SOFTWARETECHNIK. Kapitel 2 Modellierungskonzepte

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1 SOFTWARETECHNIK Kapitel 2 Modellierungskonzepte Vorlesung im Wintersemester 2012/13 FG System- und Software-Engineering Prof. Dr.-Ing. Armin Zimmermann

2 Inhalt Einführung Klassische Modelle Objektorientierung Unified Modeling Language Modellierung 2

3 Einführung Wie beschreibt man Software und Systeme? Zweck: Dokumentation, Kommunikation, Spezifikation, Vertragsabschluss, Ausschreibung, Was wird beschrieben? Struktur Schnittstellen Funktionen Anforderungen Abläufe Begriffsbedeutungen Arbeitsschritte Modellierung 3

4 Einführung Wie beschreibt man Software und Systeme? Arten der Beschreibung Gespräch, Interview Text, Prosa Strukturierter Text Tabelle Semi-formales Modell Formales Modell Modellierung 4

5 Einführung Modell ist eine Abstraktion eines Systems mit der Zielsetzung, das Nachdenken über ein System zu vereinfachen, indem irrelevante Details ausgelassen werden [Brügge] Beschreibung eines Ausschnitts der Realität Abstrahiert von Unwichtigen inneren Details Unwichtigen äußeren Einflüssen Verfolgt einen Zweck für eine Anwendung Diese bestimmen, was und wie im Modell beschrieben wird Gutes Modell daher nur für einen Zweck bestimmbar Fragestellung am Anfang genau bestimmen Modellierung 5

6 Einführung Modelle Modellierung 6

7 Einführung Modellieren Abbilden signifikanter Eigenschaften So genau wie nötig Abstraktionsniveau, Modellart Deskriptiv / Präskriptiv Sichtweisen auf ein System Struktur, Verhalten, Zustand, Interaktion, Test, Rolle, heißt Weglassen setzt Verstehen voraus ist nicht automatisierbar Modellierung 7

8 Einführung Einsatz von Modellen in der SW-Entwicklung Analysemodell Entwurfsmodell wesentliche Entwurfsentscheidungen, Softwarestruktur,.. Implementierung (-smodell) Vorgehensmodell Produktmodell Beschreibung der im Projekt entstehenden Artefakte und ihrer Zusammenhänge nach Rumpe Modellierung 8

9 Einführung Modelle für Funktionen: Funktionsbaum, Datenflussdiagramm Daten: Entity Relationship Diagram Algorithmen: Pseudocode, Programmablaufplan, Struktogramm, Entscheidungstabelle, Regeln Systemumgebung: Datenflussdiagramm Dynamisches Verhalten: Zustandsautomat, Sequenzdiagramm, Petri-Netz (ggf. mit Zeitmodell) Objektorientierte Modelle (später) Modellierung 9

10 Einführung Entwicklung Quelle: Rumpe Modellierung 10

11 Inhalt Einführung Klassische Modelle Objektorientierung Unified Modeling Language Modellierung 11

12 Klassische Modelle Funktionale Sicht Funktionsbaum: Hierarchische Dekomposition der Fkt. Beispiel: Abonnement-Verwaltung Quelle: Jackisch Modellierung 12

13 Klassische Modelle Data Dictionary Verzeichnis von Daten mit Strukturinformation Backus-Naur-Form, kontextfreie Grammatik Modellierung 13

14 Klassische Modelle Datenmodellierung System als statische Datenstruktur, Datenbanken-Sicht Zerlegung in Komponenten Quelle: Uni Trier Modellierung 14

15 Klassische Modelle Entity-Relationship-Model Daten und ihre Beziehungen Quelle: Rumpe Modellierung 15

16 Klassische Modelle Datenflussdiagramm data flow diagram DFD [De Marco 1979] Fluss und Transformation von Daten zwischen Funktionen, Speichern und Schnittstellen kein Kontrollfluss Quelle: Riedling Modellierung 16

17 Klassische Modelle Flussdiagramm flow chart Hier: Geschäftsprozess mit Vorgängen und Dokumenten Quelle: orghandbuch.de, BMI Modellierung 17

18 Klassische Modelle Blockschaltbild Eingebettetes System, HW/SW Modellierung 18

19 Klassische Modelle Entscheidungstabellen Regelbasierte Beschreibung Bedingungen Aktionen Reduktionsregeln Quelle: orghandbuch.de, BMI Modellierung 19

20 Klassische Modelle Pseudocode Von Programmiersprache abstrahierende, detaillierte Beschreibung eines Algorithmus Modellierung 20

21 Klassische Modelle Programmablaufplan (PAP) Grafische Beschreibung des Kontrollflusses Unstrukturiert, GOTO Modellierung 21

22 Klassische Modelle Struktogramm Nassi- Shneiderman- Diagram Keine Sprünge daten, teiler+1, rechts) Quelle: Wikipedia Modellierung 22

23 Klassische Modelle Modellierung dynamischen Verhaltens Diskrete Zustände und atomare Zustandsübergänge Modellierung 23

24 Klassische Modelle Zustandsautomat Verhalten mit Zuständen und -übergängen Automatenmodelle und -theorie Ggf. Zerlegung oder kommunizierende Automaten Quelle: Rumpe Modellierung 24

25 Klassische Modelle Ereignisgesteuerte Prozesskette (EPK) Geschäftsprozesse BPM Quelle: Krallmann Modellierung 25

26 Klassische Modelle Petri-Netz Grafische Beschreibung von Nebenläufigkeit und Synchronisation Prozess1 erzeugen ablegen FreiePufferplätze N PufferplätzeMitDaten verarbeiten Prozess2 abholen Modellierung 26

27 Inhalt Einführung Klassische Modelle Objektorientierung Unified Modeling Language Modellierung 27

28 Objektorientierung Grundprinzipien der Programmierung Imperative Programmierung von-neumann-modell Prozedural, strukturiert (C, Pascal) Modular (Modula2, Ada83) Objektorientiert (C++, Ada95, Java) Deklarative Programmierung Funktional (Lisp) Logisch (Prolog) Datenfluss (Linda) Modellierung 28

29 Objektorientierung Entwicklungsrichtung Bessere Strukturierung für komplexe Zusammenhänge Abstraktere Sichtweise Grundprinzip: Zerlegung Horizontal: Teilsysteme, Module Vertikal: Schichten Voraussetzung: Schnittstellen, Kapselung Nutze fertige Teillösungen (Wiederverwendung, patterns) Behandle konzeptionell gleiche Dinge gleich Teile und herrsche! Modellierung 29

30 Objektorientierung Objekte Analyse: als Modell realer Gegenstände Entwurf: als Beschreibungsmittel für die Software-Lösung Identität: IK-U5 Zustand: 5km/h Verhalten: Anhalten Eigenschaft: Geschwindigkeit Modellierung 30

31 Objektorientierung Objekte Ein System besteht aus vielen Objekten Ein Objekt hat ein definiertes Verhalten Menge genau definierter Operationen Operation wird beim Empfang einer Nachricht ausgeführt Ein Objekt hat einen inneren Zustand Zustand des Objekts ist Privatsache Resultat einer Operation hängt vom aktuellen Zustand ab Ein Objekt hat eine eindeutige Identität Identität ist unabhängig von anderen Eigenschaften Es können mehrere verschiedene Objekte mit identischem Verhalten und identischem inneren Zustand im gleichen System existieren Quelle: Rumpe Modellierung 31

32 Objektorientierung Klasse Gleichartige Objekte mit ggf. verschiedenen Zuständen Auto Klasse Objekte Modellierung 32

33 Objektorientierung Klasse Verhaltensschema Operationen Innere Struktur Attribute Klasse Auto Auto Farbe Geschwindigkeit Anhalten() Losfahren() Objekt IK-U5 IK-U5: Auto << instanceof >> Farbe = orange Geschwindigkeit = 5 Modellierung 33

34 Objektorientierung Klasse und Objekt Auto Farbe Geschwindigkeit Anhalten() Losfahren() class Auto { private String Farbe; private float Geschwindigkeit; public void Anhalten() { Geschwindigkeit = 0; } } << instanceof >> IK-U5: Auto Farbe = orange Geschwindigkeit = 5 Auto ik_u5; ik_u5 = new Auto(); ik_u5.anhalten(); Modellierung 34

35 Objektorientierung Beziehungen zwischen Klassen Vererbung (Generalisierung, Spezialisierung) Polymorphie Fahrzeug Auto Fahrrad Rennwagen PKW Modellierung 35

36 Objektorientierung Beziehungen zwischen Klassen Assoziationen, Multiplizität, Rollen Navigation (Entwurf) Bilder: Brügge/Dutoit Modellierung 36

37 Objektorientierung Beziehungen zwischen Klassen Aggregation Quelle: Brügge/Dutoit Komposition: Teile existieren nicht unabhängig Modellierung 37

38 Objektorientierung Vorteile der Objektorientierung Zuständigkeitsbereiche Daten, Operationen und Zustand: lokal und gekapselt Klare Schnittstellen Definiertes Objektverhalten, Nachrichten Hierarchie Vererbung und Polymorphie (Spezialisierung), Klassenschachtelung Baukastenprinzip Benutzung vorgefertigter Klassenbibliotheken, Anpassung durch Spezialisierung (mittels Vererbung) nach Rumpe Modellierung 38

39 Inhalt Einführung Klassische Modelle Objektorientierung Unified Modeling Language Modellierung 39

40 Unified Modeling Language UML Grafisches Beschreibungsmittel für Aspekte des Softwareentwurfs diskreter Systeme Spezifikation, Entwurf, Visualisierung, Konstruktion, Dokumentation von Software Für OO-Softwareentwicklung und -prozess geeignet UML ist weder Methode noch Prozess Sammlung industriell erfolgreicher Modelle Einheitliche Notation: Booch, OMT, use cases, state charts Nicht alle Elemente müssen verwendet werden Modellierung 40

41 Unified Modeling Language Warum UML? Objektorientierung ist zur Zeit das optimale Modellierungs-Paradigma, Industrie-Standard Kombination von Struktur-, Verhaltens-, Interaktions-, und Verteilungsmodellen Für Analyse, Entwurf, Implementierung und Test einsetzbar Gute Werkzeugunterstützung für Editieren, Versionierung, Codegenerierung Erweiterbarkeit der UML mit Stereotypen und Tags Semi-formale Modelle, z.t. verschiedene Interpretationen Offenheit: Erweiterung mit stereotypes, tags, constraints Nach Rumpe, Nierstrasz Modellierung 41

42 Unified Modeling Language Nachteile UML UML ist in vielen Facetten nicht präzise festgelegt Werkzeuge für Transformation, Analyse etc. fehlen noch UML ist keine kleine Sprache : Lernaufwand notwendig Komponenten sind nicht adäquat darstellbar Sprachen wie die UML werden erlernt durch Übung! Aber: LV SWT ist kein kompletter UML-Kurs Quelle: Rumpe Modellierung 42

43 Unified Modeling Language Quelle: Störrle Modellierung 43

44 Unified Modeling Language Entwicklung der Unified Modeling Language Grady Booch, Ivar Jacobson, James Rumbaugh (seit 86) 90er Jahre: Objektmodellierungstechnik OMT Zahlreiche Bücher verfügbar SE und Geschäftsprozessmodellierung ab [Jacobson92] Ab 95 bei Rational: OMT+Booch+ClassDiagrams UML UML Consortium: DEC, I-Logix, Intellicorp, IBM, ICON Computing, MCI Systemhouse, Microsoft, 97: Standardisierung bei der OMG 99: UML 1.3, 03: UML 1.5 UML 2.0 Superstructure Spec: Okt. 04 Modellierung 44

45 Unified Modeling Language Neuerungen in UML 2 Einbettung (embodiment) Verhalten und Funktionalität ist immer Teil eines Objektmodells Neue Notationen Architekturdiagramme, Interaktionsdiagramme, Aktivitätsdiagramme, Zeitverlaufsdiagramme Metamodell Konsolidiert Neu erstellt: Interaktionen, Aktivitäten Formale Semantik erleichtert Neue Konzepte CompositePart, Port und Connector, Collaboration, Modellierung 45

46 Unified Modeling Language Überblick über Modelle Details ggf. in späteren Kapiteln Structure Diagrams Class, Object, Component, Composite Structure, Package und Deployment Diagrams Behavior Diagrams Use Case, Activity und State Machine Diagrams Interaction Diagrams Sequence, Communication, Timing und Interaction Overview Diagrams Modellierung 46

47 Unified Modeling Language Modellierung 47

48 Unified Modeling Language Use Case Diagram Beschreiben Systemfunktion aus Benutzersicht Was, nicht Wie Scenario: Beispiel für Interaktion A patient calls the clinic to make an appointment for a yearly checkup. The receptionist finds the nearest empty time slot in the appointment book and schedules the appointment. Elemente Actor: löst Ereignisse aus (role) Communication association: Kommunikationsverbindung Quelle der folgenden Bilder: Practical UML Modellierung 48

49 Unified Modeling Language Use Case Diagram Use Case ist eine Sammlung von Scenarios Verwendung Erste Anforderungsspezifikation (requirements) Kommunikation mit Kunden Erstellen von Testfällen (test case generation) Modellierung 49

50 Unified Modeling Language Class Diagram Statischer Überblick über Systemaufbau aus Objekten Klassen und ihre Beziehungen Beispiel: Kundenbestellung aus Versandkatalog Modellierung 51

51 Unified Modeling Language Class Diagram Klassen: Name, Attribute, Methoden Relationen Association: Objekte beider Klassen stehen in Zusammenhang und wissen voneinander. Pfeil schränkt Zugriffsrichtung ein Aggregation: Klasse gehört zu einer Sammlung Generalization: Vererbungsbeziehung (subclass / superclass) Relationen können am Ende benannt werden (role name) Multiplicity am Ende der Relation: Anzahl möglicher Objekte (Instanzen), die mit einem Objekt am anderen Ende verbunden sein können Modellierung 52

52 Unified Modeling Language Class Diagram Details Composition Spezialfall einer aggregation, in der die abhängigen Objekte nicht alleine existieren können Modellierung 53

53 Unified Modeling Language Packages Gruppierung komplexer Klassendiagramme Modellierung 57

54 Unified Modeling Language Object Diagram Zeigen Objekte anstelle von Klassen (class diagram) Für kompliziertere Abhängigkeiten benutzt (z.b. Rekursion) Modellierung 58

55 Unified Modeling Language Sequence Diagram Beschreibung dynamischer Zusammenarbeit zwischen Objekten über Zeitachse Objekte Existierend: gestrichelt (lifeline) Aktiv: Rechteck (activation bar) Nachrichten, Aufrufe als Pfeile Synchron: Asynchron: Unspezifiziert: Bedingungen in eckigen Klammern Modellierung 59

56 Unified Modeling Language Sequence Diagram Beispiel: Hotelreservierung Modellierung 60

57 Unified Modeling Language Collaboration Diagram Beschreiben wie sequence diagrams Zusammenarbeit von Objekten, aber aus Sicht der Rollen (nicht Zeiten) Modellierung 62

58 Unified Modeling Language Statechart Diagram Verhalten von Objekten: Zustände und Zustandsübergänge (state, state transition) Beispiel: Online-Banking Modellierung 63

59 Unified Modeling Language Statechart Diagram Zustände können andere enthalten: Nebenläufigkeit Zustandsraum Kreuzprodukt der Unterzustandsmengen Modellierung 64

60 Unified Modeling Language Activity Diagram Entspricht Flussdiagramm Fokus: Statechart Objekt und Zeit, Activity Diagram Prozess und Reihenfolge Aktivitäten: benannte Kästchen, danach jeweils eine Transition (Pfeil) Transitionen können abhängig von Bedingungen unterschiedliche Ziele haben Transitionen können aufspalten (fork) und vereinigen (join) Modellierung 65

61 Unified Modeling Language Activity Diagram Beispiel Geldautomat Modellierung 66

62 Unified Modeling Language Vergleich von Ablaufmodellen Modellierung 67