Parte II Modelos Estruturais

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1 Parte II Modelos Estruturais

2 Introdução Questões Como representar modelos estruturais em notação UML? Qual a finalidade dos diagramas de classes UML? O que são diagramas de classes? Que elementos constituem os diagramas de classes?

3 Diagramas de Classes: Conceitos Básicos

4 Sumário Finalidade dos diagramas de classes
Objectos, classes, atributos e operações Relações entre classes: Associação Multiplicidade de associações binárias Navegabilidade de associações Classe-Associação Associações n-árias Agregação Multiplicidade da agregação Hierarquias de objectos Generalização Hierarquias de classes Herança de propriedades Polimorfismo

5 Finalidade dos Diag. de Classes
Um diagrama de classes serve para modelar o vocabulário de um sistema, do ponto de vista do utilizador/problema ou do implementador/solução Ponto de vista do utilizador/problema – na fase de captura e análise de requisitos, em paralelo com a identificação dos casos de uso Vocabulário do implementador/solução – na fase de projecto (design) Construído e refinado ao longo das várias fases do desenvolvimento do software, por analistas, projectistas (designers) e implementadores Também serve para: Especificar colaborações Especificar esquemas lógicos de bases de dados

6 Objectos do Mundo Real e Objectos Computacionais
No desenvolvimento de software orientado por objectos, procura-se imitar no computador o mundo real visto como um conjunto de objectos que interagem entre si Alguns objectos computacionais são imagens de objectos do mundo real Dependendo do contexto (análise ou projecto) podemos estar a falar em objectos do mundo real, em objectos computacionais ou nas duas coisas em simultâneo Exemplos de objectos do mundo real: o Sr. João o carro com matrícula ES-00-01 a aula de ES no dia 11/10/2000 às 11 horas Exemplos de objectos computacionais: o registo que descreve o Sr. João (imagem de objecto do mundo real) uma árvore de pesquisa binária (objecto puramente computacional)

7 Noção de Objecto Um objecto é algo com fronteiras bem definidas
relevante para o problema em causa com estado, comportamento e identidade estado: valores de atributos (tamanho, forma, peso, etc.) e ligações com outros objectos identidade no espaço: é possível distinguir dois objectos mesmo que o seu estado seja idêntico exemplo: podemos distinguir duas folhas de papel A4, mesmo que tenham os mesmos valores dos atributos identidade no tempo: é possível saber que se trata do mesmo objecto mesmo que o seu estado mude exemplo: se pintarmos um folha de papel A4 de amarelo, continua a ser a mesma folha de papel comportamento: um objecto exibe comportamentos invocáveis (por resposta a mensagens) ou reactivos (por resposta a eventos)

8 Noção de Classe Uma classe é um descritor de um conjunto de objectos que partilham as mesmas propriedades (atributos, operações, relações e semântica) Trata-se de uma noção de classe em compreensão, no sentido de tipo de objecto, por oposição a uma noção de classe em extensão, como conjunto de objectos do mesmo tipo Um objecto de uma classe é uma instância da classe A extensão de uma classe é o conjunto de instâncias da classe Em Matemática, uma classe é um conjunto de “objectos” com uma propriedade em comum, podendo ser definida em compreensão ou em extensão C = {x |N : x mod 3 = 2} = {2, 5, 8, 11, 14, ...}

9 Noção de classe (cont.) Em UML, é habitual escrever os nomes das classes no singular (nome de uma instância da classe), com a primeira letra em maiúscula Exemplos de classes: Coisas concretas: Pessoa, Turma, Carro, Imóvel, Factura, Livro Papéis: Aluno, Professor, Piloto Eventos: Curso, Aula, Acidente Tipos de dados: Data, Intervalo de Tempo, Número Complexo, Vector Para se precisar o significado pretendido para uma classe, deve-se explicar o que é (e não é ...) uma instância da classe Exemplo: “Um aluno é uma pessoa que está inscrita num curso ministrado numa escola. Uma pessoa que esteve no passado inscrita num curso, mas não está presentemente inscrita em nenhum curso, não é um aluno.” Em geral, o nome da classe não é suficiente para se compreender o significado da classe

10 Noção de classe (cont.) O conjunto de todos os objectos num determinado contexto/domínio/aplicação forma um universo numa fase de análise, é habitual falar em universo de discurso (UoD - Universe of Discourse) As classes (em extensão) são subconjuntos do UoD UoD Aluno x João Curso x Maria x Informática classe x Rui x Electrotecnia Funcionário objecto x Dª Rita x Sr. Silva

11 Representação de classes e objectos
Nos diagramas (de classes), uma classe é representada por um rectângulo com o nome da classe Nos diagramas (de objectos), um objecto é representado por um rectângulo com o nome sublinhado Aluno Funcionário Curso João: Aluno ou : Aluno ou João: nome do objecto separador objecto anónimo nome da classe classe não especificada

12 Noção de atributo Um atributo é uma propriedade com nome de uma classe que descreve uma gama de valores que as instâncias da propriedade podem tomar Exemplos: atributos de Pessoa: nome, data de nascimento, peso, etc. atributos de Carro: matrícula, ano, peso, etc. Um atributo de uma classe tem um valor (possivelmente diferente) em cada instância (objecto) da classe Exemplo: João é uma pessoa com nome “João Silva”, data de nascimento “18/3/1973” e peso “68 Kg” Todos os objectos de uma classe são caracterizados pelos mesmos atributos Uma classe não pode ter dois atributos com o mesmo nome Podem existir atributos com o mesmo nome em classes diferentes (ver atributo peso definido nas classes Pessoa e Carro) O valor de um atributo de um objecto pode mudar ao longo do tempo O estado de um objecto num dado momento é dado (em parte) pelos valores dos seus atributos (outra parte é dada pelas ligações que tem com outros objectos)

13 Representação de atributos e valores
Atributos são listados num compartimento de atributos (opcional) a seguir ao compartimento com o nome da classe A seguir ao nome de um atributo pode indicar-se o tipo de dados (ou classe) e o valor inicial por omissão Os nomes dos tipos não estão pré-definidos em UML, podendo-se usar os da linguagem de implementação alvo Pessoa nome: string data de nascimento: date peso: real = 75 kg valor inicial por omissão João: Pessoa nome = “João Silva” data de nascimento = 18/3/1973 peso = 70 kg classe objecto compartimento de atributos

14 Noção de operação “Uma operação é a implementação de um serviço que pode ser solicitado a qualquer objecto da classe” Uma operação é algo que se pode (mandar) fazer a um objecto de uma classe Uma operação é um serviço oferecido pelos objectos de uma classe As operações são representadas num compartimento de operações, a seguir ao compartimento de atributos Para cada operação pode-se indicar o nome, lista de argumentos e tipo de retorno Pessoa nome: string morada: string mudar-morada(nova-morada:string): bool

15 Associações binárias Participante-1 Participante-2 Nome da associação papel-1 papel-2 Uma associação é uma relação estrutural (física ou lógica) entre objectos das classes participantes (um objecto de cada classe em cada ligação) Não gera novos objectos Matematicamente,uma associação binária é uma relação binária, i.e., um subconjunto do produto cartesiano das extensões das classes participantes Assim como um objecto é uma instância duma classe, uma ligação é uma instância duma associação Pode haver mais do que uma associação (com nomes diferentes) entre o mesmo par de classes

16 Auto-associação Pode-se associar uma classe com ela própria (em papéis diferentes) Pessoa Paternidade pai filho 0..1 * mãe Maternidade

17 Multiplicidade de associações binárias
muitos-para-muitos muitos-para-um um-para-um Notação: * - zero ou mais 1 - exactamente um zero ou um 1..* - um ou mais 1, um ou três a 5 x Partic. 1 Partic. 2 * 1

18 Navegabilidade de associações
As associações são classificadas quanto à navegabilidade em: bidirecionais (normal) unidirecionais um objecto da classe 1 tem a responsabilidade de dar o(s) objecto(s) correspondente(s) da classe 2 (nível de especificação) ou um objecto da classe 1 tem apontador(es) para o(s) objecto(s) correspondente(s) da classe 2 (nível de implementação) Pode-se indicar o sentido em que se lê o nome duma associação Class-1 Class-2 Empresa Pessoa Trabalha-para Emprega empregador empregado

19 Classe-Associação reúne as propriedades de associação e classe
Association Name link attribute ... link operation reúne as propriedades de associação e classe o nome pode ser colocado num sítio ou noutro, conforme interessa realçar a natureza de associação ou de classe, mas a semântica é a mesma o nome também pode ser colocado nos dois sítios não é possível repetir combinações de objectos das classes participantes na associação

20 Associações n-árias Notação Multiplicidade Association Name Class-1
a cada par de objectos das restantes classes (1 e 2), correspondem 0 ou 1 objectos da classe 3 Class-1 Class-2 Association Name role-1 role-2 Class-3 role-3 Class-1 Class-2 Class-3 0..1

21 Atributos versus Associações
Uma propriedade que designa um objecto de uma classe presente no modelo, deve ser modelada como uma associação e não como um atributo Exemplo: o país Canadá é um objecto cujo atributo nome tem o valor "Canadá" (cadeia de caracteres) a capital do Canadá é um objecto cidade e não deve ser modelada como um atributo, mas antes como uma associação entre um objecto país e um objecto cidade, cujo nome é a cadeia "Otawa"

22 Agregação Relação semântica “part of”
Traduz a criação de objectos mais complexos a partir de objectos mais simples Pode-se ver como uma associação com nomes pré-definidos (contém / faz parte de) Classe de agregados Classe de componentes Texto Parágrafo * 1 Palavra Um texto contém 0 ou mais parágrafos Um parágrafo faz parte de um texto Um parágrafo contém 0 ou mais palavras Uma palavra faz parte de um parágrafo

23 Multiplicidade da agregação
As partes (componentes) podem ser partilhadas ou exclusivas dependentes ou independentes repetidas ou únicas obrigatórias ou opcionais ..* ..1 1.. 0.. ..* ..1 1.. 0..

24 Generalização Super-classe Sub-classe generalização especialização Pessoa Aluno Relação semântica “is a” (“é um” / “é uma”) : um aluno é uma pessoa Relação de inclusão nas extensões das classes: UoD super-classe sub-classe x objecto extensão (sub-classe)  extensão (super-classe) Relação de herança nas propriedades: A sub-classe herda as propriedades (atributos, operações e relações) da super-classe, podendo acrescentar outras

25 Exemplo em C++ class Pessoa { private: string nome; Data dataNascimento; public: Pessoa(string, Data); string getNome() const; Data getDataNascimento() const; int getIdade() const; void setNome(string); void setDataNascimento(Data); void imprime() const; }; class Aluno : public Pessoa { private: string curso; public: Aluno(string nm, Data, string crs); string getCurso() const; void setCurso(string); void imprime() const; };

26 Hierarquias de classes
Em geral, pode-se ter uma hierarquia de classes relacionadas por herança / generalização em cada classe da hierarquia colocam-se as propriedades que são comuns a todas as suas subclasses  evita-se redundância, promove-se reutilização!

27 Notações Alternativas para Hierarquias de classes
Aluno Professor Pessoa

28 Polimorfismo Numa sub-classe podem-se redefinir operações da super-classe Polimorfismo: uma operação de uma classe comporta-se de forma diferente consoante a sub-classe do objecto a que a operação é aplicada Caso da operação imprime() no exemplo anterior Em UML, quando se repete (a assinatura) de uma operação numa sub-classe, quer-se dizer que a operação tem uma implementação diferente (a implementação não é herdada) chama-se método à implementação da operação

29 Diagramas de Classes: Conceitos Avançados

30 Sumário Aspectos da generalização: Classes e operações abstractas
Subclasses sobrepostas Subclasses incompletas Herança múltipla Classificação dinâmica Classes e operações abstractas Atributos e operações do âmbito da classe Visibilidade de atributos e operações Multiplicidade de classes e atributos Restrições Elementos derivados Relações avançadas: associação qualificada composição dependência concretização ("realization") Classes avançadas: classe parametrizada ("template") metaclasse utilitário tipo interface

31 Subclasses sobrepostas ( disjuntas)
caso em que um objecto da superclasse pode pertencer simultaneamente a mais do que uma subclasse indicado por restrição {overlapping} o contrário é {disjoint} (situação por omissão?) {overlapping} Superclass Subclass-1 Subclass-2 ou

32 Subclasses incompletas (completas)
caso em que um objecto da superclasse pode não pertencer a nenhuma das subclasses indicado por restrição {incomplete} o contrário é {complete} (situação por omissão?) Técnico Comercial Funcionário {incomplete}

33 Herança múltipla (simples)
ocorre numa subclasse com múltiplas superclasses geralmente suportada por linguagens de programação OO Académico pelo menos conceptualmente, existe uma superclasse comum nome {overlapping} Só faz sentido assim! Estudante Professor curso categoria herda propriedades de Estudante e Professor e, indirectamente, de Académico (uma única vez!) Professor-Estudante redução de horário

34 Classificação múltipla (simples)
caso em que um objecto pode pertencer num dado momento a várias classes, sem que exista uma subclasse que represente a intersecção dessas classes (com herança múltipla) Homem Mulher Pessoa sexo Paciente paciente função Médico Enfermeira Fisioterapeuta {complete} combinações legais: {Mulher, Paciente, Enfermeira}, {Homem, Fisioterapeuta}, ... Geralmente não suportado pelas LPOO Pode ser simulada por agregação de papéis

35 Classificação dinâmica (estática)
caso em que a(s) classe(s) a que um objecto pertence pode(m) variar ao longo da vida do objecto indicado por estereótipo «dynamic» geralmente não suportado por LPOO atributo discriminante (atributo de pessoa que indica a subclasse a que pertence) Gestor tarefa Pessoa Engenheiro «dynamic» Vendedor Uma pessoa que num dado momento tem a tarefa de gestor, pode noutro momento ter a tarefa de vendedor, etc.

36 Classes e operações abstractas (concretas)
Icon Classe abstracta: classe que não pode ter instâncias directas pode ter instâncias indirectas pelas subclasses concretas Operação abstracta: operação com implementação a definir nas subclasses uma classe com operações abstractas tem de ser abstracta função virtual pura em C++ Notação : nome em itálico ou propriedade {abstract} origin: Point display() getID(): Integer RectangularIcon ArbitraryIcon height: Integer width: Integer edge:LineCollection display() isInside(p:Point):Bool Button Fonte: The UML User Guide, Booch et al display()

37 Atributos e operações do âmbito da classe (instância)
Atributo do âmbito da classe: tem um único valor para todas as instâncias (objectos) da classe, o qual está definido mesmo que não exista nenhuma instância Operação do âmbito da classe: não tem como argumento implícito um objecto da classe Notação: nome sublinhado Correspondem a membros estáticos (static) em C++ e Java Factura número: Long data: Date valor: Real últimoNumero: Long = 0 criar(data:Date,valor:Real) destruir() valorTotal(): Real retorna a soma dos valores de todas as facturas cria uma nova factura com a data e valor especificados, e um número sequencial atribuído automaticamente com base em ultimoNumero

38 Visibilidade de atributos e operações
Toolbar # currentSelection: Tool # toolCount: Integer + getTool(i: Integer): Tool + addTool(t: Tool) + removeTool(i: Integer) - compact() usada internamente por outras operações Visibilidade: + (public) : visível por todos - (private) : visível só por operações da própria classe # (protected): visível por operações da própria classe e descendentes (subclasses) Devem-se esconder todos os detalhes de implementação que não interessam aos clientes (utilizadores) da classe Também aplicável aos papéis nos extremos duma associação

39 Multiplicidade de classes e atributos
Multiplicidade de classe: número de instâncias que podem existir por omissão, é 0..* Multiplicidade de atributo: número de valores que o atributo pode tomar do tipo especificado por omissão é 1 qual a diferença em relação a especificar a multiplicidade no próprio tipo de dados do atributo? 1 NetworkController consolePort [2..*]: Port

40 Restrições Uma restrição especifica uma condição que tem de se verificar Uma restrição é indicada por uma expressão ou texto entre chavetas ou por uma nota posicionada junto aos elementos a que diz respeito, ou a eles ligada por linhas a traço interrompido (sem setas, para não confundir com relação de dependência) OCL - "Object Constraint Language" - pode ser usada para especificar restrições mais formalmente

41 Restrições em classes Pessoa nome dataNascimento localNascimento
dataFalecimento {chave candidata: (nome, dataNascimento, localNascimento)} {dataFalecimento > dataNascimento} Factura LinhaFactura número data 1 * número artigo quantidade valor {chave candidata: (número)} {chave candidata: (factura.número, número)}

42 Restrições em associações
uma factura é constituída por um conjunto ordenado de 0 ou mais linhas {ordered} Factura LinhaFactura 1 * Membro-de * * Pessoa Comité {subset} 1 * Director-de Pessoa associações mutuamente exclusivas {xor} Conta Empresa empregado empregador Pessoa * 1 Empresa chefe 0..1 * trabalhador Pessoa.empregador = Pessoa.chefe.empregador

43 Elementos derivados Elemento derivado (atributo, associação ou classe): elemento calculado em função doutros elementos do modelo Notação: barra “/” antes do nome do elemento derivado Um elemento derivado tem normalmente associada uma restrição que o relaciona com os outros elementos

44 Exemplo de elementos derivados
1 Empresa * Departamento 1 empregador 1 TrabalhaEmDepartamento * Pessoa /TrabalhaEmEmpresa * dataNascimento /idade {Pessoa.empregador =Pessoa.departamento.empresa} {idade = dataActual() - dataNascimento} Movimento / TotalMensal data valor mês valor {valor = (select sum(valor) from Movimento where month(data) = mês)}

45 Associação qualificada
qualificador Classe A Classe B Qualificador: lista de um ou mais atributos de uma associação cujos valores partem o conjunto de objectos associados a um objecto do lado do qualificador no outro extremo da associação em sub-conjuntos disjuntos Serve para navegar ("lookup") de A para B um ficheiro pode aparecer em muitos directórios (mas só pode aparecer uma vez em cada directório, por definição de associação binária) para cada par Directório + nomeFicheiro 0..1 Directório * Ficheiro identificador interno em UNIX nomeFicheiro i-node

46 Relação de composição Forma mais forte de agregação aplicável quando:
existe um forte grau de pertença das partes ao todo cada parte só pode fazer parte de um todo (i.e., a multiplicidade do lado do todo não excede 1) o topo e as partes têm tempo de vida coincidente, ou, pelo menos, as partes nascem e morrem dentro de um todo a eliminação do todo propaga-se para as partes, em cascata O todo é chamado um “compósito” Notação: losango cheio Membros-objecto em C++

47 Notações alternativas para a composição
Window 1 1 1 scrollbar 2 title 1 body 1 Slider Header Panel Window Window scrollbar[2]: Slider title: Header body: Panel 2 scrollbar: Slider 1 title: Header 1 body: Panel (sub-objectos no compartimento dos atributos)

48 Relação de dependência
elemento de que se depende (usado) elemento que depende (usa) Relação de uso entre dois elementos (não necessariamente classes), em que uma mudança na especificação do elemento usado pode afectar o elemento utilizador Exemplo típico: classe-1 que depende de outra classe-2 porque usa operações ou definições da classe-2 Estereótipos comuns: «bind» - com "templates" «derive» - com elementos derivados (dependentes) etc.

49 Relação de concretização ("realization")
Classs A Classe B Relação semântica entre classes, em que uma classe (A) especifica um contrato que outra classe (B) assegura Aplicável em geral entre classificadores (classes, casos de uso, componentes, etc.) Normalmente usada para relacionar um interface (A) com uma classe ou componente (B) que proporciona as operações ou serviços especificados no interface

50 Classes parametrizadas (templates)
classe parametrizada T k: Integer parâmetros formais FArray diferente da generalização, porque não se podem acrescentar propriedades! data [k] : T parâmetros actuais «bind» (Point,3) ThreePoints ou Farray<Point,3> classe ligada ("bound") C++: template <class T, int k> class FArray { public: T[k] data; }; typedef Farray<Point,3> ThreePoints;

51 «metaclass» SYSCLASSES
Metaclasses Uma metaclasse é uma classe cujas instâncias são classes Notação: classe com estereótipo «metaclass» Usadas geralmente em meta-modelos Relação de instanciação (entre classe e metaclasse, objecto e classe, etc,) pode ser indicada por dependência com estereótipo «instanceOf» «metaclass» SYSCLASSES name Class-1 «instanceOf» object-1: Class-1 «instanceOf»

52 Utilitários Um utilitário é um agrupamento de variáveis globais e procedimentos como classe Notação: classe com estereótipo «utility» «utility» MathPack pi: Real sin(ang: Real): Real cos(ang: Real): Real atributos e operações deviam estar sublinhados?

53 Tipos ( classes de implementação)
Classes podem dividir-se em tipos e classes de implementação Um tipo é usado para especificar um domínio de objectos em conjunto com as operações aplicáveis a esses objectos, sem especificar a implementação física desses objectos não pode incluir métodos (implementação de operações) pode incluir atributos e associações (abstractos?), mas apenas com o objectivo de especificar o comportamento das operações, sem compromisso de implementação notação: classe com estereótipo «type» Uma classe de implementação define a estrutura física de dados (para atributos e associações) e métodos de um objecto tal como é implementado numa linguagem tradicional notação: classe normal ou classe com estereótipo «implementationClass» diz-se que uma classe de implementação concretiza ("realizes") um tipo se proporciona todas as operações definidos no tipo, com o mesmo comportamento especificado no tipo

54 Exemplo com tipos e classes de implementação
«type» FinitePriorityQueue isFull():Boolean maxSize:Integer PriorityQueue insert(x:T, priority:Integer) deleteMax():T isEmpty():Boolean T «implementationClass» HeapFinitePriorityQueue + insert(x: T, priority: Integer) + deleteMax():T + isEmpty(): Boolean + isFull(): Boolean - HeapifyUp - HeapifyDown T maxSize:Integer - elems [0..maxSize]: T - size: Integer = 0 «implementationClass» HeapFilaPacientes «bind» (Paciente, 100)

55 Interfaces Um interface especifica um conjunto de operações externamente visíveis de uma classe (ou componente, subsistema, etc.) semelhante a um tipo sem atributos nem associações semelhante a uma classe abstracta só com operações abstractas e sem atributos nem associações Uma classe de implementação pode ter vários interfaces Vantagem em separar interface de implementação: os clientes de uma classe podem ficar a depender apenas da classe de interface em vez da classe de implementação Notação: classe com estereótipo «interface» (ligada por relação de concretização à classe de implementação) ou círculo (ligado por linha simples à classe de implementação)

56 Notações alternativas para interfaces
Notação: classe com estereótipo «interface» (ligada por relação de concretização à classe de implementação) ou círculo (ligado por linha simples à classe de implementação) ClientClass ClientClass «interface» InterfaceClass InterfaceClass ou operations ImplementationClass ImplementationClass attributes attributes operations operations