Методологии разработки программного обеспечения
Часть 4. Unified Modelling Language
История UML
Язык Unified Modelling Language (UML) можно считать результатом довольно длинной и еще не завершившейся эволюции методологий моделирования и дизайна.
В 90-х годах наиболее популярными были три объектно-ориентированных подхода:
• OMT (автор Джеймс Рамбо), сильной стороной которого является анализ, а слабой — дизайн;
• OODA (автор Гради Буч) — сильная сторона этого языка — дизайн, а слабая — анализ;
• OOSE (автор Айвар Якобсон) — сильной стороной данного языка является анализ поведения (behavior analysis), однако в остальных областях он достаточно слаб.
В результате соперничества этих методов авторы вышеперечисленных методологий создали унифицированный язык моделирования UML (рис. 1), который унаследовал присутствовавшие в других языках элементы. Далее приведена оригинальная терминология заимствованных/унаследованных элементов языка этой методологии — дело в том, что сейчас существует несколько вариантов переводов этих терминов на русский язык.
Рис. 1. UML и его предшественники
Данная унификация преследовала три основные цели:
• моделирование системы, начиная с концепции и заканчивая исполняемым модулем, с применением объектно-ориентированных методик;
• разрешение проблем масштабирования в сложных системах;
• создание языка моделирования, используемого и человеком, и компьютером.
Официальной датой начала работ по UML считают октябрь 1994 года, когда Рамбо перешел в компанию Rational (ныне Rational — одно из подразделений корпорации IBM). Последним стандартом этого языка является версия UML1.3, вышедшая в 1999 году.
 |
|
Средства UML-моделирования
Является ли UML необходимым компонентом RUP? Да, безусловно. Но практика использования UML как средства описания процесса моделирования и разработки программного обеспечения не ограничивается RUP. Как и любой другой язык, UML — это всего только средство. В RUP предусмотрен ряд утилит, позволяющих довольно легко использовать UML, но их набор не ограничивается лишь продуктами IBM/Rational. Ниже приводится далеко не полный список некоторых продуктов, поддерживающих UML:
• Rational Rose (Rational Software, Windows 98/NT/2000/XP, Linux Red Hat 6.2, 7.0, Solaris 2.5.1, 2.6, 7, 8, HP-UX 10.20, 11.0, 11.i);
• Microsoft Visual Studio .NET Enterprise Architect, Microsoft Visio (Microsoft, платформы: Windows 98/NT/2000/XP/Server 2003);
• Describe Enterprise (Embarcadero technologies, платформы: Windows 98/NT/2000/XP);
• семейство продуктов Together (Borland, платформы: Windows 98/NT/2000/XP, Linux, Solaris);
• Bold for Delphi (Borland, платформы: Windows 98/NT/2000/XP);
• MagicDraw (Magic, Inc., платформы: Windows 98/Me/NT/2000/XP, Solaris, OS/2, Linux, HP-UX, AIX, Mac OS);
• QuickUML (ExcelSoftware, платформы: Windows 98/NT/2000/XP) — неплохая утилита для начинающих.
Отметим также некоторые продукты OpenSourse, например ArgoUML, Novosoft UML Library.
Документ, который содержит списки продуктов, поддерживающих UML, компаний-производителей, платформ, а также информацию о примерных ценах продуктов, можно найти по адресу: http://www.objectsbydesign.com/tools/umltools_byCompany.html.
Следует также отметить, что, несмотря на факт существования стандарта UML 1.3, поддерживаемые перечисленными продуктами реализации UML или обладают собственными особенностями, или не полностью следуют стандарту, поэтому при выборе средства моделирования следует обращать внимание на поддерживаемые типы диаграмм и особенности синтаксиса. Кроме того, возможности прямого и обратного проектирования (Round-Trip Engineering) в разных продуктах весьма различны. Не все вышеуказанные продукты могут поддерживать языки программирования Java, C++, CORBA IDL, поэтому следует обращать особое внимание на то, какую модель сможет сгенерировать тот или иной продукт из имеющегося у вас кода, на каком языке может быть получен код из вашей UML-модели и какого она должна быть типа.
Таблица, показывающая, какие диаграммы UML реализованы в том или ином продукте, находится по адресу: http://www.jeckle.de/umltools.htm.
|
|
Для чего применяется UML
UML — прежде всего язык, и, как всякое языковое средство, он предоставляет словарь и правила комбинирования слов в этом словаре. В данном случае словарь и правила фокусируются на концептуальном и физическом представлениях системы. Язык диктует, как создать и прочитать модель, однако не содержит никаких рекомендаций о том, какую модель системы необходимо создать, — это выходит за рамки UML и является прерогативой процесса разработки программного обеспечения. В связи с этим, видимо, UML довольно часто ассоциируют с RUP — одним из возможных процессов, рекомендующих, какие модели, как и когда нужно создавать для успешной разработки продукта.
UML — это язык визуализации. Написание моделей на UML преследует одну простую цель — облегчение процесса передачи информации о системе. За каждым символом UML стоит строго определенная семантика, что позволяет избегать ошибок интерпретации (ответы на вопросы типа «а что имел в виду разработчик Х, когда он описал иерархию классов Y…» и т.п. будут достаточно прозрачны).
UML — это язык спецификаций и точных определений. В этом смысле моделирование на UML означает построение моделей, которые точны, недвусмысленны и полны.
UML — это язык конструирования. UML не является визуальным языком программирования, но модели в терминах UML могут быть отображены на определенный набор объектно-ориентированных языков программирования. UML предоставляет возможности прямого (существующая модель ® новый код) и обратного (существующий код ® новая модель) проектирования. Достаточно часто средства UML-моделирования реализуют отображения UML-моделей в коде на языках Java, C++, CORBA, VB, Smalltalk.
UML — это язык документирования. Процесс разработки программного обеспечения предусматривает не только написание кода, но и создание таких артефактов, как список требований, описание архитектуры, дизайн, исходный код системы, планирование проекта, тесты, набор прототипов, релизы продукта. В зависимости от культуры разработки продукта в той или иной компании степень формализации данных документов существенно различается, варьируясь от строго определенных шаблонов и формата документов до разговоров на произвольную тему по e-mail или лично. Тем не менее все эти артефакты критичны для успешного процесса разработки продукта. UML предоставляет средства отображения требований к системе, построения документации, тестов, моделирования необходимых действий для планирования проекта и для управления поставленными конечному пользователю релизами.
|
|
Элементы языка
Основными элементами UML являются сущности (Thing), отношения (Relationship), диаграммы (Diagram). Сущности являются ключевыми абстракциями языка, отношения связывают сущности вместе, диаграммы группируют коллекции сущностей, которые представляют интерес.
Сущности
Структурные сущности являются существительными языка (рис. 2). К ним относятся:
Рис. 2. Структурные сущности UML
• классы (Class) — это набор объектов, разделяющих одни и те же атрибуты, операции, отношения и семантику. Класс реализует один или несколько интерфейсов и изображается виде прямоугольника, включающего имя класса, имена атрибутов, операций, примечание;
• интерфейсы (Interface) — это набор операций, которые определяют сервис класса или компоненты. Интерфейс графически изображается в виде круга и, как правило, присоединяется к классу или к компоненту, который реализует данный интерфейс;
• кооперации (Collaboration) — определяют взаимодействие и служат для объединения ролей и других элементов, которые взаимодействуют вместе так, что получающееся в результате поведение объекта оказывается большим, чем просто сумма всех элементов. Изображается в виде эллипса с пунктирной границей;
• прецеденты (Use case) — описание набора последовательностей действий, которые выполняются системой и имеют значение для конкретного действующего лица (Actor). Прецеденты изображаются в виде эллипса и используются для структурирования поведенческих сущностей в модели;
• активные классы (Active class) — это классы, чьими экземплярами являются активные объекты, которые владеют процессом или потоком управления и могут инициировать управляющее воздействие. Стереотипами конкретного класса являются процесс (Process) и поток (Thread). Графически такой класс изображается как класс с жирной границей;
• компоненты (Component) — это физически заменяемые части системы, обеспечивающие реализацию ряда интерфейсов. Компонент — это физическое представление таких логических элементов, как классы, интерфейсы и кооперации. Предметная область компонентов относится к реализации. Изображаются компоненты в виде прямоугольника с ярлыками слева и, как правило, имеют только имя и примечание;
• узлы (Node) — физические объекты, которые существуют во время исполнения программы и представляют собой коммуникационный ресурс, обладающий, по крайней мере, памятью, а зачастую и процессором. На узлах могут находиться выполняемые объекты и компоненты. Изображаются узлы в виде куба, имеют имя и примечание.
Данные перечисленных семи типов объектов являются базовыми структурными объектами UML. Существуют также вариации данных объектов, такие как действующие лица (Actor), сигналы (Signal), утилиты (Utility — вид класса), процессы и нити (Process и Thread — виды активного класса), приложения (Application), документы (document), файлы (File), библиотеки (Library), страницы (Page), таблицы (Table).
Поведенческие сущности — это динамические части моделей UML (рис. 3). К ним относятся:
Рис. 3. Поведенческие сущности UML
• взаимодействия (Interaction) — включают набор сообщений, которыми обмениваются указанные объекты с целью достижения указанной цели. Взаимодействие описывается в контексте кооперации и изображается направленной линией, маркируется именем операции сверху;
• автоматы (State machine) — спецификации поведения, представляющие собой последовательности состояний, через которые проходит в течение своей жизни объект, или взаимодействие в ответ на происходящие события (а также ответные действия объекта на эти события). Автомат прикреплен к исходному элементу (классу, кооперации или методу) и служит для определения поведения его экземпляров. Изображается автомат как прямоугольник с закругленными углами.
Группирующие сущности — это организационные составляющие моделей UML. К ним относятся пакеты (Package) — обобщенный механизм для организации элементов в группы. Структурные, поведенческие, группирующие сущности могут быть помещены в пакет. Пакеты являются чисто концептуальными сущностями — в отличие от компонентов, существующих во время исполнения программы. Изображается пакет как папка с ярлыком сверху и, как правило, имеет только имя.
Аннотационные сущности — это пояснительные составляющие моделей UML, к которым относятся примечания (Note) — пояснительные элементы языка (рис. 4). Они содержат текст комментария, изображаются в виде прямоугольника с загнутым уголком страницы.
Рис. 4. Аннотационные сущности UML
Отношения
К базовым отношениям между объектами, которые позволяют строить блоки UML, можно отнести следующие (рис. 5):
Рис. 5. Отношения UML
• зависимость (Dependency) — это семантическое отношение между двумя сущностями, при котором изменение одной из них (независимой сущности) может отразиться на семантике другой (зависимой). Виды зависимостей, которые соответствуют нескольким видам отношений между объектами, перечислены ниже:
- абстракция (Abstraction) — представляет собой изменение уровня абстрактности для некоторого понятия. Как правило, один из элементов, более абстрактный, а второй — более конкретный, хотя возможны ситуации, когда оба элемента являются двумя возможными вариантами понятия, существующими на одном уровне абстракции. К зависимости абстракции относятся следующие стереотипы (в порядке возрастания специфичности отношений): трассировать (Trace), уточнять (Refine), реализовать (есть собственная нотация) и выводить (Derive),
- связывание (Binding) — связывает элемент с шаблоном. Аргументы, необходимые для параметров шаблона, прикреплены к зависимости связывания в виде списка,
- комбинирование (Combination) — соотносит две части описания классификатора (любой элемент модели, описывающий определенные черты структуры и поведения системы), чтобы получить полное описание элемента,
- разрешение (Permission) — зависимость (всегда изображается в виде особого стереотипа), связывающая тот или иной пакет (или класс) с другим пакетом (или классом), которому он предоставляет разрешение использовать свое содержимое. Стереотипами зависимости разрешения являются: быть доступным (Access), быть дружественным (Friend) и импортировать (Import),
- использование (Usage) — описывает ситуацию, когда одному элементу для правильной реализации или функционирования требуется присутствие другого элемента. К стереотипам этого вида зависимости относятся: вызывать (Call), создать экземпляр (Instantiate), параметр (Parameter) и отправить (Send);
• ассоциация (Association) — структурное отношение, описывающее множество связей между объектами классификаторов, где связь (Link) — это соединение между объектами, которое описывает связи между их экземплярами. Ассоциации являются как бы клеем, который связывает систему воедино. Без ассоциаций мы имели бы просто некоторое количество классов, не способных взаимодействовать друг с другом. У ассоциации может быть имя, однако основную информацию об ассоциации следует искать у ее полюсов, где описывается, каким образом каждый объект участвует в ассоциации: у ассоциации есть список, состоящий из двух или более полюсов ассоциации: каждый из них определяет роль, которую играет данный классификатор в этой ассоциации. Один и тот же классификатор может играть несколько ролей, которые не являются взаимозаменяемыми. Каждый полюс ассоциации описывает свойства, применимые к конкретному объекту этой ассоциации, например сколько раз один объект может появляться в связях (множественность). Некоторые свойства (такие как допустимость навигации) применимы только к бинарным ассоциациям, хотя большинство свойств относится и к бинарным, и к n-арным ассоциациям;
• обобщение (Generalization) — это отношение специализации/обобщения, при котором объекты специализированного элемента (потомка — Child) можно подставить вместо объектов обобщенного элемента (родителя, предка — Parent). В случае обобщения классов прямой предок может именоваться суперклассом, а прямой потомок — подклассом;
• реализация (Realization) — отношение между спецификацией и ее программной реализацией; указание на то, что поведение наследуется без структуры.
Мы перечислили четыре основных отношения. В UML также существуют их варианты: уточнение (Refinement), трассировка (Trace), включение (Include), расширение (Extend).
Диаграммы UML
Визуализация представления проектируемой системы с различных точек зрения в UML реализована посредством диаграмм — проекций системы. Диаграмма (Diagram) — это графическое представление множества элементов, которое изображается в виде связного графа с вершинами (сущностями) и ребрами (отношениями).
Чаще всего UML рассматривает систему с пяти взаимосвязанных точек зрения (рис. 6).
Рис. 6. Моделирование архитектуры системы
Представление с точки зрения прецедентов (Use case view) включает пользовательские истории, описывающие систему с точки зрения конечного пользователя, аналитика, тестера. Это представление не определяет структуру программного обеспечения, а существует для передачи общего представления о системе. В UML это отображается посредством диаграмм прецедентов (Use case diagram), динамический аспект представлен в диаграммах взаимодействий (Interaction diagram), состояний (Statechart diagram), активности (Activity diagram).
Представление с точки зрения дизайна (Design view) включает классы, интерфейсы и кооперации, которые формируют словарь задачи и ее решение. Данное представление в первую очередь осуществляет поддержку функциональных требований к системе, значение сервисов, которые система должна предоставить конечному пользователю. В UML это отображается посредством диаграмм классов (Class diagram) и объектов (Object diagram), динамический аспект отображается в диаграммах взаимодействий, состояний, активности.
Представление с точки зрения процессов (Process view) включает нити и процессы, которые формируют параллельную обработку и синхронизацию в системе. Данное представление в первую очередь относится к производительности, масштабируемости и пропускной способности системы. В UML статический и динамический аспекты отображаются теми же диаграммами, что и в Design view, но внимание акцентируется на активных классах, представляющих процессы и нити.
Представление с точки зрения реализации (Implementation view) включает компоненты и файлы, используемые при сборке системы. Подобное представление в первую очередь относится к управлению конфигурациями (Configuration management) релизов продукта. Статический аспект в UML отображен диаграммой компонентов (Component diagram), а динамический — диаграммами взаимодействий, состояний, активности.
Представление с точки зрения внедрения (Deployment view) включает узлы и их взаимодействие — они определяют аппаратную топологию, на которой выполняется программное обеспечение. Это представление в первую очередь относится к распространению, доставке, установке компонентов, из которых строится физическая система. Статический аспект в UML отображается диаграммой внедрения (Deployment diagram), а динамический — диаграммами взаимодействий, состояний, активности.
Ниже приведены определения и примеры диаграмм:
• диаграмма классов (Class diagram) — структурная диаграмма, на которой показано множество классов, интерфейсов, коопераций и отношений между ними (рис. 7);
Рис. 7. Диаграмма классов
• диаграмма объектов (Object diagram) — структурная диаграмма, на которой показано множество объектов и отношений между ними. Ее можно считать особым случаем диаграммы классов. Инструментам моделирования не нужно поддерживать отдельный формат для диаграмм объектов. На них изображены объекты, поэтому диаграмма классов, на которой нет классов, но есть принадлежащие им объекты, может считаться диаграммой объектов;
• диаграмма прецедентов (Use case diagram) — диаграмма поведения, на которой показано множество прецедентов и актеров, а также отношений между ними (рис. 8);
Рис. 8. Диаграмма прецедентов
• диаграммы взаимодействий (Interaction diagram):
- диаграмма последовательностей (Sequence diagram) — диаграмма поведения, на которой показано взаимодействие и подчеркнута временная последовательность событий (рис. 9),
Рис. 9. Диаграмма последовательностей
- диаграмма кооперации (Collaboration diagram) — диаграмма поведения, на которой показано взаимодействие и подчеркнута структурная организация объектов, посылающих и принимающих сообщения (рис. 10);
Рис. 10. Диаграмма кооперации
• диаграмма состояний (Statechart diagram) — диаграмма поведения, на которой показан автомат и подчеркнуто поведение объектов с точки зрения порядка получения событий (рис. 11);
Рис. 11. Диаграмма состояний
• диаграмма активности (Activity diagram) — диаграмма поведения, на которой показан автомат и подчеркнуты переходы потока управления от одной деятельности к другой (рис. 12);
Рис. 12. Диаграмма активности
• диаграмма компонентов (Component diagram) — диаграмма, на которой изображена организация некоторого множества компонентов и зависимости между ними, — относится к статистическому виду системы (рис. 13);
Рис. 13. Диаграмма компонентов
• диаграмма топологии системы (Deployment diagram) — структурная диаграмма, на которой показаны узлы и отношения между ними (рис. 14).
Рис. 14. Диаграмма топологии системы
Продолжение следует.
