Диаграммы последовательностей (sequence diagrams)

Обратимся теперь к временн ы м свойствам алгоритмов работы системы приема телефонных заявок. Для этого в UML есть диаграммы последовательностей (и еще временные диаграммы, рассматриваемые ниже). Пример такой диаграммы представлен на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Пример диаграммы последовательностей

Данная диаграмма сфокусирована на действиях оператора клиентского ПО. Во-первых, на ней явно изображено, что два события - звонок оператору по телефону и появление диалога для внесения информации о звонке на дисплее оператора - должны происходить одновременно. Это "одновременно" может впоследствии доставить много хлопот, поскольку необходимо будет тестировать это требование в условиях, идентичных условиям заказчика, - в его локальной сети, с тем быстродействием, которое она может обеспечивать, с определенным количеством одновременно работающих в сети операторов и т. д. И понятно, что в этой ситуации ПО должно соревноваться по скорости с процессом коммутации в PBX. Вполне возможно, что телефонный аппарат будет звонить существенно раньше, чем соответствующая экранная форма появится на экране оператора, и это может оказаться весьма неудобным. Значит, нужно "убыстрять" обработку звонка сервером ПО. При этом то или иное быстродействие может потребовать существенно разной реализации серверных компонент, поэтому разумно озаботиться этой проблемой заранее. Создание диаграмм последовательностей помогает на этапе проектирования заметить и не забыть о подобных местах в алгоритмах. Программистам рекомендуется преодолеть нетерпеливость и потратить время на прорисовывание различных деталей архитектуры перед началом программирования, а также во время оного, приступая к новому этапу работы. Вроде бы и так все понятно, но предварительное обдумывание с фиксацией решений с помощью диаграмм, обсуждение этих диаграмм с коллегами может предотвратить ошибки, которые, будучи допущенными, потребуют существенных больших усилий на исправление, много превышающих те, что были потрачены на проектирование.

На диаграммах последовательностей, так же как и на диаграммах коммуникаций, показываются роли классов. Фактически, на обоих диаграммах представлена одна и та же информация, но в разных видах. На диаграммах последовательностей она показана с точки зрения временного аспекта, на диаграммах коммуникаций – с точки зрения отношений взаимодействующих частей (то есть здесь яснее выражен структурный аспект). Можно сказать, что диаграмма последовательностей является двойником диаграмм коммуникаций.

Временные диаграммы (timing diagrams)

Этот тип диаграмм является разновидностью диаграмм последовательностей и предназначен для наглядного изображения потока изменения состояний нескольких ролей (классов, компонент¹). Последние изображаются не вертикально, а горизонтально, и основной упор делается на наглядное изображение их состояний, точнее, того, как они меняются во времени. Такая возможность полезна, например, при моделировании встроенных систем.

Рис. 3.10. Пример временной диаграммы

На рис. 3.10 показан фрагмент работы системы AccessControl, которая управляет открытием/блокированием двери в помещение по предъявлению человеком электронного ключа. На рисунке показано три компоненты этой системы. Первая, panel, является устройством, у которого есть дисплей для отображения текущего состояния всей системы и устройство считывания электронного ключа. Исходно panel находится в состоянии locked (соответствующая надпись отображается и на дисплее). После того как человек приложил к этому устройству электронный ключ и устройство считало с него информацию, panelпосылает эту информацию в виде сообщения verify второй компоненте - процессору (access_processor) - и переходит в состояние waiting. Процессор до получения сообщения verify находится в состоянии idle, а после получения этого сообщения он переходит в состояние verifying. После успешного окончания проверки данных электронного ключа процессор посылает компонентам panel и door сообщения unlock и переходит в состояние enable. Компонента panel переходит в состояние open. Третья компонента, door (собственно, сама дверь), до этого находилась в состоянии lockedи, получив сообщение unlock, открывается (переходит в состояние unlock). Открытой она остается ровно 5 секунд, после чего процессор присылает ей команду lock и она закрывается - снова переходит в состояние locked. Одновременно процессор посылает команду lock также и компоненте panel, которая переходит в свое исходное состояние locked и отображает слово "locked" на дисплее.

Видно, что на временных диаграммах, так же как на диаграммах последовательностей и коммуникаций, показываются только главные ветки алгоритмов, а ветвления отсутствуют. Компоненты и их состояния откладываются по оси ординат, время - по оси абсцисс. Время градуировано в какой-либо шкале измерений. В данном примере каждое деление соответствует двум секундам.

Диаграммная область каждой компоненты - это прямоугольник, отделенный от другого, соседнего (представляющего другую компоненту), прямой линией, параллельной оси абсцисс. Компоненты могут обмениваться сообщениями, с помощью которых происходит синхронизация их поведения. Сообщения изображаются вертикальными линиями со стрелками (вверх или вниз).

Диаграммы схем взаимодействия (interaction overview diagram)

Этот тип диаграмм является смесью диаграмм активностей и диаграмм последовательностей. Вместо действий в узлы диаграмм активностей подставляются диаграммы последовательностей (сценарии). Таким образом, достигается цель задавать сложное поведение с ветвлениями, так как иначе на диаграммах последовательностей ветвления задавать неудобно.

Диаграммы классов (class diagrams)

Этот тип диаграмм является основным при разработке объектно-ориентированной системы, так как позволяет наглядно изобразить структуру классов приложения. Такие диаграммы полезны как при предварительном проектировании, так и при рефакторинге, сопровождении и исправлении ошибок, а также при изучении ПО. По этим диаграммам легко генерировать программный код, их легко восстанавливать по уже существующему программному коду. Кроме того, диаграммы классов используются при описании самих языков визуального моделирования, как это будет показано в следующих лекциях.

На рис. 4.1 представлен фрагмент диаграммы классов телефонной службы приема заявок.

Рис. 4.1. Пример диаграммы классов

На этом рисунке показаны основные классы сервера телефонной системы обработки заявок: класс CPBX_Agent отвечает за работу с PBX (с "железкой", занимающейся коммутацией абонентов); класс COperator содержит описание экземпляров операторов, работающих в call-центре, класс CSubOperator описывает особенного, "продвинутого" оператора (например, начальника над группой операторов); класс COperatorList управляет множеством операторов (добавляет их в список, удаляет и т.д.); класс CNetworkConnectionSupport отвечает за поддержку соединений сервера через локальную компьютерную сеть с компьютерами операторов; класс CDispatсher отвечает за синхронизацию всех остальных программных сущностей на сервере.

Итак, на диаграммах классов изображаются сами классы с атрибутами, типами атрибутов, методами, их параметрами и типами, а так же иерархия наследования классов. И класс, и наследование в UML полностью соответствуют конструкциям объектно-ориентированных языков программирования. Но кроме них на диаграммах классов могут также присутствовать связи между классами - ассоциации. Так, на рис. 4.1 класс CDispatcher связан с классами CPBX_Agent, COperator, CServerNetworkConnectionSupport и COperatorList.

В UML существует конструкция, которая обобщает класс. Это классификатор (classifier), с помощью которого задаются элементы в модели, которые могут иметь экземпляры, а также операции и атрибуты. Например, экземпляры класса - это объекты. Еще одним примером классификатора является компонента (точнее, тип компоненты). В UML-модели возможны и экземпляры компонент. Кроме класса и компоненты в UML есть и другие классификаторы.

Ассоциации (association)

Если два класса связаны друг с другом ассоциацией, то это означает, что их экземпляры (объекты) определенным образом связаны друг с другом, например:

· вызывают методы друг друга,

· работают с общей памятью,

· объекты одного класса являются параметрами методов другого,

· один класс имеет атрибут с типом другого класса (или указателя на него).

Ассоциация как связь между классами обязательно переходит в связь между экземплярами этих классов. Этим она принципиально отличается от наследования. Ниже мы подробно остановимся на отличиях агрегирования и наследования.

Ассоциации в программном коде могут быть реализованы, например, через атрибуты-указатели языка C++, как показано на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Пример представления ассоциаций в программном коде

Отметим, что доступ по ассоциации может быть однонаправленным и двунаправленным. На рис. 4.3, а изображена ассоциация, направленная от класса С1 к классу С2. Это может означать, что в программном коде класса С2 нет атрибута а2, и объекты класса С2 "не знают", что на них ссылаются объекты класса С1. На рис. 4.3, б и в показано два варианта изображения двунаправленной ассоциации. На рис. 4.2 приведен пример реализации именно для двунаправленной ассоциации.

У ассоциации может быть имя, хотя его не обязательно задавать. Имя у ассоциации полезно проставлять, если, например, между двумя классами существует несколько ассоциаций, - чтобы отличать их между собой. Иногда же полезно именовать ассоциации для того, чтобы диаграммы было удобно читать, хотя для этой цели лучше использовать имена их концов, так как они лучше показывают, кто кого использует, обслуживает, включает и пр.

Рис. 4.3. Виды ассоциаций

Ассоциации соединяются с классами через специальные конструкции - концы ассоциаций (association ends). Именно у этих концов определяются различные свойства, такие как множественность, агрегирование и др. Концы ассоциаций часто целесообразно именовать на диаграммах, чтобы делать спецификации более наглядными и понятными.

Но именовать концы ассоциаций полезно далеко не всегда. В примере, показанном на рис. 4.4, концы двух ассоциаций со стороны абонента целесообразно именовать, чтобы станция могла различать абонентов, полученных по разным экземплярам ассоциаций. Противоположные же концы можно не именовать, так как экземпляр класса "Станция" в системе один, у всех других объектов на него имеются ссылки.

Рис. 4.4. Пример именования концов ассоциаций

Концы ассоциации имеет смысл именовать всегда, когда ассоциация рефлексивна, то есть связывает класс с ним самим же. Пример такой ассоциации показан на рис. 4.5. Там представлен класс CListItem, реализующий элемент двусвязного списка. У него есть ассоциация с самим собой, которая указывает, что один объект этого класса связан этой ассоциацией с двумя другими объектами - с одним через конец Prev (то есть с предыдущим в списке), с другим - через конец Next (то есть со следующим в списке), а может быть связан только с одним (предыдущим или следующим, и тогда он является, соответственно, последним или первым в списке) или ни с одним вовсе (в этом случае этот объект является единственным в списке). Эти роли используются в качестве имен для концов ассоциаций. Количество объектов, с которыми может быть связан экземпляр класса CListItem по этой ассоциации, указывается с противоположного конца ассоциации с помощью конструкции "множественность".

Рис. 4.5. Пример рефлексивной ассоциации

У конца ассоциации есть свойство под названием множественность (multiplicity). Это свойство определяет количество представителей (конкретных объектов), которые могут быть связаны с партнером ассоциации через этот конец. Множественность является целочисленным интервалом или константой. Ниже представлены примеры.

0..1.

1.

0..*.

1..*.

* - просто много, без уточнения того, 0 или 1 фигурируют в качестве нижнего предела.

Константа (например, 2, 10, 100).

Интервал (например, 3..5, 10..20).

Варианты с первого по пятый являются наиболее распространенными на практике.

Примеры множественности концов ассоциации можно видеть на рис. 4.1 - класс CDispatcher связан с классом COperator так, что каждый экземпляр класса COperator имеет связь ровно с одним экземпляром класса CDispatcher, а каждый экземпляр класса CDispatcher имеет связь с несколькими экземплярами класса COperator или может не иметь такой связи вовсе. Последнее обеспечивается нижней границей множественности ассоциации со стороны класса COperator, равной нулю.