如何利用UML類圖進行系統(tǒng)建模

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如何利用UML類圖進行系統(tǒng)建模

統(tǒng)一建模語言(UML)是用于系統(tǒng)建模的一種半形式化標(biāo)準(zhǔn)，該語言兼具嚴(yán)格性和靈活性特點，可以對系統(tǒng)的不同層面進行描述。本文以一個電源子系統(tǒng)為例，介紹了UML類的定義和對象之間的關(guān)系，以及通過UML類圖對系統(tǒng)進行建模的方法。

統(tǒng)一建模語言(UML)是一種用于系統(tǒng)建模的半形式化標(biāo)準(zhǔn)。其十分嚴(yán)格的特點能滿足可執(zhí)行性要求，同時又具有靈活性，能實現(xiàn)對系統(tǒng)各個層面的描述。在最基本的情況下，UML能描述一個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型及系統(tǒng)內(nèi)部的協(xié)作行為，以及系統(tǒng)對象和系統(tǒng)組件的具體行為規(guī)范。

類與UML類圖

類是指某組對象的低層結(jié)構(gòu)和行為規(guī)范。類定義了對象的屬性(數(shù)據(jù)元)和方法(成員函數(shù))，類還可以通過狀態(tài)圖或活動圖來說明其實例如何響應(yīng)各類事件。
形象地說，如果一個類是“切餅機”，那么其對象便是“餅”。一個對象是某個類的實例，例如3.14159是浮點數(shù)類型的實例。一個特定類的所有對象具有相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和行為，盡管它們的屬性值可能互不相同。

當(dāng)我們希望描述一個系統(tǒng)的某些結(jié)構(gòu)特性時，通常會從它的通用特征開始，如系統(tǒng)各個組成部分在設(shè)計時的各種特性以及它們之間的相互關(guān)系，而不是運行時某一具體時刻的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因此，我們通常會把系統(tǒng)結(jié)構(gòu)抽象成為多個相互關(guān)聯(lián)的類，并且知道在運行中各時刻這些類的實例未必一定存在。如果我們希望獲得系統(tǒng)在某一瞬間的狀態(tài)，便需要采用對象。

圖1所示為一個以電池和太陽能電池板構(gòu)成的供電系統(tǒng)，該圖是一個典型UML類圖，圖中小方框表示不同的類?！半娫醋酉到y(tǒng)”類代表一個子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)是一個大的結(jié)構(gòu)對象，它包含了提供子系統(tǒng)功能的小對象。PowerClient類和Knob類以“標(biāo)準(zhǔn)形式”顯示，而Light類除了名字外，還顯示了它的某些屬性和方法，其屬性為分類色彩和亮度，相應(yīng)的枚舉類型為COLOR_TYPE和整數(shù)(int)。在Light類的底部列出了獲得可能返回值和參數(shù)的方法。DisplayThread是一個特殊的類，該類的實例在其自己的線程內(nèi)運行。DisplayThread類包含了一個Light類的實例，它也在DisplayThread對象的線程中運行。

通常，一個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型由一組UML類圖構(gòu)成，一些UML類圖表示子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其中主要單元是大的對象，例如子系統(tǒng)和部件，另一些UML類圖集中描述任務(wù)結(jié)構(gòu)，并以活動對象為主(但也可描述系統(tǒng)旗語和事件隊列)。其余的UML類圖描述類之間的協(xié)作結(jié)構(gòu)，即對象是如何協(xié)同工作來實現(xiàn)系統(tǒng)級行為或模型構(gòu)成，并主要描述各個模型包及其相互關(guān)系。上面這些UML類圖都是描述同一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同方面。

對象關(guān)系

對象只是系統(tǒng)的組成部分，它們必須與其它對象進行協(xié)作來實現(xiàn)系統(tǒng)功能，因此需要在對象之間建立鏈接(通常采用C或C++的指針)，以便調(diào)用服務(wù)或相互發(fā)送事件(event)。這在UML類圖中表現(xiàn)為類之間的關(guān)聯(lián)，在圖1中示出了三個不同的關(guān)聯(lián)，不帶箭頭的線表示常規(guī)關(guān)聯(lián)。這些類之間的關(guān)聯(lián)表示在運行過程中它們可能是實例對象之間的活動鏈接，并可在對象間調(diào)用服務(wù)。標(biāo)有單向箭頭的地方表示信息流只有一個方向。

線上的空心菱形(例如SolarPanel和PositionSensor類之間的菱形)表明一個聚集，它代表了一種整體與局部的關(guān)聯(lián)形式。聚集的增強形式稱為組合體，采用實心菱形(如電源子系統(tǒng)和SolarPanel之間)或?qū)⒁粋€類嵌套在另一個類中(如電源子系統(tǒng)和電池之間)來表示。組合體是整體與局部的關(guān)聯(lián)，但同時也表明整體類負(fù)責(zé)各部分對象的創(chuàng)建和解除。
對于各種關(guān)聯(lián)還可以表示其多重性，即運行時可充當(dāng)某一角色的類的實例數(shù)。例如，你會發(fā)現(xiàn)只有一個Knob對象與每個PowerClient對象關(guān)聯(lián)。另一方面，每個電源子系統(tǒng)實例可與0個或多個(用*表示)SolarPanel實例關(guān)聯(lián)。對于嵌套的符號，在部件類的左上角示出了部件的多重性。例如，電源子系統(tǒng)擁有兩個電池對象。

除了關(guān)聯(lián)之外，UML還定義了其它的類間關(guān)系。最常見的一個是“判定”，即“is-a”關(guān)系，例如PowerClient(廣義的)和Light(具體的)間的關(guān)系(即Light是一種PowerClient)。從語義上來講，“判定”確保Light類同樣具有所有PowerClient類的屬性、操作及關(guān)聯(lián)。Light類可重新定義PowerClient類中定義的操作，同時也可定義新的屬性和操作。例如，Light類與Knob類有關(guān)聯(lián)，因為它的父類PowerClient中定義了這一關(guān)聯(lián)。

此外，圖中還定義了“正確性規(guī)則”約束，這是系統(tǒng)的類和關(guān)聯(lián)中沒有定義的系統(tǒng)語義。在本文例舉的UML類圖中，我們需要規(guī)定在同一時刻，只能是電池或太陽能電池板之一供電，而不能兩者同時供電。約束是用來描述系統(tǒng)的非功能性特征(通常稱為QoS,服務(wù)質(zhì)量)，例如方法的最差及平均性能、功能等。

UML是用于描述系統(tǒng)不同層面的一個功能強大的建模語言，其UML類圖是一種靈活的圖形符號，能清楚地表示出不同抽象程度下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。UML所描述的系統(tǒng)層面主要包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單元，以及從如何支持協(xié)作、所涉及的實例數(shù)量來描述的結(jié)構(gòu)單元之間的相互關(guān)系。附加約束可讓開發(fā)人員更方便地描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特殊情況以及結(jié)構(gòu)限制。

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