跟我学 UML 系统建模

UML 系统建模

1 概述

1.1 课程概述

• 汇集 UML 及其相关的一些话题
• 回顾 UML 相关的符号与概念
• 以电商订单相关业务为例，借助 UML 完成系统建模
• 将 UML 变成提升建模效率，表达架构思想的工具

1.2 什么是 UML

​ Unified Modeling Language 统一建模语言，又称标准建模语言。是用来对软件密集系统进行可视化建模的一种语言。语言，也就是一个表达思想的符号约定。

1.3 UML 的发展与版本

• 建模语言出现在二十世纪 70 年代，80 年代末开始迅速发展，建模语言达到了 50 多种，百家争鸣
• 后来，Rumbaugh 于 1994 年加入 Booch 所在的 Rational 公司，他们一起研究一种统一的方法
• 一年后，Unified Method 0.8 诞生
• 经过他们三年的共同努力，UML0.9 和 UML0.91 于 1996 年相继面世。
• 此后 UML 创始人 Booch 等人，邀请计算机界的知名人士与企业 IBM，HP，Microsoft，Oracle 等对 UML 进行评论，听取意见。
• 1997 年 1 月，Rational 公司向 OMG（对象管理组织）提交了 UML1.0
• 1997 年 11 月，OMG 宣布接受 UML，认定为标准的建模语言
• 1998 年发布了 UML 1.2
• 1999 年发布了 UML 1.3
• 2003 年 3 月发布了 UML 1.5
• 2004 年推出 UML2.0

1.4 UML 可以做什么

​ 从命名上分析：统一、建模、语言

​ 统一：没有规矩不成方圆，它指定了一种标准，一种约束，使得大家的表达变得一致。它被 OMG（Object Management Group）所认可。

	OMG是一个国际化的、开放成员的、非盈利性的计算机行业标准协会，该协会成立于1989年，他是软件行业中一个标准的认可。包括客户、领域专家、分析师、设计师、程序员、测试工程师及培训人员等。UML成为他们工作中统一的沟通工具，用于充分理解和表达自己所关注的内容。

​

​ 建模：复杂业务系统建模，即建立软件系统模型。UML 的创始人之一 Booch，曾用建一座摩天大楼来比喻 UML 的必要性。简单系统下，可有可无，系统复杂或大到一定程度，建模和文档成为系统周期里非常重要的一环。

​ 语言：面向对象思想的表达。互相之间的沟通工具。一种按照特定规则和模式组成的符号系统。

1.5 学习 UML 的意义

• 团队或架构设计互相交流，必然需要一种沟通语言
• 是一门技能，不一定用到，但是作为架构师应该知道
• 有其他的表达办法，但是用习惯后，UML 真的很方便易用

1.6 关于 UML 的争议

​ 观点一：UML 是鸡肋，离程序员真正需要的设计工具还差得很远。只有为数不多的程序员使用这个工具交流想法，而没有用在具体工作中。

​ 观点二：UML 设计相当的严谨与全面，在面向对象的系统架构上，可以便捷的表达你想要表达的一切想法，优美切无可替代。

​ 个人观点：一项技能和工具，学会并不难，需要的时候能拿来用就好，艺不压身。

1.7 切忌形式化

• 不要把 UML 过度神化

• 一个表达想法的工具而已

• 当用则用，不要刻意去套

2 理论篇

2.1 关系

关系是现实世界中事物与事物之间相互关系的符号表达，抽象到面向对象理念上，大致分为 6 种。

2.1.1 泛化（Generalization）

 定义：

• Java 里的 extends，可用于接口与接口之间，或父子类之间
• 单向，箭头指向父类，如 Tiger 指向 Animal

代码：

//类
public class Animal {
}
public class Cat extends Animal {
}

//接口
public interface Action {
}
public interface Jump extends Action {
}

2.1.2 实现（Realization）

 定义：

• Java 里的 implements，箭头指向接口
• 单向，如 Tiger 扩展了 Sleep 接口，那么箭头指向 Sleep

代码：

public interface Jump {
}
public class Tiger implements Jump {
}

2.1.3 依赖（Dependency）

 定义：

• 某个类或对象实例，依赖于另一个而存在，在其关键方法中用到了对方
• 如果一方属性发生变动，另一方可能会收到影响
• 一般为单向，例如动物依赖于食物，eat (Food food)
• 类比在表结构上，更像是外键

代码：方法参数，局部变量

2.1.4 关联（Association）

 定义：

• 是一种拥有的关系，双方不一定属于同一类事物，箭头指向被拥有者
• 可以单向，也可以双向，例如 Tiger 与 Zookeeper
• 类比在表结构上，更像是存在中间表关系

代码：成员变量

2.1.5 聚合（Aggregation）

 定义：

• 单向，空心菱形起始的箭头，箭头指向被拥有者
• 一种很弱的拥有关系，A 可以拥有 B，但是不是离了 B 就无法生存
• 群体与个体的关系，如小组包含组员

代码：成员变量，多为集合

2.1.6 组合（Composition）

正在上传…重新上传取消 定义：

• 单向，实心菱形为起始，箭头指向子模块
• 一种整体与部分的关系，A 是由 B 组成的，离开 B 则不完整。
• 单向，如人和四肢的关系

代码：成员变量，多为集合

2.1.7 实例

一张图涵盖所有的关系：

2.1.8 总结

• 继承和实现几乎不会搞混，一个上下父子关系，一个是类与接口
• 组合与聚合要注意，聚合为聚集，群体与个体。组合为组成，整体与部分
• 关联和依赖要注意，关联一般为同级别有相关性，这种相关性是长期存在的。依赖为需求关系，一方需要依赖另一方，可能会因另一方的改变而改变。
• 关系的强弱顺序：继承 = 实现 > 组合 > 聚合 > 关联 > 依赖

2.2 图

2.2.1 概述

 ​ UML 中的图形非常多，按类型分为结构图和行为图，其中，最常用，最典型的为 9 种，下面分开来介绍。

• 用例图：从用户角度描述系统功能。

• 类图：描述系统中类的静态结构。

• 对象图：系统中的多个对象在某一时刻的状态。

• 状态图：是描述状态到状态控制流，用于表达系统状态的变化

• 活动图：描述了业务实现用例的工作流程，强调的是动作之间的衔接

• 序列图：对象之间的动态合作关系，强调对象发送消息的顺序

• 协作图：描述对象之间的协助关系，强调对象之间的合作关系

• 组件图：描述系统各个组件及其相关关系的静态视图

• 部署图：定义系统中软硬件的物理体系结构

2.2.2 类图

1）说明

• 面向对象系统建模中最常用和最重要的图，是定义其它图的基础
• 主要是用来显示系统中的类、接口以及它们之间的静态结构和关系的一种静态模型
• 描述细化相关的属性和操作，是一个对业务模型面向对象化的过程，也是对系统的约束
• 可以直接构建可执行代码，但真正使用的场景相对较少

2）可用元素

正在上传…重新上传取消

• 类：

正在上传…重新上传取消

• 接口：

• 关系：可以使用上述中的 6 大关系。

3）实例

正在上传…重新上传取消

2.2.3 对象图

1）说明

• 对象图和类图一样反映系统的静态过程，但它表达的是一个实际场景。
• 对象图显示某时刻对象和对象之间的关系。可看成一个类图的快照。
• 对象图是类图的实例，所以几乎使用与类图完全相同的标识。

2）可用元素

正在上传…重新上传取消

• 对象：

 3）关系

对象图因为是运行在某个时间节点的对象镜像，所以关系比较单一，描述的是类与类的实例之间。不涉及接口

• 关联：对象之间存在关联关系，如用户和订单
• 依赖：对象实例之间的依赖关系，如商品对象依赖店铺

4）图例

2.2.4 组件图

1）说明

• UML1.1 中，组件图是用来描述一个系统的物理构件。包括文件，可执行文件，库等

• UML2 中，关注组件间的关联（使用什么接口，通过什么端口通讯），强调通过接口来描述组件行为

• 对于后端来说，组件图比较适用于 SOA 架构、微服务架构，描述整个系统的结构以及子系统间的通讯方式

• 对于前端来说，组件图适合在使用类似 react、vue 这样组件化的前端技术框架时，表达对组件的设计，比如一个页面会有个骨架组件，骨架组件包含了导航组件，列表组件等等

2）可用元素

• 组件：描述的是系统的其中一个组成部分，一个完整的可独立服务的模块或单元，比如订单服务，k8s 里的一个 pod

• 部件：组件内可能细化为多个子模块

• 端口：组件对外提供服务就必须暴露对应的端口。如 http rest 服务默认的 80

• 接口：部件 / 组件之间的一种约定，分提供者和需求者同时展示了某个部件提供出的功能

3）关系

• 泛化：用于接口与接口之间存在的父子关系，组件之间也可能存在，但相对用的较少
• 实现：接口和其实现者（提供服务的组件）之间
• 关联：Require link / Connector ，接口与调用者（需要接口的组件）之间

4）图例

2.2.5 部署图

1）说明

• 一种展示运行时进行处理的节点和在节点上存在的组件配置的图。

• 阐述了在实际应用中软件和它的运行环境的关系，并且描述了软件部署在硬件上的具体方式。

2）可用元素

正在上传…重新上传取消

• 节点：

  早先单实例 MVC 架构下，节点可以认为是某台物理服务器，微服务及容器化下，物理服务器大多纳入编排管理，docker 实例由系统在物理节点见自由调度，组件无法锁定在某个固定物理节点上，这种环境下的 node 可以理解为一个容器，或 k8s 中的 pod。

• 组件实例

  相当于组件里的实例化，类比于类和对象

 3）关系

• 依赖：发生于组件之间，如用户组件依赖于订单组件
• 关联：node association，发生于节点之间，例如应用服务器需要关联 mysql 数据库

4）图例

2.2.6 用例图

1）说明

• 用例图是用来描述系统功能的技术，表示一个系统中用例与参与者及其关系的图

• 主要用于需求分析阶段，和产品文档比较贴近

• 用例图相当于从用户的视角来描述和建模整个系统，分析系统的功能与行为。

2）可用元素

• 参与者：使用系统的人，有多少种角色就有多少参与者。

正在上传…重新上传取消

• 用例：参与者可用做的事情

3）关系

• 泛化：参与者之间可用泛化，例如用户与普通会员；用例也可用泛化，如用户管理与修改密码

• 关联：发生于参与者和用例之间，表示该角色可用有哪些用例（行为）

• 依赖：发生与用例之间，例如登录依赖于注册

4）图例

2.2.7 交互图

交互图分为序列图和协作图，两者既可以相互转换而不丢失信息，又存在一定差异。下面分开讲再类比

序列图

1）说明

• 序列图主要用于按照交互发生的一系列顺序，显示对象之间的消息或行为传递。
• 序列图可以形象表达整个流程，和流程图有相似之处，但是流程图偏业务逻辑，序列图则是系统面向对象化建模后，对应到对象上的交互过程。趋向于开发者角度。

2）可用元素

• 对象：提供功能和交互的类的实例
• 参与者：同用例种的参与人，多为一段流程的发起点
• 时间线：对象在整个交互流程中的生命周期
• 消息：对象间需要发送和返回的消息，可以自己发给自己
• 外部参考：序列图可以引入外部的一段作为参考，或参与序列中与当前图的元素交互
• 片段：将某一段序列纳入片段管理，该片段像原子一样，发生某些整体的行为，例如循环

3）关系

• 不会用到 6 大关系，相互之间使用 message 交互。代表的是信息流动。

4）图例

协作图（1.4）/ 通信图（2.0）

1）说明

• 协作图与时序图类似，二者都是用对象间的交互来描述用例的。

• 两者关注角度稍有不同，时序图强调交互的时间次序，协作图强调交互的空间结构。

2）可用元素

• 参与者：系统参与的角色
• 对象：同时序图，系统中实例化的对象
• 关联：对象间的关联关系
• 消息：依附于关联而存在，承载了对象间要传递的信息

3）关系

• 不会用到 6 大关系，相互之间使用 message 交互。代表的是信息流动。

4）图例

​ 两种交互图可以相互转化，类比如下：

2.2.8 状态机

状态机分为状态图和活动图，

状态图

1）说明

• 描述一个实体基于事件反应的动态行为，它有两方面的价值，一是反映对象可能有哪些状态，二是这些状态之间是如何流转的，需要什么样的条件下进入什么样的状态。

2）可用元素

• 状态：某一个时间点，对象所在的状态
• 转移：连接状态之间，因为状态时可以互相变化转移的
• 分支 / 会合点：状态变化中可能产生分叉或交会，如确认收货后，双方互评产生分叉
• 开始 / 结束：状态的起始与终结
• 同步点：需要多个分支状态都具备时使用。多用于并行协作处理的状态流转，如互评都完成后，订单才算终结

3）关系

• 只有转移关系，表示状态之间的变化

4）图例

正在上传…重新上传取消

活动图

1）说明

• 活动图用于企业的业务流程建模，是对内部活动与活动之间流转动作的表达
• 活动图类比流程图：活动图存在分支与交会，可以表达并行存在的活动，流程图多为是与否分支判断
• 活动图类比状态图：关注不同，状态图强调行为的结果（下一个状态是什么），活动图在乎行为的动作（下一步干什么）。两者可以理解为穿插配合，一动一静，活动可能会触发下一步不同的状态。

2）可用元素

• 活动：表达系统中，或对象内的某一个可以发生的动作
• 对象：活动的发生者，或交互者
• 流转：活动的跳转，即下一步指向谁
• 判定：类似与流程图里的判决，根据条件产生不同的流转
• 同步：并行流转下的汇集，不同于流程图的地方
• 起始 / 结束：活动的发起与终结
• 泳道：对 UML 活动图中的活动进行分组，同一类活动在一个泳道上，清晰明了

3）关系

• 只有流转，也就是活动的跳转，表示下一个活动是啥

4）图例

3 实战篇

3.1 常用工具

3.1.1 Rational Rose

​ 老牌，大名鼎鼎，史上最有名的 UML 产品，以至于大多数情况下，很多人将他等同于 UML 工具，需要注意的是，自从 Rational 被 IBM 收购之后，Rational Rose 已经成为历史，作为 UML1.4 标准的产物，现在已经不升级，但是够用。其替代品是 IBM 的其他产品，如 IBM RSA。

3.1.2 RSA

​ IBM® Rational® Software Architect ，IBM 的旗舰产品，是一个高级而又全面的应用程序设计、建模和开发工具，用于实现端到端的软件交付。通过和 IBM 其他产品的协调，支持软件开发的全生命周期开发。但是也有它的缺点，笨重，繁杂（大公司产品的通病？？？）

3.1.3 Enterprise Architect

​ Sparx Systems 公司的旗舰产品。它覆盖了系统开发的整个周期，除了开发类模型之外，还包括事务进程分析，使用案例需求，动态模型，组件和布局，系统管理，非功能需求，用户界面设计，测试和维护等。总之你需要的基本都可以满足，价格还便宜。性价比之选。

3.1.4 StarUML

​ 开放源码的 UML 开发工具，是由韩国公司主导开发出来的产品。用 Delphi 写的，是个大神。需要付费，网站提供购买注册码，小巧简单而易用，与 rose 相比更是明显。

3.1.5 VISIO

​ VISIO 可以理解为一种通用的画图工具，它具备常见的各种图形，从 VISIO2000 版本才开始涉足软件分析设计到代码生成的全部功能，单纯从画图角度，有着无可比拟的优势，UML 图标仅仅是其中很少的一部分。优点是跟微软的 office 产品的能够很好兼容。可以把图形直接复制或者内嵌到 WORD 的文档中。但是到代码的生成更多是支持微软自家的产品如 VB，C#，ms sql 等（微软的一贯作风），如果仅是画 UML 图和大量的 word 文档表达，它可以满足你。

3.1.6 PowerDesigner

​ Sybase 的企业建模和设计解决方案。采用模型驱动方法，将业务与 IT 结合起来，可帮助部署有效的企业体系架构，并为研发生命周期管理提供强大的分析与设计技术。将多种标准数据建模技术集成一体，并与 IDE 集成，典型的如 Eclipse 插件形式。PD 更多给人的印象是数据库建模技术，但是它可以完成 UML 的所有建模操作并映射到数据库和代码层面。并提供 60 多种关系数据库的连接支持。

3.1.7 总结

• 以上工具各有利弊，根据自己实际情况和爱好选择即可
• 基本都涵盖软件建模的完整周期，UML 只是他们的一部分功能
• 任何一种都可以满足你学习和工作中 UML 建模的使用需求

3.2 订单建模实战

3.2.1 B2C 交易用例图

用例图从订单系统使用人角色出发，反馈订单体系里面有哪些人，可以做哪些事情

1）业务需求：

• 买家：浏览商品，下单、支付、签收
• 卖家：开店，确认订单，发货，商品维护
• 双方：退货，换货，评价，收藏

3.2.2 订单模块类图

订单类图从业务模型出发，用面向对象思想，订单业务中的模型抽象为一个个对象

1）元素：

• 人物类：Seller，Buyer，User
• 商品类：Shop，Product
• 交易环节类：Cart，Order，Invoice，AliPay，WeichatPay，ICBCPay...
• 交易环节接口：Pay
• 促销相关类：DiscountPromotion，ReductionPromotion...
• 促销接口：Promotion

2）关系：

• 关联：Order→Seller，Buyer，Pay；Shop→Seller

• 依赖：Order→Cart→Promotion，Invoice；

• 组合：Shop→Product

• 聚合：Cart→Product

• 泛化：Buyer，Seller→User

• 实现：DiscountPromotion，ReductionPromotion→Promotion；AliPay，WeichatPay，ICBCPay→Pay

3.2.3 订单下单时的对象图

对象图表达的是下订单的时刻，系统存在的对象及对象之间的关联关系。对象具备了实际的属性值

1）元素：

• 与类图一致，但是接口将不复存在，而变为实际实现类
• Cart 生命周期终结，Invoice 还没诞生，Product，Promotion 依附在了订单上
• 对象上的属性具备了实际值，不再是泛化的类属性的概念

2）关系：

• 对象之间变为实例关联（Instance link），泛化和实现不再被使用。
• 弱类型可以使用依赖，比如 Order 与打折的 Promotion

3.2.4 B2C 下单支付序列图

序列图反应下单到支付完成这段时间里，各个对象怎么协作和交互，互相之间需要传递什么消息。

1）元素

• 人物：Buyer
• 对象：Product，Cart，Order，Promotion，Pay，AliPay（外部）

2）时间序列

• 顺向：Buyer→筛选→Product→添加→Cart→促销结算→Promotion→下单→Order→支付→Pay→跳转→AliPay
• 回路：Buyer←通知←Order←开单←Pay←回调←AliPay
• 环路：Cart ←→增删商品

3.2.5 下单支付协作图

协作图同序列图类似，可以由序列图转化而来。但是协作图反映的是交互关系，像是铺开的时序图

1）元素，同时序图

• 人物：Buyer
• 对象：Product，Cart，Order，Promotion，Pay，AliPay（外部）

2）交互，同序列图

• 关联
• 消息

3.2.6 B2B 先款后货状态图

以 B2B 先款后货业务模式下，订单对象的流转状态为例，实现业务状态展示

1）元素

• 起始
• 订单的各个状态值
• 交会
• 同步
• 终结

2）流转

• 开始→合同已生成→已付款→交收单已生成→已发货→验货验票→待评价→分支→买方已评，卖方已评→同步→终结

3.2.7 B2B 先款后货活动图

在先款后货的交易中，双方都要做哪些活动或者说操作，通过活动图建模体现

1）元素

• 泳道：Buyer，Seller，Manager
• 活动（Buyer）：生成合同，支付货款，验货验票，买方评价
• 活动（Seller）：生成交收单，发货，卖方评价
• 活动（Manager）：仲裁
• 判定：是否有异议

2）流程

• 开始→生成合同→支付货款→生成交收单→发货→验票验货→** 判断（是否异议？）**→否→分支→买方，卖方评价→同步→终结
• 判断异议→是→仲裁→终结

3.2.8 订单服务组件图

界定构成订单服务的各个对象以及他们之间的可用接口，相当于定义了一组约定。

1）元素

• Order：create（Cart），open（Pay）
• Cart：addProduct（Buyer），removeProduct（Buyer），settle（Buyer）
• Promotion：discount（Cart）
• Pay：pay（Buyer）

3.2.9 订单中心部署图

​ 将订单中心如何部署到服务器？部署图的职责就是完成这部分的内容。在 docker 容器化编排和云环境下，部署图变得不那么的确切。node 可以类比理解为 docker 容器或者是 k8s 等编排工具中的 pod，而组件也不再固定在某个 node 中，而是由调度器动态调度，分散部署。

1）元素

• node：App1，App2，App3，假设有三台；mysql 数据库，假设 1 主 2 从
• component：Order，Cart，Pay，Promotion

2）关系

• 组件离散分布于 3 台 App
• App 关联 mysql
• mysql 主从为依赖

3.3 总结

• 一切皆工具，适合你的就是最好的

• 灵活变通，不要拘泥规矩，规矩是死的人是活的

• 表达思想才是目的，一切都是为了能说清楚你的想法，这也是语言的本质

• 不要为了画图而画图，UML 不是必须的，但是有了它你的架构工作会变得更顺畅

  希望 UML 能成为你架构工作的利器，提升效率，解决问题。Thanks！

本文由传智教育博学谷 - 狂野架构师教研团队发布！