Diagramy interakcji: diagramy sekwencji i komunikacji

1. Diagramy interakcji:diagramy sekwencji i komunikacji Halina Tańska

2. Unified Modeling Language • Diagramy dynamiki: • diagram przypadków użycia (use case diagram) • diagram czynności (activity diagram) • diagram maszyny stanów (state machine diagram) • diagram sekwencji (sequence diagram) • diagram komunikacji (communication diagram) • diagram przeglądu współdziałania (interaction overview diagram) • diagram czasowy (timing diagram) • Diagramy struktury: • diagram klas (class diagram) • diagram obiektów (object diagram) • diagram komponentów (component diagram) • diagram pakietów (package diagram) • diagram wdrożenia (deployment diagram) • zbiorowy diagram komponentów (composite structure diagram)

3. Diagramy sekwencji – diagramy interakcji • Diagram sekwencji i diagram komunikacji – zwane diagramami interakcji – to dwa z pięciu diagramów UML służących do modelowania dynamicznych aspektów systemu. • Diagram interakcji przedstawia interakcję jako zbiór obiektów i związków między nimi, w tym też komunikaty, jakie obiekty przekazują między sobą. • Diagram sekwencjiuwypukla kolejność komunikatów w czasie, a diagram komunikacji (kooperacji)organizację strukturalną obiektów wymieniających komunikaty.

4. Diagramy interakcji (cd) • Diagramy interakcji służą do modelowania dynamicznych aspektów systemu. Uwzględnia się na nich konkretne prototypowe egzemplarze klas, interfejsów, komponentów i węzłów, a także komunikaty przekazywane między nimi. Te wszystkie byty są rozpatrywane w kontekście pewnego scenariusza ilustrującego zachowanie systemu. • Diagramy interakcji mogą występować samodzielnie; wtedy służą do obrazowania, specyfikowania, tworzenia i dokumentowania dynamicznych aspektów ustalonego zestawu obiektów. Mogą także być użyte do modelowania jednego specyficznego przepływu sterowania w przypadku użycia. • Diagramy interakcji nadają się także do wspomagania tworzenia systemu wykonywalnego z zastosowaniem inżynierii do przodu i inżynierii wstecz.

5. Diagramy interakcji (cd) • Diagramy interakcji obrazuje interakcję jako zbiór obiektów i związków między nimi, w tym też komunikaty, jakie obiekty przekazują między sobą. • Diagram sekwencji (przebiegu) jest diagramem interakcji, na którym uwypukla się kolejność komunikatów w czasie. Ma postać tabeli, w której obiekty ułożone są wzdłuż osi X, a komunikaty wzdłuż osi Y, uporządkowane według czasu ich wysyłania. • Diagram komunikacji (kooperacji) jest diagramem interakcji, na którym uwypukla się związki strukturalne między obiektami wysyłającymi i odbierającymi komunikaty. Graficznie jest to zestaw wierzchołków i krawędzi.

6. Przykład diagramu sekwencji

7. Diagram sekwencji (przebiegu) Diagram sekwencji (przebiegu) pokazuje jak, w zależności od czasu, przebiega komunikowanie się danego obiektu z innymi. Perspektywa ta zawiera dodatkowy wymiar tj. czas. Kluczowym elementem jest fakt, że interakcja jest ciągiem zdarzeń występujących w czasie w określonej kolejności – od początku do końca.

8. Diagram sekwencji (przebiegu) • Diagram sekwencji (przebiegu) składa się z: • obiektów przedstawionych w postaci standardowych prostokątnych ikon (z podkreślonymi nazwami), • komunikatów (pokazanych jako linie ciągłe z grotami strzałek) • czasu (pokazanego jako przesunięcie wzdłuż pionowej osi).

9. Diagram sekwencji (przebiegu) • Diagramy przebiegu mają dwie cechy, które odróżniają je od diagramów kooperacji • Występują na nich linie życia obiektów – pionowe przerywane kreski prezentujące czas istnienia obiektów. Większość obiektów z diagramu interakcji żyje przez cały czas trwania interakcji. Znajdują się one w górnej części diagramu, a ich linie życia biegną od góry do dołu. Podczas interakcji mogą powstawać nowe obiekty. Ich linie życia rozpoczynają się w chwili odebrania przez nie komunikatu stereotypowego create. Pewne obiekty są niszczone. Ich linie życia kończą się w chwili odebrania przez nie komunikatu stereotypowanego jako destroy (ich śmierć jest dodatkowo oznakowana wielką literą X). • Na tych diagramach jest uwzględniony ośrodek sterowania – podłużny, cienki prostokąt reprezentujący okres wykonywania jakiejś akcji osobiście albo z użyciem procedury podrzędnej. Górna krawędź tego prostokąta znajduje się na tej samej wysokości co początek akcji, a dolna – na wysokości zakończenia akcji. Zagnieżdżenie sterowania (wynikające np. z zastosowania rekurencji, wywołania własnej operacji, wywołania zwrotnego z innego obiektu) jest przedstawione za pomocą innego ośrodka sterowania, umieszczonego trochę na prawo od jego przodka (głębokość zagnieżdżenia nie jest ograniczona).

10. Linia życia • Linia życia to rola uczestnika interakcji, jaką pełni w czasie jej trwania. • Linia życia reprezentuje współuczestnika interakcji i czas jego istnienia podczas realizacji scenariusza • Linie życia reprezentują konkretne byty – obiekty systemu i mogą przyjmować stereotypy, które świadczą o roli, jaką pełni dany obiekt w systemie.

11. Obiekty • Obiekty są umieszczane na diagramie od góry z lewej strony. Układamy je w dowolny sposób, upraszczając diagram. • Od każdego obiektu w dół biegnie linia przerywana, nazywana linią życia obiektu. Wąski prostokąt umieszczany wzdłuż niej nazywany jest aktywacją. • Aktywacja przedstawia wykonanie operacji przez obiekt. Długość prostokąta aktywacji określa czas jej trwania.

12. Komunikat • Komunikat przesyłany między obiektami biegnie od linii życia obiektu wysyłającego do linii życia obiektu docelowego. Obiekt może też wysłać komunikat sam do siebie – od swojej linii życia do swojej linii życia. • Komunikat może być: prosty, synchroniczny lub asynchroniczny. Komunikat prosty jest przekazaniem sterowania od obiektu do obiektu. Jeśli jakiś obiekt wysyła komunikat synchroniczny, oczekuje potem odpowiedzi na ten komunikat i dopiero po jej otrzymaniu przechodzi do dalszych własnych działań. Po wysłaniu komunikatu asynchronicznego obiekt kontynuuje własne działania bez oczekiwania na odpowiedź. • Na diagramie sekwencji (przebiegu) komunikat prosty jest oznaczany strzałką z dwustronnym grotem otwartym, komunikat synchroniczny – strzałką z dwustronnym grotem pełnym, a komunikat asynchroniczny – strzałką z jednostronnym grotem otwartym.

13. Komunikat Komunikat wysyłany do obiektu pewnej klasy oznacza żądanie wykonania jednej z metod tej klasy, jest więc wywołaniem pewnej metody. Komunikat może być wysyłany przez system zewnętrzny lub przez obiekt jednej z klas systemu. W tym drugim wypadku komunikat jest wysyłany w trakcie wykonywania jednej z metod klasy, która jest nadawcą komunikatu. Samo wysłanie komunikatu nie kończy realizacji metody, w ramach której został on wysłany. Wysłanie komunikatu może wiązać się z przekazaniem pewnych danych wejściowych do wywoływanej metody oraz pobraniem danych wyjściowych tej metody. Nazwa komunikatu jest nazwą wywoływanej metody.

14. Komunikat • Komunikat (ang. Message) jest to informacja przesyłana pomiędzy obiektami. • Istnieją różne typy komunikatów: • Synchroniczny oznacza, że obiekt musi czekać na odpowiedź • Asynchroniczny – nie wymaga oczekiwania na odpowiedź • Wewnętrzny, który obiekt wysyła sam do siebie • Kreujący – tworzy nowy obiekt • Destrukcyjny, który usuwa inny obiekt

15. Czas • Czas jest przedstawiany jako przesunięcie względem osi pionowej. Odliczanie zaczyna się od góry diagramu, a upływowi czasu odpowiada przesunięcie w dół. Komunikat znajdujący się wyżej jest wcześniejszy od tego, który został umieszczony niżej. • Diagram sekwencji (przebiegu) jest dwuwymiarowy. Obiekty są rozmieszczane od lewej do prawej, zaś przesunięcia wzdłuż osi pionowej z góry na dół odpowiada upływowi czasu.

16. Fragment • Fragment (ang. Combined Fragment) to konceptualnie zamknięta całość diagramu sekwencji, która rozszerza możliwości obejmowanego przez siebie obszaru diagramu sekwencji. • Fragment może zawierać w sobie pętle, powtórzenia, scenariusze alternatywne lub wskazywać poziom abstrakcji modelowanego fragmentu systemu. • Rodzaj fragmentu jest określany poprzez umieszczenie odpowiedniego słowa kluczowego w lewym górnym rogu.

17. Fragment

18. Fragment (cd.)

19. Przykład – diagramu przebiegu • Diagram przebiegu obrazujący interakcję GUI – graficzny interfejs użytkownika z innymi obiektami. • Kolejność • Załóżmy, że użytkownik naciska na klawiaturze jakiś klawisz alfanumeryczny. Jeżeli korzysta z odpowiedniej aplikacji, np. procesora tekstu, odpowiedni znak alfanumeryczny natychmiast pojawi się na monitorze. • Co dzieje się za „kulisami” tego zdarzenia? 1 GUI informuje system operacyjny o naciśnięciu klawisza 2. System operacyjny informuje o tym CPU 3. System operacyjny uaktualnia GUI 4. CPU zawiadamia kartę graficzną 5. Karta graficzna wysyła komunikat do monitora 6. Monitor wyświetla znak alfanumeryczny na monitorze, co jest odpowiedzią (komunikatem zwrotnym) dla użytkownika.

20. Jak widać, komunikaty są asynchroniczne: żaden element, oczekując na odpowiedź nie wstrzymuje działania.

21. Przykład – diagramu sekwencji • W przypadku użycia „Kup napój” aktorem jest użytkownik, który chce kupić puszkę napoju. Inicjuje scenariusz, wkładając monetę do automatu. Potem dokonuje wyboru. Ponieważ mówimy o najkorzystniejszym scenariuszu, w automacie jest przynajmniej jedna puszka wybranego rodzaju , która zostaje wydana aktorowi. • Załóżmy, że w automacie możemy wyróżnić trzy obiekty, na których działaniu teraz się skupimy. Są to: przód (interfejs, który automat udostępnia klientom), kasa (urządzenie przyjmujące pieniądze) i podajnik (urządzenie przechowujące puszki i wydające je klientowi). Załóżmy także, że kasa steruje podajnikiem. • Kolejność zdarzeń będzie następująca: • Kupujący wkłada pieniądze do otworu na przodzie automatu. • Kupujący dokonuje wyboru • Pieniądze przesuwają się do kasy. • Ponieważ jest to najkorzystniejszy scenariusz, zakładamy, że automat ma w asortymencie puszkę wybranego napoju i kasa wyda podajnikowi polecenie dostarczenia jej do otworu wylotowego.

22. W związku z tym, że diagram przebiegu obrazuje tylko jeden scenariusz (jeden egzemplarz) z przypadku użycia „Kup napój”, nazywamy go egzemplarzowym diagramem przebiegu.

23. Diagram interakcji • Diagram interakcji przedstawia pewien scenariusz przepływu komunikatów pomiędzy obiektami systemu oraz systemami zewnętrznymi. Opisują one sposób w jaki obiekty współpracują ze sobą w celu zrealizowania funkcji systemu. • Diagram interakcji tworzy się dla pewnej funkcji systemu (niekoniecznie elementarnej). Diagram interakcji może też opisywać sposób realizacji pewnej złożonej metody, która wymaga wywołania metod z innych obiektów. • Diagram interakcji prezentuje potencjalny scenariusz przepływu komunikatów. W konkretnej sytuacji pewne komunikaty mogą nie być wysyłane.

24. Podstawy modelowania zachowania • Interakcje • Diagramy interakcji

25. Interakcje • Notacja • Komunikaty • Sygnały • Komunikaty i relacja powiązania

26. Istota interakcji • Obiekty nie pozostają bezczynne i wzajemnie na siebie oddziałują • Klasy i obiekty muszą się ze sobą komunikować • To wzajemne oddziaływanie określa się mianem interakcji • Interakcja ma postać wymiany szeregu komunikatów • Każda interakcja odbywa się w określonym celu • Każda interakcja zamyka się w ramach pewnego podzbioru klas i obiektów

27. Podstawowe definicje • Interakcja to zachowanie polegające na wymianie komunikatów pomiędzy obiektami w pewnym otoczeniu, w pewnym celu. • Komunikat to specyfikacja (opis) sposobu łączności miedzy obiektami.

28. Notacja • W języku UML komunikat oznaczany jest na diagramach symbolem strzałki nad którą występuje nazwa komunikatu z podaniem listy parametrów • Sposób korzystania z oznaczenia komunikatu zależy od rodzaju diagramu • Interakcje (zbiory komunikatów) mogą wystąpić na diagramach • Przypadków użycia • Komunikacji (kooperacji) • Sekwencji (przebiegu) • Stanów • Czynności • Najważniejszymi diagramami służącymi do modelowania interakcji są diagramy • Komunikacji (kooperacji) • Sekwencji (przebiegu)

29. Notacja (na przykładzie) • Interakcja związana z operacją • wyświetlenia listy studentów w oknie edytora • W interakcji biorą udział trzy obiekty • obiekt klasy Edytor Danych o Studentach • reprezentuje formatkę ekranową służącą do wyświetlania i edycji danych o studentach • obiekt klasy Kartoteka Studentów • reprezentuje klasę zapewniającą obsługę zbioru danych o studentach pozwala na odczytywanie, edycję, zapisywanie i usuwanie rekordów z bazy danych • obiekt klasy Student • reprezentuje pojedynczego Studenta • Dodatkowo w przykładzie występują dwie tzw. klasy projektowe (Rekord i Paczka), które w tym przypadku służą do przekazywania danych pomiędzy obiektami.

30. Notacja (na przykładzie) Diagram klas dla rozpatrywanego przykładu

31. Notacja (na przykładzie) Diagram przebiegu komunikaty

32. Notacja (na przykładzie) Diagram kooperacji komunikaty

33. Rodzaje komunikatów • Znaczenie słowa "komunikat" należy traktować umownie • Komunikat jako forma oddziaływania może przybierać różne formy • Do podstawowych form komunikacji należą: • Wywołanie operacji (Call) • Przekazanie wartości (Return) • Przesłanie sygnału (Send) • Utworzenia obiektu (Create) • Zniszczenia obiektu (Destroy)

34. Rodzaje komunikatów • Wywołanie operacji (Call) Następuje wywołanie operacji na obiekcie docelowym. Obiekt może wysłać komunikat sam do siebie, wówczas ma miejsce wywołanie lokalne. • Przekazanie wartości (Return) Podczas tej akcji dochodzi do przekazania wartości do obiektu wywołującego. • Przesłanie sygnału (Send) Ma miejsce przekazanie sygnału do obiektu. Sygnał jest dowolnym asynchronicznym bytem przekazywanym między obiektami. • Utworzenia obiektu (Create) W trakcie tej interakcji dochodzi do utworzenia nowego obiektu. • Zniszczenia obiektu (Destroy) Interakcja polega na zniszczeniu obiektu. Obiekt też może zniszczyć się sam.

35. Notacja (na przykładzie) Diagram przebiegu uwzględniający różne znaczenia komunikatów

36. Sygnały • Specyficznym rodzajem komunikatu jest sygnał • Sygnał to asynchroniczny bodziec przekazywany pomiędzy obiektami • Sygnał jest nazwanym obiektem, który jest asynchronicznie wysyłany (rzucany) i asynchronicznie odbierany (wychwytywany) przez inny obiekt • Przykłady: • Umieszczenie w kolejce komunikatów systemu Windows skierowanego do określonego okna • Uruchomienie obsługi wyjątku w języku c++

37. Znaczenie diagramów interakcji • Diagramy interakcji przedstawiają interakcję jako zbiór obiektów i związków między nimi oraz komunikatów, jakie obiekty przekazują między sobą. • Do diagramów interakcji należą (przedstawione już we wcześniejszych przykładach): • diagramy sekwencji (przebiegu), • diagramy komunikacji (kooperacji). • Diagram sekwencji (przebiegu) uwypukla kolejność komunikatów w czasie • Diagram Komunikacji (kooperacji) uwypukla organizację strukturalną obiektów wymieniających komunikaty.

38. Modelowanie dynamiki systemu • Model przypadków użycia wymienia różne sposoby zachowania się systemu w stosunku do jego użytkowników. • Model klas lub model komponentów określa statyczne zależności między elementami całego systemu lub jednego z podsystemów. • Elementem łączącym obydwa modele jest model interakcji. • Dzięki diagramom interakcji można zachować ścisłą relację między dwoma podstawowymi modelami. Są one spoiwem, dzięki któremu możliwy jest stopniowa, równoległa rozbudowa modelu systemu.

39. Obiekty – elementy modelu dynamicznego • Obiekt jest elementem istniejącym podczas wykonywania się programu. Stan obiektu przechowywany jest w pamięci. • Notacja obiektów: prostokąt z nazwą obiektu i nazwą klasy. Nazwa obiektu jest podkreślona dla odróżnienia od nazwy klasy.

40. Dynamika: konstrukcja obiektów • Konstrukcja obiektu wykonywana jest podczas jego tworzenia. • Konstrukcja polega na nadaniu wartości atrybutom obiektu, na utworzeniu obiektów agregowanych oraz na powiązaniu obiektu z innymi obiektami. • Konstrukcja obiektu może przebiegać na różne sposoby – w zależności od życzenia klienta. Klasa może zatem dostarczać kilku różnych metod konstrukcji.

41. Dynamika zmiany stanu podczas życia obiektu • Po wyprodukowaniu, obiekt ma zainicjowaną strukturę danych – znajduje się w stanie początkowym. • Podczas swego życia, obiekt podlega zmianom stanu. Zmieniają się wartości atrybutów oraz powiązania z innymi obiektami. Elementy składowe obiektu (agregowane) mogą być tworzone i niszczone. • Wszystkie możliwe zmiany stanu obiektu określają jego dynamikę. • Zmiany stanu obiektu powinny być realizowane przez wąski interfejs.

42. Dynamika: zmiana związków z innymi obiektami • Podczas swego życia, obiekt może mieć związek z różnymi obiektami. Wszystkie możliwe związki i ich krotności uwzględnione są na diagramie klas. • Powiązania z innymi obiektami mogą się zmieniać w sposób dynamiczny. Obiekt w pewnym momencie może być np. związany z dwoma, a w innym momencie – z pięcioma obiektami składowymi. • Zmiana powiązania następuje w wyniku wywołania metody, która usuwa je lub tworzy powiązanie z obiektem podanym np. jako parametr.

43. Opis dynamiki systemu – diagramy interakcji • Język UML umożliwia prezentację dynamiki działania systemu. Służą temu diagramy interakcji. • Diagramy sekwencji przedstawiają wprost kolejność przesyłania komunikatów między obiektami. Diagramy komunikacji (kooperacji, współpracy) większy nacisk niż na porządek komunikatów kładą na fakt ich wymiany pomiędzy obiektami.

46. Co to jest diagram sekwencji? • Prezentacja komunikacji pomiędzy obiektami klas współpracującymi przy realizacji przypadku użycia. • Komunikacja jest inicjowana przez aktora. • Na diagramie widać kolejność (z góry na dół) przekazywanych komunikatów rozpoczynających wykonywanie przez obiekty stosownych operacji. • Z reguły prezentowany jest tylko jeden scenariusz, ale standard notacji UML dopuszcza stosowanie warunków. • Diagram sekwencji ściśle wiąże się z konkretnym scenariuszem. Zazwyczaj tworzy się po jednym diagramie sekwencji dla każdego scenariusza

47. Utrzymywanie spójności modelu i kodu • Dobra zasada: wszelkie modyfikacje atrybutów, nazw i sygnatur metod dokonywane są tylko w modelu graficznym, nie w kodzie. • Po zmianie jednego z elementów opisu klasy generowany jest kod. Współczesne narzędzia CASE umożliwiają zachowanie kodu pisanego w ramach środowiska deweloperskiego. • Praca programisty-projektanta: jednoczesna budowa modelu klas, modelu interakcji i pisanie kodu.

48. Klasy, obiekty, komunikaty – jak wyprodukować kod? • Na projekt systemu składają się model klas i model interakcji (diagramy sekwencji). Wszystkie elementy tych modeli mogą być bezpośrednio lub pośrednio przełożone na kod. • Klasa projektowa  szkielet kodu klasy • Wszystkie atrybuty, operacje, sygnatury operacji są bezpośrednio realizowane w kodzie. • Obiekt  zmienna lokalna operacji lub atrybut klasy • Każdy nazwany obiekt na diagramie sekwencji może być zadeklarowany w kodzie operacji jako zmienna lokalna • Komunikat  zawsze odpowiada operacji klasy obiektu • Wykonanie operacji w wyniku przesłania komunikatu znajduje odzwierciedlenie w kodzie tej operacji dla odpowiedniej klasy

49. Realizacja usług i metod klas • Zestaw diagramów interakcji jest podstawą do określenia struktury komunikacji (wywołań metod) między obiektami. • Struktura ta powinna być odzwierciedlona w kodzie metod. Zadanie to należy do programisty.

50. Diagramy sekwencji (przebiegu) • Diagramy sekwencji ułatwiają tworzenie kodu operacji. Kod operacji stanowi podsumowanie treści wszystkich diagramów sekwencji, na których występuje odpowiedni komunikat. • Rolą programisty jest umiejętne połączenie w kodzie wszystkich możliwych wywołań operacji.