软件建模的分析与研究

软件建模的分析与研究

摘要：本文阐述了软件建模工具的重要性，并对软件建模工具进行了简介，随后重点讨论了面向对象的软件建模工具所应具有的功能及其所应遵循的标准。

关键词：软件建模模型简介建模工具

随着市场需求的不断深入, 软件功能越来越复杂, 规模更加庞大, 开发变得难以把握。解决这个问题的一个有效方法就是采用软件建模技术, 通过建立软件模型, 将复杂问题分层,分为多个问题逐一解决。软件模型有利于分工与专业化, 便于需求人员、设计人员和开发人员之间交流与沟通, 缩短开发周期, 节约生产成本。因此, 软件建模技术在软件工程中变得越来越重要。

软件建模工具擅长自动做重复的工作，管理大量的信息，并能保持事物的结构性和一致性。软件建模工具还能在一定的程度上向用户提供开发过程指导，也即把工具与过程有机地结合起来，使得过程驱动工具，而工具支持过程的实施。对于用户而言，工具应该易学、易用和好用，能指导用户怎样探讨任务，使得用户将精力花费在重要的任务上。软件开发人员能够利用建模工具捕获与描述系统的需求，进行系统的分析与设计，建立系统模型，进而生成程序或辅助编程，并能生成开发过程中的各种文档。由此可见，使用开发工具能有效地提高软件的质量和开发效率。概括起来讲，软件建模工具的作用如下：

A、提供了引导人们有效地建立正确模型的手段；

B、可缩短开发时间，有助于减少枯燥、繁琐的重复性工作；

C、便于对系统的修改和维护；

D、提供了存储和管理有关信息的机制和手段，具有保持信息一致性的能力；

E、可帮助用户编制、生成及修改各种文档；

F、有助于生成程序代码；

G、为复用提供了方便。

一、软件模型的定义

模型是对实际存在的系统的抽象。通过建立系统模型,能够过滤细节, 抽象出问题的本质。为了建立复杂的软件系统, 首先需要构建系统总体蓝图; 再对总体抽象出不同的层次, 建立不同视图, 使用统一的符号分别建立模型, 描述出视图内部与视图之间的关联性; 验证这些模型是否满足系统需求, 并逐渐添加

细节信息, 实现这些模型。一个模型形成的过程就是软件建模的过程。软件建模是捕捉系统本质的过程,把问题从问题领域转移到解决问题领域, 目的是把要设计的结构和系统的行为联系起来, 并对系统的体系结构进行可视化和控制。

模型是对实物的抽象化或离散化, 软件是现实世界的过程在计算机中的重现。软件开发的任务是完成现实世界中同一过程的两种不同表象之间的映射关系的建立。要完成这种映射关系的建立, 可以在不同的现象到本质的中间层折回, 折回进入的本质层次越深, 重用的机会越大。软件模型就是这些逐层建立的映射关系的全集。

二、模型的作用

1、模型可以促进项目有关人员对系统的理解和交流。模型对于问题的理解、项目有关人员(客户、领域专家、分析人员和设计人员等)之间的交流、文档的准备以及程序和数据库的设计等都非常有益。模型可使得人们直接研究一个大型的复杂软件系统。建模能促进人们对需求的理解,从而可得到更清晰的设计,进而得到更易于维护的系统。

2、模型有助于挑选出代价较小的解决方案。在研究一个大型软件系统的模型时,人们可以提出多个实际方案并对它们进行相互比较,然后挑选出一个最好的方案。

3、模型可以缩短系统的开发周期。模型实质上是通过过滤掉一些不必要的细节而刻画复杂问题或者结构的必要特性的抽象,它使得问题更容易理解。在有了模型之后,软件系统的开发过程就会变得较快,同时也就降低了系统的开发成本。

三、软件建模简介

为了建立复杂的系统,开发人员必须首先抽象出系统的不同视图,并用精确的表示法来建立模型,最后在模型转换为实现的过程中逐渐添加进相关细节。

现在软件产业界普遍认为,开发复杂软件项目必须采用基于UML的、以构架为中心、用例驱动与风险驱动相结合的迭代式增量开发过程,他是世界公认的开发复杂软件项目的最好过程,已经成为软件界的"圣经"。这一开发过程目前已经稳定、成熟。这就是: RUP—RationalUnified Process。

UML 是一种语言,提供了用于交流的词汇表和在词汇表中组合词汇的规则。

词汇表和规则则注重于对系统进行概念上和物理上的描述。UML这样的建模语言正是用于软件蓝图的标准语言。贯穿于软件开发生命周期,并能表达系统体系结构的各种不同视图。

Rational统一过程是由Rational软件公司开发和营销的一种软件工程过程,是开发组织用以分配与管理任务和职责的一种规范化方法。这个过程的目的是在预定的进度和预算范围内,开发出满足最终用户需要的高质量软件。它捕获了很多现代软件开发中的最佳实践:迭代地开发软件,管理需求,应用基于构件的构架,为软件建立可视化的模型,不断地验证软件质量,控制软件的变更。RUP将这些最佳实践活动以一种适当的形式结合起来,从而适应了广泛的项目和开发组织。

RUP核心是解决可操作性问题,帮助开发人员尽可能少地依赖那些“不可描述的经验”。他详细给出了每个阶段参与该过程的各种角色,然后表示在过程中该角色创建的制品。

建模并不只是针对大的系统。甚至像“狗窝”那样的软件也能从一些建模中受益。然而,可以明确地讲,系统越大、越复杂,建模的重要性就越大,一个很简单的原因是:因为不能完整地理解一个复杂的系统,所以要对它建模。

四、UML 标准简介

统一建模语言UML( Unified Modeling Language) 是一种通用的可视化建模语言, 用于对软件进行描述、可视化处理、构造和建立软件系统的文档。UML 适用于各种软件开发方法、软件生命周期的各个阶段、各种应用领域以及各种开发工具。UML 能够描述系统的静态结构和动态行为, 是一个绘制软件概念图的图形化记法(notation)。人们可以用它绘制图形, 来表示一个计划进行的软件设计的问题域, 或者用这些图来表示一个已经完成的软件实现。

目前, UML 中定义了它的表示法与超模型。表示法是我们在模型中所看到的图形部分, 它也代表模型语言( modelinglanguage) 的语法。UML 的主要建模图形有Use Case、ClassDiagram、State Transmission Diagram、Sequence Diagram、ActivityDiagram、Collaboration Diagram、Configuration Diagram等。但是, UML 的创造者却以第二顺位的重要性来看待这些图, 他们认为UML 的本质在于超模型, 图仅仅是超模型的展现而已。

UML 一般有三种使用模式, 分别是把UML 当成草稿、蓝图与程序语言来用。

将UML 视为草稿是三种用法中最常见的。采用这种模式, 开发人员用UML 来沟通系统的某些层面,画图的焦点在于沟通而不是完整性, 不必刻意遵守UML 中的每一条严谨规则。将UML 视为蓝图与完整性有关。如果是采用正向工程, 首先需要画出详细的设计结果, 设计结果必须完整, 做出所有的设计决策。UML 不是一种程序设计语言, 但可以用代码生成器将UML 模型转换为多种程序设计语言代码,或使用反向生成器工具将程序源代码转换为UML 模型。模型驱动开发架构MDA( Model Driven Architecture) 是将UML视为程序语言的标准用法。

五、建模工具简介

其实人们早就认识到了建模工具的重要性。20 世纪70年代，出现了基于文本界面的建模工具；80 年代，出现了支持图形化设计方法的建模工具；90 年代，出现了元建模工具，它允许用户对工具本身进行扩展。针对用面向对象方法开发软件，随着UML 的不断发展和完善，当前流行围绕着U M L 研制与开发建模工具。

建模工具随领域的不同而不同，但都应该具有技术框架和集成前景，为软件系统建模提供某（些）种层次的支持。下面就一些典型类型的工具予以简述。

1、图工具

目前市场上有大量的支持业务作图的工具，但作图工具产生的图只是图形，工具对所绘制的图并不能理解。这样的图只能由设计人员解释其含义，对作图工具来说，它没有语义。由于作图工具对所作的图不能作出语义解释，所以它就不存支持复用或扩展等功能。

典型的作图工具有Visio 、ABC Flowcharter 、Corel Flow 等。

2、过程建模和仿真工具

过程建模工具用于对业务过程建模或对管理过程建模等。

仿真工具用于对诸如飞机模型、台风、流沙或服装之类的领域进行模型仿真。仿真工具通常非常复杂，需要有排队论、统计学、运筹学等方面的知识，加之专业方面的知识，其本身成本及使用成本都很高。

典型的这样的工具有Bpwin、Optima、Promodel 等。

3、传统CASE 工具

传统的CASE 工具基于传统的诸如结构化之类的开发方法，现在用的较少，

但它们中的很多建模技术已被其他工具采纳。

典型的工具有Key Software 和IEF 等。

4、数据库建模工具

此类工具围绕着数据库建模，开发具有有限语义的数据建模方案，强调数据库生成。在业务建模的其他方面，此类工具的建模能力较差。

在国内外，这些工具都是CASE 市场的幸存者，现在使用的人很多。典型的工具有E r w i n 、S - d e s i g n e r 、Power-designer 等。

六、面向对象的软件建模工具应具有的功能

面向对象的软件建模工具应对软件系统的制品进行可视化、详述、构造和文档化。一套面向对象的软件建模工具应该基于特定的概念与表示法，通过对建模人员进行过程性支持，辅助进行建模，并要按规范生成相应的开发文档，可能的话要尽可能多地生成代码。具体地讲，一个面向对象的软件建模工具应具有绘图、存储、导航、协作开发、生成代码、逆向、集成、覆盖模型的各抽象层次、模型转换等功能。

下面详述面向对象软件的软件建模工具所应具有的主要功能。

1、绘图

绘图主要完成如下功能：

（1）支持对模型元素进行绘制、选择、定位、连接以及着色；

（2）在模型元素图符的表面和后面描述其语义；

（3）理解模型的语义，在错误的上下文中使用某模型元素时，要给出警告或出错信息；

（4）提供图的版面设计功能，对一定种类的图提供自动布局功能，主要用于避免线段间的交叉以及图元间的交叉。

2、存储

各种模型中的信息需要存储，为检索、一致性检查、复用、文档生成等提供基础。检索是指按一定条件查找模型元素；一致性检查要检查同一模型中的元素在各图中的用法是否一致，例如，删除某个元素，而其他图要使用它，就会出问题；复用是指对全部或部分模型的复用，用以构造其他模型，这可能需要提供复用库及其管理系统；文档生成要根据所存储的信息生成文档。

对于协作建模来说，建模工具对信息存储的支持是必要的。对模型中一个建模元素的修改，工具要自动地将其传播到所有引入该模型元素之处。

基于U M L 的建模工具，应该遵循对象管理组织O M G(Object Management Group)的XMI 标准。这样在各建模工具之间可以交互模型，建模工具也可以与其他开发工具间交换模型。例如，报表生成工具可以直接地从基于XMI 存储的建模工具中读取数据生成报表。目前也有些组织正在从事其他标准存储格式的制定工作。

3、一致性检查

对于一个面向对象的软件系统，可能由多个模型进行描述，并且这些模型可能要从不同的侧面、不同的抽象层次对系统进行描述，而这些模型间是有一定关系的。此外，模型是对现实世界中的事物的抽象，在某种程度上反映了客观现实，有主观性和相对性。因而，在建模过程中，不但要对语法的正确性进行检查，而且对建模中的众多信息也要按规则进行一致性检查，以保证模型的各部分间的一致。有无一致性检查是区分画图工具和建模工具的一个重要标志。

4、对模型进行组织

建模人员使用工具可能要产生大量制品，其中包括对系统的定义、对系统的分解而产生的一系列子系统、构成子系统的各种模型以及一些代码等。这些制品涉及到大量的图及其详述，而且它们之间可能存在很多关系，所以要对这些制品进行组织，形成系统模型。

5、导航

同一个图中建模元素之间以及同一个系统的多个图中的建模元素之间可能存在着一定的关系，工具要提供从一个元素找到与它相关的元素的手段，即提供模型元素的链接功能。例如，右击元素弹出一个快捷菜单，其上显示出可能的导航，进而可以查看含有该元素的图，以获取该元素的其他信息。

6、协作支持

较大的系统需要多人分工协作来完成。这就要求工具基于信息存储功能，具有对模型的导出和导入功能。通常可能还要求信息存储功能，以支持数据共享和并发控制等特性。

7、代码生成

把建模阶段存储的部分语义直接用到实现阶段，由模型生成代码，可减少重复劳动。针对具体编程语言生成的是代码框架，其中也可以填有部分源代码或伪代码。生成的源代码语言的种类可由用户在一定的范围内选定，工具也应提供由用户定制语言模版的功能，也即提供一个元语言，由用户描述所生成的语言。此外，要保证在用户编写代码又逆向后，对模型进行了修改并再生成语言时，不应把用户已编写的代码覆盖掉。

8、逆向工程

正向工程用于从模型产生代码，而逆向工程用于从代码生成模型。逆向工程有两个作用：一是对由工具生成的源代码进行逆向，这是因为程序员编写了大量程序代码并对模型做了一定的修正，就需要由代码重新生成模型，以保证代码和模型的一致性，即在迭代结束时，使模型和代码保持同步。二是在以前没有模型存在的情况下将代码转换成模型。

正向和逆向工程这两方面的成功结合被定义为双向工程。在实际开发时，经常要进行这样的反复过程。工具同时具有正向和逆向工程的能力是一项复杂的需求，不同厂商在不同程度上支持双向工程。

注意源代码中不只包含与模型有关的信息，逆向时有些源代码信息不能反应在模型中。从源代码逆向到模型，再从模型正向到源代码，不要把原有的代码完全覆盖掉，这对支持双向工程的建模工具来说是较为困难的。

9、集成

集成是指把建模工具与进行系统开发所需要的工具形成一体。这样的工具有项目管理工具、配置管理工具、版本管理工具、过程支持工具和编辑浏览工具等。

10、支持多种抽象层和开发过程

建模工具要支持从上层的抽象描述到向下直至代码层的描述，如按粒度大小支持系统、子系统、用况、协作、类图等。从开发过程上讲，建模工具要支持需求描述、面向对象的分析、面向对象的设计以及面向对象的编程。

11、文档生成

建模的一项重要成果是从模型生成文档。这些文档包括系统的总体说明、分析文档和设计文档等。文档的形式可为图形和文字等；存储格式可为W O R D 、H T M L 和文本文件等，这样开发者不需要加载建模工具本身就能阅读文档。建

模工具所生成的文档应该按某种（些）标准所规定的格式书写。工具还应提供用户定制文档格式的功能，以满足用户自己的特殊需要。

12、适当的信息隐蔽

因为很多模型较为复杂，所含信息量较多，故工具应具有对模型进行展开和折叠的功能。例如，像W I N D O W S的资源管理器一样可展开和折叠。展开便于观察所需要了解的那部分模型的内容，折叠便于观察模型的整体情况。还应该定义模型过滤器，把图中一些开发者感兴趣的方面独立地表示出来或着重显示。例如，仅显示类中可见性为公共的属性和操作。

13、模型库管理

对于一些值得复用的模型，建模工具应提供存储功能，并加以组织。对同一模型的各种版本也要加以管理，以便在以后使用时，仍然可以得到以前的版本。

14、打印支持

建模工具应能把一张大图放置在所需的页数内并准确地打印出来。建模工具还要提供打印预览和缩放图的功能。

15、脚本编程

利用脚本编程，高级用户可以创建能在建模工具内直接访问对象模型的脚本来添加其他功能。例如，为当前开发的项目做定制文档、代码或报表。

16、元建模

为了使用户可以定制自己的建模元素，有些研发部门开发了具有元建模能力的工具，即除了一般建模工具所具有的能力外，它还可以方便地扩展建模元素（包括概念、表示方式和语义等）。这种工具的特点是灵活，能根据需要定制建模元素。

在日常的生活、工作中,我们会遇到很多问题都需要建立模型,希望能够通过对软件建模的了解来解决实际生活中的问题。

参考文献：景妮琴北京电子科技职业学院电子工程系软件教研室讲师浅谈数学建模与软件建模山西师大学报(社会科学版)研究生论文专刊第36卷2009年5月

麻志毅北京大学软件工程国家工程研究中心面向对象的软件建模工具软件工程与标准化

庞杨中国电信股份有限公司北京研究院 UML 标准与软件建模技术的发展数据通信2006.2