Унифицированный процесс разработки программного обеспечения

В соответствии с ГОСТ 34.601-90 «АС. Стадии создания» устанавливаются следующие стадии создания АИС, которые, в свою очередь, могут подразделяться на этапы:

· формирование требований к АИС;

· разработка концепции АИС;

· техническое задание;

· эскизный проект;

· технический проект;

· рабочая документация;

· ввод в действие.

Каждой стадии соответствует свой набор проектной документации и реализации технических и программных модулей системы. Практика показывает, что процесс создания системы носит итеративный и инкрементный характер. Это же подчеркивают авторы UML, определяя понятие унифицированного процесса разработки программного и информационного обеспечения [ ]. Хотя на первой стадии формируется набор требований к АС в целом, на самом деле он всегда в начале неполон и уточняется на последующих стадиях. Приходится делать итерации, то есть повторять отдельные этапы и стадии, либо целиком, либо частично. Кроме того, реальная система многофункциональна и сложна, поэтому обычно ее разбивают на подсистемы и отдельные комплексы задач, выделяя в них подсистемы и задачи первой очереди, второй и т.д. Система создается инкрементно, путем постепенных приращений функциональности с заменой предварительных проектных решений на более проработанные и лучше отвечающие требованиям пользователей. Это снижает финансовые риски и экономит время и расход ресурсов на последних стадиях создания.

При использовании методологии UML для создания программного и информационного обеспечения АИС предлагается построить набор взаимосвязанных моделей , отражающих статические и динамические свойства будущей системы:

· модель вариантов использования;

· модель анализа ;

· модель проектирования;

· модель развертывания;

· модель реализации;

· модель тестирования.

Модель вариантов использования включает диаграммы вариантов использования и соответствующие сценарии, описывает функциональные требования к системе и ее поведение при взаимодействии с пользователями.

Модель анализа включает диаграммы обобщенных классов реализации вариантов использования на логическом уровне, соответствующие диаграммы последовательностей и/или диаграммы кооперации и является эскизной проработкой того, как будут реализованы варианты использования на логическом уровне.

Модель проектирования является детальным представлением физической реализации модели анализа и включает диаграммы пакетов (подсистем), детальные диаграммы классов, диаграммы последовательности и/или диаграммы кооперации, диаграммы состояний, диаграммы деятельности различной степени детализации.

Модель развёртывания включает предварительные диаграммы развёртывания, определяющие все конфигурации сетей, на которых может выполняться система. На диаграммах развёртывания указываются узлы сети, типы соединений, распределение активных классов системы по узлам.

Модель реализации описывает, как реализуются в виде компонентов классы проектирования. Соответственно она включает диаграммы компонентов, трассировки (реализации) классов, детальные диаграммы развёртывания, описание архитектуры системы.

Модель тестирования содержит набор тестовых примеров, процедур тестирования и описания тестовых компонент. Она задаёт способы тестирования исполняемых компонентов системы.

Сопоставим процессы построения моделей со стандартизованными стадиями создания АС. Модель вариантов использования строится на стадии формирования требований к АС; модель анализа – на стадии разработки концепции АС. На стадии технического задания и эскизного проектирования строится модель проектирования. Она уточняется на стадии технического проектирования и дополняется моделью развёртывания. На стадии рабочей документации создаются модели реализации и тестирования. Наконец, на стадии ввода в действие модель тестирования уточняется и становится в процессе эксплуатации эталонной, предназначенной для периодических проверок правильности функционирования и диагностики системы.

Далее рассматриваются вопросы, связанные с построением указанных моделей в нотации языка UML.

1.5 Компоненты языка UML

Унифицированный язык моделирования UML (Unified Modeling Language) – это язык визуального моделирования, используемый для спецификации, визуализации, конфигурирования, и документирования сложных систем (в том числе программного обеспечения) по объектно-ориентированной технологии.

При создании АС в методологии UML используются известные по методологиям Гейна/Сарсона и SADT принципы структурного системного анализа [ ]:

· нисходящая поэтапная разработка;

· диаграммная техника;

· иерархичность описаний;

· строгая формализация описания проектных решений;

· первоначальная проработка проекта на логическом уровне без деталей технической реализации;

· концептуальное моделирование в терминах предметной области для понимания проекта системы заказчиком;

· технологическая поддержка инструментальными средствами (CASE-системами).

Модель сложной системы на UML может быть исследована для получения оценочных характеристик эффективности протекания процессов в системе.

Модели развёртывания, реализации и тестирования программного и информационного обеспечения АС на UML могут быть использованы как проект приложения с последующей автоматизированной генерацией кода приложения в одной из выбранных сред программирования.

Достаточно полная модель сложной системы должна отражать два аспекта:

-статический (структурный) – состав, структура компонент и их взаимосвязи;

-динамический (поведенческий) – описание логики процессов, протекающих в системе или подлежащих реализации.

Основной способ представления моделей, принятый в UML - диаграммы, снабженные текстовой информацией, включая выражения на встроенном языке ограничений OCL, а также на языках программирования и информационных запросов, используемых для реализации системы.

Основной принцип моделирования: система моделируется как группа дискретных объектов, которые взаимодействуют друг с другом таким образом, чтобы удовлетворить требования пользователя.

В статической модели задается структура, типы объектов и отношения между объектами. В динамической модели определяется поведение объектов во времени (история объектов) и их взаимодействие.

Принципиально UML является языком дискретного моделирования, то есть в него заложена концепция дискретных событий и смены состояния. Непрерывные процессы моделируются приближенно, путем дискретизации.

Модель имеет два аспекта: семантическую информацию (семантику) и визуальное представление (нотацию).

Полный состав представлений моделей на языке UML приведён в таблице 1

Таблица 1 – Представление моделей системы на языке UML.

МОДЕЛЬ	ДИАГРАММА	КОМПОНЕНТЫ
Концептуальный уровень Модель вариантов использования (use case model)   Логический уровень Модель анализа (analysis model) Модель проектирования (design model)     Физический уровень Модель развёртывания (deployment model)	Диаграмма вариантов использования (use case diagram)     Диаграмма пакетов анализа (analysis package diagram) Диаграмма пакетов проектирования (design package diagram)     Диаграмма классов анализа (analysis class diagram) Диаграмма классов проектирования (design class diagram)     Диаграмма состояний (state chart diagram)   Диаграмма деятельности (activity diagram)   Диаграмма последовательности (sequence diagram)   Диаграмма кооперации (collaboration diagram)   Диаграмма развертывания (deployment diagram)	Вариант использования (use case) Актант (актер, actor) Ассоциация (связь, отношение, association) Роль (роль в ассоциации, role) Сценарий (scenario) Пакет (package)     Пакет (package) Модель (model) Система (system) Подсистема (subsystem) Отношение зависимости (зависимость, dependency relationship) Трассировка (trace)   Класс (class) Объект (object) Атрибут (свойство, attribute) Операция (operation) Отношение зависимости (зависимость, dependency relationship) Ассоциация (association) Агрегация (aggregation) Композиция (composition) Обобщение (generalization) Трассировка (trace) Реализация (realization)   Состояние (state) Событие (event) Переход (transition) Действие (action)   Состояние деятельности (activity state) Событие (event) Переход (transition) Деятельность (activity) Действие (action) Развилка (fork) Слияние (merge)   Объект (object) Сообщение (message) Активация (выполнение операции, activation) Линия жизни (lifeline) Плавательная дорожка (swim lane)   Объект (object) Роль (роль в кооперации, collaboration role) Сообщение (message)   Узел (узел реализации, node) Компонент (component) Объект (object) Зависимость (dependency relationship)
Модель реализации (implementation model) Модель тестирования (test model)	Диаграмма классов реализации (implementation class diagram)     Диаграмма компонентов (component diagram)	Ассоциация (association) Расположение (месторасположение, location)   Пакет (package) Система (system) Подсистема (subsystem) Класс (class) Объект (object) Атрибут (свойство, attribute) Метод (method) Отношение зависимости (зависимость, dependency) Ассоциация (association) Агрегация (aggregation) Композиция (composition) Обобщение (generalization) Реализация (realization)   Компонент (component) Тестовый компонент (test component) Интерфейс (interface) Зависимость (dependency relationship) Реализация (realization relationship)

Наиболее общей концептуальной моделью системы является диаграмма вариантов использования, она является исходной для построения остальных диаграмм.

Все диаграммы языка являются графами специального вида, содержат вершины (геометрические фигуры), связанные ребрами (дугами). Обычно масштаб изображения и расположение вершин особого значения не имеют, однако, в диаграмме последовательности вводится ось времени и там это существенно.

Связи обозначаются различными линиями на плоскости, внутри фигур пишется текст, около вершин и связей могут изображаться некоторые графические символы. В расширениях UML допускаются пространственные диаграммы.

В языке имеется 4 вида графических конструкций:

· значки (пиктограммы);

· графические символы на плоскости;

· пути (линии);

· строки текста.

1.6 Концептуальный уровень. Модель вариантов использования

В целом процесс объектно-ориентированного проектирования происходит в соответствии с основными принципами структурного системного анализа: нисходящее проектирование с построением иерархии диаграмм, постепенно переводящих нас с уровня на уровень: концептуальный – логический – физический (реализация)

Диаграммой самого верхнего уровня считается предложенная А. Якобсоном в OOSE диаграмма вариантов использования системы в целом. Именно она является исходным концептуальным представлением системы и строится с целью:

· определить общие границы и контекст моделируемой предметной области;

· сформировать общие требования к функциональному поведению и интерфейсу системы;

· подготовить исходную документацию для взаимодействия разработчиков и заказчиков - пользователей системы.

Точка зрения модели: внешний пользователь системы. В диаграмму вариантов использования входят актанты (actors), варианты использования (use case) и ассоциации (association).

Актант (актер, внешняя сущность, actor) - абстрактное описание класса источников/приемников сообщений, которые напрямую взаимодействует с системой, подсистемой или классом. Это-описание роли, которую играет пользователь (человек или другая система, подсистема, класс) во время взаимодействия с системой. По существу, это обобщение имеющих сходство между собой информационных запросов к системе, требующих определенного сервиса (обслуживания).

Актант не обязательно должен отождествляться с конкретным физическим лицом или устройством, хотя это в принципе иногда возможно, если они выполняют только одну роль. Чаще всего – физически – это разные люди и устройства, обращающиеся к системе с целью получения одного и того же сервиса. На самом верхнем уровне, например, актантами могут являться оператор, системный администратор, администратор базы данных, обычный пользователь, какой-либо класс устройств.

Каждая категория требует для себя вполне определенного сервиса (обслуживания).

Все возможные актанты исчерпывают все возможные пути взаимодействия пользователя с системой (подсистемой, классом). При реализации системы актанты воплощаются в людях и физических объектах. Один человек или физический объект в зависимости от режима взаимодействия может представлять собой несколько актантов (разные роли). Например, один и тот же человек может быть оператором и администратором базы данных, продавцом и покупателем и т.п.

Во многих АС нет никаких других актантов, кроме людей. Однако, актантами могут быть внешняя система, устройство ввода/вывода или таймер (обычно это встречается во встроенных системах реального времени). Среди актантов в варианте использования выделяется главный актант (primary actor), который инициирует работу с системой. Остальные – второстепенные (secondary), они также участвуют в варианте использования, получая результаты и вводя некоторые промежуточные данные.

На логическом и физическом уровнях актанты представляются классами и объектами-экземплярами классов. Возможно построение иерархии актантов с наследованием всех ролей и отношений, атрибутов и операций, которые есть у актанта-предка. Экземпляр актанта-потомка всегда можно использовать в том месте системы, где объявлено использование актанта-предка (принцип подстановки).

Актант может изображаться на диаграммах двумя способами:

3. Символ класса (прямоугольник) с внутренним указанием стереотипа

	<actor> Заказчик

4. Более стандартно: “человек” с надписью (символ человека)

Актант находится вне системы и его внутренняя структура не определяется. Он является источником/приемником сообщений.

Заказчик

Вариант использования (прецедент, use case) – абстрактное описание класса сервиса (сервисных функций), предоставляемого актанту в ответ на его запросы.

Сервис могут предоставлять система в целом, подсистема или класс. Таким образом, вариант использования означает моделирование некоторой части функциональности или поведения системы. Вариант использования имеет имя и означает некоторую последовательность действий, видимых внешнему источнику/приемнику (актанту). Внутренний способ реализации варианта при этом скрывается и на более низких уровнях детализации раскрывается диаграммой кооперации. Как и всякий класс, вариант использования имеет атрибуты и операции, реализация которых раскрывается на физическом уровне.

Вариант использования включает всю последовательность сообщений, которую начинает актант и заканчивает система (подсистема, класс). Поэтому любой экземпляр реализации варианта использования всегда имеет начало во времени и окончание, когда уже никакой актант не посылает сообщений по этому варианту. Сюда же относятся сообщения об ошибках, варианты выполнения функции обслуживания при различных параметрах настройки (альтернативы).

Экземпляр варианта использования – это выполнение варианта использования, которое начинается после первого получения сообщения от экземпляра актанта. В качестве реакции на данное сообщение вариант использования выполняет определенную последовательность действий, например, отправляет сообщение другим экземплярам актанта (а не только тому, кто инициировал). В свою очередь, эти актанты отправляют сообщения данному экземпляру варианта использования, и взаимодействие продолжается до тех пор, пока больше таких сообщений не поступает. Это означает окончание варианта использования.

Связь между актантом и вариантом использования показывается ассоциацией.

На диаграмме вариант использования изображается двумя способами:

1) эллипсом, внутри ставится имя

2) прямоугольником - как и любой класс

	<use case> Принять заказ

Ассоциация показывается линией:

Заказчик

Датчик

Между актантами и вариантами использования ассоциация – единственный вид связи. При этом он имеет семантику коммутативной связи, то есть передачи сообщений, поэтому обычно не помечается, так как контекст ясен из обозначений актанта и варианта использования. Но можно ее пометить, а также указать кратность связи:

Клиент банка

Кратность (multiplicity) характеризует количество конкретных экземпляров класса, участвующих в данной связи (один клиент может оформить неограниченное число кредитов).

В общем случае ассоциация – это отношение между двумя или несколькими компонентами модели. Так как в большинстве случаев компоненты – это некоторые классы объектов, то экземпляр ассоциации – это просто упорядоченный список ссылок на конкретные экземпляры, возможно, снабженный атрибутами ассоциации (свойствами).

Имя ассоциации, если оно есть, должно быть уникальным. Его формируют по смыслу отношений между классами - участниками ассоциации. Например, «Сотрудник работает_вОтделе», «Менеджер комплектует Компьютер» и т.п.

Ассоциации сами являются классами (класс-ассоциация, association class), у нее есть как свойства класса, так и свойства ассоциации. Экземпляры этого класса - связи, у которых есть не только ссылки на объекты, но и значения атрибутов (свойств).

Участники ассоциации называются ее полюсами. Все полюса – это роли классов, участвующих в связи, они различаются и могут быть перечислены в некотором упорядоченном списке. В большинстве случаев ассоциации бинарны (две роли в ассоциации с определенной семантикой), но могут быть и n-арными. Один и тот же класс может выступать в различных ролях, то есть быть одновременно в двух полюсах ассоциации.

Множественность связи проставляется у полюсов.

Связи могут появляться и исчезать в процессе работы системы, ограничения и соответствующие предикаты могут указываться у полюсов ассоциации.

Иногда связь меняется только у одного из полюсов. Если связь имеет атрибуты, то они могут быть изменены операциями, однако, при этом ссылки на участников связей не меняются.

Ассоциация изображается непрерывной линией, соединяющей границы 2-х классов, если ассоциация n-арная, то рисуется ромб (признак агрегации):

		Множество ассоциаций - агрегация
	Бинарная ассоциация

Между собой варианты использования не обмениваются сообщениями и могут находиться только в отношениях (связях) расширения (extend), включения (include) и обобщения ( generalization).

В отношении расширения вариант использования – клиент вносит дополнительную последовательность действий, начиная с некоторой точки основной последовательности, при этом таких “вставок” может быть несколько. Все эти точки называются точками расширения.

Направление стрелки имеет смысл: вариант “Запросить каталог” знает, в какие точки расширения варианта “Принять заказ” он включается (он может включаться неоднократно). Для правильного определения направления стрелки следует задать вопрос по данному варианту: «Расширяет что?». Каждая точка расширения имеет уникальное имя в рамках варианта “Принять заказ”. Имена точек расширения можно указать в специальном разделе в обозначении варианта использования.