（计算机应用技术专业论文）基于uml面向对象建模技术应用研究.pdf

摘要 摘要 大型信息系统通常十分复杂，人们经常借助模型来分析设计系 统，但传统建模方法己越来越不适应现代信息系统日渐复杂和多变的 需求。九十年代以来，面向对象已成为软件工程领域的主流技术，于 是出现了许多面向对象的建模技术。面向对象建模技术能够有效地控 制复杂性，适应多变性，具有灵活性、低风险性和可重用性，从而能 大大提高系统开发的效率，其中u m l ( 统一建模语言) 面向对象建模 技术是当前使用最广泛的面向对象建模技术，并已成为面向对象建模 事实上的工业标准。 u m l 是在b o o c h ，锎t ，o o s e 的基础上，广泛征求多家意见后形成 的统一建模语言，是一种定义良好，易于表达，功能强大，且适用广 泛的建模语言。它使多种方法逐渐走向统一，消除了不同方法在表示 法和术语上的差异，避免了在符号表示和理解上的不必要的混乱，为 理解系统架起了沟通的桥梁。 采用u m l 进行面向对象建模的过程没有一个统一的标准。u m l 的 设计者提出了一种特别适应于u i l 的生命周期过程：r u p ( r a t i o n a l u n i f i e dp r o c e s s ，r a t i o n a l 统一过程) 。r u p 汲取了面向对象软件工 程领域多年来的优秀研究成果，是一种用例驱动、以构架为中心、迭 代和增量的开发方法。与传统软件过程相比，r u p 能够有效地降低风 险，更好地适应需求变化。 本文主要介绍了u m l 面向对象建模技术、以及在统一过程指导下 的面向对象建模过程。结合英译辅助系统，着重讨论了u m l 的应用及 基于u m l 的面向对象系统的分析与设计，相信本文能对信息系统的面 向对象建模起到一定借鉴作用。 关键词：u m l 、r u p 、面向对象、软件建模、软件工程 l a r g e s c a l ei l l f o n l l a t i o ns y s i e m i s u s u a l l yv e r yc o m p l i c a t e d ，s o p e 叩l eo f t e na i l a l y z e 柚dd e s i g l lt l l es y s t e mt h m u g l lt h em o d d b u t t h e t r a d i t i o a lm o d e l i n gm e t l l o d sc 猢o tf i ti n w i t hm ec o m p l e xa i l d j n c o n s t a n tr e q u i f e m e t so fm o d e mi b f n l a t i o ns y s 把m s i n c et i i e1 9 9 0 s ， o b j e c t - 嘶e n t e dt e c h n o l o g y h 髂b e c o m et h et e d e i l c yo fs o f 帆a r c e n g 加e e r i n g a 】1 d m a n yo b j c c t 一鲥e n t e dm o d e l i l l gl e c h n i q u e sa p p e a l o b j c c t - 耐e n t e dm o d c l i n gt e c h n o l o g yi sn e x i b l e ，t e u s a b l ea 1 1 dc 觚r e d u c c t h er i s ko fd e v e l o p m e tb e c a u s ei tm a k e st h ec o m p l e x i t ya n d c h a l l g e a b i l i t yi i ic o n t r o l ，s oo b j e c t - o r i e n t c dt e c h n o l o g yc 蛆i m p r o v et h e e 蚯c i e n c yo fs o f t v v a r ed e v e l o p m e n t a so b j e d - o r i c n t e dt c c l u l o l o g yb 弱e d o nu m l ( u n i 矗e dm o d e l i n gl a n g i l a g e ) u s e dm o s tw i d e i yn o w ，u m lh a s b e c o m ea c t u a l l yi i l m l s t r ys t 蛆d 缸d 血o b j e c t - o r i e m e dm o d e l i n g u m lc 锄e 幻l ob e i n gt l el l l 】蕾e dm o 如】如g 】a n g u a g ee x 橛l s i v e l y 伽 t h eb a s i so fb o o c h ，o m t 柚d0 0 s e nh a s9 0 0 dd c f i l l i t i o n ，i se a s yt o e x p r e s s ，p o w e r f u l 锄ds c a l a b l e u m lm a l 【e sm a n yl 【i n d so fm e 也0 dh e a d f o ru n i f ! i c a t j o ng r a d u a l l y ，d i s p e l sd i 疵r e n c ei ne x p r e s s i o n 锄dt e 珊i n d i 脏r e tm e m o d s 粕dp r e v e m su n e s s a r ) rc o n f i l s i o no fs y m b o la i i d u d e r s t a n d i n g nb r i d g e st h eg a pi ni n f b m a t i o ns y s t e mu n d e r s t a l i d i n g 1 1 l e r ei sn o tas t a 】以a r d p r o c e s sf o ro b j e c t - o d e m e dm o d e l i n g t 1 l e d e s i 绷e r so fu m lp r e s e n al i y c l ep r o c e s sc a l l e dr u p 皿a t i o n a l u n i f i e dp i o c e s s ) a d a p t e dw e l lt ou m lr u pa d o m sm a n yo u t s t a n d i n g a c l l i e v e m e n t si l lt h ef i e l do fo b j e c t 帕r i e n t e ds o f t w a r ee n g i l l e e 血g ni sa u s e - c a s ed r i v e n ，a r c h i t e c t u l - c e n t d c ，i t e r a t i v ca n di n c r e m e n t a ls o f t w a r e d e v e l o p m e n tp r o c e s s c o m p 缸i n gw i t ho 也c it f a d 试o n a lp i o c e s s e s ，r u p c a l le f 妣t i v e l yd e c r e a s er i s k sa l i da d a p tw e t 0r e q u i r e m e n t sc h a l l g e s d u r i i l gs o 腑a 陀d e v e l o p m e n t n j sp a p e rm a i n l yj l l t f o d u c c so b j e c l 一酬e n t e dm o d c l i n gt e c l l n o 王0 9 y b 鹅e do nu m l 卸do b j e c t o r i e n t e dm o d e l i n gp r o c e s su n d e rr u p b a s e d o nm ed e v e l 叩m e n to f1 a sc r r 柚s l a t i o na s s i s t a l l c cs y s t 啪) ，w ed i s c u s s t h e 印p l i c a t i o o fu m li n o d e l i n ga de x p l a i nt h ea n a l y s i sa i l dd e s i 驴o f 北京交通大学硕士学位论文 t l l eo b j e c t o r i e n t c ds y s t e mb a s c d u m li b e l i e v et h a ti tw i l lb eag o o d f e f e r e n c et 0o b j e c t - o r i e n t e dm o d d i n go fi n f o m a t i o s y s t e m i 【e y w o r d s ：u m lr u p o b j e c t - o r i t e d ，s o 脚a r em o d e l i n 舀s 衄w a r e e n g i i l e e r i n g 独创性声明 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得北京交通大学或其他教学机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 本人签名： 未：i 垒坐 日期：j 盘年三月日 关于论文使用授权的说明 r8 7 9 s 二 本人完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。论 文中所有创新和成果归北京交通大学计算机与信息技 术学院所有。未经许可，任何单位和个人不得拷贝。版 权所有，违者必究。 本人签名： 查：【兰鲴 日期：丛年上月 绪论 1 绪论 1 1 论文的研究背景与意义 随着计算机硬件性能的不断提高和价格的不断下降，计算机的应 用领域逐步扩大，人们对计算机应用领域的期望也不断增加。这使得 计算机软件的规模和复杂程度与日俱增，项目开发的风险也相应增 大。从2 0 世纪6 0 年代“软件危机”出现以来，人们一直在寻求更先 进的软件技术来解决软件领域出现的新问题。 面向对象软件开发方法由此产生。面向对象方法是一种运用对 象、类、继承、封装、消息传送和多态性等概念来构造系统的软件开 发方法。它强调以对象的观点来分析现实世界中的问题。在面向对象 系统中，世界被看成是独立的对象的集合，对象之间通过消息相互通 信。对象将属性和行为封装在一起，对一个对象的访问完全通过其外 部接口来进行，内部的实现细节和数据结构对外不可见。 面向对象方法首先在编程领域兴起，之后很快拓展到软件生存期 的分析和设计阶段，出现了许多面向对象建模技术。其中最著名的有 b o o c h 方法、j a c o b s o n 的o o s e 方法、c o a d 肿u r d o n 方法以及r u m b a u 鐾h 等人的o m t 方法等。这些方法都提出了面向对象领域的新概念、新 思想，同时又各有优缺点。具体而言。b 0 0 c h 方法在项目的设计和构 造阶段的表达能力比较强，o o s e 对以用例作为一种途径来驱动需求 捕获、分析和高层设计提供了极好的支持，而0 m t 适合于分析和描 述数据密集型信息系统。这些面向对象方法的主导思想基本一致，但 表达形式存在较大的差异，给用户的选择带来一定的困惑。为了使面 向对象方法向一致的方向发展，g m d yb 0 0 c h ，j 锄e sr u n l b a u g l t 和i v a r j a c o b s o n 三位面向对象领域的著名专家联合起来，创立了统一建模语 言( u n i f i e dm o d e l i n gl 丑目l a g cu m l ) 。u m l 一经出现便得到工业界和 学术界的广泛支持，迅速成为可视化建模语言事实上的工业标准。 u m l 融合了多种优秀的面向对象建模方法，以及多种得到认可的软件 工程方法，消除了因方法林立且相互独立带来的种种不便。它通过统 一的表示法，使不同知识背景的领域专家、系统分析和开发人员以及 北京交通大学硕士学位论文 用户可以方便地交流，并且支持从需求定义到系统实现的软件开发的 全过程。u m l 代表了面向对象的软件开发技术的发展方向。 如今，国外的许多软件企业已采用面向对象方法和u m l 建模技 术来开发软件，国内也有不少软件公司在尝试使用u m l 。但从总体上 看，国内对u m l 的掌握和使用还比较初步。为了缩短国内外的差距， 就必须对基于u m l 的面向对象建模技术不断地加以探索并在实际的 系统开发中加以应用，而这也正是本课题的目的和意义所在。 1 。2 论文的内容安排 本文致力于研究基于u m l 的面向对象建模技术及其在实际项目 中的应用，详细介绍了面向对象的软件建模技术、u m l 建模语言以及 特别适应于u m l 的软件过程r u p 。此外，笔者还参加了英译辅助系 统的开发，得到了宝贵的理论与实践结合的机会，促使了笔者对基于 u m l 的面向对象建模技术有了更深步的理解。 本文共分六章，各章节内容安排如下： 绪论：介绍了论文的研究背景与意义，及论文的内容安排。 第一章：软件工程概述。介绍了软件工程的由来、软件工程的研 究对象、基本原理及软件开发方法等相关内容。 第二章：面向对象建模技术。介绍了软件建模及几种经典的面向 对象软件建模技术。 第三章：统一建模语言u m l 。全面介绍了u m l 及其建模机制， 另外还简要介绍了建模工具r a t i o n a lr 0 s e 。 第四章：基于u m l 的统一过程。介绍了特别适应u m l 建模的软 件过程r u p 。 第五章：u l m ，建模技术在英译辅助系统中的应用。结合具体项目 英译辅助系统，详细介绍了基于u m l 的面向对象系统分析与设计及 其建模过程。 第六章：总结与展望。对本文工作做了总结，并提出了进一步的 工作内容。 2 软件工程概述 2 软件工程概述 2 1 软件工程的产生 软件工程是在克服6 0 年代末出现的“软件危机”的过程中逐渐 形成与发展起来的。自1 9 6 8 年在北大谣洋公约组织( n a ) 举行软 件可靠性的学术会议上正式提出软件工程概念以来，在不到4 0 年的 时间里，软件工程在理论和实践两方面都取得了长足的进步。 2 1 1 “软件危机” “软件危机”的出现是由于软件的规模越来越大，复杂度不断增 加，而软件需求量也不断增大，作坊式的软件开发模式及技术已不能 满足软件发展的需要。在1 9 世纪6 0 年代，很多的软件最后都得到了 一个悲惨的结局。很多的软件项目开发时间大大超出了规划的时间。 一些项目导致了财产的流失，甚至某些软件导致了人员伤亡。同时软 件开发人员也发现软件开发的难度越来越大。 l b m 3 6 0 就被认为是一个典型的案例f 1 】om m 3 6 0 的开发总投资5 亿美元，达到美国研究原子弹的曼哈顿计划投资2 0 亿美元的1 4 。在 研制期间，布鲁克斯( f r c d c r i c kp h m i p sb m o k s ，j r ) 主持了这个项目， 率领着2 0 0 0 名程序员夜以继日地工作，单单0 s ，3 6 0 操作系统的开发 就用了5 0 0 0 个人年。在当时，i b w 3 6 0 以其通用化、系列化和标准化 的特点，对全世界计算机产业的发展产生了深远的影响，以致被认为 是划时代的杰作，至今仍然被使用在i b m 3 6 0 系列主机中。但据统计， 这个操作系统每次发行的新版本都是从前一版本中找出上千个程序 错误而修正的结果。如今经历了数十年，这个极度复杂的软件项目甚 至产生了一套不包括在原始设计方案之中的工作系统。后来，布鲁克 斯在他的著作人月神话( 1 1 1 em y t h j c a lm 锄m o n t h ) 中对这个项目 的开发研制过程进行分析及总结，承认由于管理方面的原因，项目在 某些方面来说是失败的，甚至犯了一个价值数百万美元的错误。 软件的错误不但能导致巨大的财产损失，而且由于计算机软件被 广泛应用于人类社会的方方面面，这也使得软件的错误导致人员伤亡 北京交通大学硕士学位论文 成为了可能。2 0 0 2 年1 2 月欧洲阿里亚娜火箭的爆炸就是一个最为惨 痛的教训。在工业上，某些嵌入式系统导致机器的不正常运转，从而 常常使工作人员陷入险境。 2 0 世纪6 0 年代末至7 0 年代初，“软件危机”一词在计算机界广 为流传。事实上，“软件危机”几乎从计算机诞生的那一天起就出现 了，只不过到了1 9 6 8 年，北大西洋公约组织的计算机科学家在联邦 德国召开的国际学术会议上第一次提出了“软件危机( s o 脚a r e c r i s i s ) ”这个名词。 “软件危机”是指在计算机软件的开发和维护过程中所遇到的 一系列严重问题。这类问题绝不仅仅是“不能正常运行的软件”才具 有的，实际上几乎所有软件都不同程度地存在这类问题。概括来说， “软件危机”包含两方面问题：其一是如何开发软件，以满足不断增 长、日趋复杂的需求；其二是如何维护数量不断膨胀的软件产品。 具体地说，“软件危机”主要有下列表现【5 】： 1 对软件开发成本和进度的估计常常不准确，开发成本超出预 算，实际进度比预定计划一再拖延的现象并不罕见。 2 用户对“已完成”系统不满意的现象经常发生。 3 软件产品的质量往往靠不住。“缺陷”一大堆，“补丁”一个 接一个。 4 软件的可维护程度非常之低。 5 软件通常没有适当的文档资料。 6 软件的成本不断提高。 7 软件开发生产率的提高赶不上硬件的发展和人们需求的增长。 2 1 2 软件工程的定义 在软件的长期发展中，人们针对“软件危机”的表现和原因，经 过不断的实践和总结，越来越清楚地认识到：按照工程化的原则和方 法组织软件开发工作，是摆脱“软件危机”的一个主要出路。 1 9 6 8 年秋，n f t o 的科技委员会召集了近5 0 名一流的编程人员、 计算机科学家和工业界巨头，讨论和制定摆脱“软件危机”的对策。 在会议上第一次提出了“软件工程”这个概念。当时提出这个概念的 蹦t zb a u e r 的主要思路是想将系统工程的原理应用到软件的开发和维 4 软件工程概述 护中去。 软件工程是一门研究如何用系统化、规范化、数量化等工程原则 和方法去进行软件的开发和维护的学科。可以定义为：软件工程是一 类设计软件的工程。软件工程应用计算机科学、数学及管理科学等原 理，借鉴传统工程的原则、方法，创建软件以达到提高质量、降低成 本的目的。其中：计算机科学、数学用于构建模型与算法；工程科学 用于制定规范、设计规范、评估成本及确定权衡；管理科学用于计划、 资源、质量、成本等管理。软件工程学是一门指导计算机软件开发和 维护的科学瞄j 。 软件工程包括两方面内容：软件开发技术和软件项目管理【3 】。其 中，软件开发技术包括软件开发方法学、软件工具和软件工程环境， 软件项目管理包括软件度量、项目估算、进度控制、人员组织、配置 管理、项目计划等。 2 2 软件工程的研究对象 软件工程是相当复杂的，涉及的因素很多，不同软件项目使用的 开发方法和技术也是不同的，而且有些项目的开发并无现成的技术， 带有不同程度的试探性。一般来说，软件工程包含4 个关键元素：方 法、语言、工具和过程1 3 j 。 软件方法提供如何构造软件的技术，包括以下内容：与项目有关 的计算和各种估算、系统和软件需求分析、数据结构设计、程序体系 结构、算法过程、编码、测试和维护等。软件工程的方法通常引入各 种专用的图形符号，以及一套软件质量的准则。概括地说，软件工程 方法规定了以下内容：明确的工作步骤与技术；具体的文档格式；明 确的评价标准。 软件语言用于支持软件的分析、设计和实现。随着编译程序和软 件技术的完善，传统的编程语言表述能力更强、更加灵活，而且支持 过程实现更加抽象的描述。与此同时，规格说明语言和设计语言也开 始有更大的可执行子集。而且现在还发展了原型开发语言，所谓原型 开发语言就是除必须具有可执行的能力外，还必须具有规格说明和设 计这两种语言的能力。 5 北京交通大学硕士学位论文 软件工具是人类在开发软件的活动中智力和体力的扩展和延伸， 为方法和语言提供自动或半自动化的支持。软件工具最初是零散的， 后来根据不同类型软件项目的要求建立了各种软件工具箱，支持软件 开发的全过程。更进一步，人们将用于开发软件的软、硬件工具和软 件工程数据库集成在一起，建立集成化的计算机辅助软件工程 ( c o m 口u t e r i a j d e ds o f h a e n g i n e e r i n g ) 系统，简称c a s e 。 软件过程贯穿于软件开发的各个环节。软件过程定义了方法使用 的顺序、可交付产品( 文档、报告以及格式) 的要求、为保证质量和 协调变化所需要的管理，以及软件开发过程各个阶段完成的标志。 从内容上说，软件工程包括软件开发理论和结构、软件开发技术 阻及软件工程管理和规范。其中，软件开发理论和结构包括：程序正 确性证明理论、软件可靠性理论、软件成本估算模型、软件开发模型 以及模块划分原理。软件开发技术包括：软件开发方法学、软件工具 以及软件环境。软件工程管理和规范包括：软件管理( 人员、计划、 标准、配置) 以及软件经济( 成本估算、质量评价) 。即软件工程可 分为理论、结构、方法、工具、环境、管理和规范等。理论和结构是 软件开发的基础，方法、工具、环境构成软件开发技术。好的工具促 进方法的研制，好的方法能改进工具，工具的集合构成软件开发环境。 管理是技术实现与开发质量的保证，规范是开发遵循的技术标准。 在软件工程中，软件的可靠性是软件在所给条件下和规定的时间 内，能完成所要求的功能的性质。软件工程的软件可靠性理论及其评 价方法，是贯穿整个软件工程各个阶段所必须考虑的问题。 软件工程的目标在于研究一套科学的工程化方法，并与之相适 应，发展一套方便的工具与环境，供软件开发者使用。 2 3 软件工程的基本原理 自从1 9 6 8 年提出软件工程概念以来，研究软件工程的专家学者 们陆续提出了许多关于软件工程的准则或信条。美国著名的软件工程 专家b o e h m 综合这些专家的意见，并总结了【w 公司多年开发软件 的经验，于1 9 8 3 年提出了软件工程的7 条基本原理【5 l 。b o e h m 认为， 这7 条原理是确保软件产品质量和开发效率的原理的最小集合。这7 6 软件工程概述 条原理是相互独立、缺一不可的最小集合，同时又是相当完备的。下 面简要介绍软件工程的7 条基本原理： 1 用分阶段的生命周期计划严格管理 这一条是吸取前人的教训而提出来的。统计表明，5 0 以上的失 败项目是由于计划不周而造成的。在软件开发与维护的漫长生命周期 中，需要完成许多性质各异的工作。这条原理意味着，应该把软件生 命周期分成若干阶段，并相应制定出切实可行的计划，然后严格按照 计划对软件的开发和维护进行管理。b o e l l m 认为，在整个软件生命周 期中应指定并严格执行六类计划：项目概要计划、里程碑计划、项目 控制计划、产品控制计划、验证计划和运行维护计划。 2 坚持进行阶段评审 统计结果显示大部分错误是设计错误，大约占6 3 ；错误发现得 越晚，改正错误付出的代价就越大，相差大约2 到3 个数量级。因此， 软件的质量保证工作不能等到编码结束之后再进行，应坚持进行严格 的阶段评审，以便尽早发现错误。 3 实行严格的产品控制 开发人员最痛恨的事情之一就是改动需求。但是需求的改动往往 是不可避免的。这就要求开发人员要采用科学的产品控制技术来顺应 这种要求，也就是要采用变动控制，又叫基准配置管理。当需求变动 时，其他各个阶段的文档或代码随之相应变动，以保证软件的一致性。 4 。采纳现代程序设计技术 从2 0 世纪6 0 、7 0 年代的结构化软件开发技术，到最近的面向对 象技术，从第一、第二代语言，到第四代语言，人们已经充分认识到： 方法比气力更有效。采用先进的技术既可以提高软件开发的效率，又 可以减少软件维护的成本。 5 结果应能清楚地审查 软件是一种看不见、摸不着的逻辑产品。软件开发小组的工作进 展情况可见性差，难于评价和管理。为更好地进行管理，应根据软件 开发的总目标及完成期限，尽量明确地规定开发小组的责任和产品标 准，从而使所得到的标准能清楚地审查。 北京交通大学硕士学位论文 6 开发小组的人员应少而精 开发人员的素质和数量是影响软件质量和开发效率的重要因素， 应该少而精。这一条基于两点原因：高素质开发人员的效率比低素质 开发人员的效率要高几倍到几十倍，开发工作中犯的错误也要少得 多；当开发小组为n 人时，可能的通信信道为n ( n 1 ) 2 ，可见随 着人数n 的增大，通信开销将急剧增大。 7 承认不断改进软件工程实践的必要性 遵从上述6 条基本原理，就能够较好地实现软件的工程化生产。 但是，上述6 条原理只是对现有的经验的总结和归纳，并不能保证赶 上技术不断前进发展的步伐。因此，b o e h m 提出应把承认不断改进软 件工程实践的必要性作为软件工程的第7 条原理。根据这条原理，不 仅要积极采纳新的软件开发技术，还要注意不断总结经验，收集进度 和消耗等数据，进行出错类型和问题报告统计。这些数据既可以用来 评估新的软件技术的效果，也可以用来指明必须着重注意的问题和应 该优先进行研究的工具和技术。 2 4 软件开发方法 为了克服“软件危机”，从6 0 年代末开始，人们一直在进行着软 件开发方法的研究与实践，并取得了一系列研究成果，对软件产业的 发展起了不可估量的作用。 软件工程的内容包括技术和管理两方面，两方面又紧密结合。通 常把在软件生命期中所使用的一整套技术的集合称为方法学 ( m e t h o d o l o g y ) 或范型口a r a d i g m ) 。 软件开发方法是一种使用早已定义好的技术集及符号表示习惯 来组织软件生产过程的方法，其方法一般表述成一系列的步骤，每一 步骤都与相应的技术和符号相关。其目标是要在规定的投资和时间 内，开发出符合用户的需求，高质量的软件，为此需要有成功的开发 方法。 软件工程方法学包括三要素：方法、工具和过程。方法是指完成 软件开发各项任务的技术方法，工具是指为方法的运用提供自动或者 半自动的支撑环境，过程是指为开发高质量软件所规定的各项任务的 8 软件工程概述 工作步骤。 软件开发方法可分为两大类：面向过程的开发方法和面向对象的 开发方法： 1 传统的面向过程的开发方法 这类开发方法都典型地包含了分析、设计、实现、确认( 测试) 、 演化( 维护) 等活动。典型的传统软件开发方法有：j a c k s o n 方法、 结构化开发方法、原型化方法、h 坤o 法、i d e f 法等。 2 面向对象的开发方法 从9 0 年代开始的面向对的开发方法逐渐已成为软件开发方法的 主流，这类方法是以对象作为基本的元素构建新系统的方法。具有代 表性的有：b 0 0 c h 方法、o m t 方法、o o s e 方法和c o a d 肺u r d 咖方 法以及u m l 统一建模语言。 9 面向对象建模技术 3 面向对象建模技术 3 1 面向对象的软件开发方法 长期以来，计算机软件一直被两大难题所困扰：一是如何超越程 序复杂性障碍，二是如何在计算机系统中自然地表示客观世界。特 * 是在计算机硬件飞速发展的今天，各种领域都对软件提出了更高的 要求。显然，结构化程序设计方法越来越难以克服随着软件规模的增 大而迅速增长的软件自身复杂性障碍，越来越无法满足用户经常的需 求变化。这就需要一个能够大力提高软件质量，缩短软件开发周期， 加强软件可靠性、可扩充性、可重用性和可维护性的新方法新技术的 诞生。在上述背景下，8 0 年代末，面向对象的软件分析、设计和实 现技术便应运而生。首先是诸如s m a l l t a l k ，c + ，j a v a 等面向对象的程 序设计语言得到广泛应用，它们的封装、继承、多态等特性在软件构 造、理解和复用等方面比传统程序设计语言更有优势。紧接着，面向 对象的思想应逐渐应用于软件设计阶段和分析阶段。随着面向对象技 术成为研究的热点出现了几卜种面向对象的软件开发方法。其中 b 0 0 c i l ，o m t ，0 0 s e 和c o a d 胁l r d 0 的方法在面向对象软件开发界得 到了广泛的认可。特别值得一提的是统一建模语言u m l ，该方法结合 了b o o c h ，o m t 和0 0 s e 方法的优点，统一了符号体系，并吸收了许 多经过实践检验的概念和技术。 面向对象的软件开发方法是一种运用对象、类、继承、封装、聚 合、消息传送、多态性等概念来构造系统的软件开发方法。其基本思 想是：对问题领域进行自然的分割，以更接近人类通常思维的方式建 立问题领域的模型，以便对客观的信息实体进行结构和行为的模拟， 从而使设计的软件更直接地表现问题的求解过程。 面向对象的软件开发是由面向对象分析( 0 0 a ) 、面向对象设计 ( 0 0 d ) 、面向对象编程( 0 0 p ) 、面向对象测试( 0 0 t ) 和面向对象 软件维护( 0 0 s m ) 等部分组成【4 j 。 1 o o a ( o b j e c - o r t e m e d a n m y s i s ) o o a 就是要解决“做什么”的问题。它的基本任务就是要建立 o o a 就是要解决“做什么”的问题。它的基本任务就是要建立 1 l 北京交通大学硕士学位论文 以下三种模型： 对象模型( 信息模型) ：定义构成系统的类和对象，它们的属性 与操作。 状态模型( 动态模型) ：描述任何时刻对象的联系及其联系的改 变，即时序。常用状态图，事件追踪图描述。 处理模型( 函数模型) ：描述系统内部数据的传送处理。 2 o o d ( o b j e c t - o 一蚰t e dd e s i 舶) 在需求分析的基础上，进一步解决“如何作”的问题，o o d 法 也分为概要设计和详细设计： 概要设计：细化对象行为，添加新对象，认定类，组类库，确定 外部接口及主要数据结构。 详细设计：加细对象描述。 3 0 0 p ( o b j e c t - o 一蚰t e dp r o g m m ) 使用面向对象的程序设计语言，如c + + 进行程序设计，因为该类 语言支持对象封装性、运行多态性和继承性，因此比较容易实现。 用面向对象方法开发的软件，其结构基于客观世界界定的对象结 构，因此与传统的软件相比较，软件本身的内容结构发生了质的变化， 因而易复用性和易扩充性都得到了提高，而且能支持需求的变化。 4 o o t ( o b j e c t - o r 萱e n t e d i b s t ) 面向对象的测试是指，对于用o o 技术开发的软件，在测试过程 中继续运用o o 技术，进行以对象概念为中心的软件测试。 5 。o o s m ( o b j 髓t o r i e n t e ds o 矗w a 珊m 出n t 蛐a n 雠) 面向对象的软件工程方法为改进软件维护提供了有效的途径。程 序与问题域是一致的，各个阶段的表示是一致的，从而大大减少了理 解的难度。 3 2 软件建模 模型在数学上有着严格的定义和理论基础，生活中的模型由来己 久而且应用十分广泛。人们无论是对一个实物的建造还是对一个复杂 问题的求解，在真正实施前首先为其构造若干模型，例如建筑物的模 面向对象建模技术 型、汽车模型和建设蓝图等。模型是为了理解事物而对事物做出的一 种抽象，由于它忽略了事物不必要的细节，因而对事物的处理更加容 易。抽象建模已成为处理复杂事物的一种基本手段。在计算机应用领 域，为了构建复杂的软件系统，开发者必须从不同的角度考察该系统， 使用某种图形表示来构造抽象系统模型，并反复验证模型能否满足系 统需求，最后逐步完成整个系统的建模，这就是软件建模嘲。 3 2 1 软件建模的目的 对软件系统进行建模，其目的在于以下几点： 1 理解应用领域中的知识，捕获用户的需求 对系统进行分析的过程就是开发者不断学习用户领域知识的过 程。当开发者能建立出一个用户满意的模型时，说明他已经理解了用 户领域中的知识。正如j 锄e sr l l m b a u 曲所说：“建模就是要抓住系统 最本质的部分”。 2 与用户沟通 用户往往不是计算机专家，而开发者往往也不熟悉用户的领域， 二者的沟通就有一定的难度。通过建立一个双方都能理解的模型有利 于这种沟通，可以使项目投资者、分析人员、设计人员、程序员等达 成一致，从而为建立正确的软件系统打下良好的基础。 3 进行系统设计 在编写代码以前，软件系统的模型可以帮助软件开发人员方便地 研究软件的多种构架和设计方案，从中找出最适合的解决方案，简化 实现，模型能够说明在最终设计中所要解决的许多问题。 4 使实现细节和需求分开 软件系统的模型可以从多个角度来描述系统：有一些侧重于系统 的外部行为和系统中与现实世界对应的有关信息，有一些则侧重于描 述系统中的类以及类的内部操作。通过模型，可以将实现细节和需求 分开。 5 。设计出有用的实际产品 通过建模，可以得到这样一些实际产品：类的声明，数据库结构， 北京交通大学硕士学位论文 配置草案，或者还有初始的用户界面等，这些产品可以直接应用在后 边的阶段中。 6 通过模型可以建立系统的文档 软件系统用视图来组织信息，有静态结构视图、状态视图、交互 视图、反映需求的用例视图等。通过这些视图可以组织、查找、检查 以及编辑大型系统有关的信息。 7 利于我们理解复杂系统 对大型复杂系统直接理解往往有困难，通过建立模型，对系统进 行抽象，抓住系统的主要方面，这样有利于理解系统。 3 2 2 软件建模的主要手段一抽象 所谓抽象是指为了达到某种目的，将与问题有关的某些方面的特 征抽取出来，并略去与问题无关紧要的其他性质的一种方法。抽象总 是针对某种目的而展开的，它可以明确地展示和描述那些对某种目的 有重要影响的特征，从而避免不重要因素的干扰。同一事物存在多种 不同的抽象，抽象的选择随着目的的不同，所需抽取的事物的性质也 就不同。 与实物相比，任何抽象过程均是不完全的、不精确的，但这并不 能影响的它的作用。抽象的目的本身就是将事物限制在我们所能主导 的范畴内，从而有效地把握事物的本质。因此，在构造模型时不必去 追求绝对的真实、完全和精确，但必须充分满足某种具体目的的需求。 一个好的模型应该既能刻画问题的本质，又能略去其他相对次要 的方面。从这个角度来看，绝大多数的计算机语言都不利于构造算法 模型，因为他们强调的总是与算法无关的种种具体实现细节，从而无 法集中精力进行系统设计。 3 2 3 面向对象的软件建模 面向对象的软件建模是从软件系统的不同角度出发分别建模，建 立的每种模型都从不同的方面反映了软件系统的不同需求，若将这些 模型组合起来便构成了对系统的完整性描述。典型的面向对象建模综 合了对象建模、动态建模和功能建模等三种建模技术，并始终贯穿软 1 4 面向对象建模技术 件开发的分析、设计、编码和实现全过程。当然以上三种模型均可独 立进行测试和理解，具有很大程度上的模型独立性，但由于每个系统 都是由若干个相对独立部分组合而成的，所有这三个模型又不是绝对 独立的，模型之间存在必然的联系1 6 j 。 对象模型主要是用含有若干个对象的对象图来表示的，它描述的 是系统中对象的静态结构，每个对象包括对象名、对象属性、对象 操作三方面，并通过关联技术建立起对象与对象之间的关系。由于每 个系统包括若干物理实体，每个对象包括诸多属性和操作，因此在创 建对象时，先必须从客观世界中选取对具体应用有用的概念作为对 象，然后再定义对象中的属性和具体操作。对于具体的应用问题，如 何从客观世界中选取对象是一个十分有意义的研究课题。 动态模型是由对象之间的状态转换图来表示的。一张对象状态图 表示了相关联的所有对象的状态和相应事件的响应次序。动态模型描 述与时间和操作次序有关的系统属性，包括触发事件、事件序列、 事件状态等。 功能模型描述的是系统中与计算有关的系统功能、映射、约束和 功能依赖条件等，它只考虑系统中要实现什么功能。丽不关心系统怎 么实现及实现的先后次序。功能模型是由若干张数据流图组成的，每 张数据流图都说明一个数据流如何从外部输入经过功能处理得到外 部输出的。 三个模型描述的是系统的不同方面，但各个模型之间又是相互关 联的。对象模型描述了动态模型和功能模型中操作的数据结构。对象 模型中的操作对应于动态模型中的事件及功能模型中的功能。动态模 型描述对象的控制结构，它表示了各个对象的状态及改变状态时执行 的操作，描述了功能模型中执行处理的步骤地先后次序。功能模型描 述了由对象模型中对象处理和动态模型中操作处理的功能，同时也可 表示对象值上的约束。总之，上述三种模型相辅相成，共同构成一个 完整的系统模型，但一般来说对象模型是最基本的模型。 3 3 经典的面向对象建模技术 前面已经提到，2 0 世纪8 0 年代末以来，出现了许多面向对象建 北京交通大学硕士学位论文 模技术，其中b 0 0 c h 、o m t 和o o s e 以及较早的c o a d ，y 0 u r d o n 方法 得到了广泛的认可。特别是后来出现的统一建模语言u m l 该方法结 合了b o o c h ，o m t 和o o s e 方法的优点，统一了符号体系，业已成为 面向对象建模技术事实上的标准。因为b o o c h 、o m t 和o o s e 方法是 u m l 的直接来源，它们各有特点，适合于不同的领域，所以尽管u m l 统一了面向对象方法的符号体系，但这些方法仍然具有重要的作用， 它们可以作为建模过程的指导。在实际开发过程中，我们可以根据需 要选用或综合这几种方法来进行建模。下面，介绍这几种经典方法的 主要思想【5 1 0 3 3 1b c h 方法 b o o c h 方法是g r a d yb 0 0 c h 从1 9 8 3 年开始研究，1 9 9 1 年后走向成 熟的一种方法。b 0 0 c h 方法区分系统的逻辑和物理结构并描述这两种 结构的静态和动态语义。b o o c h 方法不是像瀑布模型一样的顺序模型， 它是一个简化的模型，是一种迭代和增量的方法，这种思想也是u m l 建模技术的基本特点之一。 b o o c h 方法被区分为微观和宏观的过程： 1 微观开发过程代表开发者或开发小组的日常活动，包含以下 任务： 1 ) 在一定抽象层次上标识类与对象，发现问题域中的类和对象 确定对象需要哪些行为来完成某些功能。 2 ) 标识类与对象的语义，目标是建立前一阶段抽取出来的类的 状态和行为。 3 ) 标识类与对象的关系，确定每一个类对象的边界，区分相互 协作的类对象，主要用类图来表达。 4 ) 实现类与对象，选择算法和数据结构实现类对象的语义。 2 宏观开发过程是微观开发过程的控制框架，这个更广的过程 确定一些相应的成果和活动，以帮助开发小组进行有效的风险评估以 及早对开发过程进行修改。宏观过程侧重风险和结构方面，对日程、 结构和完整性最为重要，它包含以下阶段： 1 ) 概念化，建立需求。概念化试图建立系统的核心需求，这是 一个非常具有创造性的过程，所以没有严格的开发规则可循。原型是 1 6 面向对象建模技术 这项活动的基本产品。 2 ) 分析，开发所需行为的模型。分析的目的是通过区分类和对 象为现实世界建模。这个阶段强调系统的行为，通过关注系统的行为， 可以区分出系统的功能点。 3 ) 设计，开发系统的体系结构，产生一个用于将来实现的体系 结构。 4 ) 演化，精化设计阶段的实现。演化的目的是不断增加和改变 实现，直到系统作为一个产品问世。 5 ) 维护，进行交付使用后的改进。这个过程主要是演化阶段的 继续。但现在很多对系统的改变主要是因为新的需求被加进来以及修 正系统中的b u g 。 b o o c h 方法是u m l 的主要来源，其面向对象的概念十分丰富。 主要概念有：类、对象、继承、元类、消息、域、操作、机制、模块、 子系统、进程等。它的模型主要包括：逻辑静态视图( 类图、对象图) 、 逻辑动态视图( 状态转移图、时态图) 、物理静态视图( 模块图、进程图) 以及物理动态视图。 b o o c h 方法的优点是它在项目的设计和构造阶段的表达能力特别 强，其迭代和增量的思想也是大型软件开发中的重要思想。 3 3 20 _ t 方法 o m t ( o b i e c tm o d e l i n g r c c h d i q u e ) 方法是由l o o m i s ，s h a n 和 r 啪b 卸g h 在1 9 8 7 年提出的，曾扩展应用于关系数据库的设计。 r u m b a u g h 在1 9 9 1 年正式把o m t 应用于面向对象的分析和设计，这 个方法是在实体一关系模型上扩展了类、继承和行为而得到的。0 m t 方法从三个视角描述系统，相应地提供了三种模型： 1 对象模型：描述对象的静态结构和它们之间的关系。其主要 概念包括：类、属性、操作、继承、关联、聚合。 2 动态模型：描述系统那些随时间变化的方面。其主要概念包 括：状态、子状态和超状态、事件、行为、活动。 3 。功能模型：描述系统内部数据值的转换。其主要概念包括： 加工、数据存储、数据流、角色。 此外，该方法还