标准建模语言UML在软件开发中的应用

一 标准建模语言UML 面向对象的分析与设计(OOA&D)方法的发展在80年代末至90年代中出现了一个高潮,UML是这个高潮的产物。它不仅统一了Booch、Rumbaugh和Jacobson的表示方法,而且对其作了进一步的发展,并最终统一为大众所接受的标准建模语言。 面向对象技术和UML的发展过程可用下图来表示,标准建模语言的出现是其重要成果。在美国,截止1996年10月,UML获得了工业界、科技界和应用界的广泛支持,已有700多个公司表示支持采用UML作为建模语言。1996年底,UML已稳占面向对象技术市场的85%,成为可视化建模语言事实上的工业标准。1997年11月17日,OMG采纳UML 1.1作为基于面向对象技术的标准建模语言。UML代表了面向对象方法的软件开发技术的发展方向,具有巨大的市场前景,也具有重大的经济价值和国防价值。 图1 UML的发展历程 UML 1.0 Team Digital Equipment Contributions include *  Hewlett-Packa multi-modeling and refinements    i-Logi x business modeli * ICON Computing use cases and responsibilities, * Intellicorp state machine semantics, * MCI Systemhouse types, classes and instances * Microsoft interfaces and components, * Oracle collaborations and patterns, * Rational Software distribution and concurrency, * Texas Instruments meta-metamodel, * Unisys glossary * = co-submitter OMG and RM-ODP technology perspective

二 UML语言的特征

• 不是一种可视化的程序设计语言，而是一种可视化的建模语言。
  
• 是一种建模语言规格说明，是面向对象分析与设计的一种标准表示。
  
• 不是过程，也不是方法，但允许任何一种过程和方法使用它。
  

三 UML语言的目标

• 易于使用，表达能力强，进行可视化建模。
  
• 与具体的实现无关，可应用于任何语言平台和工具平台；
  
• 与具体的过程无关，可应用于任何软件开发过程；
  
• 简单并且可扩展，具有扩展和专有化机制，便于扩展，无需对核心概念进行修改；
  
• 为面向对象的设计与开发中涌现出的高级概念（如协作、框架、模式和组件）提供支持，强调在软件开发中，对架构、框架、模式和组件的重用；
  
• 与最好的软件工程实践经验集成；
  
• 可升级，具有广阔的适用性和可用性；
  
• 有利于面向对象工具的市场增长。

四 UML语言概述

由视图view，图diagram，模型元素model element和通用机制general mechanism等几个部分组成

• 视图是表达系统的某一方面特征的UML建模元素的子集，由多个图构成，是在某一个抽象层上，对系统的抽象表示。
  
• 图是模型元素集的图形表示，通常为弧（关系）和顶点（其他模型元素）相互连接构成的。
  
• 模型元素代表面向对象中的类、对象、消息和关系等概念，是构成图的最基本的常用概念。
  
• 通用机制用于表示其它信息，比如注释、模型元素的语义等。另外，它还提供扩展机制，使UML语言能够适应一个特殊的方法（或过程），或扩充至一个组织或用户。
  

在后续文章中，我继续介绍UML的模型、视图、图与系统架构建模。

标准建模语言UML在软件开发中的应用-1

标准建模语言UML在软件开发中的应用-2

标准建模语言UML在软件开发中的应用-3

 

标准建模语言UML在软件开发中的应用-1

 

五 UML的模型、视图、图与系统架构建模

UML是用来描述模型的，用模型来描述系统的结构或静态特征，以及行为或动态特征。从不同的视角为系统的构架建模，形成系统的不同视图（VIEW）

• 用例视图(use case view)，强调从用户的角度看到的或需要的系统功能，是被称为参与者的外部用户所能观察到的系统功能的模型图；
  
• 逻辑视图(logical view)，展现系统的静态或结构组成及特征，也称为结构模型视图(structural model view)或静态视图（static view）；
  
• 并发视图(concurrent view)，体现了系统的动态或行为特征，也称为行为模型视图（behavioral model view）、动态视图(dynamic view)；
  
• 组件视图(component view)，体现了系统实现的结构和行为特征，也称为实现模型视图(implementation model view) ；
  
• 配置视图(deployment view)，体现了系统实现环境的结构和行为特征，也称为环境模型视图（environment model view）或物理视图(physical view)。
  

图2:UML的 Architecture

 

九种图

• 用例图use case diagram，描述系统功能
  
• 类图class diagram，描述系统的静态结构
  
• 对象图object diagram，描述系统在某个时刻的静态结构
  
• 序列图sequence diagram，按时间顺序描述系统元素间的交互
  
• 协作图Collaboration diagram，按照时间和空间顺序描述系统元素间的交互和它们之间的关系
  
• 状态图state diagram，描述了系统元素的状态条件和响应
  
• 活动图activity diagram，描述了系统元素的活动
  
• 组件图component diagram，描述了实现系统的元素的组织
  
• 配置图deployment diagram，描述了环境元素的配置，并把实现系统的元素映射到配置上
  根据它们在不同架构视图的应用，可以把9种图分成：
  
• 用户模型视图：用例图
  
• 结构模型视图：类图、对象图
  
• 行为模型视图：序列图、协作图、状态图、活动图（动态图）
  
• 实现模型视图：组件图
  
• 环境模型视图：配置图
  

1. USE CASE图

图3.1: USE CASE图

图3.2: USE CASE图

元素之间的关系

• 角色之间的关系：拥有与类相同的关系描述，用通用化关系描述若干个角色之间的行为。
  
• 用例之间的关系：
  （1） 扩展关系：插入基用例所未知的附加行为，只有基用例能实例化。
  （2） 概括关系：一般化关系，特殊用例继承和增加了基用例的特征。
  （3） 包含关系：用例可以简单的合并其他的用例，将其作为自身行为的片段。
  

图3.3: USE CASE图

图3.4: USE CASE图

图3.5: USE CASE图

图3.6: USE CASE图

实现

• 用例实现为协作：序列图、协作图、活动图
  
• 功能分配
  
• 边界对象、控制对象、实体对象
  

图3.7:边界

理解Use Case和Actor

1. Use Case绝不是锦上添花的东西，一方面它可以促进与用户沟通，理解正确的需求，另一方面它可以划分系统与外部实体的界限，是系统设计的起点，而最终应该落实到类和实现代码上。
   
2. Use Case View与Logical View应该有明确的相关性。UML中从Use Case到类包的关联可以用依赖（或实现）关系描述。
   
3. Actor不是指人，而是指代表某一种特定功能的角色，因此同一个人可能对应很多个Actor。Actor是虚拟的概念，可以指外部系统和设备。
   
4. Use Case是对系统行为的动态描述，它是OO设计的起点，是类、对象、操作的来源，而通过逻辑视图的设计，可以获得软件的静态结构。
   

2. 类图Class Diagram

• 名字、属性、操作、可见性
  关系
  
• 关联关系：普通、递归、限定、或关联、有序关联，关联类
  
• 聚合：复合聚合-实心菱形
  
• 通用化：普通、受限
  
• 依赖：两个模型元素（类、组合、用例）之间的语义上的连接关系。
  
• 包（Package）
  

图4.1:类图

图4.2:类图

图4.3:类图

图4.4:类图

 

图4.5:类图

 

图4.6:类图

 

图4.7:类图

图5:包

本系列文章介绍面向对象的分析与设计方法。标准建模语言的特征，标准建模语言在软件开发的利用。并介绍了建模的方法用视图在建模中的作用。本节中我们会比较四种UML依赖关系异同，并进行全篇总结。

六 四种 UML 依赖关系异同

• 绑定关系位于模板（如C++模板）和用其生成的模型元素之间，该元素完全是模板的实例化，为添加任何新的东西。
  
• 可溯关系是两个元素或元素集合之间的概念连接，用于描述位于不同语义层或多种视点下的同一个概念。这些元素间并没有任何特定的映射关系，关系的方向可被忽略。通常用于跟踪需求，或帮助建模者跟踪多个模型的变化。
  
• 使用关系表示一个元素为了实现或完成其全部的功能需要其它元素或元素集合的配合，例如类与类之间的多种方法调用关系。
  
• 细化关系是不同语义层（如分析和设计）之间模型元素的依赖关系，表示客户可由供应者导出。这一导出关系不一定非要用算法来描述，可以完全人为决定，因此细化关系可描述的语义范围较广，包括：模型的逐步细化、优化、变换、模板、模型合成、框架组成等等。
  
• 绑定和使用关系只能用于同一模型中元素的连接，而可溯和细化关系可用于连接多个模型的元素。
  

         图6:关系

3.      对象图

是类图的变体，表示类的对象实例，是类图的一个范例

 图7:对象图

4.      状态图

显示类的所有对象可能具有的状态，以及引起状态变化的事件，可以为系统描述整体状态图

                  图8.1:状态图

                     图8.2:状态图

                     图8.3:状态图

                  图8.4:状态图

5.      序列图

• 反映随时间对象之间的动态协作关系
  
• 反映对象之间已发送消息的先后顺序
  
• 说明对象之间的交互过程
  
• 以及在某一具体位置有何事件发生
  

图9.1:序列图

                 图9.2:序列图

                   图9.3:序列图

                  图9.4:序列图

6.协作图

动态协作，显示对象和它们之间的关系（上下文相关）

                 图10.1:协作图

                        图10.2:协作图

                         图10.3:协作图

7.      活动图

• 反映一个连续的运动流
  
• 某个操作的执行时的活动状况
  
• 描述一个操作执行过程中（操作实现的实例化）所完成的工作（动作）。
  
• 描述对象内部的工作。
  
• 显示如何执行一组相关的动作，以及这些动作如何影响它们周围的对象。
  
• 显示用例的实例是如何执行动作以及改变对象状态。
  
• 说明一次商务活动中的工人（角色）、工作流、组织和对象是如何工作的。
  
• 动作、转移、泳道、对象、信号
  

   图11.1:活动图

               图11.2:活动图

                  图11.3:活动图

                 图11.4:活动图  

                    图11.5:活动图

 

8.    组件图

• 组件包含逻辑类及逻辑类的实现信息
  
• 用来反映代码的物理结构
  
• 源组件、二进制组件、可执行组件
  
• 链接时的组件、运行时的组件
  
• Main programs，主程序
  
• Packages，构件包
  
• Subprograms，子程序
  
• Tasks，独立线程
  
• EXE，可执行文件
  
• DLL，动态连接库
  

图12.1:组件图

                  图12.2:组件图

9.    部署图

• 显示系统中软件和硬件的物理架构
  
• 节点、连接、组件、对象
  

               图13.1:部署图

 

图13.2:部署图

图13.3:部署图

模型元素

图14: 模型元素

通用机制

• 修饰、笔记、规格说明
  
• 扩展机制
  
• 版类、加标签值、约束
  

              图15:通用机制

 

Rose Stereotype

 

Association:extend

• Association:extend
  
• Association:include
  
• Association:communicate
  
• Association:subscribe
  
• Association:realize
  
• Class:Table
  
• Component:Database
  

UML的图与模型的对应关系

• 用例模型--用用例图、顺序图、协作图、状态图和活 动图描述。
  
• 分析、设计模型--用类图和对象图、顺序图、协作图、状态图和活动图描述。
  
• 实现模型--可用组件图、顺序图和协作图描述。
  
• 实施模型--配置图
  
• 测试模型--测试模型引用了所有其他模型，所以它使用他们对应的所有图。
  

                          图16:图与模型的对应关系

七  总结

     建模工具是帮助设计者实现任何复杂的工程项目的有力工具，在软件工程中，它能够把模型与实际应用紧密地联系起来。通过模型与代码之间的映射，可以直接为不同的程序开发环境生成系统结构的框架，通过建立模型和代码间的映射，可以确保代码改进时模型也随之更新了，而且通过模型与代码间的自动连接，建模工具可以确保良好的设计实施。