CS1005 Objektorientierte Programmierung Bachelor of Science (Informatik)

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1 CS1005 Objektorientierte Programmierung Bachelor of Science (Informatik) Th Letschert UML Seite 1 Th Letschert

2 UML - Klassen- / Paket- / Sequenzdiagramm - UML / OCL in Spezifikation und Implementierung Seite 2

3 UML Ein Bild sagt mehr als 1000 Worte! Seite 3

4 UML: Unified Modeling Language UML UML Unified Modelling Language aktuell vorherrschende (graphische) Notation zur Darstellung von SW-Architekturen, -Entwürfen, Implementierungen unified: entstanden als Kombination von konkurrierender Notation Klassendiagramm Darstellung von Klassen Objektdiagramm Darstellung von Szenen: Interagierende Objekte Sequenzdiagramm: Variante der Objektdiagramme Piktogramm einer Klasse Darstellung einer Klasse in UML: Rechteck mit Namen der Klasse und Methoden Beziehungen Darstellung der Beziehungen zwischen Klassen und / oder zwischen allen Objekten der Klassen. Seite 4

5 UML: Unified Modeling Language UML: Wichtige Diagrammtypen UML-Diagramm Struktur-Diagramm KlassenDiagramm KompositionsDiagramm Verhaltens-Diagramm KomponentenDiagramm VerteilungsDiagramm ObjektDiagramm PaketDiagramm AktivitätsDiagramm Use-CaseDiagramm SequenzDiagramm System-Struktur System-Verhalten Seite 5 ZustandsDiagramm

6 Bauer 1 Klassendiagramme sucht * Frau Seite 6

7 Klassendiagramm Klassendiagramm: Darstellung von Klassen und ihren Beziehungen Piktogramm einer Klasse graphische Darstellung einer einzigen Klasse Klassendiagramm mit einem Klassenpiktogramm Name der Klasse Airplane speed : int getspeed() : int setspeed(int) Objektvariablen in UML auch : Attribute der Klasse Methoden: Name / Parametertyp(en) / Ergebnistyp Ein Klassendiagramm erleichtert die Übersicht. Es ist nicht notwendig alle Attribute und Methoden anzugeben. Man listet auf: - was (beim aktuellen Entwicklungsstand) schon bekannt ist und / oder - was wichtig ist und / oder - für die aktuelle Diskussion, die aktuellen Betrachter des Diagramms relevant ist. Seite 7

8 Klassendiagramm Klassendiagramm: weitere Ausdrucksmittel (können wenn sinnvoll / bei Bedarf verwendet werden) unterstrichen: statische Komponenten einer Klasse + / - : public / private Konstruktor: nicht offiziell, kann als Methode angegeben werden Baer - gebrumm1: String - gebrumm2:string - gutgelaunt: boolean + Baer(boolean) +Baer() + saghallo(int) + aegern() Klassen-Variable / statisches Attribut Objekt-Variable / Attribut - : private +: public Seite 8

9 Klassendiagramm Klassendiagramm: Einsatz / Anwendung Analyse / konzeptionelle Modellierung Darlegung der wichtigen Konzepte eines Anwendungsgebiets: Was ist ein Entwurf / logische Modellierung Konzeption der Implementierung: geplante Klassen, Schnittstellen, verwendete Datentypen, Codierung Übersichtliche Darstellung des Codes Seite 9

10 Klassendiagramm: Assoziation (Beziehung) Assoziation Beziehung zwischen Klassen / Objekten der Klassen Name Bauer 1 besitzt * Kuh public class Bauer { private Kuh[] besitzt;... } Kardinalität Navigationsrichtung mögliche Implementierung Multiplizäten n..m n * wenigstens n höchstens m genau n beliebig: 0.. Ein Bauer (Objekt der Klasse Bauer) steht in der Beziehung (Assoziation) besitzt zu einer beliebigen Anzahl ( * ) von Kühen (Objekte der Klasse Kuh). Eine Kuh steht in der Beziehung besitzt zu genau (1) einem Bauer-Objekt. Von einem Bauer kann man dessen Kühe feststellen. (Vom Bauer zu seinen Kühen navigieren.) Darüber, ob dies umgekehrt ist möglich ist, sagt das Diagramm nichts aus. Multiplizitäten können weggelassen werden. Seite 10

11 Assoziation oder Attribut Assoziation oder Attribut Bauer 1 besitzt * Kuh Modellierung mit Assoziation Bauer besitzt : Sequence(Kuh) Assoziation: Die Klasse, zu der die Beziehung geht, ist wichtig. Ihre Objekte haben eigene Existenzberechtigung (im Modell). Attribut Die Klasse zu der Beziehung besteht ist weniger wichtig. Ihre Objekte haben keine unabhängige Existenzberechtigung. public class Bauer { private Kuh[] besitzt;... } Modellierung mit Attribut mögliche Implementierung für beide Diagramme Seite 11

12 Aggregation : Ganzes-Teil-Beziehung Aggregation besteht aus Spezialfall der Assoziation drückt die Beziehung zwischen dem Ganzen und seinen Teilen aus. Attribut oder Aggregation: Wichtige Klasse ~> Aggregation BauernVerband Bauer name : String public class Bauer { private Kuh[] besitzt; private String name;... } besitzt Kuh public class BauernVerband { private Bauer[] mitglied; private String name;... } Ein Objekt der Klasse BauernVerband besteht aus Objekten der Klasse Bauer. Ein Bauer kann in beliebig vielen Bauernverbänden sein, ein Bauernverband kann beliebig viele Bauern umfassen. (Eventuell durch Kardinalitäten einschränken) mögliche Implementierung der Klasse Bauer und BauernVerband Seite 12

13 Aggregation : Ganzes-Teil-Beziehung Komposition hat als Bestandteil Spezialfall der Assoziation drückt die Beziehung zwischen dem Ganzen und seinen Teilen aus. Intensivierung der Aggregation: Das Teil existiert nicht ohne das Ganze Bauer name : String beine public class Bauer { private Bein[] beine; private Kuh[] besitzt; private String name;... } 2 Bein besitzt Kuh mögliche Implementierung der Klasse Bauer Jedes Bauer-Objekt hat 2 Bein-Objekte. Ein Bein-Objekt kann nicht anders existieren (ist nicht interessant), denn als Bestandteil eins Bauern. Kühe können existieren (sind interessant) auch ohne den Bauer der sie besitzt. Seite 13

14 UML: Objekte und ihre Klasse snapshot ~ Exemplar / Instanz einer Klasse Baer bruno ist ein Exemplar der Klasse Baer <<snapshot>> bruno : Baer Seite 14

15 Paketdiagramme Seite 15

16 Paketdiagramm Pakete in UML Sammlung von Klassen Paketsichtbarkeiten können angegeben werden können geschachtelt sein Pakete definieren Namensräume linearealgebra + Matrix + Gleichnungssystem + Vektor - Algorithms determinante(matrix):double Paketsichtbarkeit Seite 16

17 Paketdiagramm Paket-Beziehungen : Import Import Methoden Öffentlicher Import (Erweiterung) <<import>> Alle Namen des exportierenden Pakets sind im importierenden Paket öffentlich sichtbar <<access>> Privater Import (Zugriff) Ein Name des exportierenden Pakets ist im importierenden Paket nicht öffentlich sichtbar Paket-Merge wird hier nicht behandelt Importierbar gesamtes Paket Element eines Pakets Seite 17

18 Paketdiagramm Paket-Beziehungen : Import Öffentlicher / Privater Import Import eines Pakets / eines Elements linearealgebra öffentlicher Paket-Import vektorrechnung + Punkt + Gerade + Ebene + Matrix <<import>> + Vektor or + Optimierer Matrix, Vektor, Gleichungssystem sind nutzbar und öffentliche Bestandteile von vektorrechnung - Algorithms + Gleichnungssystem <<access> > Gleichungssystem ist benutzbar in or aber nicht über or in anderen Pakten nutzbar privater Element-Import Seite 18

19 Sequenzdiagramme Seite 19

20 UML: Sequenzdiagramm Sequenzdiagramm Ein Sequenzdiagramm beschreibt Objekte und ihre Interaktion in einem zeitlichen Szenario o1 : Class1 o2 : Class2 Lebenslinie o3: Classe3 main method1 method2 Zeit Seite 20 Objekt : Klasse Methodenaufrufe Objekt o1 der Klasse Class1 ruft Methode Method1 von Objekt o2 auf. o2 hat den Typ Class2. In method1 wird method2 von Objekt o3 aufgerufen. o3 hat den Typ Class3.

21 Annotierte Klassendiagramme und OCL in Spezifikationen Seite 21

22 UML: Spezifikation und Implementierung Einsatz von Klassendiagrammen Analyse Konzepte der Anwendungswelt / der geplanten Lösung Entwurf Beschreibung (wichtiger Teile) der (geplanten) Lösung Implementierung Beschreibung / übersichtliche Darstellung der Software Seite 22

23 UML: Spezifikation und Implementierung Stapel: Spezifikation (Bestandteil des Entwurfs) und Implementierung dargestellt in UML abstrakter Zustand: Folge von Elementen konkreter Zustand Variante A Stack Sequence(int) push(int) pop() top():int Stack 10 Variablen push(int) pop() top():int Spezifikation: Stapel mit maximal 10 Elementen: - push fügt ein, - top liefert das zuletzt Eingefügte - pop entfernt das zuletzt Eingefügte Stack Feld der Länge 10 push(int) pop() top():int konkreter Zustand Variante B ImplementierungsVarianten 10 Variablen oder ein Feld. Seite 23

24 UML in Spezifikationen / Annotationen UML : Einsatz in der Spezifikation der Klasse Konto Annotation Konto keine Vorbedingung: muss immer korrekt arbeiten pre: post: returns kontostand kontostand: EuroBetrag + stand():eurobetrag + einzahlen(eurobetrag b):void + auszahlen(eurobetrag b):void Vorbedingung: Beschränkte Funktionsgarantie (NICHT Beschränkte Erlaubnis) Nachbedingung: gibt Ergebnis an Nachbedingung: gibt Zustandsänderung an pre: b >= 0 post: kontostand = kontostand@pre + b pre: b>=0, kontostand >= b post: kontostant = kontostand@pre - b Seite 24 Vorbedingung: Voraussetzung des korrekten Arbeitens

25 UML in Spezifikationen Keine Vorbedingung = Vorbedingung ist true Nachbedingung: kontostand = Wert von KontoStand am Ende der Methode kontostand@pre = Wert von kontostand am Anfang der Methode (zum Zeitpunkt der Auswertung der Vorbedingung) pre: post: returns kontostand pre: true post: returns kontostand Alternative Notationen old KontoStand ~ pre requires ~ pre ensures ~ post OCL (Object Constraint Language) Textuelle mathematisch orientierte Notation von UML zur Beschreibung von Invarianten,Vorbedingungen, Nachbedingungen und anderem, das sich nicht graphisch beschreiben lässt. pre: b >= 0 post: kontostand = kontostand@pre + b pre: b >= 0 post: kontostand = old kontostand + b requires: b >= 0 ensures: kontostand = old kontostand + b Annotationen Seite 25

26 UML in Spezifikationen Annotation graphisches Symbol mit Text (z.b. in OCL) und Bezug zu einen anderen Symbol Textform Text mit textuellem Bezug (Context) zu einer Klasse, Methode,... Konto kontostand: EuroBetrag + stand():eurobetrag + einzahlen(eurobetrag b) + auszahlen(eurobetrag b) context Konto.stand() pre: post: returns kontostand pre: post: returns kontostand OCL-Text beschreibt eine Bedingung / Anforderung (engl. Constraint) an die Methode Konto.stand() Diese Methode ist der Kontext der Bedingung Annotation mit Kommentar in OCL-Notation als Bestandteil eines Klassendiagramms Seite 26

27 UML in Spezifikationen: Klasseninvariante Klasseninvariante Bedingung, die jede Instanz der Klasse immer erfüllt / immer erfüllen muss. Immer: Vor und nach jeder Aktivierung einer Methode. (Die Invariante darf also während der Ausführung einer Methode ungültig sein.) init: <> inv: size(elems) <= 10 context Stack inv: size(elems) <= 10 Klasseninvariante von Stack: Die Liste der Stack-Elemente enthält immer höchstens 10 Werte! size(elems): Größe der Liste elems Stack - elems: Sequence(double) + Stack() + empty():bool + full():bool + push(int):void + pop():void + top():double Klasseninvariante in UML / OCL Seite 27

28 UML in Spezifikationen: Beispiel Stapel Stack - elems: Sequence(int) + Stack() + empty():bool + full():bool + push(int x):void + pop():void + top():double init: <> inv: size(elems) <= 10 pre: post: return size(elems)==0 pre: post: size(elems)=10 pre: size(elems)<10 post: elems = x+elems@pre pre: size(elems)>0 post: elems@pre = x + elems pre: size(elems)>0 post: returns first(elems) Listenplus: Zusammenfügen vonlisten Seite 28 Ein Stapel enthält eine Liste von 10 double-werten. init: Initalwert ist die leere Liste. inv: Invariante, immer wird die Größe <= 10 sein Sequence: Sequenz = Liste Stapel-Spezifikation: Wir erwarten, dass ein(e) Stapel(-Implementierung) sich so verhält wie hier beschrieben. (Ob er nun eine Liste von Elementen enthält, oder nur so tut, z.b. mit einem Feld.)

29 OCL OCL : Object Constraint Language ist eine Notation mit festgelegter Syntax und Semantik (entspricht einer Programmiersprache) könnte implementiert werden, ist aber nicht das Ziel Verwendungszweck: Fakten, Beziehungen, Eigenschaften kompakt und exakt darstellen z.b. in der Spezifikation einer Klasse Orientiert sich an mathematischen Notationen Umfasst Datentypen Mengen-Typ Set(<Typ der Elemente>) Listen-Typ Sequence(<Typ der Elemente>) mit den üblichen Operationen Seite 29

30 OCL OCL wurde ursprünglich von IBM entwickelt (~ ab 1995) ist jetzt Bestandteil von UML OCL ist eine deklarative (keine Anweisungen nur Ausdrücke) streng getypte (jeder Ausdruck hat einen festen Typ) Sprache zu Formulierung logischer (boolescher) Ausdrücke mit den Ausdrucksmitteln der Logik erster Stufe (Prädikate und Quantoren) Seite 30

31 Statechart (Zustandsdiagramm Zustandsübergangsdiagramm) Seite 31 Th Letschert

32 UML / Statechart Statechart / Zustandsdiagramm beschreibt das Verhalten von Systemen (Objekte, Kollektion von Objekten,..) durch Zustände und Ereignisse als Übergänge (Transitionen) zwischen Zuständen Zustand Das System befindet sich stets in genau einem von endliche vielen Zuständen. Das Zustandsdiagramm stellt diese dar. Ein Zustand ist der Ausgangs- (Start-) Zustand. Darstellung durch: Ereignisse führen zu einem Übergang / Transition Übergänge modellieren Ereignisse bei denen das System von einem in einen anderen Zustand übergeht. Ein (System vom Typ) Schalter hat zwei mögliche Zustände: an und aus. Es reagiert auf zwei Ereignisse: anschalten und ausschalten.bei einem Ereignis wechselt das System seinen Zustand (anschalten im Zustand aus), oder das Ereignis wird ignoriert (ausschalten im Zustand aus). Seite 32 Schalter anschalten an aus ausschalten Th Letschert

33 UML / Statechart Ereignis ~> Zustandsübergang Ein Ereignis führt zu einem Zustandsübergang. Das Diagramm stellt alle mögliche Ereignisse dar, sowie in welchen (Ausgangs-) Zuständen sie akzeptiert und zu welcher Transition (Übergang zum Zielzustand) sie das Systems führen. Ereignis und Aktion / Bedingung Ein (vom System akzeptiertes) Ereignis kann mit einer Aktion verbunden werden Ein Ereignis kann mit mit einer Bedingung versehen werden: Nur wenn das System im Ausgangszustand ist die Bedingung zutrifft Schalter Ein Schalter akzeptiert im Zustand aus das Ereignis anschalten falls Spannung anliegt. Er geht dann in den Zustand an über. Dabei wird die Aktion Kontakt schließen ausgeführt. anschalten [Spannung an] / Kontakt schließen an aus ausschalten Seite 33 Th Letschert

34 Statechart Übersicht Input1 Z Zustand mit Namen Z1 E Z2 Zustandsübergang (Transition) mit auslösendem Ereignis E Z Startzustand Z1 E/A Z2 Zustandsübergang mit auslösendem Ereignis E und Aktion A die beim Übergang in den neuen Zustand ausgeführt wird. Z Z1 E [E] / A Z2 Endzustand Zustandsübergang mit auslösendem Ereignis E und Bedingung B. Nur wenn B und E vorliegen wird in Z2 übergegangen und Z ausgelöst. Seite 34 Th Letschert

35 UML / Statechart Zusammengesetzter Zustand E1 Zustände werden zur besseren Übersicht zu komplexen Zuständen zusammengefasst. on off E2 off E1 on Z1 E2 Z1 Z2 Z2 E2 E2 Z3 composite state komplexer (zusammengesetzter) Zustand z1 und z2 und z3 Z3 Der Zustand on ist eigentlich einer der Zustände Z1, Z2, oder Z3. Der Übersicht halber werden Z1, Z2 und Z3 zu on zusammengefasst. Seite 35 Th Letschert