Лекция 2. UML - унифицированный язык моделирования

Назначение языка

UML - унифицированный язык моделирования. Из этих трех слов главным является слово " язык ". Что же такое язык? Не будем изобретать велосипед, а лучше заглянем в глоссарий, благо в Интернете их величайшее множество. Сделав это, мы скорее всего обнаружим определение, подобное приведенному ниже.

Язык- система знаков, служащая:

· средством человеческого общения и мыслительной деятельности;

· способом выражения самосознания личности;

· средством хранения и передачи информации.

Язык включает в себя набор знаков (словарь) и правила их употребления и интерпретации (грамматику).

К этому достаточно исчерпывающему определению нужно добавить, что языки бывают естественные и искусственные, формальные и неформальные. UML - язык формальный и искусственный, хотя, как мы увидим далее, этот ярлык к нему не совсем подходит. Искусственный он потому, что у него имеются авторы, о которых мы еще не раз упомянем в дальнейшем (в то же время, развитие UML непрерывно продолжается, что ставит его в один ряд с естественными языками). Формальным его можно назвать, поскольку имеются правила его употребления (правда, описание UML содержит и явно неформальные элементы, как мы, опять-таки, позже увидим). Еще один нюанс: UML - язык графический, что также немного путает ситуацию!

При описании формального искусственного языка, что мы уже видели на примерах описания языков программирования, как правило, описываются такие его элементы, как:

1. синтаксис, то есть определение правил построения конструкций языка;

2. семантика, то есть определение правил, в соответствии с которыми конструкции языка приобретают смысловое значение;

3. прагматика, то есть определение правил использования конструкций языка для достижения нужных нам целей.

Естественно, UML включает все эти элементы, хотя, как мы опять-таки увидим далее, в их описании тоже наблюдаются отличия от правил, принятых в языках программирования.

Второе слово в фразе, которой расшифровывается аббревиатура UML - слово " моделирование ". Да, UML - это язык моделирования. Причем объектно-ориентированного моделирования. Более подробно о смысле понятия "моделирование" мы поговорим чуть позже, а пока отметим, что слово это весьма многозначно. В английском языке есть целых два слова - modelingи simulation, которые оба переводятся как "моделирование", хотя означают разные понятия. Modeling подразумевает создание модели, лишь описывающей объект, а simulation предполагает получение с помощью созданной модели некоторой дополнительной информации об объекте. UML в первую очередь - язык моделирования именно в первом смысле, то есть средство построения описательных моделей. Как средство симулирования его тоже можно использовать, хотя для этой роли он подходит не так хорошо.

Третье слово в названии UML - слово " унифицированный ". Его можно понимать тоже неоднозначно. В литературе можно встретить описание эры "до UML" как "войны методов" моделирования, ни один из которых "не дотягивал" до уровня индустриального стандарта. UML как раз и стал таким единым универсальным стандартом для объектно-ориентированного моделирования, которое во времена его создания как раз "вошло в моду". "Единым" языком моделирования UML можно назвать еще и потому, что в его создании, как мы увидим далее, объединились усилия авторов трех наиболее популярных методов моделирования (и не только их).

Подводя итоги, кратко можно сказать, что UML - искусственный язык, который имеет некоторые черты естественного языка, и формальный язык, который имеет черты неформального. Это звучит не очень понятно, но это действительно так!

Историческая справка

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

В не такие уж и далекие 80-е годы было множество различных методологий моделирования. Каждая из них имела свои достоинства и недостатки, а также свою нотацию. То смутное время получило название "войны методов". Проблема в том, что разные люди использовали разные нотации, и для того чтобы понять, что описывает та или иная диаграмма, зачастую требовался "переводчик". Один и тот же символ мог означать в разных нотациях абсолютно разные вещи! На рисунке ниже можно увидеть лишь малую часть многообразия методов, которые существовали в то время и в какой-то мере повлияли на UML (рис. 1.1).

увеличить изображение
Рис. 1.1.

К тому же примерно в это же время (начало 80-х) стартовала "объектно-ориентированная эра". Все началось с появлением семейства языков программирования SmallTalk, которые применяли некоторые понятия языка Simula-67, использовавшегося в 60-х годах. Появление объектно-ориентированного подхода в первую очередь было обусловлено увеличением сложности задач. Объектно-ориентированный подход внес достаточно радикальные изменения в сами принципы создания и функционирования программ, но, в то же время, позволил существенно повысить производительность труда программистов, по-иному взглянуть на проблемы и методы их решения, сделать программы более компактными и легко расширяемыми. Как результат, языки, первоначально ориентированные на традиционный подход к программированию, получили ряд объектноориентированных расширений. Одной из первых, в середине 80-х, была фирма Apple со своим проектом Object Pascal. Кроме этого, объектно-ориентированный подход породил мощную волну и абсолютно новых программных технологий, вершинами которой стали такие общепризнанные сегодня платформы, как Microsoft .NET Framework и Sun Java.

Но самое главное, что появление ООП требовало удобного инструмента для моделирования, единой нотации для описания сложных программных систем. И вот "три амиго", три крупнейших специалиста, три автора наиболее популярных методов решили объединить свои разработки. В 1991-м каждый из "трех амиго" начал с написания книги, в которой изложил свой метод ООАП. Каждая методология была по-своему хороша, но каждая имела и недостатки. Так, метод Буча был хорош в проектировании, но слабоват в анализе. OMT Румбаха был, наоборот, отличным средством анализа, но плох в проектировании. И наконец, Objectory Якобсона был действительно хорош с точки зрения user experience, на который ни метод Буча, ни OMT не обращали особого внимания. Основной идеей Objectory было то, что анализ должен начинаться с прецедентов, а не с диаграммы классов, которые должны быть производными от них.

К 1994-му существовало 72 метода, или частные методики. Многие из них "перекрывались", т. е. использовали похожие идеи, нотации и т. д. Как уже говорилось выше, чувствовалась острая потребность, "социальный заказ" - закончить "войну методов" и объединить в одном унифицированном средстве все лучшее, что было создано в области моделирования.

А что сейчас? The UML живет и развивается. Сейчас мы имеем UML 2.0 и десятки CASE-средств, поддерживающих UML, о многих из которых будет рассказано в "Обзор CASE-средств для построения диаграмм UML" . Вопреки популярному мнению, в наши дни Rational не владеет UML, но продолжает работать над ним.UML же принадлежит OMG, а сама Rational ныне является одним из подразделений IBM и фигурирует во всех документах как IBM Rational. UMLже получил множество пакетов расширений, называемых профайлами и позволяющих использовать его для моделирования систем из специфических предметных областей.

Способы использования языка

И вот Румбах присоединился к Бучу в Rational Inc. Они объединили свои нотации и создали первую версию UML. В 1995 году на конференции OOPSLA они представили его как Unified Method, который потом и получил название UML. Чуть позже к ним присоединился Якобсон, который добавил к результатам их труда элементы Objectory и начал работу над Rational Unified Process (RUP). В 1997 году UML был отправлен в Object Management Group (OMG) для стандартизации. Кроме трех нотаций "трех амиго" UML вобрал в себя элементы многих других методологий, что опять-таки хорошо видно из рисунка, приведенного выше.

Начать хотелось бы с демонстрации известной картинки, которая уже более двух десятилетий "живет" в Интернете, но источник ее никому не известен (если кто-то из читателей сможет пролить свет на ее происхождение, автор будет очень благодарен за информацию). Эта картинка прекрасно иллюстрирует типичный процесс создания продукта, или "решения" (поскольку продукт решает проблему заказчика), как любят говорить в Microsoft (рис. 1.2).

увеличить изображение
Рис. 1.2.

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

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

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

· словесные спецификации на естественном языке;

· модельные спецификации;

· формальные спецификации.

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

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

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

Так вот, такие картинки с подписями наглядны и интуитивно понятны, причем почти однозначно понимаются любыми заинтересованными лицами, так что могут использоваться в качестве средства общения между людьми. UML позволяет создавать такие простые и понятные картинки (модели), описывающие систему с разных сторон, которые можно показать заказчику и обсудить с ним, т. е. служит средством коммуникации в команде. Посмотрите на рисунок ниже (рис. 1.3). Все ведь понятно, правда?

увеличить изображение
Рис. 1.3.

Перейдем к проектированию. Да, UML позволяет строить модели программных систем (вообще говоря - ЛЮБЫХ систем). По этим моделям потом может производиться генерация каркасного кода проектируемых приложений. Более того, возможен процесс, который часто называют "реверс-инжинирингом", - т. е. создание UML-модели из существующего кода приложения. Не будем сейчас обсуждать качество получающегося кода или моделей при реверс-инжиниринге. Пока оно весьма далеко от идеала, но ведь технологии и инструменты постоянно совершенствуются, так что можно надеяться, что когда-нибудь мы сможем создавать приложения визуально, не прибегая к языку программирования, а пользуясь лишь UML...

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

Итак, подводя итоги, скажем, что UML можно использовать для рисования картинок, которые можно использовать для коммуникаций внутри команды и в ходе взаимодействия с заказчиком, т. е. он может служить средством обмена информацией. Кроме этого, как мы уже говорили, UML является отличным средством спецификации систем, причем спецификации в процессе разработки. Разработанные архитектурные решения, задокументированные с помощью UML, могут быть использованы повторно (что сейчас также очень "модно"). Как уже упоминалось выше, о таких вещах, как генерация кода, симуляция и верификация моделей, пока серьезно говорить не приходится, но в будущем, надеемся, будет и это...

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

Структура определения языка

Это, наверное, самая короткая часть лекции. Здесь нам хотелось бы рассказать о том, как описан UML его авторами. Но прежде нужно поговорить о способах описания искусственных языков вообще (например, языков программирования).

Конечно, вы уже читали книги, в которых описывались языки программирования, и не могли не заметить, как авторы этих книг все время самоотверженно балансируют между точностью и понятностью описания. Велик соблазн описать язык формально точно, но такое описание своей сложностью может отпугнуть потенциального пользователя новой технологии. С другой стороны, "понятное", неформальное описание языка может получиться очень длинным и неполным и просто запутать читателя.

Как же определен UML? Довольно часто компиляторы и IDE языков программирования написаны с использованием этих же языков (вспомните хотя бы Turbo Pascal!). Подобный метод применяется и при описании UML. Авторы использовали так называемое четырехуровневое мета-моделирование. Первый уровень - это сами данные. Второй - это их модель, т. е., например, описание их в программе. Третий - метамодель, т. е. описание языка построения модели. Четвертый - мета-метамодель, т. е. описание языка, на котором описана метамодель. Для примера - следующий рисунок, позаимствованный из стандарта UML, показывает применение этого подхода к простым записям о котировках акций (рис. 1.4).

увеличить изображение
Рис. 1.4.

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

Терминология и нотация

Вопрос терминологии в программной инженерии, а тем более РУССКОЙ (не говоря уже об украинской) терминологии, - вопрос сложный. Дело в том, что оригинальная терминология UML не всегда последовательна и довольно запутана. Русская же терминология еще не успела сложиться, ведь UML как технология проектирования сама по себе очень молода, да и русскоязычная литература по нему стала появляться, как всегда, с некоторым опозданием. Некоторые авторы пытаются каждый термин передать "осмысленными", "хорошими русскими словами", что не всегда удается. С точки зрения автора, искать русские аналоги уже привычных английских терминов - занятие ненужное и даже вредное: вспомните, как трудно было вам найти нужную команду в меню русского MS Office, если вы привыкли пользоваться английским (в таких случаях родной язык сильно замедляет работу). Поэтому, наверное, проще использовать транскрипцию и не изобретать велосипед! В конце концов, хорошие английские слова (даже записанные русскими буквами) так же хороши, как и хорошие русские!

Теперь давайте поговорим о нотации. "Нотация" - это то, что в других языках называют "синтаксисом". Само слово "нотация" подчеркивает, что UML - язык графический и модели (а точнее диаграммы) не "записывают", а рисуют. Как уже говорилось выше, одна из задач UML -

служить средством коммуникации внутри команды и при общении с заказчиком. "В рабочем порядке" диаграммы часто рисуют на бумаге от руки, причем обычно - не слишком аккуратно. Поэтому при выборе элементов нотации основным принципом был отбор значков, которые хорошо смотрелись бы и были бы правильно интерпретированы в любом случае - будь они нарисованы карандашом на салфетке или созданы на компьютере и распечатаны на лазерном принтере.

Вообще же, в UML используется четыре вида элементов нотации:

1. фигуры,

2. линии,

3. значки,

4. надписи.

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

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

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

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

· IBM Rational Rose;

· Borland Together;

· Gentleware Poseidon;

· Microsoft Visio;

· Telelogic TAU G2.

Наиболее известными из этой пятерки являются Rational Rose и Together. Это действительно средства для проектирования, а не рисования, как Visio. Долгое время автор этих строк использовал Poseidon, благо имеется бесплатная Community edition-версия этого продукта. Так было до тех пор, пока на одной из конференций по программной инженерии он не увидел TAU G2 от Telelogic. О TAU все слышали, но никто его не видел. Это легендарное средство моделирования, которое сочетает в себе мощь и простоту использования, предоставляя уникальную возможность начальной верификации моделей. И хотя интерфейс TAU выглядит несколько аскетично, его возможности и удобство работы просто потрясают. Все диаграммы в этом курсе созданы именно с использованием TAU, любезно предоставленным фирмой Telelogic (см. http://www.telelogic.com/).

Сейчас немного не к месту об этом говорить, но хочется упомянуть еще об одном чудесном продукте, который очень помог нам в написании этого курса. Это Zicom Mentor от Sparx Systems, выпустившего Enterprise Architect (см. http://www.sparxsystems.com.au/). Zicom Mentor - это простая и понятная утилита, представляющая собой словарь/ассистент по UML 2.0. Zicom Mentor ответит на ваши вопросы, поможет получить и проверить ваши знания, начать новый проект. Zicom Mentor включает интерактивные курсы, электронные книги и тесты и множество другой справочной информации по UML.

Но давайте вернемся к нашему разговору. Как уже было сказано выше, UML-модель состоит из совокупности диаграмм. UML-диаграммы бывают различных видов, о многих из которых мы поговорим в следующей лекции.

Выводы

· UML - еще один формальный язык, который необходимо освоить каждому, кто собирается заниматься программной инженерией.

· Само собой разумеется, что знание UML не гарантирует построения разумных и понятных моделей, хотя и является для этого необходимым.

· UML предоставляет огромную свободу при рисовании диаграмм и выборе инструмента рисования. Производители инструментов также воспользовались этой свободой, чтобы по своему разумению "украсить" имеющуюся нотацию.

Контрольные вопросы

· Как расшифровывается аббревиатура UML?

· Какая версия UML является текущей?

· Кто были авторами UML?

· Чем НЕ является UML?

· Какие программные средства, поддерживающие UML, вы знаете?

· Используются ли в UML "трехмерные" фигуры?

Национальный Открытый Университет "ИНТУИТ": www.intuit.ru

Александр Бабич