角色建模工具ＲＭｏｄｅｌｅｒ的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：提倡在對(duì)象技術(shù)中基于角色識(shí)別對(duì)象及其協(xié)調(diào)關(guān)系，然后展開到類模型、接口模型、實(shí)體模型，同時(shí)對(duì)角色模型的形式化定義和表示方法進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于RML的可視化角色建模工具RModeler。RModeler目前完成了代碼實(shí)現(xiàn)和測(cè)試工作，并在實(shí)際開發(fā)中使用，運(yùn)行良好。RModeler支持業(yè)務(wù)過程中采用RML語言的建模，具備將RML模型轉(zhuǎn)換為UML模型的功能，采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)描述格式XMI來傳遞和共享建模信息。

關(guān)鍵詞：角色； 角色模型； 角色建模語言； 軟件工具； 擴(kuò)展元數(shù)據(jù)交換

中圖分類號(hào)：TP311.0文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001－3695(2008)04－1257－04

Key words：role; role model; role modeling language(RMI); software tool； XMI (eXtensible metadata interchange)

OMG（object management group）提供的UML[1]（unified modeling language）從標(biāo)準(zhǔn)化到產(chǎn)業(yè)化，已被國際軟件業(yè)界廣泛應(yīng)用。UML雖然被廣泛使用，但正如美國學(xué)者F.Martin等人[2]所認(rèn)為：UML在軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上是一個(gè)十分有效的方法和建模語言，而在軟件系統(tǒng)需求分析方面顯得十分軟弱。UML中的類建模是反映對(duì)象共有相似性的抽象機(jī)制，適用于軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)階段，但對(duì)于概念建模的支持能力不足。

本文從軟件工程方法論研究出發(fā)，通過引入其他一些建模視點(diǎn)和手段如角色模型，來克服UML的概念建模缺陷。文中針對(duì)基于角色模型的建模，系統(tǒng)地研究了角色和角色模型，給出了角色模型的形式化定義；對(duì)角色模型的規(guī)格描述語言RML（role modeling language）進(jìn)行了深入研究；在Eclipse平臺(tái)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了支持角色建模的CASE工具，在實(shí)際開發(fā)中運(yùn)行良好，已達(dá)到提高軟件開發(fā)效率和質(zhì)量的目的。

1角色模型

1．1對(duì)象模型化的四個(gè)視點(diǎn)

構(gòu)造對(duì)象模型必須根據(jù)使用者的立場(chǎng)和視點(diǎn)來認(rèn)識(shí)對(duì)象。如圖1所示，可以將這些視點(diǎn)歸納為角色視點(diǎn)、類視點(diǎn)、接口視點(diǎn)、數(shù)據(jù)—實(shí)體視點(diǎn)四個(gè)方面[3]。

a）角色視點(diǎn): 在對(duì)象系統(tǒng)中，對(duì)象間的協(xié)調(diào)行為是模型化首先要考慮的重要因素。在協(xié)調(diào)的對(duì)象模型中，一個(gè)對(duì)象所具有的角色必須與被協(xié)調(diào)對(duì)象的角色相匹配。因此，角色視點(diǎn)在面向?qū)ο竽Ｐ椭忻枋鰧?duì)象存在的理由，角色模型抽象地描述對(duì)象在系統(tǒng)協(xié)調(diào)行為中的作用。角色和類是兩個(gè)不同的概念，角色從概念上描述了類的行為，一個(gè)角色可以由多個(gè)類來實(shí)現(xiàn)，一個(gè)類也可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)角色。

b）接口視點(diǎn): 描述對(duì)象在外觀上的操作和行為的接口。

c）類視點(diǎn): 描述對(duì)象如何抽象和實(shí)現(xiàn)。著重于對(duì)象的屬性和操作等結(jié)構(gòu)規(guī)范的描述。

然而對(duì)于描述一種活動(dòng)時(shí)，用類抽象存在以下問題：

（a)以共性為基礎(chǔ)將對(duì)象“分類”成類是一種有效的分解策略，因?yàn)檫@樣可以大大減少要描述的實(shí)體個(gè)數(shù)，然而對(duì)于一個(gè)活動(dòng)來說，它總是通過對(duì)象的交互來完成的，所以活動(dòng)是分布于參加活動(dòng)的各個(gè)對(duì)象的。

（b)如果在協(xié)作中對(duì)象間交互方式是可變的，而交互方式的變化會(huì)引起對(duì)象狀態(tài)的變化，從而又引起對(duì)象間所提供的服務(wù)的變化，要刻畫這樣一種活動(dòng)時(shí)便需要了解特定對(duì)象在活動(dòng)中的狀態(tài)變化，以及消息發(fā)送和接收的順序。

（c）在容錯(cuò)系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)中需要考慮存在一個(gè)服務(wù)被多個(gè)冗余對(duì)象支持的可能性，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和描述活動(dòng)時(shí)要合理使用類層次的抽象。

（d）數(shù)據(jù)—實(shí)體視點(diǎn): 視對(duì)象為數(shù)據(jù)—實(shí)體，描述實(shí)體及其之間的關(guān)系。

基于角色識(shí)別對(duì)象及其協(xié)調(diào)關(guān)系，并展開到類模型、接口模型、實(shí)體模型，是本文提倡的對(duì)象模型化方法。對(duì)于標(biāo)志、描述和應(yīng)用像軟件模式這類可重用的軟件知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，這樣做是更加必要的。

1．2角色模型

OOram[4]方法中產(chǎn)生了一種新的抽象方法——角色建模（role modeling，RM）。用角色模型（role model)作為基本建模單元來描述一個(gè)通過要求服務(wù)和提供服務(wù)而相互作用的對(duì)象集合。

角色模型是一種全新的對(duì)象抽象機(jī)制；角色建模是一種基于角色抽象的面向?qū)ο蠼７椒ā＝巧橄蟛煌谕ǔＣ嫦驅(qū)ο蠼C(jī)制所支持的類抽象，它用一個(gè)角色刻畫一個(gè)特定的對(duì)象，角色具有可標(biāo)志性和封裝性；角色模型包含了一系列角色的集合。角色模型刻畫對(duì)象交互作用的主題、對(duì)象間的關(guān)系、對(duì)象協(xié)作時(shí)向協(xié)作者傳送的消息以及模型信息的處理過程。

這種抽象機(jī)制有如下幾個(gè)特征：角色維持了對(duì)象的可標(biāo)志性，角色模型刻畫了相互協(xié)作的對(duì)象結(jié)構(gòu)，這樣的模型有利于研究系統(tǒng)的綜合行為；RM支持“分而視之”原則，而其綜合技術(shù)更使之具有強(qiáng)大的重用能力；角色的概念重視一個(gè)對(duì)象在系統(tǒng)內(nèi)存在的理由、責(zé)任和位置，角色模型規(guī)定了對(duì)象的作用及其作用的協(xié)調(diào)關(guān)系，因此RM適用于系統(tǒng)的需求分析和概要設(shè)計(jì)；RM是在角色協(xié)作中對(duì)對(duì)象的語義進(jìn)行描述，它提供了對(duì)對(duì)象的一種新的抽象機(jī)制，可以讓用戶成為信息系統(tǒng)的一個(gè)部分；RM與模式技術(shù)具有很好的一致性；RM中接口描述提供了RM抽象和類抽象的兼容。

UML[5]中對(duì)角色概念的支持表現(xiàn)在兩方面：UML中類間關(guān)系可以定義成每端添加一個(gè)所謂的角色名稱。通用UML機(jī)制可以添加其他規(guī)約，但現(xiàn)在還沒有提供具體的角色建模支持；UML提供Collaboration概念讓開發(fā)者描述對(duì)象為完成一個(gè)具體任務(wù)如何協(xié)作。Collaboration讓開發(fā)者指明結(jié)構(gòu)而不是行為，它的表達(dá)能力與基本OOram的角色模型相當(dāng)，但它缺乏如角色模型綜合等的高級(jí)特性。

1．3角色模型中的幾個(gè)基本概念

根據(jù)文獻(xiàn)[6]中對(duì)角色建模的幾個(gè)概念進(jìn)行形式化定義：

1）角色的定義

角色是對(duì)象在相互協(xié)調(diào)的活動(dòng)中所承擔(dān)責(zé)任和作用的抽象，可表示為 role={R，S，B}。其中：R表示角色名role name；S表示狀態(tài)屬性；B表示行為語義。

在概念建模初始階段，role可以只有role name。

2）角色模型的定義

〈role model name〉={〈role〉[+]，…，〈role〉[+]}

每個(gè)role model在上一級(jí)模型范圍內(nèi)具有惟一的名。除了名之外，role model可以有一個(gè)惟一的縮寫來簡(jiǎn)化對(duì)名的引用。

3）角色模型中包含有限個(gè)數(shù)的角色

〈role name〉={〈role path〉，…，〈role path〉}

role的名在它所在的role model內(nèi)惟一，而在不同role model中的role都是不同的role。無論名是否相同，在引用一個(gè)role時(shí)應(yīng)指明它的名以及它定義所在的role model的名或縮寫。

4）角色的屬性通過一個(gè)role path集合來定義

role path=〈role name〉：｛〈message〉，…，〈function〉，…｝

role path的定義通過引用同一個(gè)role model中的其他role來實(shí)現(xiàn)，所以這里的〈role name〉不需要限定它所在的role mo－del名。Role path的兩端可以是同一個(gè)role，也就是self path，這種自交互（self－interaction）減少了對(duì)象對(duì)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)自我服務(wù)（self－service）的依賴。

5）角色模型用來描述不同的活動(dòng)或一個(gè)活動(dòng)在不同層面下的抽象

它關(guān)注的是對(duì)象之間的協(xié)作而不是單個(gè)對(duì)象，它的role描述了對(duì)象在活動(dòng)中如何與其他對(duì)象交互和對(duì)象與該活動(dòng)相關(guān)的屬性；而類是描述對(duì)象整個(gè)的生命周期，與對(duì)象所在的特定環(huán)境無關(guān)，它關(guān)注的是單個(gè)的對(duì)象以及對(duì)象在生命周期中所能參加的各種活動(dòng)。

在RM中，不用手工定義和每個(gè)role對(duì)應(yīng)的類，在role屬性的基礎(chǔ)上可以自動(dòng)定義出一個(gè)類，它具有與這個(gè)role相同的函數(shù)和消息的參數(shù)等屬性：

〈class name〉=〈Role model name〉．〈role name〉

6）由RM技術(shù)產(chǎn)生的概念模型被稱為角色建模模型（role modeling model）或簡(jiǎn)稱RM模型

RM模型由一系列的類、衍生類和role model組成：

〈model name〉=｛｛〈class〉，…，〈class〉｝，｛〈derived class〉，…，〈derived class〉｝，｛〈role model〉，…，〈role model〉｝｝

2角色模型的表示

RM靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖的基本元素[7]（圖2）：a）角色對(duì)象用圓角矩形表示，角色用畫在圓角矩形上的黑點(diǎn)表示。如果角色只有一個(gè)，且角色名與角色對(duì)象名相同，則角色名可省略。b）角色間的協(xié)調(diào)關(guān)聯(lián)用直線表示，角色間的使用關(guān)系用帶箭頭的直線表示，角色間的繼承關(guān)系用帶黑箭頭的直線表示，角色間協(xié)調(diào)的多重關(guān)系用數(shù)字表示。圖2中所表示的是一個(gè)角色對(duì)象R1與一個(gè)或一個(gè)以上角色對(duì)象R2之間的協(xié)調(diào)關(guān)聯(lián)。c）角色約束的描述一般使用自然語言，隨著角色的細(xì)化，也可使用OMG/OCL [1]進(jìn)行描述。用同樣的方法也可以描述RM中角色之間的約束關(guān)系。除靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖之外，角色模型還包括描述角色對(duì)象之間動(dòng)態(tài)關(guān)系的行為協(xié)調(diào)圖等[6]。



RM受到越來越多的重視，歐美一些研究者如D.Richle和D.Notkin研究一種新的角色建模語言規(guī)格說明RML（role modeling language）：在著眼于對(duì)象的角色之間關(guān)系的基礎(chǔ)上描述業(yè)務(wù)模型的一種語言，用類似于UML的圖來表達(dá)模型，適合于描述業(yè)務(wù)領(lǐng)域的分析模型。

3角色建模工具RM odeler的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3．1RM－odeler支持RM－L子集

RModeler所支持的RML語言是RML vol.0.76[7]的一個(gè)子集。該子集針對(duì)本系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域即設(shè)計(jì)信息管理系統(tǒng)、銷售管理系統(tǒng)和物流管理系統(tǒng)，為簡(jiǎn)單起見僅采用了role、association、aggregation、generalization、interaction、message和note等建模事物，而沒有定義package、 multi role－interface、implied role、role equivalent、association aggregation等概念，模型圖用靜態(tài)圖（也稱角色圖）和協(xié)作來表示。

3．1．1靜態(tài)圖中的記號(hào)設(shè)計(jì)

在這個(gè)RML實(shí)用版本中，靜態(tài)圖中的元素有：role、association、aggregation、generalization 和 note。其記號(hào)的實(shí)現(xiàn)分別如圖3所示。

1）RoleRole的構(gòu)成要素包括名、類型、屬性和抽象行為。Role名不能省略，并在模型范圍內(nèi)有惟一性檢查。

2）Association構(gòu)成要素有兩端的角色名、關(guān)聯(lián)名和角色類型名。其中兩端角色名不能省。

3）Aggregation構(gòu)成要素有兩端的角色名、集約名和角色類型名。其中兩端角色名不能省。

4）Generalization普化關(guān)系連接的兩端分別是sub role和super role。模型語法檢查中禁止繼承關(guān)系出現(xiàn)成環(huán)情況。

5）Note注釋是在Note記號(hào)內(nèi)的正文，用于對(duì)模型加以說明。

3．1．2動(dòng)態(tài)圖中的記號(hào)設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)圖中出現(xiàn)的記號(hào)有actor role、interaction、message和note，其記號(hào)的實(shí)現(xiàn)分別如圖4所示。

1)Actor role記號(hào)同靜態(tài)構(gòu)造的role，用類型名actor(actor， ACTOR)表示。

2)Interaction協(xié)作中相互作用的角色間用直線表示其互動(dòng)關(guān)系，運(yùn)行同一個(gè)角色自身的interaction。

3)Message詳細(xì)表示相互作用的角色間的動(dòng)作關(guān)系。

3．2主要功能設(shè)計(jì)

為方便用戶學(xué)習(xí)和實(shí)用，實(shí)現(xiàn)RML和UML在使用上的一致性，RModeler借鑒了最廣為接受的UML編程工具Rational Rose的設(shè)計(jì)風(fēng)格，為用戶提供了建立RML模型的可視化環(huán)境。圖5是本文設(shè)計(jì)的RModeler工具做的一個(gè)簡(jiǎn)單例子，它直觀地從使用角度來說，將該工具的功能分為菜單、樹和圖三部分。

RModeler的布局如圖5所示，窗口最上部是菜單，下面依次是工具按鈕、打開模型文件路徑顯示條、主處理窗口和狀態(tài)條。模型編輯器是RModeler的主要部分，分為左、右兩部分，左上為模型元素樹，左下為選中元素的屬性面板；右為角色模型編輯區(qū)，其上部狀態(tài)條可動(dòng)態(tài)更新目前模型圖中的角色和關(guān)系數(shù)，下為較為豐富的編輯工具區(qū)（靜態(tài)和動(dòng)態(tài)略有不同），同時(shí)在進(jìn)行模型一致性檢查時(shí)還會(huì)拖拽出模型檢查結(jié)果窗口。

鑒于XML已經(jīng)成為目前數(shù)據(jù)描述的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，本工具的角色模型的UML變換操作是將當(dāng)前的RML模型通過一定規(guī)則轉(zhuǎn)換成UML模型所對(duì)應(yīng)的XMI格式文件。作為RML模型向UML模型轉(zhuǎn)換的結(jié)果，采用在筆者開源軟件Argouml[8]基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的建模軟件Modeler作為UML建模工具，在Modeler中導(dǎo)入此XMI文件。UML變換處理步驟如圖6所示。

本版本RModeler的集成功能提供了對(duì)Static EAI的第二種方式的支持。對(duì)角色的置換只提供了用戶將role的視圖手工拖拽到相應(yīng)位置以實(shí)現(xiàn)視圖合二為一的功能。

動(dòng)態(tài)圖中可選中interaction和message，并對(duì)message進(jìn)行屬性編輯，如不同方向上消息的添加或刪除等。對(duì)interaction沒有屬性編輯，只有名字修改。

3．3軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3．3．1軟件模塊劃分

該項(xiàng)目從邏輯上被設(shè)計(jì)為RML工具、模型控制和模型管理。圖7表示了三個(gè)部分之間的關(guān)系。對(duì)UML的轉(zhuǎn)換和對(duì)UML工具的調(diào)用由模型控制部分實(shí)現(xiàn)；而對(duì)模型信息的存儲(chǔ)管理由模型管理部分完成。

3．3．2軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上的功能和模塊設(shè)計(jì)，RModeler在Eclipse 3.2平臺(tái)上開發(fā)了五十多個(gè)類進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)工作。

模型的一致性檢查對(duì)于正確建模十分重要，RModeler不僅在作圖時(shí)設(shè)定了一些限制條件，如普化關(guān)系不能存在自反等，而且設(shè)計(jì)有專門的模型檢查模塊，同時(shí)提供CheckInfoPanel來顯示模型檢查結(jié)果。圖8只是簡(jiǎn)單表述了一致性檢查的主要過程，可以根據(jù)模型進(jìn)一步建立的要求不斷擴(kuò)充檢查項(xiàng)目和要求。

UML的XMI轉(zhuǎn)換前，模型首先通過一致性檢查；然后對(duì)模型信息進(jìn)行平坦化操作，從平坦化模型中得到項(xiàng)目數(shù)組，根據(jù)項(xiàng)目數(shù)分別創(chuàng)建UML的包及其包中類結(jié)構(gòu)（圖9）。XMI文件創(chuàng)建采用JDOM包，需注意JDOM的早期版本不支持Modeler所采用的“：”符號(hào)，所以需要另外加入文件中符號(hào)變換過程，使Modeler能正確識(shí)別。

每一項(xiàng)目中的變換過程是：首先創(chuàng)建UML包頭結(jié)構(gòu)；其次對(duì)項(xiàng)目中每一角色進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)處理角色所擁有的關(guān)聯(lián)關(guān)系、普化關(guān)系、集約關(guān)系轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換中需要注意：凡第一次出現(xiàn)某關(guān)系與非本項(xiàng)目角色相連，應(yīng)加入此角色于本UML包中。



4結(jié)束語

本文介紹了在Eclipse平臺(tái)下角色模型支持工具RModeler的開發(fā)過程。通過軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及詳細(xì)設(shè)計(jì)研究了RModeler的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

可視化建模工具RModeler具有如下特點(diǎn)：a)支持業(yè)務(wù)過程中采用RML語言的建模。b)設(shè)計(jì)風(fēng)格與UML編輯工具Rational Rose的設(shè)計(jì)風(fēng)格保持了較好的一致性，便于用戶的學(xué)習(xí)和使用。c)具備將RML模型轉(zhuǎn)換為UML模型的功能。d)角色建模工具RModeler與富士通的BO分析設(shè)計(jì)平臺(tái)[9]、RMLEditor[10]等相比，主要優(yōu)點(diǎn)為：（a）采用Java語言編寫實(shí)現(xiàn)，而BO分析設(shè)計(jì)平臺(tái)、RMLEditor都用C++實(shí)現(xiàn)，因此RMode－ler的跨平臺(tái)能力強(qiáng)；（b）BO分析設(shè)計(jì)平臺(tái)、RMLEditor只是實(shí)現(xiàn)了基本的RML編輯功能，RModeler已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)協(xié)作圖建模功能以及角色集成、分解功能；（c）用戶界面友好；（d）UML轉(zhuǎn)換功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)；（e）RModeler采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)描述格式XMI來傳遞和共享建模信息，而BO分析設(shè)計(jì)平臺(tái)、RMLEditor無此功能。

RModeler目前完成了代碼實(shí)現(xiàn)和測(cè)試工作，并在實(shí)際開發(fā)中使用，運(yùn)行良好。根據(jù)日本BO聯(lián)合系統(tǒng)開發(fā)中與RModeler功能類似的“BO分析設(shè)計(jì)平臺(tái)”所承擔(dān)的重要性來看，其應(yīng)用前景是廣闊的，

但角色建模工具RModeler還需進(jìn)一步完善。目前的功能還不完整，需要考慮RML模型分解操作、模型內(nèi)修改等功能；分析到設(shè)計(jì)的規(guī)約轉(zhuǎn)換還較為單一，應(yīng)加上對(duì)角色模式的支持等。

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