UML及建模工具

一. UML简介

1. 模型及其作用

  • 模型就是现实的简单化

  • 模型的目的或用途：模型是为了更好地理解正在开发的系统：系统可视化、详细说明系统的结构或行为（e.g. 静态/动态结构、行为 时序描写）、指导构造系统的模板、决策进行文档化、构建物理实体前先测试、与客户交流、降低复杂度。

  • 面向对象的建模：软件系统用对象（类）作为其构造单元（块）；class属性（静态）、方法（动态）

    • 从问题空间或解空间的词汇中找出对象
    • 类是对具有共同性质的一组对象的描述

2. UML介绍

UML——Unified Modeling Language 统一建模语言

UML 是一种对软件系统的制作过程/产出物进行下述工作的描述语言，这些工作包括：可视化（visualizing）、详述 （specifying）、构造 （constructing）、文档化（documenting）。

统一标准：UML已成为面向对象的标准化的统一的建模语言

UML与代码的关系：编码是实现一个系统，UML是对一个模型建立模型，一些工具（比如Rational Rose）可以根据UML建立的模型来产生java、C++或其他程序语言代码框架。

UML的构成：视图（Views）、图（Diagrams）、模型元素、通用机制

3. UML工具

Microsoft Visio、IBM Rational Rose、I-Logix、POPKIN、ORACLE、Borland、StarUML、

4. 视图（Views）

三视图

视图是表达系统某一方面特征的 UML 建模元素的子集，它是由一个或者多个图组成的对系统某个角度的抽象。

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  • Use Case View（用例视图）
    • 用途：描述系统应该具备的功能，被称为参与者（执行者）的外部用户所能观察到的功能
    • 其他几个视图的核心，直接驱动其他视图的开发
    • 包含UML图：用例图
    • 使用者：分析人员
  • Logical View（逻辑视图）
    • 用途：描述用例图中提出的系统功能的实现
    • 包含UML图：静态结构（类图、对象图），动态协作关系（状态图、时序图、协作图、活动图）
    • 使用者：分析人员、设计人员、开发人员
  • Process View（进程视图）
    • 用途：考虑资源的有效利用、代码的并行执行以及系统环境中异步事件的处理
    • 解决在并发系统中存在的通信和同步问题
    • 包含UML图：状态图、协作图、组件图、活动图
    • 使用者：开发人员、系统集成人员
  • Implementation View（实现视图）
    • 用途：描述系统的实现模块以及它们之间的依赖关系
    • 包含UML图：组件图
    • 使用者：开发人员
  • Deployment View（部署视图）
    • 用途：显示系统的物理部署（物理设备），并描述位于节点实例上的运行组件实例的部署情况
    • 包含UML图：部署图
    • 使用者：开发人员、系统集成人员、测试人员

UML中的模型图：类图（class diagram）、对象图（object diagram）、用例图（use case diagram）、时序图（sequence diagram）、协作图（collaboration diagram）、状态图（statechart diagram）、活动图（activity diagram）、组件图（component diagram）、部署图（deployment diagram）

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UML中的关系：关联、依赖、泛化、实现、聚合

  • 关联image-20211223130359738
  • 依赖 image-20211223130432036
  • 泛化 image-20211223130445435
  • 实现 image-20211223130457344
  • 聚合/组合 image-20211223130509537

UML 模型中最基本的结构化事物，包括：类、接口、协作、用例、活动类、组件、节点

  • 类
    • 对相同属性、方法、关系和语义的对象的抽象
    • image-20211223125737888
  • 接口
    • 类或组件提供特定服务的一组操作的集合
    • 描述了类或组件的对外可见的动作
    • image-20211223125924946
  • 协作
    • 定义了交互操作
    • 代表构成系统的模式的实现
    • image-20211223130014686
  • 用例
    • 描述系统对一个特定角色执行一系列动作
    • 组织动作事件
    • image-20211223130100994
  • 活动类（对象）
    • 有一个或多个进程或线程的类
    • image-20211223130146423
  • 组件
    • 实现了物理上可替换的系统部分
    • image-20211223130219987
  • 节点
    • 在运行时存在的一个物理元素
    • 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
    • image-20211223130320177

二. 用例图

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1. 用例图简介

用例图应用在软件开发的需求分析阶段，描述了系统的功能以及如何使用一个系统

用例图显示谁将是相关的用户、用户希望系统提供什么服务以及用户需要为系统提供的服务

用例图类型

  • 业务用例图 边界是组织——用例是期望、服务
  • 系统用例图 边界是系统/子系统——用例是子系统、模块、功能

2. 用例图的组成

用例图主要包含以下 6 个元素：参与者（Actor）、用例（Use Case）、关联关系（Association）、包含关系（Include）、扩展关系（Extend）、泛化关系（Generalization）

3. 参与者、用例、事件流

3.1 参与者（Actor）

参与者的概念：参与者是系统外部的一个实体，参与用例的执行过程，参与者由参与用例时所担当的角色表示，每个参与者可以参加一个或多个用例

参与者的种类：参与者可以是系统用户（真实的人，即user，最常见的参与者，存在于每一个系统，按角色命名）、时间代理人（timer）、交互的其他系统（外部程序），其他如硬件设备、外部设备和外部数据库等。

总之参与者不一定是人 ，但参与者由”角色“表示而不是特定的人或事。

先定系统边界 寻找系统参与者，参与者对系统而言总是外部的

参与者可以直接或间接地同系统交互或使用系统提供的服务以完成某件事件

一个人或事物在与系统发生交互时，可以扮演多个角色

启动者和支持者（协作者）

  • 启动者是用例的主要服务对象
  • 另一类是扮演支持者角色的参与者
  • image-20211223134646388

参与者之间可以具有泛化关系，使用泛化关系来描述多个参与者之间的公共行为

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3.2 用例与事件流

用例的概念：用例是外部可见的系统功能单元，不揭露系统内部构造的前提下定义连贯的行为，不是需求或功能的说明

用例的表示：简单名（simple name）image-20211223141700254、路径名（Path name)image-20211223141709224

用例分析处于系统的需求分析阶段，这个阶段应该尽量避免考虑系统的细节问题

实际建立系统，则需要更加具体的细节，这些细节写在用例对应的事件流文件中

值得注意的是事件流描述的也是系统”做什么“，而不是”怎么做“

事件流文件组成（常见的事件流描述方法是一个表格）

  • 简要说明（用例相关、参与者）
  • 前提条件
  • 后置条件
  • 事件流程（主事件流、其他事件流、错误流）

4. 用例间的关系

  • 关联关系：参与者与用例之间的关系
    • image-20211223142528579
  • 包含关系：用例之间，一个用例简单地包含其他用例具有的行为
    • 包含关系把几个用例的公共部分分离成一个单独的被包含用例；一个用例的功能太多，用包含关系建模成两个以上的用例，降低用例的复杂度
    • 被包含用例称为提供者用例，包含用例称为客户用例
    • 客户用例执行，则提供者用例必须执行
    • image-20211223142907237
  • 扩展关系：基础用例的增量扩展
    • 把新的行为加到已有的用例中去
    • 基础用例提供扩展点以添加新的行为，扩展用例插入到基础用例的扩展点上
    • 基础用例被执行，一般不会涉及扩展用例；只有特定的条件发生，扩展用例才被执行，与包含关系区分
    • image-20211223143320145
  • 泛化关系：一般与特殊的关系
    • 父用例可以被特别地列举为一个或多个子用例，子用例表示父用例的特殊形式
    • 子用例从父用例处继承行为和属性，还可以添加行为或覆盖、改变继承的行为
    • image-20211223143559930

5. 实例：图书馆管理系统的用例图（看PPT）

  • 确定系统涉及的总体信息

  • 确定系统的参与者

  • 确定系统的用例（包括不同参与者的不同用例）

  • 图书馆管理系统的用例图

6. 边界

  • 正确用例图
    • image-20211223144315863
  • 错误用例图
    • image-20211223144342090

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7. 用例的粒度

是用例吗？常有把步骤当作用例的错误：

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用例能多能少

8. 用例的层次

？？？？？《include》关系

9. 业务建模

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三. 活动图

1. 活动图简介

活动图是UML用于系统动态行为模型工具

描述活动顺序，从一个活动到另一个活动的控制流

本质上是流程图

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2. 活动图元素

  • 动作状态：原子的、瞬时的、不可分解、不可中断
    • 可以有入转换（动作流、对象流），至少一条出转换
    • 不能有入口动作和出口动作，更不能有内部转移
  • 活动状态：非原子、可分解（分解为子活动或动作状态）
    • 活动状态的内部活动可以用另一个活动图来表示
    • 活动状态可以有入口动作和出口动作，也可以有内部转移

动作状态是活动状态的一个特例，如果某个活动状态只包括一个动作，那么它就是一个动作状态

动作状态图和活动状态图都用平滑的圆角矩形表示

image-20211223150943098image-20211223150950213

  • 开始点
    • image-20211223151243264
  • 结束点
    • 整个活动结束
      • image-20211223151255057
    • 子流程的结束
      • image-20211223151302524
  • 分支与合并
    • image-20211223151329402
  • 分叉与汇合
    • 分叉用将控制流分为两个或者多个并发运行的分支
    • 汇合用于同步这些并发分支，以达到共同完成一项事务的目的
    • image-20211223151447513
  • 泳道
  • 对象流
    • 对象放在活动图中，并用一个依赖将其连接到进行创建、修改或撤销等动作状态或者活动状态上
    • 对象流是动作状态或者活动状态与对象之间的依赖关系，表示动作使用对象或动作对对象的影响

3. 图书馆活动图

4. 活动图和状态图区别

  • 活动图着重表现从一个活动到另一个活动的控制流，是内部处理驱动的流程

  • 状态图着重描述从一个状态到另一个状态的流程，主要有外部事件的参与

5. 活动图和流程图区别

  • 流程图着重描述处理过程，它的主要控制结构是顺序、分支和循环，各个处理之间有严格的顺序和时间关系

  • 活动图描述的则是对象活动的顺序关系所遵循的规则，它着重表现的是系统的行为，而非系统的处理过程

  • 活动图能够表示并发活动的情形，流程图不能

四. 类图/对象图

1. 类图的概念

  • 描述类、接口及它们之间关系的图

  • 显示系统中各个类的静态结构

2. 类图的元素

类（class）、接口（interface）、依赖关系（dependency）、泛化关系（generalization）、关联关系（association）、实现关系（realization）

3. 类

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  • 分析阶段的类：不考虑方法
  • 设计阶段的类：进行拆分
  • 数量对比：设计阶段类图类的数量 分析阶段类数

类面向对象系统组织结构的核心

类的组成：

  • 名称（Name）：名词、首字母大写、简单名和路径名
  • 属性（Attribute）： 描述对象具备的特性
    • 任意数目的属性，也可以没有属性
    • UML类属性语法：[可见性] 属性名 [类型] [=初始值]
      • 属性提倡私有，通过方法进行修改
      • 属性的可见性
  • 操作（Operation）： 对类的对象所能做的事务的抽象
    • 类操作的语法为：[可见性] 操作名 [(参数列表)] [:返回类型]
    • 返回类型、名称和参数一起被称为操作签名

4. 接口

没有给出对象的实现和状态的情况下对对象行为的描述

包含操作但不包含属性，没有对外界可见的关联，一个类可以实现一个或多个接口

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5. 类之间的关系

  • 依赖关系

    • image-20211223183209032
    • 依赖关系的分类：使用依赖、抽象依赖、授权依赖、绑定依赖
      • 使用依赖，包括：调用call、参数parameter、发送send、实例化instantiate
      • 抽象依赖，包括：跟踪trace、精化refine、派生derive
      • 授权依赖，包括：访问access、导入import、友元friend
      • 绑定依赖，包括：绑定bind

  • 泛化关系

    • image-20211223215841906
    • 存在于一般元素和特殊元素间的分类关系
    • 描述了一种”a kind of“的关系

  • 关联关系

    • image-20211223220010992

    • 结构关系，指明对象之间的联系

    • 关联的名称：动词或动词短语（不必要），指示符消除歧义

    • 关联的角色：动词或动词短语，关联关系中一个类对另一个类所表现出来的职责（如，学习者和教学者）

    • 关联的多重性：多少对象参与该关联，一个取值范围、特定值、无限定的范围或一组离散值

  • 实现关系

    • image-20211223221006856
    • 接口和其实现之间的关系

  • 聚合关系

    • image-20211223220743091
    • 整体与部分的关系

  • 组合

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    • 强聚合，类似于人体和躯干、四肢的关系

6. 分析阶段的类图

分析阶段主要对领域建模，与实现技术和平台无关，只需要掌握：类（属性、操作、可见性）、关联关系、组合关系

使用”事务模式“对领域建模

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7. 设计阶段的类图

8. 实例：图书馆管理系统的类图

五. 交互图（时序图）

1. 什么是交互图

交互图是描述系统中对象之间通过消息通信的图，包括：序列图（也称时序图、顺序图）、协作图（也称通信图）

2. 序列图简介

序列图用来描述系统中对象间通过消息进行交互，它强调消息在时间轴上的先后顺序。

序列图常用来描述用例的实现，标识了消息发生交互的先后顺序，明确类的职责

3. 序列图的组成

组成元素：对象、生命线、消息、激活

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  • 对象
    • 序列图顶部——交互开始就被创建，不在顶部——交互过程中被创建
      • 创建的两种表示
      • image-20211223222948287
    • 名称（对象名：类名）image-20211223223201098
    • 注销：”X“符号
  • 生命线
    • 生命线是一条垂直的虚线，表示序列图中的对象在一段时间内的存在
    • 有的生命线从顶部延伸至底部，所用的时间取决于交互持续的时间
  • 消息
    • 对象之间某种形式的通信
    • image-20211223223346222
    • 如上图所示，消息的类型：调用call（对象之间或对象本身，格式”对象名.成员方法“）、返回return（被调用对象向调用者返回一个值）、发送send（向对象发送一个信号，调用是同步的机制，而信号是一种异步的机制）、创建create和注销destroy
    • 消息的编号，顺序编号和嵌套编号
      • image-20211223224217547
  • 激活
    • 激活（activation）表示对象被占用以完成某个任务
    • 去激活（Deactivation）指对象处于空闲状态、等待消息
    • 矩形称为激活条或控制期，对象在激活条的顶部被激活，在完成自己的工作后被去激活

4. 用例图、类图、序列图之间的关系

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三种UML图对比

用例图 类图 序列图
动态行为 （系统外在行为） 静态结构 （系统内在结构） 动态行为 （系统内在行为）
参与者、用例 类 对象
包含、扩展、泛化 依赖、关联、泛化 消息
用例描述 事务模式 BCE模式
业务流程 领域概念 概念与流程的关联

画图顺序：用例图 类图 序列图

5. BCE模式？？？？？

BCE（Boundary、Control、Entity）

  • 边界类 Boundary：隔离系统内部和外部
    • image-20211223225152576
  • 控制类 Control：在分析阶段，通常针对一个用例生成一个控制类
    • image-20211223225222108
  • 实体类 Entity：对应于类图中领域概念中的类，封装数据结构和数据存储有关的类
    • image-20211223225236236

新版序列图，一个序列图可以描述多个场景 组合片段？（不建议）

6. 实例：图书馆管理系统的序列图

7. Frame

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8. 组合片段

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  • opt：可能发生或可能不发生的序列，可以在临界条件中指定序列发生的条件
  • alt：设置一个临界条件来指示该片段可以运行的条件
  • loop：片段重复一定次数，可以在临界条件中指示片段重复的条件
  • break：如果执行此片段，则放弃序列的其余部分
  • par：并行处理
  • critical：此片段中的消息不得与其他消息交错
  • ref：在一个交互图中，引用其他的交互图

9. 协作图

协作图：也称为通信图，它描述了系统中，对象间通过消息进行的交互，强调了对象在交互行为中承担的角色

包含元素：对象、链、消息

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序列图与协作图都表示对象之间的交互作用，只是它们的侧重点有所不同

  • 序列图描述了交互过程中的时间顺序，但没有明确地表达对象之间的关系
  • 协作图描述了对象之间的关系，但时间顺序必须从顺序号获得
  • 两种图的语义是等价的，可以从一种形式的图转换成另一种形式的图，而不丢失任何信息（协作图是序列图去掉时序用序列号表示）

六. 状态图

状态图主要用于描述一个对象在其生存期间的动态行为，表现为一个对象所经历的状态序列，引起状态转移的事件（Event），以及因状态转移而伴随的动作（Action）

状态图元素

  • 状态

    • 在此期间，满足某些条件、执行某些活动或等待某些事件
    • 状态图圆角矩形表示
    • 初始状态、终止状态：image-20211224105746874

  • 转移（两个状态之间的一种关系）：在源状态中执行一定的动作，并在某个特定事件发生而且某个特定的警界条件满足时进入目标状态

    • image-20211224105844073
    • 触发事件（转移诱因）、警戒条件（条件满足才转移）、结果（对象转移后的结果）
    • 自身转移

  • 动作：可执行的原子操作，不可中断，执行时间可忽略（EntryActions、DoActions、ExitActions）

  • 组合状态：嵌套子状态

    • image-20211224111828624 image-20211224111836676
    • 进入节点：直接通过一个节点进入状态，此节点称之为进入节点或选择节点
      • image-20211224112608193
    • 退出节点：状态内部子状态转移到外部状态，边界经过退出节点
      • image-20211224112659874
    • 历史状态：记住退出时的子状态
    • 并发：组合状态在某一时刻同时达到多个子状态
      • image-20211224112553688

状态图实例

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七. 组件图+部署图（略）

1. 组件图

组件图描述了软件的各种组件以及它们之间的依赖关系

组件图可以用来显示编译、链接或执行时组件之间的依赖关系，以及组件的接口和调用关系

组件图包含元素：组件、接口、依赖关系

一般组件就是一个实际文件：deployment componen，如dll文件、exe文件、COM+对象、CORBA对象、EJB、动态Web页、数据库表等；work product component，如源代码文件，数据文件等，这些构件可以用来产生deployment component；execution component，系统执行后得到的构件

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组件和接口之间的关系：

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2. 部署图（实施图）

部署模型通常与组件模型并行开发

用来描述系统硬件的物理拓扑结构以及在此结构上执行的软构件

一个系统模型只有一个部署图，可以显示计算节点的拓扑结构和通信路径、节点上运行的软构件等，由体系结构设计师 / 网络工程师 / 系统工程师等描述

基本概念：node节点（处理器、设备），connection连接

  • 节点是存在于运行时并代表一项计算资源的物理元素，一般至少拥有一些内存，而且通常具有处理能力
    • 处理器具有处理能力的节点，即它可以执行构件
      • image-20211224120600435
    • 设备是无计算能力的外部设备，如Modem、终端
      • image-20211224120620298
  • 连接是代表一种交流的机制（物理媒介和软件协议）

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