統(tǒng)一建模語言UML概述

　　面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計(OOA&D)方法的發(fā)展在80年代末至90年代中出現(xiàn)了一個高潮,UML是這個高潮的產(chǎn)物。它不僅統(tǒng)一了Booch、Rumbaugh和Jacobson的表示方法,而且對其作了進一步的發(fā)展,并最終統(tǒng)一為大眾所接受的標(biāo)準(zhǔn)建模語言。

　　1. 標(biāo)準(zhǔn)建模語言UML的出現(xiàn)

　　公認(rèn)的面向?qū)ο蠼�模語言出現(xiàn)于70年代中期。從1989年到1994年,其數(shù)量從不到十種增加到了五十多種。在眾多的建模語言中,語言的創(chuàng)造者努力推崇自己的產(chǎn)品,并在實踐中不斷完善。但是,OO方法的用戶并不了解不同建模語言的優(yōu)缺點及相互之間的差異,因而很難根據(jù)應(yīng)用特點選擇合適的建模語言,于是爆發(fā)了一場"方法大戰(zhàn)"。90年代中,一批新方法出現(xiàn)了,其中最引人注目的是Booch 1993、OOSE和OMT-2等。

　　Booch是面向?qū)ο蠓椒ㄗ钤绲某珜?dǎo)者之一,他提出了面向?qū)ο筌浖�工程的概念�?991 年,他將以前面向Ada的工作擴展到整個面向?qū)ο笤O(shè)計領(lǐng)域。Booch 1993比較適合于系統(tǒng)的設(shè)計和構(gòu)造。Rumbaugh等人提出了面向?qū)ο蟮慕�模技術(shù)(OMT)方法,采用了面向?qū)ο蟮母拍?并引入各種獨立于語言的表示符。這種方法用對象模型、動態(tài)模型、功能模型和用例模型,共同完成對整個系統(tǒng)的建模,所定義的概念和符號可用于軟件開發(fā)的分析、設(shè)計和實現(xiàn)的全過程,軟件開發(fā)人員不必在開發(fā)過程的不同階段進行概念和符號的轉(zhuǎn)換。OMT-2特別適用于分析和描述以數(shù)據(jù)為中心的信息系統(tǒng)。

　　Jacobson于1994年提出了OOSE方法,其最大特點是面向用例(Use-Case),并在用例的描述中引入了外部角色的概念。用例的概念是精確描述需求的重要武器,但用例貫穿于整個開發(fā)過程,包括對系統(tǒng)的測試和驗證。OOSE比較適合支持商業(yè)工程和需求分析。此外,還有Coad/Yourdon方法,即著名的OOA/OOD,它是最早的面向?qū)ο蟮姆治龊驮O(shè)計方法之一。該方法簡單、易學(xué),適合于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的初學(xué)者使用,但由于該方法在處理能力方面的局限,目前已很少使用。

　　概括起來,首先,面對眾多的建模語言,用戶由于沒有能力區(qū)別不同語言之間的差別,因此很難找到一種比較適合其應(yīng)用特點的語言;其次,眾多的建模語言實際上各有千秋;第三,雖然不同的建模語言大多類同,但仍存在某些細微的差別,極大地妨礙了用戶之間的交流。因此在客觀上,極有必要在精心比較不同的建模語言優(yōu)缺點及總結(jié)面向?qū)ο蠹夹g(shù)應(yīng)用實踐的基礎(chǔ)上,組織聯(lián)合設(shè)計小組,根據(jù)應(yīng)用需求,取其精華,去其糟粕,求同存異,統(tǒng)一建模語言。

　　1994年10月,Grady Booch和Jim Rumbaugh開始致力于這一工作。他們首先將Booch9 3和OMT-2 統(tǒng)一起來,并于1995年10月發(fā)布了第一個公開版本,稱之為統(tǒng)一方法UM 0.8(Un itied Method)。1995年秋,OOSE 的創(chuàng)始人Ivar Jacobson加盟到這一工作。經(jīng)過Booch、Rumbaugh和Jacobson三人的共同努力,于1996年6月和10月分別發(fā)布了兩個新的版本,即UML 0.9和UML 0.91,并將UM重新命名為UML(Unified Modeling Language)。1996年,一些機構(gòu)將UML作為其商業(yè)策略已日趨明顯。UML的開發(fā)者得到了來自公眾的正面反應(yīng),并倡議成立了UML成員協(xié)會,以完善、加強和促進UML的定義工作。當(dāng)時的成員有DEC、HP、I-Logix、 Itellicorp、 IBM、ICON Computing、MCI Systemhouse、Micr osoft、Oracle、Rational Software、TI以及Unisys。這一機構(gòu)對UML 1.0(1997年1月)及UML 1.1(1997年11月17日)的定義和發(fā)布起了重要的促進作用。

　　UML是一種定義良好、易于表達、功能強大且普遍適用的建模語言。它溶入了軟件工程領(lǐng)域的新思想、新方法和新技術(shù)。它的作用域不限于支持面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計,還支持從需求分析開始的軟件開發(fā)的全過程。

　　在美國,截止1996年10月,UML獲得了工業(yè)界、科技界和應(yīng)用界的廣泛支持,已有700多個公司表示支持采用UML作為建模語言。1996年底,UML已穩(wěn)占面向?qū)ο蠹夹g(shù)市場的85%,成為可視化建模語言事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。1997年11月17日,OMG采納UML 1.1作為基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的標(biāo)準(zhǔn)建模語言。UML代表了面向?qū)ο蠓椒ǖ能浖�開發(fā)技術(shù)的發(fā)展方向,具有巨大的市場前景,也具有重大的經(jīng)濟價值和國防價值。

　　 　2. 標(biāo)準(zhǔn)建模語言UML的內(nèi)容

　　首先,UML融合了Booch、OMT和OOSE方法中的基本概念,而且這些基本概念與其他面向?qū)ο蠹夹g(shù)中的基本概念大多相同,因而,UML必然成為這些方法以及其他方法的使用者樂于采用的一種簡單一致的建模語言;其次,UML不僅僅是上述方法的簡單匯合,而是在這些方法的基礎(chǔ)上廣泛征求意見,集眾家之長,幾經(jīng)修改而完成的,UML擴展了現(xiàn)有方法的應(yīng)用范圍;第三,UML是標(biāo)準(zhǔn)的建模語言,而不是標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)過程。盡管UML的應(yīng)用必然以系統(tǒng)的開發(fā)過程為背景,但由于不同的組織和不同的應(yīng)用領(lǐng)域,需要采取不同的開發(fā)過程。

　　作為一種建模語言,UML的定義包括UML語義和UML表示法兩個部分。

　　(1) UML語義　描述基于UML的精確元模型定義。元模型為UML的所有元素在語法和語義上提供了簡單、一致、通用的定義性說明,使開發(fā)者能在語義上取得一致,消除了因人而異的最佳表達方法所造成的影響。此外UML還支持對元模型的擴展定義。

　　(2) UML表示法　定義UML符號的表示法,為開發(fā)者或開發(fā)工具使用這些圖形符號和文本語法為系統(tǒng)建模提供了標(biāo)準(zhǔn)。這些圖形符號和文字所表達的是應(yīng)用級的模型,在語義上它是UML元模型的實例。

　　標(biāo)準(zhǔn)建模語言UML的重要內(nèi)容可以由下列五類圖(共9種圖形)來定義:

　　·第一類是用例圖,從用戶角度描述系統(tǒng)功能,并指出各功能的操作者。

　　·第二類是靜態(tài)圖(Static diagram),包括類圖、對象圖和包圖。其中類圖描述系統(tǒng)中類的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。不僅定義系統(tǒng)中的類,表示類之間的聯(lián)系如關(guān)聯(lián)、依賴、聚合等,也包括類的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(類的屬性和操作)。類圖描述的是一種靜態(tài)關(guān)系,在系統(tǒng)的整個生命周期都是有效的。對象圖是類圖的實例,幾乎使用與類圖完全相同的標(biāo)識。他們的不同點在于對象圖顯示類的多個對象實例,而不是實際的類。一個對象圖是類圖的一個實例。由于對象存在生命周期,因此對象圖只能在系統(tǒng)某一時間段存在。包由包或類組成,表示包與包之間的關(guān)系。包圖用于描述系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)。

　　·第三類是行為圖(Behavior diagram),描述系統(tǒng)的動態(tài)模型和組成對象間的交互關(guān)系。其中狀態(tài)圖描述類的對象所有可能的狀態(tài)以及事件發(fā)生時狀態(tài)的轉(zhuǎn)移條件。通常,狀態(tài)圖是對類圖的補充。在實用上并不需要為所有的類畫狀態(tài)圖,僅為那些有多個狀態(tài)其行為受外界環(huán)境的影響并且發(fā)生改變的類畫狀態(tài)圖。而活動圖描述滿足用例要求所要進行的活動以及活動間的約束關(guān)系,有利于識別并行活動。

　　·第四類是交互圖(Interactive diagram),描述對象間的交互關(guān)系。其中順序圖顯示對象之間的動態(tài)合作關(guān)系,它強調(diào)對象之間消息發(fā)送的順序,同時顯示對象之間的交互;合作圖描述對象間的協(xié)作關(guān)系,合作圖跟順序圖相似,顯示對象間的動態(tài)合作關(guān)系。除顯示信息交換外,合作圖還顯示對象以及它們之間的關(guān)系。如果強調(diào)時間和順序,則使用順序圖;如果強調(diào)上下級關(guān)系,則選擇合作圖。這兩種圖合稱為交互圖。

　　·第五類是實現(xiàn)圖( Implementation diagram )。其中構(gòu)件圖描述代碼部件的物理結(jié)構(gòu)及各部件之間的依賴關(guān)系。一個部件可能是一個資源代碼部件、一個二進制部件或一個可執(zhí)行部件。它包含邏輯類或?qū)崿F(xiàn)類的有關(guān)信息。部件圖有助于分析和理解部件之間的相互影響程度。

　　配置圖定義系統(tǒng)中軟硬件的物理體系結(jié)構(gòu)。它可以顯示實際的計算機和設(shè)備(用節(jié)點表示)以及它們之間的連接關(guān)系,也可顯示連接的類型及部件之間的依賴性。在節(jié)點內(nèi)部,放置可執(zhí)行部件和對象以顯示節(jié)點跟可執(zhí)行軟件單元的對應(yīng)關(guān)系。

　　從應(yīng)用的角度看,當(dāng)采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)設(shè)計系統(tǒng)時,首先是描述需求;其次根據(jù)需求建立系統(tǒng)的靜態(tài)模型,以構(gòu)造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu);第三步是描述系統(tǒng)的行為。其中在第一步與第二步中所建立的模型都是靜態(tài)的,包括用例圖、類圖(包含包)、對象圖、組件圖和配置圖等五個圖形,是標(biāo)準(zhǔn)建模語言UML的靜態(tài)建模機制。其中第三步中所建立的模型或者可以執(zhí)行,或者表示執(zhí)行時的時序狀態(tài)或交互關(guān)系。它包括狀態(tài)圖、活動圖、順序圖和合作圖等四個圖形,是標(biāo)準(zhǔn)建模語言UML的動態(tài)建模機制。因此,標(biāo)準(zhǔn)建模語言UML的主要內(nèi)容也可以歸納為靜態(tài)建模機制和動態(tài)建模機制兩大類。

　　3. 標(biāo)準(zhǔn)建模語言UML的主要特點

　　標(biāo)準(zhǔn)建模語言UML的主要特點可以歸結(jié)為三點:

　　(1) UML統(tǒng)一了Booch、OMT和OOSE等方法中的基本概念。

　　(2) UML還吸取了面向?qū)ο蠹夹g(shù)領(lǐng)域中其他流派的長處,其中也包括非OO方法的影響。UML符號表示考慮了各種方法的圖形表示,刪掉了大量易引起混亂的、多余的和極少使用的符號,也添加了一些新符號。因此,在UML中匯入了面向?qū)ο箢I(lǐng)域中很多人的思想。這些思想并不是UML的開發(fā)者們發(fā)明的,而是開發(fā)者們依據(jù)最優(yōu)秀的OO方法和豐富的計算機科學(xué)實踐經(jīng)驗綜合提煉而成的。

　　(3) UML在演變過程中還提出了一些新的概念。在UML標(biāo)準(zhǔn)中新加了模板(Stereotyp es)、職責(zé)(Responsibilities)、擴展機制(Extensibility mechanisms)、線程(Thread s)、過程(Processes)、分布式(Distribution)、并發(fā)(Concurrency)、模式(Patterns) 、合作(Collaborations)、活動圖(Activity diagram)等新概念,并清晰地區(qū)分類型(Ty pe)、類(Class)和實例(Instance)、細化(Refinement)、接口(Interfaces)和組件(Com ponents)等概念。

　　4. 標(biāo)準(zhǔn)建模語言UML的應(yīng)用領(lǐng)域

　　UML的目標(biāo)是以面向?qū)ο髨D的方式來描述任何類型的系統(tǒng)，具有很寬的應(yīng)用領(lǐng)域。其中最常用的是建立軟件系統(tǒng)的模型，但它同樣可以用于描述非軟件領(lǐng)域的系統(tǒng)，如機械系統(tǒng)、企業(yè)機構(gòu)或業(yè)務(wù)過程，以及處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)、具有實時要求的工業(yè)系統(tǒng)或工業(yè)過程等。總之,UML是一個通用的標(biāo)準(zhǔn)建模語言，可以對任何具有靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為的系統(tǒng)進行建模。此外,UML適用于系統(tǒng)開發(fā)過程中從需求規(guī)格描述到系統(tǒng)完成后測試的不同階段。在需求分析階段,可以用用例來捕獲用戶需求。通過用例建模,描述對系統(tǒng)感興趣的外部角色及其對系統(tǒng)(用例)的功能要求。分析階段主要關(guān)心問題域中的主要概念(如抽象、類和對象等)和機制,需要識別這些類以及它們相互間的關(guān)系,并用UML類圖來描述。

　　為實現(xiàn)用例,類之間需要協(xié)作,這可以用UML動態(tài)模型來描述。在分析階段,只對問題域的對象(現(xiàn)實世界的概念)建模,而不考慮定義軟件系統(tǒng)中技術(shù)細節(jié)的類(如處理用戶接口、數(shù)據(jù)庫、通訊和并行性等問題的類)。這些技術(shù)細節(jié)將在設(shè)計階段引入,因此設(shè)計階段為構(gòu)造階段提供更詳細的規(guī)格說明。編程(構(gòu)造)是一個獨立的階段,其任務(wù)是用面向?qū)ο缶幊陶Z言將來自設(shè)計階段的類轉(zhuǎn)換成實際的代碼。在用UML建立分析和設(shè)計模型時,應(yīng)盡量避免考慮把模型轉(zhuǎn)換成某種特定的編程語言。因為在早期階段,模型僅僅是理解和分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的工具,過早考慮編碼問題十分不利于建立簡單正確的模型。

　　UML模型還可作為測試階段的依據(jù)。系統(tǒng)通常需要經(jīng)過單元測試、集成測試、系統(tǒng)測試和驗收測試。不同的測試小組使用不同的UML圖作為測試依據(jù):單元測試使用類圖和類規(guī)格說明；集成測試使用部件圖和合作圖；系統(tǒng)測試使用用例圖來驗證系統(tǒng)的行為，驗收測試由用戶進行，以驗證系統(tǒng)測試的結(jié)果是否滿足在分析階段確定的需求。

　　總之，標(biāo)準(zhǔn)建模語言UML適用于以面向?qū)ο蠹夹g(shù)來描述任何類型的系統(tǒng)，而且適用于系統(tǒng)開發(fā)的不同階段，從需求規(guī)格描述直至系統(tǒng)完成后的測試和維護。