UML диаграммы: что это такое, принципы проектирования, виды диаграмм и примеры использования

UML предложил миру унифицированную стандартную нотацию моделирования, о которой ИТ-специалисты мечтали годами. Используя UML, они смогли свободно читать и создавать понятные всем, кто знаком с этим языком, структуры систем и планы проектирования – подобно тому, как строители обмениваются понятными им чертежами зданий. Это сделало процесс проектирования более прозрачным и предсказуемым. UML позволил разным командам говорить на одном техническом «диалекте», избегая двусмысленностей и сокращая время на согласования.

Размещая стандартные диаграммы UML в своих рабочих продуктах, вы облегчаете для специалистов, владеющих UML, быстрое погружение и включение в рабочие процессы, а также повышаете их продуктивность, осведомлённость и ускоряете работу команды над итоговым продуктом.

Что такое UML-диаграммы

UML-диаграмма – это визуальная схема, использующая обозначения и связи стандарта проектирования бизнес-процессов UML. По факту UML-диаграммы сильно напоминают блок-схемы, с помощью которых разными способами визуализируются алгоритмы программ.

И это не случайно, так как аббревиатура UML расшифровывается как Unified Modeling Language. Дословный перевод на русский язык – «унифицированный язык моделирования». Благодаря такому подходу даже сложные системы можно описывать наглядно и структурированно, а сами диаграммы становятся универсальным инструментом для анализа и обсуждения архитектуры.

Что такое UML

UML разрабатывается и поддерживается компанией OMG – Object Management Group. Это международный некоммерческий консорциум, основанный в 1989 году. Штаб-квартира располагается в США, штат Массачусетс. Изначально учредителями консорциума выступили 11 крупных IT-компаний, включая Apple, Hewlett Packard, Sun Microsystems (ныне поглощена Oracle), IBM и Canon. Сейчас консорциум насчитывает более 800 участников. Широкая поддержка ведущих игроков рынка помогла UML быстро завоевать статус глобального стандарта и закрепиться в корпоративных практиках разработки.

Тот же самый консорциум занимается разработкой стандарта BPMN. Про нее мы рассказывали здесь.

Обратите внимание, что названия MDA (Model Driven Architecture), UML (Unified Modeling Language), CORBA (Common Object Request Broker Architecture) и XMI (XML Metadata Interchange), а также все связанные с ними логотипы являются зарегистрированными товарными знаками Object Management Group, Inc. Сама спецификация UML ни в коем случае не подлежит распространению без разрешения владельца авторского права.

Одной из целей создания UML было предоставить сообществу разработчиков единый язык проектирования для разработки и создания архитектурно сложных компьютерных приложений.

На выходе получился язык графических элементов с широкой областью использования, который применяется для создания абстрактных, но универсальных для понимания UML-моделей.

Одна из причин, по которой UML стал стандартным языком моделирования, заключается в том, что он не зависит от конкретного языка программирования. Он оперирует несколькими типами диаграмм, которые при использовании в рамках данной методологии упрощают понимание разрабатываемого приложения и описывают процессы.

Соответственно, разработчики могут проектировать приложения, которые будут использовать в своём составе разные языки программирования и API-интерфейсы, контейнеризацию, территориально и физически разнесённую модульную инфраструктуру и т.п.

История создания языка UML

К 1994 году назрела необходимость создать единый для понимания язык моделирования, который понимали бы и IT-специалисты, и заказчики их услуг. Так, в 1994 году компания Rational Software вплотную задалась вопросом создания универсального языка объектно-ориентированного моделирования, взяв за основу несколько уже существовавших методологий проектирования и разработки (в частности, речь о наработках Booch и Object-Modeling Technique). Эта инициатива стала отправной точкой для формирования стандарта, который позже получил название UML и радикально изменил подход к проектированию сложных систем.

В 1995 году была выпущена первая версия языка Unified Method 0.8. Тогда же к разработчикам Гради Бучу (автор техники объектного моделирования – OMT) и Джеймсу Рамбо (перешёл из General Electric) присоединился Ивар Якобсон, ранее разработавший метод объектно-ориентированной системной инженерии (англ. OOSE). В результате OOSE был интегрирован в UML.

В 1996 году были выпущены версии языка Unified Modeling Language 0.9 и 0.91. К этому моменту все больше компаний вовлекались в процесс разработки. Так появился консорциум UML Partners, в который вошли несколько организаций, готовых выделить дополнительные ресурсы для работы над созданием UML 1.0.

В 1997 году в результате совместной работы участников был выпущен, по сути, первый рабочий инструмент – UML 1.0. Именно он был показан Object Management Group в статусе черновика для последующей стандартизации. Наработки устроили OMG, поэтому уже к ноябрю увидел свет UML 1.1. Целью выпуска UML 1.1 было повышение ясности семантики и уточнения нотаций UML 1.0 с учётом предложений новых партнёров. Доработки выполнялись под председательством Криса Кобрина.

Последующие релизы выходили реже – в 1999, 2001 и 2003 годах. Они включали версии UML 1.3, 1.4 и 1.5.

В 2005 году в качестве международного стандарта был принят Unified Modeling Language 1.4.2. В том же году началась разработка второй версии UML. Главное отличие UML 2.0 – расширенная поддержка методологии Model Driven Development (MDD – разработка, управляемая моделями).

Версии 2.1.1 и 2.1.2 появились в 2007 году, а затем была UML 2.2 в феврале 2009 года.

В 2012 году на основе нотации UML 2 был уточнён стандарт ISO/IEC 19505-1.

В 2013 году компания OMG активно продвигала UML во многих контекстах, но в первую очередь, конечно, для разработки программного обеспечения. Язык позиционировался как лёгкое решение для новичков в проектировании дизайна.

В 2015 году вышла стабильная спецификация и нотация UML 2.5, которая дорабатывалась с 2012 года.

Текущая актуальна версия UML 2.5.1. Она представлена в декабре 2017 года и имеет статус «формальная».

Историю всех вариантов UML можно найти на официальном сайте консорциума – здесь.

Интерес к UML активно снижается. Отчасти камнями преткновения выступили неправильное продвижение и злоупотребление, так как язык предлагался к применению там, где это было излишне. В результате в 2016 году Visual Studio прекратила поддержку UML из-за редкого использования. Переводить свои наработки и спецификации под лицензию GPL консорциум OMG не стал. Но все же это отличный инструмент для создания архитектура программного обеспечения и визуализации процессов.

Мнение эксперта по языку моделирования (программирования) диаграмм UML

Алексей Кравцов, архитектор программных систем с более чем 15-летним опытом проектирования и внедрения корпоративных решений

Сегодня язык UML фактически перешёл в нишу вспомогательных инструментов и уже не является языком массового применения. На старте, когда появился UML 1, это казалось революцией: единый стандарт, унифицированный метод, наборы элементов и понятная спецификация. Позднее, на волне успеха, вышли новые релизы UML 2.0+, где были добавлены некоторые расширения для семантики и уточнён абстрактный синтаксис. UML позволял детально описывать различные аспекты поведения и взаимодействия, а также строить наглядные структурные схемы, которые помогают разработчикам при работе со сложными системами и архитектурами.

Однако практика показала ряд ограничений. UML оказалось одинаково сложно применять как для моделирования бизнес-процессов, так и для проектирования программных систем: в реальных приложениях разработчикам удобнее работать напрямую с кодом. А когда код отражает архитектуру, поддерживать актуальность UML-диаграмм становится накладно. Документирование программных решений через UML формально ценится, но в реальных проектах максимум используются лишь диаграммы классов и диаграммы последовательности. Дальнейшая детализация излишня.

Причина снижения интереса проста: UML включают большое количество базовых элементов и графических обозначениях, но команды разработчиков предпочитают понятные схемы и лёгкие способы описания различных структур, буквально набросанные от руки, например, в блок-схема или в формате майнд-карт. Современные методы разработки и средства разработки позволяют визуализировать архитектуру программного обеспечения по-другому – прямо в средах IDE и в системах контроля версий (GIT). В итоге UML получил статус нишевого инструмента: он помогает создавать абстрактные модели и в основном используется для обучения построения сложных архитектур, а также для описания и стандартизации бизнес-процессов в крупных корпорациях.

Что за язык Unified Modeling Language и можно ли на нём программировать

Главная задача UML – способствовать автоматизации процессов, которые происходят в мире разработки программного обеспечения. Повысить его качество, снизить затраты и ускорить вывод продукта на рынок – это цель любой компании, занятой в данной сфере. Переход на UML способен существенно упростить автоматизацию многих процессов благодаря использованию знакомых и универсальных символов.

• Универсальный язык визуального моделирования может способствовать тому, что игроки рынка могут автоматически генерировать схемы и UML-диаграммы на основе кода. А с помощью специализированных инструментов проводить обратное действие – менять код в ответ на изменения UML-схемы.
• Благодаря полноте последних версий UML не нужно ничего придумывать дополнительно – все символы визуализируют сложные процессы и уже используются, для всех сущностей придуманы обозначения.
• Благодаря стандартизации схем они понятны каждому, кто погрузился в язык UML, и это способствует эффективной совместной работе. Можно не говорить на одном языке, но понимать схемы друг друга благодаря UML.

С учетом всего перечисленного неудивительно, почему язык визуализации получил распространение в суровом корпоративном секторе разработки ПО.

Теперь о том, можно ли программировать на UML – и да, и нет. Технически язык позволяет описать рабочий процесс, а ещё его можно использовать как основу для генерации кода (например, классов и интерфейсов в Java, C#, C++). Это называется MDA (Model-Driven Architecture) или «модельно-ориентированная разработка». Существуют даже профильные инструменты (например, Enterprise Architect, Visual Paradigm, IBM Rational, StarUML и другие), которые умеют генерировать каркас кода по диаграммам и обратно строить диаграммы из готового кода.

Но UML не компилируется и не выполняется. Это не полноценный язык программирования, а скорее универсальный унифицированный язык для описания процессов. В общем, его роль – визуализация сложных систем и процессов на разных уровнях и при любых топологиях/связях между узлами и блоками.

Принцип и назначение инструмента UML в проектах

В разработке ПО обычно задействовано большое количество самых разных специалистов. Это могут быть и дизайнеры, и аналитики, и программисты, и тестировщики – не считая заказчиков и тех, кто выдаёт техзадание.

UML-диаграммы оперируют разнообразными символами и обозначениями, которые легко читаются и понимаются без слов, – благодаря этому специалисты различного профиля могут получить нужные знания и понимание принципов работы системы на разных уровнях детализации. Типы диаграмм, которые можно построить благодаря знанию UML, покрывают все нужды любой команды или проекта, работающего над технической задачей любой сложности, помогают визуализировать этапы проекта и показывают взаимодействие разработчиков.

Всего в UML используется 14 типов диаграмм, о которых пойдет речь ниже.

Типы диаграмм UML

Чтобы понять, как устроены и работают UML-диаграммы, нужно погрузиться в основы ООП (объектно-ориентированного программирования), где используются следующие принципы:

• Классы – это абстрактные шаблоны, описывающие свойства (атрибуты) и поведение (методы) объектов.
• Объекты – конкретные экземпляры классов, которые существуют в системе и хранят данные.
• Инкапсуляция – концепция объединения данных и методов в одном объекте с управлением доступом к ним (например, через модификаторы доступа).
• Наследование – возможность создавать новые классы на основе существующих, расширяя или переопределяя их функциональность.
• Полиморфизм – способность объектов разных классов реагировать на одинаковые сообщения (вызовы методов) по-разному.
• Абстракция – выделение ключевых характеристик объектов без лишних деталей.

UML как язык моделирования напрямую отражает эти принципы. Например, диаграмма классов показывает классы, их атрибуты, методы и связи (наследование, ассоциации, агрегации, композиции).

UML-диаграммы можно разделить на две большие группы:

• структурные,
• поведенческие.

Если их визуализировать, то получится следующая схема:

Давайте расскажем о классификации подробнее.

1. Структурные UML-диаграммы

Описывают, что конкретно есть в системе. Они включают в себя:

1. Диаграммы классов (Class Diagram) – отвечают за отображение иерархии классов, связей между ними, атрибутов, методов и интерфейсов.
2. Диаграммы объектов (Object Diagram) – это уже конкретные экземпляры объектов и связи между ними в определённый момент времени.
3. Диаграммы компонентов (Component Diagram) – структурные диаграммы, которые отображают основные модули системы (компоненты, блоки, подсистемы, библиотеки, узлы, пакеты и т.п.), а также связи между ними.
4. Диаграммы развертывания (Deployment Diagram) – отвечают за визуализацию физической архитектуры: серверы, устройства, соединения. Это всё то, поверх чего может работать система автоматизации (программная среда).
5. Диаграммы пакетов (Package Diagram) – диаграммы, которые группируют элементы модели в пакеты (здесь под пакетами подразумеваются объединения большого количества структурных и поведенческих элементов в единое целое).
6. Диаграммы композитной структуры (Composite Structure Diagram) – отвечают за визуализацию внутренней структуры классов или компонентов. В качестве подвида диаграмм композитной структуры выделяют диаграммы кооперации (Collaboration diagram). Они показывают роли классов при взаимодействии друг с другом.
7. Диаграммы профилей (Profile Diagram) – действуют на уровне метамодели и используются для того, чтобы отображать стереотипы как классы со стереотипом, а профили как пакеты со стереотипом.

2. Поведенческие UML-диаграммы

Описывают, как ведёт себя система. Поведенческие UML-диаграммы включают:

1. Диаграммы вариантов использования, они же диаграммы прецендентов (Use Case Diagram) – отображают кто и что делает с системой, включают акторов и преценденты. Под прецендентами понимаются действия, которые приводят к конкретным измеримым результатам.
2. Диаграммы деятельности (Activity Diagram) – визуализируют рабочие процессы, алгоритмы, бизнес-процессы. На таких диаграммах лучше всего видно, как связаны между собой действия, которые обозначены на диаграммах состояний.
3. Диаграммы состояний (State Machine Diagram) – описывают различные состояния объектов и переходы между ними. Основы работы состояний во многом были заимствованы из теории автоматов.

Группа диаграмм взаимодействия (Interaction Diagrams). Включает в себя:

• Диаграммы общих взаимодействий (Interaction Overview Diagram) – позволяют увязать в единое целое диаграммы действий и диаграммы последовательностей.
• Диаграммы последовательностей (Sequence Diagram) – отвечают за детализацию отдельных процессов, например, в рамках жизненного цикла, в привязке ко времени.
• Диаграммы коммуникаций (Communication/Collaboration Diagram) – визуализируют обмен сообщениями между объектами (только связи, без временной оси).
• Диаграммы временной последовательности / синхронизации (Timing Diagram) – отображают поведение объектов во времени с акцентом на изменение состояний.

FAQ по построению и моделированию UML-диаграмм

Чем отличается диаграмма классов и диаграмма объектов?

Понять разницу между ними бывает непросто. Даже визуально эти две диаграммы выглядят одинаково, составленные из стандартных прямоугольных блоков, с использованием связей и атрибутов.

На самом деле они отражают два разных аспекта и описывают разные уровни абстракции системы: первая показывает общую структуру системы на уровне шаблонов – классы, их атрибуты, методы и связи. Вторая же детализирует экземпляры классов (объекты), их текущие значения свойств и реальные связи между ними. Проще говоря, диаграмма классов задаёт архитектурный каркас, а диаграмма объектов иллюстрирует, как этот каркас детализируется и реализуется предметно.

Что такое нотация UML и чем она отличается от нотации BPMN?

ЮМЛ – это нотация для архитектуры ПО, где диаграмму можно рисовать как логический каркас системы, а BPMN (Business Process Model and Notation) ориентирован на бизнес-процессы. Кратко: UML описывает функциональный код, а BPMN – работу людей и ролей.

Можно ли создавать диаграммы BPMN и UML в одном проекте одновременно?

Да, можно, и это делают достаточно часто: BPMN диаграммой показывают процессы бизнеса, а UML помогает нарисовать структуру кода проекта и сделать документацию понятной и наглядной.

Как построить UML-диаграмму, если процесс ещё не полностью описан?

Гайд по созданию UML-диаграмм может быть очень большим. Одна только спецификация занимает 740 страниц печатного текста. Освоить её смогут самые замотивированные и упорные. Но если сильно упростить процесс, то можно начать с постройки базовой схемы: нарисовать главные сущности и перечислить ключевые шаги, затем дополнять список по мере анализа и детализации. В UML правила позволяют сделать диаграмму итеративно, не дожидаясь 100% ясности.

Для чего используется модель «диаграммы деятельности» и в каких случаях она нужна?

Эта диаграмма выглядит как схема шагов с ветвлениями и помогает сделать функциональную модель рабочих процессов (как технологические карты), бизнес-логики, процессов производства и т.п. Её главная функция – визуальное представление последовательностей действий, которые составляют общий поток управления. Такие диаграммы могут включать стадии, решения, параллельные потоки (полосы), начало и конец процесса. В ранних версиях стандарта (UML 1.x) вместо диаграмм деятельности использовали диаграммы состояний.

Какое использование диаграмм наиболее эффективно при разработке программного обеспечения?

В практике разработки ПО наиболее логично будет воспользоваться диаграммой классов и диаграммой последовательности: они обеспечивают построение логического каркаса, правил связей между элементами системы и документацию. С такими диаграммами можно работать онлайн – достаточно использования любых блочных конструкторов схем.

Какой вид диаграммы лучше отражает работу пользователей с системой?

Лучше всего для этого подходит диаграмма вариантов использования: она позволяет нарисовать акторов, показать функциональный список их действий и сделать представление того, как выглядит работа пользователей в системе.

Заключение

UML-диаграммы удобны для визуализации архитектуры и процессов. Они помогают команде понять структуру системы, роли и взаимосвязи. Но сами по себе диаграммы остаются статичной моделью, ведь после обсуждения наступает самая сложная часть — ежедневное управление: разбить глобальную картину на конкретные шаги, распределить задачи, контролировать дедлайны и держать коммуникацию в одном месте.Чтобы идеи на схеме превратились в реальные шаги — нужен инструмент управления.

Projecto закрывает этот разрыв между теорией и практикой.

• Из общей схемы рождаются отдельные задачи с ответственными.
• Календарь фиксирует сроки сдачи, чтобы ни одна деталь не ускользнула.
• Встроенный мессенджер экономит время: обсуждения и файлы всегда рядом с задачами.
• Автоматические отчеты помогают видеть, как модель проекта превращается в результат.

Вместе UML и Projecto работают как связка: схема задает направление, а система превращает её в рабочий процесс, где каждая идея получает исполнение и результат становится прогнозируемым.