Отношения классов в UML

Привет, сегодня поговорим про отношения классов в uml, обещаю рассказать все что знаю. Для того чтобы лучше понимать что такое отношения классов в uml , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Объектно-ориентированное программирование ООП.

Введение

Класс

Класс (class) в языке UML служит для обозначения множества объектов, которые обладают одинаковой структурой, поведением и отношениями с объектами из других классов. Графически класс изображается в виде прямоугольника, который дополнительно может быть разделен горизонтальными линиями на разделы или секции (рис. 5.1). В этих разделах могут указываться имя класса, атрибуты (переменные) и операции (методы).

 

Рис. 5.1. Графическое изображение класса на диаграмме классов

Обязательным элементов обозначения класса является его имя. На начальных этапах разработки диаграммы отдельные классы могут обозначаться простым прямоугольником с указанием только имени соответствующего класса (рис. 5.1, а). По мере проработки отдельных компонентов диаграммы описания классов дополняются атрибутами (рис. 5.1, б) и операциями (рис. 5.1, в).

Предполагается, что окончательный вариант диаграммы содержит наиболее полное описание классов, которые состоят из трех разделов или секций. Иногда в обозначениях классов используется дополнительный четвертый раздел, в котором приводится семантическая информация справочного характера или явно указываются исключительные ситуации.

Даже если секция атрибутов и операций является пустой, в обозначении класса она выделяется горизонтальной линией, чтобы сразу отличить класс от других элементов языка UML. Примеры графического изображения классов на диаграмме классов приведены на рис. 5.2. В первом случае для класса "Прямоугольник" (рис. 5.2, а) указаны только его атрибуты - точки на координатной плоскости, которые определяют его расположение. Для класса "Окно" (рис. 5.2, б) указаны только его операции, секция атрибутов оставлена пустой. Для класса "Счет" (рис. 5.2, в) дополнительно изображена четвертая секция, в которой указано исключение - отказ от обработки просроченной кредитной карточки.

 

Рис.5.2. Примеры графического изображения классов на диаграмме

  Имя класса

Имя класса должно быть уникальным в пределах пакета, который описывается некоторой совокупностью диаграмм классов (возможно, одной диаграммой). Оно указывается в первой верхней секции прямоугольника. В дополнение к общему правилу наименования элементов языка UML, имя класса записывается по центру секции имени полужирным шрифтом и должно начинаться с заглавной буквы. Рекомендуется в качестве имен классов использовать существительные, записанные по практическим соображениям без пробелов. Необходимо помнить, что именно имена классов образуют словарь предметной области при ООАП.

В первой секции обозначения класса могут находиться ссылки на стандартные шаблоны или абстрактные классы, от которых образован данный класс и, соответственно, от которых он наследует свойства и методы. В этой секции может приводиться информация о разработчике данного класса и статус состояния разработки, а также могут записываться и другие общие свойства этого класса, имеющие отношение к другим классам диаграммы или стандартным элементам языка UML.

Примерами имен классов могут быть такие существительные, как "Сотрудник", "Компания", "Руководитель", "Клиент", "Продавец", "Менеджер", "Офис" и многие другие, имеющие непосредственное отношение к моделируемой предметной области и функциональному назначению проектируемой системы.

Класс может не иметь экземпляров или объектов. В этом случае он называется абстрактным классом, а для обозначения его имени используется наклонный шрифт (курсив). В языке UML принято общее соглашение о том, что любой текст, относящийся к абстрактному элементу, записывается курсивом. Данное обстоятельство является семантическим аспектом описания соответствующих элементов языка UML.

Диаграмма классов UML позволяет обозначать отношения между классами и их экземплярами. Для чего они нужны? Они нужны, например, для моделирования прикладной области. Но как отношения отражаются в программном коде? Данное небольшое исследование пытается ответить на этот вопрос — показать эти отношения в коде.

Сначала попробуем прояснить, как относятся друг к другу отношения между классами в UML. Используя различные источники удалось построить следующую структурную схему, демонстрирующую разновидности отношений:


Рис. 1 — Отношения между классами

Ассоциации имеют навигацию: двунаправленную или однонаправленную, указывающую на направление связи. То есть у каждого вида ассоциации еще есть два подвида, которое на рисунке не показаны.

1. Обобщение

Итак, наша цель — построить UML-диаграмму классов (Class Model), а затем отразить ее в объектно-ориентированном коде.

В качестве прикладной области возьмем отдел кадров некого предприятия и начнем строить его модель. Для примеров будем использовать язык Java.

Отношение обобщения — это наследование. Это отношение хорошо рассматривается в каждом учебнике какому-либо ООП языку. В языке Java имеет явную реализацию через расширение(extends) одного класса другим.


Рис. 2 — Отношение обобщения

Класс «Man»(человек) — более абстрактный, а «Employee»(сотрудник) более специализированный. Класс «Employee» наследует свойства и методы «Man».

Попробуем написать код для этой диаграммы:

public class Man{
protected String name;
    protected String surname;
    public void setName(String newName){
        name = newName;
    }
    public String getName(){
        return name;
    }
    public void setSurname(String newSurname){
        name = newSurname;
    }
    public String getSurname(){
        return surname;
    }
}
// наследуем класс Man
public class Employee extends Man{
    private String position;
    // создаем и конструктор
    public Employee(String n, String s, String p){
        name = n;
        surname = s;
        position = p;
    }
    public void setPosition(String newProfession){
        position = newProfession;
    }
    public String getPosition(){
        return position;
    }
}

2. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Ассоциация

Ассоциация показывает отношения между объектами-экземплярами класса. 

2.1 Бинарная

В модель добавили класс «IdCard», представляющий идентификационную карточку(пропуск) сотрудника. Каждому сотруднику может соответствовать только одна идентификационная карточка, мощность связи 1 к 1.

Рис. 3 — Бинарная ассоциация

Классы:

public class Employee extends Man{
    private String position;
    private IdCard iCard;
    public Employee(String n, String s, String p){
        name = n;
        surname = s;
        position = p;
    }
    public void setPosition(String newPosition){
        position = newPosition;
    }
    public String getPosition(){
        return position;
    }
    public void setIdCard(IdCard c){
        iCard = c;
    }
    public IdCard getIdCard(){
        return iCard;
    }
}
public class IdCard{
    private Date dateExpire;
    private int number;
    public IdCard(int n){
        number = n;
    }
    public void setNumber(int newNumber){
        number = newNumber;
    }
    public int getNumber(){
        return number;
    }
    public void setDateExpire(Date newDateExpire){
        dateExpire = newDateExpire;
    }
    public Date getDateExpire(){
        return dateExpire;
    }
}

В теле программы создаем объекты и связываем их:

IdCard card = new IdCard(123);
card.setDateExpire(new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd").parse("2015-12-31"));
sysEngineer.setIdCard(card);
System.out.println(sysEngineer.getName() +" работает в должности "+ sysEngineer.getPosition());
System.out.println("Удостовирение действует до " + new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd").format(sysEngineer.getIdCard().getDateExpire()) );

Класс Employee имеет поле card, у которого тип IdCard, так же класс имеет методы для присваивания значения(setIdCard) этому полю и для
получения значения(getIdCard). Из экземпляра объекта Employee мы можем узнать о связанном с ним объектом типа IdCard, значит
навигация (стрелочка на линии) направлена от Employee к IdCard.

2.2 N-арная ассоциация

Представим, что в организации положено закреплять за работниками помещения. Добавляем новый класс Room.
Каждому объекты работник(Employee) может соответствовать несколько рабочих помещений. Мощность связи один-ко-многим.
Навигация от Employee к Room.

Рис. 4 — N-арная ассоциация

Теперь попробуем отразить это в коде. Новый класс Room:

public  class Room{
     private int number;
     public Room(int n){
         number = n;
     }
     public void setNumber(int newNumber){
         number = newNumber;
     }
     public int getNumber(){
         return number;
     }
}

Добавим в класс Employee поле и методы для работы с Room:

...
private Set room = new HashSet();
...
public void setRoom(Room newRoom){
    room.add(newRoom);
}
public Set getRoom(){
    return room;
}
public void deleteRoom(Room r){
    room.remove(r);
}
...

Пример использования:

public static void main(String[] args){

    Employee sysEngineer = new Employee("John", "Connor", "Manager");
    IdCard card = new IdCard(123);
    card.setDateExpire(new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd").parse("2015-12-31"));
    sysEngineer.setIdCard(card);
    Room room101 = new Room(101);
    Room room321 = new Room(321);
    sysEngineer.setRoom(room101);
    sysEngineer.setRoom(room321);
    System.out.println(sysEngineer.getName() +" работает в должности "+ sysEngineer.getPosition());
    System.out.println("Удостовирение действует до " + sysEngineer.getIdCard().getDateExpire());
    System.out.println("Может находиться в помещеньях:");
    Iterator iter = sysEngineer.getRoom().iterator();
    while(iter.hasNext()){
         System.out.println( ((Room) iter.next()).getNumber());
    }
}

2.3 Агрегация

Введем в модель класс Department(отдел) — наше предприятие структурировано по отделам. В каждом отделе может работать один или более человек. Можно сказать, что отдел включает в себя одного или более сотрудников и таким образом их агрегирует. На предприятии могут быть сотрудники, которые не принадлежат ни одному отделу, например, директор предприятия.

Рис. 5 — Агрегация

Класс Department:

public class Department{
    private String name;
    private Set employees = new HashSet();
    public Department(String n){
        name = n;
    }
    public void setName(String newName){
        name = newName;
    }
    public String getName(){
        return name;
    }
    public void addEmployee(Employee newEmployee){
        employees.add(newEmployee);
        // связываем сотрудника с этим отделом
        newEmployee.setDepartment(this);
    }
    public Set getEmployees(){
        return employees;
    }
    public void removeEmployee(Employee e){
        employees.remove(e);
    }
}

Итак, наш класс, помимо конструктора и метода изменения имени отдела, имеет методы для занесения в отдел нового сотрудника, для удаления сотрудника и для получения всех сотрудников входящих в данный отдел. Навигация на диаграмме не показана, значит она является двунаправленной: от объекта типа «Department» можно узнать о сотруднике и от объекта типа «Employee» можно узнать к какому отделу он относится.

Так как нам нужно легко узнавать какому отделу относится какой-либо сотрудник, то добавим в класс Employee поле и методы для назначения и получения отдела.

...
private Department department;
...
public void setDepartment(Department d){
    department = d;
}
public Department getDepartment(){
    return department;
}

Использование:

Department programmersDepartment = new Department("Программисты");
programmersDepartment.addEmployee(sysEngineer);
System.out.println("Относится к отделу "+sysEngineer.getDepartment().getName());

2.3.1 Композиция

Предположим, что одним из требований к нашей системе является требование о том, чтоб хранить данные о прежней занимаемой должности на предприятии.
Введем новый класс «pastPosition». В него, помимо свойства «имя»(name), введем и свойство «department», которое свяжет его с классом «Department».

Данные о прошлых занимаемых должностях являются частью данных о сотруднике, таким образом между ними связь целое-часть и в то же время, данные о прошлых должностях не могут существовать без объекта типа «Employee». Уничтожение объекта «Employee» должно привести к уничтожению объектов «pastPosition».

Рис. 6 — Композиция

Класс «PastPosition»:

private class PastPosition{
    private String name;
     private Department department;
     public PastPosition(String position, Department dep){
         name = position;
         department = dep;
     }
     public void setName(String newName){
         name = newName;
     }
     public String getName(){
         return name;
     }
     public void setDepartment(Department d){
         department = d;
     }
     public Department getDepartment(){
         return department;
     }
}

В класс Employee добавим свойства и методы для работы с данными о прошлой должности:

...
private Set pastPosition = new HashSet();
...
public void setPastPosition(PastPosition p){
     pastPosition.add(p);
}
public Set getPastPosition(){
     return pastPosition;
}
public void deletePastPosition(PastPosition p){
     pastPosition.remove(p);
}
...

Применение:

// изменяем должность
sysEngineer.setPosition("Сторож");
// смотрим ранее занимаемые должности:
System.out.println("В прошлом работал как:");
Iterator iter = sysEngineer.getPastPosition().iterator();
while(iter.hasNext()){
    System.out.println( ((PastPosition) iter.next()).getName());
}

3. Зависимость

Для организации диалога с пользователем введем в систему класс «Menu». Встроим один метод «showEmployees», который показывает список сотрудников и их должности. Параметром для метода является массив объектов «Employee». Таким образом, изменения внесенные в класс «Employee» могут потребовать и изменения класса «Menu».

Рис. 7 — Зависимость

Заметим, что класс «Menu» не относится к прикладной области, а представляет собой «системный» класс воображаемого приложения.
Класс «Menu»:

public  class Menu{
    private static int i=0;
    public static void showEmployees(Employee[] employees){
        System.out.println("Список сотрудников:");
        for (i=0; i<employees.length; i++){
            if(employees[i] instanceof Employee){
                System.out.println(employees[i].getName() +" - " + employees[i].getPosition());
            }
        }
    }
}

Использование:

// добавим еще одного сотрудника
Employee director = new Employee("Федор", "Дубов", "Директор");
Menu menu = new Menu();
Employee employees[] = new Employee[10];
employees[0]= sysEngineer;
employees[1] = director;
Menu.showEmployees(employees);

4. Реализация

Реализация, как и наследование имеет явное выражение в языке Java: объявление интерфейса и возможность его реализации каким-либо классом.

Для демонстрации отношения «реализация» создадим интерфейс «Unit». Если представить, что организация может делиться не только на отделы, а например, на цеха, филиалы и т.д. Интерфейс «Unit» представляет собой самую абстрактную единицу деления. В каждой единице деления работает какое-то количество сотрудников, поэтому метод для получения количества работающих людей будет актуален для каждого класса реализующего интерфейс «Unit».


Рис. 8 — Реализация

Интерфейс «Unit»:

public interface Unit{
     int getPersonCount();
}

Реализация в классе «Department»:

public class Department implements Unit{
    ...
    public int getPersonCount(){
        return getEmployees().size();
    }

Применение:

System.out.println("В отделе "+sysEngineer.getDepartment().getName()+" работает "
+sysEngineer.getDepartment().getPersonCount()+" человек.");

Как видим, реализация метода «getPersonCount» не совсем актуальна для класса «Department», так как он имеет метод «getEmployees», который возвращает
коллекцию объектов «Employee».

Код полностью: http://code.google.com/p/umljava/downloads/list

Выводы

Язык моделирования UML имеет набор отношений для построения модели классов, но даже такой развитой ООП язык, как Java имеет только две явные конструкции для отражения связей: extends(расширение) и interface/implements(реализация).
В результате моделирования получили следующую диаграмму:


Рис. 8 — Диаграмма классов

 

 

 

Мини-справочник по обозначениям которые приняты в UML диаграммах классов для отношений между различными классами.

Обозначаются стрелками.

Отношения на уровне классов.

Generalization. Наследование.

Самое обычное наследование: class A extends B {    }

 

Implementation. Имплементация.

Реализация интерфейса: class A implements I {   }

 

Отношения на уровне объектов

Association. Ассоциация.

Семейство отношения между объектами классов.  "Студент" - "Преподаватель", "Покупатель" - "Продавец" и т.д.  Может обозначаться вообще без стрелки.
Агрегация и Композиция  -  подтипы ассоциации.

 

Aggregation. Агрегация.

Подтип ассоциации. Например один класс содержит (агрегируют) объекты другого класса.

 

Composition. Композиция.

Похоже на агрегацию только более сильная связь. Поэтому закрашенный ромб. Например: если уничтожается композитор, то его объекты классов на которые он ссылается также перестают существовать.

 

Просто отношение

Dependency. Зависимость.

Классы "каким либо образом" зависят друг от друга. Например, если у одного класса меняются методы, конструкторы или поля, и поэтому приходится переписывать другой класс, то значит они зависимы.  Одна из самых слабеньких связей.  Например объекты одного класса передаются как параметр в методы другого класса и т.д.

Полезные ссылки

1. Cтатья на  wikipedia. Рекомендую прочитать также эту же статью на английской википедии.
2. Официальный сайт UML. Спецификация и т.д.
3. uml2.ru - в целом по UML

Литература

1) Г. Буч, Д. Рамбо, А. Джекобсон. Язык UML Руководство пользователя.

2) А.В. Леоненков. Самоучитель UML

3) Эккель Б. Философия Java. Библиотека программиста. — СПб: Питер, 2001. — 880 с.

4) Орлов С. Технологии разработки программного обеспечения: Учебник. — СПб: Питер, 2002. — 464 с.

5) Мухортов В.В., Рылов В.Ю.Объектно-ориентированное программирование, анализ и дизайн. Методическое пособие. — Новосибирск, 2002.

6) Anand Ganesan. Modeling Class Relationships in UML

На этом все! Теперь вы знаете все про отношения классов в uml, Помните, что это теперь будет проще использовать на практике. Надеюсь, что теперь ты понял что такое отношения классов в uml и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Объектно-ориентированное программирование ООП