UML — что это такое, виды и примеры использования

UML (или Unified Modeling Language) — это универсальный язык визуального моделирования, который используется для описания, проектирования и документирования программных систем. Вместе с техническим директором MiXBS Сергеем Сидоровым разберем, что такое UML, зачем он нужен и где применяется. Рассмотрим основные виды диаграмм, их назначение, а также приведем простые примеры, чтобы наглядно показать работу UML.

UML (Unified Modeling Language) — это унифицированный язык моделирования для визуального описания и проектирования программных систем. Используется разработчиками, системными аналитиками и архитекторами ПО для того, чтобы формализовать и структурировать информацию о системе. Uml схема наглядно показывает:

• как работает система
• из каких компонентов она состоит
• как эти компоненты взаимодействуют друг с другом
• как ведут себя при разных сценариях

UML не является языком программирования — это язык визуализации. Он нужен для создания диаграмм, которые служат понятным инструментом для общения между всеми членами команды, заказчиками и другими участниками проекта. Язык UML охватывает как статические аспекты системы (структура, зависимости), так и динамические (поведение, взаимодействие, потоки данных).

Язык был создан в 1990-х годах как объединение лучших практик визуального моделирования, применяемых в разных методологиях разработки. Сегодня UML поддерживается и развивается консорциумом OMG (Object Management Group), а его спецификации признаны стандартом в индустрии.

UML диаграмма — это визуальная схема, с помощью которой описывают структуру и поведение программных систем. Она предлагает стандартный набор графических элементов и правил, благодаря которым можно наглядно представить, как работает система, из чего она состоит и как ее компоненты взаимодействуют между собой.

Что показывают UML схема:

1. Кто взаимодействует с системой: пользователи, внешние сервисы (диаграммы прецедентов).
2. Какие объекты есть в системе и как они связаны: классы, компоненты, модули (диаграммы классов, компонентов).
3. Как протекают процессы и логика: шаги, ветвления, условия (диаграммы активности, состояний).
4. Как объекты обмениваются сообщениями: последовательность вызовов, порядок действий (диаграммы последовательности).

Главный плюс UML диаграмма в ее универсальности. Она понятна и разработчикам, и аналитикам, и тестировщикам, и заказчикам.

UML включает в себя 14 типов диаграмм, которые делятся на две большие группы:

• структурные
• поведенческие

Каждую из них использует для решения конкретных задач — от описания архитектуры системы до моделирования пользовательских сценариев. Ниже — обзор всех видов с пояснениями понятными даже тем, кто только начинает знакомство с языком UML.

Структурные диаграммы

Показывают, из чего состоит система. Всего существует семь типов.

Диаграмма классов. Диаграмма классов — это UML схема, на которой показаны основные элементы программы: классы, их характеристики (свойства), действия (методы) и как они связаны друг с другом. Класс — это как шаблон для создания объектов. Связи показывают, как один класс использует или зависит от другого. В итоге построение диаграммы позволяет планировать структуру программы до ее написания.

Диаграмма объектов. Показывает не шаблоны, а реальные объекты, которые уже существуют в программе на данный момент. Схема — как «фотография» состояния программы в определенной ситуации: описывает, какие у объектов значения свойств и как они связаны. Полезна для наглядного понимания, как все работает внутри программы во время ее выполнения.

Диаграмма компонентов. Показывает, из каких модулей состоит система и как они взаимодействуют друг с другом. Каждый компонент — это как отдельная часть программы, например, база данных, сервер или пользовательский интерфейс. Схема нужна для построения наглядной архитектуры приложения. 

Диаграмма развертывания. Схема показывает, на каких устройствах и серверах работают части программы. Фактически отображает, где физически размещены компоненты и как они соединены. Это важно для понимания, как система работает в реальной IT-инфраструктуре. Часто используется при настройке серверов и сетей.

Диаграмма пакетов. Помогает разбить систему на логические части — пакеты, чтобы легче было понять структуру. Внутри каждого пакета могут быть классы, компоненты или другие пакеты. То есть схема показывает зависимости между пакетами. Часто используют при работе с большими проектами.

Диаграмма профилей. Позволяет расширять UML, добавляя свои обозначения и правила с помощью стереотипов. Это нужно, когда стандартных элементов UML недостаточно для описания специфических задач. Чаще всего используется в узких областях, например, в разработке встраиваемых систем. Позволяет адаптировать UML под конкретные нужды.

Диаграмма составных структур. Диаграмма составных структур показывает, из каких частей состоит класс внутри и как эти части взаимодействуют. Это нужно, когда класс сам по себе сложный и внутри него есть другие элементы. Схема помогает понять внутреннюю логику работы класса. Обычно используется на продвинутом уровне проектирования.

Поведенческие диаграммы

Показывают, как система работает во времени. Всего различают семь поведенческих диаграмм.

Диаграмма прецедентов (Use Case). Показывает, что пользователи могут делать в системе — например, зарегистрироваться или оформить заказ. При этом пользователей называют «акторами», а их действия — «прецедентами». Схема помогает понять, какие функции важны для пользователя. Удобна для планирования требований к системе.

Диаграмма активности. Диаграмма активности показывает, как проходит процесс шаг за шагом — от начала до конца. Это как блок-схема, где видно, какие действия выполняются и в каком порядке. Удобна для описания логики работы функций или бизнес-процессов. Помогает понять, что происходит на каждом этапе.

Диаграмма состояний. Диаграмма состояний показывает, какие состояния может принимать объект и как он переходит от одного к другому при разных событиях. Например, заказ может быть «создан», потом «оплачен», потом «доставлен». Это помогает понять поведение объекта со временем. Особенно полезна схема для сложных логик и сценариев.

Диаграмма последовательности. Показывает, как объекты обмениваются сообщениями друг с другом по шагам, во времени. Видно, кто с кем и когда взаимодействует. То есть схема помогает описывать конкретные сценарии, например, процесс оформления заказа, а также понять порядок действий в системе.

Диаграмма коммуникации. Диаграмма коммуникации показывает, какие объекты участвуют в процессе и как они обмениваются сообщениями. В отличие от диаграммы последовательности, здесь важна не временная последовательность, а структура связей. Она помогает понять, кто с кем взаимодействует. Удобна для анализа архитектуры взаимодействий.

Диаграмма временных зависимостей (Timing). Показывает, как объекты ведут себя с течением времени — когда и как долго что-то происходит. Полезна, если важно точно знать момент и продолжительность событий. Чаще всего используется в системах реального времени, например, в встраиваемых устройствах.

Диаграмма взаимодействия. Объединяет элементы диаграмм последовательности, коммуникации и временных зависимостей. Показывает, как объекты обмениваются сообщениями с учетом структуры и времени. Используется редко, но дает гибкость в сложных сценариях. Полезна, когда нужно сразу видеть и порядок, и связи, и временные аспекты.

Язык UML используют для визуального моделирования программных систем. То есть с его помощью можно наглядно описать:

• как устроена система
• как работают ее компоненты
• как они взаимодействуют

А так как UML не связан с конкретным языком программирования и подходит для проектирования систем любой сложности — от небольшого мобильного приложения до распределенной корпоративной платформы.

Разберем основные цели применения UML.

☑️ Проектирование архитектуры системы. Язык UML помогает на этапе разработки спланировать структуру будущей системы: какие модули понадобятся, как они будут взаимодействовать, как будет устроена логика работы. Например, диаграмма классов помогает определить, какие объекты будут в интернет-магазине (Пользователь, Товар, Заказ), и какие у них будут свойства и методы.

☑️ Анализ требований. Например, диаграммы прецедентов позволяют зафиксировать, что должен уметь делать пользователь, какие сценарии нужно реализовать, и на этой основе сформулировать технические требования. Допустим, пользователь должен иметь возможность зарегистрироваться, авторизоваться, сделать заказ, отследить доставку — все это оформляется в виде диаграммы прецедентов.

☑️ Упрощение коммуникации между участниками проекта. UML-диаграммы — универсальный язык, понятный как разработчикам, так и аналитикам, и тестировщикам, и менеджерам, и заказчикам. Используя ее, команда избегает недопонимания.

Так, вместо устного описания логики платежей можно показать диаграмму последовательности, где будет видно, как клиент отправляет запрос, как срабатывает проверка, как проходит платеж. И все это будет ясно даже человеку, который никак не связан с разработкой и программированием.

☑️ Документирование системы. С помощью языка UML можно создавать документацию и далее использовать для поддержки и развития проекта в будущем. Допустим, после завершения проекта диаграммы остаются в виде «карты системы», по которой проще ориентироваться новым членам команды.

☑️ Моделирование поведения системы. Диаграммы активности, состояний и последовательности позволяют заранее продумать, как система будет вести себя в разных ситуациях — до написания кода.

☑️ Оптимизация процессов разработки. Благодаря формализованному подходу, UML помогает выявлять слабые места, дублирование, лишние зависимости и другие проблемы еще на этапе проектирования. Это сокращает дальнейшие этапы тестирования и отладки.

UML применяют в разных сферах, связанных с проектированием и разработкой программных и технических систем. Вот основные категории пользователей UML

1. Системные аналитики. Используют UML для сбора, описания и визуализации требований к системе. С помощью диаграмм аналитики моделируют сценарии использования, процессы и взаимодействия, чтобы разработчики и заказчики одинаково понимали, что нужно построить.

2. Разработчики (программисты). Используют UML на этапе проектирования архитектуры и логики приложения. Диаграммы классов, последовательности, компонентов помогают структурировать код до его написания.

3. Архитекторы ПО. Архитекторы работают с высокоуровневой структурой системы: модули, компоненты, взаимодействие подсистем, развертывание на серверах. UML помогает им визуализировать сложную архитектуру.

4. Тестировщики (QA-инженеры). Используют UML, чтобы лучше понять, как должна работать система и какие сценарии нужно покрыть тестами.

5. Менеджеры проектов. Менеджеры не создают диаграммы самостоятельно, но используют их для планирования, контроля и общения с командой. UML помогает им видеть «картину целиком» и отслеживать, как реализуются бизнес-требования.

6. Преподаватели и студенты. UML активно применяется в обучении проектированию программных систем, системному анализу и архитектуре. Это универсальный язык, который помогает студентам понять, как строятся современные приложения.

UML активно используется не только в разработке программного обеспечения, но и в других сферах, где важно визуализировать сложные процессы, системы и взаимосвязи. Например, в бизнес-анализе и моделировании процессов. С помощью языка аналитики визуализируют, как устроены рабочие процессы, выявляют узкие места и предлагают улучшения.

Также язык UML используется для проектирования баз данных: диаграммы классов и компонентов помогают формализовать структуру таблиц, связей и ключей, например, при создании модели данных для CRM-системы.

В системной инженерии язык UML применяется для моделирования взаимодействия программных и аппаратных компонентов, особенно в сложных технических проектах. Так, диаграмма компонентов может показать, как модуль управления взаимодействует с физическими датчиками. Кроме того, UML эффективен при моделировании бизнес-логики: диаграммы состояний отображают переходы объекта между состояниями, например, путь документа от создания до архивации.

UML-диаграмма — это мощный инструмент визуального моделирования, но, как и у любого метода, у него есть свои сильные и слабые стороны. Ниже — подробный разбор плюсов и минусов.

Плюсы UML

➕ Универсальность. UML не зависит от языка программирования или платформы. Он подходит для проектирования любых систем — от веб-приложений до встроенного ПО.

➕ Наглядность и структурированность. Диаграммы UML упрощают понимание сложных систем, что особенно полезно при командной работе и передаче проекта.

➕ Улучшение коммуникации в команде. UML диаграмма — это визуальный язык, понятный разработчикам, аналитикам, тестировщикам и заказчикам.

➕ Поддержка проектной документации. UML-диаграммы часто включают в техническую документацию, что облегчает сопровождение и масштабирование проекта в будущем.

➕ Поддержка в инструментах разработки. Существует множество программ для построения UML-диаграмм (например, Visual Paradigm, StarUML, Lucidchart, draw.io). Многие из них позволяют автоматически генерировать код или документацию на основе диаграмм.

Минусы UML

➖ Крутая кривая обучения для новичков. UML включает 14 типов диаграмм, и новичку сложно сразу понять, какую использовать и как правильно ее построить.

➖ Избыточность для небольших проектов. В маленьких командах или при разработке простых приложений UML может казаться излишним и лишь замедлять процесс.

➖ Риск перегрузки диаграммами. Если делать слишком много диаграмм или перегружать их деталями, они теряют наглядность и становятся сложными для восприятия.

➖ Не всегда соответствует реальному коду. В больших проектах диаграммы часто быстро устаревают, если их не обновлять вместе с кодом.

➖ Формальность может отпугнуть. Некоторые команды избегают UML из-за его строгости и формального подхода, предпочитая более гибкие и простые инструменты, такие как майнд-карты, схемы в Miro или блок-схемы.

Любая UML-диаграмма состоит из типовых элементов — они как «кирпичики» складывают модель системы. То есть эти элементы помогают понять, как устроена система, кто с ней взаимодействует и что в ней происходит. Разберем, что означает каждый элемент.

Классы и объекты. Класс можно представить как шаблон, в котором написано, что должен содержать некий тип объекта. Например, класс «Пользователь» может включать:

• имя
• email
• пароль

То есть класс — это просто описание, а не конкретный человек. Словно инструкция, как должен выглядеть пользователь.

Объект — это конкретный пример, созданный по этому шаблону. Допустим, пользователь Иван будет содержать:

• имя — Иван
• email — ivan@mail.com
• пароль — password

Акторы и прецеденты. Акторы — это пользователи или внешние системы, которые взаимодействуют с системой. В диаграммах прецедентов они соединены с доступными действиями (прецедентами). Получается:

• акторы — это те, кто пользуется системой
• прецеденты — это то, что именно они могут делать

Состояния и действия. Иногда важно показать, как объект «живет» и что с ним происходит со временем. Для этого используют состояния и действия. Первые показывают, как объект меняет состояние: например, заказ может быть создан, потом оплачен, затем отправлен. Вторые показывают действия, к примеру: «Ввести логин».

Компоненты и интерфейсы. Компонент — это самостоятельная часть системы, которая выполняет свою задачу. Если представить, что система — это интернет-магазин, то компонентами могут быть:

• служба доставки, которая отвечает за отправку заказов
• сервис оплаты, который обрабатывает платеж
• каталог товаров, который показывает ассортимент

Каждый компонент работает как «модуль» — сам по себе, но вместе с другими создает полноценную систему.

Интерфейс — это «точка подключения», через которую один компонент общается с другим. Например, служба доставки получает данные о заказе через интерфейс, который предоставляет сервис заказов. Либо: сервис оплаты сообщает службе уведомлений, что заказ оплачен — тоже через интерфейс.

Если проще, то:

• компонент = коробка с функциями
• интерфейс = розетка, через которую подключаются к коробке

Типы связей между элементами. Связи показывают, как разные части системы взаимодействуют между собой. Вот основные виды:

• Ассоциация — обычная связь между объектами. Допустим, пользователь оформляет заказы — пользователь связан с заказом, но они существуют независимо.
• Агрегация — один объект как бы включает другие, но те могут существовать отдельно. Например, курс состоит из уроков, но каждый урок может существовать и без курса.
• Композиция — более тесная связь: часть не может существовать без целого. К примеру, заказ содержит товары — если удалить заказ, связанные с ним позиции тоже исчезают.
• Наследование — один класс получает свойства и методы другого. Допустим, администратор — это тоже пользователь, но с дополнительными функциями.
• Зависимость — временное использование одного объекта другим. Пример: сервис оплаты вызывает сервис уведомлений, чтобы отправить сообщение после оплаты.

Сообщения. Сообщения показывают, как один объект передает информацию или вызывает действие у другого. Используется в диаграммах последовательности, чтобы понять порядок взаимодействий.

Например, когда пользователь нажимает «Купить», система по шагам:

1. Проверяет товар в наличии.
2. Создает заказ.
3. Отправляет данные на оплату.

Каждое из действий — это сообщение от одного элемента системы к другому. Диаграмма показывает, кто инициирует сообщение, кто его получает и в каком порядке все происходит.

Чтобы создать UML диаграмму, нужно определить цель диаграммы и выбрать подходящий тип, а дальше — использовать стандартные элементы и логику. Итак: как выполнить построение uml диаграмм и с чего начать создание.

Шаг 1: Определите цель диаграммы. Сначала решите, что именно хотите показать: структуру, поведение, взаимодействие или архитектуру. От этого зависит тип UML диаграммы. Например:

• Нужно показать структуру классов? Используйте диаграмму классов
• Хотите отобразить сценарии использования? Подойдет диаграмма прецедентов
• Нужна пошаговая логика процесса? Берите диаграмму активности

Шаг 2: Выберите инструмент для создания диаграммы. UML диаграмму можно рисовать вручную, но удобнее использовать визуальные редакторы. Пример — онлайн-сервисы Lucidchart, draw.io, Creately.

Шаг 3: Определите ключевые элементы системы. Подумайте, какие объекты, акторы, компоненты или действия участвуют в процессе. Выбирайте исходя из типа диаграммы.

Шаг 4: Добавьте связи между элементами. Покажите, как объекты взаимодействуют. Используйте стандартные обозначения:

• прямые стрелки — зависимость или поток данных
• линии с ромбами — агрегирование/композиция
• стрелки с треугольником — наследование
• точечные стрелки — вызов метода или сообщение

Шаг 5: Проверьте логичность и читаемость. UML диаграмма должна быть понятной без дополнительных пояснений. Избегайте перегруженности — если элементов слишком много, лучше разбить на поддиаграммы.

1. UML — это универсальный язык для визуального моделирования систем.Он помогает описывать устройства разных система и как их части взаимодействуют. Используется не только программистами, но и аналитиками, тестировщиками, архитекторами и менеджерами.
2. Существует 14 типов UML-диаграмм. Каждая решает свою задачу. Есть диаграммы для описания структуры (например, классов или компонентов), а есть — для поведения системы (например, активности или последовательности).
3. Диаграммы помогают заранее продумать архитектуру, фиксируют требования, делают систему наглядной и служат полезной документацией на всех этапах разработки. То есть UML упрощает проектирование, коммуникацию и сопровождение проектов.