軟件工程實踐課件

北京理工大學

軟件工程實踐

吳際

北京航空航天大學

第十二講

面向對象方法與UML介紹

內容和目的

■我們的座標

■面向對象方法

■面向對象：能與不能

-統(tǒng)一建模語言UML

我們的座標

■應用開發(fā)的變化

-開發(fā)工具和手段的發(fā)展

-開發(fā)方法和技術的發(fā)展

《應用開發(fā)的變化

■70年代：小型機（或服務器）上的數(shù)學程序

■80年代：單機（或以太網(wǎng)）上的、文本界面

（或簡單圖形界面）、計算型應用

■90年代：互聯(lián)網(wǎng)（Internet）、豐富圖形界面、

事務處理型應用，要求快速提交產(chǎn)品

■現(xiàn)在,分布于Internet、Intranet,多種界面形

式（基于WebBrowser、ApplicationGUI等），

多種事務處理的集成（電子商務、信息管理），

多種標準的支持（XMLJ2EE,Corba,.NET）,

多種平臺的支持（Windows,Linux,Unix,...）

開發(fā)工具和手段的發(fā)展

■70年代：基于匯編代碼的調試器

■80年代：基于高級語言的調試器(TurboC,

MicrosoftC,BorlandC,TurboPascal)

■90年代：集成了調試器、編輯器、配置管理、

框架代碼構造、及時編碼提示、應用GUI界面

編輯等的集成開發(fā)環(huán)境，如VisualStudio,

Delphi

■現(xiàn)在：在集成開發(fā)環(huán)境基礎上，提供更強大的

開發(fā)平臺支持(,NET,JDK),同時更關注應

用的平臺無關性和運行安全性

$開發(fā)方法和技術的發(fā)展

-70年代：結構化方法（設計、編碼）

■80年代：結構化方法（分析、設計、編

碼），狀態(tài)圖，需求工程

■90年代：面向對象分析、設計、編碼，

對象建模

■現(xiàn)在：商務建模（businessmodeling）、

面向對象建模（分析、設計），體系結

構設計（構件化）

面向對象方法

-結構化與面向對象的提出

-面向對象方法特征

■面向對象主要流派

結構化與面向對象的提出

■CFD&DFD：自頂而下的層次分解策略

■任何一層有變動，其下面的所有層次都必須重新進行層次分

解

-層次間的解釋關系使得難以維護層次間的一致性

-強調數(shù)據(jù)、功能分解，但忽略了數(shù)據(jù)、功能的整合

-數(shù)據(jù)與功能分離的結構化認知觀點，實際偏離了人認

知世界的基本原則：

■以實體為單位，以關系為核心

-盡管有缺點，但結構化仍有可借鑒之處：

-結構化原則

■數(shù)據(jù)字典

■狀態(tài)圖

I大幕拉開：面向對象

■面相對象的目標：以人的（獲接近于人

的）認知方法和原則來描述事物

-完全不同于結藥叱的描述手段：

■類、對象

■繼承

■多態(tài)

-消息

類、對象是核心

-面向對象分析、設計、編碼的基本單位

-數(shù)據(jù)與功能的有效封裝

-可直接映射到現(xiàn)實或抽象的實體

■關系、狀態(tài)、行為

-開發(fā)管理的基本單位

■類測試就是“單元測試”！

繼承：面向對象冠上明珠

■如果沒有繼承，誰能在一個小時之內，只使用

SDK接口編寫出Notepad?如果使用繼承，你只

需十分鐘（戢更少）！

■繼承至少提供了兩個方向的設計支持：

-重用

-抽象、接口（COM、DCOM、Bean）

■沒有繼承，幾乎不可能有通用的容器類

（ContainerorCollector）可供使用

■多繼承：你使用過多少次？

多態(tài)：面向對象'自適應'中

———---------

■多態(tài)(polymorphism)：多種形態(tài),統(tǒng)

一語義

-接口描述了通訊協(xié)議

■多態(tài)使得基于接口的通訊能夠自適應

Argl,agr2,

多態(tài)：面向對象'自適應'中

樞

■兩種多態(tài)：

■同一個類中的不同形態(tài)接口

■不同子類以不同形態(tài)實現(xiàn)（或重載）父類接

□

■典型例子：畫圖程序中GraphManager類

的Draw,Move,Open,...

■典型例子：文檔編輯中針對不同對象的

統(tǒng)一的Cut/Copy/Paste操作

消息：可能讓你失望

■不要試圖用信息理論或通訊理論中的消

息來理解

■也不要用操作系統(tǒng)中的消息(事件)來

理解

■所謂兩個對象間的一個消息就是一個對

象使用了另一個對象的協(xié)作(operation),

簡單說就是對象的操作調用！

■Windows中的SendMessage和

PostMessage根本就與面而對象無關！

對象狀態(tài)

■對象狀態(tài)只決定于對象的數(shù)據(jù)，和全局

數(shù)據(jù)、非對象的局部數(shù)據(jù)無關

■對象狀態(tài)和對象行為之間的關系：

■<sl,bl>,<s2,b2>,bl=b2iffsi=s2.

■如果你的程序不滿足這條定理，有兩種

情況：

■類的某個方法使用了全局變量

■類的某個方法中的局部變量初始值不確定

對象關系：無法讓人滿意

-目前的面向對象提供了三種對象關系描

述手段：

■繼承

■聚集（組成）

■關聯(lián)：對象之間有關系！

■然而，現(xiàn)實世界中實體之間的關系豐富

多彩，豈止這三種？

'面向對象分析

■目標：使用對象來描述問題域，進而抽象出問

題域類，并把求解問題的約束分配到問題域類

■關注：是否完整、清晰的描述了問題域及約束

■雷區(qū)：使用DFD,然后把每個處理節(jié)點都抽象

為一個類

■雷區(qū)：很快就在某個局部（通常為方法）進入

算法、編碼

■面向對象分析模型的價值（領域重用、測試）

面向對象設計

■目標：引入類（族）實現(xiàn)問題域類（在概念層

次上），同時把系統(tǒng)約束分解、落實到類的方

法層次

■關注：體系結構、接口、效率

■雷區(qū)：有些類是‘上帝'，而有些類只是‘弱

智的代表'

■雷區(qū)：盲目追求所謂封裝、抽象類

■面向對象設計模型的價值（設計pattern,風險

跟蹤、測試）

4適合面向對象的開發(fā)過程

-必須能夠管理面向對象分析、設計、實

現(xiàn)、測試、維護各階段的模型的一致性

■需要給出一套基于類的開發(fā)任務管理方

法（任務定義、風險管理、任務評審）

■能夠在開發(fā)的不同階段提供不同的知識

庫（不僅僅是類庫！）以供重用

■RUP是個不錯的選擇

面向對象：能與不能

■Can

■使你以更有效的手段描述、實現(xiàn)系統(tǒng)

■提高系統(tǒng)的重用度

■有效縮短開發(fā)周期

■Cannot

■避免錯誤，尤其是分析、設計錯誤

■自動生成精巧的算法

統(tǒng)一建模語言UML

-引論

■建模技術

■UML的模型圖

■UML的基本視圖

■UML的目的、主要特點和和應用領域

■WhyUnified?

-UML是一種建模語言

-UML的設計目標

■UML的發(fā)展歷程

《WhyUnified?

■面對眾多的建模語言，用戶沒有能力區(qū)別不同語

言之間的差別。

■在眾多的建模語言中，實際上各有千秋，需要取

長補短，日臻完善。

■雖然不同的建模語言大多相同，但仍存在某些細

微的差別，這極大地妨礙了用戶之間的交流。

UML是一種建模語言

■建模方法=建模語言+建模過程。建模語言

定義了用于表示設計的符號（通常是圖形符號）;

建模過程描述進行設計所需要遵循的步驟。

■標準建模語言UML是一種建模語言，而不是一

種方法，它統(tǒng)一了面向對象建模的基本概念、

術語及其圖形符號，為人們建立了便于交流的

共同語言。

*UML的設計目標

■UML是由Booch,Rumbaugh和Jacobson發(fā)起,

在Booch方法、OMT方法和OOSE方法的基礎上，集

眾家之長，幾經(jīng)修改而成。UML的設計目標是：

■運用面向對象概念來構造系統(tǒng)模型（不僅僅針對軟件）

■建立起從概念模型直至可執(zhí)行體之間明晰的對應關系

■著眼于那些有重大影響的問題。

■創(chuàng)建一種對人和機器都適用的建模語言。

UML的發(fā)展歷程

1994.10,Booch和Rumbaugh將Booch93和OMT-2統(tǒng)一，

1995.10.發(fā)布UM0.8o

1995年秋，經(jīng)過Booch等三人的努力，1996.6和1996.10發(fā)布

UML0.9和UML0.91。

1996年成立UML成員協(xié)會，有700多公司支持UML,占領00市場的

85%o

1997.1^UML1.0,1997.9發(fā)布UMLL1。

1997.110MG采納UMLL1作為00技術的標準建模語言。

此后，UML的維護工作由CrisKobryn領導的0MG版本修改小組RTF

（RevisionTaskForce）負責.

1998.6:UMLV.1.1（編輯修改版）.

1999.6:UMLV.1.3（技術終訂版）.

目前正處于UMLV.2?0階段

UML的發(fā)展歷程（續(xù)）1999.6UML1.3

UMLL1被OMG

1997.11.17接納為標準

/

1997.9公布UML1.1

A

公

眾1997.1公布UML1.0合作伙

反/伴意見

饋

散

分

的

部

各

&建模技術

■構造模型的目的

■建模技術要點

-系統(tǒng)的多種特性

0構造模型的目的

模型是對事物的抽象。人們常常在正式建造實物之前，先建

立模型，以便更透徹地了解它的本質，抓住問題的要害。

■在著手解決一個復雜問題之前，對解決方案進行

檢測。

-用于同客戶和其他相關人員進行交流。

-加強視覺效果。

■對復雜問題進行適度簡化。

L建模技術要點

/造模型的基本技術是抽象,應突出與問題行關的

特征，將與問題無關的性質略去。

■不必追求絕對的真實和完全，只需從期望的目的角

度看其是否充分。

?應當刻畫問題的關鍵方面，略去相對次要的因素。

■建模語言應支持人的由模糊到清晰、由粗到細逐漸

完善的認識過程。

■應采用可視化圖形建模語言。

§系統(tǒng)的多種特性

里個系統(tǒng)應具有多方面的特點:

■在功能和性能方面：功能正確，性能良好

（效率要高）。

■在非功能方面：魯棒性、可擴充性、可再用

性、兼容性、可移值性、可驗證性、完整性

以及易使用性等方面要好。

一個系統(tǒng)要從多個視角去描述。

一個視圖可能包含多個模型圖，每張模型圖都應當

簡單明了，易于交流。

UML的模型圖

UML定義了5類、共9種模型圖：

用例圖：從用戶角度描述系統(tǒng)的功能，并指出各功能

的操作者。

靜態(tài)圖：類圖、對象圖和包圖（在UML1.1中，包圖

不再看作一種獨立的模型圖）o

行為圖：狀態(tài)圖,活動圖。

交互圖：順序圖,合作圖。

實現(xiàn)圖：構件圖描述部件的物理結構以及各部件之間

的依賴關系；配置圖定義系統(tǒng)中軟硬件的物理構架。

關于保險業(yè)務的一張用例圖

靜態(tài)圖：類圖、對象圖和包圖

■靜態(tài)圖包括類圖、對象圖和包圖，用以描述模型

中類及其實例之間的靜態(tài)關系。

■類圖用于定義系統(tǒng)中的類，包括描述類之間的關

系（關聯(lián)、繼承、聚合）以及類的內部結構，即類

的屬性和操作。

-對象圖顯示類的對象實例，一個對象圖是類圖的

—個實例。

■包圖由包或類組成，主要表示包與包、或包與類

之間的關系。包圖用于描述系統(tǒng)的分層結構。

?關于金融貿易的一張類圖

行為圖：狀態(tài)圖，活動圖

■行為圖包括狀態(tài)圖和活動圖，描述系統(tǒng)的動態(tài)

模型和組成對象間的交互關系。

■狀態(tài)圖描述一類對象的所有可能的狀態(tài)以及事

件發(fā)生時狀態(tài)的轉移條件。

■活動圖描述為滿足用例要求所要進行的活動以

及活動間的約束關系。使用活動圖可以很方便

地表示并行活動。

上升［幾層］

超時口

一臺打印機服務器的活動圖

顯示“磁盤已滿”

［磁盤已滿］

的信息

［尚有磁盤空間］顯示“正在打印”

的信息

刪除顯示信,創(chuàng)建附加文，

息的對話框"

J44印機X,

^打?。畚募?/p>

交互圖：順序圖，合作圖

■交互圖包括順序圖和合作圖，它描述對象間的交

互（動態(tài)合作）關系。

■順序圖：用以顯示對象之間在時間順序方面的動

態(tài)合作關系。因此，如果強調時間和順序，應當

使用順序圖。

■合作圖：著重描述對象間的通信方面的動態(tài)合作

關系。因此，如果強調通信關系，則可以選擇合

作圖。

一臺打印機服務器的順序圖

I:計算機I:打印服務程序:打印機:打印隊列

一臺打印機服務器的合作圖

［打印機空閑］

L1打印［文件］

實現(xiàn)圖：構件圖，配置圖

■實現(xiàn)圖包括構件圖和配置圖。

-構件圖：描述部件的物理結構以及各

部件之間的依賴關系。

■配置圖：定義系統(tǒng)中（特別是在分布式

及網(wǎng)絡環(huán)境中）軟硬件的物理構架。

反映程序代碼構件之間

依賴關系的構件圖

graphic.dll:

IIWhnd.cpp:Whnd.obj:

巴窗口處理器

■尺5窗口處理器圖形庫

*0A■

||comhnd.cpp:

呂命令處理器IIcomhnd.obj:eclient.exe:

命令處理器客戶程序

A

main.obj:

[|main.cpp:

審卷類e主類

描述系統(tǒng)物理構架的配置圖

《DecNet協(xié)議》

數(shù)據(jù)庫服務器:

《TCP/IP協(xié)議》VAX

UML的基本視圖

-UML的用例視圖

-UML的邏輯視圖

-UML的構件視圖

-UML的并發(fā)視圖

-UML的配置視圖

UML的五類基本視圖

UML的五類基本視圖（續(xù)）

■用例視圖：從系統(tǒng)外部執(zhí)行者的角度理解、展示

系統(tǒng)功能。

■邏輯視圖：從系統(tǒng)的靜態(tài)結構和動態(tài)行為的角度

展示系統(tǒng)內部功能性設計。

-構件示圖：展示代碼構件的組織結構。

■并發(fā)視圖：展示系統(tǒng)的并發(fā)性，刻畫并發(fā)系統(tǒng)中

的通訊和同步問題。

■配置視圖：展示系統(tǒng)的物理的體系結構，其中用

到的計算機和各種設備稱作節(jié)點。

UML的用例視圖

■從系統(tǒng)外部執(zhí)行者的角度理解系統(tǒng)的功能：它描

述執(zhí)行者與系統(tǒng)的交互，其執(zhí)行者可以是一個用

戶，也可以是另一個系統(tǒng)。

■用例圖面向客戶、建模人員、開發(fā)人員和測試人

員，是系統(tǒng)模型圖的核心。

■用例視圖：用例圖和活動圖描述。

■一張用例圖是系統(tǒng)的一種用途的描述；一組用例

圖描述了整個系統(tǒng)所期望的用途。

&UML的邏輯視圖

-描述系統(tǒng)如何提供要求的功能：

■靜態(tài)結構：

類（界面，內部結構）；對象；關系

用類圖和對象圖描述。

■動態(tài)行為：

對象之間相互發(fā)送消息而引發(fā)的動態(tài)合作關系

用狀態(tài)圖、順序圖、合作圖和活動圖描述

■各種特性：永久性，并發(fā)性

■主要是面向設計人員和開發(fā)人員

&UML的構件視圖

■描述實現(xiàn)的各個模塊及其相互之間的關系：

?模塊的內部結構

-模塊間的依賴關系

■關于各構件的一些附加信息：

■資源分配（構件的責任）

-其它管理信息，如開發(fā)工作的進展報告等

-主要面向開發(fā)人員

■構件視圖：由構件圖組成，其中構件表示不

同類型的代碼模塊

/UML的并發(fā)視圖

「愛統(tǒng)中進程和處理器的劃分與任務的分配

■屬于非功能性特性：

-著眼于資源的有效利用

-并行執(zhí)行，并發(fā)地執(zhí)行多線程控制，處理線程之間的通

信和同步

-處理來自外部環(huán)境的同步事件

■面向開發(fā)人員和系統(tǒng)集成人員

-描述并發(fā)視圖的主要模型圖：

-動態(tài)圖：狀態(tài)圖，合作圖，活動圖

-實現(xiàn)圖：構件圖，配置圖

&UML的配置視圖

■展示系統(tǒng)的物理配置，如計算機和其它設備（統(tǒng)

稱結點）及其相互之間的連接關系，包括在物理

的體系結構中如何配置構件的映像關系。

-面向開發(fā)、集成和測試人員。

■配置視圖用配置圖描述。

《面向對象描述的三個層面

概念層BusinessModel

說明層Architecture

實現(xiàn)層Detailing

層次間沒有分解對應關系

^^2：每個面向對象描述元素都可對應到這三個層面

UML的主要特點、目的和應用領域

-UML的主要特點

-使用UML的目的

■UML的應用領域

UML的主要特點

■UML統(tǒng)一了Booch,OMT和OOSE等方法中的基

本概念：用例圖從OOSE來；類圖從OMT和

Booch等方法來；實現(xiàn)圖（構件圖和配置圖）從

Booch的模塊圖和過程圖來。

■UML吸取了00技術領域各流派的長處：狀態(tài)圖

從Harel而來；活動圖從工作流圖而來；合作圖

從Booch的對象圖和Fusion的對象交互作用圖等

而來；等等。

■在演變過程中UML提出了一些新的概念。

使用UML的目的

軟件開發(fā)的過程猶如雕琢一件藝術品，由無形

到有形，由粗到細。但軟件開發(fā)的最終形式必

須生成程序代碼。因此當考慮使用UML時，一

定要想清楚，使用UML的目的以及對編寫代碼

有何幫助。

■學習面向對象技術

■和領域專家交流

■幫助理解全局

學習面向對象技術

■UML的各種模型圖，其中用例圖描述系統(tǒng)的功

能及其外部的使用者，確定誰使用系統(tǒng)以及做

彳十么。

■類圖描述系統(tǒng)的靜態(tài)構架，即構成系統(tǒng)的各種

對象類及其相互關系。對象圖是類圖的實例化,

描述系統(tǒng)在某個時刻可能包含的對象和相互關

系。

-行為圖和交互圖描述系統(tǒng)的動態(tài)行為。

■構件圖和配置圖描述系統(tǒng)實現(xiàn)體的構成及其在

硬件環(huán)境中的配置情況。

和領域專家交流

■有效的方法是使用用例。一個用例描述了系統(tǒng)

的某一側面，所有用例構成了系統(tǒng)的整個外觀。

用例也有助于制訂項目規(guī)劃和對問題進行深入

理解。

■類圖很有用，但應注重在概念層上使用。應將

每個類對應用戶心中一個概念，并用用戶的語

言來命名和定義。

■對于側重于工作流過程的應用系統(tǒng)，活動圖非

常有用。活動圖也有助于對實際業(yè)務流程中的

并行特性進行自然描述。

幫助理解全局

-JI_

■對于大型項目，常常只見樹