (concurrent), охраняемая (guarded). При этом придерживаются следующей семантики для данных значений:

· последовательная (sequential) - для данной операции необходимо обеспечить ее единственное выполнение в системе, одновременное выполнение других операций может привести к ошибкам или нарушениям целостности объектов класса.

· параллельная (concurrent) - данная операция в силу своих особенностей может выполняться параллельно с другими операциями в системе, при этом параллельность должна поддерживаться на уровне реализации модели.

· охраняемая (guarded) - все обращения к данной операции должны быть строго упорядочены во времени с целью сохранения целостности объектов данного класса, при этом могут быть приняты дополнительные меры по контролю исключительных ситуаций на этапе ее выполнения.

19

С целью сокращения обозначений допускается использование одного имени в качестве строки-свойства для указания соответствующего значения параллельности. Отсутствие данной строки-свойства означает, что семантика параллельности для операции не определена. Поэтому следует предположить худший с точки зрения

2

производительности случай, когда данная операция требует последовательного выполнения.

Если для некоторой операции необходимо дополнительно указать особенности ее реализации (например, алгоритм), то это может быть сделано в форме примечания, записанного в виде текста, который присоединяется к записи операции в соответствующей секции класса. Если объекты класса принимают и реагируют на некоторый сигнал, то запись данной операции помечается ключевым словом "сигнал" ("signal"). Это обозначение равнозначно обозначению некоторой операции. Реакция объекта на прием сигнала может быть показана в виде некоторого автомата.