Общая характеристика языка UML

UML – это унифицированный графический язык моделирования для описания, визуализации, проектирования и документирования ОО систем. UML призван поддерживать процесс моделирования ПС на основе ОО подхода, организовывать взаимосвязь концептуальных и программных понятий, отражать проблемы масштабирования сложных систем. Модели на UML используются на всех этапах жизненного цикла ПС, начиная с бизнес-анализа и заканчивая сопровождением системы. Разные организации могут применять UML по своему усмотрению в зависимости от своих проблемных областей и используемых технологий.

Начать хотелось бы с демонстрации известной картинки, которая уже более двух десятилетий "живет" в Интернете, но источник ее никому не известен. Эта картинка прекрасно иллюстрирует типичный процесс создания продукта, или "решения" (поскольку продукт решает проблему заказчика), как любят говорить в Microsoft (рис. 1.1).

Здесь мы видим все проблемы программной инженерии, в частности проблемы с коммуникацией и пониманием, вызванные отсутствием четкой спецификации создаваемого продукта. Так вот, авторы UML определяют его как графический язык моделирования общего назначения (т. е. его можно применять для проектирования чего угодно - от простой качели, как на рисунке, до сложного аппаратно-программного комплекса или даже космического корабля), предназначенный для спецификации, визуализации, проектирования и документирования всех артефактов, создаваемых в ходе разработки.

Итак, UML в первую очередь - это спецификации. Заглянем снова в глоссарий и обнаружим, что

Спецификация- подробное описание системы, которое полностью определяет ее цель и функциональные возможности. Различают:

· словесные спецификации на естественном языке;

· модельные спецификации;

· формальные спецификации.

Не следует также забывать, что заказчик и разработчик имеют, как правило, абсолютно разное понимание смысла этого артефакта. А ведь кроме этого есть еще аналитики, менеджеры, бизнес-консультанты... Каждый из них называет спецификации по-своему: постановка задачи, требования пользователя, техническое задание, функциональная спецификация, архитектура системы... Причем все эти люди, являясь специалистами в абсолютно разных предметных областях, говорят каждый на своем языке и зачастую просто не понимают друг друга. Вот потому-то и возникает проблема, представленная на рисунке, проблема, которую может решить только наличие единого, унифицированного средства создания спецификаций, достаточно простого и понятного для всех заинтересованных лиц.(см рисунок 1.1)

Как уже говорилось выше, различают спецификации трех видов. Словесные спецификации на естественном языке как раз и вызывают массу проблем, поскольку создаются разными специалистами на "их языке". Другим видом спецификаций являются формальные спецификации. Действительно, описание спецификации с помощью строгого математического языка было бы чудесным решением всех проблем, т. к. сам способ записи исключал бы малейшие неоднозначности. Да, в математике есть, например, алгебра высказываний, с помощью которой можно пытаться создавать технические задания на разработку некоторых приложений. Проблема кроется в слове "некоторых". Понятно, что формальная спецификация является, по сути, математической моделью задачи и потому для вычислительных задач все выглядит достаточно просто. Формализация же задач из других областей знаний может оказаться более сложной и трудоемкой проблемой, чем разработка самого приложения ввиду отсутствия четкой математической модели. Один из принципов прикладной "мерфологии" гласит, что лучшей спецификацией программы является ее текст. Так же, как и большинство остальных законов Мерфи, это утверждение просто поражает своей правдивостью...

Когда мы говорим о том, что UML - это средство визуализации, мы имеем в виду модельные спецификации. Все мы знаем, как иногда трудно заставить себя "вникнуть" в суть материала, излагаемого в очередном учебнике или мануале. Изучение чего-то нового идет гораздо проще, если документ содержит не только текст, а еще и иллюстрации к нему. А если руководство или учебник выглядят как картинки с подписями (руководства пользователя мобильных телефонов!), то усвоение нового материала происходит еще проще и эффективнее. Недаром до сих пор так популярны комиксы, которые также представляют собой картинки с текстом!

Так вот, такие картинки с подписями наглядны и интуитивно понятны, причем почти однозначно понимаются любыми заинтересованными лицами, так что могут использоваться в качестве средства общения между людьми. UML позволяет создавать такие простые и понятные картинки (модели), описывающие систему с разных сторон, которые можно показать заказчику и обсудить с ним, т. е. служит средством коммуникации в команде. Посмотрите на рисунок ниже (рис. 1.2). Все ведь понятно, правда?

Перейдем к проектированию. Да, UML позволяет строить модели программных систем (вообще говоря - ЛЮБЫХ систем). По этим моделям потом может производиться генерация каркасного кода проектируемых приложений. Более того, возможен процесс, который часто называют "реверс-инжинирингом", - т. е. создание UML-модели из существующего кода приложения.

И последнее из этого набора слов - " документирование ". По большому счету, UML-модели сами по себе уже являются документами (и весьма понятными, даже для неспециалиста, как мы уже могли убедиться, посмотрев на предыдущий рисунок; кроме этого, как мы еще упомянем далее, модели UML являются XML-документами). Причем любой элемент на любой диаграмме может быть снабжен ноутсом - текстовым комментарием. Т. е. построение набора диаграмм уже является процессом документирования будущей системы. Более того, большинство инструментов UML-проектирования умеют извлекать текстовую информацию из моделей и генерировать относительно удобочитаемые тексты.

Итак, подводя итоги, скажем, что UML можно использовать для рисования картинок, которые можно использовать для коммуникаций внутри команды и в ходе взаимодействия с заказчиком, т. е. он может служить средством обмена информацией. Кроме этого, как мы уже говорили, UML является отличным средством спецификации систем, причем спецификации в процессе разработки. Разработанные архитектурные решения, задокументированные с помощью UML, могут быть использованы повторно (что сейчас также очень "модно").

Теперь о том, для чего UML использовать нельзя, вернее, чем он не является. Во-первых, UML не является языком программирования, хотя существуют средства выполнения UML-моделей как интерпретируемого кода (Unimod, FLORA и др.) и возможна, как уже говорилось выше, кодогенерация. Несмотря на это, UML - средство не программирования, а моделирования, т. е. создания не программ, а моделей любого уровня абстракции для систем из любой предметной области. Во-вторых, UML не является и спецификацией какого бы то ни было инструмента моделирования, хотя такие инструменты (и в больших количествах) имеются. Например, TAU G2 (с помощью которого создано большинство диаграмм в этом курсе), Borland Together, Poseidon, Enterprise Architect, IBM Rational Rose, Dia, Visio и др. Каким образом то или иное CASE-средство реализует UML-моделирование, никак не регламентируется и определяется самими разработчиками этих инструментов. И, наконец, в-третьих, UML не является и моделью какого-либо процесса разработки, даже Rational Unified Process (RUP), который был описан именно с помощью UML (а точнее, с помощью SPEM - профайла UML). UML можно использовать независимо от того, какую методологию разработки ПО вы используете, и даже если вы вообще не пользуетесь никакой методологией!

Краткая история UML

Откуда взялся The UML? Если говорить коротко, то UML вобрал в себя черты нотаций Грейди Буча (Grady Booch), Джима Румбаха (Jim Rumbaugh), Айвара Якобсона (Ivar Jacobson) и многих других.

В не такие уж и далекие 80-е годы было множество различных методологий моделирования. Каждая из них имела свои достоинства и недостатки, а также свою нотацию. То смутное время получило название "войны методов". Проблема в том, что разные люди использовали разные нотации, и для того чтобы понять, что описывает та или иная диаграмма, зачастую требовался "переводчик". Один и тот же символ мог означать в разных нотациях абсолютно разные вещи! На рисунке ниже можно увидеть лишь малую часть многообразия методов, которые существовали в то время и в какой-то мере повлияли на UML (рис. 1.3).

К середине 90-х годов различными авторами было предложено несколько десятков методов ОО моделирования, каждый из которых использовал свою графическую нотацию. При этом любой их этих методов имел свои сильные стороны, но не позволял построить достаточно полную модель ПС, показать ее «со всех сторон», то есть, все необходимые проекции. К тому же отсутствие стандарта ОО моделирования затрудняло для разработчиков выбор наиболее подходящего метода, что препятствовало широкому распространению ОО подхода к разработке ПС.

По запросу Object Management Group (OMG) – организации, ответственной за принятие стандартов в области объектных технологий и баз данных назревшая проблема унификации и стандартизации была решена авторами трех наиболее популярных ОО методов – Г.Бучем, Д.Рамбо и А.Джекобсоном, которые объединенными усилиями создали версию UML 1.1, утвержденную OMG в 1997 году в качестве стандарта.

UML – это язык

Любой язык состоит из словаря и правил комбинирования слов для получения осмысленных конструкций. Так, в частности, устроены языки программирования, таковым является и UML. Отличительной его особенностью является то, что словарь языка образуют графические элементы. Каждому графическому символу соответствует конкретная семантика, поэтому модель, созданная одним разработчиком, может однозначно быть понята другим, а также программным средством, интерпретирующим UML. Отсюда, в частности, следует, что модель ПС, представленная на UML, может автоматически быть переведена на ОО язык программирования (такой, как Java, C++, VisualBasic), то есть, при наличии хорошего инструментального средства визуального моделирования, поддерживающего UML, построив модель, мы получим и заготовку программного кода, соответствующего этой модели.

Следует подчеркнуть, что UML – это именно язык, а не метод. Он объясняет, из каких элементов создавать модели и как их читать, но ничего не говорит о том, какие модели и в каких случаях следует разрабатывать. Чтобы создать метод на базе UML, надо дополнить его описанием процесса разработки ПС. Примером такого процесса является Rational Unified Process

Структура определения языка

Авторы использовали так называемое четырехуровневое мета-моделирование. Первый уровень - это сами данные. Второй - это их модель, т. е., например, описание их в программе. Третий - метамодель, т. е. описание языка построения модели. Четвертый - мета-метамодель, т. е. описание языка, на котором описана метамодель. Для примера - следующий рисунок, позаимствованный из стандарта UML, показывает применение этого подхода к простым записям о котировках акций (рис. 1.4).

UML, как уже говорилось выше, описывается подобным образом. Метамодель - описание самого языка, мета-метамодель - описание формализма, с помощью которого производится описание языка. Все это сопровождается комментариями на естественном языке и примерами моделей. Организованное таким образом описание UML распространяется OMG абсолютно свободно и "лежит" на сайте OMG, по адресу http://www.omg.org/. Этот грандиозный документ насчитывает около тысячи страниц, и неподготовленному читателю имеет смысл ознакомиться в нем лишь с первым и последним разделами (краткий обзор и словарь терминов). Зато, если человек уже знаком с UML, изучение метамодели языка - весьма интересное и полезное занятие.

Словарь UML

Модель представляется в виде сущностей и отношений между ними, которые показываются на диаграммах.

Сущности – это абстракции, являющиеся основными элементами моделей. Имеется четыре типа сущностей – структурные (класс, интерфейс, компонент, вариант использования, кооперация, узел), поведенческие (взаимодействие, состояние), группирующие (пакеты) и аннотационные (комментарии). Каждый вид сущностей имеет свое графическое представление. Сущности будут подробно рассмотрены при изучении диаграмм.

Отношения показывают различные связи между сущностями. В UML определены следующие типы отношений:

• Зависимость показывает такую связь между двумя сущностями, когда изменение одной из них – независимой – может повлиять на семантику другой – зависимой. Зависимость изображается пунктирной стрелкой, направленной от зависимой сущности к независимой.
• Ассоциация – это структурное отношение, показывающее, что объекты одной сущности связаны с объектами другой. Графически ассоциация показывается в виде линии, соединяющей связываемые сущности. Ассоциации служат для осуществления навигации между объектами. Например, ассоциация между классами «Заказ» и «Товар» может быть использована для нахождения всех товаров, указанных в конкретном заказе – с одной стороны, или для нахождения всех заказов в которых есть данный товар, – с другой. Понятно, что в соответствующих программах должен быть реализован механизм, обеспечивающий такую навигацию. Если требуется навигация только в одном направлении, оно показывается стрелкой на конце ассоциации. Частным случаем ассоциации является агрегирование – отношение вида «целое» – «часть». Графически оно выделяется с помощью ромбика на конце около сущности-целого.
• Обобщение – это отношение между сущностью-родителем и сущностью-потомком. По существу, это отношение отражает свойство наследования для классов и объектов. Обобщение показывается в виде линии, заканчивающейся треугольничком направленным к родительской сущности. Потомок наследует структуру (атрибуты) и поведение (методы) родителя, но в то же время он может иметь новые элементы структуры и новые методы. UML допускает множественное наследование, когда сущность связана более чем с одной родительской сущностью.
• Реализация – отношение между сущностью, определяющей спецификацию поведения (интерфейс) с сущностью, определяющей реализацию этого поведения (класс, компонент). Это отношение обычно используется при моделировании компонент и будет подробнее описано в последующих статьях.

Синтаксис UML

Теперь давайте поговорим о нотации. "Нотация" - это то, что в других языках называют "синтаксисом". Само слово "нотация" подчеркивает, что UML - язык графический и модели (а точнее диаграммы) не "записывают", а рисуют. Как уже говорилось выше, одна из задач UML - служить средством коммуникации внутри команды и при общении с заказчиком. "В рабочем порядке" диаграммы часто рисуют на бумаге от руки, причем обычно - не слишком аккуратно. Поэтому при выборе элементов нотации основным принципом был отбор значков, которые хорошо смотрелись бы и были бы правильно интерпретированы в любом случае - будь они нарисованы карандашом на салфетке или созданы на компьютере и распечатаны на лазерном принтере.

Вообще же, в UML используется четыре вида элементов нотации:

1. фигуры,

2. линии,

3. значки,

4. надписи.

Разберем все по порядку. Фигуры используются "плоские" - прямоугольники, эллипсы, ромбы и т. д. Но есть одно исключение - как мы увидим далее, на диаграмме развертывания для обозначения узлов инфраструктуры применяется "трехмерное" изображение параллелепипеда. Это единственное исключение из правил. Внутри любой фигуры могут помещаться другие элементы нотации.

О линиях стоит сказать лишь то, что своими концами они должны соединяться с фигурами. На UML диаграммах вы не встретите линий, нарисованных "сами по себе" и не соединяющих фигуры. Применяется два типа линий - сплошная и пунктирная. Линии могут пересекаться, и хотя таких случаев следует по возможности избегать, в этом нет ничего страшного.

Вообще же стоит сказать, что UML предоставляет исключительную свободу - можно рисовать что угодно и как вздумается, лишь бы можно было понять смысл созданных диаграмм. В изображении фигур и значков тоже нет каких-то жестких требований, и разработчики CASE-средств для UML-проектирования вовсю используют эту свободу, применяя различные стили рисования, заливку фигур цветом, тени и т. д. Иногда это смотрится весьма симпатично, а иногда даже раздражает.

Кстати об инструментах рисования. Мы уже упоминали, что такое ПО существует, и далее мы рассмотрим этот вопрос более подробно (проведя сравнительные исследования), пока же скажем лишь о нескольких наиболее заметных программах этого класса. К таким пакетам можно отнести:

· IBM Rational Rose;

· Borland Together;

· Gentleware Poseidon;

· Microsoft Visio;

· Telelogic TAU G2.

Диаграммы. В UML предусмотрены следующие диаграммы (примеры из http://khpi-iip.mipk.kharkiv.edu/library/case/leon/index.html)

• Диаграммы, описывающие поведение системы:
  • Диаграммы состояний (State diagrams),
  • Диаграмма вариантов использования (Use case diagram)
  • Диаграммы деятельностей (Activity diagrams),
  • Диаграммы объектов (Object diagrams),
  • Диаграммы последовательностей (Sequence diagrams),
  • Диаграммы взаимодействия (Collaboration diagrams);
• Диаграммы, описывающие физическую реализацию системы:
  • Диаграммы компонент (Component diagrams);
  • Диаграммы развертывания (Deployment diagrams).
  • Диаграмма классов (class diagram)
  • Диаграмма состояний (statechart diagram)

 Представление управления моделью. Пакеты.

Мы уже говорили о том, что для того чтобы модель была хорошо понимаемой человеком необходимо организовать ее иерархически, оставляя на каждом уровне иерархии небольшое число сущностей. UML включает средство организации иерархического представления модели – пакеты. Любая модель состоит из набора пакетов, которые могут содержать классы, варианты использования и прочие сущности и диаграммы. Пакет может включать другие пакеты, что позволяет создавать иерархии. В UML не предусмотрено отдельных диаграмм пакетов, но они могут присутствовать на других диаграммах. Пакет изображается в виде прямоугольника с закладкой.

Что обеспечивает UML.

• иерархическое описание сложной системы путем выделения пакетов;
• формализацию функциональных требований к системе с помощью аппарата вариантов использования;
• детализацию требований к системе путем построения диаграмм деятельностей и сценариев;
• выделение классов данных и построение концептуальной модели данных в виде диаграмм классов;
• выделение классов, описывающих пользовательский интерфейс, и создание схемы навигации экранов;
• описание процессов взаимодействия объектов при выполнении системных функций;
• описание поведения объектов в виде диаграмм деятельностей и состояний;
• описание программных компонент и их взаимодействия через интерфейсы;
• описание физической архитектуры системы.

И последнее…

Несмотря на всю привлекательность UML, его было бы затруднительно использовать при реальном моделировании ПС без инструментальных средств визуального моделирования. Такие средства позволяют оперативно представлять диаграммы на экране дисплея, документировать их, генерировать заготовки программных кодов на различных ОО языках программирования, создавать схемы баз данных. Большинство из них включают возможности реинжиниринга программных кодов – восстановления определенных проекций модели ПС путем автоматического анализа исходных кодов программ, что очень важно для обеспечения соответствия модели и кодов и при проектировании систем, наследующих функциональность систем-предшественников.