统一建模语言（UML）：从基础到应用

### 统一建模语言（UML）：从基础到应用 #### 1. UML 概述 统一建模语言（UML）是一种用于可视化、指定、构建和记录软件密集型系统制品的图形语言。它为编写系统蓝图提供了标准方法，涵盖概念性内容（如业务流程和系统功能）以及具体内容（如用特定编程语言编写的类、数据库模式和可重用软件组件）。 UML 适用于参与软件生产、部署和维护的任何人。对于创建 UML 模型的开发团队成员来说，它是重要的工具；同时，对于阅读这些模型以共同理解、构建、测试和发布软件密集型系统的人员也很适用。具体涉及的角色包括分析师、最终用户、架构师、开发人员、质量保证人员、图书馆员以及项目和程序经理等。 #### 2. UML 的学习目标与使用建议 学习 UML 可以让我们了解其定义、适用范围以及与软件开发过程的相关性；掌握 UML 的词汇、规则和习惯用法，有效运用该语言；学会应用 UML 解决常见的建模问题。 对于首次接触 UML 的开发者，建议按顺序线性阅读相关资料，尤其要关注介绍 UML 概念模型的部分。而有经验的开发者若想解决常见建模问题，可以按需阅读，重点关注各章节中提出的问题。 #### 3. UML 资料的组织与特点 相关资料通常分为七个主要部分： - 第 1 部分：入门 - 第 2 部分：基本结构建模 - 第 3 部分：高级结构建模 - 第 4 部分：基本行为建模 - 第 5 部分：高级行为建模 - 第 6 部分：架构建模 - 第 7 部分：总结 此外，还包含三个附录，分别是 UML 符号总结、标准 UML 元素列表和 Rational 统一过程总结，同时提供了常用术语的词汇表。 各章节大多按以下四个部分组织： 1. 入门 2. 术语和概念 3. 常见建模技术 4. 提示和技巧 其中，“常见建模技术”部分会引入并解决一系列常见建模问题，每个问题都有明确的标题，方便查找。 #### 4. UML 的发展历程 对象建模语言出现在 20 世纪 70 年代中期到 80 年代末。当时，由于新的面向对象编程语言和日益复杂的应用程序的出现，方法学家开始尝试不同的分析和设计方法。在 1989 年至 1994 年间，面向对象方法的数量从不到 10 种增加到 50 多种，这导致了所谓的“方法战争”。 后来，出现了一些突出的方法，如 Booch、Jacobson 的 OOSE（面向对象软件工程）和 Rumbaugh 的 OMT（对象建模技术），以及其他重要方法如 Fusion、Shlaer - Mellor 和 Coad - Yourdon。这些方法各有优缺点，例如，Booch 方法在项目设计和构建阶段表现力强，OOSE 对用例驱动的需求捕获、分析和高级设计提供了出色支持，OMT - 2 对分析和数据密集型信息系统最有用。 到了 20 世纪 90 年代中期，Grady Booch、Ivar Jacobson 和 James Rumbaugh 开始相互借鉴彼此方法中的思想，有了创建统一建模语言的动机，原因主要有三点： - 他们的方法本身已经在独立地相互趋近，共同推进进化可以消除不必要的差异，避免让用户困惑。 - 统一方法可以为面向对象市场带来稳定性，使项目能够确定使用一种成熟的建模语言，让工具开发者专注于提供更有用的功能。 - 合作有望改进之前的三种方法，帮助吸取经验教训，解决之前方法未能很好处理的问题。 在统一过程中，他们确立了三个工作目标： 1. 使用面向对象技术对系统从概念到可执行制品进行建模。 2. 解决复杂关键任务系统中固有的规模问题。 3. 创建一种人类和机器都能使用的建模语言。 UML 的发展历程如下表所示： |时间|事件| | ---- | ---- | |1994 年 10 月|UML 工作正式启动，Rumbaugh 加入 Rational 与 Booch 合作，项目最初聚焦于统一 Booch 和 OMT 方法| |1995 年 10 月|发布统一方法 0.8 版草案| |1996 年 6 月|发布 UML 0.9 版文档| |1996 年|广泛征求软件工程界的反馈，成立 UML 联盟| |1997 年 1 月|UML 1.0 提交给对象管理组织（OMG）进行标准化| |1997 年 7 月|原合作伙伴团队扩大，成立语义任务组，修订后的 UML 1.1 提交给 OMG 进行标准化| |1997 年 9 月|UML 1.1 通过 OMG 分析和设计任务组（ADTF）和 OMG 架构委员会审核，提交全体成员投票| |1997 年 11 月 14 日|UML 1.1 被 OMG 采用| |1998 年 6 月|OMG 修订任务组（RTF）发布编辑修订版 UML 1.2| |1998 年秋季|RTF 发布 UML 1.3，进行了一些技术清理| #### 5. 建模的重要性 在软件开发中，建模是部署优质软件的核心活动。一个成功的软件开发组织应持续部署满足用户需求的高质量软件，而建模在其中起着关键作用。 我们可以通过建造不同类型建筑的例子来理解建模的重要性： - **建造狗屋**：可以直接用一堆木材、钉子和基本工具，无需太多规划，几小时内可能就能建成一个功能合理的狗屋。即使不成功，也可以重新开始。 - **建造家庭住宅**：虽然也可以从基本材料和工具开始，但需要更多时间和详细规划。最好先做一些草图，绘制蓝图，考虑房间的使用、照明、供暖和管道等细节。与他人合作会更高效，并且要严格遵循计划，控制时间和成本。 - **建造高层办公楼**：如果仅用基本材料和工具开始建造是非常不明智的。由于使用他人资金，需要考虑多方意见，且需求可能会改变。因此，需要进行广泛的规划，团队成员之间需要各种蓝图和模型进行沟通。要平衡租户需求和建筑技术现实，专业对待团队成员。 很多软件开发组织想开发复杂的软件，却像建造狗屋一样随意开始。虽然有时可能会幸运成功，但通常很难集齐合适的人员和时机。在互联网时代对软件开发的需求不断增加的情况下，开发团队往往只能依靠编写代码，但这不一定能解决问题，一些大型项目仅靠增加工作时间也无法完成。 实际上，开发高质量软件不仅仅是编写大量代码，关键在于创建合适的软件，减少不必要的代码编写。这使得软件开发成为一个涉及架构、流程和工具的问题。许多项目最初看似简单，但由于自身成功而规模扩大，如果没有考虑架构、流程和工具，最终可能会崩溃。 建模是一种被广泛认可的工程技术，在建筑、航空、汽车、电子、电影、社会学、经济学和商业管理等多个领域都有应用。模型是对现实的简化，为系统提供蓝图，可以是结构模型强调系统组织，也可以是行为模型强调系统动态。我们建模的根本原因是为了更好地理解正在开发的系统，通过建模可以实现以下四个目标： - 沟通系统的期望结构和行为。 - 可视化和控制系统架构。 - 更好地理解系统，发现简化和重用的机会。 - 管理风险。 下面是一个简单的 mermaid 流程图，展示建模在软件开发中的作用： ```mermaid graph LR A[软件开发需求] --> B[建模] B --> C[理解系统] B --> D[沟通结构和行为] B --> E[控制架构] B --> F[管理风险] C --> G[简化和重用] D --> H[团队协作] E --> I[系统稳定性] F --> J[项目成功率] G --> K[高效开发] H --> K I --> K J --> K K --> L[优质软件交付] ``` 综上所述，无论是 UML 的学习和应用，还是建模在软件开发中的重要性，都表明了它们对于软件开发的关键意义。开发者应该重视 UML 的学习和建模技术的运用，以提高软件开发的质量和效率。 ### 统一建模语言（UML）：从基础到应用 #### 6. UML 的标准元素 UML 包含一些标准元素，这些元素是构建 UML 模型的基础，主要有以下几类： - **关系（Relationships）**：描述了模型中元素之间的联系，如关联、泛化、依赖等。关系可以帮助我们理解元素之间的交互和协作方式。 - **可扩展性（Extensibility）**：UML 具有可扩展性，允许我们根据具体需求对其进行扩展。例如，通过定义新的构造型（Stereotypes）、标签值（Tagged Values）和约束（Constraints）来满足特定领域或项目的建模需求。 - **构造型（Stereotypes）**：是对 UML 基本元素的一种扩展，用于表示特定领域或项目中的特殊概念。例如，在企业建模中，可以定义一个“业务流程”构造型来表示企业的业务流程。 - **标签值（Tagged Values）**：可以为 UML 元素添加额外的信息。例如，为一个类添加“版本号”标签值，用于记录该类的版本信息。 - **约束（Constraints）**：用于对 UML 元素的行为或属性进行限制。例如，规定一个类的某个属性必须大于 0。 - **图（Diagrams）**：UML 提供了多种类型的图，用于从不同角度描述系统。常见的图包括类图、对象图、用例图、序列图、状态图等。每种图都有其特定的用途和表示方法。 以下是一个简单的表格，总结了 UML 标准元素的主要类别： |元素类别|描述| | ---- | ---- | |关系（Relationships）|描述元素之间的联系| |可扩展性（Extensibility）|包括构造型、标签值和约束，用于扩展 UML 功能| |图（Diagrams）|从不同角度描述系统的图形表示| #### 7. Rational 统一过程 Rational 统一过程（RUP）是一种与 UML 配合使用的软件开发过程，具有以下特点： - **迭代式开发**：项目被分解为多个迭代，每个迭代都包含需求分析、设计、实现和测试等阶段。通过多次迭代，逐步完善系统。 - **以用例为驱动**：用例是系统功能的描述，RUP 以用例为核心，驱动整个开发过程。从用例的获取、分析到实现，确保系统满足用户需求。 - **架构为中心**：强调架构的设计和构建，在项目早期确定系统的整体架构，为后续的开发提供指导。 RUP 主要分为以下几个阶段和迭代： - **初始阶段（Inception）**：定义项目的范围和目标，确定系统的主要需求和约束。 - **细化阶段（Elaboration）**：进一步细化需求，设计系统的架构，识别和管理风险。 - **构建阶段（Construction）**：实现系统的功能，进行编码和测试。 - **移交阶段（Transition）**：将系统交付给用户，进行部署和维护。 下面是一个 mermaid 流程图，展示 Rational 统一过程的主要阶段和迭代： ```mermaid graph LR A[初始阶段] --> B[细化阶段] B --> C[构建阶段] C --> D[移交阶段] B -.-> B1(迭代 1) B -.-> B2(迭代 2) C -.-> C1(迭代 3) C -.-> C2(迭代 4) ``` #### 8. UML 的使用建议与适用人群 UML 适用于参与软件生产、部署和维护的各类人员，不同角色在使用 UML 时有着不同的侧重点： - **分析师和最终用户**：负责指定系统的所需结构和行为，通过 UML 模型可以更清晰地表达需求，与其他团队成员进行沟通。 - **架构师**：使用 UML 设计满足需求的系统架构，通过类图、组件图等展示系统的整体结构。 - **开发人员**：将架构师设计的 UML 模型转化为可执行代码，利用 UML 模型中的信息进行编码实现。 - **质量保证人员**：验证和确认系统的结构和行为，通过检查 UML 模型和实际代码的一致性，确保系统质量。 - **图书馆员**：创建和编目软件组件，使用 UML 模型对组件进行描述和分类。 - **项目和程序经理**：协调资源，管理项目进度，通过 UML 模型了解系统的整体情况，做出合理的决策。 对于首次接触 UML 的开发者，建议按顺序线性阅读相关资料，尤其关注 UML 概念模型的章节，因为各章节内容是逐步递进的。而有经验的开发者可以根据自己的需求，有针对性地阅读各章节中关于常见建模问题的部分。 #### 9. 总结 UML 作为一种强大的图形化建模语言，在软件开发中具有重要的地位。它为软件开发团队提供了一种标准的方式来描述系统的结构和行为，促进了团队成员之间的沟通和协作。 从 UML 的发展历程可以看出，它是在多种面向对象方法的基础上发展而来的，旨在解决软件开发中的复杂性和多样性问题。通过统一建模语言，不同的开发团队可以使用相同的语言进行交流，提高了开发效率和质量。 建模在软件开发中是不可或缺的环节，它帮助我们更好地理解系统，管理风险，提高系统的可维护性和可扩展性。无论是小型项目还是大型复杂系统，都可以从建模中受益。 Rational 统一过程为 UML 的应用提供了一个完整的开发框架，通过迭代式开发、用例驱动和架构为中心的方法，确保项目能够按时、按质量要求交付。 总之，开发者应该充分认识到 UML 和建模的重要性，不断学习和掌握 UML 的使用技巧，结合 Rational 统一过程，提高软件开发的能力和水平，从而开发出更加优质、高效的软件系统。