Общая характеристика языка UML. UML-диаграмма. Виды диаграмм UML

12.12.2023

UML-диаграмма - это специализированный язык графического описания, предназначенный для объектного моделирования в сфере разработки различного программного обеспечения. Данный язык имеет широкий профиль и представляет собой открытый стандарт, в котором используются различные графические обозначения, чтобы создать абстрактную модель системы. UML создавался для того, чтобы обеспечить определение, визуализацию, документирование, а также проектирование всевозможных программных систем. Стоит отметить, что сама по себе UML-диаграмма не представляет собой язык программирования, но при этом предусматривается возможность генерации на ее основе отдельного кода.

Зачем она нужна?

Применение UML не заканчивается на моделировании всевозможного ПО. Также данный язык активно сегодня используется для моделирования различных бизнес-процессов, ведения системного проектирования, а также отображения организационных структур.

С помощью UML разработчики программного обеспечения могут обеспечить полное соглашение в используемых графических обозначениях, чтобы представить общие понятия, такие как: компонент, обобщение, класс, поведение и агрегация. За счет этого достигается большая степень концентрации на архитектуре и проектировании.

Также стоит отметить, что есть несколько видов таких диаграмм.

Диаграмма классов

Диаграмма классов UML представляет собой статическую структурную диаграмму, предназначенную для описания структуры системы, а также демонстрации атрибутов, методов и зависимостей между несколькими различными классами.

Стоит отметить тот факт, что есть несколько точек зрения на построение таких диаграмм в зависимости от того, каким образом они будут использоваться:

Концептуальная. В данном случае диаграмма классов UML осуществляет описание модели определенной предметной области, и в ней предусматриваются только классы прикладных объектов.
Специфическая. Диаграмма используется в процессе проектирования различных информационных систем.
Реализационная. Диаграмма классов включает в себя всевозможные классы, которые непосредственно используются в программном коде.

Диаграмма компонентов

Диаграмма компонентов UML представляет собой полностью статическую структурную диаграмму. Предназначается она для того, чтобы продемонстрировать разбиение определенной программной системы на разнообразные структурные компоненты, а также связи между ними. Диаграмма компонентов UML в качестве таковых может использовать всевозможные модели, библиотеки, файлы, пакеты, исполняемые файлы и еще множество других элементов.

Диаграмма композитной/составной структуры

UML диаграмма композитной/составной структуры также является статической структурной диаграммой, но используется она для того, чтобы показать внутреннюю структуру классов. По возможности данная диаграмма может продемонстрировать также взаимодействие элементов, находящихся во внутренней структуре класса.

Подвидом их является UML-диаграмма кооперации, которая используется для демонстрации ролей, а также взаимодействия различных классов в границах кооперации. Они являются достаточно удобными в том случае, если нужно моделировать шаблоны проектирования.

Стоит отметить, что одновременно могут использоваться виды диаграмм UML классов и композитной структуры.

Диаграмма развертывания

Данная диаграмма используется для того, чтобы моделировать работающие узлы, а также всевозможные артефакты, которые на них были развернуты. В UML 2 на различных узлах осуществляется разворачивание артефактов, в то время как в первой версии разворачивались исключительно компоненты. Таким образом, диаграмма развертывания UML используется преимущественно ко второй версии.

Между артефактом и тем компонентом, который он реализует, формируется зависимость манифестации.

Диаграмма объектов

Данный вид позволяет увидеть полноценный или же частичный снимок создаваемой системы в определенный момент времени. На ней полностью отображаются все экземпляры классов конкретной системы с указанием текущих значений их параметров, а также связей между ними.

Диаграмма пакетов

Эта диаграмма носит структурный характер, и основным ее содержанием являются всевозможные пакеты, а также отношения между ними. В данном случае нет никакого жесткого разделения между несколькими структурными диаграммами, вследствие чего их использование чаще всего встречается исключительно для удобства, и никакого семантического значения в себе не несет. Стоит отметить, что различные элементы могут предоставлять другие UML диаграммы (примеры: пакеты и сами диаграммы пакетов).

Их использование осуществляется для того, чтобы обеспечить организацию нескольких элементов в группы по определенному признаку, чтобы упростить структуру, а также организовать работу с моделью данной системы.

Диаграмма деятельности

Диаграмма деятельности UML отображает разложение определенной деятельности на несколько составных частей. В данном случае понятием «деятельность» называется спецификация определенного исполняемого поведения в виде параллельного, а также координированного последовательного выполнения различных подчиненных элементов - вложенных типов деятельности и различных действий, объединенных потоками, идущими от выходов определенного узла к входам другого.

Диаграмма деятельности UML достаточно часто используются для того, чтобы моделировать различные бизнес-процессы, параллельные и последовательные вычисления. Помимо всего прочего ими моделируются всевозможные технологические процедуры.

Диаграмма автомата

Этот вид называется и несколько иначе - диаграмма состояний UML. Имеет представленный конечный автомат с простыми и композитными состояниями, а также переходами.

Конечный автомат представляет собой спецификацию последовательности различных состояний, через которые проходит определенный объект, или же взаимодействие в ответ на некоторые события своей жизни, а также ответные действия объекта на такие события. Конечный автомат, который использует диаграмма состояний UML, закрепляется за исходным элементом и используется для того, чтобы определить поведение его экземпляров.

В качестве аналогов таких диаграмм могут использоваться так называемые дракон-схемы.

Диаграммы сценариев использования

Диаграмма вариантов использования UML отображает на себе все отношения, которые возникают между актерами, а также различными вариантами использования. Главная ее задача - осуществлять собой полноценное средство, при помощи которого заказчик, конечный пользователь или же какой-нибудь разработчик сможет совместно обсуждать поведение и функциональность определенной системы.

Если диаграмма вариантов использования UML используется в процессе моделирования системы, то аналитик собирается:

Четко отделить моделируемую систему от ее окружения.
Выявить действующих лиц, пути их взаимодействия с данной системой, а также ожидаемый ее функционал.
Установить в глоссарии в качестве предметной области различные понятия, которые относятся к подробному описанию функционала данной системы.

Если разрабатывается в UML диаграмма использования, процедура начинается с текстового описания, которое получается при работе с заказчиком. При этом стоит отметить тот факт, что различные нефункциональные требования в процессе составления модели прецедентов полностью опускаются, и для них уже будет формироваться отдельный документ.

Коммуникации

Диаграмма коммуникации точно так же, как и диаграмма последовательности UML, является транзитивной, то есть выражает в себе взаимодействие, но при этом демонстрирует его разными способами, и при необходимости с нужной степенью точности можно преобразовать одну в другую.

Диаграмма коммуникации отображает в себе взаимодействия, которые происходят между различными элементами композитной структуры, а также ролями кооперации. Главным отличием ее от диаграммы последовательности является то, что на ней достаточно явно указываются отношения между несколькими элементами, а время не используется в качестве отдельного измерения.

Данный тип отличается абсолютно свободным форматом упорядочивания нескольких объектов и связей точно так же, как это осуществляется в диаграмме объектов. Если есть необходимость в том, чтобы поддерживать порядок сообщений при этом свободном формате, осуществляется их хронологическая нумерация. Чтение данной диаграммы начинается с изначального сообщения 1.0, и впоследствии продолжается по тому направлению, по которому осуществляется передача сообщений от одного объекта к другому.

В большинстве своем такие диаграммы демонстрируют точно такую же информацию, которую предоставляет нам диаграмма последовательности, однако из-за того, что здесь используется другой способ представления информации, определенные вещи на одной диаграмме становится гораздо проще определить, чем на другой. Также стоит отметить, что диаграмма коммуникаций более наглядно показывает, с какими элементами вступает во взаимодействие каждый отдельный элемент, в то время как диаграмма последовательности более ясно показывает, в каком порядке осуществляются взаимодействия.

Диаграмма последовательности

Диаграмма последовательности UML демонстрирует взаимодействия между несколькими объектами, которые упорядочиваются в соответствии с временем их проявления. На такой диаграмме отображается упорядоченное во времени взаимодействие между несколькими объектами. В частности, на ней отображаются все объекты, которые принимают участие во взаимодействии, а также полная последовательность обмениваемых ими сообщений.

Главными элементами в данном случае выступают обозначения различных объектов, а также вертикальные линии, отображающие течение времени и прямоугольники, предоставляющие деятельность определенного объекта или же выполнение им какой-либо функции.

Диаграмма сотрудничества

Данный тип диаграмм позволяет продемонстрировать взаимодействия между несколькими объектами, абстрагируясь от последовательности трансляции сообщений. Данный тип диаграмм в компактном виде отображает в себе абсолютно все передаваемые и принимаемые сообщения определенного объекта, а также форматы этих сообщений.

По причине того, что диаграммы последовательности и коммуникации представляют собой просто-напросто разный взгляд на одни и те же процедуры, Rational Rose предоставляет возможность создавать из диаграммы последовательности коммуникационную или же наоборот, а также осуществляет полностью автоматическую их синхронизацию.

Диаграммы обзора взаимодействия

Это диаграммы языка UML, которые относятся к разновидности диаграмм деятельности и включают в себя одновременно элементы Sequence и конструкции потока управления.

Стоит отметить тот факт, что данный формат объединяет в себе Collaboration и Sequence diagram, которые предоставляют возможность с разных точек зрения рассматривать взаимодействие между несколькими объектами в формируемой системе.

Диаграмма синхронизации

Представляет собой альтернативный вариант диаграммы последовательности, который явным образом демонстрирует изменение состояния на линии жизни с определенной шкалой времени. Может быть достаточно полезной в различных приложениях реального времени.

В чем преимущества?

Стоит отметить несколько преимуществ, которыми отличается UML диаграмма пользования и другие:

Язык является объектно-ориентированным, вследствие чего технологии описания результатов проведенного анализа и проектирования являются семантически близкими к методам программирования на всевозможных объектно-ориентированных языках современного типа.
При помощи данного языка система может быть описана практически с любых возможных точек зрения, и точно так же описываются различные аспекты ее поведения.
Все диаграммы являются сравнительно простыми для чтения даже после относительно быстрого ознакомления с его синтаксисом.
UML позволяет расширить, а также вводить собственные графические и текстовые стереотипы, что способствует его использованию не только в программной инженерии.
Язык получил достаточно широкое распространение, а также довольно активно развивается.

Недостатки

Несмотря на то что построение UML-диаграмм отличается массой своих плюсов, довольно часто их и критикуют за следующие недостатки:

Избыточность. В преимущественном большинстве случаев критики говорят о том, что UML является слишком большим и сложным, и зачастую это неоправданно. В него входит достаточно много избыточных или же практически бесполезных конструкций и диаграмм, причем наиболее часто подобная критика идет в адрес второй версии, а не первой, потому что в более новых ревизиях присутствует большее количество компромиссов «разработанных комитетом».
Различные неточности в семантике. По той причине, что UML определяется комбинацией себя, английского и OCL, у него отсутствует скованность, которая является присущей для языков, точно определенных техникой формального описания. В определенных ситуациях абстрактный синтаксис OCL, UML и английский начинают друг другу противоречить, в то время как в других случаях они являются неполными. Неточность описания самого языка одинаково отражается как на пользователях, так и на поставщиках инструментов, что в конечном итоге приводит к несовместимости инструментов из-за уникального способа трактовки различных спецификаций.
Проблемы в процессе внедрения и изучения. Все указанные выше проблемы создают определенные сложности в процессе внедрения и изучения UML, и в особенности это касается тех случаев, когда руководство заставляет инженеров насильно его использовать, в то время как у них отсутствуют предварительные навыки.
Код отражает код. Еще одним мнением является то, что важность имеют не красивые и привлекательные модели, а непосредственно рабочие системы, то есть код и есть проект. В соответствии с данным мнением есть потребность в том, чтобы разработать более эффективный способ написания программного обеспечения. UML принято ценить при подходах, компилирующих модели для регенерирования выполнимого или же исходного кода. Но на самом деле этого может быть недостаточно, потому что в данном языке отсутствуют свойства полноты по Тьюрингу, и каждый сгенерированный код в конечном итоге будет ограничиваться тем, что может предположить или же определить интерпретирующий UML инструмент.
Рассогласование нагрузки. Данный термин происходит из теории системного анализа для определения неспособности входа определенной системы воспринять выход иной. Как в любых стандартных системах обозначений, UML может представлять одни системы в более эффективном и кратком виде по сравнению с другими. Таким образом, разработчик больше склоняется к тем решениям, которые являются более комфортными для переплетения всех сильных сторон UML, а также других языков программирования. Данная проблема является более очевидной в том случае, если язык разработки не соответствует основным принципам объектно-ориентированной ортодоксальной доктрины, то есть не старается работать в соответствии с принципами ООП.
Пытается быть универсальным. UML представляет собой язык моделирования общего назначения, который старается обеспечить совместимость с любым существующим на сегодняшний день языком обработки. В контексте определенного проекта, для того, чтобы команда проектировщиков смогла добиться конечной цели, нужно выбирать применимые возможности этого языка. Помимо этого возможные пути ограничения сферы использования UML в какой-то определенной области проходят через формализм, который является не полностью сформулированным, а который сам представляет собой объект критики.

Таким образом, использование данного языка является актуальным далеко не во всех ситуациях.

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)

Все диаграммы UML можно условно разбить на две группы, первая из которых ‒ общие диаграммы. Общие диаграммы практически не зависят от предмета моделирования и могут применяться в любом программном проекте без оглядки на предметную область, область решений и т.д.

1.5.1. Диаграмма использования

Диаграмма использования (use case diagram) ‒ это наиболее общее представление функционального назначения системы.

Диаграмма использования призвана ответить на главный вопрос моделирования: что делает система во внешнем мире?

На диаграмме использования применяются два типа основных сущностей: варианты использования 1 и действующие лица 2 , между которыми устанавливаются следующие основные типы отношений:

ассоциация между действующим лицом и вариантом использования 3 ;
обобщение между действующими лицами 4 ;
обобщение между вариантами использования 5 ;
зависимости (различных типов) между вариантами использования 6 .

На диаграмме использования, как и на любой другой, могут присутствовать комментарии 7 . Более того, это настоятельно рекомендуется делать для улучшения читаемости диаграмм.

Основные элементы нотации, применяемые на диаграмме использования, показаны ниже. Детальное описание приведено в разделе 2.2 .

1.5.2. Диаграмма классов

Диаграмма классов (class diagram) ‒ основной способ описания структуры системы.

Это не удивительно, поскольку UML в первую очередь объектно-ориентированный язык, и классы являются основным (если не единственным) "строительным материалом".

На диаграмме классов применяется один основной тип сущностей: классы 1 (включая многочисленные частные случаи классов: интерфейсы, примитивные типы, классы-ассоциации и многие другие), между которыми устанавливаются следующие основные типы отношений:

ассоциация между классами 2 (с множеством дополнительных подробностей);
обобщение между классами 3 ;
зависимости (различных типов) между классами 4 и между классами и интерфейсами.

Некоторые элементы нотации, применяемые на диаграмме классов, показаны ниже. Детальное описание приведено в главе 3 .

1.5.3. Диаграмма автомата

Диаграмма автомата (state machine diagram) ‒ это один из способов детального описания поведения в UML на основе явного выделения состояний и описания переходов между состояниями.

В сущности, диаграммы автомата, как это следует из названия, представляют собой граф переходов состояний (см. главу 4), нагруженный множеством дополнительных деталей и подробностей.

На диаграмме автомата применяют один основной тип сущностей ‒ состояния 1 , и один тип отношений ‒ переходы 2 , но и для тех и для других определено множество разновидностей, специальных случаев и дополнительных обозначений. Перечислять их все во вступительном обзоре не имеет смысла.

Детальное описание всех вариаций диаграмм автомата приведено в разделе 4.2 , а на следующем рисунке показаны только основные элементы нотации, применяемые на диаграмме автомата.

1.5.4. Диаграмма деятельности

Диаграмма деятельности (activity diagram) ‒ способ описания поведения на основе указания потоков управления и потоков данных.

Диаграмма деятельности ‒ еще один способ описания поведения, который визуально напоминает старую добрую блок-схему алгоритма. Однако за счет модернизированных обозначений, согласованных с объектно-ориентированным подходом, а главное, за счет новой семантической составляющей (свободная интерпретация сетей Петри), диаграмма деятельности UML является мощным средством для описания поведения системы.

На диаграмме деятельности применяют один основной тип сущностей ‒ действие 1 , и один тип отношений ‒ переходы 2 (передачи управления и данных). Также используются такие конструкции как развилки, слияния, соединения, ветвления 3 , которые похожи на сущности, но таковыми на самом деле не являются, а представляют собой графический способ изображения некоторых частных случаев многоместных отношений. Семантика элементов диаграмм деятельности подробно разобрана в главе 4 . Основные элементы нотации, применяемые на диаграмме деятельности, показаны ниже.

1.5.5. Диаграмма последовательности

Диаграмма последовательности (sequence diagram) ‒ это способ описания поведения системы на основе указания последовательности передаваемых сообщений.

Фактически, диаграмма последовательности ‒ это запись протокола конкретного сеанса работы системы (или фрагмента такого протокола). В объектно-ориентированном программировании самым существенным во время выполнения является пересылка сообщений между взаимодействующими объектами. Именно последовательность посылок сообщений отображается на данной диаграмме, отсюда и название.

На диаграмме последовательности применяют один основной тип сущностей ‒ экземпляры взаимодействующих классификаторов 1 (в основном классов, компонентов и действующих лиц), и один тип отношений ‒ связи 2 , по которым происходит обмен сообщениями 3 . Предусмотрено несколько способов посылки сообщений, которые в графической нотации различаются видом стрелки, соответствующей отношению.

Важным аспектом диаграммы последовательности является явное отображение течения времени. В отличие от других типов диаграмм, кроме разве что диаграмм синхронизации, на диаграмме последовательности имеет значение не только наличие графических связей между элементами, но и взаимное расположение элементов на диаграмме. А именно, считается, что имеется (невидимая) ось времени, по умолчанию направленная сверху вниз, и то сообщение, которое отправлено позже, нарисовано ниже.

Ось времени может быть направлена горизонтально, в этом случае считается, что время течет слева направо.

На следующем рисунке показаны основные элементы нотации, применяемые на диаграмме последовательности. Для обозначения самих взаимодействующих объектов применяется стандартная нотация ‒ прямоугольник с именем экземпляра классификатора. Пунктирная линия, выходящая из него, называется линией жизни (lifeline) 4 . Это не обозначение отношения в модели, а графический комментарий, призванный направить взгляд читателя диаграммы в правильном направлении. Фигуры в виде узких полосок, наложенных на линию жизни, также не являются изображениями моделируемых сущностей. Это графический комментарий, показывающий отрезки времени, в течении которых объект владеет потоком управления (execution occurrence) 5 или другими словами имеет место активация (activation) объекта. Составные шаги взаимодействия(combined fragment) 6 позволяют на диаграмме последовательности, отражать и алгоритмические аспекты протокола взаимодействия. Прочие детали нотации диаграммы последовательностей см. в главе 4 .

1.5.6. Диаграмма коммуникации

Диаграмма коммуникации (communication diagram) ‒ способ описания поведения, семантически эквивалентный диаграмме последовательности.

Фактически, это такое же описание последовательности обмена сообщениями взаимодействующих экземпляров классификаторов, только выраженное другими графическими средствами. Более того, большинство инструментов умеет автоматически преобразовывать диаграммы последовательности в диаграммы коммуникации и обратно.

Таким образом, на диаграмме коммуникации также как и на диаграмме последовательности применяют один основной тип сущностей ‒ экземпляры взаимодействующих классификаторов 1 и один тип отношений ‒ связи 2 . Однако здесь акцент делается не на времени, а на структуре связей между конкретными экземплярами.

На рисунке показаны основные элементы нотации, применяемые на диаграмме коммуникации. Для обозначения самих взаимодействующих объектов применяется стандартная нотация ‒ прямоугольник с именем экземпляра классификатора. Взаимное положение элементов на диаграмме кооперации не имеет значения ‒ важны только связи (чаще всего экземпляры ассоциаций), вдоль которых передаются сообщения 3 . Для отображения упорядоченности сообщений во времени применяется иерархическая десятичная нумерация.

1.5.7. Диаграмма компонентов

Диаграмма компонентов (component diagram) ‒ показывает взаимосвязи между модулями (логическими или физическими), из которых состоит моделируемая система.

Основной тип сущностей на диаграмме компонентов ‒ это сами компоненты 1 , а также интерфейсы 2 , посредством которых указывается взаимосвязь между компонентами. На диаграмме компонентов применяются следующие отношения:

реализации между компонентами и интерфейсами (компонент реализует интерфейс);
зависимости между компонентами и интерфейсами (компонент использует интерфейс) 3 .

На рисунке показаны основные элементы нотации, применяемые на диаграмме компонентов. Детальное описание приведено в главе 3 .

1.5.8. Диаграмма размещения

Диаграмма размещения (deployment diagram) наряду с отображением состава и связей элементов системы показывает, как они физически размещены на вычислительных ресурсах во время выполнения.

Таким образом, на диаграмме размещения, по сравнению с диаграммой компонентов, добавляется два типа сущностей: артефакт 1 , который является реализацией компонента 2 и узел 3 (может быть как классификатор, описывающий тип узла, так и конкретный экземпляр), а также отношение ассоциации между узлами 4 , показывающее, что узлы физически связаны во время выполнения.

На рисунке показаны основные элементы нотации, применяемые на диаграмме размещения. Для того чтобы показать, что одна сущность является частью другой, применяется либо отношение зависимости «deploy» 5 , либо фигура одной сущности помещается внутрь фигуры другой сущности 6 . Детальное описание диаграммы приведено в главе 3 .

11.1. Структура Унифицированного языка моделирования

Унифицированный язык моделирования (UML) в настоящий момент является стандартом де-факто при описании (документирования) результатов проектирования и разработки объектно-ориентированных систем. Начало разработки UML было положено в 1994 г. Гради Бучем и Джеймсом Рамбо, работавшим в компании Rational Software. Осенью 1995 г. к ним присоединился Ивар Якобсон и в октябре того же года была выпущена предварительная версия 0.8 унифицированного метода (англ. Unified Method). С этого времени было выпущено несколько версий спецификации UML, две из которых носят статус международного стандарта:

UML 1.4.2 – "ISO/IEC 19501:2005. Информационные технологии. Открытая распределительная обработка. Унифицированный язык моделирования (UML). Версия 1.4.2" (англ. "Information technology. Open distributed processing. Unified modeling language (UML). Version 1.4.2");

UML 2.4.1 – "ISO/IEC 19505-1:2012. Информационные технологии. Унифицированный язык моделирования группы по управлению объектами (OMG UML). Часть 1. Инфраструктура" (англ. "Information technology -- Object Management Group Unified Modeling Language (OMG UML) - Part 1: Infrastructure") и "ISO/IEC 19505-2:2012. Информационные технологии. Унифицированный язык моделирования группы по управлению объектами (OMG UML). Часть 2. Сверхструктура" (англ. "Information technology -- Object Management Group Unified Modeling Language (OMG UML) - Part 2: Superstructure").

Последнюю официальную спецификацию языка можно найти на сайте www.omg.org .

Общая структура UML показана на следующем рисунке .

Рис. 11.1. Структура UML

11.2. Семантика и синтаксис UML

Семантика – раздел языкознания, изучающий значение единиц языка, прежде всего его слов и словосочетаний .

Синтаксис – способы соединения слов и их форм в словосочетания и предложения, соединения предложений в сложные предложения, способы создания высказываний как части текста .

Таким образом, применительно к UML, семантика и синтаксис определяют стиль изложения (построения моделей), который объединяет естественный и формальный языки для представления базовых понятий (элементов модели) и механизмов их расширения.

11.3. Нотация UML

Нотация представляет собой графическую интерпретацию семантики для ее визуального представления.

В UML определено три типа сущностей :

Структурная – абстракция, являющаяся отражением концептуального или физического объекта;

Группирующая – элемент, используемый для некоторого смыслового объединения элементов диаграммы;

Поясняющая (аннотационная) – комментарий к элементу диаграммы.

В следующей таблице приведено краткое описание основных сущностей, используемых в графической нотации, и основные способы их отображения.

Таблица 11.1. Сущности

Тип	Наименование	Обозначение	Определение (семантика)
Структурная	(class)		Множество объектов, имеющих общую структуру и поведение
	(object)		Абстракция реальной или воображаемой сущности с четко выраженными концептуальными границами, индивидуальностью (идентичностью), состоянием и поведением. С точки зрения UML объекты являются экземплярами класса (экземплярами сущности)
	(actor)	Инженер службы пути	Внешняя по отношению к системе сущность, которая взаимодействует с системой и использует ее функциональные возможности для достижения определенных целей или решения частных задач. Таким образом актер – это внешний источник или приемник информации
	(use case)		Описание выполняемых системой действий, которая приводит к значимому для актера результату
	(state)		Описание момента в ходе жизни сущности, когда она удовлетворяет некоторому условию, выполняет некоторую деятельность или ждет наступления некоторого события
	Кооперация (collaboration)		Описание совокупности экземпляров актеров, объектов и их взаимодействия в процессе решения некоторой задачи
	(component)		Физическая часть системы (файл), в том числе модули системы, обеспечивающие реализацию согласованного набора интерфейсов
	(interface)	iРасчет	Совокупность операций, определяющая сервис (набор услуг), предоставляемый классом или компонентом
	(node)		Физическая часть системы (компьютер, принтер и т. д.), предоставляющая ресурсы для решения задачи
Группирующая	(package)		Общий механизм группировки элементов. В отличие от компонента, пакет – чисто концептуальное (абстрактное) понятие. Частными случаями пакета являются система и модель
	(fragment)		Область специфического взаимодействия экземпляров актеров и объектов
	(activity partition)		Группа операций (зона ответственности), выполняемых одной сущностью (актером, объектом, компонентом, узлом и т.д.)
	(interruptible activity region)		Группа операций, обычная последовательность выполнения которых может прервана в результате наступления нестандартной ситуации
Поясняющая	Примечание (comment)		Комментарий к элементу. Присоединяется к комментируемому элементу штриховой линией

В некоторых источниках, в частности [ , ], выделяют также поведенческие сущности взаимодействия и конечные автоматы , но с логической точки зрения их следует отнести к диаграммам.

Некоторые из приведенных выше сущностей в соответствии с подразумевают их подробное описание на диаграммах декомпозиции. На диаграмме верхнего уровня они помечаются особым значком или меткой.

В следующей таблице приведено описание всех видов отношений UML, используемых на диаграммах для указания связей между сущностями.

Таблица 11.3. Отношения

Наименование	Обозначение	Определение (семантика)
Ассоциация (association)		Отношение, описывающее значимую связь между двумя и более сущностями. Наиболее общий вид отношения
Агрегация (aggregation)		Подвид ассоциации, описывающей связь "часть"–"целое", в котором "часть" может существовать отдельно от "целого". Ромб указывается со стороны "целого". Отношение указывается только между сущностями одного типа
Композиция (composition)		Подвид агрегации, в которой "части" не могут существовать отдельно от "целого". Как правило, "части" создаются и уничтожаются одновременно с "целым"
Зависимость (dependency)		Отношение между двумя сущностями, в котором изменение в одной сущности (независимой) может влиять на состояние или поведение другой сущности (зависимой). Со стороны стрелки указывается независимая сущность
Обобщение (generalization)		Отношение между обобщенной сущностью (предком, родителем) и специализированной сущностью (потомком, дочкой). Треугольник указывается со стороны родителя. Отношение указывается только между сущностями одного типа
Реализация (realization)		Отношение между сущностями, где одна сущность определяет действие, которое другая сущность обязуется выполнить. Отношения используются в двух случаях: между интерфейсами и классами (или компонентами), между вариантами использования и кооперациями. Со стороны стрелки указывается сущность, определяющее действие (интерфейс или вариант использования)

Для ассоциации, агрегации и композиции может указываться кратность (англ. multiplicity), характеризующая общее количество экземпляров сущностей, участвующих в отношении. Она, как правило, указывается с каждой стороны отношения около соответствующей сущности. Кратность может указываться следующими способами:

- * – любое количество экземпляров, в том числе и ни одного;

Целое неотрицательное число – кратность строго фиксирована и равна указанному числу (например: 1, 2 или 5);

Диапазон целых неотрицательных чисел "первое число.. второе число" (например: 1..5, 2..10 или 0..5);

Диапазон чисел от конкретного начального значения до произвольного конечного "первое число.. *" (например: 1..*, 5..* или 0..*);

Перечисление целых неотрицательных чисел и диапазонов через запятую (например: 1, 3..5, 10, 15..*).

Если кратность не указана, то принимается ее значение, равное 1. Кратность экземпляров сущностей, участвующих в зависимости, обобщении и реализации, всегда принимается равной 1.

В следующей таблице приведено описание механизмов расширения , применяемых для уточнения семантики сущностей и отношений. В общем случае, механизм расширения представляет собой строку текста, заключенную в скобки или кавычки.

Таблица 11.4. Механизмы расширения

Наименование	Обозначение	Определение (семантика)
Стереотип (stereotype)	« »	Обозначение, уточняющее семантику элемента нотации (например: зависимость со стереотипом «include» рассматривается, как отношение включения, а класс со стереотипом «boundary» – граничный класс)
Сторожевое условие (guard condition)		Логическое условие (например: или [идентификация выполнена])
Ограничение (constraint)	{ }	Правило, ограничивающее семантику элемента модели (например, {время выполнения менее 10 мс})
Помеченное значение (tagged value)	{ }	Новое или уточняющее свойство элемента нотации (например: {version = 3.2})

Помимо стереотипов, указываемых в виде строки текста в кавычках, на диаграммах могут использоваться графические стереотипы. На следующем рисунке приведены примеры стандартного и стереотипного отображения .


a) стандартное обозначение		б) стандартное обозначение с текстовым стереотипом		в) графический стереотип

Рис. 11.2. Примеры стандартного и стереотипного отображения класса

Диаграмма представляет собой группировку элементов нотации для отображения некоторого аспекта разрабатываемой информационной системы. Диаграммы представляют собой, как правило, связный граф, в котором сущности являются вершинами, а отношения – дугами. В следующей таблице дана краткая характеристика диаграмм UML .

Таблица 11.5. Диаграммы

Диаграмма			Назначение
				по степени физической реализации	по отображению динамики	по отображаемому аспекту
(use case)			Отображает функции системы, взаимодействие между актерами и функциями	Логическая	Статическая	Функциональная
(class)			Отображает набор классов, интерфейсов и отношений между ними	Логическая или физическая	Статическая	Функционально-информационная
(package)			Отображает набор пакетов и отношений между ними	Логическая или физическая	Статическая	Компонентная
Поведения (behavior)	(state machine)		Отображает состояния сущности и переходы между ними в процессе ее жизненного цикла	Логическая	Динамическая	Поведенческая
	(activity)		Отображает бизнес-процессы в системе (описание алгоритмов поведения)
	Взаимодействия (interaction)	(sequence)	Отображает последовательность передачи сообщений между объектами и актерами
		(communication)	Аналогична диаграмме последовательности, но основной акцент делается на структуру взаимодействия между объектами
Реализации (implementation)	(component)		Отображает компоненты системы (программы, библиотеки, таблицы и т.д.) и связи между ними	Физическая	Статическая	Компонентная
	(deployment)		Отображает размещение компонентов по узлам сети, а также ее конфигурацию

Стандарт UML 2.x определяет также дополнительные, узкоспециализированные диаграммы:

Диаграмму объектов (object diagram) - аналогична , но вместо классов отображаются объекты;

Диаграмму синхронизации (timing diagram) - описывает состояния объекта с течением времени;

Композитную структурную диаграмму (composite structure diagram) - описывает порты (включая интерфейсы) класса для взаимодействия с другими классами;

Профильную диаграмму (profile diagram) - аналогична с описанием классов, входящих в них;

Обзорную диаграмму взаимодействия (interaction overview diagram) - аналогична , но со скрытыми фрагментами взаимодействия (фрагментами с меткой ref). Представляет собой контекстную (концептуальную) , элементы которой будут конкретизированы на отдельных диаграммах декомпозиции.

В целях укрупненного концептуального представления внутренней архитектуры системы большинство при построении допускает использование устоявшихся графических стереотипов для так называемых . Такая диаграмма называется 1 , но не относится к перечню диаграмм, определенных стандартом UML.

При разработке отдельной модели системы в строят несколько видов диаграмм. Более того, при разработке модели сложной системы, как правило, строят несколько диаграмм одного и того же вида. В то же время можно не создавать отдельные виды диаграмм, если в этом нет необходимости. Например, диаграммы и являются взаимозаменяемыми, строятся только для объектов, обладающих сложным поведением. В следующей таблице приведены рекомендации о необходимости разработки (уточнении) диаграмм по моделям системы.

Таблица 11.6. Связь моделей и диаграмм

В приведенной таблице не приведена модель тестирования, так как в рамках ее построения диаграммы не разрабатываются, а проверяются (тестируются) на полноту и непротиворечивость.

Часть диаграмм после их построения требует развития и уточнения в рамках разработки следующей модели (технологического процесса). Так, например, должны быть уточнены при разработке . В моделях.

4. Дайте определение понятию " ".