想學設計模式、想搞架構設計，先學學UML系統建模吧您

博學谷狂野架構師發表於2022-06-13
設計模式架構

UML系統建模

1 概述

1.1 課程概述

  • 彙集UML及其相關的一些話題
  • 回顧UML相關的符號與概念
  • 以電商訂單相關業務為例，藉助UML完成系統建模
  • 將UML變成提升建模效率，表達架構思想的工具

1.2 什麼是UML

​ Unified Modeling Language 統一建模語言，又稱標準建模語言。是用來對軟體密集系統進行視覺化建模的一種語言。語言，也就是一個表達思想的符號約定。

1.3 UML的發展與版本

  • 建模語言出現在二十世紀70年代，80年代末開始迅速發展，建模語言達到了50多種，百家爭鳴
  • 後來，Rumbaugh 於1994年加入Booch所在的Rational公司，他們一起研究一種統一的方法
  • 一年後，Unified Method 0.8誕生
  • 經過他們三年的共同努力，UML0.9和UML0.91於1996年相繼面世。
  • 此後UML創始人Booch等人，邀請計算機界的知名人士與企業IBM，HP，Microsoft，Oracle等對UML進行評論，聽取意見。
  • 1997年1月，Rational公司向OMG（物件管理組織）提交了UML1.0
  • 1997年11月，OMG宣佈接受UML，認定為標準的建模語言
  • 1998年釋出了UML 1.2
  • 1999年釋出了UML 1.3
  • 2003年3月釋出了UML 1.5
  • 2004年推出UML2.0

1.4 UML可以做什麼

​ 從命名上分析：統一、建模、語言

​ 統一：沒有規矩不成方圓，它指定了一種標準，一種約束，使得大家的表達變得一致。它被OMG（Object Management Group）所認可。

	OMG是一個國際化的、開放成員的、非盈利性的計算機行業標準協會，該協會成立於1989年，他是軟體行業中一個標準的認可。包括客戶、領域專家、分析師、設計師、程式設計師、測試工程師及培訓人員等。UML成為他們工作中統一的溝通工具，用於充分理解和表達自己所關注的內容。

​

​ 建模：複雜業務系統建模，即建立軟體系統模型。UML的創始人之一Booch，曾用建一座摩天大樓來比喻UML的必要性。簡單系統下，可有可無，系統複雜或大到一定程度，建模和文件成為系統週期裡非常重要的一環。

​ 語言：物件導向思想的表達。互相之間的溝通工具。一種按照特定規則和模式組成的符號系統。

1.5 學習UML的意義

  • 團隊或架構設計互相交流，必然需要一種溝通語言
  • 是一門技能，不一定用到，但是作為架構師應該知道
  • 有其他的表達辦法，但是用習慣後，UML真的很方便易用

1.6 關於UML的爭議

​ 觀點一：UML是雞肋，離程式設計師真正需要的設計工具還差得很遠。只有為數不多的程式設計師使用這個工具交流想法，而沒有用在具體工作中。

​ 觀點二：UML設計相當的嚴謹與全面，在物件導向的系統架構上，可以便捷的表達你想要表達的一切想法，優美切無可替代。

​ 個人觀點：一項技能和工具，學會並不難，需要的時候能拿來用就好，藝不壓身。

1.7 切忌形式化

  • 不要把UML過度神化

  • 一個表達想法的工具而已

  • 當用則用，不要刻意去套

2 理論篇

2.1 關係

關係是現實世界中事物與事物之間相互關係的符號表達，抽象到物件導向理念上，大致分為6種。

2.1.1 泛化（Generalization）

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定義：

  • Java裡的extends，可用於介面與介面之間，或父子類之間
  • 單向，箭頭指向父類，如Tiger指向Animal

程式碼：

//類
public class Animal {
}
public class Cat extends Animal {
}

//介面
public interface Action {
}
public interface Jump extends Action {
}

2.1.2 實現（Realization）

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定義：

  • Java裡的implements，箭頭指向介面
  • 單向，如Tiger擴充套件了Sleep介面，那麼箭頭指向Sleep

程式碼：

public interface Jump {
}
public class Tiger implements Jump {
}

2.1.3 依賴（Dependency）

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定義：

  • 某個類或物件例項，依賴於另一個而存在，在其關鍵方法中用到了對方
  • 如果一方屬性發生變動，另一方可能會收到影響
  • 一般為單向，例如動物依賴於食物，eat(Food food)
  • 類比在表結構上，更像是外來鍵

程式碼：方法引數，區域性變數

2.1.4 關聯（Association）

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定義：

  • 是一種擁有的關係，雙方不一定屬於同一類事物，箭頭指向被擁有者
  • 可以單向，也可以雙向，例如Tiger與Zookeeper
  • 類比在表結構上，更像是存在中間表關係

程式碼：成員變數

2.1.5 聚合（Aggregation）

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定義：

  • 單向，空心菱形起始的箭頭，箭頭指向被擁有者
  • 一種很弱的擁有關係，A可以擁有B，但是不是離了B就無法生存
  • 群體與個體的關係，如小組包含組員

程式碼：成員變數，多為集合

2.1.6 組合（Composition）

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定義：

  • 單向，實心菱形為起始，箭頭指向子模組
  • 一種整體與部分的關係，A是由B組成的，離開B則不完整。
  • 單向，如人和四肢的關係

程式碼：成員變數，多為集合

2.1.7 例項

一張圖涵蓋所有的關係：

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2.1.8 總結

  • 繼承和實現幾乎不會搞混，一個上下父子關係，一個是類與介面
  • 組合與聚合要注意，聚合為聚集，群體與個體。組合為組成，整體與部分
  • 關聯和依賴要注意，關聯一般為同級別有相關性，這種相關性是長期存在的。依賴為需求關係，一方需要依賴另一方，可能會因另一方的改變而改變。
  • 關係的強弱順序：繼承=實現>組合>聚合>關聯>依賴

2.2 圖

2.2.1 概述

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​ UML中的圖形非常多，按型別分為結構圖和行為圖，其中，最常用，最典型的為9種，下面分開來介紹。

  • 用例圖：從使用者角度描述系統功能。

  • 類圖：描述系統中類的靜態結構。

  • 物件圖：系統中的多個物件在某一時刻的狀態。

  • 狀態圖：是描述狀態到狀態控制流，用於表達系統狀態的變化

  • 活動圖：描述了業務實現用例的工作流程，強調的是動作之間的銜接

  • 序列圖：物件之間的動態合作關係，強調物件傳送訊息的順序

  • 協作圖：描述物件之間的協助關係，強調物件之間的合作關係

  • 元件圖：描述系統各個元件及其相關關係的靜態檢視

  • 部署圖：定義系統中軟硬體的物理體系結構

2.2.2 類圖

1）說明

  • 物件導向系統建模中最常用和最重要的圖，是定義其它圖的基礎
  • 主要是用來顯示系統中的類、介面以及它們之間的靜態結構和關係的一種靜態模型
  • 描述細化相關的屬性和操作，是一個對業務模型物件導向化的過程，也是對系統的約束
  • 可以直接構建可執行程式碼，但真正使用的場景相對較少

2）可用元素

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  • 類：

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  • 介面：

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  • 關係：可以使用上述中的6大關係。

3）例項

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2.2.3 物件圖

1）說明

  • 物件圖和類圖一樣反映系統的靜態過程，但它表達的是一個實際場景。
  • 物件圖顯示某時刻物件和物件之間的關係。可看成一個類圖的快照。
  • 物件圖是類圖的例項，所以幾乎使用與類圖完全相同的標識。

2）可用元素

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  • 物件：

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3）關係

物件圖因為是執行在某個時間節點的物件映象，所以關係比較單一，描述的是類與類的例項之間。不涉及介面

  • 關聯：物件之間存在關聯關係，如使用者和訂單
  • 依賴：物件例項之間的依賴關係，如商品物件依賴店鋪

4）圖例

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2.2.4 元件圖

1）說明

  • UML1.1中，元件圖是用來描述一個系統的物理構件。包括檔案，可執行檔案，庫等

  • UML2 中，關注元件間的關聯（使用什麼介面，通過什麼埠通訊），強調通過介面來描述元件行為

  • 對於後端來說，元件圖比較適用於 SOA 架構、微服務架構，描述整個系統的結構以及子系統間的通訊方式

  • 對於前端來說，元件圖適合在使用類似 react、vue 這樣元件化的前端技術框架時，表達對元件的設計，比如一個頁面會有個骨架元件，骨架元件包含了導航元件，列表元件等等

2）可用元素

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  • 元件：描述的是系統的其中一個組成部分，一個完整的可獨立服務的模組或單元，比如訂單服務，k8s裡的一個pod

  • 部件：元件內可能細化為多個子模組

  • 埠：元件對外提供服務就必須暴露對應的埠。如http rest服務預設的80

  • 介面：部件/元件之間的一種約定，分提供者和需求者同時展示了某個部件提供出的功能

3）關係

  • 泛化：用於介面與介面之間存在的父子關係，元件之間也可能存在，但相對用的較少
  • 實現：介面和其實現者（提供服務的元件）之間
  • 關聯：Require link / Connector ，介面與呼叫者（需要介面的元件）之間

4）圖例

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2.2.5 部署圖

1）說明

  • 一種展示執行時進行處理的節點和在節點上存在的元件配置的圖。

  • 闡述了在實際應用中軟體和它的執行環境的關係，並且描述了軟體部署在硬體上的具體方式。

2）可用元素

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  • 節點：

    早先單例項MVC架構下，節點可以認為是某臺物理伺服器，微服務及容器化下，物理伺服器大多納入編排管理，docker例項由系統在物理節點見自由排程，元件無法鎖定在某個固定物理節點上，這種環境下的node可以理解為一個容器，或k8s中的pod。

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  • 元件例項

    相當於元件裡的例項化，類比於類和物件

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3）關係

  • 依賴：發生於元件之間，如使用者元件依賴於訂單元件
  • 關聯：node association，發生於節點之間，例如應用伺服器需要關聯mysql資料庫

4）圖例

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2.2.6 用例圖

1）說明

  • 用例圖是用來描述系統功能的技術，表示一個系統中用例與參與者及其關係的圖

  • 主要用於需求分析階段，和產品文件比較貼近

  • 用例圖相當於從使用者的視角來描述和建模整個系統，分析系統的功能與行為。

2）可用元素

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  • 參與者：使用系統的人，有多少種角色就有多少參與者。

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  • 用例：參與者可用做的事情

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3）關係

  • 泛化：參與者之間可用泛化，例如使用者與普通會員；用例也可用泛化，如使用者管理與修改密碼

  • 關聯：發生於參與者和用例之間，表示該角色可用有哪些用例（行為）

  • 依賴：發生與用例之間，例如登入依賴於註冊

4）圖例

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2.2.7 互動圖

互動圖分為序列圖和協作圖，兩者既可以相互轉換而不丟失資訊，又存在一定差異。下面分開講再類比

序列圖

1）說明

  • 序列圖主要用於按照互動發生的一系列順序，顯示物件之間的訊息或行為傳遞。
  • 序列圖可以形象表達整個流程，和流程圖有相似之處，但是流程圖偏業務邏輯，序列圖則是系統物件導向化建模後，對應到物件上的互動過程。趨向於開發者角度。

2）可用元素

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  • 物件：提供功能和互動的類的例項
  • 參與者：同用例種的參與人，多為一段流程的發起點
  • 時間線：物件在整個互動流程中的生命週期
  • 訊息：物件間需要傳送和返回的訊息，可以自己發給自己
  • 外部參考：序列圖可以引入外部的一段作為參考，或參與序列中與當前圖的元素互動
  • 片段：將某一段序列納入片段管理，該片段像原子一樣，發生某些整體的行為，例如迴圈

3）關係

  • 不會用到6大關係，相互之間使用message互動。代表的是資訊流動。

4）圖例

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協作圖（1.4）/通訊圖（2.0）

1）說明

  • 協作圖與時序圖類似，二者都是用物件間的互動來描述用例的。

  • 兩者關注角度稍有不同，時序圖強調互動的時間次序，協作圖強調互動的空間結構。

2）可用元素

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  • 參與者：系統參與的角色
  • 物件：同時序圖，系統中例項化的物件
  • 關聯：物件間的關聯關係
  • 訊息：依附於關聯而存在，承載了物件間要傳遞的資訊

3）關係

  • 不會用到6大關係，相互之間使用message互動。代表的是資訊流動。

4）圖例

​ 兩種互動圖可以相互轉化，類比如下：

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2.2.8 狀態機

狀態機分為狀態圖和活動圖，

狀態圖

1）說明

  • 描述一個實體基於事件反應的動態行為，它有兩方面的價值，一是反映物件可能有哪些狀態，二是這些狀態之間是如何流轉的，需要什麼樣的條件下進入什麼樣的狀態。

2）可用元素

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  • 狀態：某一個時間點，物件所在的狀態
  • 轉移：連線狀態之間，因為狀態時可以互相變化轉移的
  • 分支/會合點：狀態變化中可能產生分叉或交會，如確認收貨後，雙方互評產生分叉
  • 開始/結束：狀態的起始與終結
  • 同步點：需要多個分支狀態都具備時使用。多用於並行協作處理的狀態流轉，如互評都完成後，訂單才算終結

3）關係

  • 只有轉移關係，表示狀態之間的變化

4）圖例

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活動圖

1）說明

  • 活動圖用於企業的業務流程建模，是對內部活動與活動之間流轉動作的表達
  • 活動圖類比流程圖：活動圖存在分支與交會，可以表達並行存在的活動，流程圖多為是與否分支判斷
  • 活動圖類比狀態圖：關注不同，狀態圖強調行為的結果（下一個狀態是什麼），活動圖在乎行為的動作（下一步幹什麼）。兩者可以理解為穿插配合，一動一靜，活動可能會觸發下一步不同的狀態。

2）可用元素

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  • 活動：表達系統中，或物件內的某一個可以發生的動作
  • 物件：活動的發生者，或互動者
  • 流轉：活動的跳轉，即下一步指向誰
  • 判定：類似與流程圖裡的判決，根據條件產生不同的流轉
  • 同步：並行流轉下的彙集，不同於流程圖的地方
  • 起始/結束：活動的發起與終結
  • 泳道：對UML活動圖中的活動進行分組，同一類活動在一個泳道上，清晰明瞭

3）關係

  • 只有流轉，也就是活動的跳轉，表示下一個活動是啥

4）圖例

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3 實戰篇

3.1 常用工具

3.1.1 Rational Rose

​ 老牌，大名鼎鼎，史上最有名的UML產品，以至於大多數情況下，很多人將他等同於UML工具，需要注意的是，自從 Rational被IBM收購之後，Rational Rose已經成為歷史，作為UML1.4標準的產物，現在已經不升級，但是夠用。其替代品是IBM的其他產品，如IBM RSA。

3.1.2 RSA

​ IBM® Rational® Software Architect ，IBM的旗艦產品，是一個高階而又全面的應用程式設計、建模和開發工具，用於實現端到端的軟體交付。通過和IBM其他產品的協調，支援軟體開發的全生命週期開發。但是也有它的缺點，笨重，繁雜（大公司產品的通病？？？）

3.1.3 Enterprise Architect

​ Sparx Systems 公司的旗艦產品。它覆蓋了系統開發的整個週期，除了開發類模型之外，還包括事務程式分析，使用案例需求，動態模型，元件和佈局，系統管理，非功能需求，使用者介面設計，測試和維護等。總之你需要的基本都可以滿足，價格還便宜。價效比之選。

3.1.4 StarUML

​ 開放原始碼的UML開發工具，是由韓國公司主導開發出來的產品。用Delphi寫的，是個大神。需要付費，網站提供購買註冊碼，小巧簡單而易用，與rose相比更是明顯。

3.1.5 VISIO

​ VISIO可以理解為一種通用的畫圖工具，它具備常見的各種圖形，從VISIO2000版本才開始涉足軟體分析設計到程式碼生成的全部功能，單純從畫圖角度，有著無可比擬的優勢，UML圖示僅僅是其中很少的一部分。優點是跟微軟的office產品的能夠很好相容。可以把圖形直接複製或者內嵌到WORD的文件中。但是到程式碼的生成更多是支援微軟自家的產品如VB，C#，ms sql 等（微軟的一貫作風），如果僅是畫UML圖和大量的word文件表達，它可以滿足你。

3.1.6 PowerDesigner

​ Sybase的企業建模和設計解決方案。採用模型驅動方法，將業務與IT結合起來，可幫助部署有效的企業體系架構，併為研發生命週期管理提供強大的分析與設計技術。將多種標準資料建模技術整合一體，並與IDE整合，典型的如Eclipse 外掛形式。PD更多給人的印象是資料庫建模技術，但是它可以完成UML的所有建模操作並對映到資料庫和程式碼層面。並提供60多種關聯式資料庫的連線支援。

3.1.7 總結

  • 以上工具各有利弊，根據自己實際情況和愛好選擇即可
  • 基本都涵蓋軟體建模的完整週期，UML只是他們的一部分功能
  • 任何一種都可以滿足你學習和工作中UML建模的使用需求

3.2 訂單建模實戰

3.2.1 B2C交易用例圖

用例圖從訂單系統使用人角色出發，反饋訂單體系裡面有哪些人，可以做哪些事情

1）業務需求：

  • 買家：瀏覽商品，下單、支付、簽收
  • 賣家：開店，確認訂單，發貨，商品維護
  • 雙方：退貨，換貨，評價，收藏

3.2.2 訂單模組類圖

訂單類圖從業務模型出發，用物件導向思想，訂單業務中的模型抽象為一個個物件

1）元素：

  • 人物類：Seller，Buyer，User
  • 商品類：Shop，Product
  • 交易環節類：Cart，Order，Invoice，AliPay，WeichatPay，ICBCPay...
  • 交易環節介面：Pay
  • 促銷相關類：DiscountPromotion，ReductionPromotion...
  • 促銷介面：Promotion

2）關係：

  • 關聯：Order→Seller，Buyer，Pay；Shop→Seller

  • 依賴：Order→Cart→Promotion，Invoice；

  • 組合：Shop→Product

  • 聚合：Cart→Product

  • 泛化：Buyer，Seller→User

  • 實現：DiscountPromotion，ReductionPromotion→Promotion；AliPay，WeichatPay，ICBCPay→Pay

3.2.3 訂單下單時的物件圖

物件圖表達的是下訂單的時刻，系統存在的物件及物件之間的關聯關係。物件具備了實際的屬性值

1）元素：

  • 與類圖一致，但是介面將不復存在，而變為實際實現類
  • Cart生命週期終結，Invoice還沒誕生，Product，Promotion依附在了訂單上
  • 物件上的屬性具備了實際值，不再是泛化的類屬性的概念

2）關係：

  • 物件之間變為例項關聯（Instance link），泛化和實現不再被使用。
  • 弱型別可以使用依賴，比如Order與打折的Promotion

3.2.4 B2C下單支付序列圖

序列圖反應下單到支付完成這段時間裡，各個物件怎麼協作和互動，互相之間需要傳遞什麼訊息。

1）元素

  • 人物：Buyer
  • 物件：Product，Cart，Order，Promotion，Pay，AliPay（外部）

2）時間序列

  • 順向：Buyer→篩選→Product→新增→Cart→促銷結算→Promotion→下單→Order→支付→Pay→跳轉→AliPay
  • 迴路：Buyer←通知←Order←開單←Pay←回撥←AliPay
  • 環路：Cart ←→增刪商品

3.2.5 下單支付協作圖

協作圖同序列圖類似，可以由序列圖轉化而來。但是協作圖反映的是互動關係，像是鋪開的時序圖

1）元素，同時序圖

  • 人物：Buyer
  • 物件：Product，Cart，Order，Promotion，Pay，AliPay（外部）

2）互動，同序列圖

  • 關聯
  • 訊息

3.2.6 B2B先款後貨狀態圖

以B2B先款後貨業務模式下，訂單物件的流轉狀態為例，實現業務狀態展示

1）元素

  • 起始
  • 訂單的各個狀態值
  • 交會
  • 同步
  • 終結

2）流轉

  • 開始→合同已生成→已付款→交收單已生成→已發貨→驗貨驗票→待評價→分支→買方已評，賣方已評→同步→終結

3.2.7 B2B先款後貨活動圖

在先款後貨的交易中，雙方都要做哪些活動或者說操作，通過活動圖建模體現

1）元素

  • 泳道：Buyer，Seller，Manager
  • 活動（Buyer）：生成合同，支付貨款，驗貨驗票，買方評價
  • 活動（Seller）：生成交收單，發貨，賣方評價
  • 活動（Manager）：仲裁
  • 判定：是否有異議

2）流程

  • 開始→生成合同→支付貨款→生成交收單→發貨→驗票驗貨→判斷（是否異議？）→否→分支→買方，賣方評價→同步→終結
  • 判斷異議→是→仲裁→終結

3.2.8 訂單服務元件圖

界定構成訂單服務的各個物件以及他們之間的可用介面，相當於定義了一組約定。

1）元素

  • Order：create（Cart），open（Pay）
  • Cart：addProduct（Buyer），removeProduct（Buyer），settle（Buyer）
  • Promotion：discount（Cart）
  • Pay：pay（Buyer）

3.2.9 訂單中心部署圖

​ 將訂單中心如何部署到伺服器？部署圖的職責就是完成這部分的內容。在docker容器化編排和雲環境下，部署圖變得不那麼的確切。node可以類比理解為docker容器或者是k8s等編排工具中的pod，而元件也不再固定在某個node中，而是由排程器動態排程，分散部署。

1）元素

  • node：App1，App2，App3，假設有三臺；mysql資料庫，假設1主2從
  • component：Order，Cart，Pay，Promotion

2）關係

  • 元件離散分佈於3臺App
  • App關聯mysql
  • mysql主從為依賴

3.3 總結

  • 一切皆工具，適合你的就是最好的

  • 靈活變通，不要拘泥規矩，規矩是死的人是活的

  • 表達思想才是目的，一切都是為了能說清楚你的想法，這也是語言的本質

  • 不要為了畫圖而畫圖，UML不是必須的，但是有了它你的架構工作會變得更順暢

    希望UML能成為你架構工作的利器，提升效率，解決問題。Thanks！

本文由傳智教育博學谷 - 狂野架構師教研團隊釋出
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