03 (Лекции)

Лекция 3. Унифицированный язык моделирования (Unified Modelling Language)

Унифицированный язык моделирования UML (Unified Modeling Language) – это язык для определения, представления, проектирования и документирования программных систем, организационно-экономических систем, технических систем и других систем различной природы. UML содержит стандартный набор диаграмм и нотаций самых разнообразных видов.

UML является унификацией методов Буча, Рамбо и Якобсона а также суммой передового опыта по разработке ПО:

Разработка UML преследовала следующие цели:

• предоставить разработчикам единый язык визуального моделирования;

• предусмотреть механизмы расширения и специализации языка;

• обеспечить независимость языка от языков программирования и процессов разработки;

• интегрировать накопленный практический опыт.

Основные «строительные блоки» UML:

• элементы модели (классы, интерфейсы, компоненты, варианты использования и др.);

• связи (ассоциации, обобщения, зависимости и др.);

• механизмы расширения (стереотипы, ограничения, примечания, именованные значения);

• диаграммы.

Состав диаграмм UML 1.х:

• структурные:

• диаграммы классов, моделирующие статическую структуру классов системы и связи между классами;

• диаграммы компонентов, моделирующие иерархии компонентов ПО;

• диаграммы размещения, моделирующие физическую архитектуру системы;

• поведенческие:

• диаграммы вариантов использования, моделирующие бизнес-процессы и требования к ПО;

• диаграммы взаимодействия (диаграммы последовательности и коммуникационные диаграммы), моделирующие обмен сообщениями между объектами;

• диаграммы состояний, моделирующие поведение объектов;

• диаграммы деятельности, моделирующие поведение системы в целом и потоки управления.

В UML 2.0 введены новые типы диаграмм, которых ранее не было: диаграммы обзора взаимодействия, временные диаграммы и диаграммы составных структур.

Рассмотрим диаграммы вариантов использования. Вариант использования – это ответные действия ПО, являющиеся реакцией на событие, инициируемое извне. Вариант использования описывает типичное взаимодействие между пользователем и ПО. Он отражает представление о поведении системы с точки зрения пользователя. На диаграммах варианты использования представляются в виде овалов.

Действующее лицо – это роль, которую пользователь играет по отношению к системе. На диаграммах вариантов использования они изображаются в виде стилизованных человеческих фигурок. Действующим лицом может быть пользователь-человек, внешняя программная система или время, если запуск каких-либо событий в системе зависит от времени.

Диаграмма вариантов использования является самым общим представлением функциональных требований к системе. Детально функциональные требования описываются в документе, называемом «сценарий варианта использования» или «поток событий». Он подробно документирует процесса взаимодействия действующего лица с системой, реализуемого в рамках варианта использования.

В диаграммах вариантов использования может присутствовать несколько типов связей:

• связь коммуникации (линия со стрелкой, обозначающая связь между вариантом использования и действующим лицом, по сути такая свяь – путь для передачи запросов или данных);

• связь включения (пунктирная линия со стрелкой, обозначающая включение многократно используемой функциональности, представленной в виде отдельного варианта использования);

• связи расширения (пунктирная линия со стрелкой, соединяющая вариант – особый случай – с базовым вариантом использования);

• связь обобщения (сплошная линия с треугольным концом, используемая в иерархиях наследования действующих лиц или вариантов использования).

Связи коммуникации от действующих лиц к вариантам использования показывают, какие действующие лица инициируют варианты использования. Коммуникации, направленные от вариантов использования к действующим лицам указывают, какие действующие лица получают данные в ходе выполнения варианта использования (или обрабатывают запросы от разрабатываемого ПО). Коммуникации между вариантами использования не допускаются.

Диаграммы взаимодействия описывают поведение взаимодействующих групп объектов в рамках потока событий. На диаграмме отображается ряд объектов и сообщения, которыми они обмениваются между собой. Сообщение – это средство, с помощью которого объект-отправитель запрашивает у объекта-получателя выполнение одной из его операций. Существует два вида диаграмм взаимодействия: диаграммы последовательности и коммуникационные диаграммы (ранее называемые кооперативными).

Диаграммы последовательности отражают временную последовательность событий, происходящих в рамках варианта использования. Экземпляры действующих лиц и объекты (экземпляры классов) системы изображаются в верхней части диаграммы. От каждого из них вниз проведена пунктирная вертикальная черта – «линия жизни». Стрелки, соответствующие сообщениям, которые передаются между экземпляром действующего лица и объектом или между объектами, соединяют линии жизни отправителя и получателя сообщения. Порядок отправки сообщений соответствует их размещению на диаграмме сверху вниз. Вдоль линии жизни прямоугольниками отмечены активации – периоды, когда объекты активны, т. е. выполняются связанные с ними процессы.

Каждое сообщение может быть описано в таком формате:

[сторожевое условие] *[повторение] номер : переменная := операция (аргументы)

[сторожевое условие] – сообщение посылается только при выполненном условии, при невыполненном не посылается;

*[повторение] – итерация, которая указывает, что сообщение посылается столько раз, сколько указано внутри [ ];

номер : – порядковый номер сообщения;

переменная := – указание, где будет сохранен результат;

операция (аргументы) – какая операция с какими аргументами будет вызвана.

В UML 2.0 диаграммы последовательности могут содержать блоки разных типов:

• alt – несколько альтернатив (каждая альтернатива – часть блока помеченная сторожевым условием);

• opt – необязательный блок (взаимодействие выполняемое при истинности сторожевого условия);

• par – блок из параллельно выполняемых разделов;

• loop – цикл (пока истинно условие);

• region – критический участок;

• neg – неверное взаимодействие;

• ref – ссылка на другую диаграмму;

• sd – блок, включающий диаграмму последовательности целиком.

Вторым видом диаграмм взаимодействия являются коммуникационные диаграммы (в UML 1 их называли кооперативными). Как и диаграммы последовательности, они отображают поток событий варианта использования. На коммуникационных диаграммам внимание сконцентрировано на соединениях между объектами. Из них легче понять связи между объектами, однако, труднее уяснить последовательность событий. Объекты и/или действующие лица, обменивающиеся сообщениями, связываются линиями (соединениями), над которым в виде стрелок обозначаются сообщения. Нумерация сообщений указывает их последовательность во времени.

Рефлексивные сообщения (который объект посылает сам себе) изображаются над псевдосоединением – дугой над объектом.

Диаграмма классов определяет классы системы и различного рода связи, которые существуют между ними (ассоциации, агрегации, композиции, зависимости, обобщения, реализации). На диаграммах классов изображаются также атрибуты классов, операции классов и ограничения, которые накладываются на связи между классами. Классы изображаются в виде прямоугольников, ассоциации – в виде сплошных линий, направления ассоциаций указываются стрелками, агрегации и композиции – в виде сплошных линий с ромбом на конце, связь обобщения – в виде сплошных линий с треугольником на конце, зависимость – в виде пунктирной линии со стрелкой. Роль, возложенная на класс изображается на диаграммах с помощью стереотипов. Класс может быть помечен как граничный (boundary), если он отвечает за взаимодействие с пользователем или внешней системой. Класс-контроллер реализует бизнес-логику приложения. Класс-сущность отвечает за представление данных. Активные классы (процессы или потоки) на диаграмме выделяют с помощью более толстых, чем у обычных классов границ.

Для группировки классов, обладающих некоторой общностью, применяются пакеты. Пакет – общий механизм для организации элементов модели в группы. Каждый пакет – это группа элементов модели, иногда сопровождаемая диаграммами, поясняющими структуру группы. Каждый элемент модели может входить только в один пакет. Диаграммы пакетов отображают зависимости между пакетами, возникающие, если элемент одного пакета зависит от элемента другого.

Пакеты также используются для представления подсистем. Подсистема – это комбинация пакета (поскольку она включает некоторое множество классов) и класса (поскольку она обладает поведением, т.е. реализует набор операций, которые определены в ее интерфейсах). Связь между подсистемой и интерфейсом называется связью реализации.

Диаграммы состояний определяют все возможные состояния, в которых может находиться экземпляр некоторого класса, а также процесс смены состояний объекта в результате наступления некоторых событий. Математической базой диаграмм состояний является конечный автомат. Автомат состоит из состояний между, которыми есть переходы. Одно (или несколько, при наличии параллелизма) состояний могут быть текущим (текущими). Смена текущего состояния происходит в результате перехода, который вызывается событием.

События бывают разных видов: событие вызова (наступает, когда вызывается операция объекта, например, вклАвтопилот); событие изменения (наступает, когда становится истинным условие, например, when(NumUses=0), всегда начинается со слова when); событие времени (наступает, когда наступает заданный момент времени, или истекает заданный промежуток времени, например after 5min). События, приписанные переходам, вызывают смену состояний. Если событие не отмечено на диаграмме, объект на него не реагирует. Если переходу не приписано событие, то это переход по завершению, который может осуществиться по окончании деятельности внутри события.

На каждой диаграмме состояний имеется одно начальное состояние и произвольное количество финальных. Начальное состояние выделено черной точкой, оно соответствует состоянию объекта, когда он только что был создан. Финальное состояние обозначается черной точкой в белом кружке, оно указывает либо непосредственное уничтожение объекта, либо то, что вплоть до уничтожения объекта с ним ничего происходить не будет. Из финального состояния не бывает переходов, также как нет переходов в начальное.

Когда объект находится в каком-то конкретном состоянии, могут выполняться различные процессы. Они, называются деятельностями состояния и указываются на диаграмме (см. состояние Превышение кредита, деятельность помечена do:). Деятельность состояния – это прерываемое поведение. Оно может выполняться до своего завершения, пока объект находится в данном состоянии, или может быть прервано переходом объекта в другое состояние. Деятельность состояния изображают внутри самого состояния, ей должно предшествовать слово do и двоеточие. Для состояния могут быть указаны входное и выходное действия. Входное действие выполняется всякий раз, когда объект переходит в данное состояние. В отличие от деятельности, входное действие рассматривается как непрерываемое. Входное действие также показывают внутри состояния, ему предшествует слово entry и двоеточие. Выходное действие осуществляется как составная часть любого выхода из состояния. Оно также является непрерываемым. Его изображают внутри состояния, ему предшествует слово exit и двоеточие. Действия, выполняемые в состоянии по наступлению события, помечаются словом именем события, после которого через двоеточие указывается действие. Это так называемые внутренние переходы. При выполнении внутреннего перехода действия по выходу и по входу не выполняются. Если вместо внутреннего перехода создать переход из состояния в само себя, то входное и выходное действия выполняются.

Переходом (transition) называется смена одного состояния объекта на другое. На диаграмме все переходы изображают в виде линий со стрелками. Объект может перейти в то же состояние, в котором он в настоящий момент находится. С переходом можно связать событие, сторожевое условие и действие. Событие вызывает переход из одного состояния в другое. Событие размещают на диаграмме вдоль линии перехода. Сторожевые условия определяют, когда переход может произойти, а когда нет. Их изображают на диаграмме вдоль линии перехода после имени события, заключая в квадратные скобки [ ]. Действие, являющееся частью перехода, изображают вдоль линии перехода после имени события и сторожевого условия, ему предшествует косая черта.

П
ример перехода по событию вызова: