Специфика описания метамодели языка UML

Метамодель языка UML описывается на некотором полуформальном языке с использованием трех видов представлений:

· Абстрактного синтаксиса

· Правил правильного построения выражений

· Семантики

Абстрактный синтаксис представляет собой модель для описания некоторой части языка UML, предназначенной для построения диаграмм классов на основе описаний систем на естественном языке. Возможности абстрактного синтаксиса в языке UML довольно ограничены и имеют отношение только к интерпретации обозначений отдельных компонентов диаграмм, связей между компонентами и допустимых дополнительных обозначений. К элементам абстрактного синтаксиса относятся некоторые ключевые слова и значения отдельных атрибутов базовых понятий уровня метамодели, которые имеют фиксированное обозначение в виде текста на естественном языке.

Правила правильного построения выражений используются для задания дополнительных ограничений или свойств, которыми должны обладать те или иные компоненты модели. Поскольку исходным понятием ООП является понятие класса, его общими свойствами должны обладать все экземпляры, которые в этом смысле должны быть инвариантны друг другу. Для задания этих инвариантных свойств классов и отношений необходимо использовать специальные выражения некоторого формального языка, в рамках UML получившего название языка объектных ограничений (Object Constraint Language, ОСL). Семантика языка UML описывается в основном на естественном языке, но может включать в себя некоторые дополнительные обозначения, вытекающие из связей определяемых понятий с другими понятиями. Семантика понятий раскрывает их смысл или содержание. Сложность описания семантики языка UML заключается именно в метамодельном уровне представлений его основных конструкций. С одной стороны, понятия языка UML имеют абстрактный характер (ассоциация, композиция, агрегация, сотрудничество, состояние). С другой стороны, каждое из этих понятий допускает свою конкретизацию на уровне модели (сотрудник, отдел, должность, стаж).

Сложность описания семантики языка UML вытекает из этой двойственности понятий. Здесь мы должны придерживаться традиционных правил изложения, поскольку понимание семантики носит индуктивный характер и требует для своей интерпретации примеров уровня модели и объекта. Иллюстрация абстрактных понятий на примере конкретных свойств и отношений, а также их значений позволяет акцентировать внимание на общих инвариантах этих понятий, что совершенно необходимо для понимания их семантики.

Метамодель языка UML может рассматриваться как комбинация графической нотации (специальных обозначений), некоторого формального языка и естественного языка. При этом следует иметь в виду, что существует некоторый теоретический предел, который ограничивает описание метамодели средствами самой метамодели. Именно в подобных случаях используется естественный язык, обладающий наибольшими выразительными возможностями.

Для придания формального характера моделям UML использование естественного языка должно строго соответствовать определенным правилам. Например, описание семантики языка UML может включать в себя фразы типа "Сущность А обладает способностью" или "Сущность Б есть сущность В". В каждом из этих случаев мы будем понимать смысл фраз, руководствуясь традиционным пониманием предложений русского языка. Однако этого может оказаться недостаточно для более формального представления знаний о рассматриваемых сущностях. Тогда необходимо дополнительно специфицировать семантику этих простых фраз, для чего рекомендуется использовать следующие правила:

· Явно указывать в тексте экземпляр некоторого метакласса. Речь идет о том, что в естественной речи мы часто опускаем слово "пример" или "экземпляр", говоря просто "класс". Так, фразу "Атрибут возраст класса сотрудник имеет значение 30 лет" следует записать более точно, а именно: "Атрибут возраст экземпляра класса сотрудник имеет значение 30 лет".

· В каждый момент времени используется только то значение слова, которое приписано имени соответствующей конструкции языка UML. Все дополнительные особенности семантики должны быть указаны явным образом без каких бы то ни было неявных предположений.

· Термины языка UML могут включать только один из допустимых префиксов, таких как под-, супер- или мета-. При этом сам термин с префиксом записывается одним словом.

В дополнение к этому будут использоваться следующие правила выделения текста:

· Если используются ссылки на конструкции языка UML, а не на их представления в метамодели, следует применять обычный текст без какого бы то ни было выделения.

· Имена метаклассов являются элементом нотации языка UML и представляют собой существительное и, возможно, присоединенное к нему прилагательное. В этом случае имя метакласса на английском записывается одним словом с выделением каждой составной части имени заглавной буквой (например, ModelElement, StructuralFeature).

· Имена метаассоциаций и ассоциаций классов записываются аналогичным образом (например, ElementReference).

· Имена других элементов языка UML также записываются одним словом, но должны начинаться с маленькой буквы (например, ownedElement, allContents).

· Имена метаатрибутов, которые принимают булевы значения, всегда начинаются с префикса "is" (например, isAbstract).

· Перечислимые типы должны всегда заканчиваться словом "Kind" (например, AggregationKind).

· При ссылках в тексте на метаклассы, метаассоциаций, метаатрибуты и т. д. должны всегда использоваться в точности те их имена, которые указаны в модели.

· Имена стандартных обозначений (стереотипов) заключаются в кавычки и начинаются со строчной буквы (например, "type").

· При описании семантики языка UML все имена его стандартных элементов (метаклассов, метаассоциаций, метаатрибутов) допускается записывать на русском с дополнительным указанием оригинального имени на английском. При этом, хотя имена стандартных элементов могут состоять из нескольких слов, согласно сложившейся отечественной традиции, будем их записывать раздельно (например, класс ассоциации, элемент модели, пространство имен).

· При разработке конкретных моделей систем в форме диаграмм языка UML целесообразно применять оригинальные англоязычные термины, придерживаясь описанных выше правил (кроме, возможно, пояснительного текста на русском). Причина этой рекомендации вполне очевидна - последующая инструментальная реализация модели может оказаться невозможной, если не следовать оригинальным правилам выделения текста в языке UML. Это правило не распространяется на отдельные примеры и фрагменты диаграмм, которые приводятся в тексте книги с чисто иллюстративными целями и лишь раскрывают особенности использования стандартных элементов языка UML.

В рамках языка UML все представления о модели сложной системы фиксируются в виде специальных графических конструкций, получивших название диаграмм. В терминах языка UML определены следующие виды диаграмм:

• Диаграмма вариантов использования (use case diagram)
• Диаграмма классов (class diagram)
• Диаграммы поведения (behavior diagrams)

• Диаграмма состояний (statechart diagram)
• Диаграмма деятельности (activity diagram)
• Диаграммы взаимодействия (interaction diagrams)

• Диаграмма последовательности (sequence diagram)
• Диаграмма кооперации (collaboration diagram)

• Диаграммы реализации (implementation diagrams)

• Диаграмма компонентов (component diagram)
• Диаграмма развертывания (deployment diagram)

Из перечисленных выше диаграмм некоторые служат для обозначения двух и более других подвидов диаграмм. При этом в качестве самостоятельных представлений в языке UML используются следующие диаграммы:

1. Диаграмма вариантов использования

2. Диаграмма классов.

3. Диаграмма состояний.

4. Диаграмма деятельности.

5. Диаграмма последовательности.

6. Диаграмма кооперации.

7. Диаграмма компонентов.

8. Диаграмма развертывания.

Перечень этих диаграмм и их названия являются каноническими в том смысле, что представляют собой неотъемлемую часть графической нотации языка UML. Более того, процесс ООАП неразрывно связан с процессом построения этих диаграмм. При этом совокупность построенных таким образом диаграмм является самодостаточной в том смысле, что в них содержится вся информация, которая необходима для реализации проекта сложной системы.

Каждая из этих диаграмм детализирует и конкретизирует различные представления о модели сложной системы в терминах языка UML. При этом диаграмма вариантов использования представляет собой наиболее общую концептуальную модель сложной системы, которая является исходной для построения всех остальных диаграмм. Диаграмма классов является, по своей сути, логической моделью, отражающей статические аспекты структурного построения сложной системы.

Диаграммы поведения также являются разновидностями логической модели, которые отражают динамические аспекты функционирования сложной системы. И, наконец, диаграммы реализации служат для представления физических компонентов сложной системы и поэтому относятся к ее физической модели. Таким образом, интегрированная модель сложной системы в нотации UML (рис. 10) представляется в виде совокупности указанных выше диаграмм (см. рис. 9).

Рис. 10. Интегрированная модель сложной системы в нотации UML

Особенности изображения диаграмм языка UML

Большинство перечисленных выше диаграмм являются в своей основе графами специального вида, состоящими из вершин в форме геометрических фигур, которые связаны между собой ребрами или дугами. Поскольку информация, которую содержит в себе граф, имеет в основном топологический характер, ни геометрические размеры, ни расположение элементов диаграмм (за некоторыми исключениями, такими как диаграмма последовательностей с метрической осью времени) не имеют принципиального значения.

Для диаграмм языка UML существуют три типа визуальных обозначений, которые важны с точки зрения заключенной в них информации:

· Связи, которые представляются различными линиями на плоскости. Связи в языке UML обобщают понятие дуг и ребер из теории графов, но имеют менее формальный характер.

· Текст, который содержится внутри границ отдельных геометрических фигур на плоскости. При этом форма этих фигур (прямоугольник, эллипс) соответствует некоторым элементам языка UML (класс, вариант использования) и имеет фиксированную семантику.

· Графические символы, изображаемые вблизи от тех или иных визуальных элементов диаграмм.

Таким образом, в языке UML используется четыре основных вида графических конструкций:

· Значки или пиктограммы. Значок представляет собой графическую фигуру фиксированного размера и формы. Она не может увеличивать свои размеры, чтобы разместить внутри себя дополнительные символы. Значки могут размещаться как внутри других графических конструкций, так и вне их. Примерами значков могут служить окончания связей элементов диаграмм или некоторые другие дополнительные обозначения (украшения).

· Графические символы на плоскости. Такие двумерные символы изображаются с помощью некоторых геометрических фигур и могут иметь различную высоту и ширину с целью размещения внутри этих фигур других конструкций языка UML. Наиболее часто внутри таких символов помещаются строки текста, которые уточняют семантику или фиксируют отдельные свойства соответствующих элементов языка UML. Информация, содержащаяся внутри фигур, имеет важное значение для конкретной модели проектируемой системы, поскольку регламентирует реализацию соответствующих элементов в программном коде.

· Пути, которые представляют собой последовательности из отрезков линий, соединяющих отдельные графические символы. При этом концевые точки отрезков линий должны обязательно соприкасаться с геометрическими фигурами, служащими для обозначения вершин диаграмм, как принято в теории графов (см. главу 2). С концептуальной точки зрения путям в языке UML придается особое значение, поскольку они являются простыми топологическими сущностями. С другой стороны, отдельные части пути или сегменты могут не существовать сами по себе вне содержащего их пути. Пути всегда соприкасаются с другими графическими символами на обеих границах соответствующих отрезков линий. Другими словами, пути не могут обрываться на диаграмме линией, которая не соприкасается ни с одним графическим символом. Как отмечалось выше, пути могут иметь в качестве окончания или терминатора специальную графическую фигуру - значок, который изображается на одном из концов линий, являющихся сегментами этого пути.

· Строки текста. Служат для представления различных видов информации в некоторой грамматической форме. Предполагается, что каждое использование строки текста должно соответствовать синтаксису в нотации языка UML, посредством которого может быть реализован грамматический разбор этой строки. Последний необходим для получения полной информации о модели. Например, строки текста в различных секциях обозначения класса могут соответствовать атрибутам этого класса или его операциям. На использование строк накладывается важное условие - семантика всех допустимых символов должна быть заранее определена в языке UML или служить предметом его расширения в конкретной модели.

При графическом изображении диаграмм следует придерживаться следующих основных рекомендаций:

· Каждая диаграмма должна служить законченным представлением соответствующего фрагмента моделируемой предметной области. Речь идет о том, что в процессе разработки диаграммы необходимо учесть все сущности, важные с точки зрения контекста данной модели и диаграммы. Отсутствие тех или иных элементов на диаграмме служит признаком неполноты модели и может потребовать ее последующей доработки.

· Все сущности на диаграмме модели должны быть одного концептуального уровня. Здесь имеется в виду согласованность не только имен одинаковых элементов, но и возможность вложения отдельных диаграмм друг в друга для достижения полноты представлений. В случае достаточно сложных моделей систем желательно придерживаться стратегии последовательного уточнения или детализации отдельных диаграмм.

· Вся информация о сущностях должна быть явно представлена на диаграммах. Речь идет о том, что, хотя в языке UML при отсутствии некоторых символов на диаграмме могут быть использованы их значения по умолчанию (например, в случае неявного указания видимости атрибутов и операций классов), необходимо стремиться к явному указанию свойств всех элементов диаграмм.

· Диаграммы не должны содержать противоречивой информации. Противоречивость модели может служить причиной серьезнейших проблем при ее реализации и последующем использовании на практике. Например, наличие замкнутых путей при изображении отношений агрегирования или композиции приводит к ошибкам в программном коде, который будет реализовывать соответствующие классы. Наличие элементов с одинаковыми именами и различными атрибутами свойств в одном пространстве имен также приводит к неоднозначной интерпретации и может служить источником проблем.

· Диаграммы не следует перегружать текстовой информацией. Принято считать, что визуализация модели является наиболее эффективной, если она содержит минимум пояснительного текста. Как правило, наличие больших фрагментов развернутого текста служит признаком недостаточной проработанности модели или ее неоднородности, когда в рамках одной модели представляется различная по характеру информация. Поскольку общая декомпозиция модели на отдельные типы диаграмм способна удовлетворить самые детальные представления разработчиков о системе, важно уметь правильно отображать те или иные сущности и аспекты моделирования в соответствующие элементы канонических диаграмм.

· Каждая диаграмма должна быть самодостаточной для правильной интерпретации всех ее элементов и понимания семантики всех используемых графических символов. Любые пояснительные тексты, которые не являются собственными элементами диаграммы (например, комментариями), не должны приниматься во внимание разработчиками. В то же время отдельные достаточно общие фрагменты диаграмм могут уточняться или детализироваться на других диаграммах этого же типа, образуя вложенные или подчиненные диаграммы. Таким образом, модель системы на языке UML представляет собой пакет иерархически вложенных диаграмм, детализация которых должна быть достаточной для последующей генерации программного кода, реализующего проект соответствующей системы.

· Количество типов диаграмм для конкретной модели приложения не является строго фиксированным. Речь идет о том, что для простых приложений нет необходимости строить все без исключения типы диаграмм. Некоторые из них могут просто отсутствовать в проекте системы, и этот факт не будет считаться ошибкой разработчика. Например, модель системы может не содержать диаграмму развертывания для приложения, выполняемого локально на компьютере пользователя. Важно понимать, что перечень диаграмм зависит от специфики конкретного проекта системы.

Любая из моделей системы должна содержать только те элементы, которые определены в нотации языка UML. Имеется в виду требование начинать разработку проекта, используя только те конструкции, которые уже определены в метамодели UML. Как показывает практика, этих конструкций вполне достаточно для представления большинства типовых проектов программных систем. И только в случае отсутствия необходимых базовых элементов языка UML следует использовать механизмы их расширения для адекватного представления конкретной модели системы. При этом не допускается какое бы то ни было переопределение семантики тех элементов, которые отнесены к базовой нотации метамодели языка UML.

Процесс построения отдельных типов диаграмм имеет свои особенности, которые тесно связаны с семантикой элементов этих диаграмм. Сам процесс ООАП в контексте языка UML получил специальное название - рациональный унифицированный процесс (Rational Unified Process, RUP). Концепция RUP и основные его элементы разработаны А. Джекобсоном в ходе его работы над языком UML.

Суть концепции RUP заключается в последовательной декомпозиции или разбиении процесса ООАП на отдельные этапы, на каждом из которых осуществляется разработка соответствующих типов канонических диаграмм модели системы. При этом на начальных этапах RUP строятся логические представления статической модели структуры системы, затем - логические представления модели поведения, и лишь после этого - физические представления модели системы. Как нетрудно заметить, в результате RUP должны быть построены канонические диаграммы на языке UML, при этом последовательность их разработки в основном совпадает с их последовательной нумерацией.