Kapitel KLASSENDIAGRAMME
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- Jörn Langenberg
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1 Kapitel KLASSENDIAGRAMME 5.1 Klassendiagramm Objekt Darstellung im Objektdiagramm Objektidentität Kapselung und Geheimnisprinzip 5.2 Klasse Abstrakte Klasse, Klassenname Wurzelklasse 5.3 Assoziation Abgeleitete Assoziation Assoziative Klasse Restriktion (or, subset) Multiplizität (Kardinalität) Aggregation Komposition 5.4 Attribut Attributtyp Klassenattribut Abgeleitetes Attribut 5.5 Vererbung Vor- und Nachteile 5.6 Anforderungen an unsere Klassendiagramme (Meilenstein) Dieses Manuskript steht allen Teilnehmern der Lehrveranstaltung Software Engineering (SE I) an der Technischen Fachhochschule Berlin als unterrichtsbegleitendes Lehrmaterial frei zur Verfügung. Die Nutzung durch andere Personen oder zu anderen Zwecken bedarf zur Vermeidung möglicher Verletzungen des deutschen Urheberrechts der vorherigen Inkenntnissetzung und Erlaubnis des Autors. Seite 1 von 13
2 You can not control what you can not measure. (Tom DeMarco) Die Fachklassendiagramme stellen das Hauptresultat der statischen objektorientierten Analysephase dar. Sie bilden ihrerseits die Grundlage zur Entwurfsphase und werden dort systematisch weiter verfeinert (konkretisiert), um sich dabei einer möglichen Implementierung des Softwareprodukts sukzessive anzunähern. 5.1 Klassendiagramm Objekt In der realen Welt existieren nur Objekte. Ein Objekt (object, instance, class instance oder Exemplar) ist ein Ding oder ein Abstraktum, das gegen andere Objekte abgegrenzt ist und für das zu modellierende Problem eine Bedeutung hat. Es kann ein materieller Gegenstand sein, eine Person oder ein nicht-materieller Gegenstand wie ein Auftrag oder eine Rechnung: Auto mit dem Kennzeichen B-TZ 775 Stuttgart das UML-Buch auf meinem Schreibtisch Kontoüberweisung Jedes Objekt besitzt einen bestimmten Zustand (state) und reagiert mit einem definierten Verhalten (behaviour) auf seine Umgebung. Der Zustand umfasst seine Datenstruktur bzw. deren aktuelle Werte und die jeweiligen Verbindungen (relationship, associations) zu anderen Objekten. Das Verhalten eines Objekts wird durch eine Menge von Operationen beschrieben (diese werden jedoch erst in einer späteren Vorlesung behandelt, vergleiche Manuskript [SE I, 8. VL: Operationen]). Darstellung im Objektdiagramm Das Objekt wird in der UML im Objektdiagramm (object diagram) als Rechteck dargestellt, das in zwei Felder (Reihen) aufgeteilt werden kann. Im oberen Feld wird das Objekt mit einem führenden Doppelpunkt unterstrichen und zentriert bezeichnet: :Klasse Objekt:Klasse Objekt anonymes Objekt enthält nur den Klassennamen das Objekt wird über den Namen angesprochen wenn es reicht, das Objekt über den Namen anzusprechen Im unteren Teil werden optional die Attribute des Objekts eingetragen. Seite 2 von 13
3 Objektidentität Jedes Objekt hat seine eigene Identität, die sog. Objektidentität, auch wenn es beispielsweise augenblicklich dieselben Attributwerte wie ein zweites Objekt besitzt. In diesem Fall spricht man nur von der Gleichheit der Objekte. In der realen Welt unterscheiden sich Objekte schlichtweg durch ihre Existenz voneinander. :Hund hundid = 4711 name = wuffi rasse = zwergpinscher geschlecht = ruede gewichtkg = 31 :Hund name = wuffi rasse = zwergpinscher geschlecht = ruede gewichtkg = 31 Hinweis: die linke Darstellung ist nicht erfunden, sondern aus [Shlaer&Mellor92] Kapselung und Geheimnisprinzip Zustand und Verhalten eines Objekts bilden eine Einheit: ein Objekt kapselt seinen Zustand (Dateninhalt) und Verhalten (Operationen). Der Dateninhalt eines Objekts kann nur mittels bestimmter Getter- und Setter-Operationen gelesen und verändert werden. Das bedeutet, dass die Repräsentation dieser Daten nach außen hin verborgen sein soll: ein Objekt realisiert das Geheimnisprinzip. 5.2 Klasse Alle gleichartigen Objekte, d.h. Objekte mit denselben Assoziationen, Attributen und den gleichen Operationen, gehören zur selben Klasse. Jedes Objekt ist ein Exemplar dieser Klasse. Klasse Objekt Stadt name: Text popul: Number Stuttgart: Stadt name = Stuttgart popul = 10 Ein Klassendiagramm beschreibt die Typen von Objekten im Softwaresystem, die gemeinsame Eigenschaften und einen gemeinsamen semantischen Zweck erfüllen, sowie die verschiedenen Arten von statischen Beziehungen zwischen diesen Objekten. Seite 3 von 13
4 Gemeinsame Eigenschaften sind: 1. Attribute (Struktur) 2. Verhalten 3. Beziehungen (relationships) zu anderen Objekten Es gibt zwei grundsätzliche Arten von statischen Beziehungen: 1. Assoziationen (binäre, tertiäre) 2. Untertypen (synonym: Unterklasse, Ableitung, Vererbung) Auto Stadt Buch Klassendiagramme zeigen die Attribute und Operationen einer Klasse, sowie die Einschränkungen bei der Verbindung ihrer Objekte. Eine Klasse definiert demnach für eine Kollektion von Objekten deren Struktur, Verhalten und Beziehungen. Sie besitzt ferner einen eingebauten (inhärenten) Mechanismus, neue Objekte zu erzeugen (object factory), und hat mittels einer inhärenten Objektverwaltung Kenntnis über alle ihre Objekte. Abstrakte Klassen Es gibt auch Klassen, von denen gar keine Objekte erzeugt werden können. Sie werden abstrakte Klassen genannt. Sie werden durch einen kursiven Klassennamen oder das Merkmal {abstract} gekennzeichnet. Sie können nur zu konkreten Klassen abgeleitet werden. Dazu weiter unten mehr in diesem Manuskript. Ein Merkmal (property) beschreibt bestimmte Eigenschaften eines Elements im Modell. Klassenname Der Klassenname ist im Klassendiagramm stets ein fettgedrucktes, zentriertes Substantiv im Singular, das durch ein Adjektiv ergänzt werden kann (Person, Mitarbeiter, SpeziellerKunde). Es beschreibt immer ein einzelnes Objekt der Klasse. Wurzelklasse Jede objektorientierte Softwareanwendung besitzt genau eine Klasse, die den Startpunkt zu ihrer Ausführung enthält. In der Programmiersprache Java ist das beispielsweise die Klasse, in der sich die Operation public static void main( ) befindet. Sie stellt den Ausgangspunkt für die Instanziierung aller weiteren Objekte dar. Seite 4 von 13
5 5.3 Assoziation Assoziationen (association) repräsentieren Beziehungen (relationships) zwischen Instanzen von Klassen (also Objekten). Jede Assoziation besitzt gewöhnlich zwei Assoziationsenden, obwohl nicht nur binäre, sondern selten auch ternäre Assoziationen vorkommen können. Diese können jedoch keine Aggregation oder Komposition (beide siehe weiter unten) bilden. Jedes Ende ist mit einer Klasse der Assoziation verbunden. Die Enden können explizit mit einer Beschriftung versehen werden. Sie wird Rollenname genannt. Wenn es keine Beschriftung gibt, benennt man die Enden (also die Rolle) nach der jeweiligen Zielklasse (also nach dem Namen der jeweils gegenüberliegenden Klasse). Eine (selbst-) reflexive Assoziation besteht zwischen Objekten derselben Klasse. Mitarbeiter Angestellter Arbeitgeber 0.. arbeitet_für 1 Firma (selbst-) Reflexive Assoziation: Teil Oberteil Unterteil besteht_aus ist_teil_von Assoziationen sind in der Systemanalysephase inhärent bidirektional, d.h. der Mitarbeiter kennt seine Firma, und die Firma kennt ihre Mitarbeiter. Erst in der Entwurfsphase werden die konkreten Richtungen der Navigation einer Assoziation festgelegt. Abgeleitete Assoziation Eine Assoziation heißt abgeleitet (derived association), wenn die gleichen Abhängigkeiten bereits durch andere Assoziationen beschrieben werden. Sie fügt neue Informationen nur durch die Angabe ihrer Rollennamen zum Modell hinzu, und ist daher redundant. Sie wird durch das Präfix / vor dem Assoziationsnamen oder dem Rollennamen gekennzeichnet. Siehe auch abgeleitetes Attribut. Professor Vorlesung 1 liest hört / ist_hörer_von Student Seite 5 von 13
6 Assoziative Klasse Eine Assoziation kann zusätzlich die Eigenschaften einer Klasse besitzen (Attribute, Operationen, sowie Beziehungen zu anderen Klassen). Wir sprechen dann von einer assoziativen Klasse (association class). Die assoziative Klasse wird dann verwendet, wenn bestimmte Informationen bedeutungslos werden, sobald die Beziehung zwischen den Objekten nicht mehr besteht. Leser 0..1 Ausleihe datum verlängerung Buch Nachdem das Buch zurückgegeben wurde, sind das Ausleihdatum sowie eine eventuelle Verlängerungsmöglichkeit nicht mehr interessant. Ok, darüber ließe sich nun fachlich streiten, aber wir nehmen es mal so hin oder finden ein besseres Beispiel Restriktion Assoziationen können mit Restriktionen (constraints) ergänzt werden. Diese Restriktionen können frei formuliert werden. Die or-restriktion sagt aus, dass zu einem beliebigen Zeitpunkt nur eine von mehreren angegebenen Assoziationen gelten kann (siehe Abbildung). Die subset-restriktion (Teilmenge) ist eine einschränkende Assoziation, die über eine generelle Assoziation hinausgehend wirksam ist. Sportler Teilnehmer {subset} Sieger 0..1 Wettbewerb Europalette lagert_in 1 {or} lagert_in 1 Wareneingang Hochregallager Die Multiplizität ist eine Form der Restriktion, die besonders wichtig ist, und deswegen eine eigene Darstellung besitzt. Seite 6 von 13
7 Multiplizität (oder Kardinalität) Die Assoziationsenden besitzen ferner eine Multiplizität, die besagt, wie viele unterschiedliche Objekte an der Beziehung beteiligt sein können (siehe auch Abbildung oben). Allgemein gibt die Multiplizität eine untere und eine obere Schranke für die Anzahl der beteiligten Objekte an, die durch zwei Punkte miteinander verbunden werden. Ein Stern repräsentiert hierbei den Bereich bis unendlich. Man unterscheidet Kann- und Muss-Multiplizitäten. Eine Kann-Multiplizität hat als Untergrenze die Objektanzahl 0, eine Muss-Multiplizität die Anzahl 1 oder höher. Achtung: Die Angabe der Multiplizität in Klassendiagrammen führt manchmal dazu, die tatsächlich spezifizierte Anzahl der möglichen Objektexemplare falsch zu interpretieren: A 1 1 B Man könnte davon ausgehen, dass es von Klasse A und Klasse B jeweils nur ein Objekt geben dürfte. Was aber, wenn das Klassendiagramm nur leicht erweitert wird? A 1 1 B C Offensichtlich kann es mehr als ein Exemplar der Objekte A und B geben, denn Objekt C kann zu beliebig vielen Objekten B Beziehungen aufbauen. Das obere Klassendiagramm sagt nur aus, dass ein Objekt A nur mit einem Objekt B in Beziehung stehen darf (und umgekehrt). Es trifft keine Aussage darüber, wie viele A-B-Kombinationen insgesamt möglich sind. Aggregation Eine Aggregation (aggregation) liegt vor, wenn zwischen den Objekten der beteiligten Klassen eine Teil-Ganzes-Beziehung (whole-part-relation) gilt. Die Aggregation wird durch eine offene Raute an der Beziehungslinie auf der Seite des Ganzen (der sogenannten Aggregatklasse) angezeigt: Verlag Buch Entspricht: Zusammengesetztes Teil Einzelteil Buch Kapitel Absatz Satz Wort Kapitel Absatz Satz Wort Buchstabe Zusammengesetztes Teil Ganzes 0..1 besteht_aus ist_teil_von Teil Einzelteil Seite 7 von 13
8 Komposition Eine Komposition (composition) ist eine starke Form der Aggregation. Auch hier muss eine Teil-Ganzes-Beziehung vorliegen. Darüber hinaus gilt: jedes Objekt der Teilklasse kann zu einem beliebigen Zeitpunkt nur Komponente eines einzelnen Objekts der Aggregatklasse sein. Auto 1 4 Rad Wird das Ganze kopiert, werden implizit auch seine Teile kopiert. Wird das Ganze gelöscht, dann werden automatisch auch seine Teile gelöscht ( they live and die with it ). Ein Teil darf allerdings auch explizit vom Ganzen entfernt werden. Die Komposition wird durch eine gefüllte Raute an der Beziehungslinie auf der Seite der Aggregatklasse angezeigt. Bei Kompositionen handelt es sich häufig um physische Objekte der realen Welt (Auto mit Rädern etc.), deren Objektverbindungen meist über einen längeren Zeitraum bestehen. Ein Teil-Objekt kann jedoch von seinem Aggregat-Objekt getrennt und einem anderen Ganzen zugeordnet werden. 5.4 Attribut Attribute (instance variables, Member-Variablen) enthalten die Werte eines Objekts. Ein Attribut hat eine Bezeichnung, die innerhalb der Klasse eindeutig sein muss, in der es sich befindet. Die Klasse Person kann das Attribut Name besitzen, aber auch die Klasse Firma. Die beiden Attribute sind jedoch lokal zu ihrer jeweiligen Klasse. Jedes Attribut ist von einem bestimmten Typ. Attribute weisen gewöhnlich einen einzelnen Wert auf (single valued), aber man kann bei Bedarf die Multiplizität nach dem Attributnamen in eckigen Klammern angeben, beispielsweise datereceived[0..1] : Date Student :Student matrikelnummer : Number matrikelnummer = 42 name : NameT name = (Prefect, Ford) geburtsdatum : Date geburtsdatum = (1, 1, 1958) Im Objekt :Student wurden die Attribute mit einem Anfangswert versehen. Seite 8 von 13
9 Attributtyp In der UML ist nicht festgelegt, wie der Typ eines Attributs definiert wird. Um ein standardisiertes OOA-Modell zu erstellen, verwenden wir in der Systemanalysephase folgende Typen: Standardtypen String, Number, Boolean, Date, Time Aufzählungstyp Als Bereich werden alle Werte aufgezählt, die das Attribut annehmen kann. Als Selektionsart wird individuell festgelegt, wie viele Werte festgelegt werden können (Voreinstellung: ein Wert). Über ein weiteres Schlüsselwort noadd wird bedarfsweise festgelegt, dass vom Benutzer später keine neuen Werte in die Liste aufgenommen werden können (ohne Angabe können Werte aufgenommen werden). Beispielsweise: {values: rot, grün, blau, select: 1..n, noadd} Klasse Der Typ eines Attributs kann selbst wieder durch eine Klasse beschrieben werden. Diese sogenannte elementare Klasse (support class) wird nicht in das Klassendiagramm eingetragen, sondern meist einmal definiert, und bei jedem Projekt wiederverwendet. Selbstdefinierte Typen werden im allgemeinen mit einem hinten angestellten T bezeichnet. Student matrikelnummer : Number name : NameT NameT name : String vorname: String List-of-Typ Gestatten es dem Attribut, als Wert eine Liste von Datenwerten des definierten Typs anzunehmen: Student NoteT NotenwertT fachbereich: String matrikelnummer : Number {mandatory, key, frozen} name : NameT noten : list of NoteT wert: NotenwertT wert : {values: 1.0,1.3,1.7,2.0,2.3,2.7, 3.0,3.3,3.7,4.0,5.0, noadd} Hier entsteht häufig ein Konflikt, wenn Personen an der Analyse beteiligt sind, die zugleich auch Implementierer sind, da diese dazu neigen, auch systemspezifische Attributspezifikationen (Bitbreiten etc.) in das Klassenmodell der objektorientierten Analyse aufzunehmen. Seite 9 von 13
10 Um aus den Attributen den Prototyp der Benutzungsoberfläche ableiten zu können, muss jedes Attribut über seinen Namen, Typ und Anfangswert hinausgehend durch folgende Angaben spezifiziert werden: Muss-Attribut {mandatory} Der Attributwert muss bei der Erzeugung des Objekts eingetragen werden. Schlüssel {key} Ein Schlüsselattribut identifiziert jedes Objekt innerhalb der Klasse eindeutig (beispielsweise die Matrikelnummer den Studenten). Attributwert nicht änderbar {frozen} Kennzeichnet ein Attribut, dessen Wert nicht geändert werden darf, nachdem er einmal definiert wurde. Einheit {Einheit: } Die Angabe der Einheit wird für den Prototyp der Benutzungsoberfläche benötigt. Beschreibung {Beschreibung: } Erläutert die Bedeutung des Attributs. Attribute sind im Unterschied zu Objekten reine Datenwerte, die nicht selbständig identifizierbar sind. Beispielsweise sind die verschiedenen Vorkommen der Zahl 42 nicht voneinander unterscheidbar. Es ist oft nicht leicht zu entscheiden, ob etwas ein Attribut oder Objekt ist, insbesondere bei zusammengesetzten Attributen wie Adresse. Das hängt letztlich vom Modellierungskonzept ab. Alle Objekte einer Klasse besitzen dieselben Attribute, jedoch unterschiedliche Attributwerte. Attributnamen beginnen mit einem Kleinbuchstaben. Jedes weitere Wort beginnt mit einem Großbuchstaben (camel case). Es werden keine Unterstriche verwendet. firstname matrikelnummer Klassenattribut Ein Klassenattribut liegt vor, wenn nur ein einziger Attributwert für alle Objekte der Klasse existiert. Klassenattribute existieren auch dann, wenn es zu einer Klasse (noch) kein Objekt gibt. Um Klassenattribute von den Objektattributen zu unterscheiden, werden sie im Klassendiagramm unterstrichen dargestellt. Seite 10 von 13
11 Abgeleitetes Attribut Der Wert eines abgeleiteten Attributes (derived attribute) kann jederzeit aus anderen Attributen berechnet werden. Abgeleitete Attribute werden mit dem Präfix / gekennzeichnet. Sie werden gewöhnlich dann verwendet, wenn der in ihnen enthaltene Wert sich selten oder nie ändert und nur durch komplexe Berechnungen herzuleiten ist. Person /alter : Number geburtsjahr : Date 5.5 Vererbung Generalisierung und Spezialisierung sind mächtige Mittel zur Abstraktion von Gemeinsamkeiten verschiedener Klassen. Die gemeinsamen Attribute, Assoziationen und Operationen werden der Oberklasse (Basisklasse) zugeordnet und in den Unterklassen nicht mehr aufgeführt. Man sagt, dass die Unterklassen diese Eigenschaften erben. Der dazu notwendige Mechanismus wird Vererbung (oder auch Ableitung) genannt. Generalisierung bezeichnet den Vorgang, von weniger abstrakten Klassen zu abstrakteren zu gelangen, während die Spezialisierung das Vorgehen von abstrakteren Klassen zu konkreteren bezeichnet. Die Unterklasse erbt die Eigenschaften ihrer Oberklasse und ergänzt diese Gemeinsamkeiten durch ihre eigenen, spezifischen Eigenschaften. Wichtiger Hinweis: in dieser Lehrveranstaltung wird großer Wert darauf gelegt, dass jede Unterklasse (sub class) nur eine einzige Oberklasse (super class) besitzt, auch wenn die zu verwenden beabsichtigte Programmiersprache (beispielsweise C++) mehrere zulassen sollte. Diese Art der Vererbung nennt man Einfachvererbung. Mehrfachvererbung erfolgt wenn überhaupt erst in der Entwurfsphase. Ein Objekt der spezialisierten Klasse (Unterklasse) kann überall dort verwendet werden, wo ein Objekt der Basisklasse erlaubt ist. Man spricht von einer Klassenhierarchie oder Vererbungsstruktur. Jedes Objekt der Unterklasse ist ein Objekt der Basisklasse. Oberklasse Einfachvererbung Unterklasse 1 Unterklasse 2 Seite 11 von 13
12 Bei der Generalisierung und Spezialisierung sollte man sich zunächst immer darüber klar werden, was das Untergliederungskriterium (Diskriminator) ist. Liegt ein falscher Diskriminator vor, kann keine sinnvolle Vererbung vorgenommen werden. Sind Pumpen in einer Klassenhierarchie nach Bauart (Diskriminator) untergliedert, kann eine Vakuumpumpe schlecht eingefügt werden. Auch die Untergliederung nach Fördermaterial führt zu unbefriedigenden Ergebnissen, da die Unterklassen in verschiedenen Teilbäumen der Hierarchie auftauchen könnten. Die Fähigkeit, ein Vakuum erzeugen zu können, wird vielleicht einfacher als Attribut modelliert? Hinweis: ohne bereits zuvor definierte Operationen (Stichwort Polymorphismus) und Attribute lassen sich im allgemeinen keine sinnvollen Vererbungen finden. Sie sind deshalb auch noch kein zwingender Bestandteil des Meilensteins. Vor- und Nachteile der Vererbung Mit wenigem Aufwand können neue Klassen erstellt werden, deren Eigenschaften auf bestehenden Klassen aufbauen. Die Änderbarkeit wird unterstützt. Änderungen an den Attributen der Oberklasse wirken sich automatisch auf die Attribute der Unterklassen aus. Sie wirken sich allerdings auch dann aus, wenn sie vielleicht gar nicht erwünscht sind. Das Konzept der Vererbung steht im Widerspruch zum Geheimnisprinzip, solange noch keine Sichtbarkeit eingeführt wurde. Dies geschieht jedoch erst in der Entwurfsphase. Durch die Vererbung können Unterklassen die Attribute und Operationen ihrer Oberklasse sehen. 5.6 Anforderungen an unsere Klassendiagramme (Meilenstein) Erstes Fachklassendiagramm: Klassennamen, Attribute mit ihrem Attributtyp, Assoziationen (auch Aggregationen und/oder Kompositionen) mit Rollennamen und Kardinalitäten, bei Bedarf auch mit der Angabe von Restriktionen (or, subset), sowie evtl. mit ihren assoziativen Klassen. Die Benutzungsoberfläche bleibt in unseren Fachklassendiagrammen während der Analysephase unberücksichtigt. In einer späteren Vorlesung werden jedoch zur Erstellung des Prototyps Transformationsregeln zur Umwandlung von Klassen in eine Dialogstruktur vorgestellt. Die Fachklassendiagramme beschränken sich in diesem Meilenstein auf die Geschäftslogik, die im Pflichtenheft definiert und in den Geschäftsprozessen konkretisiert wurden. Erst in der Entwurfsphase werden Regeln zur Transformation der objektorientierten Datenhaltung in relationale Strukturen (OR-Mapping) der Datenhaltungsschicht vorgestellt. Auch diese Schicht bleibt in der Analysephase unberücksichtigt. Seite 12 von 13
13 Dennoch markieren Sie bitte diejenigen Fachklassen, die nach außen hin als Benutzungsoberfläche visualisiert werden sollen (sogenannte visuelle Klassen). Zur Vorbereitung der Datenhaltung geben Sie bitte ferner für jede Klasse an, welche Attribute über die Laufzeit des Programms hinaus in einer Datenbasis abgelegt werden sollen (sogenannte persistente Attribute). Beides kann durch eine Zweitfassung des/der Klassendiagramme in einer in einer anderen Farbe geschehen, oder auch durch die Angabe von Properties ({visual} und {persistent}). Berücksichtigen bitte die Wurzelklasse in Ihrem Klassendiagramm. Referenzglossar Das Referenzglossar wird um die in den Fachklassen definierten Fachbegrifflichkeiten (Klassennamen, Attribute etc.) erweitert. Als Modellkennzeichen dieser Erweiterungen ist das Kürzel SOLL-AM (Soll-Anforderungsmodell) zu verwenden. Vorzulegen sind: Anforderung Erstes Fachklassendiagramm (mit Namen, Attributen inkl. Typ, Assoziationen inkl. Rollennamen, Multiplizitäten) Markierung der visuellen und persistenten Klassen Fortschreibung des Referenzglossars Maximale Punktezahl 90 Punkte 20 Punkte 20 Punkte Seite 13 von 13
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