Связи-обобщения и механизм наследования классов в UML
Определение: Связь-обобщение
Связью-обобщением называется связь между общей сущностью, называемой суперклассом, или родителем, и более специализированной разновидностью этой сущности, называемой подклассом, или потомком. Обобщения иногда называют связями «is a», имея в виду, что класс-потомок является частным случаем класса-предка. Класс-потомок наследует все атрибуты и операции класса-предка, но в нем могут быть определены дополнительные атрибуты и операции.
Объекты класса-потомка могут использоваться везде, где могут использоваться объекты класса-предка. Это свойство называют полиморфизмом по включению, имея в виду, что объекты потомка можно считать включаемыми во множество объектов класса-предка. Графически обобщения изображаются в виде сплошной линии с большой незакрашенной стрелкой, направленной к суперклассу. В качестве первой иллюстрации, приведенной на Рис. 62, воспользуемся классификацией летательных аппаратов из предыдущих разделов. На Рис. 62 показан пример иерархии одиночного наследования: у каждого подкласса имеется только один суперкласс.
Рис. 62. Иерархия одиночного наследования классов
Одиночное наследование является достаточным в большинстве случаев применения связи-обобщения. Однако в UML допускается и множественное наследование, когда один подкласс определяется на основе нескольких суперклассов. В качестве одного из разумных (не слишком распространенных) примеров рассмотрим диаграмму классов на Рис. 63 (для упрощения диаграммы имена атрибутов и операций указывать не будем).
Рис. 63. Пример множественного наследования классов
На этой диаграмме классы Студент и Преподаватель порождены из одного суперкласса ЧеловекИзУниверситета. Вообще говоря, к классу Студент относятся те объекты класса ЧеловекИзУниверситета, которые соответствуют студентам, а к классу Преподаватель – объекты класса ЧеловекИзУниверситета, соответствующие преподавателям. Но, как это часто случается, многие студенты уже в студенческие годы начинают преподавать, так что могут существовать такие два объекта классов Студент и Преподаватель, которым соответствует один объект класса ЧеловекИзУниверситета. Итак, среди объектов класса Студент могут быть преподаватели, а некоторые преподаватели могут быть студентами. Тогда мы можем определить класс СтудентПреподаватель путем множественного наследования от суперклассов Студент и Преподаватель. Объект класса СтудентПреподаватель обладает всеми свойствами и операциями классов Студент и Преподаватель и может быть использован везде, где могут применяться объекты этих классов. Так что полиморфизм по включению продолжает работать. Следует отметить, что множественное наследование, помимо того что не слишком часто требуется на практике, порождает ряд проблем, из которых одной из наиболее известных является проблема именования атрибутов и операций в подклассе, полученном путем множественного наследования. Например, предположим, что при образовании подклассов Студент и Преподаватель в них обоих был определен атрибут с именем номерКомнаты. Очень вероятно, что для объектов класса Студент значениями этого атрибута будут номера комнат в студенческом общежитии, а для объектов класса Преподаватель – номера служебных кабинетов. Как быть с объектами класса СтудентПреподаватель, для которых существенны оба одноименных атрибута (у студента-преподавателя могут иметься и комната в общежитии, и служебный кабинет)? На практике применяется одно из следующих решений:
- запретить образование подкласса СтудентПреподаватель, пока в одном из суперклассов не будет произведено переименование атрибута номерКомнаты;
- наследовать это свойство только от одного из суперклассов, так что, например, значением атрибута номерКомнаты у объектов класса СтудентПреподаватель всегда будут номера служебных кабинетов;
- унаследовать в подклассе оба свойства, но автоматически переименовать оба атрибута, чтобы прояснить их смысл; назвать их, например, номерКомнатыСтудента и номерКомнатыПреподавателя.
Ни одно из решений не является полностью удовлетворительным. Первое решение требует возврата к ранее определенному классу, имена атрибутов и операций которого, возможно, уже используются в приложениях. Второе решение нарушает логику наследования, не давая возможности на уровне подкласса использовать все свойства суперклассов. Наконец, третье решение заставляет использовать длинные имена атрибутов и операций, которые могут стать недопустимо длинными, если процесс множественного наследования будет продолжаться от полученного подкласса.
Но, конечно, сложность проблемы именования атрибутов и операций несопоставимо меньше сложности реализации множественного наследования в реляционных БД. Поэтому при использовании UML для проектирования реляционных БД нужно очень осторожно использовать наследование классов вообще и стараться избегать множественного наследования.
2.5.2.4. Связи-ассоциации: роли, кратность, агрегация
Определение: Связь-ассоциация
Ассоциацией называется структурная связь, показывающая, что объекты одного класса некоторым образом связаны с объектами другого или того же самого класса. Допускается, чтобы оба конца ассоциации относились к одному классу. В ассоциации могут связываться два класса, и тогда она называется бинарной. Допускается создание ассоциаций, связывающих сразу n классов (они называются n-арными ассоциациями). Графически ассоциация изображается в виде линии, соединяющей класс сам с собой или с другими классами.
С понятием ассоциации связаны четыре важных дополнительных понятия: имя, роль, кратность и агрегация. Во-первых, ассоциации может быть присвоено имя, характеризующее природу связи. Смысл имени уточняется с помощью черного треугольника, который располагается над линией связи справа или слева от имени ассоциации. Этот треугольник указывает направление чтения имени связи. Пример именованной ассоциации показан на Рис. 64. Треугольник показывает, что именованная ассоциация должна читаться как «Студент учится в Университете».
Рис. 64. Пример именованной ассоциации
Другим способом именования ассоциации является указание роли каждого класса, участвующего в этой ассоциации. Роль класса, как и имя конца связи в ER-модели, задается именем, помещаемым под линией ассоциации ближе к данному классу. На Рис. 65 показаны две ассоциации между классами Человек и Университет, в которых эти классы играют разные роли. Как мы видим, объекты класса Человек могут выступать в роли РАБОТНИКОВ при участии в ассоциации, в которой объекты класса Университет играют роль НАНИМАТЕЛЯ. В другой ассоциации объекты класса Человек играют роль СТУДЕНТА, а объекты класса УНИВЕРСИТЕТ – роль ОБУЧАЮЩЕГО.
Рис. 65. Две ассоциации с разными ролями классов
В общем случае, для ассоциации могут задаваться и ее собственное имя, и имена ролей классов. Это связано с тем, что класс может играть одну и ту же роль в разных ассоциациях, так что в общем случае пара имен ролей классов не идентифицирует ассоциацию. С другой стороны, в простых случаях, когда между двумя классами определяется только одна ассоциация, можно вообще не связывать с ней дополнительные имена.
Кратностью (multiplicity) роли ассоциации называется характеристика, указывающая, сколько объектов класса с данной ролью может или должно участвовать в каждом экземпляре ассоциации (в UML экземпляр ассоциации называется соединением – link, но мы не будем здесь использовать этот термин, чтобы не создавать путаницу – все-таки трудно одновременно говорить про связи, ассоциации и соединения, имея в виду разные понятия). Наиболее распространенным способом задания кратности роли ассоциации является указание конкретного числа или диапазона. Например, указание «1» говорит о том, что каждый объект класса с данной ролью должен участвовать в некотором экземпляре данной ассоциации, причем в каждом экземпляре ассоциации может участвовать ровно один объект класса с данной ролью. Указание диапазона «0..1» говорит о том, что не все объекты класса с данной ролью обязаны участвовать в каком-либо экземпляре данной ассоциации, но в каждом экземпляре ассоциации может участвовать только один объект. Аналогично, указание диапазона «1..*» говорит о том, что все объекты класса с данной ролью должны участвовать в некотором экземпляре данной ассоциации, и в каждом экземпляре ассоциации должен участвовать хотя бы один объект (верхняя граница не задана). Толкование диапазона «0..*» является очевидным расширением случая «0..1».
В более сложных (но крайне редко встречающихся на практике) случаях определения кратности можно использовать списки диапазонов. Например, список «2, 4..6, 8..*» говорит о том, что все объекты класса с указанной ролью должны участвовать в некотором экземпляре данной ассоциации, и в каждом экземпляре ассоциации должны участвовать два, от четырех до шести или более семи объектов класса с данной ролью.
На диаграмме классов с Рис. 66 показано, что произвольное (может быть, нулевое) число людей являются сотрудниками произвольного числа университетов. Каждый университет обучает произвольное (может быть, нулевое) число студентов, но каждый студент может быть студентом только одного университета.
Рис. 66. Ассоциации с указанными кратностями ролей
Обычная ассоциация между двумя классами характеризует связь между равноправными сущностями: оба класса находятся на одном концептуальном уровне. Но иногда в диаграмме классов требуется отразить тот факт, что ассоциация между двумя классами имеет специальный вид «часть-целое». В этом случае класс «целое» имеет более высокий концептуальный уровень, чем класс «часть». Ассоциация такого рода называется агрегатной. Графически агрегатные ассоциации изображаются в виде простой ассоциации с незакрашенным ромбом на стороне класса-«целого». Простой пример агрегатной ассоциации показан на Рис. 67.
Рис. 67. Пример агрегатной ассоциации
Объектами класса Аудитория являются студенческие аудитории, в которых проходят занятия. В каждой аудитории должны быть установлены парты. Поэтому в некотором смысле класс Парта является «частью» класса Аудитория. Мы умышленно сделали роль класса Парта необязательной, поскольку могут существовать аудитории без парт (например, класс для занятий танцами) и некоторые парты могут находиться на складе. Обратите внимание, что, хотя аудитории, не оснащенные партами, как правило, непригодны для занятий, объекты классов Аудитория и Парта существуют независимо. Если некоторая аудитория ликвидируется, то находящиеся в ней парты не уничтожаются, а переносятся на склад.
Бывают случаи, когда связь «части» и «целого» настолько сильна, что уничтожение «целого» приводит к уничтожению всех его «частей». Агрегатные ассоциации, обладающие таким свойством, называются композитными, или просто композициями. При наличии композиции объект-часть может быть частью только одного объекта-целого (композита). При обычной агрегатной ассоциации «часть» может одновременно принадлежать нескольким «целым». Графически композиция изображается в виде простой ассоциации, дополненной закрашенным ромбом со стороны «целого». Пример композитной агрегатной ассоциации показан на Рис. 68.
Рис. 68. Пример композитной агрегатной ассоциации
Любой факультет является частью одного университета, и ликвидация университета приводит к ликвидации всех существующих в нем факультетов (хотя во время существования университета отдельные факультеты могут ликвидироваться и создаваться).
Заметим, что в контексте проектирования реляционных БД агрегатные и в особенности композитные ассоциации влияют только на способ поддержки ссылочной целостности. В частности, композитная связь является явным указанием на то, что ссылочная целостность между «целым» и «частями» должна поддерживаться путем каскадного удаления частей при удалении целого. Подробнее способы поддержки ссылочной целостности в SQL-ориентированных БД рассматриваются в следующих лекциях.
При наличии простой ассоциации между двумя классами (например, ассоциации между классами Студент и Университет с Рис. 65 предполагается возможность навигации между объектами, входящими в один экземпляр ассоциации. Если известен конкретный объект-студент, то должна обеспечиваться возможность узнать соответствующий объект-университет. Если известен конкретный объект-университет, то должна обеспечиваться возможность узнать все соответствующие объекты-студенты. Другими словами, если не оговорено иное, то навигация по ассоциации может проводиться в обоих направлениях. Однако бывают случаи, когда желательно ограничить направление навигации для некоторых ассоциаций. В этом случае на линии ассоциации ставится стрелка, указывающая направление навигации. Пример показан на Рис. 69.
Рис. 69. Ассоциация с указанным направлением навигации
В библиотеке должно содержаться некоторое количество книг, и каждая книга должна принадлежать некоторой библиотеке. С точки зрения библиотечного хозяйства разумно иметь возможность найти книгу в библиотеке, т. е. произвести навигацию от объекта-библиотеки к связанным с ним объектам-книгам. Однако вряд ли потребуется по данному экземпляру книги узнать, в какой библиотеке она находится.