统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）是“绘制软件蓝图的标准化语言。
UML 用来可视化、描述、构造和文档化软件密集系统的 人工制品”[Boo05]。
如果了 解 UML 的词汇（图示元素和它们的含义），就可以很轻松地理解和描述一 个系统，并向他人解释该系统的设计。

Grady Booch、Jim Rumbaugh 和 Ivar Jackson 在 20 世纪90 年代中期 开发出了UML 语言。
目前的标准是 UML 2.3 ，也是 ISO 标准。因为这个标准很新，所以很多旧的资料，（如[Gam95]）都没有 使用 UML 符号。

UML 2.3 提供了13 种不同的图以供软件建模使用。在本文中，将 仅讨论类图、部署图、用例图、顺序图、通信图、活动图和状态图。

应该注意，UML 图有很多可选功能。UML 语言提供了这些选项（有时候是隐藏的）， 使得软件工程师能表达系统的所有重要方面。同时，还可以灵活地隐藏图中那些与建模无关的部分，避免无关的细节将图弄得杂乱。
因此，一种特殊功能的省略并不意味着该功能的缺 失，它可能意味着该功能被隐藏了。

在本文中，没有介绍UML 图的所有功能，而是重点介绍标准选项

类图

为了对类建模（包括类的属性、操作和关系以及和其他类的联系）， UML 提供了类图， 类图提供了系统的静态或结构视图。它并不显示图中类的对象之间通信的动态特性。

表示

类图的主要元素是方框，方框是一些用来描述类和接口的图符。

三部分

每个方框都被水平地划分为多个部分。

• 顶层部分包含类的名字

• 中间部分列出了类的属性
  属性可以是一些数值，这些数值是由类从它的实例变量中计算出来的，或是从组成它的其他对象中得到的。

  比如， 对象可以时刻知道当前时间，在这种情况下，适合把时间作为属性，因为可以在getter中经过计算获取。如果将时间存在实例变量中，那么这个时间就是死的。

  实例变量和属性：简单解释，实例对象是写在类内方法外的变量，属性是有getter和setter的实例变量

• 第三部分包含类的操作或行为。
  操作是指类的对象所能做的事情，通常实现为类的方法。

图 A1-1 介绍了一个简单例子，用Thoroughbred（纯种） 类对优良种马建模。
它有三个属性——mother、father 和 birthyear
还有三个操作—— getCurrentAge()、getFather() 和 getMother()。
图中也有 一些隐藏的属性和操作没有显示。

修饰

每个属性都有名字、类型和可见性级别。类型和可见性都是可选的。
类型放在名字后面，并用冒号进行分隔。
可见性由前面的－、#、~ 或＋指定，分别代表私有、 受保护、包或公有可见性。

在图A1-1 中，所有属性都是 私有的，由前面的减号（－）指出。

下划线表示属性是否为静态属性或类属性，
可以用可见性级别、带名字和类型的参数以及返回类型来表示每个操作。

在类图中，名字设成斜体表示抽象的类或方法。例如，图A1-2 中的Horse 类就是抽 象类。
通过在名字的上方添加短语“interface”（称为构造型）来指定接口，如图A1-2 中的 OwnedObject 接口。也可以用空心圆来表示接口。

值得一提的是，表示类的图符可以有其他可选的部分。例如，处于类方框底层的第四部分可以列出类的责任。

在产生属性和操作之前，CRC 卡片上列出的责任如能添加在 UML 图 中类方框的第四部分，则这一部分在CRC 卡片（第 9 章）向类图转换时特别有用。本文中的所有图均未显示第四部分。

表示类之间的关系

泛化

类和它的子类之间用实线加上空心的三角箭头连接。箭头的方向是从子类指向父类。
在UML 中，这样的关系称为泛化。

比如，在图A1-2 中，类Thoroughbred 和类QuarterHorse 显示为Horse 抽象类的子类

实现

带虚线的箭头表示接口的实 现。在 UML 中，这样的关系称为实现。
例如，图A1-2 中，Horse 类实现了OwnedObject 接口。

关联

两个类之间的关联是指它们之间存在着结构上的关系。
关联用实线表示，有很多可选部分。

可以在它的每一端都加上标签，指定关联中每个类的角色。
例如，在图A1-2 中，OwnedObject 和 Person 之间存在关联，Person 在此关联中扮演所有者（owner）的角色
关联也可以通过循环连接它本身，这样的关联表明同 一类所创建的不同对象之间可以相互连接。

导航性

关联线一端或两端的箭头表示可导航性。

一端带箭头的关联表明这是一个单向导航。箭头表明从第一个类可以很容易访问关联方 向所指的第二个类，但是从第二个类却不能很容易地访问第一个类。
关于这种现象的另外 一种解释是，第一个类可以察觉到第二个类，但是第二个类的对象将不能直接察觉到第一个类。

没有箭头的关联通常表明它是一个双向的关联，这就是图A1-2 中所指的。也有可能是仅仅意味着可导航性并不重要，所以省略了。

应当注意到，一个类的某个属性和类（其属性所属的类型是类）的关联是一样的。

就是说，想表达类中有叫作“name”的String 类型的特性，那就直接在类中写（如图 A1-2 Horse类中name属性的写法）。或者，也可以构建一个从Horse 类到 String 类的单向关联，在此关联中，String 类的角色是“name”。

对于原始数据类型，用属性的办法会更好些，而当特性类在设计中起重要作用时，用关联的方法通常比较好一些，在那种情况下，有那种类型的类方框更有价值。

依赖关系

依赖关系表示类之间的另一种连接，由一条虚线（可选的段末箭头和可选的标签）表示。

一个类依赖于另一个类，则改变另一个类也需要改变这个类。从一个类到另一个类的关联就自动表明了一种依赖性。如果类之间已存在关联则不需要虚线。

然而，对于短暂的关系（即 一个类不需要同另一个类维持长时间的连接，但确实偶尔会用到另一个类），我们应该从第 一个类画一条虚线到第二个类。

例如，在图A1-2 中，当 Thoroughbred 类的getCurrentAge() 方法被调用时，它需要使用 Date 类，所以依赖性被标识为“uses”。

多重性

关联一端的多重性是指类关联于其他类的对象的数量。多重性由非负整数或整数范围描述。

• 通过“0…1”描述的多重性是指在关联的一端存在 0 或 1 个对象。
  例如，世界上的每个人要么有社会保险号，要么没有，因此，多重性0…1 就可以在类图中的Person 类 和 SocialSecurityNumber 类之间的关联中使用。
• 由“1…*”描述的多重性是指一个或更多
• 由“0…*”或者只是一个“星”描述的多重性指的是 0 个或更多。 在图A1-2 中，与 Person 类关联的 OwnedObject 端的多重性使用了一个”星“，因为 Person 可以拥有 0 个或更多的对象。

如果关联的一端有比 1 大的多重性，那么该端涉及的对象将可能被存储于收集中，如集合或有序列表。在UML 图中，也可以包括收集类本身，但是，由于关联的多重性，这样的类通常被省略并假定存在那里。

聚合和组合

聚合是一种特殊的关联，通过图符一端的空心钻石表示。它表明一种“整体/ 部分”关 系，箭头所指的类是关联的菱形端的一“部分”。

组合表明聚合对部分的强所有权。在组合 中，部分随着所有者而生存或消亡，因为它们在独立于所有者的软件系统中没有作用。

参见 图 A1-3 中关于聚合和组合的例子。

College 有一个包含Building 对象的聚合，这表示建筑构成了学院。学院也有一个包含课程的集合。
如果学院倒闭了，建筑仍将存在（假定该学院不是物理上消失）并可用于其他 事情，但是Course 对象在学院之外则毫无用 处，它是由学院提供的。

注释

类图中另一个共同元素是注释，由具有 狗耳角的方框表示，通过虚线连至其他图符。 它可包含任意内容（文字和图形），类似于编程语言中的注释。（如图A1-3Course）
它可能包括有关类的作用的解释信息或是该类的所有对象应遵守的约束。 如果内容是约束，内容外面将括着大括号

部署图

UML 部署图关注软件系统的结构，用于显示软件系统在硬件平台和运行环境中的物理分布。

例如，设想你正在开发一个基于Web 的图形显示包，包的用户将使用他们的Web 浏 览器访问你的网站，得到渲染信息。你的网站应根据用户的描述渲染图像并将其返回给用户。

因为图像渲染需要大量的计算，所以你决定将渲染从Web 服务器中分离出来，放在一 个单独的平台上。这样，系统涉及三个硬件设备：Web 客户端（运行浏览器的用户计算机）， Web 服务器所在的计算机和渲染引擎所在的计算机。

图 A1-4 显示了此包的部署图。在此图中，硬件部件放在标有“device”的方框中，硬 件部件之间的通信路径用带有可选标签的线表示。在图A1-4 中，路径是用连接设备的通信协议和网络类型标记的。

部署图中的每个节点也用设备的细节注释。例如，在图A1-4 中，浏览器客户端被描述 为由Web 浏览器软件构成的人造制品。

人造制品：品是指包含在设备上所运行软件的文件

你也可以描述标记值，就像图A1-4 中的Web 服务器节点一样。这些值定义了服务器所采用的 Web 服务器厂家和服务器所使用的操作系统。

部署图也可以显示运行环境节点，将运行环境节点绘制为包含标签“execution environment”的方框。这些节点表示可以运行其他软件，如操作系统。

用例图

用例和 UML 用例图可帮助你从用户的角度决定软件的功能和特点。

为了让读者了解用例和用例图是如何工作的，以下为在线数字音乐商店管理软件创建一些用例和用例图。软件可能要做的一些事情包括：

• 下载 MP3 音乐文件，并将其存储于应用的存储库中。
• 捕捉流媒体音乐，并将其存储于应用的存储库中。
• 管理应用存储库（例如，删除歌曲或将其添加到播放列表中）。
• 将存储库中的歌曲清单刻录到 CD 上。
• 将存储库中的歌曲清单加载到 iPod 或 MP3 播放器。
• 将一首歌曲从 MP3 格式转换为 AAC 格式，反之亦然。

这并不是一个全面的列表，但它已足够使你理解用例和用例图的作用。

用例通过定义实现明确目标所需的步骤描述了用户和系统之间的交互（例如，将歌曲清 单刻录到CD 上）。一系列步骤的变动描述了各种不同的场景（例如，如果歌曲清单中的所 有歌曲不适合放在一张 CD 上该怎么办）。

表示

UML 用例图是所有用例和用例之间关系的视图。它提供了系统功能的整体图示。数码音乐应用的用例图如图 A1-5 所示。

在这个图中，木棍小人表示和其他类型的用户（或其他交互元素）相关联的参与者。

复杂的系统通常不止一个参与者。例如，自动售货机应用系统可有三个参与者，表示客户、维修人员和装货人员。

在用例图中，用例用椭圆形显示。角色通过线连接到所执行的用例上。注意，图中并不 包括用例的细节，用例的详细信息需要单独存储。

另外，还需要注意，可将用例放在矩形框 中，而不能将角色放在矩形框中。矩形框表示的是系统的边界，而角色在系统之外。

包含关系

系统的一些用例会互相关联，例如，将歌曲清单刻录到CD 和将歌曲清单存储到iPod 或智能手机具有相似的步骤。为避免用例中的重复，需建立新用例来表示重复活动，然后让其他用例 包含这个新用例，作为其他用例的一个步骤。

在用例图中，如图A1-6 所示，这种包含关系用标有 include 的虚线箭头来连接用例和被包含的用例。

由于用例图显示了所有的用例，因此，用例图有助于确保覆盖系统的所有功能。

在我们 的数码音乐系统中，确实需要更多的用例，如播放库中歌曲的用例。但是请记住，用例在软件开发过程中最有价值的地方是对每个用例的文字说明，而不是总体用例图[Fow04]。通过用例的说明，才能对所开发系统的目标形成清晰的理解。

顺序图

类图和部署图显示系统构件的静态结构，而顺序图显示任务执行过程中对象之间的动态通信。它显示了完成任务的对象之间消息发出的先后顺序。顺序图可以显示某个用例或软件系统的某个场景中存在的交互

表示

在图 A1-7 中，可以看到一个画图程序的顺序图。

该图显示了在一幅图中点击一个图形时高亮度显示所涉及的步骤。图顶端行中的每个方框通常对应一个对象，虽然方框也有可
能模拟其他东西，比如类。

• 如果方框表示对象（如我们所有例子中的情况），那么在方框内，我们可以有选择地规定冒号前的对象名。也可在冒号之后写上类名，如图 A1-7 中第三个方框所示。
• 在每个方框下面都有一条被称为对象生命线的虚线。顺序图中的垂直轴代表着时间，随着时间逐渐增加，线条逐渐向下移动。

• 顺序图使用从调用者到被调用者的水平箭头来表示方法调用，箭头上标有方法名称，可选部分包括参数、参数的类型和返回类型。

  如图 A1-7 所示，MouseListener 调用 Drawing 的 getFigureAt() 方法。

• 当对象在执行方法时（即在堆栈里有活动帧时），在对象的生命线下面可选择性地显示一条空白的条，称为活动条。

  在图 A1-7 中，对于所有方法的调用都绘制了活动条。

• 图也可以通过虚线箭头和可选标记选择性地显示方法调用的返回结果。

  在图 A1-7 中，getFigureAt() 方法的返回结果由返回对象的名字标记。普遍的做法如图 A1-7 所示，当一个无返回结果的方法被调用时，将不会有返回箭头，因为这样将会使图变得杂乱，而且不会起任何重要作用。

• 有箭头的黑圆圈表明一条来源未知或无关的发现消息。

你现在应该能够理解图 A1-7 显示的任务了。

1. 未知源调用 MouseListener 中的 mouseClicked() 方法， 将点击的点作为参数传入。
2. MouseListener 然后调用 Drawing 的 getFigureAt() 方 法， 并得到返回的一个Figure对象。
3. 接着 MouseListener 调用 Figure 的 highlight() 方法，传递一个 Graphics 对象作为参数作为响应
4. Figure 调用 Graphics 对象的三个方法用红色画出图形。

逻辑控制-交互框

图 A1-7 比较简单，不包括附加条件和循环。若需逻辑控制结构，则最好为每种情况都绘制一张单独的顺序图。即当消息根据条件可有两条不同的路径时，则需要绘制两张分开的顺序图，为每种可能性绘制一张。

若想要在一张顺序图上包括循环、条件和其他控制结构，则可以使用交互框。交互框是矩形，包围图的一部分，并用其所表示的控制结构的类型做标记。

图 A1-8 描述了这种情况，高亮显示给定矩形中所有图形所涉及的过程。

1. 将消息 rectDragged 发送给 MouseListener
2. MouseListener 通知绘图部分高亮显示矩形中的所有图形，具体做法是调用 Drawing 对象的 highlightFiguresIn() 方法，并传递矩形作为参数
   • 此方法要对 Drawing 对象中的所有 Figure 对象进行循环，如果 Figure 和矩形相交，则需要 Figure 高亮显示自身。

在方括号内的短语称为守卫，守卫是布尔条件，如果交互框中的动作要继续，则守卫必须为真。

loop是循环，opt是满足条件执行

其他特点

顺序图还有很多其他特点。例如：

1. 可清楚地分辨出同步和异步消息。同步消息用实体箭头表示，而异步消息用棒形箭头（stick arrowhead）显示。
2. 可用箭头表示对象向它本身发送消息。所用的箭头需从该对象发出，然后折向下，再指回对象本身。
3. 通过绘制指向对象方框的带有适当标记（例如带有 create 标签）的箭头来表示对象的创建。这种情况下，方框将出现在比行动开始时已存在对象对应的方框低一些的位置。
4. 也可通过对象生命线末端的大写 X 显示对象的销毁。其他对象可以销毁一个对象，在这种情况下，一个箭头从其他对象指向 X。X 通常表示该对象已不再有用，因此可以准备进行垃圾回收。

最后三个特点都显示在图 A1-9 所示的顺序图中。

通信图

UML 通信图（在 UML 1.x 中称为“协作图”）提供了通信时间顺序的另一种表达形式，但是强调对象和类之间的关系，而不是时间顺序。
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