UML Диаграмма классов

Понятие UML
Язык объектно-ориентированного моделирования UML (Unified Modeling Language) разработан и развивается консорциумом OMG (Object Management Group) и имеет много общего с объектными моделями, на которых основана технология распределенных объектных систем CORBA, и объектной моделью ODMG (Object Data Management Group).
UML позволяет моделировать разные виды систем: программные, аппаратные, программно-аппаратные, смешанные, явно включающие деятельность людей и т. д.
UML активно применяется для проектирования реляционных БД. Для этого используется небольшая часть языка (диаграммы классов)

Классы, атрибуты и операции
Диаграммой классов в терминологии UML называется диаграмма, на которой показан набор классов, а также связей между этими классами.
Кроме того, диаграмма классов может включать комментарии и ограничения.
Ограничения могут неформально задаваться на естественном языке или же могут формулироваться на языке объектных ограничений OCL (Object Constraints Language).

Классы, атрибуты и операции
Классом называется именованное описание совокупности объектов с общими атрибутами, операциями, связями и семантикой.
Графически класс изображается в виде прямоугольника. У каждого класса должно быть имя (текстовая строка), уникально отличающее его от всех других классов.
При формировании имен классов в UML на практике рекомендуется использовать короткие и осмысленные прилагательные и существительные, каждое из которых начинается с заглавной буквы.

Классы, атрибуты и операции
Примеры описания классов:
Атрибутом класса называется именованное свойство класса, описывающее множество значений, которые могут принимать экземпляры этого свойства.
Класс может иметь любое число атрибутов (в частности, не иметь ни одного атрибута).

Классы, атрибуты и операции
Свойство, выражаемое атрибутом, является свойством моделируемой сущности, общим для всех объектов данного класса.
Любой атрибут любого объекта класса должен иметь некоторое значение. Имена атрибутов представляются в разделе класса, расположенном под именем класса.
Для имен атрибутов рекомендуется использовать короткие прилагательные и существительные, отражающие смысл соответствующего свойства класса. Первое слово в имени атрибута рекомендуется писать с прописной буквы, а все остальные слова – с заглавной.

Классы, атрибуты и операции
Пример описания класса с указанными атрибутами:
Операцией класса называется именованная услуга, которую можно запросить у любого объекта этого класса.
Операция – это абстракция того, что можно делать с объектом. Класс может содержать любое число операций (в частности, не содержать ни одной операции). Набор операций класса является общим для всех объектов данного класса.

Классы, атрибуты и операции
Операции класса определяются в разделе, расположенном ниже раздела с атрибутами. При этом можно ограничиться только указанием имен операций, оставив детальную спецификацию выполнения операций на более поздние этапы моделирования.
Для именования операций рекомендуется использовать глагольные формы, соответствующие ожидаемому поведению объектов данного класса.
Описание операции может также содержать ее сигнатуру, т.е. имена и типы всех параметров, а если операция является функцией, то и тип ее значения.

Классы, атрибуты и операции
Класс Человек с определенными операциями:
Для класса Человек мы определили три операции: выдатьВозраст, сохранитьТекущийДоход, выдатьОбщийДоход.
Состояние объекта меняется при выполнении только второй операции. Результаты первой и третьей операций формируются на основе текущего состояния объекта.

Категории связей. Связь-зависимость
В диаграмме классов могут участвовать связи трех разных категорий: зависимость (dependency), обобщение (generalization) и ассоциация (association).
При проектировании реляционных БД наиболее важны вторая и третья категории связей, поэтому связи-зависимости будем рассматривать в общем виде.

Категории связей. Связь-зависимость
Зависимостью называют связь по применению, когда изменение в спецификации одного класса может повлиять на поведение другого класса, использующего первый класс.
Чаще всего зависимости применяют в диаграммах классов, чтобы отразить в сигнатуре операции одного класса тот факт, что параметром этой операции могут быть объекты другого класса.
Очевидно, что если интерфейс второго класса изменяется, это влияет на поведение объектов первого класса.

Категории связей. Связь-зависимость
Пример диаграммы классов со связью-зависимостью:
Зависимость показывается прерывистой линией со стрелкой, направленной к классу, от которого имеется зависимость.
Связи-зависимости существенны для объектно-ориентированных систем (в том числе и для ООБД). При проектировании реляционных БД непонятно, что делать с зависимостями (как воспользоваться этой информацией в реляционной БД?).

Связи-обобщения и механизм наследования классов в UML
Связью-обобщением называется связь между общей сущностью, называемой суперклассом, или родителем, и более специализированной разновидностью этой сущности, называемой подклассом, или потомком.
Обобщения иногда называют связями «is a», имея в виду, что класс-потомок является частным случаем класса-предка.
Класс-потомок наследует все атрибуты и операции класса-предка, но в нем могут быть определены дополнительные атрибуты и операции.

Связи-обобщения и механизм наследования классов в UML
Объекты класса-потомка могут использоваться везде, где могут использоваться объекты класса-предка.
Это свойство называют полиморфизмом по включению, имея в виду, что объекты потомка можно считать включаемыми во множество объектов класса-предка.
Графически обобщения изображаются в виде сплошной линии с большой незакрашенной стрелкой, направленной к суперклассу.

Связи-обобщения и механизм наследования классов в UML
Пример иерархии одиночного наследования классов:

Связи-обобщения и механизм наследования классов в UML
Одиночное наследование является достаточным в большинстве случаев применения связи-обобщения. Однако в UML допускается и множественное наследование, когда один подкласс определяется на основе нескольких суперклассов:

Связи-обобщения и механизм наследования классов в UML
Множественное наследование порождает ряд проблем, из которых одной из наиболее известных является проблема именования атрибутов и операций в подклассе, полученном путем множественного наследования.
Пример: при образовании подклассов Студент и Преподаватель в них обоих был определен атрибут с именем номерКомнаты. Для объектов класса Студент значениями этого атрибута будут номера комнат в студенческом общежитии, а для объектов класса Преподаватель – номера служебных кабинетов.
Как быть с объектами класса СтудентПреподаватель, для которых существенны оба одноименных атрибута (у студента-преподавателя могут иметься и комната в общежитии, и служебный кабинет)?

Связи-обобщения и механизм наследования классов в UML
На практике применяется одно из следующих решений:
запретить образование подкласса СтудентПреподаватель, пока в одном из суперклассов не будет произведено переименование атрибута номерКомнаты;
наследовать это свойство только от одного из суперклассов, так что, например, значением атрибута номерКомнаты у объектов класса СтудентПреподаватель всегда будут номера служебных кабинетов;
унаследовать в подклассе оба свойства, но автоматически переименовать оба атрибута, чтобы прояснить их смысл; назвать их, например, номерКомнатыСтудента и номерКомнатыПреподавателя.

Связи-обобщения и механизм наследования классов в UML
Ни одно из решений не является полностью удовлетворительным.
Первое решение требует возврата к ранее определенному классу, имена атрибутов и операций которого, возможно, уже используются в приложениях.
Второе решение нарушает логику наследования, не давая возможности на уровне подкласса использовать все свойства суперклассов.
Третье решение заставляет использовать длинные имена атрибутов и операций, которые могут стать недопустимо длинными, если процесс множественного наследования будет продолжаться от полученного подкласса.

Связи-обобщения и механизм наследования классов в UML
Сложность проблемы именования атрибутов и операций несопоставимо меньше сложности реализации множественного наследования в реляционных БД.
При использовании UML для проектирования реляционных БД нужно очень осторожно использовать наследование классов вообще и стараться избегать множественного наследования.

Связи-ассоциации: роли, кратность, агрегация
Ассоциацией называется структурная связь, показывающая, что объекты одного класса некоторым образом связаны с объектами другого или того же самого класса.
Допускается, чтобы оба конца ассоциации относились к одному классу. В ассоциации могут связываться два класса, и тогда она называется бинарной. Допускается создание ассоциаций, связывающих сразу n классов (они называются n-арными ассоциациями).
Графически ассоциация изображается в виде линии, соединяющей класс сам с собой или с другими классами.

Связи-ассоциации: роли, кратность, агрегация
С понятием ассоциации связаны четыре важных дополнительных понятия: имя, роль, кратность и агрегация.
Ассоциации может быть присвоено имя, характеризующее природу связи.
Смысл имени уточняется с помощью черного треугольника, который располагается над линией связи справа или слева от имени ассоциации. Этот треугольник указывает направление чтения имени связи.

Связи-ассоциации: роли, кратность, агрегация
Пример именованной ассоциации:
Треугольник показывает, что именованная ассоциация должна читаться как «Студент учится в Университете».

Связи-ассоциации: роли, кратность, агрегация
Другим способом именования ассоциации является указание роли каждого класса, участвующего в этой ассоциации.
Роль класса, как и имя конца связи в ER-модели, задается именем, помещаемым под линией ассоциации ближе к данному классу.

Связи-ассоциации: роли, кратность, агрегация
В примере показаны две ассоциации между классами Человек и Университет, в которых эти классы играют разные роли.
Объекты класса Человек могут выступать в роли РАБОТНИКОВ при участии в ассоциации, в которой объекты класса Университет играют роль НАНИМАТЕЛЯ.
В другой ассоциации объекты класса Человек играют роль СТУДЕНТА, а объекты класса УНИВЕРСИТЕТ – роль ОБУЧАЮЩЕГО.

Связи-ассоциации: роли, кратность, агрегация
В общем случае, для ассоциации могут задаваться и ее собственное имя, и имена ролей классов.
Это связано с тем, что класс может играть одну и ту же роль в разных ассоциациях, так что в общем случае пара имен ролей классов не идентифицирует ассоциацию.
С другой стороны, в простых случаях, когда между двумя классами определяется только одна ассоциация, можно вообще не связывать с ней дополнительные имена.

Связи-ассоциации: роли, кратность, агрегация
Кратностью (multiplicity) роли ассоциации называется характеристика, указывающая, сколько объектов класса с данной ролью может или должно участвовать в каждом экземпляре ассоциации.
Наиболее распространенным способом задания кратности роли ассоциации является указание конкретного числа или диапазона.

Связи-ассоциации: роли, кратность, агрегация
Например, указание «1» говорит о том, что каждый объект класса с данной ролью должен участвовать в некотором экземпляре данной ассоциации, причем в каждом экземпляре ассоциации может участвовать ровно один объект класса с данной ролью.
Указание диапазона «0..1» говорит о том, что не все объекты класса с данной ролью обязаны участвовать в каком-либо экземпляре данной ассоциации, но в каждом экземпляре ассоциации может участвовать только один объект.

Связи-ассоциации: роли, кратность, агрегация
Указание диапазона «1..*» говорит о том, что все объекты класса с данной ролью должны участвовать в некотором экземпляре данной ассоциации, и в каждом экземпляре ассоциации должен участвовать хотя бы один объект (верхняя граница не задана).
Толкование диапазона «0..*» является очевидным расширением случая «0..1».

Связи-ассоциации: роли, кратность, агрегация
В более сложных (но крайне редко встречающихся на практике) случаях определения кратности можно использовать списки диапазонов.
Например, список «2, 4..6, 8..*» говорит о том, что все объекты класса с указанной ролью должны участвовать в некотором экземпляре данной ассоциации, и в каждом экземпляре ассоциации должны участвовать два, от четырех до шести или более семи объектов класса с данной ролью.

Связи-ассоциации: роли, кратность, агрегация
На диаграмме классов показано, что произвольное (может быть, нулевое) число людей являются сотрудниками произвольного числа университетов:
Каждый университет обучает произвольное (может быть, нулевое) число студентов, но каждый студент может быть студентом только одного университета.

Связи-ассоциации: роли, кратность, агрегация
Обычная ассоциация между двумя классами характеризует связь между равноправными сущностями: оба класса находятся на одном концептуальном уровне.
Иногда в диаграмме классов требуется отразить тот факт, что ассоциация между двумя классами имеет специальный вид «часть-целое».
В этом случае класс «целое» имеет более высокий концептуальный уровень, чем класс «часть». Ассоциация такого рода называется агрегатной. Графически агрегатные ассоциации изображаются в виде простой ассоциации с незакрашенным ромбом на стороне класса-«целого».

Связи-ассоциации: роли, кратность, агрегация
Простой пример агрегатной ассоциации:
Объектами класса Аудитория являются студенческие аудитории, в которых проходят занятия. В каждой аудитории должны быть установлены парты. Поэтому класс Парта является «частью» класса Аудитория.
Роль класса Парта является необязательной.

Связи-ассоциации: роли, кратность, агрегация
Бывают случаи, когда связь «части» и «целого» настолько сильна, что уничтожение «целого» приводит к уничтожению всех его «частей».
Агрегатные ассоциации, обладающие таким свойством, называются композитными, или просто композициями. При наличии композиции объект-часть может быть частью только одного объекта-целого (композита).
При обычной агрегатной ассоциации «часть» может одновременно принадлежать нескольким «целым». Графически композиция изображается в виде простой ассоциации, дополненной закрашенным ромбом со стороны «целого».

Связи-ассоциации: роли, кратность, агрегация
Пример композитной агрегатной ассоциации:
Любой факультет является частью одного университета, и ликвидация университета приводит к ликвидации всех существующих в нем факультетов (хотя во время существования университета отдельные факультеты могут ликвидироваться и создаваться).

Связи-ассоциации: роли, кратность, агрегация
При наличии простой ассоциации между двумя классами (например, ассоциации между классами Студент и Университет предполагается возможность навигации между объектами, входящими в один экземпляр ассоциации.
Если известен конкретный объект-студент, то должна обеспечиваться возможность узнать соответствующий объект-университет. Если известен конкретный объект-университет, то должна обеспечиваться возможность узнать все соответствующие объекты-студенты.
Если не оговорено иное, то навигация по ассоциации может проводиться в обоих направлениях

Связи-ассоциации: роли, кратность, агрегация
Иногда желательно ограничить направление навигации для некоторых ассоциаций. В этом случае на линии ассоциации ставится стрелка, указывающая направление навигации: