Для чего нужны диаграммы классов
UML-диаграммы классов
UML – унифицированный язык моделирования (Unified Modeling Language) – это система обозначений, которую можно применять для объектно-ориентированного анализа и проектирования.
Его можно использовать для визуализации, спецификации, конструирования и документирования программных систем.
Словарь UML включает три вида строительных блоков:
Сущности – это абстракции, которые являются основными элементами модели, связи соединяют их между собой, а диаграммы группируют представляющие интерес наборы сущностей.
Диаграмма – это графическое представление набора элементов, чаще всего изображенного в виде связного графа вершин (сущностей) и путей (связей). Язык UML включает 13 видов диаграмм, среди которых на первом месте в списке — диаграмма классов, о которой и пойдет речь.
Диаграммы классов показывают набор классов, интерфейсов, а также их связи. Диаграммы этого вида чаще всего используются для моделирования объектно-ориентированных систем. Они предназначены для статического представления системы.
Большинство элементов UML имеют уникальную и прямую графическую нотацию, которая дает визуальное представление наиболее важных аспектов элемента.
Сущности
Диаграммы классов оперируют тремя видами сущностей UML:
Поведенческие сущности – динамические части моделей UML. Это «глаголы» моделей, представляющие поведение модели во времени и пространстве. Основной из них является взаимодействие – поведение, которое заключается в обмене сообщениями между наборами объектов или ролей в определенном контексте для достижения некоторой цели. Сообщение изображается в виде линии со стрелкой, почти всегда сопровождаемой именем операции.
Структурные сущности — классы
Класс – это описание набора объектов с одинаковыми атрибутами, операциями, связями и семантикой.
Графически класс изображается в виде прямоугольника, разделенного на 3 блока горизонтальными линиями:
Для атрибутов и операций может быть указан один из трех типов видимости:
Видимость для полей и методов указывается в виде левого символа в строке с именем соответствующего элемента.
Каждый класс должен обладать именем, отличающим его от других классов. Имя – это текстовая строка. Имя класса может состоять из любого числа букв, цифр и знаков препинания (за исключением двоеточия и точки) и может записываться в несколько строк.
На практике обычно используются краткие имена классов, взятые из словаря моделируемой системы. Каждое слово в имени класса традиционно пишут с заглавной буквы (верблюжья конвенция), например Sensor (Датчик) или TemperatureSensor (ДатчикТемпературы). 
Для абстрактного класса имя класса записывается курсивом.
Атрибут (свойство) – это именованное свойство класса, описывающее диапазон значений, которые может принимать экземпляр атрибута. Класс может иметь любое число атрибутов или не иметь ни одного. В последнем случае блок атрибутов оставляют пустым.
Атрибут представляет некоторое свойство моделируемой сущности, которым обладают все объекты данного класса. Имя атрибута, как и имя класса, может представлять собой текст. На практике для именования атрибута используются одно или несколько коротких существительных, выражающих некое свойство класса, к которому относится атрибут.
Можно уточнить спецификацию атрибута, указав его тип, кратность (если атрибут представляет собой массив некоторых значений) и начальное значение по умолчанию.
Статические атрибуты класса обозначаются подчеркиванием.
Операция (метод) – это реализация метода класса. Класс может иметь любое число операций либо не иметь ни одной. Часто вызов операции объекта изменяет его атрибуты.
Графически операции представлены в нижнем блоке описания класса.
Допускается указание только имен операций. Имя операции, как и имя класса, должно представлять собой текст. На практике для именования операции используются короткие глагольные конструкции, описывающие некое поведение класса, которому принадлежит операция. Обычно каждое слово в имени операции пишется с заглавной буквы, за исключением первого, например move (переместить) или isEmpty (проверка на пустоту).
Можно специфицировать операцию, устанавливая ее сигнатуру, включающую имя, тип и значение по умолчанию всех параметров, а применительно к функциям – тип возвращаемого значения.
Абстрактные методы класса обозначаются курсивным шрифтом.
Статические методы класса обозначаются подчеркиванием.
Изображая класс, не обязательно показывать сразу все его атрибуты и операции. Для конкретного представления, как правило, существенна только часть атрибутов и операций класса. В силу этих причин допускается упрощенное представление класса, то есть для графического представления выбираются только некоторые из его атрибутов. Если помимо указанных существуют другие атрибуты и операции, вы даете это понять, завершая каждый список многоточием.
Чтобы легче воспринимать длинные списки атрибутов и операций, желательно снабдить префиксом (именем стереотипа) каждую категорию в них. В данном случае стереотип – это слово, заключенное в угловые кавычки, которое указывает то, что за ним следует. 
Отношения между классами
Существует четыре типа связей в UML:
Эти связи представляют собой базовые строительные блоки для описания отношений в UML, используемые для разработки хорошо согласованных моделей.
Первая из них – зависимость – семантически представляет собой связь между двумя элементами модели, в которой изменение одного элемента (независимого) может привести к изменению семантики другого элемента (зависимого). Графически представлена пунктирной линией, иногда со стрелкой, направленной к той сущности, от которой зависит еще одна; может быть снабжена меткой.
Ассоциация – это структурная связь между элементами модели, которая описывает набор связей, существующих между объектами.
Ассоциация показывает, что объекты одной сущности (класса) связаны с объектами другой сущности таким образом, что можно перемещаться от объектов одного класса к другому.
Например, класс Человек и класс Школа имеют ассоциацию, так как человек может учиться в школе. Ассоциации можно присвоить имя «учится в». В представлении однонаправленной ассоциации добавляется стрелка, указывающая на направление ассоциации. 
Двойные ассоциации представляются линией без стрелок на концах, соединяющей два классовых блока.
Ассоциация может быть именованной, и тогда на концах представляющей её линии будут подписаны роли, принадлежности, индикаторы, мультипликаторы, видимости или другие свойства.
Пример кода и диаграммы классов для него
Программа получает данные с датчика температуры (вводятся с консоли) — по 5 измерений для каждого из двух объектов класса TemperatureMeasure и усредняет их. Также предусмотрен класс ShowMeasure для вывода измеренных значений.
Использование диаграммы классов UML при проектировании и документировании программного обеспечения
Предисловие
Парадигма объектно-ориентированного программирования (далее просто ООП) повсеместно используется при создании современного программного обеспечения. Модель объектов, заложенная в данную парадигму, способна достаточно точно описывать свойства и возможности сущностей реального мира. Разумеется, эти объекты не существуют обособленно друг от друга, они взаимодействуют друг с другом для достижения какой-то глобальной цели разрабатываемой системы.
Стандартная библиотека некоторого языка программирования – замечательный сборник полезных утилит. Однако разнообразие решаемых программистами задач так велико, что одной только стандартной библиотекой ограничиться не получится. Программисту часто приходится самому создавать необходимый ему набор функциональности. Это можно сделать, создав пакет функций или набор классов.
Создание собственных классов при разработке программы добавляет в проект новый уровень абстракции, который позволяет определить некоторый функционал системы и работать в дальнейшем только с ним.
Чем выше уровень абстракции, которым пользуется программист, тем выше уровень его продуктивности при разработке приложения.
Использование ООП может существенно упросить жизнь программисту. Это достигается за счёт сокрытия особенностей внутренней реализации классов. Программисту остаётся лишь пользоваться её удобствами. Кажется, что ООП – панацея от всех проблем. Однако на практике, если не иметь чёткого представления о том, какие классы нужно реализовать и как ими потом пользоваться, в результате может получиться очень запутанная система, которая начнёт порождать спагетти-коду (от англ. “spaghetti code”), который будет лишь мешаться, когда вы захотите добавить что-то новое в систему.
Чтобы избежать большинства проблем, возникающих при использовании ООП, нужно:
Иметь некоторый опыт создания программ и использования классов.
Строить структурные диаграммы классов.
Первое придёт со временем, а со вторым я могу вас познакомить прямо сейчас. Сегодня мы разберём диаграмму классов UML.
UML для самых маленьких: диаграмма классов
Аве, Кодер! Диаграмма классов UML иллюстрирует структуру системы, описывая классы, их атрибуты, методы и отношения между объектами.
Даже самые малые детки знают, что UML происходит от Unified Modeling Language, если по- русски, то — унифицированный язык моделирования, который, как гласит легенда, разработали, когда серьезные дяди и тети в конец задолбались плавать в разнообразии кружочков, черточек и облачков.
Для тех, кому лень читать:
Главное действующее лицо
Для начала напомним себе что такое класс? Если в двух словах, то класс представляет собой шаблон для создания объектов, обеспечивающий начальные значения состояний: инициализацию полей-переменных и реализацию поведения полей и методов.
По сути, класс описывает то, каким объект может быть.
Класс представляет концепт, который описывает состояние (атрибуты) и поведение (методы). Каждый атрибут имеет свой тип, каждый метод — свою сигнатуру, но в диаграмме классов только имя класса является обязательной информацией к заполнению, что и логично — даже лучшие экстрасенсы мира не смогут понять, что это за безымянный квадрат и к чему он вообще относится.
Имя класса пишется в самом верхнем делении, затем идут атрибуты класса, типы которых записываются после двоеточия и, наконец, в нижнем делении идут методы.
Тип, который может возвращать метод, записывается после двоеточия в самом конце сигнатуры метода. Модификаторы области видимости изображены перед атрибутами класса и методами.
Каждый параметр в методе может также иметь описание направленности метода: in, out, inout.
На этой иллюстрации, method1 использует p1, как входной параметр и значение p1, каким-то образом, используется методом, а метод не изменяет p1.
Method2 принимает p2, как параметр ввода/вывода, значение p2, каким-то образом, используется методом и принимает выходное значение метода, но сам метод также может изменять p2.
Method3 использует p3, как выходной параметр, иными словами, параметр служит хранилищем для выходного значение метода.
Перспективы диаграммы классов в жизненном цикле разработки программного обеспечения
Мы можем использовать диаграммы классов на разных этапах жизненного цикла разработки программного обеспечения и, как правило, постепенно моделируя диаграммы классов с трех разных точек зрения по мере нашего продвижения по уровням детализации.
Концептуальная перспектива — это когда диаграммы интерпретируются как описание вещей в реальном мире. Таким образом, если мы берем концептуальную перспективу, мы рисуем диаграмму, которая представляет концепции в изучаемой области. Эти концепции относятся к классам, которые их реализуют. Концептуальная перспектива считается независимой от языка.
Спецификационная перспектива — это когда диаграммы интерпретируются, как описание абстракций программного обеспечения или компонентов со спецификациями и интерфейсами, но без привязки к конкретной реализации.
Имплементационная перспектива — это когда диаграммы интерпретируются, как описание реализаций программного обеспечения на определенной технологии и языке.
Таким образом, если ты берешь имплементационную перспективу, ты смотришь на реализацию программного обеспечения.
Типы отношений
Далее, я приведу шесть основных типов обозначений отношений между классами, которые встречаются в UML схемах чаще всего.
Ассоциация.
Аналогично связям, соединяющим объекты, ассоциации соединяют классы. Для того, чтобы между объектами была связь, между ними должна быть ассоциация.
Если предположить, что у нас есть два класса, которые взаимодействуют друг с другом, между ними должна быть проведена непрерывная соединительная линия, обозначающая на схеме ассоциацию. Часто мы также можем увидеть глагол, передающий ее смысл.
Помимо этого, мы также можем указать кратность, то есть число объектов, которые могут принимать участие в отношениях. Кратность задается в виде разделенного запятыми списка интервалов, в котором каждый интервал представлен в виде минимум-максимум.
Например, один студент может учиться у множества преподавателей.
Но и преподаватель может учить множество студентов.
Или иногда его еще называют — генерализация.
Как следует из названия, это схематическое изображение отношения между родительским классом и его наследниками. Полая стрелка всегда направлена к классу «родитель».
Классический пример наследования: классы квадрат, прямоугольник и круг, которые являются наследниками родительского класса «фигура».
Мы вправе изображать наследование как отдельно для каждого класса, так и объединять их.
Если наследование происходит от абстрактного класса, то имя такого родительского класса записывается курсивом.
Обычно, под этим подразумевается отношение интерфейса и объектов, реализующих этот интерфейс.
Например, интерфейс Owner имеет методы для покупки и продажи частной собственности, а отношения классов Person и Corporation, реализующих этот интерфейс, на диаграмме будут обозначаться в виде пунктирной линии со стрелкой по направлению к интерфейсу.
Объект одного класса может использовать объект другого класса в своем методе.
Если объект не хранится в поле класса, то такой вид межклассовых отношений моделируется как зависимость.
Зависимость, по сути, является специальным случаем ассоциации двух классов, в этом случае, изменения в одном классе неумолимо повлекут за собой изменения в другом.
Например, у класса Person есть метод hasRead с входным параметром book, который возвращает true, если, к примеру, человек прочитал книгу.
Зависимость обозначается пунктирной линией со стрелкой, обращенной к классу, от которого зависят, например, методы другого класса.
Особый тип отношений между классами, когда один класс является частью другого.
Например, рабочее место программиста состоит из стула, стола, компьютера и вентилятора, но при удалении класса «рабочее место», у нас просто останутся все эти классы, только по отдельности.
Агрегация показана в виде непрерывной линии с полым ромбом направленным от классов, являющимися частью какого-либо класса к классу-агрегатору.
По сути, разновидность агрегации, только в этом случае, классы, являющиеся частью другого класса, уничтожают, когда уничтожается класс-агрегатор.
Например наше тело состоит из органов, но сами по себе они не жизнеспособны.
Композиция обозначается схожим с агрегацией способом, но ромб на этот раз полностью закрашен.
Финалочка
UML бывает очень полезен для новичков, находящихся на этапе понимания «что к чему долждно идти и от чего наследоваться». Как говорят наши англоязычные коллеги: «он помогает увидеть как выглядит весь лес за стволами деревьев».
Поэтому, перед началом твоего, пусть и небольшого, но сногсшибательного проекта, не хватайся сразу за код. Создай сперва архитектуру своего приложения в UML.
Зачем нам UML? Или как сохранить себе нервы и время
Многие программисты, столкнувшись со сложной задачей, пренебрегают этапом проектирования, ссылаясь на то, что проектирование — это потеря времени, и в данном случае оно будет мне только мешать.
Зачастую это утверждение оказывается верным, если задача и правда небольшая и квалификации программиста достаточно для определения наиболее оптимального решения.
Программисты, не использующие UML, делятся на несколько групп:
Можно провести аналогию с постройкой дома. Когда кто-то хочет построить дом, он не просто бьет молотком и приступает к работе. Ему нужно иметь план — план проектирования, чтобы он мог анализировать и модифицировать свою систему.
Если вы уже начали описывать на бумаге вашу задачу, это уже огромный плюс.
Что такое UML
UML – унифицированный язык моделирования (Unified Modeling Language) – это система обозначений, которую можно применять для объектно-ориентированного анализа и проектирования. Его можно использовать для визуализации, спецификации, конструирования и документирования программных систем.
Проще говоря, если посмотреть картинки в поисковых системах, то станет понятно, что UML – это что-то про схемы, стрелочки и квадратики.
Важно, что UML переводится как Unified Modeling Language. Главное здесь слово Unified. То есть наши картинки поймём не только мы, но и остальные, знающие UML. Получается, это такой международный язык рисования схем.
Плюсы и минусы UML проектирования
Все представленные ниже диаграммы связаны между собой. Комбинируя их, мы можем добиться необходимого уровня декомпозиции отдельно взятых задач.
Предлагаю познакомиться с одними из самых полезных и часто используемых диаграмм.
Речь пойдет о диаграммах последовательности, состояний, деятельности и самой сложной из них — диаграмме классов.
Представьте, что вам нужно описать последовательность действий для заказа товара в интернет-магазине. Кто должен участвовать в процессе? Какие фазы проходит заказ прежде, чем он будет оформлен?
Обычно, мы пишем длинный список этапов, которые должна пройти заявка, чтобы получить гордый статус «Оформлена». Затем описываем, кто именно будет выполнять конкретное действие. И только после этого начинаем программировать.
В чем недостаток данного подхода? Он не нагляден.
Представьте, перед вами лежит длинный список описанных ранее этапов и комментариев к ним. Насколько просто вам будет разобраться в нем? Сколько времени может на это потребоваться? Предполагаю, что достаточно.
Альтернативой данному подходу является использование диаграммы последовательностей, представленной на рисунке ниже.
Сверху отображены действующие лица, а каждая стрелка это конкретное действие, связанное с ними. Подробнее о данной диаграмме можно узнать здесь
Диаграмма состояний. Настраиваем старые электронные часы
Диаграмма состояний позволяет описать поведение отдельно взятого объекта при определенных условиях. Также она покажет нам все возможные состояния, в которых может находиться объект, а также процесс смены состояний в результате внешнего влияния.
Предположим, мы программируем советские электронные часы.
Для настройки нам дано всего несколько кнопок. Довольно негусто. При этом мы знаем, что одна из кнопок переключает режим настройки часов. Другая кнопка в первом режиме меняет минуты, а во втором часы.
Инструкция по настройке и так достаточно небольшая, но благодаря диаграмме состояний она визуально воспринимается гораздо проще.
Подробнее о диаграмме состояний можно прочитать здесь.
Диаграмма классов, или как рассказать о своем коде без кода
Диаграммы классов используются при моделировании ПС наиболее часто. Они являются одной из форм статического описания системы с точки зрения ее проектирования. Диаграмма классов не отображает динамическое поведение объектов изображенных на ней классов. На диаграммах классов показываются классы, интерфейсы и отношения между ними.
В различных документациях, описании паттернов проектирования, а также, читая хабр, все мы часто встречаем диаграмму классов. Почему же ее так часто используют?
Предположим, вам нужно спроектировать систему. Прежде чем приступить к реализации нескольких классов, вы захотите иметь концептуальное понимание системы, — какие классы мне нужны? Какая функциональность и информация будет у этих классов? Как они взаимодействуют друг с другом? Кто может видеть эти классы? И так далее.
Вот где появляются диаграммы классов. Диаграммы классов — это отличный способ визуализировать классы в вашей системе, прежде чем вы начнете их кодировать. Они представляют собой статическое представление структуры вашей системы.
Именно диаграмма классов дает нам наиболее полное и развернутое представление о структуре и связях в программном коде. Понимание принципов построения данной диаграммы позволяет кратко и прозрачно выражать свои мысли и идеи.
Рассмотрим, как с помощью диаграммы классов описать известный паттерн проектирования «Посетитель».
«Посетитель» — это поведенческий паттерн проектирования, который позволяет добавлять в программу новые операции, не изменяя классы объектов, над которыми эти операции могут выполняться.
Самыми значимыми достоинствами этой диаграммы являются:
Подробнее о диаграмме классов можно прочитать здесь, а о паттерне «Посетитель» здесь.
Диаграмма деятельности
Диаграмма деятельности – это технология, позволяющая описывать логику процедур, бизнес-процессы и потоки работ. Во многих случаях они напоминают блок-схемы, но принципиальная разница между диаграммами деятельности и нотацией блок-схем заключается в том, что первые поддерживают параллельные процессы.
Если говорить кратко, то диаграмма деятельности помогает нам описать логику поведения системы. Можно построить несколько диаграмм деятельности для одной и той же системы, причем каждая из них будет фокусироваться на разных аспектах системы, показывать различные действия, выполняющиеся внутри нее.
Именно на диаграмме деятельности представлены переходы от одной деятельности к другой. Это, по сути, разновидность диаграммы состояний, где все или большая часть состояний являются некоторыми активностями, а все или большая часть переходов срабатывают при завершении определенной деятельности и позволяют перейти к выполнению следующей.
Смысл диаграммы вполне понятен. На ней показана работа с веб-приложением, которое решает некую задачу в удаленной базе данных. Обратите внимание на расположение активностей на этой диаграмме: они как бы разбросаны по трем колонкам, каждая из которых соответствует поведению одного из трех объектов — клиента, веб-сервера и сервера баз данных. Благодаря этому легко определить, каким из объектов выполняется каждая из деятельностей.
Подробнее о диаграмме деятельности можно прочитать здесь.
Заключение
Надеюсь, что после этой статьи вы по-другому посмотрите на UML. Теперь при прочтении литературы или сайтов, посвященных данной теме, вам будет проще понять, какую цель преследует UML, и найти возможности для его применения. Попробуйте начать применять его и вы почувствуете всю силу и мощь, скрываемую за набором стрелок и квадратиков.
Оставьте комментарий, если вы думаете (или знаете), что что-то не так или могло быть описано лучше.