Отношения в диаграммах классов

Отношения, используемые в диаграммах классов, показаны на рис. 11.5.

Рис. 11.5. Отношения в диаграммах классов

Ассоциации отображают структурные отношения между экземплярами классов, то есть соединения между объектами. Каждая ассоциация может иметь метку — имя, которое описывает природу отношения. Как показано на рис. 11.6, имени можно придать направление — достаточно добавить треугольник направления, который указывает направление, заданное для чтения имени.

Рис. 11.6. Имена ассоциаций

Когда класс участвует в ассоциации, он играет в этом отношении определенную роль. Как показано на рис. 11.7, роль определяет, каким представляется класс на одном конце ассоциации для класса на противоположном конце ассоциации.

Рис. 11.7.Роли

Один и тот же класс в разных ассоциациях может играть разные роли. Часто важно знать, как много объектов может соединяться через экземпляр ассоциации. Это количество называется ложностью роли в ассоциации, записывается в виде выражения, задающего диапазон величин или одну величину (рис. 11.8).

Запись мощности на одном конце ассоциации определяет количество объектов, соединяемых с каждым объектом на противоположном конце ассоциации. Например, можно задать следующие варианты мощности:

q 5 — точно пять;

q * — неограниченное количество;

q 0..* — ноль или более;

q 1..* — один или более;

q 3..7 — определенный диапазон;

q 1..3, 7 — определенный диапазон или число.

Рис. 11. 8. Мощность

Достаточно часто возникает следующая проблема — как для объекта на одном конце ассоциации выделить набор объектов на противоположном конце? Например, рассмотрим взаимодействие между банком и клиентом — вкладчиком. Как показано на рис. 11.9, мы устанавливаем ассоциацию между классом Банк и классом Клиент. В контексте Банка мы имеем НомерСчета, который позволяет идентифицировать конкретного Клиента. В этом смысле НомерСчета является атрибутом ассоциации. Он не является характеристикой Клиента, так как Клиенту не обязательно знать служебные параметры его счета. Теперь для данного экземпляра Банка и данного значения НомераСчета можно выявить ноль или один экземпляр Клиента. В UML для решения этой проблемы вводится квалификатор — атрибут ассоциации, чьи значения выделяют набор объектов, связанных с объектом через ассоциацию. Квалификатор изображается маленьким прямоугольником, присоединенным к концу ассоциации. В прямоугольник вписывается свойство — атрибут ассоциации.

Рис. 11.9. Квалификация

Кроме того, роли в ассоциациях могут иметь пометки видимости. Например, на рис. 11.10 показаны ассоциации между Начальником и Женщиной, а также между Женщиной и Загадкой. Для данного экземпляра Начальника можно определить соответствующие экземпляры Женщины. С другой стороны, Загадка приватна для Женщины, поэтому она недоступна извне. Как показано на рисунке, из объекта Начальника можно перемещаться к экземплярам Женщины (и наоборот), но нельзя видеть экземпляры Загадки для объектов Женщины.

Рис. 11.10. Видимость

На конце ассоциации можно задать три уровня видимости, добавляя символ видимости к имени роли:

q по умолчанию для роли задается публичная видимость;

q приватная видимость указывает, что объекты на данном конце недоступны любым объектам вне ассоциации;

q защищенная видимость (protected) указывает, что объекты на данном конце недоступны любым объектам вне ассоциации, за исключением потомков того класса, который указан на противоположном конце ассоциации.

В языке UML ассоциации могут иметь свойства. Как показано на рис, 11.11, такие возможности отображаются с помощью классов-ассоциаций. Эти классы присоединяются к линии ассоциации пунктирной линией и рассматриваются как классы со свойствами ассоциаций или как ассоциации со свойствами классов.

Рис. 11.11.Класс-ассоциация

Свойства класса-ассоциации характеризуют не один, а пару объектов, в данном случае — пару экземпляров, Профессор и Университет.

Отношения агрегации и композиции в языке UML считаются разновидностями ассоциации, применяемыми для отображения структурных отношений между «целым» (агрегатом) и его «частями». Агрегация показывает отношение по ссылке (в агрегат включены только указатели на части), композиция — отношение физического включения (в агрегат включены сами части).

Зависимость является отношением использования между клиентом (зависимым элементом) и поставщиком (независимым элементом). Обычно операции клиента:

q вызывают операции поставщика;

q имеют сигнатуры, в которых возвращаемое значение или аргументы принадлежат классу поставщика.

Например, на рис. 11.12 показана зависимость класса Заказ от класса Книга, так как Книга используется в операциях проверкаДоступности, добавить и удалить класса Заказ.

Рис. 11.12.Отношения зависимости

На этом рисунке изображена еще одна зависимость, которая показывает, что класс Просмотр Заказа использует класс Заказ. Причем Заказ ничего не знает о Просмотре Заказа. Данная зависимость помечена стереотипом «friend», который расширяет простую зависимость, определенную в языке. Отметим, что отношение зависимости очень разнообразно — в настоящее время язык предусматривает 17 разновидностей зависимости, различаемых по стереотипам.

Обобщение — отношение между общим предметом (суперклассом) и специализированной разновидностью этого предмета (подклассом). Подкласс может иметь одного родителя (один суперкласс) или несколько родителей (несколько суперклассов). Во втором случае говорят о множественном наследовании.

Как показано на рис. 11.13, подкласс Летающий шкаф является наследником суперклассов Летающий предмет и Хранилище вещей. Этому подклассу достаются в наследство все свойства и операции двух классов-родителей.

Множественное наследование достаточно сложно и коварно, имеет много «подводных камней». Например, подкласс Яблочный_Пирог не следует производить от суперклассов Пирог и Яблоко. Это типичное неправильное использование множественного наследования: потомок наследует все свойства от его родителя, хотя обычно не все свойства применимы к потомку. Очевидно, что Яблочный_Пирог является Пирогом, но не является Яблоком, так как пироги не растут на деревьях.

Рис. 11.13.Множественное наследование

Еще более сложные проблемы возникают при наследовании от двух классов, имеющих общего родителя. Говорят, что в результате образуется ромбовидная решетка наследования (рис. 11.14).

Рис. 11.14.Ромбовидная решетка наследования

Полагаем, что в подклассах Официант и Певец операция работать суперкласса Работник переопределена в соответствии с обязанностью подкласса (работа официанта состоит в обслуживании едой, а певца — в пении). Возникает вопрос — какую версию операции работать унаследует Поющий_официант? А что делать со свойствами, доставшимися в наследство от родителей и общего прародителя? Хотим ли мы иметь несколько копий свойства или только одну?

Все эти проблемы увеличивают сложность реализации, приводят к введению многочисленных правил для обработки особых случаев.

Реализация — семантическое отношение между классами, в котором класс-приемник выполняет реализацию операций интерфейса класса-источника. Например, на рис. 11.15 показано, что класс Каталог должен реализовать интерфейс Обработчик каталога, то есть Обработчик каталога рассматривается как источник, а Каталог — как приемник.

Рис. 11.15.Реализация интерфейса

Интерфейс Обработчик каталога позволяет клиентам взаимодействовать с объектами класса Каталог без знания той дисциплины доступа, которая здесь реализована (LIFO — последний вошел, первый вышел; FIFO — первый вошел, первый вышел и т. д.).

Деревья наследования

При использовании отношений обобщения строится иерархия классов. Некоторые классы в этой иерархии могут быть абстрактными. Абстрактным называют класс, который не может иметь экземпляров. Имена абстрактных классов записываются курсивом. Например, на рис. 11.16 показаны абстрактные классы Млекопитающие, Собаки, Кошки.

Рис. 11.16.Абстрактность и полиморфизм

Кроме того, здесь имеются конкретные классы ОхотничьиСобаки, Сеттер, каждый из которых может иметь экземпляры.

Обычно класс наследует какие-то характеристики класса-родителя и передает свои характеристики классу-потомку. Иногда требуется определить конечный класс, который не может иметь детей. Такие классы помечаются теговой величиной (характеристикой) leaf, записываемой за именем класса. Например, на рисунке показан конечный класс Сеттер.

Иногда полезно отметить корневой класс, который не может иметь родителей. Такой класс помечается теговой величиной (характеристикой) root, записываемой за именем класса. Например, на рисунке показан корневой класс Млекопитающие.

Аналогичные свойства имеют и операции. Обычно операция является полиморфной, это значит, что в различных точках иерархии можно определять операции с похожей сигнатурой. Такие операции из дочерних классов переопределяют поведение соответствующих операций из родительских классов. При обработке сообщения (в период выполнения) производится полиморфный выбор одной из операций иерархии в соответствии с типом объекта. Например, ОтображатьВнешнийВид () и ВлезатьНаДерево (дуб) — полиморфные операции. К тому же операция Млекопитающие::ОтображатьВнешнийВид ( ) является абстрактной, то есть неполной и требующей для своей реализации потомка. Имя абстрактной операции записывается курсивом (как и имя класса). С другой стороны, Млекопитающие::УзнатьВес () — конечная операция, что отмечается характеристикой leaf. Это значит, что операция не полиморфна и не может перекрываться.

Примеры диаграмм классов

В качестве первого примера на рис. 11.17 показана диаграмма классов системы управления полетом летательного аппарата.

Рис. 11.17.Диаграмма классов системы управления полетом

Здесь представлен класс ПрограммаПолета, который имеет свойство ТраекторияПолета, операцию-модификатор ВыполнятьПрограмму () и операцию-селектор ПрогнозОкончУправления (). Имеется ассоциация между этим классом и классом Контроллер СУ — экземпляры программы задают параметры движения, которые должны обеспечивать экземпляры контроллера.

Класс Контроллер СУ — агрегат, чьи экземпляры включают по одному экземпляру классов Регулятор скорости и Регулятор углов, а также по шесть экземпляров класса Датчик. Экземпляры Регулятора скорости и Регулятора углов включены в агрегат физически (с помощью отношения композиция), а экземпляры Датчика — по ссылке, то есть экземпляр Контроллера СУ включает лишь указатели на объекты-датчики. Регулятор скорости и Регулятор углов — это подклассы абстрактного суперкласса Регулятор, который передает им в наследство абстрактные операции Включить ( ) и Выключить (). В свою очередь, класс Регулятор использует конкретный класс Порт.

Как видим, ассоциация имеет имя (Определяет полет), роли участников ассоциации явно указаны (Сервер, Клиент). Отношения композиции также имеют имена (Включать), причем на эти отношения наложено ограничение — контроллер не может включать Регулятор скорости и Регулятор углов одновременно.

Для класса Контроллер СУ задано ограничение на множественность — допускается не более трех экземпляров этого класса. Класс Регулятор скорости имеет ограничение другого типа — повторное включение его экземпляра разрешается не раньше, чем через 64 мс.

В качестве второго примера на рис. 11.18 приведена диаграмма классов для информационной системы театра. Эту систему образует 6 классов.

Классы-агрегаты Театр и Труппа имеют операции добавления и удаления своих частей, которые включаются в агрегаты по ссылке. Частями Театра являются Зрители и Труппы, а частями Труппы — Актеры. Отношения агрегации между классом Театр и классами Труппа и Зритель слегка отличны. Театр может состоять из одной или нескольких трупп, но каждая труппа находится в одном и только одном театре. С другой стороны, в театр может ходить любое количество зрителей (включая нулевое количество), причем зритель может посещать один или несколько театров.

Между классами Труппа и Актер существуют два отношения — агрегация и ассоциация. Агрегация показывает, что каждый актер работает в одной или нескольких труппах, а в каждой труппе должен быть хотя бы один актер. Ассоциация отображает, что каждой труппой управляет только один актер — художественный руководитель, а некоторые актеры не являются руководителями.

Ассоциация между классами Спектакль и Актер фиксирует, что в спектакле должен быть занят хотя бы один актер, впрочем, актер может играть в любом количестве спектаклей (или вообще может ничего не играть).

Между классами Спектакль и Зритель тоже определена ассоциация. Она поясняет, что зритель может смотреть любое число спектаклей, а на каждом спектакле может быть любое число зрителей.

И наконец, на диаграмме отображены два отношения наследования, утверждающие, что и в зрителях, и в актерах есть человеческое начало.

Рис. 11.18.Диаграмма классов информационной системы театра

Контрольные вопросы

1. Поясните назначение статических моделей объектно-ориентированных программных систем.

2. Что является основным средством для представления статических моделей?

3. Как используются статические модели?

4. Какие секции входят в графическое обозначение класса?

5. Какие секции класса можно не показывать?

6. Какие имеются разновидности области действия свойства (операции)?

7. Поясните общий синтаксис представления свойства.

8. Какие уровни видимости вы знаете? Их смысл?

9. Какие характеристики свойств вам известны?

10. Поясните общий синтаксис представления операции.

11. Какой вид имеет форма представления параметра операции?

12. Какие характеристики операций вам известны?

13. Что означают три точки в списке свойств (операций)?

14. Как организуется группировка свойств (операций)?

15. Как ограничить количество экземпляров класса?

16. Перечислите известные вам «украшения» отношения ассоциации.

17. Может ли статическая модель программной системы не иметь отношений ассоциации?

18. Какой смысл имеет квалификатор? К чему он относится?

19. Какие отношения могут иметь пометки видимости и что эти пометки обозначают?

20. Какой смысл имеет класс-ассоциация?

21. Чем отличается агрегация от композиции? Разновидностями какого отношения (в UML) они являются?

22. Что обозначает в UML простая зависимость?

23. Какой смысл имеет отношение обобщения?

24. Какие недостатки у множественного наследования?

25. Перечислите недостатки ромбовидной решетки наследования.

26. В чем смысл отношения реализации?

27. Что обозначает мощность «многие-ко-многим» и в каких отношениях она применяется?

28. Что такое абстрактный класс (операция) и как он (она) отображается?

29. Как запретить полиморфизм операции?

30. Как обозначить корневой класс?