Projektowanie systemów informacyjnych Wykład 9 Model dynamiczny (1) Diagramy interakcji Ewa Stemposz, Kazimierz Subieta Instytut Podstaw Informatyki PAN, Warszawa Polsko-Japońska Wyższa Szkoła Technik Komputerowych, Warszawa

Zagadnienia Klasyfikatory i wystąpienia Diagramy interakcji: Diagramy współpracy Diagramy sekwencji Generyczne diagramy interakcji: Wyrażanie warunków Wyrażanie iteracji Współbieżność na diagramach interakcji

Klasyfikatory i wystąpienia W UML pojęcie klasyfikatora związane jest z bytem stanowiącym opis własności zbioru wystąpień (instancji). Poniższa tabela specyfikuje przykładowe pary: klasyfikator/wystąpienie. Klasyfikator Wystąpienie klasa obiekt use case scenariusz aktor komponent podsystem UML traktuje wszystkie pary klasyfikator/wystąpienie w jednolity sposób, np. zawsze taka sama ikona jest używana dla klasyfikatora i wystąpienia, np. prostokąt dla klasy i obiektu czy “człowieczek” dla aktora-klasyfikatora oraz aktora-wystąpienia. Ikona dla wystąpienia jest etykietowana przez NazwaWystąpienia:NazwaKlasyfikatora (nazwa wystąpienia może być opuszczana; dwukropek pozostaje). W przypadku, gdy ikona reprezentuje klasyfikator, to jest etykietowana wyłącznie jego nazwą (bez podkreślenia).

Diagramy interakcji Diagramy interakcji, stanowiące jeden z rodzajów diagramów dynamicznych, pozwalają na utworzenie opisu interakcji obiektów systemu podczas realizacji danego zadania: przypadku użycia czy jednego konkretnego scenariusza danego przypadku użycia. Nie dla wszystkich przypadków użycia może zachodzić potrzeba konstruowania diagramów interakcji, ale mogą okazać się szczególnie użyteczne np. do komunkacji wewnątrz zespołu projektowego (jak zresztą wszystkie rodzaje diagramów) czy też do rozważenia opcjonalnych realizacji w “trudnych przypadkach”. Ponadto, niektóre narzędzia CASE potrafią wykorzystać te diagramy do generacji kodu, co może stanowić ważny powód dla ich konstruowania. UML posiada dwa rodzaje diagramów interakcji: diagramy współpracy (kolaboracji) diagramy sekwencji. Oba rodzaje diagramów, bazując na danym diagramie klas, pokazują prawie tą samą informację, w nieco inny sposób. Niektóre narzędzia CASE potrafią generować jedne z tych diagramów z drugich. Decyzja, który rodzaj diagramów konstruować, zależy od pożądanego aspektu interakcji.

Diagramy współpracy; przykład Diagramy współpracy pokazują w jaki sposób system realizuje dany przypadek użycia. Współpracujące obiekty, połączone liniami nazywanymi tu “linkami”, tworzą rodzaj “kolektywu”, zwanego tu kolaboracją. Linki odpowiadają powiązaniom, czyli wystąpieniom asocjacji z diagramu klas, a to oznacza, że odpowiednia asocjacja musi istnieć na diagramie klas. Można tu pokazywać też informacje w rodzaju: kierunek nawigowania, nazwy linków, itp., jak w modelu klas pod warunkiem, że zwiększą, a nie zmniejszą czytelność diagramu. :Egzemplarz Książki :Personel bibl. :Członek bibl. :Książka Prosty diagram współpracy, bez uwidaczniania interakcji między obiektami, stanowi coś w rodzaju “wystąpienia fragmentu diagramu klas”; pokazuje aktora, relewantne obiekty i powiązania między nimi. Możliwe jest pokazanie więcej niż jednego obiektu danej klasy.

Interakcja na diagramach współpracy (1) Diagramy współpracy mogą dodatkowo pokazywać interakcje zachodzące między obiektami zaangażowanymi w realizację danego przypadku użycia. Sekwencja interakacji oznacza tu sekwencję komunikatów przesyłanych między współpracującymi obiektami. komunikat wysyłany od aktora do obiektu klasy Członek bibl. :Egzemplarz Książki :Personel bibl. Pożycz (tytuł) 3: ZaznaczWypożyczenie :Członek bibl. :Książka 2: CzyTytułDostępny 1: CzyMożnaPożyczyć Komunikaty przedstawiane są tu w postaci etykiet strzałek rysowanych wzdłuż linków między współpracującymi obiektami.

Interakcja na diagramach współpracy (2) Na diagramach współpracy nie pokazuje się odpowiedzi na wysyłane komunikaty. Komunikaty mogą być numerowane, albo kolejnymi liczbami naturalnymi (jak na poprzednim diagramie), albo stosując tzw. numerację zagnieżdżoną. W obu przypadkach, z reguły, nie bierze się pod uwagę komunikatu wysyłanego od aktora. :Egzemplarz Książki :Personel bibl. 2.1: ZaznaczWypożyczenie Pożycz (tytuł) :Członek bibl. :Książka 2: CzyTytułDostępny 1: CzyMożnaPożyczyć Numeracja zagnieżdżona oznacza, że jeśli obiekt O otrzyma komunikat o numerze np. 7.3 to ten numer będzie dołączany jako prefix do każdego komunikatu wysyłanego w trakcie realizacji komunikatu 7.3 przez O.

Interakcja na diagramach współpracy (3) Obiekt, adresat komunikatu, musi go rozumieć, co oznacza, że klasa której jest wystąpieniem musi dostarczyć (definiować) tę operację. Konstruowanie diagramów interakcji może pomóc w identyfikowaniu zarówno operacji w klasach, jak i asocjacji między klasami, a przez to może prowadzić do korekty diagramu klas, i temu celowi zresztą głównie służy. Jest oczywistym, że oba modele (obiektów i dynamiczny) muszą być spójne. Rodzaje interakcji: Sekwencyjna - tylko jeden aktor może zainicjować sekwencję komunikatów i w danym momencie tylko jeden obiekt może “działać”. Obiekt rozpoczyna tzw. “aktywne życie” (live activation) w momencie otrzymania komunikatu. Zanim wyśle odpowiedź do nadawcy komunikatu, może prowadzić obliczenia czy też wysyłać komunikaty do innych obiektów. Wysyłając komunikat do innego obiektu nadal pozostaje aktywny, ale jego własna działalność zostaje zawieszona do czasu otrzymania odpowiedzi na wysłany komunikat - wysyłanie komunikatu zwiazane jest tu z przekazywaniem sterowania do odbiorcy komunikatu. W każdym momencie istnieje w systemie stos aktywnych obiektów; na szczycie stosu znajduje się ten obiekt, który aktualnie “działa”. Wysłanie odpowiedzi na komunikat powoduje zdjęcie obiektu ze stosu. Współbieżna.

Diagramy sekwencji Diagramy sekwencji nie pokazują linków między współpracującymi obiektami, ale można to wydedukować w oparciu o zaznaczone komunikaty. :Członek bibl. :Książka :Egzemplarz Książki :Personel bibl. linia życia obiektu Pożycz (tytuł) czas 1: CzyMożnaPożyczyć aktywne życie obiektu 2: CzyTytułDostępny 2.1: ZaznaczWypożyczenie Kolejność obiektów nie ma tu znaczenia, ale warto zadbać o czytelność.

Ilustracja przekazywania sterowania Na diagramach sekwencji, wyraźniej niż na diagramach współpracy, można pokazać przekazywanie sterowania. :Członek bibl. :Książka :Egzemplarz Książki :Personel bibl. Pożycz (tytuł) 1: CzyMożnaPożyczyć 2: CzyTytułDostępny 2.1: ZaznaczWypożyczenie

Nakładanie ograniczeń na przepływ czasu (1) Główna przewaga diagramów sekwencji nad diagramami kolaboracji przejawia się w ich zdolności do graficznego prezentowania przepływu czasu, a nawet do podawania ograniczeń czasowych, czy też - co może być kontrowersyjne - skali czasowej. Taka możliwość może mieć duże znaczenie dla opisu systemów czasu rzeczywistego. :Dzwoniący :Sterowanie :Odbierający podniesienie słuchawki a {b - a < 1 sec.} ton w słuchawce b {c - b < 10 sec.} wybór cyfry c . Rozmowa jest łączona poprzez sieć {d’ - d < 5 sec.} d łączenie d’ ton dzwonka uruchomienie dzwonka podniesienie słuchawki koniec tonu koniec dzwonienia

Nakładanie ograniczeń na przepływ czasu (2) :Członek bibl. :Książka :Egzemplarz Książki :Personel bibl. gdy interesuje nas czas wykonania komunikatu A Pożycz (tytuł) 1: CzyMożnaPożyczyć {C-A < 5 sek.} { ZaznaczWypożyczenie - CzyDostępny < 1 sek.} 2: CzyTytułDostępny 2.1: ZaznaczWypożyczenie C

Wartości zwracane; tworzenie, usuwanie obiektów diagram sekwencji Czasami przydaje się uwidocznienie wartości zwracanej przez komunikat, poprzez instrukcję przypisania. Umożliwia to późniejsze wykorzystanie tej wartości, np. jako argumentu dla innego komunikatu. Może też być wykorzystana do specyfikowania warunku czy iteracji. nowy obiekt pojawia się na diagramie w miejscu korespondującym z czasem jego utworzenia :Wykładowca :Sekretariat ds. nauczania n := PobierzNazwisko Wykładowca UtwórzNowegoSzefaWykładowców (n) :Szef wykładowców usuń X Szef wykładowców koniec życia obiektu

Wartości zwracane; tworzenie, usuwanie obiektów diagram kolaboracji 1: n := PobierzNazwisko :Sekretariat ds. nauczania :Wykładowca {usuwany} 3: usuń 2: UtwórzNowegoSzefaWykładowców (n) własność (property) :Szef wykładowców {nowy} Komunikaty wysyłane od aktora są tu numerowane, aby można było ustalić ich kolejność. Projekt musi specyfikować, kto jest odpowiedzialny za usuwanie obiektów, aby zapobiec tzw. “wyciekaniu pamięci”. Niektóre języki, takie jak np.Java czy SmallTalk, posiadają wbudowane mechanizmy zbierania nieużytków (garbage collectors). Z grubsza, polega to na usuwaniu (w jakimś czasie) wszystkich obiektów, do których nie ma żadnych referencji w systemie.

Generyczne diagramy interakcji (1) W UML, generyczny diagram interakcji ma specyfikować wszystkie sekwencje interakcji dla danego przypadku użycia, a nie tylko dla jednego z możliwych scenariuszy. Diagram dla pojedynczego scenariusza jest tu nazywany wystąpieniem generycznego diagramu interakcji. Ponieważ diagramy generyczne mogą w niektórych przypadkach okazać się zbyt złożone, dopuszcza się rozwiązania połowiczne. Przedstawianie zachowań warunkowych Wysłanie komunikatu może być uzależnione od spełnienia wyspecyfikowanego warunku. 1 2 dwa różne punkty w czasie :K :K ten sam punkt w czasie [i = 0] x [i = 0] x {warunki muszą się wykluczać} [i = 1] y [i = 1] y Może być wysłany albo komunikat x albo y. Może też nie być wysłany żaden z nich. Możliwe są tu wszystkie kombinacje.

Generyczne diagramy interakcji (2) Warunek, zapisany wewnątrz nawiasów [ ] stanowi wyrażenie typu Boolean i może być wyrażony w języku naturalnym, w języku ustrukturalizowanym (np. OCL), w języku programowania czy innej notacji. :K1 :K2 Linia życia dla wystąpienia klasy K2 uległa rozgałęzieniu, aby podkreślić fakt, że stan obiektu może wyglądać inaczej w zależności od tego, który komunikat zostanie wysłany. 7.1: [i = 0] x 7.2: [i = 1] y Budzi wątpliwości numeracja komunikatów, może wykonać się tylko jedna z nich. Być może obie powinny być oznaczone przez 7.1.

Generyczne diagramy interakcji (3) Wyrażanie warunków na diagramach współpracy jest także możliwe. Nie da się tu jednak pokazać rozgałęzienia linii życia obiektu. Dlatego wydaje się, że poza najprostszymi sytuacjami, diagramy sekwencyjne lepiej modelują realizację bardziej złożonych (z opcjonalnymi scenariuszami) przypadków użycia. Przedstawianie iteracji UML umożliwia oznaczenie komunikatu, który ma być wysłany wiele razy, poprzez poprzedzenie go symbolem *. Oczywiście musi być też wyspecyfikowany warunek, określający zakończenie iteracji. Przykłady iteracji: *[i := 1..10] - komunikat będzie wysłany 10 razy, *[x < 10] - komunikat będzie wysyłany dopóki x będzie < 10, *[pozycja znaleziona] - komunikat będzie wysyłany dopóty, dopóki pozycja nie zostanie znaleziona (do momentu, gdy warunek przyjmie wartość FALSE) Jeśli w trakcie wielokrotnego wysyłania komunikatu x, będzie wysyłany także komunikat y, to zostanie on wysłany tyle razy, ile razy wysyłane jest x. Zachowanie spójności diagramów nie wymaga powtarzania symbolu iteracji dla komunikatu y.

Generyczne diagramy interakcji (4) 1 :K1 :K2 :K3 xyxy 3.1: *[i := 1..2] x 3.1.1: y 2 :K1 :K2 :K3 xyyyxyyy 3.1: *[i := 1..2] x 3.1.1: *[j := 1..3] y sekwencja komunikatów

Współbieżność na diagramach interakcji Dla interakcji sekwencyjnych nadawca komunikatu oczekuje na odpowiedź odbiorcy zawieszając własną działalność w trakcie oczekiwania. W danym momencie czasu działa tylko jeden obiekt i wysyłany może być tylko jeden komunikat. Takie systemy nazywane są też czasami proceduralnymi lub jednowątkowymi. Prosta definicja sytemu współbieżnego mówi: wiele obiektów może działać jednocześnie, wiele komunikatów może być wysyłanych w tym samym czasie. Do systemów współbieżnych możemy zaliczyć, np.: systemy rozproszone - przetwarzanie zachodzi równocześnie na wielu procesorach w różnych miejscach, wielowątkowe aplikacje - przetwarzanie równoległe na wielu procesorach lub na jednym procesorze z podziałem czasu. Przetwarzanie współbieżne jest często mylone z przetwarzaniem w czasie rzeczywistym, ponieważ systemy czasu rzeczywistego są często współbieżne i vice versa. Jednakże idee leżące u podłoża obu rodzajów systemów są różne: system jednowątkowy może być systemem czasu rzeczywistego, podczas gdy współbieżny może takim systemem nie być. Dla systemu czasu rzeczywistego istotne jest wypełnianie ograniczeń czasowych.

Modelowanie wielu wątków sterowania Rozpoczęcie nowego wątku sterowania jest możliwe poprzez: Rozdzielenie istniejącego wątku na kilka innych. Obiekt, który działa (bo otrzymał komunikat) może wysłać jednocześnie kilka synchronicznych komunikatów. Synchroniczność oznacza tu, że będzie oczekiwał na zakończenie wszystkich. Na diagramie sekwencji byłoby to uwidocznione przez pokazanie komunikatów wysyłanych w tym samym punkcie czasowym, jak już było prezentowane wcześniej, ale tym razem bez ograniczenia, że warunki muszą się wzajemnie wykluczać. Na diagramach kolaboracji można używać nazw (pojedynczego znaku lub łańcucha znaków) na oznaczenie współbieżności komunikatów: np. 2.10.A jest współbieżne z 2.10.B dla aktywności spowodowanej wysłaniem komunikatu 2.10, w przeciwieństwie do 2.10.1 i 2.10.2, które oznaczają komunikaty synchroniczne. 1 2 Aktor, może wysłać nowy komunikat w trakcie przetwarzania systemu. 3 Obiekt może wysłać asynchroniczny komunikat do innego obiektu. Oznacza to, że może uaktywnić inny obiekt nie przerywając swojej własnej aktywności.

Notacja dla oznaczania współbieżności Rodzaj interakcji Symbol Znaczenie synchroniczna “Normalna” proceduralna sytuacja. Nadawca zawiesza działanie, dopóki odbiorca nie zwróci sterowania. Można to oznaczyć wykorzystując symbol powrotu. powrót (return) Powrót nie jest komunikatem. Oznacza zakończenie komunikatu i przekazanie sterowania do nadawcy. (synchronous) płaska (flat) Nadawca komunikatu przekazuje sterowanie do odbiorcy oraz kończy własną działalność nie oczekując na odpowiedź. asynchroniczna (asynchronous) Nadawca komunikatu nie oczekuje na odpowiedź odbiorcy, ale też i nie kończy własnej aktywności, co oznacza, że nadal przetwarza i może wysyłać komunikaty.

Przykład diagramu sekwencji ze współbieżnością :Członek bibl. :Personel bibl. CzyPrzetrzymuje [jeśli przetrzymuje] email RejestrujNową :Książka RejestrujNowy :Egzemplarz książki

Wyróżnianie subkolaboracji pakiet Złożona kolaboracja Wyróżnianie subkolaboracji Zamiana subkolaboracji na pakiet Opisywanie interakcji na wyższym poziomie poprzez ukrywanie detali - jest użyteczne - jak każda abstrakcja. Temu celowi służy wyodrębnienie subkolaboracji, a następnie zamiana jej na pakiet. Pakiet, w UML, przeznaczony jest do grupowania elementów modelu. Pakiet nie posiada własnego interfejsu, w tym sensie, że przesłanie komunikatu do pakietu, oznacza przesłanie komunikatu do obiektu wewnątrz pakietu. W UML, sparametryzowana kolaboracja jest traktowana jako wzorzec projektowy (design pattern).

Law of Demeter Powszechnie stosowana reguła (Law of Demeter), określa do jakich obiektów mógłby ewentualnie wysłać komunikat obiekt O w odpowiedzi na otrzymany komunikat m: do siebie samego, do obiektów stanowiących argumenty metody m, do obiektów, które tworzy w trakcie realizacji komunikatu m, do obiektów, z którymi jest bezpośrednio powiązany. * KontrolerWszystkiego KontrolerPracy 1 getKP(p:Praca) : KontrolerPracy 1 1 Praca Przykład złego projektowania, które nie stosuje się np. do ostatniej z zasad ww. reguły. * *

Podsumowanie diagramów interakcji Diagramy interakcji, czyli diagramy kolaboracji i sekwencji, jako główne zadanie mają wspomożenie projektanta w procesie konstruowania modelu obiektowego (konretnie diagramu klas). Pomoc polega na analizie zachowania systemu w trakcie realizacji jego zadań i identyfikowaniu nowych czy też korekcie już istniejących elementów modelu, np.: klas, ich atrybutów czy metod oraz asocjacji między klasami. Struktura, opisywana przez model obiektowy, musi zapewnić możliwość realizacji zadań postawionych przed systemem. Oba rodzaje diagramów przedstawiają bardzo podobną informację, w nieco inny sposób. Diagramy kolaboracji, stanowiące w pewnym sensie wystąpienia fragmentu diagramu klas, lepiej przedstawiają związki między obiektami biorącymi udział w realizacji danego przypadku użycia. Łatwiej też można tu odwzorować efekty oddziaływania na pojedynczy obiekt - wykorzystując np. łańcuch własności. Diagramy sekwencji lepiej przedstawiają zależności czasowe, bardziej niż diagramy kolaboracji nadają się do modelowania systemów czasu rzeczywistego i złożonych scenariuszy.