软件工程中的 UML 图

引言

统一建模语言（UML）是一种在软件工程中广泛使用的建模语言，用于理解、设计、构建以及记录软件系统。UML正式出现在20世纪90年代，但最早由Ivar Jacobson、Grady Booch和James Rumbaugh在20世纪80年代末期提出，作为一种统一的面向对象系统建模方法。它的目的是确保参与特定应用程序开发的人员，包括设计师和业务分析师，能够使用他们都理解的语言进行交流。

UML基本上包含各种类型的图表，这些图表可以分为结构图或行为图。结构图包括类的图和组件的图，它们显示了系统中结构的组成方式以及结构的部分与其他结构的连接方式。因此，用例图和序列图是行为图，它们展示了系统如何响应不同的事件。

这种工具的另一个有价值的方面是它的通用性，因为UML可以用于敏捷方法、瀑布模型和DevOps方法。借助用例图和UML，可以在系统设计阶段轻松发现问题，并且实际上，使用这种方法更容易创建软件。

结构UML图

1. 类图

• 在几种结构UML图中，类图的使用频率最高。它们描绘了系统的结构形式，并实现了系统的类结构、属性、方法以及类之间的关系。每个类显示为一个矩形框，分为三个部分：顶部显示类名，中间列出类的属性，底部显示类的操作。
• 从类图中，可以轻松理解类之间的关系以及它们如何被实例化，尤其是在设计面向对象系统时。它们还允许轻松识别类之间存在的继承关系、关联关系和依赖关系。
• 通过类图，项目开发参与者可以轻松沟通，因为他们对系统的结构方式有共同的理解。

2. 对象图

• 对象图与类图非常相似，但在这里，用户更关注某个特定时间点上存在的实际对象。它们显示了类图中的类的结果以及它们之间的连接。每个表示的对象都有一个矩形，对象名称下划线并后跟冒号和类名。
• 对象图主要用于显示系统中对象之间的关系和交互，其中对象可能包含子对象。它可以帮助开发人员理解和设想对象之间如何相互关联以完成特定任务。
• 除了理解系统的静态结构外，对象图在调试和测试方面也很有益，因为它们提供了特定时间点的实际值的快照。

3. 组件图

• 组件图在更高层次上显示了系统的结构，其中某个模块的组件被分解为其他元素。这是因为它们描绘了子程序（如库、模块或子系统）如何与程序的其余部分进行接口。其中每个都绘制为一个带有内部组件名称的矩形，并且，如果可能，接口显示为连接到组件的圆圈。
• 组件图非常适合理解系统的布局方式，以及在何种物理环境中安装特定组件。它们提供了有关不同组件之间依赖关系的额外信息，这将有助于修改的模块化。
• 通过这些图，可以建立组件之间的关系，从而在维护过程中，系统将是模块化的，这对于长期管理大型项目非常重要。

4. 部署图

• 部署图突出了部署节点上工件的物理布局。它显示了系统软件如何在各种节点（例如服务器、工作站或设备）上进行分区和部署。每个节点渲染为一个立方体，立方体上的组件绘制在立方体内部。
• 部署图在描绘实际环境中的结构模型方面非常有用。它们可用于确定可能的瓶颈区域、仅存在拓扑冗余的点以及资源不平衡的地方。可视化的重要性在于，开发人员可以轻松地看到系统组件的布局方式，从而可以确保或开发出性能最佳且可靠的系统。
• 这尤其重要，特别是在分布式系统中，系统组件在物理位置上的分离会影响系统的整体性能。

5. 包图

• 包图旨在显示包含类和组件的包。每个包显示为一个带有选项卡头部的矩形；它可以包含一个或多个包、类或组件。包图有助于将大型系统分解为小型简化系统，从而使系统变得复杂。
• 包图尤其用于表示包之间的关系。它们有助于开发人员，因为它们使他们能够看到更改一个包可能如何影响其他包，因此，它们有助于规划和协调包的整体开发。
• 它们有助于轻松理解系统层级结构的交付成果，使工作流程更加高效，并降低集成问题的可能性。

行为UML图

a. 用例图

这些图允许在相对通用的层面上理解系统的功能需求。它们概述了描述系统能力的想法，以及将使用系统的用户角色。关于用例的简要细节，重要的是要理解每个用例只是一个模块，代表系统根据其用户提供的特定服务。

b. 序列图

序列图区分了从一个对象传递到另一个对象的消息的顺序。它们显示了对象如何在特定上下文中参与，并描述了应用程序特定实例所涉及的步骤。在模型中，每个对象绘制为一个垂直条，每条消息绘制为连接对象的带箭头的实线。

第二个重要的UML图类型是序列图，它们最适合表示系统中的交互和控制流。它们有助于理解各个部分如何协同工作以执行特定操作。

c. 状态图

状态图，也称为状态机图，是对象状态的图形表示以及由于事件发生而导致的状态变化。状态也可以指对象在其生命周期中的某个条件或情况，并且某个事件或动作会引发转换。状态图在具有复杂行为的系统中最为常见，例如在实时系统和用户界面中。

状态图提供了对象随时间的变化以及它对系统中发生的各种输入的响应。它们清晰地展示了对象可能存在的状态以及转换方式，从而有助于发现对象中的任何问题。

这在处理可靠性和性能等方面很重要，因为通过可视化状态变化，开发人员可以了解系统在某些条件下的行为。

d. 活动图

活动图代表了系统的动态方面，因为它们评估了特定流程中的控制流或特定时间线上的数据变化。它们与流程图非常相似，并且越来越多地用于表示业务流程、工作流和其他算法。每个活动显示为椭圆形，线条表示活动之间的转换。

活动图可以被视为一个工具，有助于开发人员更好地理解流程特征，即优化、并发任务和决策的场所。它们有助于展示各种活动之间的关系，以便团队成员之间对形式有统一的理解。当开发人员模拟多个活动以确定工作流程的逻辑性以及它如何满足用户需求时，这将使工作变得清晰。

e. 协作图

• 通信图也称为协作图，并“关注对象以及对象之间的消息交换”。在使用协作图时，人们会看到特定场景中使用的对象的架构，这与序列图不同，在序列图中，人们会查看消息的时间顺序。矩形代表对象，对象之间的箭头表示带有消息序列号的消息。
• 协作图对于描述对象如何交互以实现特定用例也很有价值。它们提供了关于对象如何相互关联和依赖的见解，从而促进了整个系统的概念化。
• 与传统的序列图相比，协作图更侧重于对象之间的关系交互，利用它可以发现一些设计缺陷并增强系统的模块化。

UML图表工具

1. Lucidchart

• 它还被宣传为一种在线协作工具，可以轻松创建UML图。由于其易于使用的拖放功能，其功能非常简单，适合所有软件用户。在形状和模板的特定用途方面，Lucidchart有许多专注于UML图的模板，例如类图、序列图和用例图。
• 与用户共享功能提供了与多个用户同时在同一图表上进行协作工作的能力。此功能主要适合那些在团队中协同工作以及经常出差的人员。此外，Lucidchart还集成了常用的应用程序，如Google Apps（包括Google Drive）、Office Apps（包括MS Office）以及Atlassian产品系列等。

2. Visual Paradigm

• Visual Paradigm是一款全面的建模工具，允许用户绘制UML图和根据其他建模语言绘制的图表。它在代码工程、数据库建模和项目跟踪领域提供了一系列工具。在后续章节的截图中使用Visual Paradigm，因为它具有简单且用户友好的界面，并支持从基本到高级的多种UML图模板。
• 通过其协作特性，用户可以轻松地在团队中共享和讨论图表中的更改。此外，最重要的是，它对软件开发工作室很重要；其次，Visual Paradigm与Eclipse和IntelliJ IDEA等流行IDE兼容。

3. StarUML

• StarUML是一款免费开源的Unicode建模工具，提供GUI，方便快捷地建模各种UML图。该工具兼容多种UML版本，并具有高级GUI、代码生成和逆向工程功能。
• StarUML由于其体积小、运行速度快而受到开发者的广泛青睐。它还被揭露提供用户个性化工作区域的功能，并有多种插件可供选择。这款免费软件非常适合那些寻求一款能帮助他们创建UML图，拥有所有必要功能但价格不高的人。

4. Enterprise Architect

• Enterprise Architect是一款全面的建模软件，支持并集成了UML和其他建模语言。该工具适用于个人项目和大型公司的项目，这些项目涉及初步需求定义、后续需求项目管理以及系统构建。
• Enterprise Architect提供创建UML图的所有基本功能以及一系列高级功能，例如模拟和代码生成。这意味着通过该应用程序，用户有机会根据模型创建文档。虽然它比其他工具需要更多的时间来学习并包含更多的选项，但它是企业级项目的完美工具。

5. Gliffy

• Gliffy是一款在线解决方案，可用于快速创建组织结构图、流程图或其他类型的UML图。它的元素放置顺序非常直观，并支持方便的拖放操作；它还提供了许多针对不同类型UML图的模板。Gliffy的一个优秀功能是能够与其他用户协作，这意味着多人可以同时在同一张图上工作。
• 由于Atlassian堆栈，它与其他应用程序（如Confluence和Jira）兼容，这使得该工具在这些用户中非常受欢迎。为此，Gliffy还提供了将导出的图表输出为多种格式的选项，以便将来与其他应用程序兼容。

UML图的应用

需求收集

• 许多从业者认为，在软件构建过程中，UML图在需求获取阶段至关重要。在这些图表中，用例图使利益相关者能够轻松理解参与者将如何与系统进行交互或使用系统。在这些图中描述系统必须提供的特性，有助于所有利益相关者对系统的使用形成共同的视图。
• 这可以让人意识到在变更过程中有哪些遗漏的领域需要覆盖，以避免在进行过程中产生昂贵的费用。总而言之，通过UML图描绘需求收集和管理具有优势。

系统设计

• 用例图尤其用于需求分析过程，而类图在系统设计过程中尤其有价值。类图和组件图分别用于描述类的目录以及组件的组织，以及组件及其与其他组件的关系。
• 因此，这些图使开发人员能够看到元素的相互连接，从而了解如何进行映射。UML图通过清晰地了解组件之间的相互连接和关系，有助于做出更好的决策，提高整体系统的质量，同时在模块级别上实现清晰度和模块化。

文档

• UML图可以用作开发软件系统的文档工具。这是因为它们以图形化的方式描绘了系统的结构、功能以及在特定上下文中的社会关系，特别是对于处理系统的新开发人员或团队成员而言。文档是随着时间的推移管理系统的关键要求，以便理解或回忆开发过程中所做的操作。
• 提供这些UML图将有助于团队创建清晰简洁的良好文档。创建文档的主要优点是，在以后进行更新或引入新人员到项目时，这些文档可能会很有用。

利益相关者之间的沟通

• UML图有助于项目利益相关者理解软件项目。可以看出，这些图用于在组织中的技术和非技术人员之间进行“翻译”。特别是，软件开发人员、项目经理和业务分析师可以使用UML图来讨论系统的功能、设计方面以及可能出现的担忧。
• 这种增强的沟通有助于让每个人对操作流程和客户目标有共同的理解。由于认知方面是项目中最具挑战性的部分，UML图有助于有效地向利益相关者解释和讨论所有必要的概念。

测试和验证

• 它们在软件开发阶段的测试和验证中也非常有用。在此上下文中，可以使用序列图和活动图来显示系统中的控制流和数据流，它们还可以帮助测试人员理解他们如何同步系统组件。
• 应以一种创建和实现系统预期行为场景的方式设计测试，以创建派生更多测试用例的愿景。这有助于确保系统符合其规范并正常运行。此外，在使用UML图创建软件时，很容易确定边界条件和潜在问题的存在。

UML的未来趋势

与敏捷方法集成

• 随着敏捷方法在项目中的应用越来越受欢迎，并且UML逐渐融入迭代和增量开发过程，需要理解一些事实。简化的用例、类图和其他不太复杂的UML图也在敏捷环境中得到使用。
• 这些图表有助于避免对用户和决策进行繁琐的文档处理，同时映射各种用户故事和其他工作团队的方面。这种方法意味着关注创建足够的模型来帮助满足团队的沟通需求。

增强的工具和自动化

• 未来的UML预计将包含工具的增强以及一定程度的自动化。就当前UML工具涉及的功能而言，包括代码生成、逆向工程和协作工具。这些工具改进了建模过程，因为它们使程序员从一些日常任务中解脱出来，以便专注于设计。此外，与IDE的集成也将增加，以支持当前从建模到编码的转换之间的双向过渡。

支持模型驱动开发（MDD）

• 模型驱动开发（MDD）意味着在软件开发过程中，模型是主要的构建块，并在此基础上做出决策。UML真正适合MDD，并且当它在组织中实施时，可能会扮演更重要的角色。因此，通过应用UML来实现更高级别的模型，开发人员可以自动开发代码和其他对象。这种趋势的应用将提高生产力，并在各种项目中产生更好、更标准的工作成果。

增加对实时和嵌入式系统的关注

• 随着物联网和嵌入式系统不断发展，UML也在不断变化，以适应应用程序的实时需求。正在开发新的配置文件和扩展以适应此类系统的特定需求，例如时间敏感性和资源分配。在此之后，因此有可能确定使用UML的重要优势之一——它在状态机和交互以及实时系统中的交互方面的适用性。

结论

总而言之，UML图可被视为软件工程中的有效工具，因为它们为定义不同系统引入了统一的表示法。它们使利益相关者能够有效地沟通，改进文档，并适应软件开发过程中的各个阶段，包括需求、设计和测试。因此，各种UML图（如类图、序列图和用例图）有助于团队展示系统的结构和行为视角。因此，随着软件开发过程的不断改进，UML在软件开发中的实践将继续进步，使其成为开发良好、可维护软件解决方案的适用和相关的工具。