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 наследником методов объектно-ориентированного анализа и проектирования, появившихся в конце 1980-х и начале 1990-х годов. Создание UML началось в конце 1994 г., с объединения методов Booch и OMT (Object Modeling Technique) под эгидой компании Rational Software. К концу 1995 г. Гради Буч и Джеймс Рамбо создали первую спецификацию Unified Method, версия 0.8. Тогда же в 1995 г. к ним присоединился создатель метода OOSE (Object-Oriented Software Engineering) Ивар Якобсон. UML является унификацией методов Буча, Рамбо и Якобсона а также суммой передового опыта по разработке ПО:
Разработка UML преследовала следующие цели:
UML широко используется в индустрии ПО. Практически все мировые производители CASE-средств поддерживают UML в своих продуктах. В 1997 году Object Management Group (OMG) приняла стандарт UML 1.1. В 2004 году был пройден следующий важный этап - принят стандарт OMG UML версии 2.0. В настоящее время UML проходит процесс стандартизации ISO, статус международного стандарта пока имеет устаревшая версия UML 1.4 - ISO 19501. UML 2.1.2 является драфтом ISO DIS 19505-2. В марте 2011 года опубликована спецификация бета-версии UML 2.4.
Основные «строительные блоки» UML:
Состав диаграмм UML 1.х:
В UML 2.0 введены новые типы диаграмм, которых ранее не было: диаграммы обзора взаимодействия, временные диаграммы и диаграммы составных структур.
|
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:
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 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.
|
номер : переменная = операция (аргументы): возвращаемое значение
номер : - порядковый номер сообщения;
переменная = - указание, где будет сохранен результат;
операция (аргументы) - какая операция с какими аргументами будет вызвана;
возвращаемое значение - явное указание возвращаемого значения.
|
В примере показано взаимодействие при проверке посещаемости. В начале занятия преподаватель запрашивает у старосты, список присутствующих студентов.
В UML 2.0 диаграммы последовательности могут содержать блоки разных типов:
Также есть возможность указывать найденные сообщения, т. е. сообщения без отправителя.
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.
|
Если необходимо указать итерации во взаимодействии, на коммуникационных диаграммах используют примечания. Например:
Примечание, заключенное в фигурные скобки, предписывает посылать последовательности из четырех сообщений для каждого работника в организации.
|
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.
|
Диаграммы состояний определяют все возможные состояния, в которых может находиться экземпляр некоторого класса, а также процесс смены состояний объекта в результате наступления некоторых событий. Теоретической базой диаграмм состояний являются конечные автоматы, автоматы Мура, автоматы Мили. Автором диаграмм состояний является Дэвид Хэрел.
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 триггером, т. е. наступлением события. приписанного переходу.
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 after5min, at
00-00). 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.
|
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.
Пример перехода по событию вызова:
Когда объект находится в состоянии State1, и из очереди событий (а все они считаются упорядоченными и не совпадающими по времени) извлекается событие вызова операции Ev с аргументами Arg, то диаграмма предписывает сделать следующее:
Пример перехода по событию изменения:
Когда объект находится в состоянии State1, все время проверяется условие Guard. Заметьте, что это не сторожевое условие, это условие, являющееся частью события изменения. Если оно стало истинным, то диаграмма предписывает сделать следующее:
Пример перехода по завершению:
Когда объект находится в состоянии State1, и завершается выполнение деятельности ActDo1, диаграмма предписывает сделать следующее:
Внутри состояния можно отложить событие, для этого используется действие defer, например:
Пусть текущее состояние State1, очередь событий начинается с Ev1, Ev. Событие Ev1 откладывается. По событию Ev срабатывает переход в State2. Событие Ev1 в состоянии State2 не является отложенным, поэтому оно реактивируется (если отложено несколько событий, они активизируются в произвольном порядке). По событию Ev1 срабатывает переход в State1. Без defer событие Ev1 было бы извлечено из очереди и проигнорировано. Заметим, что если бы событие Ev было также отложенным в состоянии State1, то переход по Ev все равно произошел бы, без откладывания. Т. е. откладывать следует лишь те события, которые не приписаны переходам из данного состояния.
Для некоторых состояний (называемых суперсостояниями или композитными состояниями) указывают вложенные подсостояния. Внутри каждого такого состояния могут быть указано начальное и финальные состояния. Также в них может быть указано так называемое историческое состояние, переход в которое означает возврат к предыдущему активному подсостоянию, которое запоминается всякий раз при выходе из суперсостояния.Переход из исторического состояния является условным обозначением, это не переход как таковой, а указание на состояние, куда осуществляется переход в случае, если диаграмма предписывает перейти в историческое состояние, но предыстория пуста. В примере, переходя из состояния C в историческое состояние с пустой предысторией, автомат перейдёт в состояние A2. Если предыстория не пуста, автомат перейдёт либо в A1, либо в A2, в зависимости от предыстории, т. е. обстоятельств при которых возник переход по прерыванию. Выход из композитного состояния относится ко всем подсостояниям (в C можно перейти по событию interrupt из A1 или A2).
Если извне композитного состояния делается переход в подсостояние, то должно быть выполнено сначало действие по входу в композитное состояние, а затем действие по входу в подсостояние. Аналогично переход из подсостояния за границу композитного состояния вызывает сначала выполнение выходных действий подсостояния, а затем выходных действий суперсостояния.
|
|
Для сокращения количества переходов иногда применяют переходные
псевдосостояния (черный кружок). На исходящих из него стрелках не могут быть отмечены события. В примере справа заданы 6 переходов. Каждый обозначается 2мя стрелками. Сторожевые условия
получаются логическим умножением. То есть, имеем 3 перехода из State0 по событию e2:
в State2 со сторожевым условием [b<0 and a<0],
в State3 со сторожевым условием [b<0 and a=5],
в State4 со сторожевым условием [b<0 and a>7].
И 3 перехода из State1 по событию e1:
в State2 со сторожевым условием [b<0 and a<0],
в State3 со сторожевым условием [b<0 and a=5],
в State4 со сторожевым условием [b<0 and a>7].
Переход не может остановиться в переходном псевдосостоянии. Действия, приписанные частям сложного перехода, выполняются последовательно, но части сторожевых условий проверяются сразу. Не рекомендуется использовать на диаграммах переходы более чем 2-3 частей.
|
На переходах из состояния выбора нельзя указывать состояния. Запрещается использовать сложные переходы с 2-мя и более состояниями выбора.
Диаграммы состояний создают лишь для классов, экземпляры которых имеют сложное поведение, т. е. по-разному обрабатывают одни и те же получаемые сообщения в зависимости от своего внутреннего состояния.
|
В UML 2 проведена граница между диаграммами состояний, базирующимися на формализме конечных автоматов, и диаграммами деятельности, основанными на сетях Петри. Основным элементом диаграмм деятельности является узел действия. Каждый такой узел представляет собой элементарную единицу работы (это может быть решение некоторой задачи, которую необходимо выполнить вручную или автоматизированным способом, или выполнение метода класса). Узел действия изображается в виде закругленного прямоугольника с текстовым описанием. Диаграмма деятельности может иметь входной узел, вообще говоря, не один, (в UML 1 должен быть ровно один), определяющий начало потока управления. Финальный узел необязателен. На диаграмме может быть несколько финальных узлов. На диаграмме могут присутствовать объекты и потоки объектов, в тех случаях, если объект используется или изменяется в одном из узлов действий. Поток объектов отмечается сплошной или пунктирной стрелкой от узла действия к объектному узлу или от объектного узла к узлу действия, использующего объект. Ребра (сплошные стрелки) между узлами действий показывают потоки управления или потоки объектов. Узел разветвления (узел принятия решения), а также узел объединения потоков изображается ромбом. Если необходимо показать, что две или более ветвей потока выполняются параллельно, используются «линейки синхронизации» - узлы разделения и узлы слияния (на рисунке - жирные горизонтальные линии).
Диаграммы деятельности можно рассматривать как вольную трактовку формализма сетей Петри. Начальная точка порождает один курсор управления (или маркер) для каждого исходящего перехода. Если переход имеет вес (кратность) больше единицы, то для него порождается столько курсоров, каков его вес. Если для ребра определено событие, то курсор достигает конца ребра только после наступления такого события. Ограничивающее (сторожевое) условие также определяет, возможно ли перемещение курсора по ребру. При попадании курсора в узел действия происходит ожидание курсоров на всех входящих ребрах и лишь потом запускается единица работы. По завершении выполнения работы генерируются курсоры на всех исходящих из узла ребрах.
При попадании в узел разветвления (он имеет один вход и несколько выходов) курсор проходит дальше лишь по тому ребру, для которого выполнено сторожевое условие (вообще говоря, лучше, когда оно одно, если несколько - произвольно выбирается единственное для передачи курсора).
При попадании в узел объединения курсор из любого входа копируется на выходе (единственном). При попадании в узел разделения курсор дублируется на все выходы одновременно (происходит
распараллеливание). Синхронизация обеспечивается узлом слияния, где происходит ожидание курсоров на всех входах, и лишь затем выдается курсор на выходе.
|
Узлы разделения и слияния могут синхронизировать потоки управления с потоками объектов. Например:
Здесь прием возвращаемой позиции заказа на склад синхронизируется с изменением состояния объекта Item, который должен перейти в состояние returned (возвращен). Аналогично, возврат денег по
возвращенному заказу синхронизируется со сменой состояния объекта Item на available (доступен). Обратите внимание, диаграмма с помощью вертикальных линий - «плавательных дорожек»
разделяется на зоны ответственности (заказчик, продажи, бухгалтерия, склад).
Диаграммы компонентов моделируют физический уровень системы. На них изображаются
компоненты ПО и связи между ними. На такой диаграмме обычно выделяют два типа компонентов: исполняемые компоненты и библиотеки кода. Каждый класс модели (или подсистема) преобразуется в
компонент исходного кода. Между отдельными компонентами изображают зависимости, соответствующие зависимостям на этапе компиляции или выполнения программы. В модели системы может быть
несколько диаграмм компонентов, в зависимости от числа подсистем или исполняемых файлов. Каждая подсистема является пакетом компонентов. Диаграммы компонентов применяются теми участниками
проекта, кто отвечает за компиляцию и сборку системы.
Диаграмма размещения отражает физические взаимосвязи между программными и аппаратными компонентами системы. Она является хорошим средством для того, чтобы показать размещение объектов и компонентов в распределенной системе. Ее основные элементы:
• узел (node) - среда выполнения (вычислительный ресурс, изображаемый с закрашенными боковыми гранями) или устройство (дисковая память, контроллеры различных устройств и т.д.);
• соединение (connection) - канал взаимодействия узлов.
Для узла можно задать выполняющиеся на нем процессы.
Диаграмма размещения используется менеджером проекта, пользователями, архитектором системы и эксплуатационным персоналом (системными инженерами), чтобы понять физическое размещение системы и распределение ее отдельных подсистем по вычислительным узлам.
При моделировании встроенных систем диаграмма размещения отображает связи микропроцессоров и устройств в составе системы.
Традиционные средства описания «линейных» языков (т. е. языков состоящих из цепочек символов) - БНФ, регулярные выражения, грамматики - плохо подходят для описания «плоского», т. е. двумерного, языка, каковым является UML. Поэтому для описания UML применяется UML. Описание строится в рамках объектной модели, называемой метамоделью UML. Метамодель UML определяет элементы языка, устанавливает их свойства, структуру и связи. Метамодели используются в разных языках, в OMGсоздано описание общей базы разных метамоделей - метаметамодель, называемое MOF (MetaObject Facility). Таким образом, выстроена иерархия моделей. На самом высоком уровне абстракции M3 находятся элементы MOF. Они являются классами метаклассов - элементов метамодели UML (уровень М2). Метаклассы являются классами элементов моделей систем, создаваемых при разработке ПО (уровень M1). Наконец, объекты, возникающие при запусках систем, образуют уровень M0 - уровень экземпляров времени исполнения. См. рис. на следующей странице.
Метамодель UML состоит из 3-х пакетов: Foundation, описывающего базовые понятия; Behavioral Elements, описывающего элементы для моделирования поведения; и Model Management, определяющего элементы управления моделями.
Элементы управления моделями в UML - это пакеты, подсистемы и модели, т. е. средства для группировки и выстраивания иерархий элементов моделей уровня M1.
Пакет Behavioral Elements состоит из подпакетов: Activity Graphs, описывающего элементы диаграмм деятельности; Collaborations описывающего понятие кооперации; Use Cases - с описаниями диаграмм вариантов использования; StateMachines - с описаниями диаграмм состояний; Common Behavior, определяющего общие понятия поведенческих
|
Пакет Foundation описывает базовые понятия UML. В нём три подпакета: Core, Data Types и Extension Mechamisms. Foundation::Data Types содержит базовые перечислимые типы, такие как перечисление видов ассоциаций (ассоциация, агрегация, композиция), перечисление направлений параметра операции (входной, выходной, смешанный, результат), перечисление областей действия атрибута (экземпляр или класс) и т. п.
Foundation::Core задаёт иерархию элементов UML:
Помимо связей наследования в Foundation::Core определяются структурные связи. Например, комментарий может быть присоединён к любому элементу, элемент-владелец может быть соединён с подчинёнными ему элементами, отношение - соединено со связываемыми им элементами и т. п. Подробнее с содержимым пакета можно ознакомиться в стандарте UML (OMG Unified Modeling Language Superstructure).
Комментарий (или примечание) - элемент UML, содержащий дополнительное текстовое пояснение. На диаграммах комментарий изображается в виде листа с загнутым уголком. Указание на связанный с комментарием элемент дается пунктирной линией.
Механизмы расширения UML предназначены для того, чтобы разработчики могли адаптировать язык моделирования к своим конкретным нуждам, не меняя при этом его основу (метамодель). Наличие
механизмов расширения принципиально отличает UML от других средств моделирования и позволяет расширять его область применения. К механизмам расширения UML относятся: стереотипы; именованные
значения; ограничения.
Стереотип - это дополнительный тип элемента модели, который определяется на основе уже существующего элемента. Стереотипы расширяют нотацию модели. Любой элемент UML может быть расширен стереотипом. На диаграммах стереотип представляется в виде текстовой метки или пиктограммы (см. диаграмму классов выше). На диаграмме классам приписаны стереотипы: <<boundary>> (граничный класс), <<entity>> (класс-сущность) и <<control>> (управляющий класс). Тем самым элемент UML отображает не только класс, но и его ответственность, т. е. роль, которую он играет в системе.
Помимо упомянутых стереотипов, разработчики ПО могут создавать свои собственные наборы стереотипов, формируя тем самым специализированные подмножества UML (например, для описания бизнес-процессов, Web-приложений, баз данных и т.д.). Такие наборы стереотипов UML носят название профилей языка.
|
Ограничение - это условие, накладываемое на элемент диаграммы, имеющее вид текстового выражения на естественном или формальном языке (OCL - Object Constraint Language), которое невозможно или сложно выразить адекватно с помощью нотации UML. Средства OCL не предназначены для описания процессов вычисления выражений, а только лишь фиксируют необходимость выполнения тех или иных условий применительно к отдельным компонентам моделей. Он может быть использован для решения следующих задач:
Подробнее ограничения рассмотрим на следующей лекции.
