統一建模語言UML輕鬆入門（1）――基本概念
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宋寶華 email:[email protected]
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公元前260年，秦、趙之間發生了空前慘烈的長平之戰。趙軍戰敗，40多萬人被坑殺。從此，六國再也無力抵禦秦軍的進攻。前230～前221年，秦王嬴政陸續滅掉六國，建立起我國歷史上第一個統一的中央集權的封建國家。秦朝的統一，結束了諸侯長期割據混戰的局面。其後，秦始皇在全國範圍內統一文字及度、量、衡，爲後世建立了不朽的功勳。
UML（Unified Modeling Language，統一建模語言）者，建模界強秦也！20 世紀80 年代，隨着面向對象技術成爲研究的熱點，先後出現了幾十種面向對象的軟件開發方法。其中，Booch、OMT 和OOSE等方法得到了廣泛的認可。然而，採用不同方法進行建模不利於開發者之間的交流。而UML則統一了Booch、OMT 和OOSE 的表示方法，而且對其作了進一步的發展。1997 年，UML 被國際對象組織OMG採納爲面向對象的建模語言的國際標準，它溶入了軟件工程領域的新思想、新方法和新技術。UML不限於支持面向對象的分析與設計，還支持從需求分析開始的軟件開發的全過程。數年來，UML憑藉其簡潔明晰的表達方式、超凡脫俗的表達能力，一路殺將出來，爲業界所廣泛認同！目前，在多數大型企業的正規化開發流程中，開發人員普遍使用UML進行模型的建立。作爲一名軟件開發人員，我們必須學會UML。因爲UML就是那個統一的“文字”，統一的“度”、“量”、“衡”，不理解UML，作爲軟件設計統一王國的國民，將是艱難而痛苦的。
作曲家會將其腦袋中的旋律譜成樂曲，建築師會將其設計的建築物畫成藍圖，這些樂曲、藍圖就是模型(Model)，而建構這些模型的過程就稱爲建模(Modeling)。軟件開發如同音樂譜曲及建築設計，其過程中也必須將需求、分析、設計、實現、佈署等各項工作流程的構想與結果予以呈現，這就是軟件系統的建模。
那麼爲什麼要建模呢？經典答案是：建立大廈和建立狗窩的區別是建設狗窩不需要設計，要生產合格的軟件就要有一套關於體系結構、過程和工具的規範。
OMG官方發佈的UML的當前最高版本爲2.0，可以從[url]http://www.uml.org/[/url]上下載。
UML由圖和元模型組成，圖是語法，元模型是語義。UML主要包括三個基本構造塊：事物（Things）、關係（Relationships）和圖（Diagrams）。本次連載我們將對UML的這些基本組成部分及UML工具和應用進行介紹，使讀者對UML形成初步的整體印象。在其後的幾次連載裏，再以數個實例對這些內容逐步展開。
1.1 UML的基本構造塊
1.1.1事物
事物是是實體抽象化的最終結果，是模型中的基本成員，UML中包含結構事物、行爲事物、分組事物和註釋事物。
（1）結構事物（Structural things）
結構事物是模型中的靜態部分，用以呈現概念或實體的表現元素，是軟件建模中最常見的元素，共有以下七種：
類（Class）：類是指具有相同屬性、方法、關係和語義的對象的集合；
接口（Interface）：接口是指類或組件所提供的服務（操作），描述了類或組件對外可見的動作；
協作（Collaboration）：協作描述合作完成某個特定任務的一組類及其關聯的集合，用於對使用情形的實現建模；
用例（Use Case）：用例定義了執行者（在系統外部和系統交互的人）和被考慮的系統之間的交互來實現的一個業務目標；
活動類（Active Class）：活動類的對象有一個或多個進程或線程。活動類和類很相象，只是它的對象代表的元素的行爲和其他的元素是同時存在的；
組件（Component）：組件是物理的、可替換的部分，包含接口的集合，例如COM+ 、JAVA BEANS等；
結點（Node）：結點是系統在運行時存在的物理元素，代表一個可計算的資源，通常佔用一些內存和具有處理能力。
（2）行爲事物（Behavioral things）
行爲事物指的是UML模型中的動態部分，代表語句裏的“動詞”，表示模型裏隨着時空不斷變化的部分，包含兩類：
交互（ineraction）：交互是由一組對象之間在特定上下文中，爲達到特定的目的而進行的一系列消息交換而組成的動作；
狀態機（state machine）：狀態機由一系列對象的狀態組成。
（3）分組事物（Grouping things）
可以把分組事物看成是一個“盒子”，模型可以在其中被分解。目前只有一種分組事物，即包（package）。結構事物、動作事物甚至分組事物都有可能放在一個包中。包純粹是概念上的，只存在於開發階段，而組件在運行時存在。
（4）註釋事物（Annotational things）
註釋事物是UML模型的解釋部分。
1.1.2關係
關係是將事物聯繫在一起的方式，UML中定義了四種關係：
（1）依賴（Dependencies）：兩個事物之間的語義關係，其中一個事物發生變化會影響另一個事物的語義；
（2）關聯（Association）：一種描述一組對象之間連接的結構關係，如聚合關係（描述了整體和部分間的結構關係）；
（3）泛化（Generalization）：一種一般化—特殊化的關係；
（4）實現(Realization) ：類之間的語義關係，其中的一個類指定了由另一個類保證執行的契約。
1.1.3圖
圖是事物集合的分類，UML中包含多種圖：
（1）類圖(Class Diagram)：類圖描述系統所包含的類、類的內部結構及類之間的關係；
（2）對象圖(Object Diagram)：對象圖是類圖的一個具體實例；
（3）包圖（Package Diagram）：包圖表明包及其之間的依賴類圖；
（4）組件圖(Compoment Diagram，也稱構件圖)：組件圖描述代碼部件的物理結構以及各部件之間的依賴關係；
（5）部署圖(Deployment Diagram)：部署圖定義系統中軟硬件的物理體系結構；
（6）用例圖(Usecase Diagram)：用例圖從用戶的角度出發描述系統的功能、需求，展示系統外部的各類角色與系統內部的各種用例之間的關係；
（7）順序圖(Sequence Diagram)：順序圖表示對象之間動態合作的關係；
（8）協作圖(Collaboration Diagram)：合作圖描述對象之間的協作關係；
（9）狀態圖(Statechart Diagram)：狀態圖描述一類對象的所有可能的狀態以及事件發生時狀態的轉移條件；
（10）活動圖(Activity Diagram)：活動圖描述系統中各種活動的執行順序。
上述十種圖可歸納爲五類，如表1.1。
表1.1 UML圖分類
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類型
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包含
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靜態圖
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類圖、對象圖、包圖
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行爲圖
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狀態圖、活動圖
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用例圖
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用例圖
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交互圖
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順序圖、協作圖
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實現圖
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組件圖、部署圖
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1.2 UML工具與應用
“工欲善其事，必先利於器”，爲了有效的利用UML，我們需要首先獲得一個UML工具軟件。
當前，業界使用最廣泛的UML建模工具爲Rational Rose。Rational Rose中可實現正向（爲模型產生相應的代碼）、逆向（從用戶原來的軟件系統導出該系統的模型）和雙向工程（實現模型和代碼之間的循環工程），從而保證模型與代碼的高度一致。Rational Rose支持C++、Visual C++、Java、Smalltalk、Ada、Visual Basic、PowerBuilder等語言和開發工具，並能爲CORBA 應用生成接口定義語言（IDL），爲數據庫應用生成數據庫描述語言（DDL）等。另外，Rational Rose爲團隊開發和規範的開發過程管理提供了良好的支持。
對於小規模應用，我們可以使用微軟公司Office套件中的Visio，其中提供了對UML各種圖的繪製支持。
從應用的角度上來講，面向對象的系統設計一般需要完成如下工作：
（1）描述需求；
（2）根據需求建立系統的靜態模型；
（3）描述系統的行爲。
（1）和（2）中所建立的模型是靜態的（採用用例圖、類圖、對象圖、組件圖和部署圖等），是標準建模語言UML中的靜態建模機制；而（3）中所建立的模型則表示執行時的序列、狀態或交互關係（以狀態圖、活動圖、順序圖和協作圖描述），是標準建模語言UML中的動態建模機制。
由此可以看出，標準建模語言UML的主要內容也可以歸納爲靜態建模機制和動態建模機制兩大類。
此外，需要說明的是，UML只是一種建模語言，它獨立於具體的建模過程。因此，利於它建模時，可遵循任何類型的建模過程。儘管如此，UML的作者們爲我們推薦了RUP（Rational Unified Process）。RUP由Rational軟件公司首創，其最重要的特點有三：
（1）軟件開發是由用例驅動的；
（2）軟件開發是以體系結構設計（Architectural Design）爲中心；
（3）軟件開發是個迭代過程。
RUP包括四個階段，每個階段又分爲若干次迭代，每次迭代都有一個核心工作流，如圖1.1所示。
圖1.1 RUP的流程