软件建模

什么是软件建模

将想法通过模型可视化地表达出来，方便记忆和进一步分析，方便团队/同事交流，口语交流容易失真。

软件建模体现了软件设计的思想，在需求和实现之间架起了一座桥梁，通过模型指导软件系统的具体实现。

模型并不是软件系统的一个完备表示，而是所研究系统的一种抽象。

如何进行软件建模

软件建模原则

1、选择正确的模型，模型要与现实相联系

2、从不同的视角，使用不同的模型去表示一个系统

3、模型是抽象的，是选取系统某个最显著的特征并进行简化表示，因此需要通过不同的视角采用不同模型表示：

• **外部视角：**对系统上下文或环境进行建模
• **交互视角：**对系统及其环境或者系统的构件之间的交互进行建模，建立用例模型
• **结构化视角：**对系统的组织或者系统所处理的数据的结构进行建模，建立静态模型
• **行为视角：**对系统的动态行为以及系统如何响应事件进行建模，建立动态模型

软件建模方法

在不同的领域和场景下有不同的软件建模方法，其各自的建模思想和采用的建模工具也不尽相同，如：

• 结构化方法（Structured Method）
• 面向对象方法（Object Oriented Method）
• 基于构件方法（Component Based Method）
• 面向服务方法（Service Oriented Method）
• 面向切面方法（Aspect Oriented Method）
• 模型驱动方法（Model Driven Method）
• 形式化方法（Formal Method）

本章仅介绍最常用，对开发人员普遍适用的面向对象建模。

软件建模工具

随着面向对象技术的不断发展和应用，形成了面向对象的建模标准，即**UML（Unified Modeling Language）**统一建模语言。UML是面向对象开发中一种通用的图形化建模语言，具有如下特点：

• **面向对象：**支持面向对象的主要概念，提供了一批基本的模型元素的表示图形和方法，能简洁明了地表达面向对象的各种概念
• **可视化、表示能力强：**通过UML的模型图能够清晰地表示系统的逻辑模型和实现模型，可用于各种复杂系统的建模
• **独立于过程：**是系统建模语言，独立于开发过程
• **独立于程序语言：**用UML建立的软件系统模型可以用Java、C++、Smalltalk等任何一种面向对象的程序设计来实现
• **易于掌握使用：**UML图形结构清晰，建模简洁明了，容易掌握使用

UML内容组成

UML由三部分组成：

• **事物：**是UML中重要的组成部分，是UML模型中最基本的面向对象的构造块。它们在模型中属于最静态的部分，代表概念上或物理上的元素。
• **关系：**把事物紧密联系在一起。
• **图：**是很多有相互相关的事物的组。

9种UML模型图

图	用途
用例图 Use-Case Diagram	用于描述角色以及角色与用例之间的连接关系（如：泛化、关联和依赖）；说明的是谁要使用系统，以及他们 使用该系统可以做些什么，是一种静态模型
类图 Class Diagram	用于描述系统中的类，以及各个类之间的关系（如：泛化、实现、依赖、关联、聚合、组合）。是一种静态模型。
对象图 Object Diagram	与类图极为相似，它是类图的实例，对象图显示类的多个对象实例，而不是实际的类，它描述的不是类之间的关系， 而是对象之间的关系，是一种静态模型。
状态图 State Diagram	用于描述类的对象所有可能的状态，以及事件发生时状态的转移条件，是对类图行为上的补充，是一种动态模型。
活动图 Activity Diagram	用于描述用例要求所进行的活动，以及活动间的约束关系，有利于识别并进行活动，是一种动态模型。
顺序图 Sequence Diagram	也叫序列图或时序图，用于描述参与者与系统对象之间有序的交互过程，强调消息是如何在对象之间被发送和 接收的，是一种动态模型。
合作图 Communication Diagram	也叫协作图，与顺序图相似。用于描述对象间动态合作关系。可以看成是类图和顺序图的交集，重点描述对象之间 的相互通信关系。如果强调时间和顺序，则使用时序图；如果强调上下级关系，则选择合作图。是一种动态模型。
组件图 Component Diagram	也叫构件图，用于描述代码构件的结构以及各种构件之间的依赖关系，是一种静态模型。
部署图 Deployment Diagram	用于描述系统的物理部署。例如计算机和设备，以及它们之间是如何连接件的。是一种静态模型。

UML4+1视图

用例视图：使用用例图来描述

逻辑视图：描述系统的结构组成，使用类图、对象图

行为视图：用于系统运行时的交互过程，使用时序图、合作图、状态图、活动图

实现视图：也叫开发视图，使用组件图

部署视图：使用部署图

常见UML模型图

UML模型在软件开发流程中的应用

软件开发过程中，不同阶段需要用到不同的UML图，选择使用哪些图，需要深刻理解该图的主要用途，以及它表达的优势。

软件开发流程：

需求分析阶段：

​ 常用模型图：用例图

​ 对外部的参与者（Actor）以及它们所需要的系统功能建模，表示客户的需求

概要设计阶段：

​ 常用模型图：类图、对象图、合作图、状态图、时序图、活动图

​ 描述系统的静态结构，描述系统的动态特征

详细设计阶段：

​ 常用模型图：类图、对象图、合作图、状态图、时序图、活动图

​ 在详细设计阶段，把概要设计的结果扩展成技术解决方案，分析阶段的领域问题被嵌入在这个技术基础结构中

编码阶段：

​ 把设计阶段的类转换成某种面向对象程序设计语言的代码

测试阶段：

​ 常用模型图：类图、组件图、部署图

​ 不同的测试阶段使用不同的UML图，如：单元测试使用类图和类的规格说明；集成测试阶段典型的使用组件图、部署图

静态图

用例图

用例图关键元素

描述用例图首先要确定参与者，即角色（Actors），Actors表示提供或接收系统信息的人或系统，他们是与系统有交互作用的人或事物，代表一个系统的使用者或外部通信的目标。

用例是系统中的一个功能单元，被描述为角色与系统的一次交互。用例需要从角色希望系统提供的功能中提取，而不是以系统自身的角度来提取，满足参与者的需求的用例才是好用例。

用例间的常见关系有包含（Include）、扩展（Extend）、泛化（Generalization）。用例也可以叫Use，表示本用例会用到被包含的其他用例，被包含的用例是可以被重用的；扩展用例是可选的，在特定场景下可以补充基础用例，降低基础用例的复杂性。 泛化体现了父子关系，表明存在派生和继承。

类图

类图中的关系，箭头指向较小的部分

1、实现（Realization）：

​ 是一种类与接口的关系，表示类是接口所有特征和行为的视线。例如：借阅者能查找书籍。

2、依赖（Dependency）：

​ 是一种使用的关系（非持久，局部变量），有单向依赖和双向依赖。但尽量避免使用双向依赖。

3、泛化（Generalization）：

​ 是一种继承关系，指定了子类继承父类的所有特征和行为。

4、关联（Association）：

​ 是一种拥有的关系（持久的，全局变量），它使一个类知道另一个类的属性和方法。例如：借阅者的节约记录或预约记录。聚合和组合属于特殊的关联关系。

5、聚合（Aggregation）：

​ 是整体与个体的关系，可以理解成把个体聚集在一起。个体可以独立分离，聚合为整体可以有更多功能。

6、组合（Composition）：

​ 是整体与局部的关系，整体的对象负责代表局部的对象的生命周期，可以理解成整体是由局部组成的。没有局部就无法组成整体。（强依赖关系，局部是必要的）

动态图

动态图用于描述系统的对象交互、活动流程、状态变迁等行为动态模型，通常在完成静态图建模之后进行相应的动态图建模。

动态模型是描述系统的功能是如何完成的，用时序图、活动图、状态图从不同的角度来描述对象和对象之间的交互。

时序图

**时序图是强调消息时间顺序的交互图。**描述了不同对象之间协助完成预期行为的动态过程。顺序图具有直观、形象的优点。对呈现、理解不同对象间的交互关系时序具有较大的帮助。

时序图的主要绘图元素

• 时序图将交互关系表示为一个二维图
• 纵向是时间轴，时间沿竖线向下延伸
• 横向代表了在协作中各独立对象的类元角色
• 类元角色用生命线表示
• 消息用从一个对象的生命线到另一个对象生命线的箭头表示

设计考虑：

​ 为了突出关键设计步骤和设计意图，只关注主要交互流程，忽略无关异常分支

活动图

活动图用于对目标对象计算流程和工作流程建模。

• 一张活动图本质是一个流程图，它显示系统从一个活动到另一个活动的流程迁移
• 在完成用例建模后，通过活动图表示用例的活动步骤，用于描述用例模型，有助于用例的动态行为建模
• 也可以用于通用的流程图建模场景

四种基本建模元素

• 活动Activity：表示一个执行步骤
• 活动流Activity line：不同活动间的控制流或数据流
• 控制符Control node：分支控制符decision/merge，并发控制符fork/join
• 泳道Swimming line：用于表达不同的活动分组

活动图一般有开始和结束标志

泳道图是一种特殊的活动图，侧重“活动”属于哪个“对象”，同一对象的活动写在一条“泳道(Lane)”里面。

状态图

状态图描述了系统元素的状态条件和响应，它反映了类的对象可能具有的状态，以及状态变化的事件。

并不是所有的类都有相应的状态图，状态图仅用于具有下列特点的类：

​ 具有若干个确定的状态，类的行为在这些状态会收到影响变为其他状态，另外也可为系统描述整体状态图。

状态图可用于类、用例或者整个系统。

主要概念：

• 状态（State）：状态描述了一个类对象生命周期中的一个时间段。体现一个类在当前时间所处的状态。
• 事件（Event）：事件是发生在时间和空间上的值得注意的事情，而这个事情可以引发状态变迁。事件可以分为：信号事件、调用事件、改变事件、时间事件等。
• 转换（Transition）：事件发生后类的状态变迁的过程。转换要有引起转换的触发器事件、监护条件、转换的动作和转换的目标状态。

设计考虑：

​ 为了维护状态的原子性，对于预约书借出过程，分解为两步：首先迁移到可借状态，然后再迁移到借出状态。

顺序图、活动图、状态图对比

顺序图、活动图、状态图都是描述事物的动态行为，其区别对比如下：

类别	建模对象	核心建模元素	建模时机	适用场景
顺序图	多个不同对象的交互过程	Role-Message	在类图完成之后进行	描述复杂的多对象间交互。并发、 分支过多的场景会影响可理解性，不宜太复杂
活动图	（特定对象或不同对象的） 不同活动之间的流动	Activity-Control Flow	在用例图或类图完成之后进行	描述涉及到复杂的活动步骤的用例。 特别是并发、分支等场景。
状态图	（特定对象的）不同状态变迁	State-Transition	在用例图或类图完成之后进行	涉及到复杂的状态变化的场景，也适用于 并发场景，如网络连接的会话状态等。

Tips：

• 顺序图强调多个不同对象之间交互的先后顺序
• 活动图强调复杂流程中活动单元的分支处理
• 状态图强调特定对象在不同事件发生后的状态变化

小结

• 软件建模是构建正确可信软件系统的基础，是对软件系统的抽象，指导软件系统的实现。
• 软件建模是通过不同的视角，采用不同的模型去抽象描述一个系统（抽象，不是完整性描述），包括 外部视角、交互视角、结构化视角和行为视角。
• UML（Unified Modeling Language）是面向对象开发中一种通用的图形化建模语言，可视化、表达能力强，独立于过程和程序设计语言，易于掌握和使用。
• UML包括4种事物、4种关系、9种图。各个元素不是孤立的，是相互有机结合来表示一个软件系统。
• UML的9种模型又可以分为静态图和动态图两大类，静态图描述了系统以及各对象的组织形式，动态图描述了系统以及对象之间的交互活动过程。
• UML模型贯穿在软件开发流程各个环节。