Для более подробного анализа, правила настольной игры были представлены в виде блок схем, описывающих основные этапы игрового процесса. Общая схема изображена на рисунке 1.1.

Рис. 1.1.

Данная схема включает в себя следующие подпроцессы:

1. Инициализация. Содержит алгоритмы определения права первого хода и выдачи начального числа карт всем игрокам.

2. Фаза развития. Содержит алгоритм размещения карт на столе, в виде животных и их свойств.

3. Фаза определения кормовой базы. Содержит алгоритм определения количества фишек еды, которое будет доступно игрокам в «фазу питания».

4. Фаза питания. Содержит алгоритмы кормления и применения свойств животных.

5. Фаза вымирания и получения новых карт. Содержит алгоритмы перемещения ненакормленных животных в сброс, определения количества и выдачи новых карт.

6. Завершение игры. Данная схема содержит алгоритм подсчета очков и определения победителя.

Подробные схемы подпроцессов находятся в приложении Б. Алгоритмическое описание правил игры.

Спецификация требований

Разрабатываемая игра является полным аналогом настольной игры Эволюция, поэтому в первую очередь весь игровой процесс должен соответствовать и происходить по правилам оригинальной (настольной) игры.

Бизнес требования:

Игра против компьютера;

Выбор количества игроков.

Функциональные требования:

Требования, предъявляемые к системе, с точки зрения правил игры:

Выдавать карты;

Хранить актуальную информацию о текущих картах на руках игроков и их животных со всеми свойствами, лежащими на игровом поле;

Рассчитывать очередность хода;

Определять и передавать право на первый ход;

Рассчитывать взаимодействие между различными свойствами;

Определять кормовую базу в расчете на количество игроков;

Помещать карты в сброс;

Хранить информацию о картах находящихся в сбросе игрока;

Требования, предъявляемые к системе, с точки зрения игрока:

Начать новую игру;

Положить карту в виде животного;

Положить карту, как свойство;

Пропустить ход;

Взять фишку еды из кормовой базы;

Положить фишку еды на своё животное;

Активировать применить свойство;

Закончить игру.

Модель вариантов использования

Построение диаграммы прецедентов

Визуализация требований реализована с помощью use-case диаграммы (см. рисунок 1.2.).

Рис. 1.2.

Документирование прецедентов

Документирование прецедентов представлено ниже в таблицах (см . таблицы 1.1. - 1.15).

Таблица 1.1. Прецедент «Создать новую игру».

Таблица 1.2. Прецедент «Задать параметры».

Краткое описание	Прецедент позволяет пользователю задать параметры создаваемой игры и начать игровой процесс.
Исполнители
Предусловия	Пользователь нажал кнопку «Новая игра»
Основной поток	1. Игрок выбирает используемый набор карт: Стандартный набор (84 карты) - по умолчанию. Дополнение «Время летать» (+42 карты). 2. Игрок выбирает количество игроков: 2 игрока - по умолчанию. 3 игрока. 4 игрока. 3. Игрок нажимает кнопку «Создать игру». 4. К созданной игре добавляются боты (игроки управляемые компьютером) в количестве, указанном в настройках.
Альтернативные потоки
Постусловия	Параметры настроены.

Краткое описание
Исполнитель
Предусловия
Основной поток	2. Система выводит окно, в котором игроку предоставляется возможность выбрать место, куда сохранить файл в формате txt. 3. Игрок выбирает путь, название файла и подтверждает сохранение. 4. Система сохраняет игру на диск и выдает игроку сообщение. 5. Система предлагает продолжить игру.
Альтернативные потоки	А1. Недостаточно места на диске. a. Система выводит сообщение, что недостаточно места на диске для записи.
Постусловия	Конфигурация и текущее состояние игры сохранены в файл на жестком диске

Таблица 1.4.Прецедент «Продолжить игру».

Краткое описание	Прецедент позволяет продолжить ранее сохраненную игру.
Исполнитель
Предусловия	Наличие на диске файла с сохраненной конфигурацией игры.
Основной поток	1. Игрок запускает систему. 2. Игрок нажимает на кнопку «Продолжить игру». 3. Система выводит окно, в котором игроку предоставляется возможность выбрать файл сохраненной игры. 4. Игрок выбирает файл и подтверждает открытие. А1. Файл неверной структуры. 5. Система восстанавливает конфигурацию, состояние и количество игроков из файла и загружает игровое поле.
Альтернативные потоки	А1. Файл неверной структуры. a. Система выводит сообщение о том, что файл поврежден. b. Система возвращается к 3-ому пункту.
Постусловия	Конфигурация игры восстановлена.

Таблица 1.5.Прецедент «Закончить игру».

Таблица 1.6.Прецедент «Играть».

Краткое описание	Прецедент представляет собой игровой процесс.
Исполнитель
Предусловия	Выполнен прецедент «Создать новую игру».
Основной поток	Начало игры: 1. Система определяет очередность хода (Выполняет жеребьевку на основе ДСЧ). 2. Система передает право первого хода игроку, выбранному в результате жеребьевки. 3. Выполняется прецедент «Получить карты» для новой игры. Фаза развития: А2. Игрок уже пропустил ход. 5. Игрок делает ход. А3. Игрок решает сходить. А4. У игрока нет карт на руках. 6. Система переводит очередь на другого игрока. Фаза определения кормовой базы: 7. Система при помощи ДСЧ определяет количество фишек еды, которое будет доступно на фазе питания. 8. Фишки еды появляются на игровом поле. Фаза питания: А7. Игрок уже пропустил ход. 9. Игрок делает ход. А9. Игрок решает сходить. А5. Игрок нажимает на кнопку «Пропустить ход». 10. Система переводит очередь на следующего игрока. Фаза вымирания: 11. Выполняется прецедент «Получить карты» в фазу вымирания. Завершение игры: 12. Система подсчитывает очки, набранные игроками. 13. Система выводит общий результат всех игроков. 14. Появляются кнопки «Создать новую игру» «Выйти в меню».
Альтернативные потоки	А1. Все игроки получили карты. a. Игра переходит на шаг 3. А2. Игрок уже пропустил ход. А3. У игрока нет карт на руках. А4. Игрок решает сходить. a. Выполняется прецедент «Сделать ход» в фазу развития. А5. Игрок нажимает на кнопку «Пропустить ход». a. Выполняется прецедент «Пропустить ход». А6. Все игроки пропустили ход в фазе развития. a. Игра переходит на шаг 5. А7. Игрок уже пропустил ход. a. Прецедент переходит к шагу 8. А8. У игрока нет карт на столе. a. Выполняется прецедент «Пропустить ход». А9. Игрок решает сходить. a. Выполняется прецедент «Сделать ход» в фазу питания. А10. Все игроки пропустили ход в фазу питания. a. Игра переходит на шаг 9. А11. Прецедент «Получить карты» в фазу вымирания завершен. А11.1. Ни один из игроков не получил новых карт. a. Право первого хода переходит следующему игроку. b. Игра возвращается на шаг 3. А11.1. Ни один из игроков не получил новых карт в фазу вымирания. a. Игра переходит на шаг 10. А12. Игрок набрал больше всех очков. a. Выполняется прецедент «Выиграть». А13. Игрок, вместе с другим игроком, набрал одинаковое количество очков, но больше, чем у остальных игроков. a. Система дополнительно подсчитывает очки по животным находящимся в сбросе игроков. b. Если игрок набрал больше очков, чем соперник - выполняется прецедент «Выиграть». c. Если игрок набрал меньше очков, чем соперник - выполняется прецедент «Проиграть». А14. Игрок набрал меньше очков, чем другой игрок. А15. Игрок нажал кнопку «Создать новую игру». a. Выполняется прецедент «Создать игру». А16. Игрок нажал кнопку «Выйти в меню». a. Выполняется прецедент «Завершить игру».
Точка расширения	· Прецедент «Выиграть». · Прецедент «Проиграть».
Постусловия	Сыграна партия игры.

Таблица 1.7. Прецедент «Получить карты».

Краткое описание	Прецедент позволяет игроку получить новые карты из колоды.
Предусловия	Выполнен прецедент «Создать новую игру».
Основной поток	Для новой игры: 1. Система выдает игроку 6 карт из общей колоды. В фазу вымирания: А1. Все игроки получили необходимое число карт, либо закончились карты в колоде. А2. Ненакормленные животные игрока помещены в сброс и определено количество необходимых для выдачи карт. 1. Система помещает ненакормленных животных в сброс игрока. 2. Система определяет количество необходимых для выдачи карт, равное числу выживших животных игрока + 1. 3. Система выдает игроку одну карту из необходимого количества. 4. Система переводит очередь на следующего игрока. 5. Выполняется прецедент «Получить карты» в фазу вымирания.
Альтернативные потоки	А1. Все игроки получили нужное число карт, либо закончились карты в колоде. a. Прецедент завершается. А2. Ненакормленные животные игрока помещены в сброс и определено количество выживших животных. a. Прецедент переходит к шагу 3. А3. У игрока нет выживших животных и нет карт на руках. А3.1. В колоде нет карт. a. Система определяет количество необходимых для выдачи карт, равное 6. А3.1. В колоде нет карт. a. Выполняется прецедент «Проиграть». b. Прецедент переходит к шагу 4. А4. Игроку выдано всё необходимое количество карт. a. Прецедент переходит к шагу 4.
Постусловия	Игрок получил новые карты.

Таблица 1.8.Прецедент «Выиграть».

Таблица 1.9.Прецедент «Проиграть».

Таблица 1.10.Прецедент «Пропустить ход».

Краткое описание	Прецедент пропускает ход игрока.
Предусловия	Игрок обладает правом хода.
Основной поток	1. Система завершает ход игрока. В текущей фазе игрок больше не будет получать право хода.
Альтернативные потоки	А1. Игра находится на фазе питания, есть фишки в кормовой базе и у игрока есть ненакормленные животные или животные с незаполненным жировым запасом. a. Система выводит сообщение о том, что игрок не может пропустить ход, т.к. обязан взять фишку еды. b. Прецедент завершается.
Постусловия	Игрок пропускает ход и больше не может ходить в текущую фазу.

Таблица 1.11.Прецедент «Сделать ход».

Краткое описание	Прецедент позволяет игроку сделать ход.
Предусловия	Игрок обладает правом хода.
Основной поток	Фаза развития: Фаза питания: А5. Игрок применяет свойство.
Альтернативные потоки	А1. Игрок кладет карту в виде животного. a. Выполняется прецедент «Положить карту в виде животного». А2. Игрок кладет карту, как свойство. a. Выполняется прецедент «Положить карту, как свойство». b. Прецедент «Сделать ход» завершается. А3. В кормовой базе не осталось фишек еды. У игрока нет свойств, которые можно применить. a. Выполняется прецедент «Пропустить ход». А4. Игрок берет фишку еды из кормовой базы. a. Выполняется прецедент «Взять фишку еды». А5. Игрок применяет свойство. a. Выполняется прецедент «Применить свойство». А5.1. У игрока нет свойств, которые можно применить. a. Прецедент «Сделать ход» завершается.
Постусловия	Игрок делает ход в текущую фазу.

Таблица 1.12.Прецедент «Положить карту в виде животного».

Краткое описание	Прецедент позволяет игроку создать новое животное.
Предусловия	Игрок имеет право хода.
Основной поток	А1. Игрок отпустил карту. 2. Игрок перетаскивает карту на свободное место своего игрового поля. 3. Система выделяет место и информирует игрока о том, что карта будет положена в виде животного игрока. А2. Карта находится над другой картой своего игрового поля или поля противника. 4. Игрок отпускает карту. 5. Карта располагается на игровом поле игрока изображением животного вверх.
Альтернативные потоки	А1. Игрок отпустил карту. А2. Игрок отпустил карту над другой картой своего игрового поля или поля противника. a. Выполняется прецедент «Положить карту как свойство» с шага 3. А3. Игрок отпустил карту над игровым полем противника.
Постусловия	На игровом поле текущего игрока появилась карта животного.

Таблица 1.13.Прецедент «Положить карту как свойство».

Краткое описание	Прецедент позволяет игроку наделить выбранное животное свойством.
Предусловия	Игрок имеет право хода.
Основной поток	1. Игрок нажимает на выбранную карту и удерживает её. А1. Игрок отпустил карту. 2. Игрок перетаскивает карту на животное на своем игровом поле. 3. Система выделяет карту животного и информирует игрока о том, что карта будет расположена, как свойство этого животного. 4. Игрок отпускает карту. 5. Над выбранным животным появляется название и признаки свойства.
Альтернативные потоки	А1. Игрок отпустил карту. a. Карта не меняет положения и остается на «руках» у игрока. А2. Игрок отпустил карту на пустое место своего игрового поля. a. Выполняется прецедент «Положить карту в виде животного» с шага 3. А3. Игрок отпустил карту на пустое место игрового поля противника. a. Карта возвращается обратно в «руки» игрока. А4. Игрок отпустил карту над животным противника. a. Если свойство может применяться на животных других игроков, то прецедент переходит к шагу 5. b. Если свойство не может применяться на животных других игроков, то система информирует игрока о том, что данное свойство может быть применено только на своих животных, карта возвращается обратно в «руки» игрока. А5. Свойство на карте относится к парным. a. Система применяет свойство к выбранному животному и запрашивает указать второе животное игрока. b. Игрок указывает 2е животное. c. Система располагает указанные карты рядом друг с другом. d. Над выбранными животными появляется название свойства и соединительная линия между этими свойствами. А5.1. У игрока только 1 животное. a. Система информирует игрока о том, что парное свойство не может быть размещено, т.к. у игрока не достаточно карт животных. b. Карта возвращается обратно в «руки» игрока. А6. На карте имеется 2 свойства на выбор. a. Система выводит модальное окно с вариантами свойств. b. Игрок нажимает на выбранное свойство. c. Прецедент переходит к шагу 5. A7. Свойство не может быть применено дважды на одну карту животного. a. Система информирует игрока о том, что свойство не может быть размещено дважды на одно и то же животное.
Постусловия	На игровом поле игрока к карте животного добавляется название и признаки свойства, которыми оно обладает.

Таблица 1.14.Прецедент «Взять фишку еды».

Краткое описание	Прецедент позволяет игроку накормить одно из его животных.
Предусловия	Игрок имеет право хода.
Основной поток	1. Игрок нажимает на фишку еды в кормовой базе и удерживает её. А1. Игрок отпустил фишку. 2. Игрок перетаскивает фишку еды на животное на своем игровом поле. 3. Система выделяет карту животного и информирует игрока о том, что данное животное получит +1 к запасу пищи. 4. Игрок отпускает фишку еды. 5. У выбранного животного устанавливается отметка о получении фишки еды, запас пищи пополняется на +1 единицу.
Альтернативные потоки	А1. Игрок отпустил фишку. a. Фишка не меняет положения и остается в кормовой базе. А2. Животное игрока уже накормлено. a. Система выделяет карту животного и информирует игрока о том, что данное животное не может получить новую фишку еды, т.к. является полностью накормленным. b. Если игрок отпускает фишку еды, то фишка возвращается в кормовую базу. А3. Игрок отпустил фишку еды вне своего игрового поля. А4. Игрок отпустил фишку вне карты животного на своем игровом поле. a. Фишка возвращается в кормовую базу.
Постусловия	Текущее животное игрока пополняет запас пищи на 1 единицу.

Таблица 1.15.Прецедент «Применить свойство».

Краткое описание	Прецедент позволяет игроку активировать свойство своего животного.
Предусловия	Игрок имеет право хода.
Основной поток	1. Система подсвечивает свойства животного, которые могут быть активированы. 2. Игрок нажимает на доступное свойство. 3. Система обрабатывает выбранное свойство и отображает результат применения на игровом поле, либо сообщает его игроку.
Альтернативные потоки	А1. Использовано свойство «Хищник». a. Система подсвечивает животных, которые могут быть атакованы. b. Игрок выбирает животное, которое собирается атаковать. c. Система проверяет защитные свойства этого животного. d. Если есть защитное свойство - то система переводит ход на игрока, чье животное атаковано, после выбора свойства ход возвращается обратно атаковавшему игроку и прецедент переходит на шаг 3. e. Если свойств нет или оно не сработало - животное считается съеденным и пропадает с поля. Животное атаковавшего игрока получает 2 единицы еды. А2. Свойство может применяться один раз за раунд. a. Система помечает свойство, как использованное, такое свойство больше не может применяться в этом раунде.
Постусловия	Активируется свойство животного, принадлежащего игроку.

Аннотация: Предметом этого курса является The UML - унифицированный язык моделирования. В предыдущей лекции было рассказано о том, что же такое UML, о его истории, назначении, способах использования языка, структуре его определения, терминологии и нотации. Было отмечено, что модель UML - это набор диаграмм. В этой лекции мы рассмотрим такие вопросы: почему нужно несколько видов диаграмм; виды диаграмм; ООП и последовательность построения диаграмм

Прежде чем перейти к обсуждению основного материала этой лекции, давайте поговорим о том, зачем вообще строить какие-то диаграммы. Разработка модели любой системы (не только программной) всегда предшествует ее созданию или обновлению. Это необходимо хотя бы для того, чтобы яснее представить себе решаемую задачу. Продуманные модели очень важны и для взаимодействия внутри команды разработчиков, и для взаимопонимания с заказчиком. В конце концов, это позволяет убедиться в "архитектурной согласованности" проекта до того, как он будет реализован в коде.

Мы строим модели сложных систем, потому что не можем описать их полностью, "окинуть одним взглядом". Поэтому мы выделяем лишь существенные для конкретной задачи свойства системы и строим ее модель, отображающую эти свойства. Метод объектно-ориентированного анализа позволяет описывать реальные сложные системы наиболее адекватным образом. Но с увеличением сложности систем возникает потребность в хорошей технологии моделирования. Как мы уже говорили в предыдущей лекции, в качестве такой "стандартной" технологии используется унифицированный язык моделирования ( Unified Modeling Language , UML ), который является графическим языком для спецификации, визуализации, проектирования и документирования систем. С помощью UML можно разработать подробную модель создаваемой системы, отображающую не только ее концепцию, но и конкретные особенности реализации. В рамках UML -модели все представления о системе фиксируются в виде специальных графических конструкций, получивших название диаграмм.

Примечание . Мы рассмотрим не все, а лишь некоторые из видов диаграмм. Например, диаграмма компонентов не рассматривается в этой лекции, которая является лишь кратким обзором видов диаграмм. Количество типов диаграмм для конкретной модели приложения никак не ограничивается. Для простых приложений нет необходимости строить диаграммы всех без исключения типов. Некоторые из них могут просто отсутствовать, и этот факт не будет считаться ошибкой. Важно понимать, что наличие диаграмм определенного вида зависит от специфики конкретного проекта. Информацию о других (не рассмотренных здесь) видах диаграмм можно найти в стандарте UML.

Почему нужно несколько видов диаграмм

Для начала определимся с терминологией. В предисловии к этой лекции мы неоднократно использовали понятия системы, модели и диаграммы. Автор уверен, что каждый из нас интуитивно понимает смысл этих понятий, но, чтобы внести полную ясность , снова заглянем в глоссарий и прочтем следующее:

Система - совокупность взаимосвязанных управляемых подсистем, объединенных общей целью функционирования.

Да, не слишком информативно. А что же такое тогда подсистема? Чтобы прояснить ситуацию, обратимся к классикам:

Системой называют набор подсистем, организованных для достижения определенной цели и описываемых с помощью совокупности моделей, возможно, с различных точек зрения.

Что ж, ничего не попишешь, придется искать определение подсистемы. Там же сказано, что подсистема - это совокупность элементов, часть из которых задает спецификацию поведения других элементов. Ян Соммервилл объясняет это понятие таким образом:

Подсистема - это система, функционирование которой не зависит от сервисов других подсистем. Программная система структурируется в виде совокупности относительно независимых подсистем. Также определяются взаимодействия между подсистемами.

Тоже не слишком понятно, но уже лучше. Говоря "человеческим" языком, система представляется в виде набора более простых сущностей, которые относительно самодостаточны. Это можно сравнить с тем, как в процессе разработки программы мы строим графический интерфейс из стандартных "кубиков" - визуальных компонентов, или как сам текст программы тоже разбивается на модули, которые содержат подпрограммы, объединенные по функциональному признаку, и их можно использовать повторно, в следующих программах.

С понятием системы разобрались. В процессе проектирования система рассматривается с разных точек зрения с помощью моделей, различные представления которых предстают в форме диаграмм. Опять-таки у читателя могут возникнуть вопросы о смысле понятий модели и диаграммы . Думаем, красивое, но не слишком понятное определение модели как семантически замкнутой абстракции системы вряд ли прояснит ситуацию, поэтому попробуем объяснить "своими словами".

Модель - это некий (материальный или нет) объект , отображающий лишь наиболее значимые для данной задачи характеристики системы. Модели бывают разные - материальные и нематериальные, искусственные и естественные, декоративные и математические...

Приведем несколько примеров. Знакомые всем нам пластмассовые игрушечные автомобильчики, которыми мы с таким азартом играли в детстве, это не что иное, как материальная искусственная декоративная модель реального автомобиля. Конечно, в таком "авто" нет двигателя, мы не заполняем его бак бензином, в нем не работает (более того, вообще отсутствует) коробка передач, но как модель эта игрушка свои функции вполне выполняет: она дает ребенку представление об автомобиле, поскольку отображает его характерные черты - наличие четырех колес, кузова, дверей, окон, способность ехать и т. д.

В ходе медицинских исследований опыты на животных часто предшествуют клиническим испытаниям медицинских препаратов на людях. В таком случае животное выступает в роли материальной естественной модели человека.

Уравнение, изображенное выше - тоже модель, но это модель математическая, и описывает она движение материальной точки под действием силы тяжести.

Осталось лишь сказать, что такое диаграмма . Диаграмма - это графическое представление множества элементов. Обычно изображается в виде графа с вершинами (сущностями) и ребрами (отношениями). Примеров диаграмм можно привести множество. Это и знакомая нам всем со школьных лет блок-схема , и схемы монтажа различного оборудования, которые мы можем видеть в руководствах пользователя, и дерево файлов и каталогов на диске, которое мы можем увидеть, выполнив в консоли Windows команду tree , и многое-многое другое. В повседневной жизни диаграммы окружают нас со всех сторон, ведь рисунок воспринимается нами легче, чем текст...

Но вернемся к проектированию ПО (и не только). В этой отрасли с помощью диаграмм можно визуализировать систему с различных точек зрения . Одна из диаграмм, например, может описывать взаимодействие пользователя с системой, другая - изменение состояний системы в процессе ее работы, третья - взаимодействие между собой элементов системы и т. д. Сложную систему можно и нужно представить в виде набора небольших и почти независимых моделей-диаграмм, причем ни одна из них не является достаточной для описания системы и получения полного представления о ней, поскольку каждая из них фокусируется на каком-то определенном аспекте функционирования системы и выражает разный уровень абстракции . Другими словами, каждая модель соответствует некоторой определенной, частной точке зрения на проектируемую систему.

Несмотря на то что в предыдущем абзаце мы весьма вольготно обошлись с понятием модели, следует понимать, что в контексте приведенных выше определений ни одна отдельная диаграмма не является моделью . Диаграммы - лишь средство визуализации модели, и эти два понятия следует различать. Лишь набор диаграмм составляет модель системы и наиболее полно ее описывает, но не одна диаграмма , вырванная из контекста.

Виды диаграмм

UML 1.5 определял двенадцать типов диаграмм , разделенных на три группы:

• четыре типа диаграмм представляют статическую структуру приложения;
• пять представляют поведенческие аспекты системы;
• три представляют физические аспекты функционирования системы (диаграммы реализации).

Текущая версия UML 2.1 внесла не слишком много изменений. Диаграммы слегка изменились внешне (появились фреймы и другие визуальные улучшения), немного усовершенствовалась нотация , некоторые диаграммы получили новые наименования.

Впрочем, точное число канонических диаграмм для нас абсолютно неважно, так как мы рассмотрим не все из них, а лишь некоторые - по той причине, что количество типов диаграмм для конкретной модели конкретного приложения не является строго фиксированным. Для простых приложений нет необходимости строить все без исключения диаграммы. Например, для локального приложения не обязательно строить диаграмму развертывания. Важно понимать, что перечень диаграмм зависит от специфики разрабатываемого проекта и определяется самим разработчиком. Если же любопытный читатель все-таки пожелает узнать обо всех диаграммах UML , мы отошлем его к стандарту UML (http://www.omg.org/technology/documents/modeling_spec_catalog.htm#UML). Напомним, что цель этого курса - не описать абсолютно все возможности UML , а лишь познакомить с этим языком, дать первоначальное представление об этой технологии.

Итак, мы кратко рассмотрим такие виды диаграмм, как:

• диаграмма прецедентов ;
• диаграмма классов;
• диаграмма объектов ;
• диаграмма последовательностей;
• диаграмма взаимодействия;
• диаграмма состояний;
• диаграмма активности ;
• диаграмма развертывания .

О некоторых из этих диаграмм мы будем говорить подробнее в следующих лекциях. Пока же мы не станем заострять внимание на подробностях, а зададимся целью научить читателя хотя бы визуально различать виды диаграмм, дать начальное представление о назначении основных видов диаграмм. Итак, начнем.

Диаграмма прецедентов (use case diagram)

Любые (в том числе и программные) системы проектируются с учетом того, что в процессе своей работы они будут использоваться людьми и/или взаимодействовать с другими системами. Сущности, с которыми взаимодействует система в процессе своей работы, называются экторами , причем каждый эктор ожидает, что система будет вести себя строго определенным, предсказуемым образом. Попробуем дать более строгое определение эктора. Для этого воспользуемся замечательным визуальным словарем по UML Zicom Mentor :

Эктор (actor) - это множество логически связанных ролей, исполняемых при взаимодействии с прецедентами или сущностями (система, подсистема или класс). Эктором может быть человек или другая система, подсистема или класс, которые представляют нечто вне сущности.

Графически эктор изображается либо " человечком ", подобным тем, которые мы рисовали в детстве, изображая членов своей семьи, либо символом класса с соответствующим стереотипом , как показано на рисунке. Обе формы представления имеют один и тот же смысл и могут использоваться в диаграммах. "Стереотипированная" форма чаще применяется для представления системных экторов или в случаях, когда эктор имеет свойства и их нужно отобразить (рис. 2.1).

Внимательный читатель сразу же может задать вопрос: а почему эктор, а не актер ? Согласны, слово "эктор" немного режет слух русского человека. Причина же, почему мы говорим именно так, проста - эктор образовано от слова action , что в переводе означает действие . Дословный же перевод слова "эктор" - действующее лицо - слишком длинный и неудобный для употребления. Поэтому мы будем и далее говорить именно так.

Рис. 2.1.

Тот же внимательный читатель мог заметить промелькнувшее в определении эктора слово "прецедент". Что же это такое? Этот вопрос заинтересует нас еще больше, если вспомнить, что сейчас мы говорим о диаграмме прецедентов . Итак,

Прецедент (use-case) - описание отдельного аспекта поведения системы с точки зрения пользователя (Буч).

Определение вполне понятное и исчерпывающее, но его можно еще немного уточнить, воспользовавшись тем же Zicom Mentor "ом:

Прецедент (use case) - описание множества последовательных событий (включая варианты), выполняемых системой, которые приводят к наблюдаемому эктором результату. Прецедент представляет поведение сущности, описывая взаимодействие между экторами и системой. Прецедент не показывает, "как" достигается некоторый результат, а только "что" именно выполняется.

Прецеденты обозначаются очень простым образом - в виде эллипса, внутри которого указано его название. Прецеденты и экторы соединяются с помощью линий . Часто на одном из концов линии изображают рис. 2.3

формирование общих требований к поведению проектируемой системы;

разработка концептуальной модели системы для ее последующей детализации;

подготовка документации для взаимодействия с заказчиками и пользователями системы.

Диаграммы прецедентов частично описывает use case – прецедент использования проектируемой системы, давая частичное описание частичного применения системы с точки зрения условного внешнего обозревателя (за которым – в идеале - стоит согласованная точка зрения участников работ). При этом описание фокусируется на том, что должна делать система по отношению к своему внешнему окружению (периферии), а не то на том, как она эта делает.

Иначе говоря, диаграмма есть частичная спецификация.

Напомним, в рассматриваемом подходе выделение основных (но не всех возможных) прецедентов на начальной стадии разработки играет ключевую роль, что отличает этот подход от чисто алгоритмического. При этом сначала обычно рассматриваются успешные сценарии (варианты).

Заметим, в случае достаточно крупных программных систем мы не используем термин «алгоритм», например – неуместно говорить об «алгоритме текстового редактора (редактирования текста)» и т.п. Причина ясна – в сложных случаях мы можем надежно описать (проанализировать, проверить и т.п.) некоторые ветки алгоритма верхнего уровня, но не сам законченный алгоритм, предполагающий законченное описание всех возможных веток.

Иначе говоря, сценарий – это и частичная алгоритмизация.

Пример. Запись пациента на прием в поликлинику.

Данный простейший пример предполагает примерно следующий скрытый за ним сценарий прецедента (естественно сделать его комментарием к имени прецедента):

"Пациент звонит в поликлинику для записи к врачу в целях профилактики. Регистратор поликлиники находит в журнале регистрации ближайший свободный период, согласует время с пациентом и фиксирует его в журнале»

Make Appointment (согласовать назначение [у врача]) – имя прецедента. Patient (пациент) – роль человека. Связь между актором и прецедентом – ассоциация коммуникации (для краткости коммуникация – в виде обмена сообщениями)

Пример 2. Уточнение предыдущей диаграммы (посредством ее расширения).

Вторая диаграмма отражает больше деталей ситуации. Здесь появляются новые акторы: Scheduler – регистратор, Doctor – врач, Clerk – служащий, и новые прецеденты CancelAppointment – отменить прием, RequestMedication – запросить лечение и PayBill – оплатить счет.

Крупные программные среды UML-моделирования имеют средства поддержки версий. В таком случае мы можем считать представлением (view) группу диаграмм, относящихся либо к последней версии, либо ко всем. Второе, очевидно, предпочтительно.

Уже самый первый пример ставит перед нами «главный вопрос всех времен и народов»: «Ну и зачем мне эти диаграммы прецедентов?» Еще более популярный вариант: «Да вообще кому они нужны - все эти диаграммы!». В процессе обучения его лучше не скрывать в себе, но переадресовать себе самому, перефразируя и конкретизируя. Кому именно и когда именно и зачем именно они полезны?

Программист, конечно, увидит для себя возможности программной реализации - очертания [архитектуры, строения] будущей программы. Для понимания остальных возможностей нужно лишь представить себя в другой роли. В роли клиента – для оценки полезности использования системы в своей работе. В роли заказчика и постановщика – при обсуждении задачи. В роли тестера – при подготовке тестов прогона тех или иных веток выполнения программной системы.

Мораль стара – полезно встать на место другого, посмотреть на мир его глазами.

Но обратимся снова к конкретному примеру. Зачем нужно такое уточнение? Для человека, хорошо знакомого с предметной областью (доменом) – в данном случае, системой здравоохранения – в этой диаграмме нет новой информации. Для него она неявно содержится уже в первом прецеденте, выводиться из него. Однако, во-первых - не все люди одинаково хорошо знакомы с данным доменом. Во-вторых – они могут иметь разные мнения как на сам домен, так и на то, какие его черты должны быть отражены в разрабатываемой системе. Наконец, мы можем в дальнейшем попросту забыть то, на чем договорились.

Проще говоря, для понимания необходимости диаграмм вообще , достаточно представить себя просто человеком, который не все знает, не все помнит, не все умеет и т.д. Короче – хорошо бы быть скромней…

Описание коммуникаций. Диаграммы последовательностей [системы]- sequence diagrams

Диаграммы последовательностей некоторой системы объектов - артефакт модели (часть документированного описания) прецедентов, используемый для частичного описания поведения некоторой системы объектов в виде возможных, основных (успешных) и альтернативных сценариев.

Главное назначение таких диаграмм - отображение событий, пере­даваемых исполнителями системе через ее границы. Каждая из них дает схематическое описание сценария прецедента в виде последовательности событий, генерируе­мых внешними акторами - и компактное, обозримое (для анализа, контроля и т.п.) описание событий, генери­руемые внутри самой системы. Иначе говоря – диаграмма пытается ответить скорее на вопрос: «какие главные события инициируются извне», чем как именно система реагирует на внешние сигналы. Не точно и полно - лишь по мере возможности.

Отметим здесь новую трактовку старого поведенческого подхода (бихевиоризм, от behavior - поведение), базового для кибернетики. Строение системы важно – но не само по себе, а лишь постольку, поскольку оно обеспечивает нужное поведение, верную реакцию на внешние сигналы. Не так важно, как устроена система – важнее, чтобы она имитировала нужное поведение. Устройство разнообразных т.н. «умных» машин «виртуально» - это касается машин как реальных, так и виртуальных. Проще говоря – оно не должно и не может походить на настоящее. А поведение – реально.

В кибернетических терминах, все внутренние подсистемы (связанные с описанием объектов данной системы) рассматриваются как "черный ящик", а сама система – как полупрозрачный, или «серый ящик». Как и ранее, то, что находиться вне ящика считается относящимся к логике , внутри ящика – к реализации системы (скрытой в устройстве ящика – касается ли она определения структуры связанных с ним данных или методов). В «полупрозрачном» случае, имеется в виду реализация самого верхнего уровня.

Вспомним, что классы и объекты в ООП описывают – соответственно, на более и менее абстрактном уровне – статическое представление модели. Они содержат указание на методы – именованную ссылку на определение правил (алгоритмов) потенциального поведения объектов, при этом скрывая фактическое поведение объектов, по отношению друг к другу. Проще говоря, они отвечают скорее на вопрос «как может вести себя [один] данный объект», а не на вопрос о том, как ведут себя объекты – вместе, в целом.

Поведение системы объектов рассматривается здесь как скоординированное взаимодействие объектов, фиксируемое в виде временнóй шкалы исполнения методов посылки сообщений - трассы сообщений. Течение времени отображается координатой «сверху вниз», посылающие сообщения объекты (источники) левее, получающие сообщения – правее (приемники сообщений). По возможности.

По процедурному программированию нам хорошо знакомо понятие трассы [состояний] , описывающей фактическое поведение объекта в виде последовательности смен его состояний. При этом каждое из состояний описывается в виде именованного набора значений переменных – характеристик состояния объекта на некий момент времени. В императивной (командной) модели управления подразумевается, что некто (исполнитель верхнего уровня) командует изменениями ниже стоящего объекта, вызывая связанные с ним процедуры в соответствии с некоторым правилом - алгоритмом, программой изменений подчиненного объекта. Трасса вызовов – и есть ветка исполнения алгоритма, представляемая в виде последовательности имен соответствующих процедур.

В данном случае речь снова идет о трассе вызовов – точнее, о трассе инициирующих такие вызовы сообщений. Но уже в более сложном случае системы объектов, изменяющих (через вызов метода объекта-источника) состояний объекта-приемника (а также, возможно, в качестве побочного эффекта – и состояний других объектов). Изменение состояния и трактуется теперь как «событие в жизни объекта».

Здесь по-прежнему есть внешние объекты, инициирующие внутренние процессы обмена сообщениями, но в более сложных для описания случаях нет единого главного «командира» и иерархии подчиненности.

Пример. Бронирование места в гостинице.

сообщение

Внешний объект, инициирующий поток сообщений – окно регистрации Reservation window. Объект Reservation window посылает сообщение makeReservation() {забронировать } соответствующей службе сети отелей HotelChain. Та, в свою очередь пересылает сообщение makeReservation() отелю Hotel. Если в гостинице есть свободные номера, объекта Hotel вызывает методы Reservation {забронировать номер) и Confirmation {подтвердить заказ}.

Каждая из пунктирных вертикальных «линий жизни» (lifeline), представляет заполненное событиями время потенциального существования некоторого объекта – в виде изменения состояний других объектов и изменения его собственных состояний. Каждая стрелка описывает вызов метода посылки сообщения. Стрелка идет от отправителя к приемнику сообщения, выделяя полосу активности (период обработки сообщения - activation bar) на временной координате.

На диаграмме объект Hotel вызывает самого себя (self call) для определения доступности номера. Если условие IsRoom выполняется, Hotel создает объекты Reservation и Confirmation. Звездочка на вызове available означает итерацию – циклический вызов (для того, чтобы выяснить, доступен ли номер для всех дней предполагаемого пребывания гостя). Выражение в квадратных скобках означает условие (предикат).

Диаграмма включает в себя также поясняющий комментарий в виде текста на прямоугольнике с загнутым углом - возможный и, в любом неочевидном случае необходимый для любой иной UML диаграммы.

Диаграммы кооперации (взаимодействий) –

collaboration diagrams

Диаграммы кооперации, как и диаграммы последовательностей, относятся к диаграммам описания взаимодействия. Они содержат ту же информацию, что и диаграммы последовательностей – но в ином ракурсе, фокусируясь не на описании процессов коммуникации между объектами (в виде последовательности вызовов), но на определении роли объектов в качестве источника и приемника сообщений. Словом, здесь мы пытаемся ответить не на вопрос «как» происходит коммуникация фактически, но кто и кому может пересылать сообщения.

Пример. Тот же - бронирование места в гостинице.

объект

сообщение

Прямоугольники, представляющие роли объектов, помечаются именем класса и/или объекта (в последнем случае имя класса отделяется от имени объекта двоеточием). Сообщения на диаграмме кооперации нумеруются. При этом сообщения нижнего уровня - посылаемые во время обработки некоторого сообщения - нумеруются префиксами, отделяемыми точками от номера сообщения высшего уровня – в соответствии с последовательностью этих вызовов.

Иначе говоря, таким хорошо известным нам образом (линейная запись дерева) кодируется факт следования или вложенности скрытых здесь процессов обработки сообщений – одного в другой. Как и ранее, они не могут перекрываться.

Описание строения. Диаграммы состояний. Statechart diagrams.

Диаграммы состояний, или автоматные диаграммы - пожалуй, наиболее хорошо нам знакомые. Или, вернее, должны быть нам знакомы - по меньшей мере, по вводному курсу дискретной математики.

Вспомним общие положения. Конечный автомат – модель возможного реагирования (в виде прямой и обратной реакции) объекта моделирования на внешние события - изменения во внешней среде (окружении, периферии, ситуации, контексте и т.п.)

Понятие автомата - центральное в понимании логической схемы функционирования компьютера как устройства, выполняющего пошагово одну-единственную операцию (как и любое иное), имитирующую операцию аппликации (применения функции к аргументу). Неявно, понятие автомата лежит в начале основных программистских концепций – например, трактовке программ как преобразователя потоков и/или последовательных файлов. Но в данном случае, нам стоит вспомнить концепции более ранние. Не о компьютерах или программах, но о не менее знаменитой собаке академика Павлова…

В общем случае, автомат реагирует на такие изменения среды

• явно определяемым изменением состояния своего внутреннего, невидимого извне и скрытого внутри него устройства; такие внутренние состояния в теории автоматов именуются, но не описываются.
• изменением состояния среды – неявным, поскольку наличие таких состояний среды подразумевается, но не сами состояния не определяются.

Обратной связью называется изменение поведения (внутреннего состояния) автомата, возникающее (косвенно) в результате его собственных действий по изменению среды.

В явном виде, определяется коммуникация автомата со средой, в виде

• множества возможных входных и выходных сообщений. Их роль в теории автоматов выполняют элементарные сигналы, буквы (в ООП, естественно – объекты).
• двух функций (или одного оператора), определяющих по текущим входному сообщению и внутреннему состоянию выходное сообщение и следующее внутреннее состояние. Соответственно называемых функцией выхода и функцией перехода (transition).

Если (и когда ) входные сообщения отсутствуют, автомат описывает источник (или отправитель, sender)подготовленных им ранее выходных сообщений. Если (и когда ) отсутствуют выходные сообщения, автомат описывает приемник (адресат, получатель) и обработчик выходных сообщений.

• ввод – набор на клавиатуре - [предположительно] действующего (активного, верного) общего идентификатора пользователя - вроде номера паспорта; в данном случае – это номер клиента системы социального страхования SSN (social security number),
• ввод [предположительно] действующего персонального идентификатора пользователя как клиента данного банка PIN (personal id number)
• отсылку данной информации на проверку (validation).

Описание возможных [внутренних] состояний авторизации начинается с именования. Getting SSN – получить SSN, Getting PIN – получить PIN, Validating – проверка и Rejecting – отказ, в случае неудачи сценария «по умолчанию». Далее определяются переходы из состояния в состояние, для каждой пары состояний и всевозможных комбинаций сообщений.

Что описывается в теории множеств в терминах фундаментального понятия декартового произведения множеств.

Существенным отличием диаграмм состояний в UML (по сравнению с классической теорией автоматов) является возможность описания структурных состояний , т.е. состояний, которые сами являются системами. Тонким моментом является здесь переход сообщений через границы системы. Контуры принятого здесь UML подхода намечены нами при обсуждении понятия прецедента.

Но возможности языков всегда обусловлены необходимостью решения некоторой проблемы и прежде чем «влезать внутрь ящика (черного или серого)» стоит задуматься – какой именно? Классическая теория сложности вычислений определяет «информационный взрыв» - обилие информации, с которой человек не может справиться (manage) в терминах экспонент (например 2 n). Что не подлежит сомнению, но… В практике программирования уже полиномы (в данном случае, минимально n 2) – уже в общем случае не управляемы – не контролируемы, анализируемы, проверяемы и т.п. Для того, чтобы взглянуть в лицо хаосу, достаточно вообразить себе автомат со 50 состояниями. Кажется, немного… если бы не 2500 возможных переходов.

Это касается любых диаграмм – бинарных и иных графов, вне зависимости от интерпретации, типа задачи описания и способа ее решения. Надеюсь, сейчас для нас становиться куда более предметным не только понимание происхождения UML, но и всех иных структурных методов в программировании и в целом – назначение математических формализмов. А ты говорил - «пустая абстракция, оторванная от жизни»… Чьей жизни? - Только не от жизни описателя моделей.

Обратим внимание на интересную особенность примера. Авторизация – не вещь (физический объект), не система таких объектов, но процесс . И вместе с тем, конечно – объект нашего текущего внимания и описания.

Диаграммы деятельности –

activity diagrams.

Диаграммы деятельности – по сути своей, хорошо знакомые нам блок-схемы с рядом особенностей, отражающих изменение процедурного подхода под влиянием ООП и тех идей частичности описаний, которые мы связали ранее с итеративным подходом.

В особенности, трактовкой алгоритмов как совокупного описания множества успешных и неудачных сценариев прецедентов – в сложных случаях описываемых лишь частично на каждой стадии разработки.

Наиболее заметные отличия видны на следующем примере.

Пример. Схема работы банкомата (ATM Machine) по обслуживанию клиента (Customer) банка (Bank).

По-прежнему условия (предикаты) изображаются ромбами, методы ([пользовательские] операторы) – прямоугольниками с закругленными концами.

Сторожевое условие (guard condition) трактуется здесь как проверка необходимости выполнения неправильного хода событий – т.е. неудачного сценария. По сути – необходимости обработки логического исключения (exception) (вызванного сбоем «времени логики», а не «времени исполнения»).

Плавательные дорожки (swimlines) разделяют «пловцов» - объекты, чьи методы исполняются. Как видно из примера, фактически они трактуются здесь как субъекты деятельности , исполняющие некоторую общую работу.

В резком контрасте с ранним императивным и более поздним процедурным подходами. В первом объект исполняет команду, во втором – действия выполняются. В обоих случаях - без явного указания субъекта (актора), инициирующего (начинающего, активирующего) действие (операцию). Блок-схемы (flowcharts, т.е. диаграммы потоков) выражают поток передачи управления – с неявным субъектом управления и явным объектом управления. В данном случае уместнее говорить о субъектах – в рамках распределения и передаче полномочий и ответственности за ту или иную часть работы.

Продолжая разбор этих случаев, можно допустить две интерпретации примера, в зависимости от конкретной предметной области.

· Банкомат и банк вместе составляют систему-сервер, выполняющую работу для инициирующего ее клиента (актора) – имеющего приоритет, отраженный в порядке следования субъектов.

· Все субъекты исполняют некоторую общую работу, преследуя интересы взаимовыгодного сотрудничества. Клиент инициирует работу не потому, что он имеет абсолютный приоритет – но лишь потому, что «в этот раз кто-то все-таки должен начать первым». Иными словами – в других диаграммах возможен иной порядок расположения субъектов.

Конечно, для данной предметной области больше подходит первая, характерная для современных «клиент-серверных» подходов интерпретация.

Мы привыкли рассматривать подобные диаграммы как законченные описания. Но в контексте рассматриваемого подхода, существует еще одна важная трактовка диаграмм, исходящая из возможностей описателя. Можно предположить, что мы находимся на той стадии разработки, когда взаимоотношение субъектов еще не определены или нам неизвестны. Как-то (пока) надо описать.

Немедленным следствием возникающего здесь «разделения труда» между несколькими акторами, является необходимость согласования возникающего параллелизма выполнения действий. На диаграмме такое согласование обозначается новым типом ветвления – вилка (fork) и соединения (join) процессов.

Параллелизм – крайне сложная тема, допускающая много толкований. В контексте необходимости описания предметной области, естественно продолжить тему разделения труда между субъектами исходя из необходимости достижения общего результата. В этом «многопроцессорном» варианте порядок действий неважен.

Исходя из возможностей описателя, возможна иная трактовка. Мы знаем, что данный процесс когда-то должен начаться и когда-то завершиться. Но [пока] не знаем точно порядка действий.

Задача описания предметной области.

Модель предметной области отображает концептуальные классы – основные, с точки зрения моделирую­щего, классы понятий, относящиеся к предметной области (не к программной реализации).

В случае моделирования бизнеса – деятельности крупных предприятий - обычно говорят о бизнес-логике, бизнес-моделировании и т.п. На языке UML модель предметной области представляется в виде набора диаграмм классов, на которых свойства и методы проименованы, но в общем случае не реализованы. Иначе говоря – по мере возможности, определены интерфейсы классов.

Формально говоря, в рассматриваемом подходе построение диаграмм классов в основных своих принципах мало отличается от принятого в «обычном ООП». Самую существенную разницу привносят рассмотренные нами выше мотивы разделения труда. По мере возможности, программист соучаствует в предыдущих этапах, но отвечает за этап программной реализации. Внутри него, он волен выделять классы, исходя из необходимости решения внутренних проблем программной реализации – в рамках своей роли, он этого делать не может. Классы предметной области заданы реалиями предметной области.

Правда, в предлагаемом подходе это уже не означает односторонней подчиненности – по мере острой необходимости, он (изредка) - в качестве обратной связи (feedback) - может просить об изменении задачи в силу невозможности выполнить задачу в заданных условиях – например, при заданных ресурсах времени (т.е. в срок).

Напомним (в качестве пищи для размышлений), что исторически понятие [петли] обратной связи (feedback loop) появилось в кибернетике (точнее, в теории автоматов) именно в связи с необходимостью формального описания сложного поведения, характерного для живых существ. А не реальных автоматов , наиболее частых (в силу простоты) примеров в сегодняшней литературе по программированию.

Модель пред­метной области отображает:

· объекты предметной области или концептуальные классы;

· ассоциации между концептуальными классами;

· атрибуты и операции концептуальных классов (имена свойств и методов).

Пример диаграммы классов. Схема оплаты заказов.

Пример подразумевает примерно следующий (успешный) сценарий оплаты (payment) заказа (order) клиентом (customer) некоторой торгово-транспортной компании: «Клиент, заказавший список товаров (см. item – характеризацию свойств товара в отдельном пункте заказа) может оплатить заказ кредитной карточкой (credit), наличными (cash) или банковским чеком (check)»

Обратим внимание, что диаграммы классов, помимо самих классов, описывают в виде графа и разнообразные реальные связи (association) между классами.

Иначе говоря – при описании структуры классов мы применяем идущий от теории множеств и отношений (relation) реляционный подход, рассмотренный нами ранее при освоении реляционных баз данных. Отметим здесь возможность указания кратности связей, описывающих точнее (по сравнению с «один» и «много»), сколько объектов (экземпляров, instance) одного класса может находиться в данном отношении с другим классом. 0..1 - не более одного, 1 - ровно 1, 1* - не менее одного и т.п.

Некоторую путаницу здесь обычно вносит разнообразие типов связей. Здесь связь (association) – любая возможная связь между классами, вне зависимости от того, какое дальнейшее отношение между объектами оно подразумевает.

Одни из них – как и ранее - относятся к описанию структуры данных. Таковы, например, связь Customer-Order и связь «часть-целое» (aggregation, отношение агрегирования) между классами Order и OrderDetail.

Другие (generalization – обобщение) – к описанию взаимосвязи классов по наследованию. См. в примере связь класса Payment с подклассами Cash, Check и Credit. Это статическая (фиксированная) связь между классами , подразумевающая возможность динамической (изменяемой) связи между объектом и классом . В каждый момент времени объект относим к некоторому конкретному классу – но затем эта принадлежность объекта может измениться. Что собственно и отличает понятие класса в ООП от типа в процедурном программировании.

Закладки на будущее. Помимо «просто связей», своеобразной особенностью UML является возможность определения иных, пользовательских типов связей, а также группировки классов в пакеты – по иным, отличным от рассмотренных нами ранее соображениям. В том числе, будущим, пока нам неизвестным.

Обычно пакеты (равно как изначально модули и компоненты) связывают с решением специальных задач обработки программ в качестве данных (например, компиляции), но мы вольны их использовать и по каким-то иным, оригинальным соображением (если они действительно оригинальны).

Диаграммы объектов. *

Диаграммы объектов используются значительно реже диаграмм классов. Фактически, мы спускаемся здесь до уровня программной реализации. Применять их полезно, когда графическое представление помогает обратить внимание участников разработки на те особенности реализации, которые тяжело распознать по тексту программы.

В качестве неформальной мотивации, легко представить температуру в коллективе при возвращении из отпуска программиста, не посвятившего коллег в особенности реализации. Как известно, по закону Паркинсона (он же закон падения бутерброда) необходимость коррекции программного кода происходят как раз во время отсутствия написавшего его программиста! Во всяком случае, такие примеры надолго запоминаются…

Пример 1. Рекурсивные связи

Здесь предполагается иерархия классов, описывающих подразделения (departments) университета.

Пример 2. Унаследованные статические связи.

mathStat, math, statistics, appliedMath, mathEd – объекты, ссылки на класс Department

Вероятно, более сложным и важным примером является описание далеко не всегда очевидных возможностей изменения в программе принадлежности одного объекта к различным классам – относительно иерархии наследования.

Диаграммы компонент и диаграммы развертывания –

Component and deployment diagrams

Компонента [архитектуры программной системы] – модуль, часть [текста] программы, традиционно связываемый с автоматизацией, алгоритмической обработкой программного кода (программы как данные). При использовании UML они трактуются как физические аналоги диаграмм классов и описываются аналогичным образом. Иначе говоря, диаграммы компонентов - формальный аналог диаграмм классов, предназначенный для описания программной архитектуры, строения программной системы.

И в этом качестве – не столь важны для прикладного программиста. Но еще раз обратим здесь внимание на один важный момент. Мы привыкли, что задачи программирования ставятся заказчиком - задаются извне программирования. Но, несомненно, весьма большая часть задач рождается внутри самого программирования – касается ли они software или hardware, программной или аппаратной его части. Так, изначально модули трактовались скорее как единицы компиляции (compilation, сборки) – но проложили путь объектному программированию в качестве универсального способа моделирования. То, что в модульном программировании трактуется как именованная константа (имя модуля обозначает фиксированный интерфейс и его реализацию), в объектном становиться именем переменной (имя объекта обозначает переменный интерфейс и реализацию).

В компонентном программировании понятие компоненты идет еще дальше и имеет более четкое определение. Просто – именованный, но [пока] никак не реализованный интерфейс. Родившись в среде чисто системных задач (особенно важно здесь вспомнить задачу поддержки версий), она становиться здесь инструментом решения любых задач (повышенной сложности).

Диаграммы развертывания предназначены главным образом для описания физической конфигурации (архитектуры) программного и аппаратного обеспечения. Так, следующий пример показывает взаимосвязи между программными и аппаратными компонентами программной системы по обработке транзакций по сделкам с недвижимостью.

Пример. Физическая среда поддержки продажи недвижимости.

Здесь Real Estate Server и Bank Server – сервера агентства по продаже недвижимости и ипотечного банка, предоставляющего ссуду своему клиенту (customer) в ответ на его заявление (application). PC – клиентский компьютер, позволяющий пользователю разрабатываемой нами программной системы делать запросы как в банк, так и агентство, в соответствии с имеющейся в его базе данных списком (listing) предложений.

Аппаратные устройства представляются узлами (nodes). Каждая программная компонента связана с некоторым узлом и представляется на диаграмме в виде прямоугольника с двойной петлей в верхнем левом углу. Отдельным значком (кружок) выделен интерфейс – набор сервисных функций (возможностей поддержки) предоставляемых соотвествующимим системами клиенту.

Концептуальное понимание термина прозрачно. Клиент не может знать сложное внутренное устройство систем (хотя и должен знать, что оно сложно и потому ценить труд разработчиков). Больше того. Не будучи высоквалифицированным специалистом, он не должен вмешиваться в их функционирование – причем даже тогда, когда для этого есть физическая возможность . Это дает косвенное определение моральных ограничений, честного клиента и попросту – культурного человека . Не хакера.

Однако, для нормального функционирования всей системы он вправе получить доступ к интерфейсу – описание которого ему, скорее всего, известно лишь в форме инструкции пользователя в неформальном текстовом или графическом виде, т.е. на обычном человеческом языке. Проще говоря, кто-то все-таки должен ему обяснить азы - «что, как и почему».

По сути единственным существенным нововедением здесь является специальное обозначение символа для интерфейса , рассматриваемого отдельно от его программной или физической реализации (см. обсуждение выше). По всей видимости, Unified Modelling Language еще нуждается в дальнейшей унификации. Что ж, все люди – люди, в том числе и создатели языков моделирования.

Но закончить наш обзор UML я хотел бы не этим – но обращением к читателю.

1. Концептуализация системы: идея приложения – игра на развитие памяти.

2. Аналитическая модель – это точное, четкое представление задачи, позволяющее отвечать на вопросы и строить решения.

3. Проектная модель – это реализация решений задач, понятых на этапе анализа.

Краткое описание игры : на экране появляются фигуры различной формы и цвета, игрок щелкает по последней появившейся фигуре, если выбор сделан правильно, то появляется новая фигура. Суть игры - в том, что чем больше фигур на экране, тем труднее определиться с выбором.

Сложность. Игра должна поддерживать стандартные варианты сложности (например, легкий, средний, трудный). Пользователь должен иметь возможность настроить свою сложность игры.

Уровни. Вне зависимости от типа сложности игра должна поддерживать уровни. Уровень определяет максимальное количество фигур на экране. Т.е. количество фигур – это функция от уровня.

Подсказки. В случае затруднения выбора фигуры игрок может выбрать подсказку.

База данных. По возможности в системе должна храниться информация об игроках.

Дополнительные требования. Необходимо все делать так, чтобы игра была масштабируемой, т.е. пользователь мог подключать к своей игре различные варианты сложности.

Воспользуемся итерационным подходом по разработке приложения. На первой итерации реализуем только небольшую часть требований, так как это обеспечит наиболее раннюю обратную связь.

Модель вариантов использования, прецедентов

Рассмотрим прецеденты Игра и Настройка сложности.

Основными артефактами при моделировании прецедентов являются диаграммы прецедентов, прецеденты, диаграммы последовательностей прецедентов. Многие новички в области ООА/П при моделировании прецедентов делают акцент лишь на диаграммах прецедентов, что по своей сути не приносит существенной пользы. Необходимо понимать, что диаграммы отображают лишь имена , названия прецедентов , а не сами прецеденты.

Рисунок 1. Диаграмма прецедентов

Напомним, что прецедент – это рассказ об использовании системы действующим лицом, который в дальнейшем можно для большей наглядности спроектировать в диаграммы последовательностей прецедентов.

Идентификация действующих лиц. Единственным действующим лицо является Игрок. Игрок не является частью системы, потому как система не может управлять его действиями, мы может ожидать только некоторую последовательность действий от игрока.

Идентификация начальных событий. Определим, какие события инициируют прецеденты Игра и Настройка сложности . В данном случае начальным событием является запрос соответствующих услуг, предоставляемых системой.

Идентификация конечных событий. Также следует определить конечные события. Для прецедента Настройка сложности таковым будет установка параметров сложности игры, здесь все понятно. Для прецедента Игра ситуация иная: вариант использования Игра может продолжаться до тех пор, пока игра не будет выиграна или проиграна. Конечным событием прецедента Игра выберем событие, когда игроку надоест данный сервис, т.е. выход из игры.

Предварительные рекомендации : в качестве прецедентов следует выбирать только полные транзакции, несущие смысл для пользователя системы. Хотя ведущие методологи уже определили стиль написания прецедентов, это вовсе не означает, что мы должны строго следовать ему (или не следовать лишь по причине несогласия). Не забудем, что прецеденты отвечают на вопрос “что”, а не на вопрос “как”, т.е. не надо в прецеденте описывать каким образом достигается тот или иной результат.

Прецедент Игра.

Прецедент Настройка сложности.

Многим коллегам может показаться абсурдность моделирования такой маленькой задачи. Но в том-то и прелесть, что маленький пример лишь иллюстрирует принципы, не отвлекая нас от самих принципов, рассматриваемого в данном пособии. Иначе, увлекшись самой игрой (предметной областью) можно забыть, то зачем мы здесь сегодня собрались.

Теперь спроектируем прецеденты в диаграммы последовательностей прецедентов. Хотя в UML и нет такого понятия, оно позволит нам воссоздать некое логическое звено в рассуждениях по построению моделей.

Рисунок 2. Диаграмма последовательностей прецедента Игра

Рисунок 3. Диаграмма последовательностей прецедента Настройка сложности

Анализ приложения

В анализе предметной области нет необходимости, потому как, приложение не имеет аналогов в реальном мире. Проведем анализ приложения: выделим аспекты программного приложения, видимые пользователю и отражающие его точку зрения. Но анализ предметной области можно провести по аналогичной схеме.

Модель классов приложения.

Одним из артефактов анализа приложения являются диаграммы классов приложения. Это означает, что в моделях нежелательно отображать классы, относящиеся к уровню реализации (списки, деревья и т.п. абстрактные типы данных).

Классы. В качестве источника потенциальных классов выделим прецеденты, но это не единственный источник. Обычно классы соответствуют существительным. Например, из предложения – система (экран) отображает фигуру, можно отобрать потенциальные классы Система (экран), Фигура.

Проблема: одна часть речи может плавно перетекать в другую. Не стоит долго мучиться над вопросом соотношения ключевых слов со списком потенциальных классов. Модели классов будут уточняться со временем, и абсолютно корректную модель построить сразу, чаще всего, невозможно. Хотя это и не означает, что это бесполезное занятие.

Выбираем потенциальные классы для нашего примера: игрок, игра, фигура, сложность, уровень, эллипс, прямоугольник.

Замечание: вообще говоря, для каждого прецедента обычно приходится строить свою модель классов. Но так как приложение небольшое, то построим единую модель классов для обоих прецедентов.

Свойства. Определим свойства классов. Свойства – это такие концепции, которые не обладают собственной индивидуальностью. В данном случае, например, цвет фигуры (но если бы мы строили графический редактор, то цвет, скорее всего, обладал бы такой индивидуальностью). Такие свойства можно найти в списке потенциальных классов.

Типичной ошибкой при выделении свойств является запись в свойства классов объектов, которые представляют собой сложные объекты. Например, можно в качестве свойства класса игра указать сложность, но класс сложность обладает своим уникальным поведением, для него важна индивидуальность, поэтому эти два класса лучше связать между собой посредством ассоциации.

Замечание : если вы строите модель приложения или предметной области, то также не стоит указывать в качестве свойств внутренний идентификатор. Такого рода атрибут не имеет значения в реальном мире, а приносит лишь удобство для реализации.

Ассоциации. Далее между выбранными классами установим связи – ассоциации. Связи можно извлечь из тех же прецедентов, глаголы – это потенциальные связи. Иначе говоря – как и ранее - проблема понимания слов естественного языка в том или ином качестве остается.

Например, игра определяется сложностью.

Рисунок 4. Диаграмма классов приложения

На диаграмме присутствуют две ассоциации - игра определяется сложностью , фигура определяется сложностью .

Зная шаблон проектирования Низкое связывание , вижу потенциальную ошибку, что одна из этих ассоциаций лишняя, но какая именно - решу на этапе проектирования.

Операции. При моделировании классов сразу можно выделить наиболее очевидные операции. Например, фигуру можно прорисовать.

Рекомендация: вообще говоря, диаграмма классов строится параллельно с диаграммой взаимодействия, на диаграмме взаимодействия отображаются сообщения, посылаемые между объектами. Сообщение – это вызов функции класса. Так что операции классов лучше брать из диаграмм взаимодействия.

Обобщения. Далее организуем структуру иерархии классов по наследованию путем выявления общей структуры. Общую структуру можно выделить у классов Эллипс, Прямоугольник и т.д. в класс Фигура . К такому обобщению можно прийти из двух соображений. Обобщение снизу вверх: в суперклассе Фигура должны быть определены общие черты для классов Эллипс, Прямоугольник (координаты, цвет, время жизни). Конкретизация сверху вниз: выделим из описания игры именные группы, состоящие из различных обстоятельств с указанным существительным. Например, «фигура прямоугольник» или «фигура эллипс».

Рисунок 5. Диаграмма классов приложения с обобщением

Замечание: возможно, это обобщение даст в дальнейшем точку расширения типов фигур, отображаемых на экране.

Резюме: модели классов полезны не только для определения структур данных. Прослеживание моделей классов позволяет выразить некоторые виды поведения, т.е. прецеденты.

Модель состояний приложения

Еще одним артефактом этапа анализа приложения являются диаграммы состояний. Диаграммы состояний требуются для объектов предметной области, которые имеют нетривиальное, в том числе циклическое поведение. Большинство же классов в нашем случае не требует использования диаграмм состояний, для их описания достаточно списка операций. Например, таковым является класс Фигура - для данного приложения неважно, в каком состоянии находиться фигура.

Выделим классы, обладающие разными состояниями. Таковым, например, является класс Игра . Этот класс может находиться в состояниях Игры, Победы и т.д.

Выделим состояния класса Игры . Для этого мысленно представим себе объект класса Игра, пытаясь понять различия этого объекта в состояниях Игра, Победа, Проигрыш . В состоянии Игра объект прорисовывает фигуру, а в остальных состояниях – нет. Иначе говоря, ассоциация между классами Игра и Фигура присутствует в состоянии Игра , а в состояниях Победа и Проигрыш эта ассоциация отсутствует (тем самым состояния Победа и Проигрыш для меня неотличимы).

По причине маленького масштаба примера, может показаться, что нет необходимости в данных моделях. На практике в таком случае можно отнести их к программной реализации, но здесь возникает желание привести пример моделирования диаграммы состояний.

Выделение событий. После выделения состояний необходимо выделить события, которые вызывают переход между состояниями.

· Событие сигнала – это событие получения или отправки сигнала.

· Событие изменения – это событие, вызванное выполнением логического выражения.

· Событие времени – это событие, вызванное достижения момента абсолютного времени или истечением временного интервала.

Событие изменения Выполнение условий игры переводит объект класса Игра из состояния Игры в состояние Победа . Событие изменения Невыполнение условий игры переводит объект класса Игра из состояния Игры в состояние Проигрыш . Тем самым разные события приводят объект в разные состояния.

Событие – это точки на линии времени, а состояния – это интервалы.

Рисунок 6. Диаграмма состояний для класса Игра

Внутри состояний также могут происходить события, но эти события не вызывают переходов между состояниями. Например, в состоянии Игра происходят события прорисовки фигур, события выбора игроком фигуры.

Диаграмма состояний объекта – это автомат (граф), вершинами которого являются состояния, а ребрами – события.

Резюме: на этом мы заканчиваем процесс проведения анализа предметной области приложения. После этого следует еще раз пересмотреть полученные модели, подкорректировать при необходимости. Основная цель анализа – определение проблемы, не давая особых преимуществ какому-либо варианту реализации.

Проектирование приложения

Проектирование системы – это выбор высокоуровневой стратегии решения задач.

Модель взаимодействий приложения

Вернемся к прецедентам, потому как модели взаимодействий строятся на модели прецедентов. Артефакт диаграммы последовательностей прецедентов отвечали на вопрос “что”, в данном разделе построим диаграммы последовательностей, отвечающие на вопрос “как” при решении задач варианта использования Игра.

Обратимся к сценарию прецедента Игра, инициализация которого происходит после события запуска этого сервиса Игроком.

Инициализация игры. Согласно шаблонам проектирования необходим класс-контроллер, который будет принимать на себя “огонь” событий от пользователя. Пусть класс Игра отвечает за запуск игры.

Создание фигуры включает в себя последовательность действий: случайное определение параметров будущей фигуры и создание фигуры согласно параметрам.

Определение значений атрибутов будущей фигуры. Так как фигура определяется атрибутами (тип, цвет, положение), а значения атрибутов должны быть случайны, то необходим класс, который будет отвечать за случайное образование значений атрибутов – класс Алгоритм . Значения атрибутов зависят от сложности игры. Иначе говоря, здесь мы замечаем связывание классов Алгоритм и Сложность - т.е. значения атрибутов есть функция от Сложности. Тем самым Сложность передается классу Алгоритм в качестве параметра. Значит, Сложность надо передать в качестве параметра при запуске игры.

Создание фигуры. Параметры будущей фигуры определены, но какой класс будет отвечать за создание фигуры? Здесь применим шаблон проектирования Creator, согласно которому создавать будет тот класс, который обладает большей информацией об объекте, таковым является класс Алгоритм. Класс Алгоритм возвратит классу Игра положение новой фигуры. После создания фигуры класс переходит в режим ожидания выбора пользователем фигуры.

Выбор фигуры. Обработку этого события примет на себя класс-контроллер Игра. Проверку верности выбора фигуры игроком производи сам класс-контроллер, так как он обладает всей информацией для этого. Если Игрок сделал верный выбор, то система опять прорисовывает новую фигуру, иначе игра переходит в состояние Проигрыша.

Рисунок 7. Диаграмма последовательностей прецедента Игра

Резюме: не все со мной могут согласиться при принятом здесь подходе к анализу и проектированию данной конкретной системы. Вообще говоря, он отражает достаточно субъективный взгляд на вещи.

ПОСЛЕСЛОВИЕ ДЛЯ ХАКЕРОВ. ОСНОВНОЙ РЕСУРС.

Конечно, не все из сказанного выше было для тебя на 100% ясно и на 100% полезно - в смысле 100% готовности завтра же приступить к разработке сложных программных систем 100% надежности. Вроде так актуальных сегодня систем задач 100% защиты информации «от где-то спрятавшихся злобных хакеров». Я не верю, что стопроцентные гарантии здесь возможны - и нужны вообще. Во всяком случае, эта скромная методичка не ставила перед собой недостижимых целей. Это всего лишь инструкция для еще не квалифицированного пользователя (клиента) языка UML . Написанная, по мере возможности, «по-человечески».

Никто не совершенен – ни ты, «клиент образования», ни я, твой «сервер». Ты недоучился или я недоучил, теперь уже поздно искать виноватых. Здесь мы сделали лишь первую итерацию в процессе подготовки. Конечно, для достаточно надежного программирования сложных систем нужно еще углубляться, специализироваться, еще многое знать и уметь. Это ясно. Но данное пособие – о другом. Здесь я хотел сделать не шаг вперед, но шаг назад – показать тебе, что сначала нужно суметь заново понять уже пройденное . Зачастую – недопонятое, пройденное мимо.

Хакер – вовсе не злобный преступник. По крайней мере – изначально. Напротив, хакером называют и энтузиаста программирования. Тогда хакеры - это ты и я. Что ж, без интереса к работе – жизнь скучна. Мы же все-таки люди, не роботы. Все не идеальны, все индивидуальны.

Но все мы поначалу беремся сделать 1) все 2) сразу 3) идеально. И это нормально – пока не сильно касается других, близких и дальних. Момент истины наступает, когда наш идеальный сценарий заканчивается неудачей. Тогда одни начинают учиться работать всерьез, а те, что покруче - искать виноватых. «Недоучили, не так и не тому учили» – в общем, недодали ресурсов. Милый, а ты сам – сильно вкладывался? Не скрыты ли за твоей непоколебимой верой в безграничную мощь собственной интуиции надежда на авось и… обычная лень, нежелание трудиться?

Hack-work – это поденщина, рутинная и халтурная работа, а «крутой хакер» – человек крайне ненадежный. Бесплатно или за хорошие деньги, но если такой возьмется за разработку уже не игрушечных систем – реального вреда будет не меньше, чем от любого «злобного хакера» (как правило – виртуального). Расплачиваться же тогда будут все. Реально. И интересно тогда уже точно никому не будет.

Дело тут не в самих деньгах, договорах и иных артефактах. Это лишь обозначения общественного договора, знаки доверия и договоренностей между людьми. Просто на будущее вещи приходиться фиксировать – чтобы не забыть прошлого. Основной ресурс – ресурс человеческих взаимоотношений. Если не приумножать его, тогда действительно – кому нужна вся эта математика? It’s a deal -договорились?

Я надеюсь, теперь ты лучше понимаешь то, на что и кого именно я делал свой расчет. Вот такая математика…

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гради Буч, Джеймс Рамбо, Ивар Джекобсон – Язык UML. Руководство пользователя. Издательство ДМК Пресс, 2007 г., 496 с. Классика от создателей UML.

2. Крэг Ларман – Применение UML 2.0 и шаблонов проектирования. Издательство Вильямс, 2008 г., 736 с. Отражает доминирующий сегодня инженерный подход к ОО АП.

3. Дж. Рамбо, М. Блаха - UML 2.O. Объектно-ориентированное моделирование и разработка. 2-е изд. - СПб.: Питер, 2007. - 544 с. То же, с чуть более практическим уклоном.

4. Rational University – материалы академической программы корпорации IBM (см. http://www.ibm.com/ru/software/info/students/): Essentials of visual modeling, Fundamentals of Rational Rose. Сокровищница примеров, тестов и лабораторных работ.

Дополнительная литература.

1. Мартин Фаулер. UML. Основы. Издательство Символ-Плюс, 2006 г., 192 с. Краткий справочник.

2. Rational University – материалы академической программы корпорации IBM (см. http://www.ibm.com/ru/software/info/students/): Mastering Object-Oriented Analysis and Design, Managing the Management of Iterative Development и другие.

3. Бертран Мейер. Объектно-ориентирование конструирование программных систем . Издательство Русская редакция 2005 г., 1204 с. Отражает более классический взгляд на современную ситуацию. Требует хорошей математической подготовки.

Дополнительная литература - для преподавателей.

Ф.А. Новиков. Описание практической работы студентов (ЛП) по дисциплине «Анализ и проектирование на UML» - кафедра «Технологии программирования», Санкт‐Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт‐Петербург, 2007

Выше автор ориентировался на индивидуальную подготовку. Но единственный надежный способ практической проверки понимания изложенных выше концепций ОО АП – особенно, «критерия 36.6» - коллективная, командная разработка . Методическая разработка Ф. Новикова дает здесь хороший старт - в виде схемы проведения соответствующих лабораторных работ. Хотя автор лично рекомендовал бы для их выполнения задания игрового характера, не претендующие на серьезность. Например - шахматы, шашки, иные настольные игры.

Впрочем, стоит перечитать Ромео и Джульетту , чтобы понять, что истинный смысл цитаты относиться не к собственно розам. Даже - рациональным или виртуальным. Главная тема трагедии обозначается в самом ее начале: Две равно уважаемых семьи в Вероне, где встречают нас события…

Слушателям данного курса доступны лицензионные программные продукты компаний IBM и Microsoft – для этого достаточно обратиться к преподавателю курса (автору данного пособия)

В рамках, определяемых популярной шуткой. Преподаватель – преподавателю: «Ну и глупые же студенты попались. Объяснял, объяснял – уже сам все понял, а они все никак не поймут!»

Говорят, что Ньютон произнес эту знаменитую фразу в связи с обсуждением распределения академических часов на занятия иностранными языками и математикой.

Согласно учебной программе:(- но смотри послесловие J

Русскоязычная терминология, относящая к рассматриваемым проблемам, еще не вполне устоялась. В случае затруднений с переводом автор – во избежание неоднозначного понимания - использует «кальку». Неточный перевод чужих реалий в свои собственные порождает крайне тяжелые проблемы.

Collaboration – сотрудничество. В русском языке слово коллаборационист имеет негативный смысл, потому чаще говорят о диаграммах коопераций.

Автор главы – Анастасия Сабирзянова. Я внес лишь несущественные стилистические правки – поскольку мне нравиться ее живой и честный стиль изложения процесса разработки. Понятно, при желании она могла бы слукавить… Ведь Анастасия отлично закончила факультет ВМК КГУ и имеет уже достаточно большой опыт практического разработки коммерческих приложений. Впрочем - наверное, именно поэтому и не смогла… Н.Б.

Что верно – при учете необходимости трактовать в таких случаях иные части речи как существительные. Вспомним пример «Авторизация», где мы трактуем операцию авторизовать как процесс. Н.Б.

Ключевые слова : имеется в виду глоссарий – компактный список основных терминов, описывающих предметную область. В остальном - мнение Анастасии хорошо ложиться в концепцию ОО АП. Модель – не только и не столько конечный результат разработки. Это текущий результат понимания проблем, с ней связанных. Отсюда – необходимость и полезность проб. Н.Б.

Не всегда, не абсолютно. Описание предметной области имеет приоритет – по умолчанию , при прочих равных условиях. Но напомним, главной задачей итеративного метода является (более-менее) равномерное продвижение всех видов работ. Внутренний идентификатор – например, первичный ключ таблицы БД - также может быть выбран далеко не случайно, но исходя из задач программной реализации. Можно представить себе крайнюю исключительную ситуацию, когда из-за проблем реализации приходиться ограничивать описание предметной области. Разница – в том, что обоснования требуют единичные исключения, а не общие правила. Н.Б.

Мы не затрагивали в данном пособии крайне полезное понятие шаблона проектирования (к тому же, если честно - я не помню такого шаблона). Пока – до знакомства с ним по литературе (см. например ) читатель здесь и далее может читать его так: «ведущие разработчики с большим опытом рекомендуют создать в данной ситуации следующий класс». Н.Б.

В простых случаях. В общем случае, сообщение ссылается на вызов, и соотношение сообщений и операций приходиться задавать особо. Н.Б.

Равно как и желание предупредить возможные ошибки на более ранней стадии. Н.Б.

Я не случайно выделил выше субъекты действий. В главном, я солидарен с Анастасией в ее понимания сути подхода, выраженном ранее и во введении к примеру. Все разработчики – субъекты, или попросту – люди. Не боги, но и не роботы. А каждый человек имеет свой личный подход к решению проблем, зависящий от теоретической квалификации, практического опыта и многих иных вещей – крайне полезных для понимания проблем, но не предопределяющих однозначно решения. Жизнь сложна – языки просты.

Болезни современного программирования, которую и пытается лечить UML – идут от обратного. Не разобравшись в проблемах, мы часто заранее уверены в однозначности решения. Каждый – своего собственного. Оттого-то зачастую температура «в среднем по больнице» поднимается выше нормальной 36.6 - Н.Б.

Реми Кулом (слева) с компьютерной программой Crazy Stone против гроссмейстера Норимото Ёды

В 1994 году компьютер обыграл чемпиона мира по шашкам, в 1997 году - по шахматам. Сегодня компьютеры превосходят людей абсолютно во всех популярных играх с полной информацией , кроме одной - го.

У классической игры с 2500-летней историей очень простые правила, но компьютерные программы даже близко не могут подобраться к победе над лучшими гроссмейстерами, пишет Wired.

Древнюю игру можно считать «восточной версией шахмат». Как и шахматы, это игра с полной информацией, то есть в любой момент игры все игроки имеют полную информацию о состоянии игры и воздействуют на игру дискретными действиями. Здесь успех не зависит от удачи или скорости реакции.

Несмотря на рост вычислительной мощи компьютеров (чемпион мира по шахматам сегодня, вероятно, проиграет даже вашему домашнему ПК), алгоритмы игры в го на экспертном уровне остаются нерешённой и одной из самых интересных задач ИИ. Проблема ещё и в том, что очень немногие способны подняться до девятого дана в игре. Для этого нужно несколько лет обучаться в Японии или Корее. Там талантливых детей забирают из дома для обучения в академии го примерно с 9 лет.

Продвинутые любители почти всегда застревают на определённом уровне игры и не могут улучшить результат: «Требуется некий ментальный прыжок, чтобы снять эту блокировку, и в разработке программ та же проблема, - объясняет Дэвид Фотлэнд (David Fotland), главный разработчик процессора PA-RISC в компании Hewlett Packard в 70-е годы. Он тестировал программу го на процессоре своей разработки. - Вопрос в том, как оценивать всю доску, а не отдельные фрагменты».

Игра давно пользовалась популярностью не только на востоке, но и на западе, особенно среди математиков и физиков. Например, Эйнштейн частенько играл в го, также как знаменитые математики Джон Нэш и Алан Тьюринг.

Компьютерные программы для го разрабатывают уже 45 лет, этой проблеме уделяли почти столько же внимания, сколько и шахматным программам. Первую написал гений теории игр Альфред Зобрист в 1968 году. Она могла обыграть абсолютного новичка, который только что познакомился с правилами (запись первой игры человек-компьютер). Начало казалось оптимистичным. В следующие четыре десятилетия было потрачено огромное количество времени и интеллектуальных усилий, но даже с учётом прогресса в вычислительной мощности программы так и не смогли одолеть даже продвинутого любителя.

Причину можно понять, если сравнить го с шахматами. В начале шахматной партии у белых есть 20 возможных ходов, а у чёрных - 20 возможных вариантов ответа. После первого хода на доске может быть 400 различных позиций. А теперь сравните цифры в го: на доске 19х19 у чёрных есть 361 возможных начальных ходов, а у белых 360 вариантов ответа. Это означает 129 960 возможных комбинаций только после первого раунда.

Так называемый «фактор ветвления» - среднее количество ходов, доступных в каждом раунде - в шахматах составляет 35, в го - 250. Игры с сильным ветвлением затрудняют работу стандартных алгоритмов, использующих правило минимакса для создания дерева возможных комбинаций. Даже с учётом анализа не всех, а только перспективных ветвлений для более глубокого анализа. То, что работает в шашках и шахматах, не работает в го. Выбор перспективных ветвлений в дереве возможных комбинаций го - часто совершенно таинственный процесс. Даже игроки не понимают, как они это делают: «Просто смотришь на доску и знаешь», говорят они.

Опять же, в шахматах почти всегда можно понять, кто выигрывает, хотя бы по числу фигур. В го ситуацию могут толковать только эксперты.

Среднее количество ходов в игре: в шахматах - около 40, в го - 200. Учитывая фактор ветвления и эту статистику, становится понятным бессилие компьютеров.

Талантливый французский программист Реми Кулом (Rémi Coulom) добился первого успеха с программой Crazy Stone в 2006 году, когда догадался совместить минимакс и метод Монте-Карло. Новый алгоритм расчёта дерева ветвлений он назвал Monte Carlo Tree Search или MCTS. Француз выиграл чемпионат среди компьютерных программ UEC Cup в 2007 и 2008 годах, но это так и не принесло ему известности, и Реми забросил разработку. Но в 2010 году он получил предложение от японского игрового разработчика Unbalance - и в 2011 году вышла первая коммерческая версия Crazy Stone. В 2013 году Реми победно вернулся на чемпионат.

Однако, в 2014 году случилась неудача. В финальном противостоянии против программы Zen зрители поняли, что творится нечто странное уже после третьего хода. Программа Zen, после стандартной постановки двух камней по углам вдруг поставила третий камень около центра. Так никто не играл, это было явно «нечеловеческое» решение. Вскоре уровень победных ожиданий у Crazy Stone вырос до неприлично высоких значений, более 60%. Судя по всему, программа считала безопасной группу камней в правом верхнем углу, хотя она не была безопасной. Поскольку успешная стратегия напрямую зависит от правильной оценки доски, зрители начали шептаться о возможном поражении Crazy Stone. Так оно и вышло: на 186 ходу Crazy Stone признала поражение, а Zen стал новым чемпионом UEC Cup.

Впрочем, у Кулома осталась возможность реванша. Как финалист, он получил право играть против настоящего гроссмейстера-человека с форой в четыре камня. В этом году на турнир приехал Норимото Ёда. Японский гроссмейстер сел за стол в традиционном зелёном кимоно. Реми Кулом - в очках без оправы и синем свитере, в которых был и на прошлом чемпионате.

— В некотором смысле, показывая человеку круговую диаграмму, вы можете оскорбить его интеллектуальные способности

К. Г. Карстен, «Диаграммы и графики» (1923)

Первые негативные выпады в сторону круговых (секторных) диаграмм начались более 100 лет назад. В 1914 году инженер и сторонник визуализации, Виллард Бринтон (Willard Brinton), опубликовал работу под названием «Графические методы», которую принято считать первой книгой о правильной визуализации данных для широкой аудитории. Он был Эдвардом Тафтом своего времени: пропагандистом наглядного обмена информацией и памфлетистом плохих форм.

Значительная часть книги Бринтона предостерегает читателей от использования круговых диаграмм (pie chart). В самой первой главе, описывая «составные элементы», автор объясняет:

«Круговая диаграмма, вероятно, используется гораздо чаще, чем любая другая форма, для демонстрации пропорций элементов. Однако, круг с секторами — это далеко не оптимальная форма, поскольку он и близко не обладает такой же выразительностью, как столбиковые диаграммы. Недостатком секторного представления является невозможность размещения частей таким образом, чтобы их можно было легко сравнить или просуммировать».

С тех пор, как Бринтон написал эти слова, многие статистики и эксперты в области визуализации выступили против секторных диаграмм и настаивали на использовании различных альтернатив. Хотя изначально в своих суждениях критики апеллировали к логике, за последние 40 лет они отыскали экспериментальные доказательства, которые указывают на неполноценность таких диаграмм в плане точности передачи информации.

Тем не менее, круговые диаграммы остаются весьма востребованными. Крупные издательства и медиа-корпорации, например, The Walt Street Journal и Target Corporation, до сих пор используют их, чтобы отображать свои данные. Кроме того, некоторые веб-ресурсы также задействуют этот довольно спорный графический метод.

Чтобы понять суть проблемы, вернемся к ее истокам и рассмотрим аргументы сторонников и критиков секторных диаграмм.

История возникновения

Отцом современной визуализации данных можно по праву назвать Уильяма Плейфэра (William Playfair). Он родился в Шотландии в 1759 году и вел очень увлекательный образ жизни. Плейфэр принимал участие во взятии Бастилии, внес свой вклад в развитие телеграфа и, конечно же, опубликовал первую круговую диаграмму. Он также является создателем столбиковой и линейной диаграмм.

Круговая диаграмма является одной из многих инноваций шотландского «мошенника» Уильяма Плейфэра

На рубеже XVIII века, использование иллюстраций в серьезной интеллектуальной литературе считалось слишком детским подходом. Но, как свободно мыслящего человека, Плейфэра это не остановило.

В 1801 году он опубликовал «Статистический Бревиарий» (Statistical Breviary) — книгу, посвященную демографическим и экономическим данным европейских государств. В этой работе, которая содержала первую круговую диаграмму, Плейфэр аргументирует ценность использования графических элементов: «Создание визуального образа для наших глаз при сохранении всех пропорций и размеров — это наиболее оптимальный и читабельный способ выражения определенной идеи».

Секторная диаграмма, опубликованная на страницах «Статистического Бревиария», показана ниже. На ней изображены доли земельных участков Турецкой Империи, расположенных в Азии, Африке и Европе тех времен. Этот рисунок принято считать первой круговой диаграммой, где идея о целом была представлена в виде круга, а для различия секторов использовался цвет.

Распределение площади Турецкой Империи является первой известной секторной диаграммой

Но как Плейфэр пришел к такой идее?

Некоторые эксперты считают, что секторная диаграмма обязана своим появлением кругам, которые использовались для представления понятий в философии и математике. Брат Плейфэра, Джон, был уважаемым математиком и ученым. Вполне вероятно, что Уильям увидел разделенный круг, изображающий составные части категории, в одной из его работ. Математики и философы применяют этот тип иллюстрации еще с XIV века.

Пример использования круга для представления составных частей в XIV веке

Секторная диаграмма, впрочем как и другие инновации Плейфэра, обрела широкое распространение не сразу. В то время Уильяма считали «мошенником» и нечистым на руку бизнесменом, поэтому, как правило, его идеи игнорировались.

Так продолжалось до 1850-х годов, пока круговая диаграмма не обрела еще одного важного сторонника — французского инженера Чарльза Джозефа-Минарда (Charles Joseph-Minard), который подтвердил эффективность данного метода. Минард был «пионером» статистических графиков и, по мнению многих, создателем самых гениальных методик визуализации данных.

Будучи в первую очередь картографом, Минард дополнил круговыми диаграммами свои карты. На размещенном ниже примере он изобразил в виде таких диаграмм количество мяса, поставляемого в парижские магазины из различных регионов Франции. Размер круга представляет общее количество мяса, и каждый круг разделен пропорционально на доли баранины, телятины и говядины:

Карта, созданная пионером визуализации данных Чарльзом Джозефом-Минардом в 1858 году, с использованием круговых диаграмм

Изобретение секторной диаграммы иногда ошибочно приписывают легендарной британской медсестре и общественному деятелю Флоренс Найтингейл (Florence Nightingale). В 1858 году она распределила причины смертности британских солдат в Крымской войне по месяцам. Флоренс использовала эту диаграмму, чтобы убедить правительство Великобритании улучшить санитарные условия и питание в военных лагерях.

Несмотря на то, что ее чертеж смотрится очень мощно и убедительно, на самом деле он не является круговой диаграммой. Это так называемая областная диаграмма (polar-area chart), в которой круг делится на ровные части, но их длина зависит от величины переменной:

Областная диаграмма Флоренс Найтингейл, которую часто путают с круговой диаграммой

Критика в адрес круговой диаграммы

Первые сто лет истории круговой диаграммы были мирным временем, но буря уже надвигалась. Слова Бринтона, которые мы цитировали в начале поста, являются самым ранним примером критики в сторону данной инновации, но к 1920 году в мире появилось еще больше литературы, резко осуждающий этот метод.

В 1923 году американский экономист Карл Густав Карстен (Karl G. Karsten) согласился с предупреждением Бринтона касательно секторных диаграмм. Заявления Карстена в его книге «Диаграммы и графики» (Charts and Graphs) удивительно похожи на те, что мы слышим сегодня:

«У секторной диаграммы очень много недостатков. Во-первых, человеческий глаз не может нормально сравнить длину дуги окружности, поскольку секторы направлены в различные стороны. Во-вторых, человеческое зрение не приспособлено к сравнению углов в принципе…

Наконец, невозможно эффективно оценить величину областей, особенно если они представлены в виде неравномерных секторов в круге. Не существует способа, который бы позволял сравнивать компоненты круглой фигуры так же быстро и точно, как части прямой линии или столбца»

Однако, хотя подобные выпады звучали все чаще, статистик Вальтер Кросби Иллс (Walter Crosby Eells) отметил, что многие критические замечания основываются «исключительно на личных предпочтениях». Иллс и другие решили проверить это предположение.

Ранние исследования в этой области были направлены на то, чтобы выяснить, пропорции какой разделенной фигуры — круга или столбца — люди определяют более точно. В ходе эксперимента 1927 года, проведенного Фредериком Крокстоном (Frederick Croxton) и Роем Страйкером (Roy Stryker), ученые попросили более 800 испытуемых угадать пропорции каждого компонента различных сегментированных фигур:

В данном случае пропорции практически идентичны.

Исследователи рассчитали среднюю погрешность предположений респондентов, но в этом эксперименте и многих других экспериментах ученым так и не удалось отыскать серьезных доводов, дискредитирующих круговые диаграммы. Сторонники данного типа визуализации до сих пор используют результаты проведенных в 1927 году исследований, чтобы аргументировать свою точку зрения.

Тем не менее, как отметил ученый Майкл Макдональд-Росс (Michael Macdonald-Ross) в обширном обзоре «Конфронтации круга и столбца», эти первоначальные эксперименты на самом деле не отображают реальное положение вещей. Несмотря на то, что сегментированный столбец в то время считался основной альтернативой кругу, сегодня специалисты практически всегда предлагают использовать гистограммы или точечные диаграммы.

Основной и, возможно, наиболее мощный удар по секторным диаграммам пришелся на 1980-е года, благодаря усилиям статистика Уильяма Кливленда (William Cleveland). Кливленд является автором новаторской книги «Элементы графических данных», в результате которой, как многие считают, визуализация данных обрела научную основу. Его работа не только описывает базовые «задачи восприятия», решаемые при просмотре диаграммы (например, суждения касаемо длины или площади), но и утверждает, с какими из них люди справляются лучше всего.

В эксперименте, проведенном в 1984 году, Кливленд и его друг, исследователь Роберт МакГилл (Robet McGill) тестировали круговую диаграмму. Вместо того, чтобы сравнивать ее с сегментированным столбцом, они сопоставили разделенный на части круг с его истинным конкурентом — гистограммой:.

В эксперименте Кливленда задачей восприятия гистограммы было определение позиции на шкале, а при просмотре круговых диаграмм — угол сегмента. Ученые обнаружили, что гипотез на счет высоты столбцов гистограммы были в 1,96 раз точнее, чем суждения, касающиеся угла. Кливленд отметил: «Круговые диаграммы не обеспечивают эффективную передачу информацию о разнице значений».

После этого, статистик Наоми Роббинс (Naomi Robbins) проводила исследования, чтобы понять, почему мы так плохо определяем углы. В книге «Создание более эффективных графиков» (Creating More Effective Graphs) она пишет, что, как правило, люди склонны недооценивать острые углы и переоценивать тупые. Роббинс также утверждает, что сегменты круга, направленные в стороны, кажутся большими, чем те, что размещены вверху или внизу.

Это исследование подбодрило ярых противников секторных диаграмм, к которым относятся и сегодняшние ведущие специалисты в области визуализации данных — Эдвард Тафт (Edward Tuft) и Стивен Фью (Spethen Few). Тафт пишет: «Таблица практически всегда лучше, чем дурацкая круговая диаграмма, а Фью добавляет: «Пироги можете оставить на десерт» (pie — пирог по-английски).

Кроме того, круговые диаграммы постоянно высмеиваются популярными СМИ, например, в Washington Post, и в New York Times:

Круговая диаграмма, демонстрирующая эффективность круговой диаграммы

Тем не менее, у этого инструмента есть и свои защитники.

Доводы в защиту круговой диаграммы

По мнению многих пользователей, основным преимуществом круговой диаграммы является то, что все сегменты выглядят частью чего-то целого. К примеру, рассматривая график населения страны, распределенного по возрастным группам, зритель понимает, что представленные данные касаются всех людей, проживающих в этой стране. Это допущение не будет столь очевидным в случае с гистограммами.

Некоторые ученые также оспаривают эмпирическую литературу, которая резко критикует секторные диаграммы. Пожалуй, ни один человек не потратил больше времени на поиск аргументов в пользу этих диаграмм, чем психолог Ян Спенс (Ian Spence). В своей книге «Возникновение и использование статистических диаграмм (No Humble Pie: The Origins and Usage of a Statistical Chart) он активно защищает этот осуждаемый многими визуальный элемент.

Спенс утверждает, что исследования восприятия «пирожковых» диаграмм плохо проработаны. Он считает работу Кливленда ошибочной, поскольку в ней испытуемых просят сравнить размеры отдельных сегментов круга, а не оценить величину сегмента по отношению к целой фигуре. По его мнению, круговые диаграммы чаще используются для второй цели. Ссылаясь на другое исследование 1987 года, Спенс заявляет, что в этом плане секторные диаграммы и сегментированные столбцы абсолютно идентичны. Он пишет:

«На мой взгляд, чаще всего круговые диаграммы критиковали люди, которые хотели сделать больше, чем могли на самом деле. Секторная диаграмма — это простой информационный график, и его основное назначение заключается в демонстрации связи между сегментом и целой фигурой»

Исследование 2013 года о толковании человеком круговых диаграмм и столбцов дало сторонникам «пирогов» еще больше аргументов. В ходе эксперимента, проведенного Университетом Тафтса для измерения психической энергии, требуемой при просмотре различных графиков, использовалась около инфра-красная спектроскопия. Авторы обнаружили, что круговые диаграммы оцениваются не менее точно и что среднестатистический человек не считает их изучение более утомительным, чем просмотр гистограмм.

Однако, критикуя данное исследование, Стивен Фью утверждает, что заявления, сделанные психологами, ошибочны и безответственны. Эксперимент проверял способность людей делать гипотезы касаемо отдельных диаграмм (круговой и столбиковой), а не одной и той же. По словам Фью, на самом деле, глядя на эти графики, респонденты должны были действовать не совсем так, поэтому данная работа не имеет большого значения.

Другие считают, что секторная диаграмма может быть полезной, когда она используется редко и в эстетических целях. Нейтан Яу (Nathan Yau) из Flowing Datapoints говорит, что даже если предположения об углах в круговой диаграмме не так точны, как в других случаях, это не особо важно, ведь на практике выдвигать такие допущения не нужно практически никогда (в частности, когда на чертеже изображено только два или три значения). При определенных обстоятельствах, круговую диаграмму выбрать даже лучше, чисто из дизайнерских соображений:

Эта диаграмма не очень информативна с точки зрения представления данных, но она красива и оригинальна (Sky — небо, Sunny side of pyramid — солнечная сторона пирамиды, Shady side of pyramid — теневая сторона пирамиды)

Вместо заключения

Даже после столетних споров об их полезности, круговые диаграммы никуда не делись. На защиту (как и на критику) этого визуального инструмента представления данных было затрачено много энергии, при этом ученым так и не удалось объяснить привлекательность данной фигуры. Возможно, она связана с тем, что это первый тип диаграмм, с которыми люди сталкиваются еще в школе, или же нам попросту нравятся круги. А может, стоит винить Microsoft за то, что они добавили секторные диаграммы в Excel.

Так или иначе, по мере увеличения роли информации и цифровых данных в современной жизни, их грамотная визуализация требует все больше внимания. Многие уже выступают за то, чтобы статистика стала обязательной дисциплиной для изучения в старших классах. Как знать, возможно, благодаря более широкому использованию гистограмм и других графических методик, круговые диаграммы наконец утратят свою актуальность. Или нет.