UML基础讲座
统一建模语言UML轻松入门之基本概念
作曲家会将其脑袋中的旋律谱成乐曲，建筑 师会将其设计的建筑物画成蓝图，这些乐曲、蓝图就是模型(Model)，而建构这些模型的过程就称为建模(Modeling)。软件开发如同音乐谱曲及建 筑设计，其过程中也必须将需求、分析、设计、实现、布署等各项工作流程的构想与结果予以呈现，这就是软件系统的建模。
那么为什么要建模呢？经典答案是：建立大厦和建立狗窝的区别是建设狗窝不需要设计，要生产合格的软件就要有一套关于体系结构、过程和工具的规范。
OMG官方发布的UML的当前最高版本为2.0，可以从http://www.uml.org/上下载。
UML由图和元模型组成，图是语法，元模型是语义。UML主要包括三个基本构造块：事物（Things）、关系（Relationships）和图 （Diagrams）。本次连载我们将对UML的这些基本组成部分及UML工具和应用进行介绍，使读者对UML形成初步的整体印象。在其后的几次连载里， 再以数个实例对这些内容逐步展开。
1.1 UML的基本构造块
1.1.1事物
事物是是实体抽象化的最终结果，是模型中的基本成员，UML中包含结构事物、行为事物、分组事物和注释事物。
（1）结构事物（Structural things）
结构事物是模型中的静态部分，用以呈现概念或实体的表现元素，是软件建模中最常见的元素，共有以下七种：
类（Class）：类是指具有相同属性、方法、关系和语义的对象的集合；
接口（Interface）：接口是指类或组件所提供的服务（操作），描述了类或组件对外可见的动作；
协作（Collaboration）：协作描述合作完成某个特定任务的一组类及其关联的集合，用于对使用情形的实现建模；
用例（Use Case）：用例定义了执行者（在系统外部和系统交互的人）和被考虑的系统之间的交互来实现的一个业务目标；
活动类（Active Class）：活动类的对象有一个或多个进程或线程。活动类和类很相象，只是它的对象代表的元素的行为和其他的元素是同时存在的；
组件（Component）：组件是物理的、可替换的部分，包含接口的集合，例如COM+ 、JAVA BEANS等；
结点（Node）：结点是系统在运行时存在的物理元素，代表一个可计算的资源，通常占用一些内存和具有处理能力。
（2）行为事物（Behavioral things）
行为事物指的是UML模型中的动态部分，代表语句里的"动词"，表示模型里随着时空不断变化的部分，包含两类：
交互（ineraction）：交互是由一组对象之间在特定上下文中，为达到特定的目的而进行的一系列消息交换而组成的动作；
状态机（state machine）：状态机由一系列对象的状态组成。
（3）分组事物（Grouping things）
可以把分组事物看成是一个"盒子"，模型可以在其中被分解。目前只有一种分组事物，即包（package）。结构事物、动作事物甚至分组事物都有可能放在一个包中。包纯粹是概念上的，只存在于开发阶段，而组件在运行时存在。
（4）注释事物（Annotational things）
注释事物是UML模型的解释部分。
1.1.2关系
关系是将事物联系在一起的方式，UML中定义了四种关系：
（1）依赖（Dependencies）：两个事物之间的语义关系，其中一个事物发生变化会影响另一个事物的语义；
（2）关联（Association）：一种描述一组对象之间连接的结构关系，如聚合关系（描述了整体和部分间的结构关系）；
（3）泛化（Generalization）：一种一般化-特殊化的关系；
（4）实现(Realization) ：类之间的语义关系，其中的一个类指定了由另一个类保证执行的契约。
1.1.3图
图是事物集合的分类，UML中包含多种图：
（1）类图(Class Diagram)：类图描述系统所包含的类、类的内部结构及类之间的关系；
（2）对象图(Object Diagram)：对象图是类图的一个具体实例；
（3）包图（Package Diagram）：包图表明包及其之间的依赖类图；
（4）组件图(Compoment Diagram，也称构件图)：组件图描述代码部件的物理结构以及各部件之间的依赖关系；
（5）部署图(Deployment Diagram)：部署图定义系统中软硬件的物理体系结构；
（6）用例图(Usecase Diagram)：用例图从用户的角度出发描述系统的功能、需求，展示系统外部的各类角色与系统内部的各种用例之间的关系；
（7）顺序图(Sequence Diagram)：顺序图表示对象之间动态合作的关系；
（8）协作图(Collaboration Diagram)：合作图描述对象之间的协作关系；
（9）状态图(Statechart Diagram)：状态图描述一类对象的所有可能的状态以及事件发生时状态的转移条件；
（10）活动图(Activity Diagram)：活动图描述系统中各种活动的执行顺序。
上述十种图可归纳为五类，如表1.1。
表1.1 UML图分类
| 类型 | 包含 |
| 静态图 | 类图、对象图、包图 |
| 行为图 | 状态图、活动图 |
| 用例图 | 用例图 |
| 交互图 | 顺序图、协作图 |
| 实现图 | 组件图、部署图 |
统一建模语言UML轻松入门之用例
2.1 用例与用例图
用例是需求分析中最重要的概念，需求表征了一个系统的设计特性、特征和行为，描述一个系统的需求意味着描述了建立在该系统外部的事物与系统之间的契约，契约上声明了期望系统做什么。
需求获取(Requirement Elicitation) 是需求工程的主体，其主要工作是建立待开发系统的模型，而用例就是用于建立这种模型的良好方法。用例最初由Ivar Jackboson博士提出，后被综合到UML规范之中，成为需求表述的标准化体系。前文已经提到，整个RUP流程都是"用例驱动"的，各种类型的开发活 动包括项目管理、分析、设计、测试、实现等以用例为主要输入工件，用例模型奠定了整个系统软件开发的基础，用例被认作第二代面向对象技术的标志，可见其重 要性非同一般。
我们先来给出一个具体而简单的用例图，即"图书管理系统"用例图，如图2.1。在用例图中主要涉及到参与者（又称角色、执行者）、用例以及二者之间的通讯关联。
图2.1 图书管理系统用例图 |
参与者
参与者是与系统、子系统或类发生交互的外部用户、进程或其他系统。参与者可以是人、另一个计算机系统或一些可运行的进程。在图2.1中，"读者"和"管理员"即为参与者。
参与者之间可以存在泛化关系，例如，在图2.1所示图书馆管理系统用例图中，可以认为"读者"是"学生读者"和"教师读者"的泛化，而"学生读者"还可 以具体化为"本科生读者"和"研究生读者"；同样，"图书管理人员"也是"采购员"、"编目员"及"借阅人员"的泛化。图2.2表示出了参与者之间的泛化 关系。
图2.2 参与者泛化关系 |
用例
用例是外部可见的一个系统功能，这些功能由系统所提供，并通过与参与者之间消息的交换来表达。用例的用途是在不揭示系统内部构造的情况下定义行为序列，它把系统当作一个黑箱，表达整个系统对外部用户可见的行为。
鉴于用例的特点，用例一般被命名为一个能够说明目标的动名词组。如图2.1中的"借书"、"还书"和"管理图书"皆为动名词组。
用例之间也可以存在包含、扩展和泛化等关系：
（1）包含关系：用例可以简单地包含其他用例具有的行为，并把它所包含的用例行为做为自身行为的一部分，这被称作包含关系。
（2）扩展关系：扩展关系是从扩展用例到基本用例的关系，它说明为扩展用例定义的行为如何插入到为基本用例定义的行为中。它是以隐含形式插入的，也就是说，扩展用例并不在基本用例中显示。在以下几种情况下，可使用扩展用例：
a.表明用例的某一部分是可选的系统行为（这样，您就可以将模型中的可选行为和必选行为分开）；
b.表明只在特定条件（如例外条件）下才执行的分支流；
c.表明可能有一组行为段，其中的一个或多个段可以在基本用例中的扩展点处插入。所插入的行为段和插入的顺序取决于在执行基本用例时与主角进行的交互。
图2.3给出了一个扩展关系的例子，在还书的过程中，只有在例外条件（读者遗失书籍）的情况下，才会执行赔偿遗失书籍的分支流。
图2.3用例扩展关系 |
（3）泛化关系：用例可以被特别列举为一个或多个子用例，这被称做用例泛化。当父用例能够被使用时，任何子用例也可以被使用。如在图2.4中，订票是电话订票和网上订票的抽象。
图2.4用例泛化关系
统一建模语言UML轻松入门之类和对象
类是一种对本质相同事物的抽象，人类软件开发技术的发展历史，就是还事物以本源的历史，开发技术、名词越来越接近世界的真实，“面向对象”、“类”就是这样的产物。
3.1类图
在UML中，类图显示了一组类、接口、协作以及它们之间的关系。在UML的静态机制中类图是一个重点，它不但为设计人员所关心，更为实现人员所关注，建模工具也主要依据类图来产生代码（正向）工程。因此，类图在UML的各种图中占据了相当重要的地位。
类
在类图中类用矩形框来表示，它的属性和操作分别列在分格中，若不需要表达详细信息时，分格可以省略。一个类可能出现在好几个图中。同一个类的属性和操作只在一种图中列出，在其他图中可省略。图3.1给出Student类和MFC中的CObject类。
图3.1类的表示 |
类间关系
在类图中，除了需要描述单独的类的名称、属性和操作外，我们还需要描述类之间的联系，因为没有类是单独存在的，它们通常需要和别的类协作，创造比单独工 作更大的语义。在UML类图中，关系用类框之间的连线来表示，连线上和连线端头处的不同修饰符表示不同的关系。类之间的关系有继承（泛化）、关联、聚合和 组合。
（1）继承：指的是一个类（称为子类）继承另外的一个类（称为基类）的功能，并增加它自己的新功能的能力，继承是类与类之间最 常见的关系。类图中继承的表示方法是从子类拉出一条闭合的、单键头（或三角形）的实线指向基类。例如，图3.2给出了MFC中CObject类和菜单类 CMenu的继承关系。
图3.2 类的继承 |
类的继承在C++中呈现为：
class B { }
class A : public B{ }
（2）关联：指的是模型元素之间的一种语义联系，是类之间的一种很弱的联系。关联可以有方向，可以是单向关联，也可以是双向关联。可以给关联加上关联名 来描述关联的作用。关联两端的类也可以以某种角色参与关联，角色可以具有多重性，表示可以有多少个对象参与关联。可以通过关联类进一步描述关联的属性、操 作以及其他信息。关联类通过一条虚线与关联连接。对于关联可以加上一些约束，以加强关联的含义。
关联在C++中呈现为：
class A{...}
class B{ ...}
A::Function1(B &b) //或A::Function1(B b) //或A::Function1(B *b)
即一个类作为另一个类方法的参数。
（3）聚合：指的是整体与部分的关系。通常在定义一个整体类后，再去分析这个整体类的组成结构。从而找出一些组成类，该整体类和组成类之间就形成了聚合 关系。例如一个航母编队包括海空母舰、驱护舰艇、舰载飞机及核动力攻击潜艇等。需求描述中“包含”、“组成”、“分为…部分”等词常意味着聚合关系。
图3.3 类的聚合
统一建模语言UML轻松入门之动态建模
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静可描形，动可描行。动和静是辩证的两面，在UML中，静态建模可以描述系统的组织和结构，而动态建模则可描述系统的行为和动作。
前一节中介绍的类图和对象图主要用于静态建模，本节我们将描述UML中的动态建模机制。在动态建模机制中，以消息来完成对象之间的交互，用状态图、顺序图、协作图和活动图来描述系统的行为。
4.1消息
在面向对象领域，两个对象的交互是通过消息的发送和接收来完成的。消息分为简单消息、同步消息和异步消息：
（1）简单消息：只是表示控制如何从一个对象发给另一个对象，并不包含控制的细节；
（2）同步消息：同步意味着阻塞和等待，如果对象A给对象B发送一个消息，对象A会等待对象B执行完这个消息，接着才进行自身的工作；
（3）异步消息：异步意味着非阻塞，如果对象A给对象B发送一个消息，对象A不必等待对象B执行完这个消息，就可以接着进行自身的工作。
4.2顺序图
顺序图（也称序列图）是一种交互图（Interaction Diagram，用于描述执行系统功能的各个角色之间相互传递消息的顺序关系，显示跨越多个对象的系统控制流程），强调的是时间和消息的次序，用来说明系 统的动态情况，顺序图由参与者、对象、对象生命线和消息组成。一个顺序图显示了一系列的对象（通常是类的实例，也可以代表其他事物的实例，例如协作、组件 和节点）和在这些对象之间发送和接收的消息。
图4.1 图书入库顺序图 |
图书管理系统中图书入库的顺序图如图4.1所示，对于顺序图，往往在文字表述上会出现"当…时…"、"首先"、"然后"、"接着"、"…发出…消息"，"…响应…消息"等词汇。例如图4.1的顺序图可用文字表达为：
当管理人员把新书入库时，首先要求登录（输入用户名和口令），经系统的"注册表单"验证，若正确无误，则可继续下一步交互，否则拒绝该管理人员进入系 统。若登录正确，管理人员可发出查询请求消息，系统的"图书入库表单"对象响应请求。若管理人员发出增加或删除库存图书请求，"库存图书"对象将响应该消 息，找出数据库中的相关数据并执行相应的操作。此后，管理人员应按下提交键确认请求，"图书入库表单"接口对象应该响应该请求，并发出存储消息，才由"库 存图书"对象响应存储消息，进行数据库存储操作。如果管理人员结束图书入库，发出退出系统的请求，则系统的"注册表单"接口对象响应请求，关闭系统。
图4.2 购买商品顺序图 |
而图4.2则给出了电子购物系统中购买商品的顺序图，通过观察顺序图，我们可以很清晰地看出顾客购买商品的流程。
统一建模语言UML轻松入门之综合实例
在我国十年前ATM（自动取款机）还是一个很新鲜的事物，现在在城市的大街小巷随处可见。我们在日常生活中也经常和ATM打交道。本章我们将以简化的ATM系统为例将前面几章中学到的用例图、类图、顺序图、状态图、活动图及协作图知识运用到此例中。
5.1用例图
参与者"银行储户"和ATM机。简化后的ATM机仅有取款、存款及其余功能。其余功能不做详细说明。
图5.1 自动取款机（ATM）系统用例图 |
银行储户在ATM机上完成取款、存款及其他业务。
5.2类图
图5.2所示的银行系统类图和图3.5是类似的，只是将工作人员换成了ATM。整个银行系统包括了帐户库、银行储户库及ATM系统。
许多单个的帐户组成了帐户库。帐户具有帐户类型、帐户号、余额三个属性，均为private，其类型分别为char，int，double。六个操作分 别为setType、getType、getAccountNumbe、setAccountNumbe、caculateBalance、 getBalance，除caculateBalance为protected其余均为public。
setType设置帐户类型，返回类型为void，参数类型为char，输入帐户类型。
getType获取帐户类型，返回类型为char，无参数。
setAccountNumbe设置帐户号，返回类型为void，参数类型为int，输入帐户号。
getAccountNumbe获取帐户号，返回类型为int，无参数。
caculateBalance计算余额，返回类型为void，参数为double，第一个参数为输入存取款数额，第二个参数为存款余额，既为输入也为输出。
getBalance获取帐户余额，返回类型为double，无参数。
许多银行储户组成了储户库。ATM系统包含了许多ATM机。银行储户及ATM机两个类包含哪些属性，哪些操作，它们的可见性及操作的返回类型、参数个 数、参数类型从类图上都一目了然。更多的属性及操作都可以一一加上，使这个类图更详细更完整，从而使参与项目的每个成员都能无歧义的明了整个设计的类的结 构。同样对于一个真正的银行系统，这个类图过于简单。比如帐户类型我们可以先定义一个abstract class，它包含一个帐户最基本的属性及操作。而有些操作先定义为abstract，如余额的计算。然后再继承这个abstract class，我们可以有saving account 和checking account等等。不同的帐户有不同的余额计算方法，我们可以加上具体的算法。对于不同的帐户可能还有一些它特有的操作，我们也可以加上，比如 saving account在存款达到多少时可以享受机票打折的优惠。通过类图不仅可以使设计者明确的表达自己的设计意图，也能帮组自己整理思路，充实及优化自己的设 计。
图5.2 银行系统类图 |
5.3顺序图
图5.3描述了顾客在ATM机上取款时信息的流动情况。以时间为顺序。因为仅是示例，所以整个过程是没有出现任何故障时的流程，并且只画到了取款结束。通过这个图，我们可以看出消息是如何在系统中不同对象之间进行交互。
通过流程图我们可以很清楚地看到系统是如何工作的，系统各部分之间的信息及控制是如何发送的，整个流程是否合理。流程图对我们的设计起到了很好的帮助作 用。注意在本图没有一个生命线终端有一个"X"，这是因为这个流程中还未遇到有对象生命结束。当有对象生命结束时需在对应的生命线终端画"X"，表明这个 对象在这时被销毁。
首先银行储户将ATM卡插入读卡机，读卡机将信息传给客户管理，客户管理提出查询密码，显示部分将输入密码请求显示出来…..因为这个顺序图较长，且很清晰，即便是初学者也很容易读懂，在此就不对本图做过多的解释。
图5.3 ATM取款顺序图
【转自】http://soft.yesky.com/lesson/281/2472281.shtml