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Objektorientierter Softwareentwurf Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH Ruth Breu Objektorientierter Softwareentwu rf Integration mit UML Mit 156 Abbildungen , Springer Or. Ruth Breu Institut für Informatik Technische Universität München 80290 München [email protected] ACM Computing Classification (1998): 0.2.1-2,0.2.9,0.3.2, F.3.3, K.6.3 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Breu, Ruth: Objektorientierter Softwareentwurf: Integration mit UMURuth Breu. Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Hongkong; London; Mailand; Paris; Singapur; Tokio: Springer, 2001 ISBN 978-3-540-41286-1 ISBN 978-3-642-56600-4 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-56600-4 ISBN 978-3-540-41286-1 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbe sondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbil dungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Verviel fältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Gren zen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestim mungen des Urheberrechtsgesetzes. http://www.springer.de © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2001 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2001 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KUnkelLopka Werbeagentur, Heidelberg Satz: Belichtungsfertige Daten von der Autorin Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN: 10770665 45/3142 GF - 54321 0 Vorwort Dieses Buch ist fiir Leserinnen und Leser geschrieben, die eine kompakte, tief gehende Einfiihrung in die Konzepte und Techniken und die Methodik objektori entierten Modellierens mit der Unified Modeling Language (UML) suchen. 1m Vordergrund steht dabei nicht die ganze Bandbreite an Notationen der UML. Vielmehr wird ein Geriist von Kemkonzepten aufgebaut, anhand dessen die grundlegende Bedeutung und die methodische Verwendung unterschiedlicher Diagrammtypendiskutiertwird. Die behandelten Aspekte umfassen die Grundsicht von Objekten in einer ver teilten Umgebung, die Grundkonzepte von Klassen-, Sequenz- und Zustandsdia grammen, die Prinzipien des Entwurfs mit Anwendungsnmen (engl. use cases), die Verwendung und Bedeutung von Invarianten und Aggregation in Klassendia grammen, der Zusammenhang von Nachrichten- und Operationskonzept, das Zusammenspiel von Sequenz- und Zustandsdiagrammen im Entwurf und die Verwendung von Generalisierungs- und Vererbungsbeziehungen. Die vorgestell ten Techniken werdendurch ein formales Modell fundiert. Dieses Buch ist hervorgegangen aus jahrelanger Tatigkeit auf dem Gebiet graphischer Beschreibungstechniken und objektorientierter Konzepte. Dabei sind sowohl Erfahrungen aus der Anwendung als auch aus der formalen Beschreibung der Methoden miteingeflossen. Mitdem Buch verbinde ich das Ziel, objektorien tierte Entwurfsmethoden einem prazisen Verstandnis zuzufiihren, sie als fundierte Disziplin innerhalb der Informatik zu etablieren und ihren Einsatz in der Praxis voranzutreiben. An dieser Stelle mochte ich mich auch bei allen bedanken, die mich in den letzten Jahren unterstutzt und mir so das Gelingen meiner Habilitation und das Entstehendieses Buchesermoglichthaben. Mein erster Dank gilt Prof. Dr. Manfred Broy fiir seine langjiihrige Untersttit zung und Betreuung. Danken mochte ich auch meinen Kollegen in der Forschungsgruppe von Prof. Broy fiir die gemeinsame Arbeit. Besonders erwiih nen mochte ich dabei Wolfgang Schwerin, Dr. Ingolf KrUger, Franz Huber und Dr. Bernhard Rumpe. Fur das Korrekturlesen des Manuskripts bedanke ich mich bei MichaelGnatz. Ein herzliches Dankeschon gehtauch an die Mitgliederdes Munchner Arbeits kreises fiir objektorientierte Analyse. Viele Ideen aus den Arbeitskreistreffen sind in dieses Buch eingeflossen. Besonders danken mochte ich Gunther Muller Luschnat, Prof. Dr. Wolfgang Hesse, Thomas Matzner, Thomas Naefe, Bernd Sevenichund UlrikeGrottrup. VI Vorwort FUrseineUnterstUtzung mochte ich auBerdem ganz besonders Prof. Dr. Rudolf HaggenmUIler danken. Auch dem Springer-Verlag danke ich herzlich, vor allem Herrn Dr. HansWossnerfUr seinehilfreicheBetreuung. NichtzuletztsolieinDankeschonauch an meineFamiliegehen: an Michael fUr sein Verstandnis und seine Hilfe in allen Lagen, an meine Eltem fUr ihre groBe Untersttitzung und Ermutigung und an Korbinian und Magdalena, dass sie da sind. MUnchen, imJanuar2001 Ruth Breu Inhaltsverzeichnis EINFOHRUNG UNO OBERSICHT 1 1 GRUNOLEGENOE KONZEPTE 7 1.1 Softwareentwicklungsmethoden 7 1.1.1 FunktionsorientierteundobjektorientierteSystemsicht... 8 1.1.2 DieBeschreibungstechniken 11 1.1.3 DasmethodischeVorgehen 14 1.2 Informationssysteme 17 1.2.1 KennzeichnendeMerkrnale von Informationssystemen 18 1.2.2 Standardarchitekturen von Informationssystemen 22 1.3 PragmatischeundformaIe Methoden 23 1.3.1 DerAnsatzpunktsemantischerFundierung 25 1.3.2 DieRolledes formalen Modellsin MOS 26 1.3.3 Integrationvon pragmatischenund formalen Methoden 28 2 MOS- DIE BESCHREIBUNGSTECHNIKEN 31 2.1 Klassendiagramme 31 2.1.1 Objekte, Klassen und Attribute 31 2.1.2 Assoziationen 34 2.1.3 Aggregation 36 2.104 Generalisierung 38 2.1.5 Invarianten 40 2.1.6 Operationen 41 2.1.7 Zusammenfassung 42 2.1.8 WeitereElementein UML-Klassendiagramrnen .43 2.2 DieBeschreibungstechnikenderDynamik .44 2.2.1 Sequenzdiagramrne 47 2.2.2 Zustandsdiagramme 51 2.2.3 Zusamrnenfassung 57 VIII Inhaltsverzeichnis 2.3 DiepradikativeSpracheP-MOS 59 2.3.1 P-MOS-Ausdrticke 59 2.3.2 P-MOS-Pradikate 63 2.3.3 LokaleP-MOS-Pradikate 63 2.3.4 P-MOS undoeL 64 2.4 WeitereDiagrammtypenderUML 65 2.4.1 Objektdiagramme 65 2.4.2 Kollaborationsdiagramme 66 2.4.3 Aktivitatsdiagramme 67 2.4.4 Anwendungsfalldiagramme 68 2.4.5 Implementierungsdiagramme 68 3 MOS- DIE METHODIK 69 3.1 Fallstudie- EineelektronischeBibliothek. 69 3.1.1 DieAnwenderderelektronischen Bibliothek 70 3.1.2 DieAufgabenderelektronischenBibliothek 70 3.2 AnwendungsfallorientierterEntwurf 71 3.2.1 Anwendungsfalle 72 3.2.2 DieStrukturdes Anwendungskems 78 3.3 StrukturierungimGro8en 83 3.3.1 Fachklassen 84 3.3.2 ExterneAkteure 85 3.3.3 Interaktionsklassen 86 3.3.4 Vorgangsklassen 87 3.3.5 Komponenten 90 3.4 DieSpezifikationdesGesamtsystems 93 3.4.1 DieSpezifikation vonSzenarien 94 3.4.2 Spezifikation vonOperationen 98 3.4.3 Entwicklung von Automatensichten 101 3.5 Einordnunginden Gesamtentwurf 104 3.5.1 Uberblick tiberden UnifiedSoftwareDevelopmentProcess 105 3.5.2 DieMOS-Methodikim Kontextdes USDPs 107 4 DIEGESAMTSICHT III 4.1 Spezifikationen,Sichten,Modelle III 4.1.1 SystemmodeIle 112 4.1.2 OffeneInterpretation vonSpezifikationen 112 4.1.3 Dasformale ModeIl 113 Inhaltsverzeichnis IX 4.2 Objekte,Identitliten,Zustlinde 114 4.2.1 DieAttributsignatur 114 4.2.2 Objektidentifikatoren 114 4.2.3 Werte 115 4.2.4 Objektzustande 115 4.2.5 Systernzustande 116 4.3 Nachrichten,Lebenszyklen,DynamischeExistenz 116 4.3.1 Objekteund ihrVerhalten 117 4.3.2 Nachrichten 118 4.3.3 Lebenszyklen 119 4.3.4 Operationen 121 4.3.5 DynarnischeExistenzvonObjekten 124 4.4 DieGesamtsichtdesEntwurfsprozesses 125 4.4.1 DieoffeneInterpretation von MOS-Spezifikationen 126 4.4.2 DerEntwurfsprozess 127 5 KLASSENDIAGRAMME 131 5.1 DieInterpretationvon Klassendiagrammen 131 5.1.1 Klassen und Datentypen 132 5.1.2 Attribute 133 5.1.3 GerichteteAssoziationen 133 5.1.4 Generalisierung 135 5.2 UngerichteteAssoziationen 135 5.2.1 Von EIR-Diagrarnrnen zu Klassendiagrammen 135 5.2.2 Ungerichtete Assoziationen in MOS 137 5.3 Invarianten 140 5.3.1 Interpretationvon P-MOS-Priidikaten 140 5.3.2 Invarianten und Lebenszyklen 142 5.4 Aggregation 147 5.4.1 AggregationaufKlassenebene 148 5.4.2 AggregationaufObjektebene 149 5.4.3 KonstanteAggregation 150 5.4.4 AbhangigeAggregation 151 5.4.5 GekapselteAggregation 151 5.4.6 DieRolle von AggregationsbeziehungenirnEntwurf 153 X Inhaltsverzeichnis 6 DIE BESCHREIBUNGSTECHNIKEN DER DYNAMIK 157 6.1 Sequenzdiagramme 157 6.1.1 DieInterpretationvonSequenzdiagrammen 157 6.1.2 DieGrundelementevon Sequenzdiagrammen 161 6.1.3 Interpretation vonSequenzdiagrammen 162 6.2 Zustandsdiagramme 164 6.2.1 DieGrundelementevonZustandsdiagrammen I64 6.2.2 Interpretation von Zustandsdiagrammen 167 6.2.3 Zustands- undSequenzdiagrammeimKontext 169 6.3 OperationenundOperationsspezifikation 172 6.3.1 DasOperationskonzeptinMOS 172 6.3.2 Operationsschemata 174 6.3.3 AblauforientierteOperationsspezifIkation 176 6.3.4 ZustandsdiagrammederSchnittstellensicht... 179 6.3.5 Vor- und Nachbedingungen 182 7 GENERALISIERUNG 189 7.1 Grundkonzepte 189 7.1.1 GeneralisierungindenSystemmodellen 190 7.1.2 Generalisierunginden Beschreibungstechniken 191 7.2 Verhaltensahnlichkeitvon Zustandsdiagrammen 193 7.2.1 DasVerfeinerungskonzept... 194 7.2.2 Regeln zurAbleitung von Verfeinerungsbeziehungen 196 7.3 MethodischeAspekte 198 7.3.1 Generalisierung von Fachklassen 198 7.3.2 Generalisierungvon Vorgangsklassen 201 ANHANG 205 AnhangA- MathematischeGrundlagenund Notationen 206 AnhangB- Systemmodelle 207 AnhangC- Klassendiagramme 214 AnhangD- DieBeschreibungstechnikenderDynamik 217 LITERATUR 229 INDEX 237