淺析UML在軟件設計中的應用

韓鵬飛

摘 要：在面向對象軟件開發中，軟件設計師們需要對實際需求進行抽象，也就是建模，來完成實際需求到軟件體系結構的映射。有一個好的模型或者軟件架構，在軟件開發中，尤為重要。UML（一種建模語言）技術可以清晰的描述模型體系，比如類的職責定義，對外的依賴關系，以及類之間的交互動作等，可以提高建模的準確性。因此，研究UML建模技術在軟件設計中具有指導價值。

關鍵詞：UML;軟件設計;建模;模型圖

UML（Unified Modeling Language）在軟件工程中得到了廣泛的應用。UML有嚴格的語法和語義規范，定義了標準的圖形符號，立足于對事物的實體、性質、關系、結構、狀態和動態變化過程的全程描述，構建了用例圖、類圖等各種各樣的圖，用于描述軟件的體系結構。軟件設計的過程中，UML可以很好的描述系統的結構，可以有效地指導軟件設計工作的進行。

一、UML建模技術概述

UML是一種標準的建模語言，用來描述軟件的設計。作為建模語言，UML擁有規范的定義，統一的符號以及語義，可以準確地表示和定義軟件項目中的概念。UML具備可視化的特點，UML不再是“文字”式的語言，構成元素分為模型元素、圖、視圖和通用機制等幾個部分，圖形相比于文字更具備直觀性，UML元素相互結合，以圖的形式將項目的流程，模塊，設計等以可視化的方式表現出來。語言本質是為了交流，而UML以其簡單、可視、規范、統一的特點，恰如其分的充當著這個交流的工具。一個軟件項目有產品，架構師，程序員，測試者等眾多參與者，UML語言使得參與者之間的交流更加簡單。到目前為止UML語言已經發展到了2.5版本，已經應用與電子、航天、金融等眾多領域。

二、UML建模技術

UML的精髓在于各種圖，圖是模型最直觀的表達，UML有以下各式各樣圖：用例圖、類圖、對象圖、包圖、狀態圖、活動圖、序列圖、通信圖、構件圖、部署圖等。每個圖都從一個方面反應這軟件的設計。用例圖描述系統功能職責及與用戶交互關系;通信圖描述對象間通過消息進行的交互;類圖描述類內部職責及類之間關系;包圖描述包之間關系;構件圖描述系統中的構件、接口及關系;對象圖描述系統對象之間的關系;活動圖描述活動的控制流程;部署圖描述在硬件節點上的軟件部署以及彼此通信。其中用例圖、類圖、和時序圖是最常使用的，這里以圖書館管理系統為例，重點說這三種圖。

首先是用例圖。用例圖用來描述軟件的執行者和軟件的功能，它描述了一個用戶能夠觀察到的系統功能模型圖，在圖書館管理系統中，這里的用戶有管理員和借閱者，管理員對應的軟件功能有圖書借閱、圖書預約、圖書歸還、超期罰款等子功能，借閱者對應的軟件功能有借閱者信息、登錄、檢索、圖書借閱、圖書歸還、超期繳費等子功能，這些用戶與系統子功能之間的關系構成了用例圖。從用例圖中可以很清楚的理解軟件的整個系統需要哪些功能模塊，有哪些用戶，以及各個用戶所對應的功能，用例圖畫出來以后，就相當于界定了模塊之間的大致關系。

其次類圖。類圖描述了系統內部類與類之間的關系，是靜態的。實際開發過程中，就是根據類圖進行代碼編寫的。舉個例子，圖書館管理系統中，借閱者信息這一模塊可以抽象出一個類，那么這個類的職責可以有：修改個人信息，查閱個人信息，查閱借書信息，預約信息等。類不是孤立存在的，類與類之間需要交互。類圖中有6大關系：泛化、實現、組合、聚合、關聯、依賴。泛化表示一般和特殊的關系，實現是類與接口的問題，組合是整體與部分的關系且整體與部分不可單獨存在，聚合是整體與部分的關系且整體和部分可以單獨存在，關聯是擁有的關系，依賴是使用的關系。軟件設計的過程就是將實際場景中的功能抽像到類，并確定好類與類之間關系的過程，借助于UML的類圖，這個過程可以很準確而清晰的實現。

最后是序列圖。序列圖描述的是類與類之間動態交互的關系。序列圖按照時間順序，將這些類之間的交互信息依次排列。消息分為同步信息，異步信息和返回信息。序列圖的元素主要有角色，對象，生命線，焦點，信息等。舉個例子， 借閱者網上預約的簡單時序過程應該如下：1.調用登錄子系統身份驗證;2.經過檢索系統獲取圖書信息;3.在預約系統完成預約;4.推出登錄系統。在這個簡單的訂閱過程中，借閱者依次與登錄、檢索、預約等子系統進行交互，和類圖純粹的靜態關系相比，這些信息是動態的，序列圖可以清晰的描述軟件內部的交互邏輯。

三、軟件設計中的UML建模技術應用流程

軟件工程的過程一般可分為的需求分析、架構設計、代碼實現、測試、后期維護等主要階段，其中UML的作用主要體現在需求分析和軟件設計階段。一旦設計完成，開發人員便可根據UML設計架構實施編碼。

1.需求分析環節。該環節，設計者主要應用UML建模技術中的用例圖。用例是一個系統中所進行的一連串的處置活動，該活動主要是要能夠滿足系統外部的執行者對于系統的某種期望。首先設計者需要了解系統的所有需求，并對需求進行相應的描述，劃分系統的功能子系統。然后設計者要提取系統中有哪些活動，活動的參與者有誰，活動需要哪些系統提供的服務，系統需要提供的服務有哪些等等。最后結合活動和系統的需求提取出用例，在UML中描繪出用戶與系統間的交互作用，子系統的劃分，子系統之間的關系，并表明用戶能夠實現的目標，便繪制出了用例圖。

2.架構設計環節。在架構設計中，設計者主要應用UML的類圖和序列圖。設計者需要對需求分析階段的系統模型進行進一步的擴展與細化，分離出具體的類，設計各個類的內部職責和外部依賴，然后結合系統現有需求及將來擴展的可能性，以及子系統的輸入數據與輸出數據等，對這些類進行進一步的優化、分離或者合并。類設計完成后，還要完成數據庫，通信機制，系統流程調度等設計工作。最后對各個子系統的職責進行總結抽象，抽象出共同職責，分離抽象層和接口的設計，完成架構的高層設計。UML類圖中提供了各種抽象類，接口等機制，以及各種類之間的關系，可以簡單明明確地表達這些關系。UML類圖繪制完成，就代表著系統架構設計的基本完成，在UML類圖的指導下，開發者的編碼工作會變得非常清晰簡單，UML類圖不僅提高了而開發效率，還減少代碼中的漏洞，提高了代碼質量。由于類圖屬于靜態圖，只能描述類之間的靜態關系，無法體現流程的動態執行過程，所以為了更清楚的體現架構的動態流程特性，還需要繪制UML序列圖。UML序列圖屬于動態視圖，主要用于描述系統中各個對象的交互以及通訊。設計者依次列出類之間的方法調用關系，根據時間順序，將系統中用例的活動行為在UML序列圖中繪制出來，便制作出了序列圖根據UML序列圖。根據序列圖，可以清晰地了解對象之間的消息的發送與接收詳情，獲知軟件系統內部動態的交互流程。

總之，UML建模技術可以提高軟件設計的效率和有效性，值得推廣應用。開發人員如果能深入了解UML建模技術的各種視圖及應用特點，在軟件設計中正確使用視圖，充分發揮出UML建模技術的作用，便可設計出高質量的軟件架構，保證軟件的質量。

參考文獻：

[1]駱元.軟件工程中的UML建模技術.2017.

[2]劉海生，探討UML在軟件工程中的應用.2018.