Назначение диаграммы классов

Лабораторная работа № 3

Тема: Создание UML диаграммы классов

Цель работы: получить навыки построения UML диаграмм классов в редакторе MS Visio 2010.

Основные теоретические положения по теме работы

Назначение диаграммы классов

Диаграммой классов в терминологии UML называется диаграмма, на которой показан набор классов (и некоторых других сущностей, не имеющих явного отношения к проектированию БД), а также связей между этими классами. Кроме того, диаграмма классов может включать комментарии и ограничения. Этот вид диаграмм предназначен для построения структурированной статической модели предметной области, которая изначально строится на основе объектно-ориентированного подхода.

Классом называется именованное описание совокупности объектов предметной области, имеющих одинаковый набор описывающих их параметров (атрибутов), одинаковое поведение (набор реализуемых операций) и однотипные отношения с объектами других классов. Графически класс изображается в виде прямоугольника, разделенного на три секции. В верхней секции записывается имя (текстовая строка), уникально отличающее данный класс от всех других классов. При формировании имен классов в UML допускается использование произвольной комбинации букв, цифр и даже знаков препинания. Однако на практике рекомендуется использовать в качестве имен классов короткие и осмысленные прилагательные и существительные, каждое из которых начинается с заглавной буквы. В средней секции записывается перечень атрибутов, а в нижней – перечень операций. Пример изображения класса «Конструкторский документ» показан на рис. 1 (указана только часть атрибутов и операций).

Рис. 1 - Пример изображения класса на диаграмме классов

Атрибутом класса называется именованное свойство класса, описывающее множество значений, которые могут принимать экземпляры этого свойства. Класс может иметь любое число атрибутов (в частности, не иметь ни одного атрибута). Свойство, выражаемое атрибутом, является свойством моделируемой сущности, общим для всех объектов данного класса. Так что атрибут является абстракцией состояния объекта. Любой атрибут любого объекта класса должен иметь некоторое значение.

Как уже ранее упоминалось, имена атрибутов представляются в среднем разделе класса, расположенном под именем класса. Хотя UML не накладывает ограничений на способы создания имен атрибутов (имя атрибута может быть произвольной текстовой строкой), на практике рекомендуется использовать короткие прилагательные и существительные, отражающие смысл соответствующего свойства класса. Первое слово в имени атрибута рекомендуется писать с прописной буквы, а все остальные слова – с заглавной. Пример описания класса "Исполнитель" с указанными атрибутами показан на рис. 2.

Рис. 2 - Класс «Исполнитель» с указанными именами атрибутов

Операцией класса называется именованная услуга, которую можно запросить у любого объекта этого класса. Операция – это абстракция того, что можно делать с объектом. Класс может содержать любое число операций (в частности, не содержать ни одной операции, как на рис. 2). Набор операций класса является общим для всех объектов данного класса.

Операции класса определяются в разделе, расположенном ниже раздела с атрибутами. При этом можно ограничиться только указанием имен операций, оставив детальную спецификацию выполнения операций на более поздние этапы моделирования. Для именования операций рекомендуется использовать глагольные формы, соответствующие ожидаемому поведению объектов данного класса. Описание операции может также содержать ее сигнатуру, т. е. имена и типы всех параметров, а если операция является функцией, то и тип ее значения. Класс «Исполнитель» с определенными операциями показан на 3.

Рис. 3 - Класс «Исполнитель» с операциями

Для класса «Исполнитель» определены три операции: "выдатьВозраст", "сохранитьТекущийДоход", "выдатьОбщийДоход". В операции "выдатьВозраст" используются значение атрибута "датаРождения" и значение текущей даты. Операция "сохранитьТекущийДоход" позволяет зафиксировать в состоянии объекта сумму и дату поступления дохода данного исполнителя. Операция "выдатьОбщийДоход" выдает суммарный доход данного исполнителя за указанное время. Заметим, что состояние объекта меняется при выполнении только второй операции. Результаты первой и третьей операций формируются на основе текущего состояния объекта.

Классы редко существуют автономно, так как они взаимодействуют между собой. Это значит, что, при моделировании системы, необходимо идентифицировать не только сущности, составляющие ее словарь, но и описать, как они соотносятся друг с другом, для чего в UML используются различные виды связей.

Категории связей. В диаграмме классов могут участвовать связи трех разных категорий: зависимость (dependency), обобщение (generalization) и ассоциация (association). При проектировании реляционных БД наиболее важны вторая и третья категории связей.

Зависимостью называют связь по применению, когда изменение в спецификации одного класса-источника (суперкласса или родителя) может повлиять на поведение другого класса-клиента (подкласса/дочернего/потомка). Чаще всего зависимости применяют в диаграммах классов, чтобы отразить в сигнатуре операции одного класса тот факт, что параметром этой операции могут быть объекты другого класса. Понятно, что если интерфейс дочернего класса изменяется, это влияет на поведение объектов родительского класса. Простой пример диаграммы классов со связью-зависимостью показан на 4, где параметры фрезерования зависят от материала и режущего инструмента, а слово «derive» означает, что атрибуты класса-клиента могут быть вычислены по атрибутам класса-источника.

Зависимость показывается прерывистой линией со стрелкой, направленной к классу, от которого имеется зависимость (подклассу/дочернему/потомку). Очевидно, что связи-зависимости существенны для объектно-ориентированных систем. Стрелка может помечаться необязательным, но стандартным ключевым словом в кавычках и необязательным индивидуальным именем. Для отношения зависимости предопределены ключевые слова, которые обозначают некоторые специальные виды зависимостей. Эти ключевые слова (стереотипы) записываются в кавычках рядом со стрелкой, которая соответствует данной зависимости. Примеры стереотипов для отношения зависимости представлены ниже:

• «access» – служит для обозначения доступности открытых атрибутов и операций класса-источника для классов-клиентов;

• «bind» – класс-клиент может использовать некоторый шаблон для своей последующей параметризации;

• «derive» – атрибуты класса-клиента могут быть вычислены по атрибутам класса-источника (рис. 4);

• «import» – открытые атрибуты и операции класса-источника становятся частью класса-клиента, как если бы они были объявлены непосредственно в нем;

• «refine» – указывает, что класс-клиент служит уточнением класса-источника в силу причин исторического характера, когда появляется дополнительная информация в ходе работы над проектом.

 

Рис. 4 - Пример диаграммы классов со связью-зависимостью

 

Связью-обобщением называется связь между общей сущностью, называемой суперклассом, или родителем, и более специализированной разновидностью этой сущности, называемой подклассом, или потомком. Обобщения иногда называют связями «is a», имея в виду, что класс-потомок является частным случаем класса-предка. Класс-потомок наследует все атрибуты и операции класса-предка, но в нем могут быть определены дополнительные атрибуты и операции. Применительно к диаграмме классов данное отношение описывает иерархическое строение классов и наследование их свойств и поведения. При этом предполагается, что класс-потомок обладает всеми свойствами и поведением класса-предка, а также имеет свои собственные свойства и поведение, которые отсутствуют у класса-предка. Объекты класса-потомка могут использоваться везде, где могут использоваться объекты класса-предка. Это свойство называют полиморфизмом по включению, имея в виду, что объекты потомка можно считать включаемыми во множество объектов класса-предка. Графически обобщения изображаются в виде сплошной линии с большой незакрашенной стрелкой, направленной к суперклассу. Пример диаграммы классов с отношением обобщения представлен на рис. 5. Здесь показан пример иерархии одиночного наследования: у каждого подкласса имеется только один суперкласс.

Рис. 5 -  Иерархия одиночного наследования классов

Одиночное наследование является достаточным в большинстве случаев применения связи-обобщения. Однако в UML допускается и множественное наследование, когда один подкласс определяется на основе нескольких суперклассов. При использовании UML для проектирования реляционных БД нужно очень осторожно использовать наследование классов вообще и стараться избегать множественного наследования.

Как правило, на диаграмме классов может указываться несколько линий для одного отношения обобщения, что отражает его таксономический характер. В этом случае более общий класс разбивается на подклассы одним отношением обобщения. Например, класс "Показатели надежности" может выступать в качестве суперкласса для подклассов, соответствующих конкретным количественным характеристикам, таким как, "Параметр потока отказов", "Интенсивность восстановления", "Коэффициент готовности", "Наработка на отказ". Данный факт может быть представлен графически в форме диаграммы классов следующего вида (рис. 6).

 

 

Рис. 6 - Пример графического изображения отношения обобщения классов

 

С целью упрощения обозначений на диаграмме классов совокупность линий, обозначающих одно и то же отношение обобщения, может быть объединена в одну линию. В этом случае данные отдельные линии изображаются сходящимися к единственной стрелке, имеющей с ними общую точку пересечения (рис. 7).

 

Рис. 7 - Вариант графического изображения отношения обобщения классов для случая объединения отдельных линий

 

Чтобы проиллюстрировать особенности использования отношения обобщения, рассмотрим пример изображения классов в графической нотации языка UML. В качестве примера рассмотрим иерархию вложенности классов для абстрактного класса «Методы оценки надежности» (см. рис. 8). Как нетрудно заметить, отношение между отдельными классами есть именно отношение обобщения.

 

Рис. 8 - Фрагмент диаграммы классов с отношением обобщения для представления иерархии классов «Методы оценки надежности»

 

Ассоциацией называется структурная связь, показывающая, что объекты одного класса некоторым образом связаны с объектами другого или того же самого класса. Допускается, чтобы оба конца ассоциации относились к одному классу. В ассоциации могут связываться два класса, и тогда она называется бинарной. Допускается создание ассоциаций, связывающих сразу n классов (они называются n-арными ассоциациями). Графически ассоциация изображается в виде линии, соединяющей класс сам с собой или с другими классами.

С понятием ассоциации связаны четыре важных дополнительных понятия: имя, роль, кратность и агрегация. Во-первых, ассоциации может быть присвоено имя, характеризующее природу связи. Смысл имени уточняется с помощью черного треугольника, который располагается над линией связи справа или слева от имени ассоциации. Этот треугольник указывает направление чтения имени связи. Пример именованной ассоциации показан на рис. 9. Треугольник показывает, что именованная ассоциация должна читаться как «Инженер работает в конструкторском отделе» (рис. 9).

Рис. 9 - Пример именованной ассоциации

Другим способом именования ассоциации является указание роли каждого класса, участвующего в этой ассоциации. Роль класса, как и имя конца связи в ER-модели, задается именем, помещаемым под линией ассоциации ближе к данному классу. На рис. 10 показаны две ассоциации между классами «Инженер» и «Конструкторский отдел», в которых эти классы играют разные роли. Как мы видим, объекты класса «Инженер» могут выступать в роли РАБОТНИКОВ при участии в ассоциации, в которой объекты класса «Конструкторский отдел» играют роль НАНИМАТЕЛЯ. В другой ассоциации объекты класса «Инженер» играют роль ЗАКАЗЧИК, а объекты класса «Конструкторский отдел» – роль ИСПОЛНИТЕЛЬ.

Рис. 10 - Две ассоциации с разными ролями классов

В общем случае, для ассоциации могут задаваться и ее собственное имя, и имена ролей классов. Это связано с тем, что класс может играть одну и ту же роль в разных ассоциациях, так что в общем случае пара имен ролей классов не идентифицирует ассоциацию. С другой стороны, в простых случаях, когда между двумя классами определяется только одна ассоциация, можно вообще не связывать с ней дополнительные имена.

Кратностью (multiplicity) роли ассоциации называется характеристика, указывающая, сколько объектов класса с данной ролью может или должно участвовать в каждом экземпляре ассоциации (в UML экземпляр ассоциации называется соединением – link, но мы не будем здесь использовать этот термин, чтобы не создавать путаницу – все-таки трудно одновременно говорить про связи, ассоциации и соединения, имея в виду разные понятия). Наиболее распространенным способом задания кратности роли ассоциации является указание конкретного числа или диапазона. Например, указание «1» говорит о том, что каждый объект класса с данной ролью должен участвовать в некотором экземпляре данной ассоциации, причем в каждом экземпляре ассоциации может участвовать ровно один объект класса с данной ролью. Указание диапазона «0..1» говорит о том, что не все объекты класса с данной ролью обязаны участвовать в каком-либо экземпляре данной ассоциации, но в каждом экземпляре ассоциации может участвовать только один объект. Аналогично, указание диапазона «1..*» говорит о том, что все объекты класса с данной ролью должны участвовать в некотором экземпляре данной ассоциации, и в каждом экземпляре ассоциации должен участвовать хотя бы один объект (верхняя граница не задана). Толкование диапазона «0..*» является очевидным расширением случая «0..1».

В более сложных (но крайне редко встречающихся на практике) случаях определения кратности можно использовать списки диапазонов. Например, список «2, 4..6, 8..*» говорит о том, что все объекты класса с указанной ролью должны участвовать в некотором экземпляре данной ассоциации, и в каждом экземпляре ассоциации должны участвовать два, от четырех до шести или более семи объектов класса с данной ролью.

На диаграмме классов с рис. 11 показано, что произвольное (может быть, нулевое) число инженеров являются работниками произвольного числа конструкторских отделов. Каждый конструкторский отдел выполняет произвольное (может быть, нулевое) число заказов, но каждый заказ может быть исполнен только одним конструкторским отделом.  

 

 

Рис. 11 - Ассоциации с указанными кратностями ролей

 

Обычная ассоциация между двумя классами характеризует связь между равноправными сущностями: оба класса находятся на одном концептуальном уровне. Но иногда в диаграмме классов требуется отразить тот факт, что ассоциация между двумя классами имеет специальный вид «часть-целое». В этом случае класс «целое» имеет более высокий концептуальный уровень, чем класс «часть». Ассоциация такого рода называется агрегатной. Графически агрегатные ассоциации изображаются в виде простой ассоциации с незакрашенным ромбом на стороне класса-«целого». Простой пример агрегатной ассоциации показан на рис. 12.

 

Рис. 12 - Пример агрегатной ассоциации

 

Объектами класса "Цех" являются цеховые помещения промышленного предприятия, в которых выполняются технологические процессы. В каждом цехе должно быть установлено необходимое технологическое оборудование. Поэтому в некотором смысле класс "Оборудование" является «частью» класса "Цех". Мы умышленно сделали роль класса "Оборудование" необязательной, поскольку могут существовать промышленные цеха без технологического оборудования (например, цех КИПиА) и некоторые виды оборудования могут находиться на складе. Обратите внимание, что, хотя цеха, не оснащенные технологическим оборудованием, как правило, непригодны для основных технологических процессов, объекты классов "Цех" и "Оборудование" существуют независимо. Если некоторый промышленный цех ликвидируется, то находящееся в нем оборудование не уничтожается, а переносится на склад.

Бывают случаи, когда связь «части» и «целого» настолько сильна, что уничтожение «целого» приводит к уничтожению всех его «частей». Агрегатные ассоциации, обладающие таким свойством, называются композитными, или просто композициями. При наличии композиции объект-часть может быть частью только одного объекта-целого (композита). При обычной агрегатной ассоциации «часть» может одновременно принадлежать нескольким «целым». Графически композиция изображается в виде простой ассоциации, дополненной закрашенным ромбом со стороны «целого». Пример композитной агрегатной ассоциации показан на рис. 13.

 

Рис. 13 - Пример композитной агрегатной ассоциации

 

Любой технический отдел является частью одной организации, и ликвидация организации приводит к ликвидации всех входящих в нее отделов (хотя во время существования организации отдельные отделы могут ликвидироваться и создаваться).

Заметим, что в контексте проектирования реляционных БД агрегатные и в особенности композитные ассоциации влияют только на способ поддержки ссылочной целостности. В частности, композитная связь является явным указанием на то, что ссылочная целостность между «целым» и «частями» должна поддерживаться путем каскадного удаления частей при удалении целого.

При наличии простой ассоциации между двумя классами (например, ассоциации между классами "Инженер" и "Конструкторский отдел" с рис. 6) предполагается возможность навигации между объектами, входящими в один экземпляр ассоциации. Если известен конкретный объект-инженер, то должна обеспечиваться возможность узнать соответствующий объект-конструкторский отдел. Если известен конкретный объект- конструкторский отдел, то должна обеспечиваться возможность узнать все соответствующие объекты-инженеры. Другими словами, если не оговорено иное, то навигация по ассоциации может проводиться в обоих направлениях. Однако бывают случаи, когда желательно ограничить направление навигации для некоторых ассоциаций. В этом случае на линии ассоциации ставится стрелка, указывающая направление навигации. Пример показан на рис. 14.

 

Рис. 14 - Ассоциация с указанным направлением навигации

 

В лаборатории по испытанию на надежность должно содержаться некоторое количество стендового оборудования, и каждый стенд должен принадлежать некоторой лаборатории.

Кроме описанных выше элементов, на диаграмме классов также могут присутствовать примечания, дополнения,стереотипы, помеченные значения, ограничения.