软件工程实践课件

北京理工大学

软件工程实践

吴际

北京航空航天大学

第十二讲

面向对象方法与UML介绍

内容和目的

■我们的座标

■面向对象方法

■面向对象：能与不能

-统一建模语言UML

我们的座标

■应用开发的变化

-开发工具和手段的发展

-开发方法和技术的发展

《应用开发的变化

■70年代：小型机（或服务器）上的数学程序

■80年代：单机（或以太网）上的、文本界面

（或简单图形界面）、计算型应用

■90年代：互联网（Internet）、丰富图形界面、

事务处理型应用，要求快速提交产品

■现在,分布于Internet、Intranet,多种界面形

式（基于WebBrowser、ApplicationGUI等），

多种事务处理的集成（电子商务、信息管理），

多种标准的支持（XMLJ2EE,Corba,.NET）,

多种平台的支持（Windows,Linux,Unix,...）

开发工具和手段的发展

■70年代：基于汇编代码的调试器

■80年代：基于高级语言的调试器(TurboC,

MicrosoftC,BorlandC,TurboPascal)

■90年代：集成了调试器、编辑器、配置管理、

框架代码构造、及时编码提示、应用GUI界面

编辑等的集成开发环境，如VisualStudio,

Delphi

■现在：在集成开发环境基础上，提供更强大的

开发平台支持(,NET,JDK),同时更关注应

用的平台无关性和运行安全性

$开发方法和技术的发展

-70年代：结构化方法（设计、编码）

■80年代：结构化方法（分析、设计、编

码），状态图，需求工程

■90年代：面向对象分析、设计、编码，

对象建模

■现在：商务建模（businessmodeling）、

面向对象建模（分析、设计），体系结

构设计（构件化）

面向对象方法

-结构化与面向对象的提出

-面向对象方法特征

■面向对象主要流派

结构化与面向对象的提出

■CFD&DFD：自顶而下的层次分解策略

■任何一层有变动，其下面的所有层次都必须重新进行层次分

解

-层次间的解释关系使得难以维护层次间的一致性

-强调数据、功能分解，但忽略了数据、功能的整合

-数据与功能分离的结构化认知观点，实际偏离了人认

知世界的基本原则：

■以实体为单位，以关系为核心

-尽管有缺点，但结构化仍有可借鉴之处：

-结构化原则

■数据字典

■状态图

I大幕拉开：面向对象

■面相对象的目标：以人的（获接近于人

的）认知方法和原则来描述事物

-完全不同于结药叱的描述手段：

■类、对象

■继承

■多态

-消息

类、对象是核心

-面向对象分析、设计、编码的基本单位

-数据与功能的有效封装

-可直接映射到现实或抽象的实体

■关系、状态、行为

-开发管理的基本单位

■类测试就是“单元测试”！

继承：面向对象冠上明珠

■如果没有继承，谁能在一个小时之内，只使用

SDK接口编写出Notepad?如果使用继承，你只

需十分钟（戢更少）！

■继承至少提供了两个方向的设计支持：

-重用

-抽象、接口（COM、DCOM、Bean）

■没有继承，几乎不可能有通用的容器类

（ContainerorCollector）可供使用

■多继承：你使用过多少次？

多态：面向对象'自适应'中

———---------

■多态(polymorphism)：多种形态,统

一语义

-接口描述了通讯协议

■多态使得基于接口的通讯能够自适应

Argl,agr2,

多态：面向对象'自适应'中

枢

■两种多态：

■同一个类中的不同形态接口

■不同子类以不同形态实现（或重载）父类接

□

■典型例子：画图程序中GraphManager类

的Draw,Move,Open,...

■典型例子：文档编辑中针对不同对象的

统一的Cut/Copy/Paste操作

消息：可能让你失望

■不要试图用信息理论或通讯理论中的消

息来理解

■也不要用操作系统中的消息(事件)来

理解

■所谓两个对象间的一个消息就是一个对

象使用了另一个对象的协作(operation),

简单说就是对象的操作调用！

■Windows中的SendMessage和

PostMessage根本就与面而对象无关！

对象状态

■对象状态只决定于对象的数据，和全局

数据、非对象的局部数据无关

■对象状态和对象行为之间的关系：

■<sl,bl>,<s2,b2>,bl=b2iffsi=s2.

■如果你的程序不满足这条定理，有两种

情况：

■类的某个方法使用了全局变量

■类的某个方法中的局部变量初始值不确定

对象关系：无法让人满意

-目前的面向对象提供了三种对象关系描

述手段：

■继承

■聚集（组成）

■关联：对象之间有关系！

■然而，现实世界中实体之间的关系丰富

多彩，岂止这三种？

'面向对象分析

■目标：使用对象来描述问题域，进而抽象出问

题域类，并把求解问题的约束分配到问题域类

■关注：是否完整、清晰的描述了问题域及约束

■雷区：使用DFD,然后把每个处理节点都抽象

为一个类

■雷区：很快就在某个局部（通常为方法）进入

算法、编码

■面向对象分析模型的价值（领域重用、测试）

面向对象设计

■目标：引入类（族）实现问题域类（在概念层

次上），同时把系统约束分解、落实到类的方

法层次

■关注：体系结构、接口、效率

■雷区：有些类是‘上帝'，而有些类只是‘弱

智的代表'

■雷区：盲目追求所谓封装、抽象类

■面向对象设计模型的价值（设计pattern,风险

跟踪、测试）

4适合面向对象的开发过程

-必须能够管理面向对象分析、设计、实

现、测试、维护各阶段的模型的一致性

■需要给出一套基于类的开发任务管理方

法（任务定义、风险管理、任务评审）

■能够在开发的不同阶段提供不同的知识

库（不仅仅是类库！）以供重用

■RUP是个不错的选择

面向对象：能与不能

■Can

■使你以更有效的手段描述、实现系统

■提高系统的重用度

■有效缩短开发周期

■Cannot

■避免错误，尤其是分析、设计错误

■自动生成精巧的算法

统一建模语言UML

-引论

■建模技术

■UML的模型图

■UML的基本视图

■UML的目的、主要特点和和应用领域

■WhyUnified?

-UML是一种建模语言

-UML的设计目标

■UML的发展历程

《WhyUnified?

■面对众多的建模语言，用户没有能力区别不同语

言之间的差别。

■在众多的建模语言中，实际上各有千秋，需要取

长补短，日臻完善。

■虽然不同的建模语言大多相同，但仍存在某些细

微的差别，这极大地妨碍了用户之间的交流。

UML是一种建模语言

■建模方法=建模语言+建模过程。建模语言

定义了用于表示设计的符号（通常是图形符号）;

建模过程描述进行设计所需要遵循的步骤。

■标准建模语言UML是一种建模语言，而不是一

种方法，它统一了面向对象建模的基本概念、

术语及其图形符号，为人们建立了便于交流的

共同语言。

*UML的设计目标

■UML是由Booch,Rumbaugh和Jacobson发起,

在Booch方法、OMT方法和OOSE方法的基础上，集

众家之长，几经修改而成。UML的设计目标是：

■运用面向对象概念来构造系统模型（不仅仅针对软件）

■建立起从概念模型直至可执行体之间明晰的对应关系

■着眼于那些有重大影响的问题。

■创建一种对人和机器都适用的建模语言。

UML的发展历程

1994.10,Booch和Rumbaugh将Booch93和OMT-2统一，

1995.10.发布UM0.8o

1995年秋，经过Booch等三人的努力，1996.6和1996.10发布

UML0.9和UML0.91。

1996年成立UML成员协会，有700多公司支持UML,占领00市场的

85%o

1997.1^UML1.0,1997.9发布UMLL1。

1997.110MG采纳UMLL1作为00技术的标准建模语言。

此后，UML的维护工作由CrisKobryn领导的0MG版本修改小组RTF

（RevisionTaskForce）负责.

1998.6:UMLV.1.1（编辑修改版）.

1999.6:UMLV.1.3（技术终订版）.

目前正处于UMLV.2・0阶段

UML的发展历程（续）1999.6UML1.3

UMLL1被OMG

1997.11.17接纳为标准

/

1997.9公布UML1.1

A

公

众1997.1公布UML1.0合作伙

反/伴意见

馈

散

分

的

部

各

&建模技术

■构造模型的目的

■建模技术要点

-系统的多种特性

0构造模型的目的

模型是对事物的抽象。人们常常在正式建造实物之前，先建

立模型，以便更透彻地了解它的本质，抓住问题的要害。

■在着手解决一个复杂问题之前，对解决方案进行

检测。

-用于同客户和其他相关人员进行交流。

-加强视觉效果。

■对复杂问题进行适度简化。

L建模技术要点

/造模型的基本技术是抽象,应突出与问题行关的

特征，将与问题无关的性质略去。

■不必追求绝对的真实和完全，只需从期望的目的角

度看其是否充分。

・应当刻画问题的关键方面，略去相对次要的因素。

■建模语言应支持人的由模糊到清晰、由粗到细逐渐

完善的认识过程。

■应采用可视化图形建模语言。

§系统的多种特性

里个系统应具有多方面的特点:

■在功能和性能方面：功能正确，性能良好

（效率要高）。

■在非功能方面：鲁棒性、可扩充性、可再用

性、兼容性、可移值性、可验证性、完整性

以及易使用性等方面要好。

一个系统要从多个视角去描述。

一个视图可能包含多个模型图，每张模型图都应当

简单明了，易于交流。

UML的模型图

UML定义了5类、共9种模型图：

用例图：从用户角度描述系统的功能，并指出各功能

的操作者。

静态图：类图、对象图和包图（在UML1.1中，包图

不再看作一种独立的模型图）o

行为图：状态图,活动图。

交互图：顺序图,合作图。

实现图：构件图描述部件的物理结构以及各部件之间

的依赖关系；配置图定义系统中软硬件的物理构架。

关于保险业务的一张用例图

静态图：类图、对象图和包图

■静态图包括类图、对象图和包图，用以描述模型

中类及其实例之间的静态关系。

■类图用于定义系统中的类，包括描述类之间的关

系（关联、继承、聚合）以及类的内部结构，即类

的属性和操作。

-对象图显示类的对象实例，一个对象图是类图的

—个实例。

■包图由包或类组成，主要表示包与包、或包与类

之间的关系。包图用于描述系统的分层结构。

♦关于金融贸易的一张类图

行为图：状态图，活动图

■行为图包括状态图和活动图，描述系统的动态

模型和组成对象间的交互关系。

■状态图描述一类对象的所有可能的状态以及事

件发生时状态的转移条件。

■活动图描述为满足用例要求所要进行的活动以

及活动间的约束关系。使用活动图可以很方便

地表示并行活动。

上升［几层］

超时口

一台打印机服务器的活动图

显示“磁盘已满”

［磁盘已满］

的信息

［尚有磁盘空间］显示“正在打印”

的信息

删除显示信,创建附加文，

息的对话框"

J44印机X,

^打印［文件］

交互图：顺序图，合作图

■交互图包括顺序图和合作图，它描述对象间的交

互（动态合作）关系。

■顺序图：用以显示对象之间在时间顺序方面的动

态合作关系。因此，如果强调时间和顺序，应当

使用顺序图。

■合作图：着重描述对象间的通信方面的动态合作

关系。因此，如果强调通信关系，则可以选择合

作图。

一台打印机服务器的顺序图

I:计算机I:打印服务程序:打印机:打印队列

一台打印机服务器的合作图

［打印机空闲］

L1打印［文件］

实现图：构件图，配置图

■实现图包括构件图和配置图。

-构件图：描述部件的物理结构以及各

部件之间的依赖关系。

■配置图：定义系统中（特别是在分布式

及网络环境中）软硬件的物理构架。

反映程序代码构件之间

依赖关系的构件图

graphic.dll:

IIWhnd.cpp:Whnd.obj:

巴窗口处理器

■尺5窗口处理器图形库

*0A■

||comhnd.cpp:

吕命令处理器IIcomhnd.obj:eclient.exe:

命令处理器客户程序

A

main.obj:

[|main.cpp:

审卷类e主类

描述系统物理构架的配置图

《DecNet协议》

数据库服务器:

《TCP/IP协议》VAX

UML的基本视图

-UML的用例视图

-UML的逻辑视图

-UML的构件视图

-UML的并发视图

-UML的配置视图

UML的五类基本视图

UML的五类基本视图（续）

■用例视图：从系统外部执行者的角度理解、展示

系统功能。

■逻辑视图：从系统的静态结构和动态行为的角度

展示系统内部功能性设计。

-构件示图：展示代码构件的组织结构。

■并发视图：展示系统的并发性，刻画并发系统中

的通讯和同步问题。

■配置视图：展示系统的物理的体系结构，其中用

到的计算机和各种设备称作节点。

UML的用例视图

■从系统外部执行者的角度理解系统的功能：它描

述执行者与系统的交互，其执行者可以是一个用

户，也可以是另一个系统。

■用例图面向客户、建模人员、开发人员和测试人

员，是系统模型图的核心。

■用例视图：用例图和活动图描述。

■一张用例图是系统的一种用途的描述；一组用例

图描述了整个系统所期望的用途。

&UML的逻辑视图

-描述系统如何提供要求的功能：

■静态结构：

类（界面，内部结构）；对象；关系

用类图和对象图描述。

■动态行为：

对象之间相互发送消息而引发的动态合作关系

用状态图、顺序图、合作图和活动图描述

■各种特性：永久性，并发性

■主要是面向设计人员和开发人员

&UML的构件视图

■描述实现的各个模块及其相互之间的关系：

・模块的内部结构

-模块间的依赖关系

■关于各构件的一些附加信息：

■资源分配（构件的责任）

-其它管理信息，如开发工作的进展报告等

-主要面向开发人员

■构件视图：由构件图组成，其中构件表示不

同类型的代码模块

/UML的并发视图

「爱统中进程和处理器的划分与任务的分配

■属于非功能性特性：

-着眼于资源的有效利用

-并行执行，并发地执行多线程控制，处理线程之间的通

信和同步

-处理来自外部环境的同步事件

■面向开发人员和系统集成人员

-描述并发视图的主要模型图：

-动态图：状态图，合作图，活动图

-实现图：构件图，配置图

&UML的配置视图

■展示系统的物理配置，如计算机和其它设备（统

称结点）及其相互之间的连接关系，包括在物理

的体系结构中如何配置构件的映像关系。

-面向开发、集成和测试人员。

■配置视图用配置图描述。

《面向对象描述的三个层面

概念层BusinessModel

说明层Architecture

实现层Detailing

层次间没有分解对应关系

^^2：每个面向对象描述元素都可对应到这三个层面

UML的主要特点、目的和应用领域

-UML的主要特点

-使用UML的目的

■UML的应用领域

UML的主要特点

■UML统一了Booch,OMT和OOSE等方法中的基

本概念：用例图从OOSE来；类图从OMT和

Booch等方法来；实现图（构件图和配置图）从

Booch的模块图和过程图来。

■UML吸取了00技术领域各流派的长处：状态图

从Harel而来；活动图从工作流图而来；合作图

从Booch的对象图和Fusion的对象交互作用图等

而来；等等。

■在演变过程中UML提出了一些新的概念。

使用UML的目的

软件开发的过程犹如雕琢一件艺术品，由无形

到有形，由粗到细。但软件开发的最终形式必

须生成程序代码。因此当考虑使用UML时，一

定要想清楚，使用UML的目的以及对编写代码

有何帮助。

■学习面向对象技术

■和领域专家交流

■帮助理解全局

学习面向对象技术

■UML的各种模型图，其中用例图描述系统的功

能及其外部的使用者，确定谁使用系统以及做

彳十么。

■类图描述系统的静态构架，即构成系统的各种

对象类及其相互关系。对象图是类图的实例化,

描述系统在某个时刻可能包含的对象和相互关

系。

-行为图和交互图描述系统的动态行为。

■构件图和配置图描述系统实现体的构成及其在

硬件环境中的配置情况。

和领域专家交流

■有效的方法是使用用例。一个用例描述了系统

的某一侧面，所有用例构成了系统的整个外观。

用例也有助于制订项目规划和对问题进行深入

理解。

■类图很有用，但应注重在概念层上使用。应将

每个类对应用户心中一个概念，并用用户的语

言来命名和定义。

■对于侧重于工作流过程的应用系统，活动图非

常有用。活动图也有助于对实际业务流程中的

并行特性进行自然描述。

帮助理解全局

-JI_

■对于大型项目，常常只见树