Глава 5

Обозначения

Однако, хорошо продуманная и выразительная система обозначений очень важна для разработки. Во-первых, общепринятая система позволяет разработчику описать сценарий или сформулировать архитектуру и доходчиво изложить свои решения коллегам. Символ транзистора понятен всем электронщикам мира. Аналогично, над проектом жилого дома, разработанным архитекторами в Нью-Йорке, строителям из Сан-Франциско скорее всего не придется долго ломать голову, решая, как надо расположить двери, окна или электрическую проводку. Во-вторых, как подметил Уайтхед в своей основополагающей работе по математике, "Освобождая мозг от лишней работы, хорошая система обозначений позволяет ему сосредоточиться на задачах более высокого порядка" [2]. В-третьих, четкая система обозначений позволяет автоматизировать большую часть утомительной проверки на полноту и правильность. Как говорится в отчете управления оборонных исследований:

"Разработка программного обеспечения всегда будет кропотливой работой... Хотя наши машины могут выполнять рутинную работу и помогать нам держать нить рассуждений, разработка концепций останется прерогативой человека... Что всегда будет в цене - это искусство построения концептуальной структуры, а заботы об ее описании уйдут в прошлое" [3].

5.1. Элементы обозначений

Необходимость разных точек зрения

Невозможно охватить все тонкие детали сложной программной системы одним взглядом. Как отмечают Клейн и Джингрич: "Необходимо понять как функциональные, так и структурные свойства объектов. Следует уяснить также таксономическую структуру классов объектов, используемые механизмы наследования, индивидуальное поведение объектов и динамическое поведение системы в целом. Эта задача в чем-то аналогична показу футбольного или теннисного матча, когда для вразумительной передачи происходящего действия требуется несколько камер, расположенных в разных углах спортивной площадки. Каждая камера передает свой аспект игры, недоступный другим камерам" [4].

На рис. 5-1 представлены различные типы моделей (описанные в главе 1), которые мы считаем главными в объектно-ориентированном подходе. Через них будут выражаться результаты анализа и проектирования, выполненные в рамках любого проекта. Эти модели в совокупности семантически достаточно богаты и универсальны, чтобы разработчик мог выразить все заслуживающие внимания стратегические и тактические решения, которые он должен принять при анализе системы и формировании ее архитектуры. Кроме того, эти модели достаточно полны, чтобы служить техническим проектом реализации практически на любом объектно-ориентированном языке программирования.

Наша система обозначений богата деталями, но это не означает, что в каждом проекте необходимо использовать все ее аспекты. На практике для описания большей части итогов анализа и проектирования достаточно некоторого малого подмножества этой системы; один наш коллега называет такие облегченные обозначения "нотацией Booch Lite" (сокращенная нотация Буча). В процессе знакомства с нашей системой обозначений мы четко выделим это подмножество. Зачем же тогда беспокоиться о деталях системы обозначений, не вошедших в минимальное подмножество? В основном они нужны, чтобы выражать некоторые важные тактические решения; а некоторые из них предназначены для создания программных инструментов CASE. Мы будем называть их дополнениями.

Как отмечает Вайнберг: "В некоторых областях (таких, как архитектура), в процессе проектирования графический план чаще всего представлен в виде общих набросков, а строго детализированные описания, пока не окончена творческая часть становления проекта, используются редко" [5]. Следует помнить, что обозначения - только средство выразить итоги размышлений над архитектурой и поведением системы, а никак не самоцель. Надо пользоваться исключительно теми элементами обозначений, которые необходимы, и не более того. Также, как опасно ставить слишком жесткие требования, нехорошо чересчур подробно описывать решение задачи. Например, на чертеже архитектор может показать расположение выключателя света в комнате, но его точное место не будет определяться, пока заказчик и прораб не произведут осмотр уже сооруженного здания для уточнения деталей отделки. Глупо было бы заранее указывать на чертеже трехмерные координаты этого выключателя (конечно, если это не является функционально важной деталью для заказчика: может быть, все члены его семьи имеют рост намного выше или ниже среднего). Если разработчики большой программной системы - высококвалифицированные специалисты и уже сработались друг с другом, им будет достаточно и грубых набросков, хотя и в этом случае они должны оставить свое творческое наследие эксплуатационщикам в удобоваримом виде. Если же разработчики неопытны, отделены друг от друга во времени или пространстве или если так установлено контрактом, то на протяжении всего процесса проектирования необходимы более детальные эскизы проекта. Система обозначений, которую мы представляем в этой главе, учитывает эти ситуации.
 

Различные языки программирования описывают одни и те же понятия различно. Наша система обозначений не зависит от конкретного языка. Конечно, некоторые ее элементы могут не иметь аналогов в языке, на котором будет написана проектируемая система. В этом случае просто не надо ими пользоваться. Например, в Smalltalk не бывает свободных подпрограмм, следовательно, в проект нет смысла закладывать утилиты классов. Аналогично, C++ не поддерживает метаклассы, следовательно, этот элемент должен быть исключен. Но нет ничего предосудительного в подгонке обозначений под конструкции выбранного языка. Например, в CLOS операции можно снабдить специальными пометками, чтобы определить методы :before, :after и :around. Подобным же образом, в системе автоматического проектирования для C++ вместо спецификаций класса можно пользоваться прямо заголовочными файлами.

Цель этой главы - определить синтаксис и семантику наших обозначений для объектно-ориентированного анализа и проектирования. В качестве примера мы будем использовать гидропонную теплицу, которая рассматривалась в главе 2. В настоящей главе не обсуждается, как, собственно, были получены представленные в примерах решения: это задача главы 6. В главе 7 обсуждаются практические аспекты этого процесса, а в главах 8-12 система обозначений демонстрируется в деле на серии примеров разработки приложений.

Модели и ракурсы

В главе 3 мы объяснили, что такое классы и объекты, а также какова связь между ними. Как показано на рис. 5-1, при принятии решений в анализе и проектировании полезно рассмотреть взаимодействие классов и объектов в двух измерениях: логическом/физическом и статическом/динамическом. Оба этих аспекта необходимы для определения структуры и поведения объектной системы.

В каждом из двух измерений мы строим несколько диаграмм, которые дают нам вид моделей системы в различных ракурсах. Таким образом, модели системы содержат всю информацию о ее классах, связях и других сущностях, а каждая диаграмма представляет одну из проекций модели. В установившемся состоянии проекта, все такие диаграммы должны быть согласованы с моделью, а, следовательно, и друг с другом.

Рассмотрим для примера систему, включающую в себя несколько сотен классов; эти классы образуют часть модели. Невозможно, а на самом деле и не нужно представлять все классы и их связи на единственной диаграмме. Вместо этого мы можем описать модель в нескольких диаграммах классов, каждая из которых представляет только один ее ракурс. Одна диаграмма может показывать структуру наследования некоторых ключевых классов; другая - транзитивное замыкание множества всех классов, используемых конкретным классом. Когда модель "устоится" (придет в устойчивое состояние), все такие диаграммы становятся семантически согласованными друг с другом и с моделью. Например, если по данному сценарию (который мы описываем на диаграмме объектов), объект A посылает сообщение M объекту B, то M должно быть прямо или косвенно определено в классе B. В соответствующей диаграмме классов должна быть надлежащая связь между классами A и B, так, чтобы экземпляры класса A действительно могли посылать сообщение M.

Для простоты на диаграммах все сущности с одинаковыми именами в одной области видимости рассматриваются как ссылки на одинаковые персонажи системы. Исключением из этого правила могут быть только операции, имена которых могут быть перегружены.

Чтобы различать диаграммы, мы должны дать им имена, которые отражали бы их предмет и назначение. Можно снабдить диаграммы и другими комментариями или метками, которые мы вскоре опишем; эти комментарии, как правило, не имеют дополнительной семантики.

Логическая и физическая модели

Логическое представление описывает перечень и смысл ключевых абстракций и механизмов, которые формируют предметную область или определяют архитектуру системы. Физическая модель определяет конкретную программно-аппаратную платформу, на которой реализована система.

При анализе мы должны задать следующие вопросы:

• Каково требуемое поведение системы?
• Каковы роли и обязанности объектов по поддержанию этого поведения?

При проектировании мы должны задать следующие вопросы относительно архитектуры системы:

• Какие существуют классы и какие есть между ними связи?
• Какие механизмы регулируют взаимодействие классов?
• Где должен быть объявлен каждый класс?
• Как распределить процессы по процессорам и как организовать работу каждого процессора, если требуется обработка нескольких процессов?

• диаграммы классов
• диаграммы объектов
• диаграммы модулей
• диаграммы процессов.

Четыре введенные нами типа диаграмм являются по большей части статическими. Но практически во всех системах происходят события: объекты рождаются и уничтожаются, посылают друг другу сообщения, причем в определенном порядке, внешние события вызывают операции объектов. Не удивительно, что описание динамических событий на статическом носителе, например, на листе бумаги, будет трудной задачей, но эта же трудность встречается фактически во всех областях науки. В объектно-ориентированном проектировании мы отражаем динамическую семантику двумя дополнительными диаграммами:

• диаграммами переходов из одного состояния в другое
• диаграммами взаимодействия.

Инструменты проектирования

Плохой разработчик, имея систему автоматического проектирования, сможет создать своего программного монстра за более короткий срок чем раньше. Великие проекты создаются великими проектировщиками, а не инструментами. Инструменты проектирования дают возможность проявиться индивидуальности, освобождают ее, чтобы она могла сосредоточиться исключительно на творческих задачах проектирования и анализа. Существуют вещи, которые автоматизированные системы проектирования могут делать хорошо, и есть вещи, которые они вообще не умеют. Например, если мы используем диаграмму объектов, чтобы показать сценарий с сообщением, посылаемым от одного объекта другому, автоматизированная система проектирования может гарантировать, что посылаемое сообщение будет в протоколе объекта; это пример проверки совместимости. Если мы введем инвариант, например, такой: "существует не более трех экземпляров данного класса", то мы ожидаем, что наш инструмент проследит за соблюдением данного требования; это пример проверки ограничения. Кроме того, система может оповестить вас, если какие-либо объявленные классы или методы не используются в проекте (проверка на полноту). Наконец, более сложная автоматическая система проектирования может определить длительность конкретной операции или достижимость состояния на диаграмме состояний; это пример автоматического анализа. Но, с другой стороны, никакая автоматическая система не сможет выявить новый класс, чтобы упростить вашу систему классов. Мы, конечно, можем попытаться создать такой инструмент, используя экспертные системы, но для этого понадобятся, во-первых, эксперты как в области объектно-ориентированного программирования, так и в предметной области, а во-вторых, четко сформулированные правила классификации и много здравого смысла. Мы не ожидаем появления таких средств в ближайшем будущем. В то же время, у нас есть вполне реальные проекты, которыми стоит заняться.

5.2. Диаграммы классов

Существенное: классы и отношения между ними

Диаграмма классов показывает классы и их отношения, тем самым представляя логический аспект проекта. Отдельная диаграмма классов представляет определенный ракурс структуры классов. На стадии анализа мы используем диаграммы классов, чтобы выделить общие роли и обязанности сущностей, обеспечивающих требуемое поведение системы. На стадии проектирования мы пользуемся диаграммой классов, чтобы передать структуру классов, формирующих архитектуру системы.

Два главных элемента диаграммы классов - это классы и их основные отношения.

Классы. На рис. 5-2 показано обозначение для представления класса на диаграмме. Класс обычно представляют аморфным объектом, вроде облака [Выбор графических обозначении - это трудная задача. Требуется осторожно балансировать между выразительностью и простотой, так что проектирование значков - это в большой степени искусство, а не наука. Мы взяли облачко из материалов корпорации Intel, документировавшей свою оригинальную объектно-ориентированную архитектуру iAPX432 [6]. Форма этого образа намекает на расплывчатость границ абстракции, от которых не ожидается гладкости и простоты. Пунктирный контур символизирует то, что клиенты оперируют обычно с экземплярами этого класса, а не с самим классом. Можно заменить эту форму прямоугольником, как сделал Румбах [7]:
 

Однако, хотя прямоугольник проще рисовать, этот символ слишком часто используется в разных ситуациях и, следовательно, не вызывает ассоциаций. Кроме того, принятое Румбахом обозначение классов обычными прямоугольниками, а объектов - прямоугольниками с закругленными углами конфликтует с другими элементами его нотации (прямоугольники для актеров в диаграммах потоков данных и закругленные прямоугольники для состояний в диаграммах переходов). Облачко более удобно и для расположения пометок, которые, как мы увидим дальше, потребуются для абстрактных и параметризованных классов, и поэтому оно предпочтительнее в диаграммах классов и объектов. Аргумент простоты рисования прямоугольников спорен при использовании автоматизированной поддержки системы обозначений. Но чтобы сохранить возможность простого рисования и подчеркнуть связь с методом Румбаха, мы оставляем его обозначения классов и объектов в качестве допустимой альтернативы].

Каждый класс должен иметь имя; если имя слишком длинно, его можно сократить или увеличить сам значок на диаграмме. Имя каждого класса должно быть уникально в содержащей его категории. Для некоторых языков, в особенности - для C++ и Smalltalk, мы должны требовать, чтобы каждый класс имел имя, уникальное в системе.
 

На некоторых значках классов полезно перечислять несколько атрибутов и операций класса. "На некоторых", потому что для большинства тривиальных классов это хлопотно и не нужно. Атрибуты и операции на диаграмме представляют прообраз полной спецификации класса, в которой объявляются все его элементы. Если мы хотим увидеть на диаграмме больше атрибутов класса, мы можем увеличить значок; если мы совсем не хотим их видеть - мы удаляем разделяющую черту и пишем только имя класса.

Как мы описывали в главе 3, атрибут обозначает часть составного объекта, или агрегата. Атрибуты используются в анализе и проектировании для выражения отдельных свойств класса [Точнее, атрибут эквивалентен отношению агрегации с физическим включением, метка которого совпадает с именем атрибута, а мощность равна в точности единице]. Мы используем следующий не зависящий от языка синтаксис, в котором атрибут может обозначаться именем или классом, или и тем и другим, и, возможно, иметь значение по умолчанию:

• A - только имя атрибута;
• :C - только класс;
• A:C - имя и класс;
• A:C=E - имя, класс и значение по умолчанию.

• N() - только имя операции;
• RN(Аргументы) - класс возвращаемого значения (R), имя и формальные параметры (если есть).

Общий принцип системы обозначений: синтаксис элементов, таких, как атрибуты и операции, может быть приспособлен к синтаксису выбранного языка программирования. Например, на C++ мы можем объявить некоторые атрибуты как статические, или некоторые операции как виртуальные или чисто виртуальные [В C++ члены, общие для всех объектов класса, объявляются статическими; виртуальной называют полиморфную операцию; чисто виртуальной называют операцию, за реализацию которой отвечает подкласс]; в CLOS мы можем пометить операцию как метод :around. В любом случае мы пользуемся спецификой синтаксиса данного языка, чтобы обозначить детали. Как описывалось в главе 3, абстрактный класс - это класс, который не может иметь экземпляров. Так как абстрактные классы очень важны для проектирования хорошей структуры классов, мы вводим для них специальный значок треугольной формы с буквой А в середине, помещаемый внутрь значка класса (рис. 5-3). Общий принцип: украшения представляют вторичную информацию о некой сущности в системе. Все подобные типы украшений имеют такой же вид вложенного треугольника.

Отношения между классами. Классы редко бывают изолированы; напротив, как объяснялось в главе 3, они вступают в отношения друг с другом. Виды отношений показаны на рис. 5-4: ассоциация, наследование, агрегация (has) и использование. При изображении конкретной связи ей можно сопоставить текстовую пометку, документирующую имя этой связи или подсказывающую ее роль. Имя связи не обязано быть глобальным, но должно быть уникально в своем контексте.

Значок ассоциации соединяет два класса и означает наличие семантической связи между ними. Ассоциации часто отмечаются существительными, например Employment (место работы), описывающими природу связи. Класс может иметь ассоциацию с самим собой (так называемая рефлексивная ассоциация). Одна пара классов может иметь более одной ассоциативной связи. Возле значка ассоциации вы можете указать ее мощность (см. главу 3), используя синтаксис следующих примеров:

• 1 - В точности одна связь
• N - Неограниченное число (0 или больше)
• 0..N - Ноль или больше
• 1..N - Одна или больше

• 0..1 - Ноль или одна
• 3..7 - Указанный интервал
• 1..3, 7 - Указанный интервал или точное число

Обозначения оставшихся трех типов связи уточняют рисунок ассоциации дополнительными пометками. Это удобно, так как в процессе разработки проекта связи имеют тенденцию уточняться. Сначала мы заявляем о семантической связи между двумя классами, а потом, после принятия тактических решений об истинных их отношениях, уточняем эту связь как наследование, агрегацию или использование.

Значок наследования, представляющего отношение "общее/частное", выглядит как значок ассоциации со стрелкой, которая указывает от подкласса к суперклассу. В соответствии с правилами выбранного языка реализации, подкласс наследует структуру и поведение своего суперкласса. Класс может иметь один (одиночное наследование), или несколько (множественное наследование) суперклассов. Конфликты имен между суперклассами разрешаются в соответствии с правилами выбранного языка. Как правило, циклы в наследовании запрещаются. К наследованию значок мощности не приписывается.

Значок агрегации обозначает отношение "целое/часть" (связь "has") и получается из значка ассоциации добавлением закрашенного кружка на конце, обозначающем агрегат. Экземпляры класса на другом конце стрелки будут в каком-то смысле частями экземпляров класса-агрегата. Разрешается рефлексивная и циклическая агрегация. Агрегация не требует обязательного физического включения части в целое.

Знак использования обозначает отношение "клиент/сервер" и изображается как ассоциация с пустым кружком на конце, соответствующем клиенту. Эта связь означает, что клиент нуждается в услугах сервера, то есть операции класса-клиента вызывают операции класса-сервера или имеют сигнатуру, в которой возвращаемое значение или аргументы принадлежат классу сервера.

Пример. Описанные выше значки представляют важнейшие элементы всех диаграмм классов. В совокупности они дают разработчику набор обозначений, достаточный, чтобы описать фундамент структуры классов системы.

Рис. 5-5 показывает, как описывается в этих обозначениях задача обслуживания тепличной гидропонной системы. Эта диаграмма представляет только малую часть структуры классов системы. Мы видим здесь класс GardeningPlan (план выращивания), который имеет атрибут, названный crop (посев), одну операцию-модификатор execute (выполнить) и одну операцию-селектор canHarvest (можно собирать?). Имеется ассоциация между этим классом и классом EnvironmentalController (контроллер среды выращивания): экземпляры плана задают климат, который должны поддерживать экземпляры контроллера.
 

Эта диаграмма также показывает, что класс EnvironmentalController является агрегатом: его экземпляры содержат в точности по одному экземпляру классов Heater (нагреватель) и Cooler (охлаждающее устройство), и любое число экземпляров класса Light (лампочка). Оба класса Heater и Cooler являются подклассами абстрактного запускающего процесс класса Actuator, который предоставляет протоколы startUp и shutDown (начать и прекратить соответственно), и который использует класс Temperature.

Существенное: категории классов

Как объяснялось в главе 3, класс - необходимое, но недостаточное средство декомпозиции. Когда система разрастается до дюжины классов, можно заметить группы классов, связанные внутри, и слабо зацепляющиеся с другими. Мы называем такие группы категориями классов.

Многие объектно-ориентированные языки не поддерживают это понятие. Следовательно, выделение обозначений для категорий классов позволяет выразить важные архитектурные элементы, которые не могли быть непосредственно записаны на языке реализации [Среда программирования Smalltalk поддерживает концепцию категорий классов. Собственно это и подвигло нас на включение категорий в систему обозначений. Однако, в Smalltalk категории классов не имеют семантического содержания: они существуют только для более удобной организации библиотеки классов. В C++ категории классов связаны с концепцией компонент (Страуструп), они еще не являются чертой языка, хотя включение в него семантики пространства имен рассматривается [8]. (В настоящее время пространства имен включены в стандарт. - Примеч. ред.)].
 

Классы и категории классов могут сосуществовать на одной диаграмме. Верхние уровни логической архитектуры больших систем обычно описываются несколькими диаграммами, содержащими только категории классов.

Категории классов. Категории классов служат для разбиения логической модели системы. Категория классов - это агрегат, состоящий из классов и других категорий классов, в том же смысле, в котором класс - агрегат, состоящий из операций и других классов. Каждый класс системы должен "жить" в единственной категории или находиться на самом верхнем уровне системы. В отличие от класса, категория классов не имеет операций или состояний в явном виде, они содержатся в ней неявно в описаниях агрегированных классов.

На рис. 5-6 показан значок, обозначающий категорию классов. Как и для класса, для категории требуется имя, которое должно быть уникально в данной модели и отлично от имен классов.

Иногда полезно на значке категории перечислить некоторые из содержащихся в ней классов. "Некоторые", потому, что зачастую категории содержат довольно много классов, и перечислять их все было бы хлопотно, да это и не нужно. Так же, как список атрибутов и операций на значке класса, список классов в значке категории представляет сокращенный вид ее спецификации. Если мы хотим видеть на значке категории больше классов, мы можем его увеличить. Можно удалить разделяющую черту и оставить в значке только имя категории.

Категория классов представляет собой инкапсулированное пространство имен. По аналогии с квалификацией имен в C++, имя категории можно использовать для однозначной квалификации имен содержащихся в ней классов и категорий. Например, если дан класс A из категории B, то его полным именем будет A::B. Таким образом, как будет обсуждаться далее, для вложенных категорий квалификация имен простирается на произвольную глубину.

Некоторые классы в категории могут быть открытыми, то есть экспортироваться для использования за пределы категории. Остальные классы могут быть частью реализации, то есть не использоваться никакими классами, внешними к этой категории. Для анализа и проектирования архитектуры это различие очень важно, так как позволяет разделить обязанности между экспортируемыми классами, которые берут на себя общение с клиентами, и внутренними классами в категории, которые, собственно, выполняют работу. На самом деле, во время анализа закрытые аспекты категории классов можно опустить. По умолчанию все классы в категории определяются как открытые, если явно не указано противное. Ограничение доступа будет обсуждаться ниже.

Категория может использовать невложенные категории и классы. С другой стороны, и классы могут использовать категории. Для единообразия мы обозначаем эти экспортно-импортные отношения так же, как отношение использования между классами (см. рис. 5-4). Например, если категория A использует категорию B, это означает, что классы из A могут быть наследниками, или содержать экземпляры, использовать или быть еще как-то ассоциированы с классами из B.
 

Диаграммы классов верхнего уровня, содержащие только категории классов, представляют архитектуру системы в самом общем виде. Такие диаграммы чрезвычайно полезны для визуализации слоев и разделов системы. Слой обозначает набор категорий классов одного уровня абстракции. Таким образом, слои представляют набор категорий классов, так же как категории классов - это кластеры классов. Слои обычно нужны, чтобы изолировать верхние уровни абстракции от нижних. Разделы обозначают связанные (каким-либо образом) категории классов на разных уровнях абстракции. В этом смысле слои представляют собой горизонтальные срезы системы, а разделы - вертикальные.

Пример. На рис. 5-7 приведен пример диаграммы классов верхнего уровня для тепличного хозяйства. Это типичная многослойная система. Здесь абстракции, которые ближе к реальности (а именно активаторы и датчики климата и удобрений), располагаются на самых нижних уровнях, а абстракции, отражающие понятия пользователя, - ближе к вершине. Категория классов ТипыПосевов - глобальна, то есть ее услуги доступны всем другим категориям. На значке категории классов Планирование показаны два ее важных класса: GardeningPlan (план выращивания) с рис. 5-5 и PlanAnalyst (анализатор планов). При увеличении любой из восьми категорий классов, показанных на рисунке, обнаружатся составляющие их классы.
 

Дополнительные обозначения

До сих пор мы занимались существенной частью нашей системы обозначений [Все существенные элементы в совокупности как раз и образуют нотацию Booch Lite]. Однако, чтобы передать некоторые часто встречающиеся стратегические и тактические решения, нам потребуется расширить ее. Общее правило: держаться существенных понятий и обозначений, а дополнительные применять только тогда, когда они действительно необходимы.

Параметризованные классы. В некоторых объектно-ориентированных языках программирования, в частности, C++, Eiffel и Ada можно создавать параметризованные классы. Как было сказано в главе 3, параметризованным классом называется семейство классов с общей структурой и поведением. Чтобы создать конкретный класс этого семейства, нужно подставить вместо формальных параметров фактические (процесс инстанцирования). Конкретный класс может порождать экземпляры.

Параметризованные классы достаточно сильно отличаются от обычных, что отмечается специальным украшением на их значках. Как показывает пример на рис. 5-8, параметризованный класс изображается значком обычного класса с пунктирным прямоугольником в правом верхнем углу, в котором указаны параметры. Инстанцированный класс изображается обычным значком класса с украшением в виде прямоугольника (со сплошной границей) с перечисленными в нем фактическими параметрами.

Связь между параметризованным классом и его инстанцированием изображается пунктирной линией, указывающей на параметризованный класс. Для получения инстанцированного класса необходим другой конкретный класс как фактический параметр (GardeningPlan в этом примере).

Параметризованный класс не может порождать экземпляры и не может использоваться сам в качестве параметра. Каждый инстанцированный класс является новым классом, отличающимся от других конкретных классов того же семейства.

Метаклассы. В некоторых языках, таких как Smalltalk и CLOS, есть метаклассы. Метакласс (см. главу 3) - это класс класса. В Smalltalk, например, метаклассы - это механизм поддержки переменных и операций класса (подобных статическим членам класса в C++), особенно фабрик класса (производящих операций), создающих экземпляры объектов данного класса. В CLOS метаклассы играют важную роль в возможности уточнения семантики языка [9].
 

Метакласс не имеет экземпляров, но может любым образом быть ассоциирован с другими классами.

Метасвязь имеет еще одно применение. На некоторых диаграммах классов бывает полезно указать объект, который является статическим членом некоторого класса. Чтобы показать класс этого объекта, мы можем провести метасвязь "объект/ класс". Это согласуется с предыдущим употреблением: связь между некоторой сущностью (объектом или классом) и ее классом.

Утилиты классов. Благодаря своему происхождению, гибридные языки, такие как C++, Object Pascal и CLOS, позволяют разработчику применять как процедурный, так и объектно-ориентированный стиль программирования. Это контрастирует со Smalltalk, который целиком организован вокруг классов. В гибридном языке есть возможность описать функцию-не-член, называемую также свободной подпрограммой. Свободные подпрограммы часто возникают во время анализа и проектирования на границе объектно-ориентированной системы и ее процедурного интерфейса с внешним миром.

Утилиты классов употребляются одним из двух способов. Во-первых, утилиты класса могут содержать одну или несколько свободных подпрограмм, и тогда следует просто перечислить логические группы таких функций-не-членов. Во-вторых, утилиты класса могут обозначать класс, имеющий только переменные (и операции) класса (в C++ это означало бы класс только со статическими элементами [Программирующие на Smalltalk часто используют идиому утилит, чтобы достичь того же эффекта]). Таким классам нет смысла иметь экземпляры, потому что все экземпляры будут находиться в одном и том же состоянии. Такой класс сам выступает в роли своего единственного экземпляра.
 

Как показано на рис. 5-10, утилита классов обозначается обычным значком класса с украшением в виде тени. В этом примере утилита классов PlanMetrics (параметры плана) предоставляет две важные операции: expectedYield (ожидаемый урожай) и timeToHarvest (время сбора урожая). Утилита обеспечивает эти две операции на основе услуг, предоставляемых классами нижнего уровня - GardeningPlan (план) и CropDatabase (база данных об урожае). Как показывает диаграмма, PlanMetrics зависит от CropDatabase: получает от нее информацию об истории посевов. В свою очередь, класс PlanAnalyst использует услуги PlanHetrics.

Рис. 5-10 иллюстрирует обычное использование утилит классов: здесь утилита предоставляет услуги, основанные на двух независимых абстракциях нижнего уровня. Вместо того, чтобы ассоциировать эти операции с классами высшего уровня, таких как PlanAnalyst, мы решили собрать их в утилиту классов и добились четкого разделения обязанностей между этими простыми процедурными средствами и более изощренной абстракцией класса-анализатора PlanAnalyst. Кроме того, включение свободных подпрограмм в одну логическую структуру повышает шансы на их повторное использование, обеспечивая более точное разбиение абстракции.

Связь классов с утилитой может быть отношением использования, но не наследования или агрегирования. В свою очередь, утилита класса может вступать в отношение использования с другими классами и содержать их статические экземпляры, но не может от них наследовать.

Подобно классам, утилиты могут быть параметризованы и инстанцированы. Для обозначения параметризованных утилит используются такие же украшения, как и для параметризованных классов (см. рис. 5-8). Аналогично, для обозначения связи между параметризованной утилитой класса и ее конкретизацией мы используем то же обозначение, что и для инстанцирования параметризованных классов.

Вложенность. Классы могут быть физически вложены в другие классы, а категории классов - в другие категории и т.д. Обычно это нужно для того, чтобы ограничить видимость имен. Вложение соответствует объявлению вложенной сущности в окружающем ее контексте. Мы изображаем вложенность физически вложенным значком; на рис. 5-11 полное имя вложенного класса - Nutritionist::NutrientProfile.
 

В соответствии с правилами выбранного языка реализации, классы могут содержать экземпляры вложенного класса или использовать его. Языки обычно не допускают наследования от вложенного класса.

Обычно вложение классов является тактическим решением проектировщика, а вложение категорий классов - типично стратегическое архитектурное решение. В обоих случаях необходимость в использовании вложения на глубину более одного-двух уровней встречается крайне редко.

Управление экспортом. Все основные языки объектно-ориентированного программирования позволяют четко разделить интерфейс класса и его реализацию. Кроме того, как описано в главе 3, большинство из них позволяет разработчику определить более детально доступ к интерфейсу класса.

Например, в C++ элементы класса бывают открытыми (доступны всем клиентам), защищенными (доступны только подклассам, друзьям и самому классу) и закрытыми (доступны только самому классу и его друзьям). Кроме того, некоторые элементы могут быть частью реализации класса и тем самым быть недоступными даже друзьям этого класса [Например, объект или класс, описанный в .срр-файле, доступен только функциям-членам, реализованным в том же файле]. В Ada элементы класса могут быть открытыми или закрытыми. В Smalltalk все переменные экземпляров по умолчанию закрытые, а все операции - открытые. Доступ предоставляется самим классом и только явно: клиент ничего не может получить насильно.

Мы изображаем способ доступа следующими украшениями связи:

• <нет украшения> - открытый (по умолчанию)
• | - защищенный
• || - закрытый
• ||| - реализация

FoodItem в свою очередь содержит от одного до двадцати трех закрытых экземпляров класса VitaminContent (содержание витаминов) и один открытый экземпляр класса CaloricEquivalent (калорийность). Заметим, что CaloricEquivalent мог бы быть записан как атрибут класса FoodItem, так как атрибуты эквивалентны агрегации, мощность которой равна 1:1. Кроме того, мы видим, что класс GrainCrop (посев зерновых) использует класс GrainYieldPredictor (предсказатель урожая зерновых) как часть своей реализации. Это обычно означает, что некоторый метод класса GrainCrop использует услуги, предоставляемые классом GrainYieldPredictor.

Кроме уже рассмотренных в этом примере случаев, обычная ассоциация так же может быть украшена символами доступа. Метасвязь (связь между инстанцированным классом и его метаклассом) не может получить таких украшений.

Символы ограничения доступа можно применять к вложенности во всех ее формах. На обозначении класса мы можем указать доступ к атрибутам, операциям или вложенным классам, добавив символ ограничения доступа в качестве префикса к имени. Например, на рис. 5-12 показано, что класс Crop имеет один открытый атрибут scientificName (ботаническое название), один защищенный - yield (урожай), и один закрытый - nutrientValue (количество удобрения). Такие же обозначения используются для вложенных классов или категорий классов. По умолчанию все вложенные классы и категории являются открытыми, но мы можем указать ограниченный доступ соответствующей меткой.

Типы отношении. В некоторых языках встречаются настолько всепроникающие типы отношений, с настолько фундаментальной семантикой, что было бы оправдано введение новых символов. В C++, например, имеется три таких конструкции:

• static - переменная (или функция) класса;
• virtual - совместно используемый базовый класс в ромбовидной структуре наследования;
• friend - класс, которому даны права доступа к закрытым и защищенным элементам другого класса.

Логично использовать для них такое же украшение в виде треугольного значка, как и для абстрактного класса, но с символами S, V или F соответственно.

Рассмотрим пример на рис. 5-13, который представляет другой ракурс классов, показанных на предыдущем рисунке. Мы видим, что базовый класс OrganicItem (органический компонент) содержит один экземпляр класса ItemDictionary (словарь компонентов) и что этот экземпляр содержится самим классом, а не его экземплярами (то есть он является общим для всех экземпляров). В общем случае мы указываем обозначение static на одном из концов ассоциации или на конце связи агрегации.

Рассматривая класс GrainCrop, мы видим, что структура наследования приобретает ромбовидную форму (связи наследования, разветвившись, сходятся). По умолчанию, в C++ ромбовидная форма структуры наследования ведет к тому, что в классах-листьях дублируются структуры базового, дважды унаследованного класса. Чтобы класс GrainCrop получил единственную копию дважды унаследованных структур класса OrganicItem, мы должны применить виртуальное наследование, как показано на рисунке. Мы можем добавлять украшение виртуальной связи только к наследованию.

Значок дружественности можно присоединить к любому типу связи, расположив значок ближе к серверу, подразумевая, что сервер считает клиента своим другом. Например, на рис. 5-13 класс PlanAnalyst дружит с классом Crop, а, следовательно, имеет доступ к его закрытыми и защищенным элементам, включая оба атрибута yield и scientificName.

Физическое содержание. Как показано в главе 3, отношение агрегации является специальным случаем ассоциации. Агрегация обозначает иерархию "целое/часть" и предполагает, что по агрегату можно найти его части. Иерархия "целое/часть" не означает обязательного физического содержания: профсоюз имеет членов, но это не означает, что он владеет ими. С другой стороны, отдельная запись о посеве именно физически содержит в себе соответствующую информацию, такую, как имя посева, урожай и график подкормки.
 

Агрегация обычно выявляется при анализе и проектировании; уточнение ее как физического содержания является детализирующим, тактическим решением. Однако, распознать этот случай важно, во-первых, для правильного определения конструкторов и деструкторов классов, входящих в агрегацию, и, во-вторых, для генерации и последовательного исправления кода.

Физическое содержание отмечается на диаграмме украшением на конце линии, обозначающей агрегацию; отсутствие этого украшения означает, что решение о физическом содержании не определено. В гибридных языках мы различаем два типа содержания:

• по значению целое физически содержит часть
• по ссылке целое физически содержит указатель или ссылку на часть.

Чтобы отличить физическое присутствие объекта от ссылки на него, мы используем закрашенный квадратик для обозначения агрегации по значению и пустой квадратик - для агрегации по ссылке. Как будет обсуждаться позже, этот стиль украшений согласуется с соответствующей семантикой на диаграммах объектов.

Рассмотрим пример, приведенный на рис. 5-14. Мы видим, что экземпляры класса CropHistory (история посева) физически содержат несколько экземпляров классов NutrientSchedule (график внесения удобрений) и ClimateEvent (климатическое событие). Физическое содержание частей агрегации по значению означает, что их создание или уничтожение происходит при создании или уничтожении самого агрегата. Таким образом, агрегация по значению гарантирует, что время жизни агрегата совпадает с временем жизни его частей. В противоположность этому, каждый экземпляр класса CropHistory обладает только ссылкой или указателем на один экземпляр класса Crop. Это означает, что времена жизни этих двух объектов независимы, хотя и здесь один является физической частью другого. Еще один случай - отношение агрегации между классами CropEncyclopedia (энциклопедия посевов) и CropHistory. В данном случае мы вообще не упоминаем физическое содержание. Диаграмма говорит о том, что эти два класса состоят в отношении "целое/часть", и что по экземпляру CropEncyclopedia можно найти соответствующий экземпляр CropHistory, но физическое содержание тут ни при чем. Вместо этого может быть разработан другой механизм, реализующий эту ассоциацию. Например, объект класса CropEncyclopedia запрашивает базу данных, и получает ссылку на подходящий экземпляр CropHistory.

Роли и ключи. В предыдущей главе мы указали на важность описания различных ролей, играемых объектами в их взаимодействии друг с другом; в следующей главе мы изучим, как идентификация ролей помогает провести процесс анализа.

Коротко говоря, роль абстракции - это то, чем она является для внешнего мира в данный момент. Роль обозначает потребность или способность, в силу которых один класс ассоциируется с другим. Текстовое украшение, описывающее роль класса, ставится рядом с любой ассоциацией, ближе к выполняющему роль классу, как это видно на рис. 5-15. На этом рисунке классы PlanAnalyst (анализатор планов) и Nutritionist (агрохимик) оба являются поставщиками информации для объекта класса CropEncyclopedia (они оба добавляют информацию в энциклопедию), а объекты класса PlanAnalyst являются также и пользователями (они просматривают материал из энциклопедии). В любом случае, роль клиента определяет индивидуальное поведение и протокол, который он использует. Обратим внимание также на рефлексивную ассоциацию класса PlanAnalyst: мы видим, что несколько экземпляров этого класса могут сотрудничать друг с другом и при этом они используют особый протокол, отличающийся от их поведения в ассоциации, например, с классом CropEncyclopedia.
 

На этом примере показана также ассоциация между классами CropEncyclopedia и Crop, но с другим типом украшения, которое представляет ключ (изображается как идентификатор в квадратных скобках). Ключ - это атрибут, значение которого уникально идентифицирует объект. В этом примере класс CropEncyclopedia использует атрибут scientificName, как ключ для поиска требуемой записи. Вообще говоря, ключ должен быть атрибутом объекта, который является частью агрегата, и ставится на дальнем конце связи-ассоциации. Возможно использование нескольких ключей, но значения ключей должны быть уникальны.
 

Ограничения. Как говорилось в главе 3, ограничение - это выражение некоторого семантического условия, которое должно сохраняться. Иначе говоря, ограничение - инвариант класса или связи, который должен сохраняться, если система находится в стабильном состоянии. Подчеркнем - в стабильном состоянии, потому что возможны такие переходные явления, при которых меняется состояние системы в целом и система находится во внутренне рассогласованном состоянии, так что невозможно соблюсти все наложенные ограничения. Соблюдение ограничений гарантируется только в стабильном состоянии системы.

Мы используем для ограничений украшения, похожие на те, что использовались нами для обозначения ролей и ключей: помещаем заключенное в фигурные скобки выражение ограничения рядом с классом или связью, к которым оно прилагается. Ограничение присоединяется к отдельным классам, к ассоциации в целом или к ее участникам.

На рис. 5-16 мы видим, что для класса EnviromentalController наложено ограничение на мощность, постулирующее, что в системе имеется не более 7 экземпляров этого класса. При отсутствии ограничения на мощность класс может иметь сколько угодно экземпляров. Обозначение для абстрактного класса, введенное ранее, является специальным случаем ограничения (нуль экземпляров), но так как это явление очень часто встречается в иерархиях классов, оно получило собственный тип украшения (треугольник с буквой А).

Класс Heater (нагреватель) имеет ограничение другого типа. В рисунок включено требование гистерезиса в работе нагревателя: он не может быть включен, если с момента его последнего выключения прошло меньше пяти минут. Мы прилагаем это ограничение к классу Heater, считая, что контроль за его соблюдением возложен на экземпляры класса.

На этой диаграмме изображены еще два типа ограничений: ограничение на ассоциации. В ассоциации между классами EnvironmentalController и Light требуется, чтобы отдельные источники света были уникально индексированы относительно друг друга в контексте данной ассоциации. Имеется еще ограничение, наложенное на ассоциации EnvironmentalController с классами Heater и Cooler, состоящее в том, что диспетчер не может включить нагреватель и охладитель одновременно. Это ограничение прикладывается к ассоциации, а не к классам Heater и Cooler, потому что его соблюдение не может быть поручено самим нагревателям и охладителям.

При необходимости можно включить в выражение ограничения имена других ассоциаций с помощью квалифицированных имен, использованных в проекте. Например, Cooler:: запускает однозначно именует одну из ассоциаций класса-диспетчера. В нашей системе обозначений такие выражения часто используются в ситуации, когда один класс имеет ассоциацию (например, агрегацию) с двумя (или более) другими классами, но в любой момент времени каждый его экземпляр может быть ассоциирован только с одним из объектов.

Ограничения бывают также полезны для выражения вторичных классов, атрибутов и ассоциаций [В терминологии Румбаха это называется производные сущности: для них он использует специальный значок. Нашего общего подхода к ограничениям достаточно, чтобы выразить семантику производных классов, атрибутов и ассоциации; этот подход облегчает повторное использование существующих значков и однозначное определение сущностей, от которых взяты производные]. Например, рассмотрим классы Adult (взрослые) и Child (дети), являющиеся подклассами абстрактного класса Person (Люди). Мы можем снабдить класс Person атрибутом dateofbirth (дата рождения) и добавить атрибут, называемый age (возраст), например, потому что возраст играет особую роль в нашей модели реального мира. Однако, age - атрибут вторичный: он может быть определен через dateofbirth. Таким образом, в нашей модели мы можем иметь оба атрибута, но должны указать ограничение, определяющее вывод одного из другого. Вопрос о том, какие атрибуты из каких выводятся, относится к тактике, но ограничение пригодится независимо от принятого нами решения.

Аналогично, мы могли бы иметь ассоциацию между классами Adult и Child, которая называлась бы Parent (родитель), а могли бы включить и ассоциацию, именуемую Caretaker (попечитель), если это нужно в модели (например, если моделируются официальные отношения родительства в системе социального обеспечения). Ассоциация Caretaker вторична: ее можно получить как следствие ассоциации Parent; мы можем указать этот инвариант как ограничение, наложенное на ассоциацию Caretaker.

Ассоциации с атрибутами и примечания. Последнее дополнительное понятие связано с задачей моделирования свойств ассоциаций; в системе обозначений задача решается введением элемента, который может быть приложен к любой диаграмме.

Рассмотрим пример на рис. 5-17. На нем показана ассоциация многие-ко-многим между классами Crop и Nutrient. Эта ассоциация означает, что к каждому посеву применяется N (любое число) удобрений, а каждое удобрение применяется к N (любому числу) посевов. Класс NutrientSchedule является как бы свойством этого отношения многие-ко-многим: каждый его экземпляр соответствует паре из посева и удобрения. Чтобы выразить этот семантический факт, мы рисуем на диаграмме пунктирную линию от ассоциации Crop/Nutrient (ассоциация с атрибутом) к ее свойству - классу NutrientSchedule (атрибут ассоциации). Каждая уникальная ассоциация может иметь не больше одного такого атрибута и ее имя должно соответствовать имени класса-атрибута.

Идея атрибутирования ассоциаций имеет обобщение: при анализе и проектировании появляется множество временных предположений и решений; их смысл и назначение часто теряются, потому что нет подходящего места для их хранения, а хранить все в голове - дело немыслимое. Поэтому полезно ввести обозначение, позволяющее добавлять произвольные текстовые примечания к любому элементу диаграммы. На рис. 5-17 имеется два таких примечания. Одно из них, приложенное к классу NutrientSchedule, сообщает нечто об ожидаемой уникальности его экземпляров (Выбирает из общего набора расписаний); другое (Получаем из базы данных удобрений) приложено к конкретной операции класса Nutrient и выражает наши пожелания к ее реализации.
 

Спецификации

Спецификация - это неграфическая форма, используемая для полного описания элемента системы обозначений: класса, ассоциации, отдельной операции или целой диаграммы. Просматривая диаграммы, можно относительно легко разобраться в большой системе; однако одного графического представления недостаточно: мы должны иметь некоторые пояснения к рисункам, и эту роль будут играть спецификации.

Как было сказано ранее, диаграмма - срез разрабатываемой модели системы. Спецификации же служат неграфическими обоснованиями каждого элемента обозначений. Таким образом, множество всех синтаксических и семантических фактов, нашедших свое отражение на диаграмме, должно быть подмножеством фактов, описанных в спецификации модели и согласовываться с ними. Очевидно, что важную роль в сохранении согласованности диаграмм и спецификаций может играть инструмент проектирования, поддерживающий такую систему обозначений.

В этом разделе мы рассмотрим сначала основные элементы двух важнейших спецификаций, а затем изучим их дополнительные свойства. Мы не ставим себе задачу подробного описания каждой спецификации, - оно зависит от пользовательского интерфейса конкретных сред, поддерживающих нашу систему обозначений. Мы также не будем представлять спецификации всех элементов (в частности, вне нашего внимания окажутся метакласс и отдельные типы связей). В большинстве такие спецификации или являются подмножеством более общих спецификаций, таких как спецификации классов, или ничего не добавляют к графическому представлению. Особенно важно подчеркнуть следующее: спецификация должна отражать то, что не выражено в графических элементах диаграммы; спецификации содержат ту информацию, которую лучше записать в текстовом, а не графическом виде.

Общие элементы. Все спецификации имеют как минимум следующие компоненты:

Имя: идентификатор
Определение: текст

Уникальность имени зависит от именуемого элемента. Например, имена классов должны быть уникальны по крайней мере в содержащей их категории, тогда как имена операций имеют область видимости, локальную для содержащего их класса.

Определение - это текст, идентифицирующий представленное элементом понятие или функцию и пригодный для включения в словарь проекта (который обсуждается в следующей главе).

В каждой спецификации содержатся минимальные сведения. Конечно, используемый инструмент автоматического проектирования может вводить свои собственные графы для нужд конкретной программной среды. Однако, важно указать, что независимо от того, сколько граф включает в себя спецификация, не следует навязывать разработчику дурацкие правила, по которым он обязан заполнить все части спецификации, прежде чем приступит к следующему этапу разработки. Обозначения должны облегчать разработку, а не создавать дополнительные трудности.

Спецификации класса. Каждый класс в модели имеет ровно одну спецификацию, в которой содержатся как минимум следующие пункты:

Обязанности: текст
Атрибуты: список атрибутов
Операции: список операций
Ограничения: список ограничений

Как говорилось в предыдущей главе, обязанности класса - это список предоставляемых им гарантий поведения. В следующей главе будет показано, как мы используем эту графу для регистрации обязанностей классов, которые мы открываем или изобретаем в процессе разработки.

Остальные пункты - атрибуты, операции, ограничения - соответствуют их графическим аналогам. Некоторые операции могут быть настолько важными, что следует снабдить их собственными спецификациями, которые мы обсудим ниже.

Перечисленные основные понятия могут быть представлены в терминах выбранного языка реализации. В частности, все эти сведения, как правило, однозначно фиксируются объявлением класса на C++ или спецификацией пакета в Ada.

Как говорилось в главе 3, часто поведение некоторых важных классов наилучшим образом выражается на языке конечного автомата, поэтому мы включим в спецификацию класса дополнительную графу:

Автомат: ссылка на автомат

Использование дополнительных элементов системы обозначений требует ввести в спецификацию класса следующие пункты:

Управление экспортом: открытый | реализация
Мощность: выражение

Смысл этих пунктов вполне тождественен их графическим аналогам. Параметризованные и инстанцированные классы должны включать следующий пункт:

Параметры: список формальных или фактических параметров

Следующие необязательные пункты не имеют графических аналогов; они служат, чтобы указать некоторые функциональные аспекты класса:

Устойчивость: мгновенный | постоянный
Параллельность: последовательный | охраняемый | синхронный | активный
Место в памяти: выражение

Первое из этих свойств отражает продолжительность жизни объектов класса: постоянная сущность - это та, чье состояние может пережить сам объект, в отличие от мгновенных, состояние которых пропадает с истечением времени жизни объекта.

Второе свойство показывает в какой степени класс может работать в многопоточной системе (см. главу 2). По умолчанию объекты - последовательные, то есть рассчитаны на один поток. Охраняемый и синхронный классы "выдерживают" несколько потоков. При этом охраняемый класс ожидает, что клиентские потоки как-то договариваются о взаимном исключении, с тем чтобы в каждый момент времени с ним работал только один из них. Синхронный класс сам обеспечивает взаимное исключение клиентов. Наконец, активный класс имеет свой поток.

Последний пункт содержит сведения об абсолютном или относительном потреблении памяти объектами этого класса. Мы можем использовать эту графу для подсчета размера класса или его экземпляров.

Спецификации операций. Для всех операций-членов классов и свободных подпрограмм наши спецификации включают следующие основные пункты:

Класс возвращаемого значения: ссылка на класс
Аргументы: список формальных аргументов

Эти графы можно заполнить на выбранном языке реализации. В соответствии с правилами языка можно включить еще один пункт:

Квалификация: текст

В C++, например, этот пункт может содержать утверждение о том, является ли операция статической, виртуальной, чисто виртуальной или константой.

Использование дополнительных элементов обозначений требует введения дополнительной графы:

Доступ: открытый | защищенный | закрытый | реализация

Содержание этой графы зависит от языка реализации. Например в Object Pascal все атрибуты и операции всегда открытые, в Ada операции могут быть открытыми или закрытыми, а в C++ возможны любые из четырех указанных случаев.

Использование дополнительных элементов обозначений требует также введения графы

Протокол: текст

Эта графа происходит из практики языка Smalltalk: протокол операции не имеет семантического значения, а служит просто для именования логической совокупности операций, вроде таких, как initialize-release (инициализация-освобождение) или model access (доступ к модели).

Следующие необязательные графы не имеют графических аналогов и служат для формального описания семантики операции:

Предусловия: текст | ссылка на текст программы | ссылка на диаграмму объектов
Семантика: текст | ссылка на текст программы | ссылка на диаграмму объектов
Постусловия: текст | ссылка на текст программы | ссылка на диаграмму объектов
Исключения: список исключительных ситуаций

Первые три пункта могут быть заполнены в любой из перечисленных форм. Последний содержит список исключительных ситуаций, содержащий имена соответствующих классов.

Последняя серия необязательных граф служит для описания некоторых функциональных аспектов операции:

Параллельность: последовательный | охраняемый | синхронный
Память: выражение
Время: выражение

Первые две аналогичны одноименным графам в спецификации класса. Третья - относительные или абсолютные оценки времени выполнения операции.

5.3. Диаграммы состояний и переходов

Существенное: состояния и переходы

Диаграмма состоянии и переходов показывает: пространство состояний данного класса; события, которые влекут переход из одного состояния в другое; действия, которые происходят при изменении состояния. Мы приспособили обозначения, использованные Харелом [11]: его работа предоставляет простой, но очень выразительный подход, который гораздо эффективнее традиционных автоматов с конечным числом состояний [Мы дополнили его работу применительно к объектно-ориентированному программированию, следуя предложениям Румбаха [12] и Беара и др. [13]]. Отдельная диаграмма состояний и переходов представляет определенный ракурс динамической модели отдельного класса или целой системы. Мы строим диаграммы состояний и переходов только для классов, поведение которых (управляемое событиями) для нас существенно. Мы можем также представить диаграмму состояний и переходов для управляемого событиями поведения системы в целом. Эти диаграммы используются в ходе анализа, чтобы показать динамику поведения системы, а в ходе проектирования - для выражения поведения отдельных классов или их взаимодействия.
 

Состояния. Состояние представляет собой итоговый результат поведения системы. Например, только что включенный в сеть телефон находится в начальном состоянии: его предыдущее поведение несущественно, при этом он готов к тому, чтобы позвонить или принять звонок. Если кто-нибудь поднимет трубку, телефон перейдет в состояние готовности к набору номера; в этом состоянии мы не ожидаем, что телефон зазвонит, но приготовились к беседе с одним или несколькими абонентами. Если кто-либо наберет ваш номер, а телефон находится в начальном состоянии (трубка положена), то когда вы поднимете трубку, телефон перейдет в состояние с установленным соединением, и вы сможете поговорить со звонившим.

В любой момент времени состояние объекта определяет набор свойств (обычно статический) объекта и текущие (обычно динамические) значения этих свойств. Под "свойствами" подразумевается совокупность всех связей и атрибутов объекта. Мы можем обобщить понятие состояния так, чтобы оно было применимо и к объекту, и к классу, так как все объекты одного класса "живут" в одном пространстве состояний. Это пространство может представлять собой неопределенное, хотя конечное множество возможных (но не всегда ожидаемых или желаемых) состояний. На рис. 5-18 показано обозначение, которое мы используем для отдельного состояния.

Каждое состояние должно иметь имя; если оно оказывается слишком длинным, то его можно сократить или увеличить значок состояния. Каждое имя состояния должно быть уникально в своем классе. Состояния, ассоциированные со всей системой, глобальны, то есть видимы отовсюду, а область видимости вложенных состояний (дополнительное понятие) - ограничена соответствующей подсистемой. Все одноименные значки состояний на одной диаграмме обозначают одно и то же состояние.

На значках некоторых состояний полезно указать ассоциированные с ними действия. Как показано на рис. 5-18, действия обозначаются так же, как атрибуты и операции в значке класса. Мы можем увеличить значок, чтобы увидеть весь список действий, или, если нет необходимости указывать действия, можно удалить разделяющую линию и оставить только имя [Для совместимости с обозначениями Харела разделяющую линию можно вообще убрать]. Ассоциацию действий с состояниями мы обсудим позднее.
 

Переходы. Событием мы называем любое происшествие, которое может быть причиной изменения состояния системы. Изменение состояний называется переходом. На диаграмме переходов и состояний он изображается значком, показанным на рис. 5-19. Каждый переход соединяет два состояния. Состояние может иметь переход само в себя; обычно есть несколько различных переходов в одно и тоже состояние, но все переходы должны быть уникальны в том смысле, что ни при каких обстоятельствах не может произойти одновременно два перехода из одного состояния.

Например, в поведении гидропонной теплицы играют роль следующие события:

• Посажена новая партия семян
.
• Урожай созрел и готов к сбору
.
• Из-за плохой погоды упала температура в теплице
.
• Отказало охлаждающее устройство
.
• Наступил заданный момент времени.

Каждое из первых четырех перечисленных выше событий, вероятно, вызывает некоторое действие - например, начало или остановку выполнения некоторого плана сельскохозяйственных работ по посеву, включение нагревателя или посылку сигнала тревоги технику, обслуживающему систему. Отсчет времени - это другое дело: хотя секунды и минуты не имеют значения (посевы растут, очевидно, не так быстро), наступление нового часа или суток может вызвать некоторый сигнал, например, включить/выключить лампочки и изменить температуру в теплице, чтобы имитировать смену дня и ночи, необходимую для роста растений.

Действием мы называем операцию, которая, с практической точки зрения, требует нулевого времени на выполнение. Например, включение сигнала тревоги - действие. Обычно действие означает вызов метода, порождение другого события, запуск или остановку процесса. Деятельностью мы называем операцию, требующую некоторого времени на свое выполнение. Например, нагрев воздуха в теплице - деятельность, запускаемая включением нагревателя, который может оставаться включенным неопределенное время, до тех пор, пока не будет выключен явной командой.

Модель событий, передающих сообщения, которую предложил Харел, концептуально безупречна, но ее нужно приспособить к объектному подходу. При анализе мы можем давать предварительные названия событиям и действиям, в общих чертах отражая наше понимание предметной области. Однако, отображая эти понятия на классы, мы должны предложить конкретную стратегию реализации.

Событие может быть представлено символическим именем (или именованным объектом), классом или именем некоторой операции. Например, событие CoolerFailure (неисправность охлаждающего устройства) может обозначать либо литерал, либо имя объекта. Мы можем придерживаться той стратегии, что все события являются символическими именами и каждый класс с поведением, управляемым событиями, имеет операцию, которая распознает эти имена и выполняет соответствующие действия. Такая стратегия часто используется в архитектурах типа модель-представление-котроллер (model-view-controller), которая пришла из языка Smalltalk. Для большей общности можно считать события объектами и определить иерархию классов, которые представляют собой абстракции этих событий. Например, можно определить общий класс событий DeviceFailure (неисправность устройства) и его специализированные подклассы, такие как CoolerFailure (неисправность охлаждающего устройства) и HeaterFailure (неисправность нагревателя). Теперь извещение о событии можно связать с экземпляром класса-листа (например, CoolerFailure) или более общего суперкласса (DeviceFailure). И если выполнение некоторого действия назначено только при возникновении события класса CoolerFailure, то это означает, что все другие случаи отказа устройств должны намеренно игнорироваться. С другой стороны, если выполнение действия связано с событием DeviceFailure, то действие должно выполняться независимо от того, на каком устройстве произошел сбой. Продолжая в том же духе, мы можем сделать так, чтобы переходы из состояния в состояние были полиморфны относительно классов событий. Наконец, можно определить событие просто как операцию, такую как GardeningPlan::execute(). Это похоже на подход, который трактует события как имена, но в отличие от него здесь не требуется явного диспетчера событий.

Для нашего метода несущественно, какая из этих стратегий выбрана для разработки, если она последовательно проводится во всей системе. Обычно в замечаниях указывается, какая стратегия использована для данного конкретного автомата.

Действие можно записывать, используя синтаксис, показанный в следующих примерах:

• heater.startUp() - действие
• DeviceFailure - произошло событие
• start Heating - начать некоторую деятельность
• stop Heating - прекратить деятельность.

На каждой диаграмме состояний и переходов должно присутствовать ровно одно стартовое состояние; оно обозначается немаркированным переходом в него из специального значка, изображаемого в виде закрашенного кружка. Иногда бывает нужно указать также конечное состояние (обычно автомат, ассоциированный с классом или системой в целом, никогда не достигает конечного состояния; этот автомат просто перестает существовать после того, как содержащий его объект уничтожается). Мы обозначаем конечное состояние, рисуя немаркированный переход от него к специальному значку, изображаемому как кружок с закрашенной серединой.
 

Пример. До сих пор вводились значки, описывающие существенные элементы диаграмм состояний и переходов. В совокупности они предоставляют разработчику систему обозначений, достаточную для моделирования простого конечного плоского автомата, пригодного для описания приложений с ограниченным числом состояний. Системы, имеющие много состояний или обладающие сильно запутанным событийным поведением, которое описывается переходами по условию или в результате предыдущих состояний, требуют для построения диаграмм переходов более сложных понятий.

На рис. 5-20 показан пример использования существенных обозначений. Пример опять описывает гидропонную систему. Мы видим диаграмму состояний и переходов для класса EnvironmentalController, впервые введенного на рис. 5-5.

На этой диаграмме все события представляются символическими именами. Мы видим, что все объекты этого класса начинают свою жизнь в начальном состоянии Idle (ожидание); затем они изменяют свое состояние по событию Define climate, для которого не предполагается явных действий (считается, что это событие, то есть ввод климатического задания, происходит только в дневное время). Дальше динамическое поведение этого класса состоит в переключении между со-стояниями Daytime и Nighttime (день и ночь); оно определяется событиями Sunrise и Sunset (восход и закат) соответственно; с этими событиями связаны действия по изменению освещения. В обоих состояниях событие понижения или повышения температуры в теплице вызывает обратную реакцию (операция adjustTemperature(), которая является локальной в этом классе). Мы возвращаемся в состояние Idle, когда поступит событие Terminate climate, то есть будет отменено климатическое задание.

Дополнительные понятия

Элементы диаграмм состояний и переходов, которые мы только что описали, недостаточны для многих случаев сложных систем. По этой причине мы расширим наши обозначения, включив семантику карт состояний, предложенную Харелом.
 

Действия, ассоциированные с состояниями и условные переходы. Как показано на рис. 5-18, с состояниями могут быть ассоциированы действия. В частности, можно назначить выполнение некоторого действия на входе или выходе из состояния, при этом используется синтаксис следующих примеров:

• entry start Alarm - запуск процедуры при входе в состояние
• exit shutDown() - вызов операции при выходе из состояния.

Деятельность можно ассоциировать с состоянием, используя синтаксис следующего примера:

• do Cooling - в данном состоянии заниматься этой деятельностью.

На рис. 5-21 мы видим пример использования этих обозначений. При входе в состояние Heating (нагревание) вызывается операция Heater::startUp(), а при выходе - операция Heater::shutDown(), то есть происходит запуск и остановка нагревания. При входе и выходе из состояния Failure (сбой), соответственно вызывается и прекращается сигнал тревоги (Alarm).

Рассмотрим также переход из состояния Idle в состояние Heating. Он совершается, если температура понизилась, но только в случае, если прошло больше пяти минут после того, как последний раз был выключен нагреватель. Это пример условного (или защищенного) перехода; условие представляется логическим выражением в скобках.

Вообще, каждый переход может быть ассоциирован либо с событием, либо с событием и условием. Допускаются и "переходы без события". В этом случае переход совершается сразу после завершения действия, связанного с состоянием, причем выполняется и действие, связанное с выходом из этого состояния. Если переход условный, он состоится только в случае, если условие выполнено.

Имеет значение порядок выполнения условного перехода. Пусть имеется состояние S, из которого при событии E совершается переход T с условием C и действием A. Переход T осуществляется в такой последовательности:

• Происходит событие E.
• Проверяется условие C.
• Если C удовлетворено, то выполняется переход T и действие A.

Мы можем использовать еще и следующий синтаксис:

• in Cooling - выражение для текущего состояния.

Можно использовать в условии и выражение, налагающее ограничения по времени:

• timeout (Heating, 30) - выражение ограничения по времени.

Что случится, если некое событие произойдет, а перейти в другое состояние нельзя либо потому, что не существует перехода для данного события, либо не выполняется условие перехода? По умолчанию это надо считать ошибкой: игнорирование событий обычно является признаком неполного анализа задачи. Вообще, для каждого состояния нужно документировать события, которые оно намеренно игнорирует.

Вложенные состояния. Возможность вложения состояний друг в друга придает глубину диаграммам переходов; эта ключевая особенность карт состояний Харела предотвращает комбинаторный взрыв в структуре состояний и переходов, который часто случается в сложных системах.

На рис. 5-21 показаны внутренние детали состояния Cooling, то есть вложенные в него состояния; для простоты мы опустили все его действия, включая действия при входе и выходе.

Объемлющие состояния, такие, как Cooling, называются суперсостояниями, а вложенные, такие, как Running, - подсостояниями. Вложенность может достигать любой глубины, то есть подсостояние может быть суперсостоянием для вложенных состояний более низкого уровня. Данное суперсостояние Cooling содержит три подсостояния. Семантика вложенности подразумевает отношение xor (исключающее или) для вложенных состояний: если система находится в состоянии Cooling (охлаждение), то она находится ровно в одном из подсостояний Startup (начальное), Ready (готовность) или Running (выполнение).

Чтобы проще ориентироваться в диаграмме переходов с вложенными состоя-ниями мы можем увеличить или уменьшить ее масштаб относительно выбранного состояния. При уменьшении вложенные состояния исчезают, а при увеличении проявляются. Переходы в скрытые на диаграмме подсостояния и выходы из них показываются стрелкой с черточкой, как переход в состояние Ready на рисунке [Если быть точными, то переходы Too hot и Ok относительно состояния Cooling также должны быть показаны на рис. 5-21 с черточкой, так как это переходы между подсостояниями].

Переходам между состояниями разрешено начинаться и кончаться на любом уровне. Рассмотрим различные формы переходов:

• Переход между одноуровневыми состояниями (такой, как из Failure в Idle или из Ready в Running) - простейшая форма перехода; его семантика описана в предыдущем разделе.
• Можно совершить переход непосредственно в подсостояние (как из Idle в Startup), или непосредственно из подсостояния (как из Running в Idle), или одновременно и то, и другое.
• Указание перехода из суперсостояния (как из Cooling в Failure через событие Failure) означает, что он осуществляется из каждого подсостояния этого суперсостояния. Такой переход пронизывает все уровни до переопределения. Это упрощает диаграмму за счет удаления банальных переходов, общих для всех подсостояний.
• Указание перехода в состояние с вложенными подсостояниями (например, предыдущий переход в состояние Failure) подразумевает переход к его начальному подсостоянию (по умолчанию).

Спецификации

Каждый элемент диаграммы переходов может иметь спецификацию, которая дает его полное определение. В отличие от спецификаций классов, спецификации переходов и состояний ничего не добавляют к уже описанному в этом разделе, поэтому нет необходимости обсуждать их специально.

5.4. Диаграммы объектов

Существенное: объекты и их отношения

Диаграмма объектов показывает существующие объекты и их связи в логическом проекте системы. Иначе говоря, диаграмма объектов представляет собой мгновенный снимок потока событий в некоторой конфигурации объектов. Таким образом, диаграммы объектов являются своего рода прототипами: каждая представляет взаимодействие или структурные связи, которые могут возникнуть у данного множества экземпляров классов, безотносительно к тому, какие конкретно экземпляры участвуют в этом взаимодействии. В таком смысле, отдельная диаграмма объектов есть ракурс структуры объектов системы. При анализе мы используем диаграммы объектов для показа семантики основных и второстепенных сценариев, которые отслеживают поведение системы. При проектировании мы используем диаграммы объектов для иллюстрации семантики механизмов в логическом проектировании системы. Существенные элементы диаграммы объектов - объекты и их отношения.
 

Объекты. На рис. 5-23 показан значок, который изображает объект на диаграмме объектов. Как и в диаграммах классов, можно провести горизонтальную линию, разделяющую текст внутри значка объекта на две части: имя объекта и его атрибуты.

Имя объекта следует синтаксису для атрибутов, и может быть либо записано в одной из трех следующих форм:

• A - только имя объекта
• :C - только класс объектов
• A:C - имя объекта и класса

Смысл неквалифицированных имен зависит от контекста диаграммы объектов. Более точно: диаграммы объектов, определенные на самом верхнем уровне системы, имеют глобальную область видимости; другие диаграммы объектов могут быть определены для категорий классов, отдельных классов или отдельных методов, а, значит, иметь соответствующие области видимости. Квалифицированное имя может быть использовано при необходимости явной ссылки на глобальные объекты, переменные классов (статические элементы в C++), параметры методов, атрибуты или локально определенные объекты в той же области видимости.

Если не указать класс объекта - ни явно, использовав ранее упомянутый синтаксис, ни косвенно, через спецификацию объекта, - то класс рассматривается как анонимный, при этом нельзя провести семантическую проверку ни операций, совершаемых над объектом, ни его связей с другими объектами на диаграмме. Если же указать только класс, то анонимным считается объект. Каждый значок без имени объекта обозначает отдельный анонимный объект.

В любом случае, имя класса объекта должно быть именем настоящего класса (или любого из его суперклассов) в области видимости диаграммы, использованного для инстанцирования объекта, даже если этот класс - абстрактный. Эти правила позволяют написать сценарий, не зная точно, к каким подклассам принадлежат объекты.
 

На значках объектов бывает полезно указать несколько их атрибутов. "Несколько" - так как значок объекта представляет только один какой-то ракурс его структуры. Синтаксис атрибутов совпадает с описанным ранее синтаксисом атрибутов класса и позволяет указать выражение, используемое по умолчанию. Имена атрибутов объектов должны соответствовать атрибутам, определенным в классе объекта, или в любом из его суперклассов. Синтаксис имен атрибутов может быть приспособлен к синтаксису языка реализации.

Диаграмма объектов может также включать значки, обозначающие утилиты классов и метаклассы: эти понятия подобны объектам, так как они могут действовать как объекты, и с ними можно оперировать как с объектами.

Отношения между объектами. Как говорилось в главе 3, объекты взаимодействуют с другими объектами через связи, обозначение которых показано на рис. 5-24. Подобно тому, как объект является экземпляром класса, связь является экземпляром ассоциации.

Связь между двумя объектами (включая утилиты классов и метаклассы) может существовать тогда и только тогда, когда существует ассоциация между соответствующими классами. Ассоциация между классами может проявляться различными способами, например, как простая ассоциация, отношение наследования или отношение включения. Следовательно, существование ассоциаций между двумя классами означает существование коммуникации (то есть канала связи) между их экземплярами, по которой объекты могут посылать друг другу сообщения. Все классы неявно имеют ассоциации сами с собой и, следовательно, объект может послать сообщение сам себе.

Пусть имеются объекты A и B и связь L между ними. Тогда A может вызвать любую операцию, имеющуюся в классе B и доступную A. То же верно для операций над A, вызываемых B. Объект, вызывающий операцию, называется объект-клиент, а объект, который предоставляет операцию, - объект-сервер. Обычно отправитель сообщения знает получателя, но обратное необязательно.

В установившемся состоянии структуры классов и объектов системы должны быть согласованы. Если мы показываем на диаграмме операцию M на классе B, вызванную по связи L, то м должна быть объявлена в спецификации B, или в спецификациях его суперклассов.

Как показано на рис. 5-24, рядом с соответствующей связью на диаграмме можно записать набор сообщений. Каждое сообщение состоит из следующих трех элементов:

• D - символ синхронизации, обозначающий направление вызова
• M - вызов операции или извещение о событии
• S - необязательный порядковый номер.

Вызов операции - наиболее общая форма сообщения. Она подчиняется ранее описанному синтаксису операций, но, в отличие от него, здесь могут быть приведены фактические параметры, подходящие к сигнатуре операции:

• N() - только имя операции
• RN(arguments) - возвращаемое значение, имя и фактические параметры операции.

Сообщение может извещать о событии. Оно подчиняется определенному ранее синтаксису событий, и, следовательно, может представлять символьное имя, объект или имя некоторой операции. Во всяком случае, имя события должно быть определено на соответствующей классу объекта-сервера диаграмме переходов и состояний. Если извещение о событии является операцией, то оно может включать фактические параметры.

Если порядковый номер явно не указан, то сообщение может быть послано независимо от других сообщений, указанных на данной диаграмме объектов. Чтобы указать явный порядок событий, мы можем их пронумеровать. Нумерация начинается с единицы и добавляется как необязательный префикс к вызову операции или извещению о событии. Порядковый номер показывает относительный порядок посылки сообщений. Сообщения с одинаковыми номерами не упорядочены друг относительно друга; сообщение с меньшим порядковым номером посылается до сообщения с большим номером. Повторение порядковых номеров или их отсутствие говорит о частичной упорядоченности сообщений.

Пример. На рис. 5-25 показана диаграмма объектов для нашего тепличного хозяйства в контексте категории классов Planning (планирование; описана на рис. 5-7). Цель этой диаграммы - проиллюстрировать сценарий выполнения обычной функции системы, а именно, прогнозирование затрат на сбор урожая некоторого посева.

Выполнение этой функции требует сотрудничества нескольких различных объектов. Сценарий начинается с вызова объектом PlanAnalyst (анализатор планов) операции timeToHarvest() (время собирать урожай) над утилитой класса PlanMetrics (параметры планов). При этом объект с передается как фактический параметр операции. Затем утилита PlanMetrics вызывает операцию status() (состояние) на некотором неименованном объекте класса GardeningPlan (план выращивания). В пояснении говорится: "Надо проверить, что этот план действительно выполняется". В свою очередь, объект GardeningPlan вызывает операцию maturationTime() (время созревания) на выбранном объекте класса GrainCrop (посев зерновых), запрашивающую ожидаемое время созревания посева. Когда эта операция-селектор будет выполнена, управление возвращается объекту класса PlanAnalyst, который затем непосредственно вызывает операцию C.yield(), унаследованную от суперкласса (операция Crop::yield()). Управление снова возвращается объекту класса PlanAnalyst, который продолжает сценарий, выполняя над собой операцию netCost().
 

На диаграмме показана связь между объектами классов PlanAnalyst и GardeningPlan. Хотя сообщения между ними не посылаются, связь отражает существование семантической зависимости между этими объектами.

Дополнительные понятия

То, что мы описали, составляет существенные элементы диаграммы объектов. Однако многие запутанные вопросы разработки требуют некоторого расширения используемых обозначений. Мы предупреждали при описании диаграмм классов и хотим подчеркнуть опять: дополнительные понятия должны использоваться только при необходимости.

Роли, ключи и ограничения. Выше мы говорили, что на диаграмме классов при изображении ассоциации рядом с нею может быть написана ее роль, обозначающая намерение или мощность связи одного класса с другим. Для некоторых диаграмм объектов полезно заново написать эту роль при указании связи между объектами. Такая метка помогает объяснить, почему один объект оперирует над другим.

Рис. 5-26 дает пример использования этого дополнительного обозначения. Здесь мы видим, что некоторый объект класса PlanAnalyst заносит информацию об определенном посеве (Crop) в анонимный объект CropEncyclopedia (энциклопедия посевов) и делает это, пока находится в роли Автор.

Используя те же обозначения, что и для диаграммы классов, мы можем указать ключи или ограничения, ассоциированные с объектом или связью.

Поток данных. Как было описано в главе 3, данные могут передаваться по или против направления посылки сообщения. Иногда явное указание направления передачи данных помогает объяснить семантику конкретного сценария. Мы используем для этого значок, заимствованный из обозначений структурного проектирования. На рис. 5-26 дан пример его использования: здесь показано, что после завершения сообщения insert (вставить) возвращается значение succeeded (успех). Передаваться и возвращаться может либо объект, либо значение.
 

Видимость. В некоторых запутанных сценариях полезно указать точно, насколько один объект видит другие. Ассоциации на диаграммах классов обозначают семантическую зависимость между классами, но не указывают точно, насколько их экземпляры видят друг друга. С этой целью мы можем украсить связи на наших диаграммах значками, иллюстрирующими видимость одного объекта другим. Эта информация важна и для инструментальных программ, генерирующих код, или наоборот, восстанавливающих по коду логическую модель.

Рис. 5-27 уточняет рис. 5-25 и содержит несколько украшений, дающих информацию о видимости. Они похожи на украшения для физического вхождения на диаграмме классов. Внутри этих украшений помещены буквенные обозначения типа видимости.

Например, канал связи от объекта PlanAnalyst к утилите классов PlanMetrics помечен буквой G; это значит, что утилита класса глобальна. Объект C по-разному виден объекту PlanAnalyst и объекту GardeningPlan: с точки зрения первого объект с класса GrainCrop виден как параметр некоторой операции (обозначается буквой P); с точки зрения второго C виден как атрибут или поле, то есть как часть агрегированного объекта (обозначен буквой F (field)).

Вообще, для указания видимости могут быть использованы следующие обозначения:

• G - сервер глобален для клиента
• P - сервер является параметром некоторой операции клиента
• F - сервер является частью клиента
• L - сервер локально определен в области видимости клиента.

Активные объекты и синхронизация. Как отмечалось в главе 3, некоторые объекты могут быть активными, то есть им отводится отдельный поток управления. Другие объекты могут существовать только в однопоточной среде. Третьи, будучи по природе однозадачными, гарантированно переносятся в многопоточную среду.

В каждом из этих случаев мы должны ответить на два вопроса: как выделить активные объекты, управляющие сценарием, и как представить различные формы синхронизации объектов.

Ранее, говоря о дополнительных элементах спецификаций класса, мы заметили, что есть четыре типа семантики: последовательная, защищенная, синхронизированная и активная. По существу, все объекты класса наследуют соответствующую семантику класса; все объекты считаются последовательными, если явно не указано обратное. Мы можем явно показать многозадачную семантику объекта на диаграмме объектов, указав в левом нижнем углу значка объекта одно из слов sequential, guarded, synchronous или active. Например, на рис. 5-28 мы видим, что объекты H, C и некий экземпляр класса EnvironmentalController - активные. Немаркированные объекты, такие как L, считаются последовательными.

Символ синхронизации сообщений, введенный ранее (простая стрелка), представляет обычную последовательную передачу сообщения. Однако, при наличии нескольких потоков управления мы должны указывать и другие формы синхронизации. Пример на рис. 5-28, возможно, несколько надуманный, иллюстрирует различные типы синхронизации сообщений, которые могут появиться на диаграмме объектов. Сообщение turnOn() (включить) - пример простой посылки сообщения; оно изображается простой стрелкой. Семантика простой посылки сообщения гарантирована только в однопоточной среде. Остальные сообщения из этого примера используют некоторые формы синхронизации процессов. Все такие дополнительные виды синхронизации применяются только к серверам, которые не являются последовательными.
 

Например, сообщение startUp() - синхронизированное, то есть клиент будет ждать до тех пор, пока сервер не примет сообщение. Посылка синхронизированного сообщения эквивалентна механизму свиданий задач в языке Ada (rendezvous). В случае сообщения isReady() клиент отложит сообщение, если сервер не сможет его немедленно обработать. Сообщение restart() будет отложено клиентом, если сервер не может его обработать за указанный промежуток времени.

В каждом из трех последних случаев клиент должен ждать, пока сервер обработает сообщение, или отложить пересылку, после чего может быть возобновлено управление. Сообщение failure имеет другую семантику. Это пример несинхронизированного сообщения, которое подразумевает, что клиент посылает событие серверу для обработки, сервер ставит сообщение в очередь, а клиент продолжает работать. Такие асинхронные сообщения сродни прерываниям.

Расписание. В программах, имеющих ограничения по времени, важно отслеживать чистое время с момента начала каждого сценария. Для обозначения относи тельного времени (в секундах) мы ставим знак плюс. Например, на рис. 5-29 сообщение startUp() вызывается в первый раз спустя 5 секунд после начала сценария далее, через 6.5 секунд после начала сценария следует сообщение ready() и затем, спустя 7 секунд после начала сценария, - сообщение turnOn().

Спецификации

Как и для диаграмм классов, за каждым элементом диаграммы объектов могут стоять спецификации. Спецификации объектов и их связей не несут никакой иной информации, кроме уже описанной. С другой стороны, спецификации диаграмм объектов как целого могут сообщить кое-что важное. Как упоминалось ранее, каждая диаграмма объектов существует в контексте. В спецификации контекст указывается следующим образом:

Context: глобальный | категория | класс | операция

В частности, область видимости диаграммы объектов может быть глобальной, или в контексте указанной категории классов, класса или операции (включая, как методы, так и свободные подпрограммы).
 

Существенное: объекты и их взаимодействия

Диаграмма взаимодействии используется, чтобы проследить выполнение сценария в том же контексте, что и диаграмма объектов [Эти диаграммы обобщают диаграммы трассировки событий Румбаха и диаграммы взаимодействий Джекобсона [15]]. В известной степени диаграмма взаимодействия есть просто другой способ представления диаграммы объектов. Например, на рис. 5-30 мы видим диаграмму взаимодействия, которая дублирует большую часть семантики диаграммы объектов, показанной на рис. 5-25. Преимущество диаграммы взаимодействий в том, что на ней легче читается порядок посылки сообщений, а преимущество диаграммы объектов в том, что она лучше подходит для многих объектов со сложными вызовами и допускает включение другой информации: связи, значения атрибутов, роли, блок-схемы и видимость. Так как оба типа диаграмм имеют неоспоримые достоинства, мы пользуемся в нашем методе обоими [Диаграммы объектов и диаграммы взаимодействий настолько близки по семантике, что инструментальные средства могут генерировать одну диаграмму из другой с минимальной потерей информации].

Диаграммы взаимодействия не вводят новых понятий или обозначений. Скорее, они берут существенные элементы диаграммы объектов и перестраивают их. Как показывает рис. 5-30, диаграмма взаимодействий внешне напоминает таблицу. Имена объектов диаграммы взаимодействий (те же, что и на диаграмме объектов) записываются горизонтально в верхней ее строке. Под каждым из них рисуется вертикальная пунктирная линия. Отправления сообщений (которые могут обозначать события или вызовы операций) показываются горизонтальными стрелками, с тем же синтаксисом и обозначениями синхронизации, что и на диаграмме объектов. Линия, обозначающая посылку сообщения, проводится от вертикали клиента к вертикали сервера. Первое сообщение показывается на самом высоком уровне, второе ниже и т.д., таким образом отпадает надобность в их порядковых номерах.

Диаграммы взаимодействий часто лучше диаграмм объектов передают семантику сценариев на ранних этапах жизненного цикла разработки, когда еще не идентифицированы протоколы отдельных классов. Как мы расскажем в следующей главе, в начале разработки диаграммы взаимодействий обычно сконцентрированы скорее на событиях, чем на операциях, потому что события помогают определить границы системы. Когда же уточнились структуры классов, акцент смещается к диаграммам объектов, семантика которых более выразительна.
 

Дополнительные понятия

Диаграммы взаимодействия концептуально очень просты, но есть два поясняющих элемента, которые позволяют сделать их более выразительными при наличии сложных шаблонов взаимодействия.

Пояснения. Для сложных сценариев, использующих условия или итерации, диаграмма объектов может быть дополнена пояснениями. Как показано на примере (рис. 5-31), пояснения могут быть подписаны к любому сообщению слева от диаграммы на соответствующем уровне простым текстом, с элементами структуризации, или с использованием синтаксиса языка реализации.

Передача управления. Ни простейшие диаграммы объектов, ни диаграммы взаимодействий не показывают передач управления. Например, если мы показали, что объект A посылает сообщения X и Y другим объектам, то остается неясным, являются ли сообщения X и Y независимыми сообщениями из A или они были вызваны как части некоторого объемлющего сообщения Z. Как показано на рис. 5-31, мы можем нарисовать на вертикальной линии каждого объекта полоски, показывающие периоды, когда управление находится в этом объекте. На этом примере мы видим, что всем руководит анонимный экземпляр класса GardeningPlan, который, выполняя климатический план, вызывает другие методы, которые, в свою очередь,вызывают следующие методы, и, в конце концов, управление возвращается обратно к нему же.

5.6. Диаграммы модулей

Существенное: модули и их зависимость

Диаграмма модулей показывает распределение классов и объектов по модулям в физическом проектировании системы. Каждая отдельная диаграмма модулей представляет некоторый ракурс структуры модулей системы. При разработке мы используем диаграмму модулей, чтобы показать физическое деление нашей архитектуры по слоям и разделам.

Некоторые языки, особенно Smalltalk, не имеют ничего подобного физической архитектуре, сформированной модулями; в таких случаях диаграммы модулей не употребляют.

Основными элементами диаграммы модулей являются модули и их зависимости.

Модули. На рис. 5-32 сведены обозначения различных типов модулей. Первые три значка - это файлы, различающиеся своими функциями. Значок главной программы обозначает файл, содержащий корневую программу. В C++, например, это соответствовало бы некоторому файлу с расширением .cpp содержащему привилегированную функцию-неэлемент, называемую main. Обычно существует ровно один такой модуль на программу. Значок описания и значок тела обозначают файлы, которые содержат, соответственно, описания и реализации. В C++, например, модуль описаний соответствует заголовочному файлу с расширением .h, а модуль тела - файлу с текстом программы с расширением .cpp.
 

Смысл значка подсистемы мы раскроем в следующем разделе. Каждый модуль должен иметь имя; обычно это имя соответствующего физического файла в каталоге проекта. Как правило, такие имена пишутся без суффиксов, которые опознаются по типу значка. Если имя чересчур длинно, мы, как обычно, либо сокращаем его, либо расширяем значок. Каждое полное имя файла должно быть уникально в содержащей его подсистеме. В соответствии с правилами конкретной среды разработки, мы можем наложить ограничения на имена, такие, как условие на префиксы или требование уникальности в системе.

Каждый модуль содержит либо описание, либо определение классов и объектов, а также другие конструкции языка. По идее, "раскрыв" значок модуля на диаграмме, мы должны попасть внутрь соответствующего файла.
 

Зависимости. Единственная связь, которая может существовать между двумя модулями, - компиляционная зависимость - представляется стрелкой, выходящей из зависимого модуля. В C++, например, мы указываем такую зависимость директивой #include. Аналогично, в Ada компиляционная зависимость указывается фразой with. В множестве компиляционных зависимостей не могут встречаться циклы. Чтобы определить частичную упорядоченность компиляций, достаточно выполнить частичное упорядочение структуры модулей системы.

Пример. На рис. 5-33 показан пример обозначений модулей, в архитектуре системы тепличного гидропонного хозяйства. Мы видим здесь шесть модулей. Два из них, climatedefs и cropdefs, являются только описаниями и служат для предоставления общих типов и констант. Остальные четыре включают в себя и тела, и описания: это типичный стиль построения диаграмм модулей, так как описания и тела очень тесно связаны. На рисунке эти две части совмещены, и зависимость тела от описания получилась скрытой, хотя реально она существует. Также оказалось скрытым имя тела, но, по нашему соглашению, имена тела и описания различаются лишь суффиксами (.cpp и .h).

Зависимости на этой диаграмме предполагают частичное упорядочение компиляции. Например, тело модуля climate зависит от описания heater, которое, в свою очередь, зависит от описания climatedefs.Существенное: подсистемы. Как объяснялось в главе 2, большие системы могут быть разложены на несколько сотен, если не тысяч, модулей. Пытаться разобраться в физической архитектуре такой системы без ее дополнительного структурирования почти безнадежно. На практике разработчики стремятся следовать неформальному соглашению собирать связанные между собой модули в структуры типа каталогов. По этим соображениям мы введем понятие подсистемы на диаграмме модулей. Подсистемы представляют собой совокупности логически связанных модулей, примерно как категория классов представляет совокупность классов.

Подсистемы. Подсистемы служат частями физической модели системы. Подсистема - это агрегат, содержащий другие модули и другие подсистемы. Каждый модуль в системе должен жить в одной подсистеме или находиться на самом верхнем уровне.

На рис. 5-32 показано обозначение подсистемы. Как и модуль, подсистема должна быть именованной. Имена подсистем подчиняются тем же правилам, что и имена модулей, хотя полное имя подсистемы обычно не содержит суффиксов.

Некоторые модули, содержащиеся в подсистеме, могут быть общедоступны, то есть экспортированы из системы и видимы снаружи. Другие модули могут быть частью реализации подсистемы и не предназначаться для использования внешними модулями. По соглашению, каждый модуль подсистемы считается общедоступным, если явно не указано обратное. Ограничение доступа к модулям реализации достигается использованием тех же обозначений, что и для ограничения доступа в категории классов.

Подсистема может зависеть от других подсистем и модулей; модуль может также зависеть от подсистемы. Для единообразия мы используем прежнее обозначение зависимости. Система имеет один высший уровень, состоящий из подсистем и модулей высшего уровня абстракции. По его диаграмме разработчик получает представление об общей физической архитектуре системы.

Пример. На рис. 5-34 показан высший уровень диаграммы модулей для нашей системы тепличного хозяйства. Раскрыв любую из показанных семи подсистем, мы обнаружим все ее модули.
 

Дополнительные понятия

Другие типы модулей. Некоторые языки, прежде всего Ada, определяют типы модулей, отличные от простейших, показанных на рис. 5-32. Например, Ada предусматривает обобщенные пакеты, обобщенные подпрограммы и задачи как раздельно компилируемые единицы. Поэтому есть основания дополнить основные обозначения значками типов модулей, специфических для данного языка.

Сегментация. Для платформ, имеющих ограничения по адресации или физической памяти, может быть принято решение генерировать код в различных сегментах, или даже организовать оверлейную структуру. Чтобы отразить такую сегментацию обозначения диаграммы модулей можно дополнить, снабдив каждый модуль меткой, обозначающей соответствующий сегмент кода или данных.

Спецификации. Так же, как диаграммы классов и объектов, каждый элемент диаграммы модулей может иметь спецификацию, которая определяет его полностью. Спецификации модулей и их зависимостей содержат только ту информацию, которая уже описана в этом разделе, поэтому мы не будем их рассматривать.

В интегрированной инструментальной среде, поддерживающей наши обозначения, разумно использовать диаграммы модулей для визуализации программных модулей системы. "Раскрытие" модуля или подсистемы на диаграмме модулей открывает соответствующий физический файл или каталог и наоборот.

5.7. Диаграммы процессов.

Существенное: процессоры, устройства и соединения

Диаграммы процессов используются, чтобы показать распределение процессов по процессорам в физическом проекте системы. Отдельная диаграмма процессов показывает один ракурс структуры процессов системы. При разработке проекта мы используем диаграмму процессов, чтобы показать физическую совокупность процессоров и устройств, обеспечивающих работу системы.

Основные элементы диаграммы процессов - процессоры, устройства и их соединения.

Процессоры. На рис. 5-35 показано обозначение процессора. Процессор - часть аппаратуры, способная выполнять программы. Каждый процессор должен иметь имя; никаких особых ограничений на имена процессоров нет, так как они обозначают "железо", а не программы.

Мы можем дополнить значок процессора списком процессов. Каждый процесс в таком списке обозначает или главную программу (функцию main из диаграммы модулей) или имя активного объекта (из диаграммы объектов).

Устройства. На рис. 5-35 показано обозначение устройства. Устройство - это часть аппаратной платформы, не способная выполнять программы (по крайней мере, в нашей логической модели). Как и процессорам, устройствам требуются имена, на которые не накладывается никаких существенных ограничений.
 

Соединения. Процессоры и устройства должны сообщаться друг с другом. На диаграмме процессов мы изображаем соединения между ними ненаправлеными линиями. Соединение обычно представляет непосредственную связь между аппаратурой, например, RS232, Ethernet, или даже доступ к разделяемой памяти, но эта связь может быть и не прямой, например, "Земля-спутник". Соединения обычно считаются двунаправленными, но при необходимости к их обозначению можно добавить стрелку, чтобы указать направление. Любое соединение может иметь необязательную именующую его метку.

Пример. На рис. 5-36 представлен пример использования этих обозначений, описывающий физическую архитектуру тепличной системы. Мы видим, что разработчики решили использовать четыре компьютера, один в качестве рабочего места оператора и по одному на каждую теплицу. Процессы, запущенные на выделенных теплицам компьютерах, не могут сообщаться друг с другом непосредственно, а только через рабочую станцию. Для простоты мы решили не показывать на этой диаграмме никаких устройств, хотя предполагаем, что система содержит большое число исполнительных устройств и датчиков.

Дополнительные понятия

Обозначения. На рис. 5-35 показаны стандартные обозначения, которые мы используем для процессора и устройства, но разумно и даже желательно учесть возможность их изменения. Например, можно было бы ввести специальные значки для встроенного микрокомпьютера (процессор), диска, терминала и выпрямителя тока (устройства), и использовать их на диаграммах процессов вместо стандартных. Поступая таким образом, мы предлагаем визуализацию физической платформы нашей реализации, которая предназначена непосредственно техникам и системщикам, а также конечным пользователям системы, которые, вероятно, не являются специалистами в разработке программного обеспечения.

Вложенность. Физическая конфигурация системы бывает очень сложной и может представлять собой иерархию процессоров и устройств. В таких случаях полезно иметь возможность выделить группы процессоров, устройств и соединений, так же, как категории классов представляют логическое группирование классов и объектов. Мы изображаем такие группы именованными пунктирными прямоугольниками с закругленными углами. Мы можем раскрыть такой значок на диаграмме процессов и обнаружить вложенные процессоры и устройства. Не представляет затруднений определить соединения между этими группами.
 

Спецификации. По аналогии с элементами других диаграмм, процессоры, устройства и соединения могут иметь спецификации, которые дают их исчерпывающее определение. Всю информацию, включаемую в эти спецификации, мы уже обсудили в текущем разделе.

5.8. Применение системы обозначений

Результат объектно-ориентированного проектирования

Обычно результатами анализа системы будут наборы диаграмм объектов (чтобы выразить поведение системы через сценарии), диаграмм классов (чтобы выразить роли и обязанности агентов по поддержанию заданного поведения системы) и диаграммы состояний и переходов (чтобы показать упорядоченное событиями поведение этих агентов). Проектирование системы, в которое входит разработка ее архитектуры и реализации, порождает диаграммы классов, объектов, модулей, процессов, а также динамические ракурсы этих диаграмм.

Существует сквозная связь между этими диаграммами, позволяющая нам проследить требования от реализации обратно к спецификации. Начав с диаграмм процессов, можно найти главную программу, которая определена на некоторой диаграмме модулей. Эта диаграмма модулей содержит наборы классов и объектов, определения которых мы найдем на подходящих диаграммах классов или объектов. Наконец, определения отдельных классов указывают на наши исходные требования, потому что эти классы, в общем, непосредственно отражают словарь предметной области.

Описанной в этой главе системой обозначений можно пользоваться вручную, хотя, конечно, она просто напрашивается на автоматизацию. Автоматизированным инструментам проектирования можно поручить проверку целостности, ограничений и полноты документации. Они также помогают разработчику легко и быстро просматривать результаты анализа и разработки. Например, глядя на диаграмму модулей, разработчик может пожелать выяснить устройство конкретного механизма, и автоматизированный инструмент поможет ему отыскать все классы, объявленные в каком-то модуле. А от диаграммы объектов, описывающей сценарий, в котором использован один из классов, разработчик может перейти к структуре наследования этого класса. Наконец, если в сценарии есть активный объект, разработчик может использовать автоматизированный инструмент проектирования, чтобы отыскать процессор, которому выделен соответствующий поток управления, и увидеть анимированное поведение конечного автомата класса на этом процессоре. Использование автоматизированных инструментов позволяет освободить разработчика от бремени согласования деталей, позволяя ему сосредоточиться на творческих аспектах процесса проектирования.

Увеличение и уменьшение масштаба

Мы считаем, что описанная здесь система обозначений годится как для маленьких систем, содержащих несколько классов, так и для больших проектов с несколькими тысячами классов. Как мы покажем в следующих двух главах, эта система обозначений особенно удобна для организации итерационного процесса разработки. К диаграммам не следует относиться как к застывшему догмату, а скорее наоборот, нужно постоянно отражать на них все новые решения, принятые в процессе проектирования.

Мы также считаем, что эта система обозначений годится для реализации на разных языках объектно-ориентированного программирования.

В этой главе были описаны основные результаты процесса объектно-ориентированного проектирования, включая синтаксис и семантику. В двух последующих главах процесс разработки будет рассмотрен подробнее. Оставшиеся пять глав повествуют о применении метода на практике.

Выводы

• Проектирование - это не рисование диаграмм; диаграммы просто отражают результаты проектирования.
• При проектировании сложной системы важно рассмотреть ее в различных ракурсах - как с точки зрения логической/физической структуры, так и статической/динамической семантики.
• Система обозначений объектно-ориентированного проектирования включает четыре основных диаграммы (классов, объектов, модулей, процессов) и две дополнительные (состояний и переходов, взаимодействий).
• Диаграмма классов показывает, какие существуют классы и связи между ними в логической структуре системы. Конкретная диаграмма классов - один из ракурсов полной структуры классов системы.
• Диаграмма объектов показывает, какие существуют объекты и связи между ними в логической структуре системы. Диаграмма объектов используется для представления сценария.
• Диаграмма модулей показывает распределение классов и объектов по модулям в физической структуре системы. Диаграмма модулей - один из ракурсов модульной архитектуры системы.
• Диаграмма процессов показывает распределение процессов по процессорам в физической структуре системы. Каждая диаграмма процессов - один из ракурсов архитектуры процессов системы.
• Диаграмма состояний и переходов показывает: (1) пространство состояний экземпляров данного класса; (2) события, которые влекут переход из одного состояния в другое; (3) действия, которые происходят при изменении состояния.
• Диаграмма взаимодействий позволяет следить за выполнением сценария в контексте диаграммы объектов.

Дополнительная литература

Со времени выхода первого издания этой книги я без устали старался ввести в метод Буча лучшие элементы обозначении, принадлежащие другим методологам, особенно Румбаху (Rumbaugh) и Джекобсону (Jacobson), удалял и упрощал элементы, неудачные или имеющие сомнительную пользу. В то же время, концептуальное единство системы обозначений береглось как зеница ока. Данная глава - кульминация этих усилий.

Об обозначениях в разработке программного обеспечения написано чрезвычайно много; книга Мартина и МакКлюра (Martin and McClure) [H 1988] служит хорошим общим справочником по многим традиционным подходам. Грэхам (Graham) [F 1991] дал обзор ряда нотаций, специфичных для объектно-ориентированных методов.

Ранняя форма описанной в этой главе системы обозначений была впервые документирована в работе Буча (Booch) [F 1981]. Эта система в дальнейшем развилась и включила выразительные средства: семантических сетей (Стилингс и др. (Stillings et al.) [A 1987] и Барри Фейгенбаум (Barrand Feigenbaum) [J 1981]),диаграммы "сущность-отношение" (Чэн (Chen) [Е 1976]), модели сущности (Росс (Ross) [F 1987]), сети Петри (Petri) (Пе-терсон (Peterson) [J 1977], Сахару (Sahraoui) [F 1987] и Бруон и Балзамо (Bruon and Balsamo) [F 1986]), ассоциации (Румбах (Rumbaugh) [F 1991]) и карты состояний (Харел (Harel) [F 1987]). Особенно интересна работа Румбаха, поскольку, как он заметил, в наших подходах больше сходства, чем различий.

Значки для объектов и классов были инспирированы iAPX 432 [D 1981]. За основу изображения для объектных диаграмм были взяты обозначения Сейдвица (Seidewitz) [F 1985]. Для семантики параллельности были приспособлены обозначения Бура (Buhr) [F1988,1989].

Чэн (Chang) [G 1990] дал хороший обзор более общих аспектов визуальных языков.