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:

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:

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:

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.

Отношения

К базовым отношениям между объектами, которые позволяют строить блоки UML, можно отнести следующие (рис. 5):

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).

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);

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);

диаграммы взаимодействий (Interaction diagram) :

- диаграмма последовательностей (Sequence diagram) — диаграмма поведения, на которой показано взаимодействие и подчеркнута временная последовательность событий (рис. 9),

- диаграмма кооперации (Collaboration diagram) — диаграмма поведения, на которой показано взаимодействие и подчеркнута структурная организация объектов, посылающих и принимающих сообщения (рис. 10);

диаграмма состояний (Statechart diagram) — диаграмма поведения, на которой показан автомат и подчеркнуто поведение объектов с точки зрения порядка получения событий (рис. 11);

диаграмма активности (Activity diagram) — диаграмма поведения, на которой показан автомат и подчеркнуты переходы потока управления от одной деятельности к другой (рис. 12);

диаграмма компонентов (Component diagram) — диаграмма, на которой изображена организация некоторого множества компонентов и зависимости между ними, — относится к статистическому виду системы (рис. 13);

диаграмма топологии системы (Deployment diagram) — структурная диаграмма, на которой показаны узлы и отношения между ними (рис. 14).

Продолжение следует.

Создавать для программы дополнительное визуальное и документальное сопровождение – процесс трудоемкий и утомительный: отнимает много времени и кажется совершенно излишним, если архитектура программного обеспечения проста или является эталонной. Однако на практике программисты далеко не всегда сталкиваются с такими задачами.

Почему не «взлетел» UML

«Сегодня программирование - это не инженерная наука, а прикладная математика. При этом программисты сразу учатся писать код», - уточняет заведующий кафедрой Технологии программирования Университета ИТМО Анатолий Шалыто.

Люди пробовали работать с UML, надеясь, что тот станет своеобразной «серебряной пулей», однако он не приобрел широкой популярности. Исследователи выделяют три главных препятствия, которые помешали массовому распространению диаграмм состояний в качестве общепринятого средства описания алгоритмов и сложных поведений программ.

Во-первых, для описания поведения, кроме диаграмм состояний, предлагалось использовать и другие типы диаграмм, однако правила, определяющие их взаимодействие, не были регламентированы.

«Многие считают, что этот язык слишком объемный, - говорит исследователь и предприниматель Хорди Кабот (Jordi Cabot). - Это связано с большим количеством диаграмм, доступных в UML».

Подобная судьба ожидала и множество других решений, которые, однако, не являются полноценными альтернативами UML. Речь идет о системе условных обозначений для моделирования бизнес-процессов (BPMN), моделях сущность-связь (ERM), диаграммах потоков данных (DFD), диаграммах состояний и др. Как отмечает Крис Фурман (Cris Fuhrman), все это не более, чем инструменты общения.

Переход к автоматам

Автоматное программирование является подходом, способным облегчить процесс формирования спецификации. Во время работы создаются графы, в которых под влиянием внешних или любых других входных воздействий осуществляются переходы между состояниями и формируются выходные «импульсы». Для этого сперва формируется текстовая версия технического задания, в котором заказчик прописывает подробную работу желаемого решения.

После этого объявляются условные обозначения входных и выходных воздействий, источников и приемников информации, а затем рисуется схема. Графы переходов позволяют заказчику лучше понять то, что будет делать программист.

Имея схему связей и диаграмму переходов, с помощью формального преобразования можно построить код, реализующий автомат на языке программирования. После этого спецификации становятся частью проектной документации системы. Проектная документация составляется на естественном языке и обычно содержит постановку задачи, описание структуры и поведения системы, примеры ее использования.

Автоматное описание в ООП

Сопоставление отдельного класса каждому объекту управления приводит к тому, что усилия разработчиков по выделению этих объектов на стадии моделирования не пропадают на этапе реализации. При этом каждый запрос или команда имеет доступ только к строго определенной части вычислительного состояния.

В целом же процесс проектирования системы со сложным поведением можно описать следующим образом:

1. Проведение объектной декомпозиции, когда система разбивается на множество самостоятельных взаимодействующих сущностей.
2. Сопоставление сущностей с классами, определение интерфейсов классов и отношений.
3. Выделение тех сущностей, которые обладают сложным поведением, - именно для их описания будет применяться автоматный подход.
4. Задание набора управляющих состояний для каждой сущности. Запросы и команды сопоставляются с входными и выходными переменными управляющего автомата, а компоненты интерфейса - с его событиями. На их основе строится сам управляющий автомат.
5. Реализация неавтоматизированных классов на выбранном объектно-ориентированном языке. Генерация кода может выполняться как автоматически, так и вручную.

Большинство существующих методов объектно-ориентированного анализа и проектирования (ООАП) включают как язык моделирования, так и описание процесса моделирования. Язык моделирования – это нотация (в основном графическая), которая используется методом для описания проектов.

Нотация представляет собой совокупность графических объектов, которые используются в моделях; она является синтаксисом языка моделирования. Например, нотация диаграммы классов определяет, каким образом представляются такие элементы и понятия, как класс, ассоциация и множественность.

Процесс – это описание шагов, которые необходимо выполнить при разработке проекта.

Унифицированный язык моделирования UML (Unified Modeling Language) – это преемник того поколения методов ООАП, которые появились в конце 80-х и начале 90-х гг.

Язык UML представляет собой общецелевой язык визуального моделирования, который разработан для спецификации, визуализации, проектирования и документирования компонентов программного обеспечения, бизнес-процессов и других систем. Язык UML одновременно является простым и мощным средством моделирования, который может быть эффективно использован для построения концептуальных, логических и графических моделей сложных систем самого различного целевого назначения.

Конструктивное использование языка UML основывается на понимании общих принципов моделирования сложных систем и особенностей процесса объектно-ориентированного проектирования (ООП) в частности. Выбор выразительных средств для построения моделей сложных систем предопределяет те задачи, которые могут быть решены с использованием данных моделей. При этом одним из основных принципов построения моделей сложных систем является принцип абстрагирования, который предписывает включать в модель только те аспекты проектируемой системы, которые имеют непосредственное отношение к выполнению системой своих функций или своего целевого предназначения. При этом все второстепенные детали опускаются, чтобы чрезмерно не усложнять процесс анализа и исследования полученной модели.

Другим принципом построения моделей сложных систем является принцип многомодельности . Этот принцип представляет собой утверждение о том, что никакая единственная модель не может с достаточной степенью адекватности описывать различные аспекты сложной системы. Применительно к методологии ООП это означает, что достаточно полная модель сложной системы допускает некоторое число взаимосвязанных представлений (views), каждое из которых адекватно отражает некоторый аспект поведения или структуры системы. При этом наиболее общими представлениями сложной системы принято считать статическое и динамическое представления, которые в свою очередь могут подразделяться на другие более частные представления.) феномен сложной системы как раз и состоит в том, что никакое ее единственное представление не является достаточным для адекватного выражения всех особенностей моделируемой системы.

Еще одним принципом прикладного системного анализа является принцип иерархического построения моделей сложных систем. Этот принцип предписывает рассматривать процесс построения модели на разных уровнях абстрагирования или детализации в рамках фиксированных представлений. При этом исходная или первоначальная модель сложной системы имеет наиболее общее представление (метапредставление). Такая модель строится на начальном этапе проектирования и может не содержать многих деталей и аспектов моделируемой системы.

Создание UML фактически началось в конце 1994 г., когда Гради Б уч и Джеймс Рамбо начали работу по объединению методов Booch и ОМТ (Object Modeling Technique) под эгидой компании Rational Software. К концу 1995 г. они создали первую спецификацию объединенного метода, названного ими Unified Method, версия 0.8. Тогда же, в 1995 г., к ним присоединился создатель метода OOSE (Object-Oriented Software Engineering) Ивар Якобсон . Таким образом, UML является прямым объединением и унификацией методов Буча, Рамбо и Якобсона , однако дополняет их новыми возможностями.

Главными в разработке UML были следующие цели:

– предоставить пользователям готовый к использованию выразительный язык визуального моделирования, позволяющий разрабатывать осмысленные модели и обмениваться ими;

– предусмотреть механизмы расширяемости и специализации для расширения базовых концепций;

– обеспечить независимость от конкретных языков программирования и процессов разработки;

– обеспечить формальную основу для понимания этого языка моделирования (язык должен быть одновременно точным и доступным для понимания, без лишнего формализма);

– стимулировать рост рынка объектно-ориентированных инструментальных средств;

– интегрировать лучший практический опыт.

Язык UML находится в процессе стандартизации, проводимом OMG (Object Management Group) – организацией по стандартизации в области объектно-ориентированных методов и технологий, в настоящее время принят в качестве стандартного языка моделирования и получил широкую поддержку в индустрии ПО.

Язык UML принят на вооружение практически всеми крупнейшими компаниями – производителями ПО (Microsoft, IBM, Hewlett-Packard, Oracle, Sybase и др.). Кроме того, практически все мировые производители CASE-средств, помимо Rational Software (Rational Rose), поддерживают UML в своих продуктах (Paradigm Plus 3.6, System Architec, Microsoft Visual Modeler for Visual Basic, Delphi, PowerBuilder и др.). Полное описание UML можно найти на сайтах http://www.omg.urg, http://www.rational.com и http://uml.shl.com. Описание UML на русском языке содержится в книге М. Фаулера и К. Скотта, в дальнейшем изложении терминология языка соответствует данному переводу.

Создатели UML представляют его как язык для определения, представления, проектирования и документирования программных систем, организационно-экономических, технических и др.

UML содержит стандартный набор диаграмм и нотаций самых разнообразных видов.

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.

В UML выделяют следующие типы диаграмм:

– диаграммы вариантов использования (usecase diagrams) – для моделирования бизнес-процессов организации (требований к системе);

– диаграммы классов (class diagrams) – для моделирования статической структуры классов системы и связей между ними. На таких диаграммах показывают классы, интерфейсы, объекты и кооперации, а также их отношения. При моделировании объектно-ориентированных систем этот тип диаграмм используют чаще всего. Диаграммы классов соответствуют статическому виду системы с точки зрения проектирования;

– диаграммы поведения системы (behavior diagrams);

– диаграммы взаимодействия (interaction diagrams) – для моделирования процесса обмена сообщениями между объектами. Существуют два вида диаграмм взаимодействия: диаграммы последовательности (sequence diagrams) и кооперативные диаграммы (collaboration diagrams). На диаграммах взаимодействия представлены связи между объектами; показаны, в частности, сообщения, которыми объекты могут обмениваться. Диаграммы взаимодействия относятся к динамическому виду системы. При этом диаграммы последовательности отражают временную упорядоченность сообщений, а диаграммы кооперации – структурную организацию обменивающихся сообщениями объектов. Эти диаграммы являются изоморфными, то есть могут быть преобразованы друг в друга;

– диаграммы состояний (statechart diagrams) – для моделирования поведения объектов системы при переходе из одного состояния в другое. На них представлен автомат, включающий в себя состояния, переходы, события и виды действий. Диаграммы состояний относятся к динамическому виду системы; особенно они важны при моделировании поведения интерфейса, класса или кооперации. Они акцентируют внимание на поведении объекта, зависящем от последовательности событий, что очень полезно для моделирования реактивных систем;

– диаграммы деятельностей (activity diagrams) – для моделирования поведения системы в рамках различных вариантов использования или моделирования деятельностей. Это частный случай диаграммы состояний; на ней представлены переходы потока управления от одной деятельности к другой внутри системы. Диаграммы деятельности относятся к динамическому виду системы; они наиболее важны при моделировании ее функционирования и отражают поток управления между объектами;

– диаграммы реализации (implementation diagrams): диаграммы компонентов (component diagrams) – для моделирования иерархии компонентов (подсистем) системы; диаграммы размещения (deployment diagrams) – для моделирования физической архитектуры системы. На диаграмме компонентов представлена организация совокупности компонентов и существующие между ними зависимости. Диаграммы компонентов относятся к статическому виду системы с точки зрения реализации. Они могут быть соотнесены с диаграммами классов, так как компонент обычно отображается на один или несколько классов, интерфейсов или коопераций.Краткая история UML

Объектно-ориентированные языки моделирования появились в период с середины 70-х до конца 80-х годов, когда исследователи, поставленные перед необходимостью учитывать новые возможности объектно-ориентированных языков программирования и требования, предъявляемые все более сложными приложениями, вынуждены были начать разработку различных альтернативных подходов к анализу и проектированию.

С 1989 по 1994 год число различных объектно-ориентированных методов возросло с десяти более чем до пятидесяти. Тем не менее, многие пользователи испытывали затруднения при выборе языка моделирования, который бы полностью соответствовал их потребностям, что послужило причиной так называемой «войны методов». В результате этих войн появилось новое поколение методов, среди которых особое значение приобрели языки Booch , созданный Грейди Бучем (Grady Booch), OOSE (Object-Oriented Software Engineering), разработанный Айваром Джекобсоном (Ivar Jacobson) и ОМТ (Object Modeling Technique), автором которого является Джеймс Рамбо (James Rumbaugh). Кроме того, следует упомянуть языки Fusion, Шлаера-Меллора (Shlaer-Mellor) и Коада-Йордона (Coad-Yourdon). Каждый из этих методов можно считать вполне целостным и законченным, хотя любой из них имеет не только сильные, но и слабые стороны.

Выразительные возможности метода Буча особенно важны на этапах проектирования и конструирования модели. OOSE великолепно приспособлен для анализа и формулирования требований, а также для высокоуровневого проектирования. ОМТ-2 оказался особенно полезным для анализа и разработки информационных систем, ориентированных на обработку больших объемов данных.

Критическая масса новых идей начала формироваться к середине 90-х годов, когда Грейди Буч (компания Rational Software Corporation), Айвар Джекобсон (Objectory) и Джеймс Рамбо (General Electric) предприняли попытку объединить свои методы, уже получившие мировое признание как наиболее перспективные в данной области. Являясь основными авторами языков Booch, OOSE и ОМТ , партнеры попытались создать новый, унифицированный язык моделирования и руководствовались при этом тремя соображениями.

Во-первых, все три метода, независимо от желания разработчиков, уже развивались во встречном направлении. Разумно было продолжать эту эволюцию вместе, а не по отдельности, что помогло бы в будущем устранить нежелательные различия и, как следствие, неудобства для пользователей.

Во-вторых, унифицировав методы, проще было привнести стабильность на рынок инструментов объектно-ориентированного моделирования, что дало бы возможность положить в основу всех проектов единый зрелый язык, а создателям инструментальных средств позволило бы сосредоточиться на более продуктивной деятельности.

Наконец, следовало полагать, что подобное сотрудничество приведет к усовершенствованию всех трех методов и обеспечит решение задач, для которых любой из них, взятый в отдельности, был не слишком пригоден.

– моделировать системы целиком, от концепции до исполняемого артефакта, с помощью объектно-ориентированных методов;

– решить проблему масштабируемости, которая присуща сложным системам, предназначенным для выполнения ответственных задач;

– создать такой язык моделирования, который может использоваться не только людьми, но и компьютерами.

Изобретение языка для объектно-ориентированного анализа и проектирования не слишком отличается от разработки языка программирования. Во-первых , требовалось ограничить задачу. Следует ли включать в язык возможность спецификации требований? Должен ли язык позволять визуальное программирование? Во-вторых , было необходимо найти точку равновесия между выразительной мощью и простотой. Слишком простой язык ограничил бы круг решаемых с его помощью задач, а слишком сложный мог ошеломить неискушенного разработчика. Кроме того, при объединении существующих методов приходилось учитывать наличие уже разработанных с их помощью продуктов. Внесение слишком большого числа изменений могло бы оттолкнуть уже имевшихся пользователей, а сопротивляясь развитию языка, авторы потеряли бы возможность привлекать новых пользователей и делать язык более простым и удобным для применения. Создавая UML, разработчики старались найти оптимальное решение этих проблем.

Официально создание UML началось в октябре 1994 года , когда Рамбо перешел в компанию Rational Software, где работал Буч. Первоначальной целью было объединение методов Буча и ОМТ. Первая пробная версия 0.8 Унифицированного Метода (Unified Method), как его тогда называли, появилась в октябре 1995 года . Приблизительно в это же время в компанию Rational перешел Джекобсон, и проект UML был расширен с целью включить в него язык OOSE. В результате совместных усилий в июне 1996 года вышла версия 0.9 языка UML . На протяжении всего года создатели занимались сбором отзывов от основных компаний, работающих в области конструирования программного обеспечения. За это время стало ясно, что большинство таких компаний сочло UML языком, имеющим стратегическое значение для их бизнеса. В результате был основан консорциум UML, в который вошли организации, изъявившие желание предоставить ресурсы для работы, направленной на создание полного определения UML.

Версия 1.0 языка появилась в результате совместных усилий компаний Digital Equipment Corporation, Hewlett Packard, I-Logix, Intellicprp, IBM, ICON Computing, MCI Systemhouse, Microsoft, Oracle, Rational, Texas Instruments и Unisys. UML 1.0 оказался хорошо определенным, выразительным, мощным языком, применимым для решения большого количества разнообразных задач. В январе 1997 года он был представлен Группе по управлению объектами (Object Management Group, OMG) на конкурс по созданию стандартного языка моделирования.

Между январем и июнем 1997 года консорциум UML расширился, в него вошли практически все компании, откликнувшиеся на призыв OMG, а именно: Andersen Consulting, Ericsson, ObjecTime Limited, Platinum Technology, Ptech, Reich Technologies, Softeam, Sterling Software и Taskon. Чтобы формализовать спецификации UML и координировать работу с другими группами, занимающимися стандартизацией, под руководством Криса Кобрина (Cris Kobryn) из компании MCI Systemhouse и Эда Эйкхолта (Ed Eykholt) из Rational была организована семантическая группа. Пересмотренная версия UML (1.1) была снова представлена на рассмотрение OMG в июле 1997 года. В сентябре версия была утверждена на заседаниях Группы по анализу и проектированию и Комитета по архитектуре OMG, a 14 ноября 1997 года принята в качестве стандарта на общем собрании всех членов OMG.

Дальнейшая работа по развитию UML проводилась Группой по усовершенствованию (Revision Task Force, RTF) OMG под руководством Криса Кобрина. В июне 1998 года вышла версия UML 1.2, а осенью 1998 – UML 1.3.

Язык моделирования UML

UML (унифицированный язык моделирования) – язык графического описания для объектного моделирования в области разработки программного обеспечения. Он использует графические обозначения для создания модели системы. Данный язык был создан для определения, визуализации, проектирования и документирования программных систем, а также его используют для моделирования бизнес-процессов, системного проектирования.

Описание унифицированного языка моделирования UML

Краткая история UML (Создатели: Грейди Буч , Айвар Джекобсон и Джеймс Рамбо )

Концептуальная модель UML (концептуальную модель включает: основные строительные блоки языка; правила их сочетания; некоторые общие для всего языка механизмы)

Виды диаграмм для моделирования:

Диаграммы вариантов использования (они описывают функциональное назначение системы или то, что система должна делать)

Диаграммы классов (используются для представления статической структуры модели системы в терминологии классов объектно-ориентированного программирования; такие диаграммы могут отражать различные взаимосвязи между отдельными сущностями предметной области, такими как объекты и подсистемы, а также описывать их внутреннюю структуру и типы отношений)

Диаграммы взаимодействия (описывают взаимодействие между объектами в системе и подразделяются на два основных типа диаграмм: диаграммы последовательности и кооперативные диаграммы)

Диаграммы состояний (используется для описания всех возможных состояний одного экземпляра определенного класса и возможные последовательности его переходов из одного состояния в другое, то есть моделирует все изменения состояний объекта как его реакцию на внешние воздействия)

Диаграммы деятельности (применяется для моделирования процесса выполнения операций)

Диаграммы реализации (служат для представления компонентов системы и относятся к ее физической модели)

Диаграммы компонентов (описывает особенности физического представления системы и позволяет определить архитектуру разрабатываемой системы, установив зависимости между программными компонентами, в роли которых может выступать исходный и исполняемый код)

Диаграммы размещения (отражают физические взаимосвязи между программными и аппаратными компонентами системы, а также используются для изображения маршрутов перемещения объектов в распределенной системе)

UML позволяет также разработчикам программного обеспечения достигнуть соглашения в графических обозначениях для представления общих понятий (таких как класс, компонент, обобщение (англ. generalization ), агрегация (англ. aggregation ) и поведение) и больше сконцентрироваться на проектировании и архитектуре.

История

Предпосылки появления языка моделирования UML обозначились в связи с бурным развитием во второй половине XX века объектно-ориентированных языков программирования (Simula 67 , Smalltalk , Objective C , C++ и др). Вследствие непрекращающегося усложнения создаваемых программных продуктов возникла нужда в учёте всё новых и новых возможностей языков и средств разработки при анализе, формулировании требований и в процессе проектирования программных приложений. Например, в короткий промежуток времени с 1989 года по 1994 год количество объектно-ориентированных инструментов выросло с десятка до более, чем полусотни. Однако, многие разработчики затруднялись подобрать язык моделирования, который бы полностью отвечал всем их потребностям. В результате выделилось новое поколение методов разработки, среди, которого особую популярность приобрели метод Буча , созданный Якобсоном Object-Oriented Software Engineering (OOSE ) и разработанный Рамбо (Object Modeling Technique (OMT ). Помимо них существовали и другие завершённые технологии, например Fusion , Shlaer-Mellor и Coad-Yourdon , однако всем из них были присущи не только преимущества, но и существенные недостатки .

До UML 1.x

UML 1.x

На волне растущего интереса к UML к разработке новых версий языка в рамках консорциума UML Partners присоединились такие компании, как Digital Equipment Corporation , Hewlett-Packard , i-Logix, IntelliCorp, IBM , ICON Computing, MCI Systemhouse, Microsoft , Oracle Corporation , Rational Software , Texas Instruments и Unisys . Результатом совместной работы стала спецификация UML 1.0, вышедшая в январе 1997 года . В ноябре того же года за ней последовала версия 1.1, содержавшая улучшения нотации, а также некоторые расширения семантики.

Последующие релизы UML включали версии 1.3, 1.4 и 1.5, опубликованные, соответственно, в июне , сентябре и марте 2003 года .

UML 1.4.2 принят в качестве международного стандарта ISO /IEC 19501:2005 .

UML 2.x

Формальная спецификация версии UML 2.0 опубликована в августе 2005 года. Семантика языка была значительно уточнена и расширена для поддержки методологии Model Driven Development - MDD . Последняя версия UML 2.5 опубликована в июне 2015 года.

UML 2.4.1 принят в качестве международного стандарта ISO /IEC 19505-1, 19505-2 .

Диаграммы

В UML используются следующие виды диаграмм (для исключения неоднозначности приведены также обозначения на английском языке):

достаточно было добавить новый компонент, что несколько проще.

При использовании второго варианта нам в двух разных сценариях, помимо добавления нового компонента, потребовалось изменить компонент, обрабатывающий буквы.

Таблица 6. Итоги оценки двух вариантов архитектуры индексатора.

+ обозначает возможность не изменять компонент, - - необходимость изменения компонента,

* - необходимость добавления одного компонента

6. В целом первая архитектура на предложенных сценариях выглядит лучше второй. Единственный ее недостаток - отсутствие возможности инкрементально поставлять данные на вход компонентам. Если его устранить, сделав компоненты способными потреблять данные постепенно, эта архитектура станет почти идеальным вариантом, поскольку она легко расширяется - для решения многих дополнительных задач потребуется только добавлять компоненты в общий конвейер.

Вторая архитектура, несмотря на выигрыш в инкрементальности, проигрывает в целом. Основная ее проблема - слишком специфически построенный компонент-обработчик букв. Необходимость изменить его в нескольких сценариях показывает, что нужно объединить обработчик букв и обработчик конца слов в единый компонент, выдающий слова целиком, после чего полученная архитектура не будет ничем уступать исправленной первой.

UML. Виды диаграмм UML

Для представления архитектуры, а точнее - различных входящих в нее структур, удобно использовать графические языки. На настоящий момент наиболее проработанным и наиболее широко используемым из них является унифицированный язык моделирования (Unified Modeling Language, UML) , хотя достаточно часто архитектуру системы описывают просто набором именованных прямоугольников, соединенных линиями и стрелками, которые представляют возможные связи.

UML предлагает использовать для описания архитектуры 8 видов диаграмм. 9-й вид UML диаграмм, диаграммы вариантов использования (см. Лекцию 4), не относится к архитектурным представлениям. Кроме того, и другие виды диаграмм можно использовать для описания внутренней структуры компонентов или сценариев действий пользователей и прочих элементов, к архитектуре часто не относящихся. В этом курсе мы не будем разбирать диаграммы UML в деталях, а ограничимся обзором их основных элементов, необходимым для общего понимания смысла того, что изображено на таких диаграммах.

Диаграммы UML делятся на две группы - статические идинамические диаграммы .

Статические диаграммы

Статические диаграммы представляют либо постоянно присутствующие в системе сущности и связи между ними, либо суммарную информацию о сущностях и связях, либо сущности и связи, существующие в какой-то определенный момент времени. Они не показывают способов поведения этих сущностей. К этому типу относятсядиаграммы классов ,объектов ,компонентов идиаграммы развертывания .

Диаграммы классов (class diagrams ) показываютклассы илитипы сущностей системы, характеристики классов (поля иоперации ) и возможные связи между ними. Пример диаграммы классов изображен на Рис. 31.

Классы представляются прямоугольниками, поделенными на три части. В верхней части показывают имя класса, в средней - набор его полей, с именами, типами, модификаторами доступа (public ‘+’,protected ‘#’,private ‘-’) и начальными значениями, в нижней - набор операций класса. Для каждой операции показывается ее модификатор доступа и

сигнатура.

На Рис. 31 изображены классы Account, Person, Organization, Address, CreditAccountи

абстрактный класс Client .

Класс CreditAccount имеетprivate полеmaximumCredit типаdouble , а такжеpublic методgetCredit() иprotected методsetCredit() .

Интерфейсы , т.е. типы, имеющие только набор операций и не определяющие способов их реализации, часто показываются в виде небольших кружков, хотя могут изображаться и как обычные классы. На Рис. 31 представлен интерфейсAccountInterface .

Рисунок 31. Диаграмма классов.

Наиболее часто используется три вида связей между классами - связи по композиции, ссылки, связи по наследованию и реализации.

Композиция описывает ситуацию, в которой объекты классаA включают в себя объекты классаB , причем последние не могут разделяться (объект классаB , являющийся частью объекта классаA , не может являться частью другого объекта классаA ) и существуют только в рамках объемлющих объектов (уничтожаются при уничтожении объемлющего объекта).

Композицией на Рис. 31 является связь между классами Organization иAddress .

Ссылочная связь (илислабая агрегация ) обозначает, что объект некоторого классаA имеет в качестве поля ссылку на объект другого (или того же самого) классаB , причем ссылки на один и тот же объект классаB могут иметься в нескольких объектах классаA .

И композиция, и ссылочная связь изображаются стрелками, ведущими от класса A к классуB . Композиция дополнительно имеет закрашенный ромбик у начала этой стрелки. Двусторонние ссылочные связи, обозначающие, что объекты могут иметь ссылки друг на друга, показываются линиями без стрелок. Такая связь показана на Рис. 31 между классами

Account и Client.

Эти связи могут иметь описание множественности , показывающее, сколько объектов классаB может быть связано с одним объектом классаA . Оно изображается в виде текстовой метки около конца стрелки, содержащей точное число или нижние и верхние границы, причем бесконечность изображается звездочкой или буквой n. Для двусторонних

связей множественности могут показываться с обеих сторон. На Рис. 31 множественности, изображенные для связи между классами Account иClient , обозначают, что один клиент может иметь много счетов, а может и не иметь ни одного, и счет всегда привязан ровно к одному клиенту.

Наследование классов изображается стрелкой с пустым наконечником, ведущей от наследника к предку. На Рис. 31 классCreditAccount наследует классуAccount , а классы

Person и Organization- классу Client.

Реализация интерфейсов показывается в виде пунктирной стрелки с пустым наконечником, ведущей от класса к реализуемому им интерфейсу, если тот показан в виде прямоугольника. Если же интерфейс изображен в виде кружка, то связь по реализации показывается обычной сплошной линией (в этом случае неоднозначности в ее толковании не возникает). Такая связь изображена на Рис. 31 между классомAccount и интерфейсом

AccountInterface.

Один класс использует другой, если этот другой класс является типом параметра или результата операции первого класса. Иногда связи по использованию показываются в виде пунктирных стрелок. Пример такой связи между классомPerson и перечислимым типомAddressKind можно видеть на Рис. 31.

Ссылочные связи, реализованные в виде ассоциативных массивов или отображений (map)

Такая связь в зависимости от некоторого набора ключей определяет набор ссылокзначений - показываются при помощи стрелок, имеющих прямоугольник с перечислением типов и имен ключей, примыкающий к изображению класса, от которого идет стрелка. Множественность на конце стрелки при этом обозначает количество ссылок, соответствующее одному набору значений ключей.

На Рис. 31 такая связь ведет от класса Person к классуAddress , показывая, что объект классаPerson может иметь один адрес для каждого значения ключаkind , т.е. один домашний и один рабочий адреса.

Диаграммы классов используются чаще других видов диаграмм.

Диаграммы объектов (object diagrams ) показывают часть объектов системы и связи между ними в некотором конкретном состоянии или суммарно, за некоторый интервал времени. Объекты изображаются прямоугольниками с идентификаторами ролей объектов (в контексте тех состояний, которые изображены на диаграмме) и типами. Однородные коллекции объектов могут изображаться накладывающимися друг на друга прямоугольниками.

Такие диаграммы используются довольно редко.

Рисунок 32. Диаграмма объектов.

Диаграммы компонентов (component diagrams) представляют компоненты в нескольких смыслах - атомарные составляющие системы с точки зрения ее сборки, конфигурационного управления и развертывания. Компоненты сборки и конфигурационного управления обычно представляют собой файлы с исходным кодом, динамически подгружаемые библиотеки, HTML-странички и пр., компоненты развертывания - это компоненты JavaBeans, CORBA, COM и т.д. Подробнее о таких компонентах см. Лекцию 12.

Компонент изображается в виде прямоугольника с несколькими прямоугольными или другой формы «зубами» на левой стороне.

Связи, показывающие зависимости между компонентами, изображаются пунктирными стрелками. Один компонент зависит от другого, если он не может быть использован в отсутствии этого другого компонента в конфигурации системы. Компоненты могут также реализовывать интерфейсы.

Диаграммы этого вида используются редко.

Рисунок 33. Диаграмма компонентов.

На диаграмме компонентов, изображенной на Рис. 33, можно также увидеть пакеты , изображаемые в виде «папок», точнее - прямоугольников с прямоугольными «наростами» над левым верхним углом. Пакеты являются пространствами имен и средством группировки диаграмм и других модельных элементов UML - классов, компонентов и пр. Они могут появляться на диаграммах классов и компонентов для указания зависимостей между ними и отдельными классами и компонентами. Иногда на такой диаграмме могут присутствовать только пакеты с зависимостями между ними.

Диаграммы развертывания (deployment diagrams) показывают декомпозицию системы на физические устройства различных видов - серверы, рабочие станции, терминалы, принтеры, маршрутизаторы и пр. - и связи между ними, представленные различного рода сетевыми и индивидуальными соединениями.

Физические устройства, называемые узлами системы (nodes ), изображаются в виде кубов или параллелепипедов, а физические соединения между ними - в виде линий.

На диаграммах развертывания может быть показана привязка (в некоторый момент времени или постоянная) компонентов развертывания системы к физическим устройствам

Например, для указания того, что компонент EJB AccountEJB исполняется на сервере приложений, а аплет AccountInfoEditor - на рабочей станции оператора банка.

Рисунок 34. Диаграмма развертывания.