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Lezione 6. Modelli astratti: ER, UML Class diagrams, DF

• [S2000, Cap. 7]

• [GJM91, Cap. 5]

• [BRJ99, Capp. 4, 5]

Modelli astratti classificati secondo il loro orientamento a rappresentare dati/funzioni/controllo.

Entity-Relation (-Attribute) diagrams UML Class diagrams and class relationships

• dependency, generalization, association, aggregation, composition

Data-Flow diagrams

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Feasibilitystudy

Requirementselicitation and

analysisRequirementsspecification

Requirementsvalidation

Feasibilityreport

Systemmodels

User and systemrequirements

Requirementsdocument

System models nel contesto R.E.

System models help understand data, functionality, and perhaps control aspects of the system, and to communicate with the Client. They must leave out details

Different models provide complementary viewpoints about the system (not VORD viewpoints)

Slide 3

Sistemi = funzioni + dati + controllo

Programmi

Algoritmi

DatiAlgoritmi

Logica Controllo

Sistemi

Funzioni

Controllo

Dati

Slide 4

Relazioni fra modelli rispetto alle ‘dimensioni’ dati/funzioni

Rappresentazionedi dati e loro relazioni

Rappresentazione di funzionie loro input-output

E.R.

O-OO-O

XFSM/P.A.XFSM/P.A.

Data Flow

Usano ereditarieta’

Trattano il controllo

E. R. = Entity relationO-O = Object-Oriented (Class diagrams)XFSA = Extended Finite State MachinesP.A. = Process algebra (p.es LOTOS)

= meno formale, incompleto (black-box), Enfatizza un solo aspetto ==> adatto alla fasedei Requirements

Slide 5

Formalismi rispetto Dati/Funzioni/Controllo

FSM = Finite State MachinesXFSM = Extended FSMPN = Petri NetPr/T = Predicate/TransitionO-O = Object-Oriented DesignDFD = Data Flow DiagramsER = Entity-Relation diagramsADT = Abstract Data Types

Z

Slide 6

Expressive dimensions and model applicability

Requiremens analysis Design

Abstract models

Formal specSoftwareSpec.

LowLevel

design

HighLevel

architecture

ER (data)

DFD (function)1 dim.

FSM, PN, Basic LOTOS (Control + Function)

ADT, Z (Data + Function)2 dim.

3 dim.XFSM, Pr/T Nets, Full LOTOSO-O (Data+Function+Control),

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ER diagrams for data modeling

Entity-relation-attribute (ER or ERA) model identifies the entities in the system, their relations and attributes

Also used to describe the logical structure of data processed by the system

Widely used in database design ==> information systems. Can readily be implemented using commercial relational databases

Similar to UML Class Diagrams• but classes include attributes and operations

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Example: ERA structure of a Software Design

Design

namedescriptionC-dateM-date

Link

nametype

Node

nametype

links

has-links

12

1 n

Label

nametexticon

has-labelshas-labels

1

n

1

n

has-linkshas-nodes is-a

1

n

1

n1

1

Complementsthe DFD for theCASE toolset(slide 11)

C-date:creation date

M-Date:modification date

La freccia serve soloa facilitarela lettura della relazioneed è indipendente dalleindicazioni di molteplicità

Slide 9

Node<---2-<links>-1----Link denota una relazione ternaria in

Node X Node X Link • NOTA: il diagramma non dice se e’ ammesso il caso (N1, N2, Link1) links e

(N1, N2, Link2) links, o se uno stesso link puo’ essere associato a 2 coppie distinte di nodi.

Node----1-<has_links>-N--->Link denota una relazione ad arità non fissa in...

• Rimarrebbe poi da stabilire la mutua consistenza di link e has_links...

UK = 0

infinito

Node X Linkk

Slide 10

nota

La interpretazione delle etichette di molteplicità data da Sommerville, illustrata nella slide precedente, appare diversa da quella adottata in UML, e piu’ problematica… Per esempio, in una relazione Studente x Classe dove ogni studente puo’ seguire piu’ classi, e ogni classe avere piu’ studenti, si dovrebbero usare due stichette ‘n’ per le molteplicità. Ma che senso avrebbe considerare tuple a dimensione variabile che contengono piu’ studenti e più classi?

In UML, le relazioni sono binarie, e le molteplicità determinano semplicemente vincoli sull’insieme di coppie associato alla relazione.

Ma provando ad interpretare anche la relazione links di Sommerville come binaria, e cercando di interpretare le indicazioni di molteplicità in Node<---2-<links>-1----Link come vincoli a questa relazione binaria, si giunge a contraddizione, poiché nell’insieme di coppie di links è vero che un link appare associato sempre a due diversi nodi, ma non sempre un nodo appare associato ad un solo link.

Slide 11

E-R notation [GJM91]

Relations are binary, but might have attributes too.

Proficiency

student

class

enrolledIn

NameAgeSex

SubjectCourseIdMaxEnroll

Relation is formed of pairs in student X class (or triples in student X class X scores)

Slide 12

A BR A R B is one to one

A BR A R B is one to many

A BR A R B is many to one

A BR A R B is many to many

• Non si puo’ esprimere graficamente (formalmente) che una classe deve avere almeno 5 studenti• … o che uno studente puo’ prendere al massimo 4 classi

La relazione, sempre binaria, puo’ essere vincolata:

Slide 13

Notazioni di molteplicità da UML

Risolvono parte dei limiti espressivi precedenti

Ogni A e’ associato con un B

Ogni A e’ associato con uno o piu’ B

Ogni A e’ associato con zero o un B

Ogni A e’ associato con zero o piu’ B

A B

A B

A B

A B

1

1..*

0..1

*

Ammesse anche le annotazioni ‘11’ (squadra-calciatore), ‘2..4’ (canasta-giocatore), ‘2,4’ (automobile-sportello).

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node link*2 Relazione fra nodi e link

in un design (cfr. Slide 21)

una classe deve avere almeno 5 studentie uno studente puo’ seguire al massimo 4 classi

class student5..*0..4

Slide 15

Class diagrams in UML

Descrizione di un insieme di oggetti che condividono gli stessi attributi, operazioni, relazioni, semantica.

Shape

origin

move()resize()display()

nome

attributi

operazioni

Slide 16

Attributo

Una proprietà della classe, che puo’ assumere diversi valorinelle diverse istanze della classe: in ogni istante, un oggetto di una classe avrà uno specifico valore per ogni attributo della classe.

Customer

nameaddressphonebirthDate

Wall

height: Floatwidth: Floatthickness: FloatisLoadBearing: Boolean = false

Classedell’ attributo

Valore iniziale di default

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Operazione

Un servizio che puo’ essere richiesto a qualunque oggetto della classe, per (far) farequalcosa all’oggetto stesso, come modificare il valore di un suo attributo.

Rectangle

add()grow()move()isEmpty()

TemperatureSensor

reset()setAlarm(t: Temperature)value(): Temperature

Segnaturadell’operazione(classi degli argomenti e deirisultati)

Funzione(restituisceun valore)

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Responsabilità

Un contratto o obbligo di cui una classe si fa carico.Le responsabilità di una classe sono la formulazione astratta (in testo libero)dei servizi che essa svolge.

FraudAgent

Responsibilities-- determine the risk of a customer order-- handle customer-specific criteria for fraud

Slide 19

Criteri per la identificazione di classi

Come identificare le classi utili?

Le classi costituiscono il vocabolario del sistema; esse modellano astrazioni di entità che si trovano già:- nel dominio del problema da risolvere (sistema da realizzare), e- nella tecnologia che si intende utilizzare per risolverlo (realizzarlo).

11. Identificare le entità che utenti/implementatori usano per descrivere problema/soluzione. Tecniche possibili: CRC cards, use-case-based analysis

22. Individuare e ripartire in modo bilanciato le responsabilità fra di esse:ogni entità deve fare una cosa sola, e farla bene

33. Modellare in concreto ogni ‘entitità responsabilizzata’ come una classe, con attributi e operazioni.

Slide 20

Classi per un sistema di vendita merci

Queste classi modellano entità fisiche del dominio del problema

ShipmentEntità astratta, serve a tener traccia degli spostamenti del prodotto spedito

TransactionEntità astratta, legata alla soluzione del problema

Slide 21

Distribuzione di responsabilità in Smalltalk

Model

Responsibilities-- manage the state of the model

View

Responsibilities-- render the model on the screen-- manage movement and resizing of the view-- intercept user eventsController

Responsibilities-- synchronize changes in the model and its views

Slide 22

Relazioni fra classi

Dopo aver individuato le classi, come modelli delle entità in gioco, vanno modellate le loro relazioni. • Dependencies (relazione dinamica)

» ‘using’: un’autoclave usa una pompa per pompare acqua

• generalizations» una classe è una specializzazione di una classe piu’ generale

» (superclass/subclass, parent/child):

» una bifora è una specializzazione di una finestra

• associations (relazione statica)» relazioni strutturali:

» una stanza consiste di pareti, soffitto, finestre, porta,…

Slide 23

Esempi di relazioni

Slide 24

1. Dependency

X usa Y.

Un cambiamento nella classe Y di arrivo della freccia (event)puo’ comportare la necessità di cambiare la classe X di partenza (window),ma non viceversa.

Tipica dipendenza: una operazione della classe X ha un parametro di classe Y:

FilmClipnameplayOn(c: Channel)changeOrder()status()

Channel

Il metodo PlayOn lavora su c, attivando metodi di classe Channel. Se la classe Channel cambia, e non offre piu’ gli stessi metodi, PlayOn deve tenerne conto.

Slide 25

2. Generalization

X è una specializzazione di Y, o Y è una generalizzazione di X

Gli oggetti della sottoclasse (figlio) possono essere usati ovunque vengono usatiquelli della superclasse (genitore), ma non viceversaUn falegname puo’ essere usato ogni volta che si puo’ usare un uomo,ma un uomo non è sempre usabile dove serve un falegname

Inheritance. Il figlio eredita gli attributi e le operazioni del padre, e spesso ne possiede altri, che lo rendono appunto specializzato.

Polimorfismo. Se una sottoclasse definisce una operazione con lo stesso nome e segnatura di una operazione di una superclasse, l’operazione del figlio rimpiazza quella del padre. Multiple inheritance. Una classe puo’ ereditare da piu’ super-classi.

Slide 26

Inheritance, abstract class, abstract operation

Abstract class

Abstract operation

- Una classe astratta non puo’ essereistanziata- Una operazione astratta in classe X deve essere implementata dalle sottoclassi di X

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3. Association

CompanyPersonWorks for

Name and name direction

CompanyPersonEmployee

Role names

Employer

1..* *

Multiplicity

Association è una relazione genericaesistono due casi particolari di association: aggregation e composition

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3.1 Aggregation

X has_a Y

Una associazione fra un ‘tutto’ e le sue ‘parti’ (whole/part), che pero’ non implicadi per sé relazioni fra le durate in vita dei due oggetti.

School

Student

1..*

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3.2 Composition (‘composite aggregation’)

X ha_come_parte Y E’ una aggregazione forte:

• Y appartiene a un solo X (nella aggregazione semplice no), e

• il suo intervallo di esistenza vita è incluso in quello di X.

• Parti con molteplicità non fissa possono essere create solo dopo il tutto, e

• muoiono assieme ad esso, o vengono esplicit. eliminate prima

• Il tutto gestisce la creazione e distruzione delle sue parti

window

Frame

composition

Slide 30

Esempi di aggregation e composition

Structural relationships

Slide 31

Data-flow diagrams

Si diffondono dopo la pubblicazione del testo di De Marco (‘78) su Structured Analysis and System Specification.

Il sistema è visto come una rete, in cui i nodi rappresentano funzioni, e gli archi il flusso di dati.

• Le funzioni possono avere diversi livelli di astrazione e complessita’, dalla somma di due numeri al calcolo di una tabella di stipendi, e possono anche rappresentare funzioni svolte manualmente.

Escludono la descrizione del flusso di controllo

I DFD possono essere nidificati, con nodi funzione esplosi in nuovi DFD:

in questo caso lo sviluppo avviene in modo top-down, o anche misto (top-down e bottom-up)

Quando usati in fase di Architectural Design, descrivono lo scambio dati fra sottosistemi

Slide 32

Modelli simili a data-flow diagrams

PERT diagrams (Project Evaluation and Review Technique)• Struttura un progetto come insieme parzialmente ordinato di attività, ciascuno con una durata (non

identifica i dati)

Activity networks • (Vedi [S2000], Fig. 4.6) - Simile a diagramma PERT, ma con nodi attività (funzione) e nodi

‘milestone’ (dati).

UML activity diagrams [trattate in questo corso]• rappresentano esplicitamente fork e join, come Petri nets, e nodi di scelta (rombi o esagoni), come i

flow charts.

Predicate/Transition Petri nets [trattate in questo corso]• I predicati associati alle transizioni nella rete rappresentano funzioni; il flusso dei dati è modellato,

piu’ dettagliatamente che nei DFD, dal flusso dei token.

Dataflow algorithms/architectures [Dennis et al., 1975]• Il flusso di controllo è solo determinato dall’arrivo dei dati agli operatori (nodi funzione), detti

attori. Nei control-flow algorithms tradizionali, il controllo è gestito dal program counter.

Elemento comune: ordinamento parziale delle attività (operazioni, funzioni)

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DFD for processing an equipment order

Completeorder form

Orderdetails +

blankorder form

Valida teorder

Recordorder

Send tosupplier

Adjustavailablebudget

Budgetfile

Ordersfile

Completedorder form

Signedorder form

Signedorder form

Checked andsigned order

+ ordernotification

Orderamount

+ accountdetails

Signedorder form

Orderdetails

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DFD for equipment procurement

Get costestimates

Acceptdelivery ofequipment

Checkdelivered

items

Validatespecification

Specifyequipmentrequired

Choosesupplier

Placeequipment

order

Installequipment

Findsuppliers

Supplierdatabase

Acceptdelivered

equipment

Equipmentdatabase

Equipmentspec.

Checkedspec.

Deliverynote

Deliverynote

Ordernotification

Installationinstructions

Installationacceptance

Equipmentdetails

Checked andsigned order form

Orderdetails +

Blank orderform

Spec. +supplier +estimate

SupplierlistEquipment

spec.

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DFD for a CASE toolset

Designeditor

Designcross checker

Designanalyser

Reportgenerator

Designdatabase

Code skeletongenerator

Designdatabase

Inputdesign

Validdesign

Checkeddesign

Designanalysis

Userreport

and

Referenceddesigns

Checkeddesign Output

code

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Data Flow Diagrams - varianti [GJM91, sez.5.5.1]

Adatti a modellare le funzioni di sistemi informativi Semiformali: sintassi formale, semantica informale

Function Input device Output device

Data-flow Data store

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DFD per una espressione aritmetica

+ * +

*

b a d c

(a+b) * (c + a*d)

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DFD per sistema informativo di una biblioteca

Slide 39

DFD della biblioteca: parziale raffinamento

Slide 40

‘Limiti’ del modello DFD La semantica di una funzione e’ tutta nel suo nome...

• ‘+’ e’ autoesplicativa

• ‘Find Book Position’ lo e’meno

Un DFD ‘arricchito’ potrebbe includere una notazione formale per definire funzioni come FindBookPosition:• if author name and book title available

then» Determine book position (if book exists;» Otherwise print message)

• elseif only the author name is given then» Provide list of all books by that author and» Ask user to select

• elseif only the book title is given then...

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Aspetti di controllo non specificati. Es:• L’ordine in cui le funzioni vengono eseguite

• Gli eventuali segnali di controllo che attivano le funzioni

Un DFD ‘arricchito’ potrebbe includere archi di controllo (come in Data/Control charts di VORD)

f

trigger

Slide 42

Ambiguita’ sulle configurazioni in input e output • in3 e out2 sono sempre necessari?

Un DFD ‘arricchito’ potrebbe specificare modalita’ AND oppure OR per gli output

f

in1

in2

in3

out1

out2

Slide 43

Ambiguita’ sulla capacita’ dei canali di flusso

• Sono ammesse piu’ istanze di d nel canale? (buffering)

• Un DFD ‘arricchito’ potrebbe specificare per ogni canale la modalita’ di trasmissione synchronous / asynchronous

Ambiguita’ sull’effetto del flusso dei dati sui data base• (Shelves - {book} ? ListOfAuthors - {author} ?!)

Non trattamento delle eccezioni• estendibile come nei Data/Control charts di VORD

f1 f2d