Что такое язык моделирования UML и зачем он нужен

Что такое язык моделирования UML 

Язык UML служит для проектирования графических моделей информационных систем и программ. Он нужен для визуализации проектов, их спецификации, конструирования, работы над технической документацией. Он состоит из нотаций и диаграмм, нужных разработчику для проектирования моделей ПО: поведения, структуры, взаимодействия, развертывания. 

UML нельзя назвать полноценным языком программирования, но это важный инструмент разработки. С его помощью программисты могут лучше понять и описать сложные информационные системы в ходе разработки. UML-модели часто используются для коммуникации между разработчиками ПО и их заказчиками.

История развития UML

История UML взаимосвязана с эволюцией объектно-ориентированного программирования. Когда эта модель начала развиваться в начале 1990-х годов, появилась потребность в стандартизированном языке для создания моделей ПО. Существовало несколько разных вариантов визуализации. Это осложняло общение между разработчиками, приводило к непониманию.

В 1994 году американские программисты Грэди Буч, Джеймс Рамбо и Айвар Якобсон объединили свои методы создания моделей (Booch method, OOSE, OMT), приведя их к единому образцу. В результате появился UML. Разработчики хотели создать универсальный, простой язык моделирования, способный описывать разные аспекты программных продуктов.

В 1997 году UML стал общепринятым стандартом в сфере моделирования ПО. Он продолжает развиваться даже сейчас: новые диаграммы и нотации вводятся постоянно. Он распространен в проектах разного масштаба — от небольших разработок до крупных корпоративных систем. Он стал важной частью разработки, повышающей качество и надежность программного обеспечения.

Для чего применяется UML

Перечислим основные сферы применения UML.

1. Визуализация и спецификация: UML предоставляет визуальные средства для описания структуры и поведения программного продукта после запуска. Разработчики способны ясно представить проект в целом, его отдельные компоненты. Людям внутри команды проще понять друг друга, поставленные задачи, требования проекта. 

2. Проектирование, конструирование. UML помогает разработчикам создать точную, детализированную модель программного продукта. Впоследствии она может использоваться для генерирования фрагментов программного кода. 

3. Документирование: UML-диаграммы подходят для документирования программного обеспечения. Они дают ясное, лаконичное визуальное представление о проектируемом продукте, помогающее легко сориентироваться в его структуре.

4. Коммуникация между разработчиками, клиентами, другими заинтересованными сторонами. С помощью визуального ряда проще обмениваться информацией о проекте. Риск непонимания сводится к минимуму.

5. Анализ, моделирование бизнес-процессов. Иногда UML служит для моделирования бизнес-процессов, описывая взаимодействие между подразделениями организации.

UML-диаграммы

Теперь опишем основные виды UML-диаграмм.

Диаграмма классов

Используется для визуального представления структуры проекта на начальных стадиях работы. Отображает атрибуты, операции, классы, отношения между ними. Получается «чертеж» будущего программного продукта. Разработчики могут увидеть логическую структуру, а уже на ее основе осмыслить взаимодействие компонентов друг с другом. Это упрощает процесс проектирования, делает код более читаемым, помогает устранить ошибки на ранних этапах разработки.

Основные элементы:

• классы — абстрактные типы данных для описания объектов. 
• атрибуты — свойства класса, которые хранят информацию об объектах.
• операции (методы) — действия, выполняемые классом.
• отношения — описывают связи между классами. В UML есть несколько типов отношений: ассоциация, агрегация, композиция, наследование.

 У диаграммы классов есть несколько полезных свойств:

• визуализация — наглядное представление о структуре программного обеспечения. 
• структурирование — она помогает разработчикам структурировать код, сделать его более читаемым. 
• устранение ошибок — позволяет обнаружить, исправить ошибки на ранних этапах разработки.
• коммуникация — позволяет лучше осмыслить требования конкретного  проекта.

Диаграмма компонентов

Отображает значимые компоненты системы, их взаимодействие, а также зависимости друг от друга. Фокусируется на физической реализации проекта, а не на его логическом представлении. 

Основные элементы:

• компоненты — физические модули программы: библиотеки, файлы из исходного кода, исполняемые файлы.
• интерфейсы — описывают набор операций, которые один компонент может предоставлять другим. 
• зависимости  — показывают отношения между компонентами, когда один модуль зависит от другого.

Типы зависимостей:

•  от использования — один компонент использует функциональность другого.
• от импорта — один компонент импортирует элементы из другого.
• от потока управления — один компонент управляет выполнением другого.

Применение диаграммы компонентов:

• разработка архитектуры проекта на высоком уровне.
• разработка и тестирование компонентов независимо друг от друга. 
• описание размещения компонентов в физической среде.
• документирование — наглядное представление о физической структуре проекта, которое позволяет легко ориентироваться в нем, понимать его функциональность.

Приведем пример с разработкой приложений. На диаграмме компонентов разработчик может показать, как взаимодействуют между собой сервер, база данных, пользовательский интерфейс для реализации функциональности приложения.

Диаграмма композитной/составной структуры

Используется для демонстрации внутренней структуры сложных объектов или составляющих проекта. Позволяет детализировать внутреннее устройство компонента, показав взаимодействие его частей.

Основные элементы:

• композитная структура — главный элемент, представляющий собой сложный объект, внутреннее устройство которого нужно детализировать.
• части композитной структуры — другие классы, интерфейсы, компоненты или даже другие структуры.
• порты — точки взаимодействия между композитной структурой и внешним миром. 
• интерфейсы — набор операций, предоставляемых другим частям проекта. 
• связи — показывают взаимодействие между частями композитной структуры: среди них встречаются ассоциации, агрегации, композиции, другие типы отношений.

Применение диаграммы композитной структуры:

• детализация сложных составных частей проекта — возможность углубиться во внутреннее устройство сложных компонентов, продемонстрировать их взаимодействие с другими частями проекта.
• визуализация архитектуры для демонстрации структуры сложных систем: веб-приложений, операционных сред или баз данных.
• разработка и тестирование отдельных частей программного продукта с описанием взаимодействий между ними.
• документирование — четкое, наглядное представление о внутренней структуре проекта для понимания и обслуживания.

Приведем пример — приложение с системой аутентификации пользователей. Визуализация композитной структуры может показать его внутреннее устройство: модуль проверки логина и пароля, модуль хранения данных пользователей, модуль генерирования сессий, взаимодействие этих частей, их связи с другими частями приложения.

Диаграмма развёртывания

Показывает, как компоненты программы располагаются на физических носителях: серверах, рабочих станциях, мобильных устройствах. Описывает физическое размещение и взаимодействие составных частей проектируемого продукта.

Основные элементы:

• узлы — физические устройства, содержащие компоненты системы: серверы, рабочие станции, мобильные устройства, принтеры.
• компоненты — физические модули программы, которые размещаются на узлах.
• артефакты — файлы, которые содержат код или данные.
• зависимости — отношения между компонентами и узлами. 
• связи — взаимодействие между узлами.

Применение:

• планирование размещения модулей программы с учетом их требований к ресурсам и взаимодействиям.
• разработка архитектуры системы — показывает связи компонентов друг с другом, а также с физической средой.
• управление конфигурацией проекта для его правильной работы.
• документирование — наглядное представление о физической структуре продукта.

Пример: приложение работает на сервере, а также в базе данных. Диаграмма развертывания показывает размещение его составных частей на физических серверах, их связь друг с другом, взаимодействие с пользователями по интернету.

Диаграмма объектов

Дает визуальное описание объектов, их атрибутов, связей между ними. Помогает понять структуру данных, чтобы потом ее было проще документировать.

Основные элементы диаграммы объектов:

• объекты — экземпляры классов с собственными атрибутами и методами. 
• атрибуты — свойства объектов, хранящие информацию о них.
• связи —отношения между объектами. 

Применение:

• анализ требований для документирования структуры данных и их взаимосвязей.
• проектирование — для визуализации архитектуры системы с выявлением потенциальных проблем.
• кодирование — определение структуры классов, объектов, их взаимодействий.
• документирование — создание понятных, доступных схем, описывающих архитектуру системы.

Диаграмма пакетов 

Демонстрирует зависимости между частями программы, группируя их в пакеты: те могут содержать другие пакеты, создавая иерархическую структуру. 

Основные элементы диаграммы пакетов:

• пакет — основная единица организации, представляющая собой группу взаимосвязанных элементов. 
• зависимости — линии, соединяющие пакеты, показывают отношения между ними: зависимость использования, зависимость расширения, зависимость импорта.
• стереотипы — обозначения, которые уточняют тип пакета.

Применение:

• анализ требований, их разделение на отдельные  смысловые модули.
• проектирование архитектуры — визуализация иерархической структуры проекта, зависимостей между его частями.
• документирование — создание наглядной схемы, описывающей структуру системы и ее модульность.
• управление кодом — организация файлов и директорий в соответствии с логической структурой. 

Диаграмма деятельности

Показывает выполнение задач, включая разветвления, циклы, параллельные потоки. 

Основные элементы:

• действия — отдельные задачи, выполняемые в рамках процесса.
• переходы — линии, показывающие порядок выполнения действий.
• разветвления — условия, которые могут привести к разным путям выполнения процесса.
• объединения — точки, где разные пути объединяются.
• вилки — точки, где процесс делится на параллельные потоки выполнения.
• слияния — точки, где параллельные потоки процесса объединяются.

Применение:

• моделирование бизнес-процессов.
• разработка алгоритмов с визуализацией логики их работы.
• описание процессов взаимодействия пользователей с системой.
• создание четких, понятных документов, описывающих работу в рамках проекта.

Диаграмма автомата

Дает визуальное описание системы, которая переходит из одного состояния в другое в ответ на внешние действия. 

Основные элементы: 

• состояния – фазы жизненного цикла объекта.
• переходы — линии, показывающие изменение состояний.
• события — действия, вызывающие переходы между состояниями.

Применение:

• программные системы — описание поведения программных модулей, работы веб-приложений или логики игр.
• моделирование поведения элементов управления.
• моделирование переходов между этапами бизнес-процесса в зависимости от определенных условий.

Диаграмма прецедентов

Отображает взаимодействие пользователей, подсистем, устройств с основным продуктом через выполнение определенных действий.

Основные элементы: 

• актеры — внешние пользователи, которые взаимодействуют с системой.
• прецеденты — описывают функциональность, предоставляемую системой, в виде последовательности шагов на пути к достижению определенной цели.
• связи — линии, соединяющие актеров и прецеденты и отображающие взаимодействие между ними.

Применение:

• определение требований к функциональности программного продукта.
• визуализация взаимосвязей.
• документирование функциональности программы.
• улучшение коммуникации между разработчиками, пользователями, заказчиками. 

Диаграммы коммуникации и последовательности

Еще два варианта визуализации в UML, которые используются для моделирования взаимодействия между объектами в системе. Они дают наглядное визуальное представление о том, как объекты обмениваются сообщениями и как эти сообщения меняют состояние объектов.

Диаграмма коммуникации фокусируется на структурной стороне взаимодействия, показывая объекты вместе со связями между ними. Диаграмма последовательности концентрируется на временной последовательности событий, происходящих при взаимодействии объектов. Первый вариант удобен для визуализации, второй — для изучения структурных связей.

Диаграмма обзора взаимодействия

Схема, состоящая из диаграмм последовательности или коммуникации, дающая представление о потоке взаимодействий в системе. 

Основные элементы — это объекты в виде вертикальных полос, а также последовательность событий, отмеченная горизонтальными линиями с возможностями подробной детализации.

Применение:

• моделирование сложных программных продуктов с визуализацией
• понимание роли функций в системе и в достижении целей.

Диаграмма синхронизации

Схема, отражающая изменения состояния объектов во времени, а заодно синхронизирующая их друг с другом.

Основные элементы:

• горизонтальная ось — ось времени;
• вертикальные объекты, расставленные на оси времени по хронологии.

Применение:

• визуализация поведения программного продукта с течением времени;
• проверка взаимодействия модулей онлайн.

Как построить UML-диаграмму

Перечислим шаги грамотного построения  UML-диаграммы.

1. Определите цель диаграммы. Что вы хотите продемонстрировать, что сделать — описать классы, моделировать поведение системы, визуализировать процессы, показать структуру данных? 

2. Выберите тип диаграммы в зависимости от поставленных задач.

3. Составьте список элементов, которые должны быть представлены на вашей схеме. Это могут быть классы, объекты, актеры, прецеденты, действия. 

4. Используйте нотации, а также стандартные символы для классов, связей, атрибутов, операций, сообщений.

5. Задокументируйте полученную схему. Добавьте краткие объяснения к элементам, чтобы вся схема была понятна всем заинтересованным сторонам, а не только разработчикам внутри команды.

Преимущества UML

Вот основные достоинства UML-моделирования.

• Улучшенная коммуникация: единый язык для разработчиков, аналитиков, тестировщиков, заказчиков, позволяющий им эффективно обмениваться информацией о проекте. Визуальные представления делают сложную информацию более доступной для понимания, а заодно упрощают обсуждение технических аспектов.
• Упрощение проектирования: UML помогает визуализировать, структурировать систему, отслеживая проблемы уже на ранних этапах проектирования.
• Повышение качества кода. Визуализация системы выявляет несоответствия, непоследовательности в проектировании. А это приводит к более качественному, но при этом более простому коду. Четкие схемы также удобны для тестировщиков, так как они дают полную картину системы и ее взаимодействий.
• Создание четкой, лаконичной документации для проекта. В результате команда и заказчики могут быстро ознакомиться с функциональностью всего проекта. Это особенно важно при его передаче другой команде или при внедрении изменений.
• Повышение повторного использования кода: UML помогает определить модульные компоненты системы, которые могут применяться повторно в других проектах. Разработка становится быстрее, а проекты обходятся дешевле, чем раньше.

Недостатки

Язык UML не лишен недостатков. Перечислим их.

• Сложность и избыточность. В UML есть много вариантов диаграмм и нотаций, а потому для его изучения с дальнейшим применением на практике требуется определенное время. Особенно это касается начинающих разработчиков. Следствием становится нерациональное использование времени при работе над проектом, особенно если в нем задействованы специалисты разного уровня.
• Недостаточная гибкость. Моделирование ограничено набором строгих правил и нотаций, которые могут не работать, если речь идет о нестандартных задачах или новых технологиях. Не каждый проект информационной системы, программы или приложения описывается с помощью стандартных нотаций.
• Отсутствие внятной интеграции с другими инструментами разработки. В UML нет функций автоматизации, упрощающих моделирование.
• Недостаточная универсальность. В основном UML используется для разработки программного обеспечения. Для моделирования других систем, например, бизнес-процессов или инженерных систем, его эффективность уже не так очевидна.
• Трудность использования со стороны заказчиков или менеджеров. Хотя  UML считается универсальным инструментом коммуникации между разработчиками и другими заинтересованными сторонами, им владеют не все. Люди, далекие от непосредственной разработки ПО, могут столкнуться со сложностями в освоении этого инструмента.
• Отсутствие общепринятой интерпретации. Несмотря на стандартизацию UML может быть интерпретирован разными способами. Иногда это приводит к непониманию между разработчиками. Нужно учитывать контекст, а также особенности проекта при использовании языка.

Несмотря на недостатки UML совершенствует разработку программного обеспечения. Его работа помогает улучшить коммуникацию, организовать проект, повысить качество кода и документации, создать задел для последующего развития проектов на основе уже существующих наработок.