Книга: Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++

5.2. Диаграммы классов

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.  

Рис. 5-2. Значок класса.

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.

Имя атрибута должно быть недвусмысленно в контексте класса. В главе 3 говорилось, что операция - это услуга, предоставляемая классом. Операции обычно изображаются внутри значка класса только своим именем. Чтобы отличать их от атрибутов, к их именам добавляются скобки. Иногда полезно указать полную сигнатуру операции:

• N() - только имя операции;

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

Имена операций должны пониматься в контексте класса однозначно в соответствии с правилами перегрузки операций выбранного языка реализации.

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

Рис. 5-3. Значок абстрактного класса.

Рис. 5-4. Значки отношений между классами.

• 0..1 - Ноль или одна

• 3..7 - Указанный интервал

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

Обозначение мощности пишется у конца линии ассоциации и означает число связей между каждым экземпляром класса в начале линии с экземплярами класса в ее конце. Если мощность явно не указана, то подразумевается, что она не определена.

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.  

Рис. 5-5. Диаграмма классов гидропонной системы.

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.)].  

Рис. 5-6. Значок категории классов.

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.  

Рис. 5-7. Диаграмма классов верхнего уровня для гидропонной системы.

  Когда в категории слишком много общих классов, вроде базовых классов-контейнеров или других базовых классов, подобных Object в Smalltalk, возникают практические затруднения. Такие классы будут использоваться чуть ли не всеми другими категориями, загромождая корневой уровень диаграммы. Чтобы выйти из положения, такие категории помечаются ключевым словом global в левом нижнем углу значка, показывающим, что категория по умолчанию может быть использована всеми остальными.

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.  

Рис. 5-8. Значок параметризованного класса.

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].  

Рис. 5-9. Значок метакласса.

  Метаклассы принципиально отличаются от обычных классов, и, чтобы подчеркнуть это, их значок закрашивается серым цветом, как это сделано на рис. 5-9. Связь между классом и его метаклассом (метасвязь) имеет вид жирной стрелки, направленной от класса к его метаклассу. Метакласс GardeningPlan обеспечивает методы-фабрики new() и default(), которые создают новые экземпляры класса GardeningPlan.

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.  

Рис. 5-10. Значок утилиты классов.

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.  

Рис. 5-11. Значок вложенности.

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

Мы ставим их как "засечки" на линии связи у источника. Например, на рис. 5-12 показано, что класс GrainCrop множественно наследует от классов Crop (посев) (открытый суперкласс) и FoodItem (пища) (защищенный суперкласс).  

Рис. 5-12. Значок управления доступом.

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.

Рис. 5-13. Значки отношений.

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.  

Рис. 5-14. Физическое содержание.

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.

В чисто объектно-ориентированных языках, в особенности в Smalltalk, физическое содержание бывает только по ссылке.

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.  

Рис. 5-15. Роли и ключи.

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.  

Рис. 5-16. Значок ограничения.

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.  

Рис. 5-17. Ассоциация с атрибутом и примечание.

  Для таких примечаний мы используем значки, похожие на бумажки, и соединяем их с элементом, к которому они относятся, пунктирной линией. Примечания могут содержать любую информацию: обычный текст, фрагменты программ или ссылки на другую документацию (все это может пригодиться при разработке инструментов проектирования). Примечания могут быть не связаны ни с каким элементом, это значит, что они относятся к самой диаграмме [Значок, который мы используем, похож на обозначение примечаний во многих windows-системах, особенно следующих традициям Macintosh. Непосредственными вдохновителями нашего обозначения были предложения Гамма, Хелпа, Джонсона и Влиссидеса [10]].

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: текстАтрибуты: список атрибутовОперации: список операцийОграничения: 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 | реализацияМощность: 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 | постоянныйПараллельность: последовательный | охраняемый | синхронный | активныйМесто 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 классАргументы: 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 объектовСемантика: текст | ссылка на текст программы | ссылка на диаграмму объектовПостусловия: текст | ссылка на текст программы | ссылка на диаграмму объектовИсключения: 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 | синхронныйПамять: выражениеВремя: выражение

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

Оглавление книги