Диаграммы последовательности: назначение, порядок построения, примеры

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Диаграммы последовательности: назначение, порядок построения, примеры

управление рефлексивный рекурсия

Диаграмма последовательности (sequence diagram) - диаграмма, на которой показаны взаимодействия объектов, упорядоченные по времени их проявления.

На диаграмме последовательности неявно присутствует ось времени, что позволяет визуализировать временные отношения между передаваемыми сообщениями. С помощью диаграммы последовательности можно представить взаимодействие элементов модели как своеобразный временной график "жизни" всей совокупности объектов, связанных между собой для реализации варианта использования программной системы, достижения бизнес-цели или выполнения какой-либо задачи.

Объекты и их изображение на диаграмме последовательности

На диаграмме последовательности также изображаются объекты, которые непосредственно участвуют во взаимодействии, при этом никакие статические связи с другими объектами не визуализируются. Для диаграммы последовательности ключевым моментом является именно динамика взаимодействия объектов во времени. При этом диаграмма последовательности имеет как бы два измерения. Одно - слева направо в виде вертикальных линий, каждая из которых изображает линию жизни отдельного объекта, участвующего во взаимодействии. Второе измерение диаграммы последовательности - вертикальная временная ось, направленная сверху вниз.

Каждый объект графически изображается в форме прямоугольника и располагается в верхней части своей линии жизни (рис.1). Внутри прямоугольника записываются собственное имя объекта со строчной буквы и имя класса, разделенные двоеточием. При этом вся запись подчеркивается, что является признаком объекта, который, как указывалось ранее, представляет собой экземпляр класса.

Для объектов диаграммы последовательности остаются справедливыми правила именования, рассмотренные ранее применительно к диаграммам кооперации. Если на диаграмме последовательности отсутствует собственное имя объекта, то при этом должно быть указано имя класса. Такой объект считается анонимным. Может отсутствовать и имя класса, но при этом должно быть указано собственное имя объекта. Такой объект считается сиротой. Роль классов в именах объектов на диаграммах последовательности, как правило, не указывается.

Крайним слева на диаграмме изображается объект - инициатор моделируемого процесса взаимодействия ( объект a на рис.1). Правее - другой объект, который непосредственно взаимодействует с первым. Таким образом, порядок расположения объектов на диаграмме последовательности определяется исключительно соображениями удобства визуализации их взаимодействия друг с другом.

Рис. 1 Графические элементы диаграммы последовательности

Начальному моменту времени соответствует самая верхняя часть диаграммы. При этом процесс взаимодействия объектов реализуется посредством сообщений, которые посылаются одними объектами другим. Сообщения изображаются в виде горизонтальных стрелок с именем сообщения и образуют определенный порядок относительно времени своей инициализации. Другими словами, сообщения, расположенные на диаграмме последовательности выше, передаются раньше тех, которые расположены ниже. При этом масштаб на оси времени не указывается, поскольку диаграмма последовательности моделирует лишь временную упорядоченность взаимодействий типа "раньше-позже".

Линия жизни объекта (object lifeline) - вертикальная линия на диаграмме последовательности, которая представляет существование объекта в течение определенного периода времени.

Линия жизни объекта изображается пунктирной вертикальной линией, ассоциированной с единственным объектом на диаграмме последовательности. Линия жизни служит для обозначения периода времени, в течение которого объект существует в системе и, следовательно, может потенциально участвовать во всех ее взаимодействиях. Если объект существует в системе постоянно, то и его линия жизни должна продолжаться по всей рабочей области диаграммы последовательности от самой верхней ее части до самой нижней ( объект 1 и анонимный объект Класса 2 на рис. 1).

Отдельные объекты, закончив выполнение своих операций, могут быть уничтожены, чтобы освободить занимаемые ими ресурсы. Для таких объектов линия жизни обрывается в момент его уничтожения. Для обозначения момента уничтожения объекта в языке UML применяется специальный символ в форме латинской буквы "X". На рис. 2 этот символ используется для уничтожения анонимного объекта, образованного от Класса 3. Ниже этого символа пунктирная линия не изображается, поскольку соответствующего объекта в системе уже нет, и этот объект должен быть исключен из всех последующих взаимодействий.

Рис. 2 Графическое изображение линий жизни и фокусов управления объектов

Вовсе не обязательно создавать все объекты в начальный момент времени. Отдельные объекты в системе могут создаваться по мере необходимости, существенно экономя ресурсы системы и повышая ее производительность. В этом случае прямоугольник такого объекта изображается не в верхней части диаграммы последовательности, а в той, которая соответствует моменту создания объекта (анонимный объект, образованный от Класса 3 на рис.2). При этом прямоугольник объекта вертикально располагается в том месте диаграммы, которое по оси времени совпадает с моментом его возникновения в системе. Объект создается со своей линией жизни а, возможно, и с фокусом управления.

В процессе функционирования объектно-ориентированных систем одни объекты могут находиться в активном состоянии, непосредственно выполняя определенные действия, или в состоянии пассивного ожидания сообщений от других объектов. Фокус управления - символ, применяемый для того, чтобы явно выделить подобную активность объектов на диаграммах последовательности .

Фокус управления (focus of control) - специальный символ на диаграмме последовательности, указывающий период времени, в течение которого объект выполняет некоторое действие, находясь в активном состоянии.

Фокус управления изображается в форме вытянутого узкого прямоугольника ( объект а на рис.1), верхняя сторона которого обозначает начало получения фокуса управления объекта (начало активности), а ее нижняя сторона - окончание фокуса управления (окончание активности). Этот прямоугольник располагается ниже обозначения соответствующего объекта и может заменять его линию жизни ( объект a на рис.2), если на всем ее протяжении он активен.

Периоды активности объекта могут чередоваться с периодами его пассивности или ожидания. В этом случае у такого объекта фокусы управления изменяют свое изображение на линию жизни и наоборот ( объект сирота ob2 на рис.2). Важно понимать, что получить фокус управления может только объект, у которого в этот момент имеется линия жизни. Если же объект был уничтожен, то вновь возникнуть в системе он уже не может. Вместо него может быть создан лишь экземпляр этого же класса, который, строго говоря, будет другим объектом.

В отдельных случаях инициатором взаимодействия в системе может быть актер или внешний пользователь. При этом актер изображается на диаграмме последовательности самым первым объектом слева со своим фокусом управления (рис.3). Наиболее часто актер и его фокус управления будут существовать в системе постоянно, отмечая характерную для пользователя активность в инициировании взаимодействий с системой. Актер может иметь собственное имя либо оставаться анонимным.

В отдельных случаях объект может посылать сообщения самому себе, инициируя так называемые рефлексивные сообщения. Для этой цели служит специальное изображение ( сообщение у объекта а на рис.3). Такие сообщения изображаются в форме сообщения, начало и конец которого соприкасаются с линией жизни или фокусом управления одного и того же объекта. Подобные ситуации возникают, например, при обработке нажатий на клавиши клавиатуры при вводе текста в редактируемый документ, при наборе цифр номера телефона абонента.

Если в результате рефлексивного сообщения создается новый подпроцесс или нить управления, то говорят о рекурсивном или вложенном фокусе управления. На диаграмме последовательности рекурсия обозначается небольшим прямоугольником, присоединенным к правой стороне фокуса управления того объекта, для которого изображается данное рекурсивное взаимодействие (анонимный объект Класса 2 на рис.3).

Рис. 3 Графическое изображение актера, рефлексивного сообщения и рекурсии на диаграмме последовательности

2. Сообщения на диаграмме последовательности

Сообщения как элементы языка UML, уже рассматривались ранее при изучении диаграммы кооперации (лекция 7). Стрелки сообщений изображаются аналогично рассмотренным ранее, но применительно к диаграммам последовательности сообщения имеют дополнительные семантические особенности. При этом на диаграмме последовательности все сообщения упорядочены по времени своей передачи в моделируемой системе, хотя номера у них могут не указываться.

На диаграммах последовательности могут присутствовать три разновидности сообщений, каждое из которых имеет свое графическое изображение (рис.4).

Рис. 4 Графическое изображение различных видов сообщений между объектами на диаграмме последовательности

Первая разновидность сообщения (рис.4, а) наиболее распространена и используется для вызова процедур, выполнения операций или обозначения отдельных вложенных потоков управления. Начало этой стрелки, как правило, соприкасается с фокусом управления того объекта-клиента, который инициирует это сообщение. Конец стрелки соприкасается с линией жизни того объекта, который принимает это сообщение и выполняет в ответ определенные действия. При этом принимающий объект может получить фокус управления, становясь в этом случае активным. Передающий объект может потерять фокус управления или остаться активным.

Вторая разновидность сообщения ( рис.4, б) используется для обозначения простого асинхронного сообщения, которое передается в произвольный момент времени. Передача такого сообщения обычно не сопровождается получением фокуса управления объектом-получателем.

Третья разновидность сообщения (рис.4, в) используется для возврата из вызова процедуры. Примером может служить простое сообщение о завершении вычислений без предоставления результата расчетов объекту-клиенту. В процедурных потоках управления эта стрелка может быть опущена, поскольку ее наличие неявно предполагается в конце активизации объекта. В то же время считается, что каждый вызов процедуры имеет свою пару - возврат вызова. Для непроцедурных потоков управления, включая параллельные и асинхронные сообщения, стрелка возврата должна указываться явным образом.

Обычно сообщения изображаются горизонтальными стрелками, соединяющими линии жизни или фокусы управления двух объектов на диаграмме последовательности. При этом неявно предполагается, что время передачи сообщения достаточно мало по сравнению с процессами выполнения действий объектами. Считается также, что за время передачи сообщения с соответствующими объектами не может произойти никаких событий. Другими словами, состояния объектов не изменяются. Если же это предположение не может быть признано справедливым, то стрелка сообщения изображается под наклоном, так чтобы конец стрелки располагался ниже ее начала.

Каждое сообщение на диаграмме последовательности ассоциируется с определенной операцией, которая должна быть выполнена принявшим его объектом. При этом операция может иметь аргументы или параметры, значения которых влияют на получение различных результатов. Соответствующие параметры операции будет иметь и вызывающее это действие сообщение. Более того, значения параметров отдельных сообщений могут содержать условные выражения, образуя ветвление или альтернативные пути основного потока управления.

3. Ветвление потока управления

Одна из особенностей диаграммы последовательности - возможность визуализировать простое ветвление процесса. Для изображения ветвления используются две или более стрелки, выходящие из одной точки фокуса управления объекта ( объект ob1 на рис.5 ). При этом рядом с каждой из них должно быть явно указано соответствующее условие ветви в форме булевского выражения.

Количество ветвей может быть произвольным, однако наличие ветвлений может существенно усложнить интерпретацию диаграммы последовательности. Предложение-условие должно быть явно указано для каждой ветви и записывается в форме обычного текста, псевдокода или выражения языка программирования. Это выражение всегда должно возвращать некоторое булевское выражение. Запись этих условий должна исключать одновременную передачу альтернативных сообщений по двум и более ветвям. В противном случае на диаграмме последовательности может возникнуть конфликт ветвления.

Рис. 5 Графическое изображение бинарного ветвления потока управления на диаграмме последовательности

С помощью ветвления можно изобразить и более сложную логику взаимодействия объектов между собой ( объект ob1 на рис.6). Если условий более двух, то для каждого из них необходимо предусмотреть ситуацию единственного выполнения. Описанный ниже пример относится к моделированию взаимодействия программной системы обслуживания клиентов в банке. В этом примере диаграммы последовательности объект ob1 вызывает выполнение действий у одного из трех других объектов.

Условием ветвления может служить сумма снимаемых клиентом средств со своего текущего счета. Если эта сумма превышает 1500$, то могут потребоваться дополнительные действия, связанные с созданием и последующим разрушением объекта Класса 1. Если же сумма превышает 100$, но не превышает 1500$, то вызывается операция или процедура объекта ob3. И, наконец, если сумма не превышает 100$, то вызывается операция или процедура объекта ob2. При этом объекты ob1, ob2 и ob3 постоянно существуют в системе. Последний объект создается от Класса 1 только в том случае, если справедливо первое из альтернативных условий. В противном случае он может быть никогда не создан.

Рис. 6 Графическое изображение тернарного ветвления потока управления на диаграмме последовательности

Объект ob1 имеет постоянный фокус управления, а все остальные объекты - получают фокус управления только для выполнения ими соответствующих операций.

Ниже представлена диаграмма последовательности для описанного выше случая ветвления, дополненная стереотипными значениями отдельных сообщений (рис. 7). Очевидно, эта диаграмма последовательности является более выразительной и простой для своей содержательной интерпретации.

Рис. 7 Диаграмма последовательности со стереотипными значениями сообщений

Как уже отмечалось ранее, сообщения могут иметь собственное имя, в качестве которого выступает имя операции, вызов которой инициируют эти сообщения у принимающего объекта. В этом случае рядом со стрелкой записывается имя операции с круглыми скобками, в которых могут указываться параметры или аргументы соответствующей операции. Если параметры отсутствуют, то скобки после имени операции все равно должны быть изображены.

Рекомендации по построению диаграмм последовательности

Построение диаграммы последовательности целесообразно начинать с выделения из всей совокупности классов только тех, объекты которых участвуют в моделируемом взаимодействии. После этого все объекты наносятся на диаграмму, с соблюдением порядка инициализации сообщений. Здесь необходимо установить, какие объекты будут существовать постоянно, а какие временно - только на период выполнения ими требуемых действий.

Когда объекты визуализированы, можно приступать к спецификации сообщений. При этом необходимо учитывать те операции, которые имеют классы соответствующих объектов в модели системы. При необходимости уточнения этих операций следует использовать их стереотипы. Для уничтожения объектов, которые создаются на время выполнения своих действий, нужно предусмотреть явное сообщение. Наиболее простые случаи ветвления процесса взаимодействия можно изобразить на одной диаграмме с использованием соответствующих графических примитивов. В более сложных случаях для моделирования каждой ветви управления может потребоваться отдельная диаграмма последовательности. Следует помнить, что каждый альтернативный поток управления затрудняет понимание построенной модели.

Общим правилом является визуализация особенностей реализации каждого варианта использования на отдельной диаграмме последовательности. В этой ситуации отдельные диаграммы должны рассматриваться совместно как одна модель взаимодействия. Необходимость синхронизации сложных потоков управления, как правило, требуют введение в модель дополнительных ограничений.

4. Функциональная электроника: основные достижения и сферы применения

Функциональная электроника -- одно из современных направлений микроэлектроники, основанное на использовании физических принципов интеграции и динамических неоднородностей, обеспечивающих несхемотехнические принципы работы устройств. Функциональная интеграция обеспечивает работу прибора, как единого целого. Разделение его на элементы приводит к нарушению функционирования.

В функциональной микроэлектронике используется взаимодействие потоков электронов со звуковыми волнами в твёрдом теле, оптические явления в твёрдом теле, свойства полупроводников, магнетиков и сверхпроводников в магнитных полях и др.

Современная электроника твердого тела в значительной степени является интегральной электроникой; в основе ее лежит принцип элементной (технологической) интеграции--изготовление на одном кристалле большого количества электронных приборов, соединенных между собой в электрическую схему.

Схемотехнический путь развития интегральной электроники неизбежно связан с ростом числа элементов и межэлементных соединений по мере усложнения выполняемых интегральной схемой функций. Однако чисто количественное наращивание степени интеграции и связанное с этим уменьшение размеров элементов имеет определенные пределы. Анализ традиционных путей развития интегральной электроники показывает, что в настоящее время достигнут настолько высокий уровень интеграции, что приходится считаться с рядом физических и технологических ограничений при его дальнейшем повышении. Только интегрализация элементов на определенном этапе уже не обеспечивает достижения положительных результатов.

Функциональная электроника предлагает качественно новый подход. В основе лежит принцип физической интеграции, позволяющий реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле. В этом случае локальному объему твердого тела придаются такие свойства, которые требуются для выполнения данной функции, так что промежуточный этап представления желаемой функции в виде эквивалентной схемы не требуется.

При физической интеграции носителем информации является не состояние некоторой схемы, созданной на основе традиционных элементов (транзисторов, диодов, резисторов и т. д.), а состояние локального объема в однородной активной среде с динамически изменяемыми параметрами. Изменения состояния локального объема однородного материала достигаются не технологическими, а физическими способами, например инжекцией зарядов в локальный объем с помощью светового излучения либо воздействием электрических или магнитных полей, возбуждением поверхностных волн и т. д.

Таким образом, основной чертой физической интеграции является отсутствие или значительное снижение удельного веса схемотехники и использование динамических неоднородностей для выполнения определенных функций. Запись и обработку информации выполняет не схема, включающая в себя множество приборов и элементов, а сама активная среда, в которой накапливается подвергаемая обработке информация.

В зависимости от типа используемой динамической неоднородности, континуальной среды, той или иной комбинации физических полей или явлений различают такие направления функциональной электроники как:

Функциональная акустоэлектроника,

Функциональная магнитоэлектроника,

Функциональная оптоэлектроника,

Функциональная диэлектрическая электроника,

Молекулярная электроника

и т.д.

Существуют также смешанные направления (акустооптика, магнитооптоакустика и другие).

Щука А. А. в статье «Электроника четвертого поколения -- функциональная электроника?» предложил модель устройства функциональной электроники (УФЭ), состоящую из пяти элементов:

Использование динамических неоднородностей различной физической природы. Так, в акустоэлектронных устройствах используются динамические неоднородности в виде поверхностной акустической волны (ПАВ); в полупроводниковых приборах с зарядовой связью -- зарядовые пакеты электронов или дырок; в приборах магнитоэлектроники -- магнитостатические волны (МСВ) и т. д.

Все виды динамических неоднородностей генерируют, обрабатывают и хранят информацию в континуальных средах. Последние могут иметь любое агрегатное состояние, но интересы микроэлектроники сосредоточены на использовании твёрдого тела. Среда должна быть достаточно однородной по своим физико-химическим свойствам на всём тракте распространения информационного сигнала. Статические неоднородности, имеющиеся на поверхности или внутри континуальной среды, служат только для управления динамическими неоднородностями и не используются для обработки и хранения информации.

Генератор динамических неоднородностей, предназначенный для ввода последних в канал распространения, расположенный в континуальной среде.

Устройство управления динамическими неоднородностями в тракте переноса информационного сигнала и в области его хранения.

Детектор, осуществляющий считывание информации. Он позволяет преобразовать информационный массив, созданный динамическими неоднородностями, в двоичный массив, который можно обрабатывать цифровыми устройствами.

УФЭ первого поколения характеризуются тем, что в них используется один вид динамических неоднородностей в одной континуальной среде. Примерами являются линии задержки на ПАВ и память на ЦМД. Ко второму поколению относятся устройства, использующие одновременно динамические неоднородности различной физической природы в различных континуальных средах.

Устройства функциональной электроники такие как процессоры и память имеют ряд особенностей, выгодно их отличающих от аналогичных устройств, реализованных на схемотехнических принципах.

Использование динамических неоднородностей для записи, обработки и хранения информации позволяет снизить жесткие требования к технологии за счет использования обратимых физических процессов вместо необратимых технологических. В этом случае акцентируется внимание на методах физической интеграции, а не только технологической.

Переход от жесткой схемотехники к методам обработки и хранения информации с использованием физических полей позволит достаточно легко перестраивать режимы работы приборов и устройств в процессе их работы. При этом могут быть выполнены различные функции без решающего влияния схемотехнических решений потому, что искусство схемотехники дополняют аналоговые методы обработки информации. Устройства на основе принципов функциональной электроники позволят создать высокопроизводительные вычислительные системы, информационные банки данных высокой информационной емкости. В то же время методы функциональной электроники позволяют преодолеть ряд принципиальных ограничений схемотехники, например, "тиранию межсоединений".

В устройствах функциональной электроники используются комбинации аналоговых и цифровых методов обработки информации и поэтому эти устройства способны решать задачи обработки больших массивов информации в реальном масштабе времени. Это необходимо для задач робототехники, долговременных космических объектов и др. Идеи и методы функциональной электроники позволяют одномоментно сравнивать информационно массивы, выделять разностную информацию, обрабатывать и хранить ее, осуществлять обработку массивов информации в режиме предельного ее распараллеливания.

Приборы и устройства характеризуются высокой производительностью, высокой плотностью записанной информации, малым энергопотреблением, высокой надежностью, что делает их весьма перспективными уже в самом ближайшем будущем.

Это ориентиры и для совершенствования подготовки специалистов по микроэлектронике, для их профессионального роста, самообразования после окончания подготовки в институте.

Размещено на Allbest.ru