UML在對象軟件工程教學(xué)中的應(yīng)用

關(guān)鍵詞：UML建模；面向?qū)ο蠓治?；軟件工?/p>

中圖法分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

“軟件工程”課程的綜合性很強(qiáng)，其將多門計(jì)算機(jī)相關(guān)課程的知識(shí)進(jìn)行了融合?！败浖こ獭闭n程教學(xué)的主要目標(biāo)是幫助學(xué)生理解軟件開發(fā)的特點(diǎn)和原理，掌握基本的開發(fā)技能，能夠應(yīng)用軟件開發(fā)來解決實(shí)際問題，以提升其實(shí)踐能力和專業(yè)素養(yǎng)。當(dāng)前，面向?qū)ο蟮姆绞绞侵饕能浖_發(fā)方式，因此結(jié)合市場需求特點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展形勢，在實(shí)際教學(xué)中也主要使用此方式。

面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)和面向過程的軟件開發(fā)有一個(gè)共同特點(diǎn)，即具有一定生命周期，體現(xiàn)在可行性分析、需求分析、設(shè)計(jì)等各個(gè)環(huán)節(jié)，對于面向?qū)ο蟮能浖こ虂碚f，不同階段之間并沒有非常明確的界線。但是，在軟件開發(fā)中，發(fā)現(xiàn)問題越早，越能夠以更小的代價(jià)及時(shí)解決。因此，這就要求前期的設(shè)計(jì)分析必須嚴(yán)謹(jǐn)、到位、計(jì)劃明確，以避免后期實(shí)現(xiàn)過于倉促和粗糙，進(jìn)而導(dǎo)致后期需要付出極大的維護(hù)和修復(fù)成本。在眾多工程技術(shù)中，建模是其中普遍使用并且得到實(shí)踐檢驗(yàn)的技術(shù)。若要闡述清楚一個(gè)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)或動(dòng)態(tài)邏輯，則可以嘗試采用不同的角度、模型來劃分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組織，從而有效推動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)。

1 UML特點(diǎn)概述

UML的提出是“站在巨人的肩膀上”的，其吸收和提煉了眾多建模語言的特點(diǎn)和優(yōu)勢，因此其表達(dá)能力也是空前的優(yōu)越，能夠有效表達(dá)系統(tǒng)模型，其作為一種輔助工具可有效幫助面向?qū)ο蠓治鲈O(shè)計(jì)，主要特點(diǎn)如下。

（1） UML在圖形表示和基本概念方面，具有Booch，OMT和OOSE等方法特點(diǎn)，對符號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行了統(tǒng)一、規(guī)范和簡化，并且對符號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行了補(bǔ)充和更新，使其具有更強(qiáng)大的表達(dá)能力。項(xiàng)目的具體需求不同，可以選擇不同的圖形符號(hào)，以滿足個(gè)性化表達(dá)需求。（2） UML是獨(dú)立存在和使用的，不受編程語言約束，能夠在設(shè)計(jì)開發(fā)中搭建起溝通的中介和橋梁。（3）在進(jìn)行具體建模時(shí)，若想實(shí)現(xiàn)最佳應(yīng)用效果，則應(yīng)選取簡單有效的UML圖形，并結(jié)合具體情況進(jìn)行合適的搭配和表達(dá)。（4）結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用需求和環(huán)境變化，UML也在不斷演變更新，提出了很多新的概念和形式。

UML提出的模型類型多樣，能夠滿足不同情況和需求，從而更好地滿足人們解決實(shí)際問題的需求。其能夠建立更加完善、成熟的系統(tǒng)模型，從而更好地幫助不同人群理解問題，對抽象概念有更加準(zhǔn)確的了解，使后期的實(shí)際推進(jìn)和維護(hù)也更加可行。軟件工程教學(xué)也是采用面向?qū)ο蟮能浖こ探虒W(xué)，為了讓學(xué)生對抽象的專業(yè)概念和冗雜的知識(shí)有更準(zhǔn)確、清晰的認(rèn)識(shí)，采用UML結(jié)合具體實(shí)例的方法，進(jìn)而使教學(xué)過程更加具體、可行。

2對象軟件工程教學(xué)中UML的應(yīng)用

開發(fā)軟件的第一步是需求分析，由開發(fā)人員進(jìn)行需求調(diào)查和解析，力求準(zhǔn)確、全面；第二步是在需求分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，將其轉(zhuǎn)換為成果，并且根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)選擇匹配的語言，實(shí)現(xiàn)編碼需求；最后一步，需要進(jìn)行后續(xù)的測試環(huán)節(jié)，包括單元、集成和系統(tǒng)測試，至此目標(biāo)系統(tǒng)才算完成。開發(fā)階段不同，所使用的開發(fā)方法也不同?！败浖こ獭闭n程的特點(diǎn)是關(guān)注理論教學(xué)和實(shí)踐提升，前者主要采用案例教學(xué)方法，后者主要利用軟件項(xiàng)目進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。綜上，實(shí)際的教學(xué)過程主要是以軟件開發(fā)為導(dǎo)向和線索，通過實(shí)際工程案例的分析，結(jié)合UML技術(shù)，進(jìn)行建模實(shí)踐，從而推動(dòng)實(shí)現(xiàn)軟件，并以此為依據(jù)進(jìn)行軟件測試。項(xiàng)目講解過程中全程貫穿UML技術(shù)，學(xué)生通過實(shí)際案例深刻理解面向?qū)ο笏枷氲囊I(lǐng)作用。同時(shí)，理論結(jié)合實(shí)踐，幫助學(xué)生理解抽象概念知識(shí)，如類、接口等，又使其對軟件工程的開發(fā)過程和指導(dǎo)思想有了實(shí)際理解。

UML建模技術(shù)對于面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)過程主要的作用體現(xiàn)在以下幾方面：可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行系統(tǒng)個(gè)性化的可視化操作；能夠?qū)ο到y(tǒng)行為、結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述；系統(tǒng)構(gòu)造有一定模板；決策能夠更好地進(jìn)行文檔化操作。這里的具體分析和解釋說明選擇的案例是圖書館管理系統(tǒng)的讀者功能。

2.1需求分析

軟件開發(fā)過程中的第一個(gè)環(huán)節(jié)就是對用戶需求進(jìn)行明確和分析。對于面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)來說，主要以用例模型來體現(xiàn)。用例模型的構(gòu)成部分包括參與者、用例、它們的關(guān)系，參與者和用例之間的關(guān)系為關(guān)聯(lián)關(guān)系，參與者相互之間的關(guān)系為泛化關(guān)系，用例相互之間的關(guān)系有不同類型，包括包含、擴(kuò)展、泛化等，這里選擇的實(shí)際案例是圖書管理系統(tǒng)。

當(dāng)前的圖書館管理系統(tǒng)，讀者主要的權(quán)限是自助借還書，通過實(shí)際調(diào)查和分析發(fā)現(xiàn)，讀者還有很多其他功能需求，包括賬號(hào)登錄和操作，對圖書信息的查詢處理，以及超時(shí)提交罰款等。若要建立用例模型，首先需要對參與者進(jìn)行識(shí)別，然后是讀者。其次，需要對用例進(jìn)行確定，也就是讀者的功能需求，包括借還書、賬號(hào)登錄操作、書籍信息查詢等。最后需要對用例間關(guān)系進(jìn)行明確，例如登錄系統(tǒng)可能會(huì)忘記密碼，需要進(jìn)行密碼找回，因此找回密碼與登錄之間存在拓展關(guān)系：借書時(shí)需要對讀者身份進(jìn)行驗(yàn)證，因此身份驗(yàn)證和借書兩個(gè)功能間存在包含關(guān)系：還書時(shí)如果超時(shí)，需要進(jìn)行罰款提交，因此罰款提交和還書之間存在擴(kuò)展關(guān)系等。通過對這些用例關(guān)系進(jìn)行梳理和分析，能夠?qū)⒆x者用例圖構(gòu)建起來，如圖1所示。這種具體的實(shí)際案例、用例模型的分析，學(xué)生能夠?qū)ζ渲械牟煌巧懈玫睦斫猓⑶腋用鞔_這些關(guān)系概念，從而對其邏輯關(guān)系、知識(shí)結(jié)構(gòu)等有更深刻的理解和掌握。

2.2系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分析的主要任務(wù)是解決“怎么做”的問題，重點(diǎn)是依托概念層的類圖對系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行再現(xiàn)，通過交互圖、狀態(tài)圖等來反映系統(tǒng)的變化。描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為可以表現(xiàn)對象之間的關(guān)系，反映彼此信息溝通，發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致對象狀態(tài)變化的事件、行為等，繼而發(fā)現(xiàn)類的屬性與行為，形成具有完全意義的類。

UML中交互圖的構(gòu)成是由適應(yīng)不同使用場景的順序圖、通信圖、交互概覽圖以及時(shí)序圖等構(gòu)成的，其中，順序圖和通信圖是主要構(gòu)成要素。順序圖反映消息傳輸?shù)臅r(shí)間順序，以及反映用例的行為順序，通信圖是表示信息收發(fā)雙方之間的組織關(guān)系。通常來說，順序圖和通信圖能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)換。

讀者選用自助借書功能時(shí)，第一步需要通過驗(yàn)證讀者證來確認(rèn)合法身份。驗(yàn)證成功后，讀者可以根據(jù)提示在指定位置放置書籍，系統(tǒng)會(huì)對書籍進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，從而明確借閱是否超期等。若該圖書證還可以借閱書籍，則會(huì)在系統(tǒng)里創(chuàng)建該讀者借閱該書的信息。順序圖就可以反映這個(gè)過程，包含讀者的行為順序和時(shí)間消耗等。若讀者完成身份驗(yàn)證，則借書記錄方要進(jìn)行借書合法性查閱和借書操作、更新圖書信息等，這屬于有對應(yīng)的方法。若要反映交互的空間性，則可以采用通信圖來描述。

在對象的有效時(shí)間周期中，如果發(fā)生變化或者狀態(tài)改變，就需要狀態(tài)圖對該段時(shí)間內(nèi)的變化進(jìn)行描述，通過對引發(fā)狀態(tài)改變的行為進(jìn)行分析和歸類，以總結(jié)出引發(fā)變化的方法。在圖書自動(dòng)化管理系統(tǒng)中，新書信息寫入系統(tǒng)后才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)借閱，此時(shí)書籍會(huì)存在可借、借出和超期等狀態(tài)，這些狀態(tài)可以改變。如果不允許書籍流通，就需要將其信息刪除。描述書籍狀態(tài)的改變就是狀態(tài)圖。分析導(dǎo)致狀態(tài)改變的行為、條件等，就能找到書籍類新增、借出、已還等方法。若完成某個(gè)任務(wù)需要多個(gè)對象進(jìn)行交互，或者反映某個(gè)工作的具體流程，則就需要活動(dòng)圖進(jìn)行描述，如圖2所示。

無論是系統(tǒng)分析或是設(shè)計(jì)階段，類圖建模都是重要的內(nèi)容，包括簡單的概念層類圖，和較為復(fù)雜的能夠?yàn)橄到y(tǒng)開發(fā)小組所理解的類。設(shè)計(jì)階段需要借助類圖、包等進(jìn)行接口設(shè)計(jì)，活動(dòng)圖能夠?qū)ζ渲械膹?fù)雜方法和主要算法流程進(jìn)行描述。比如，在圖書館信息系統(tǒng)中，例圖、順序圖、狀態(tài)圖等就能反映讀者的基本情況和圖書的借閱信息等。在搭建類圖的流程中，要明確類的屬性和具體操作，對類與類間的多重性等進(jìn)行具體闡述。初步完成系統(tǒng)模型后，還要立足項(xiàng)目設(shè)計(jì)需求，對整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行完善和升級(jí)，如對設(shè)計(jì)進(jìn)行整體統(tǒng)籌，明確各類指標(biāo)的優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)具體參數(shù)的優(yōu)化；闡述較為實(shí)用的增效的技術(shù)，包括增加冗余關(guān)聯(lián)，提升訪問效率，擴(kuò)大限定關(guān)聯(lián)，縮小查詢范圍，減少派生屬性等具體操作方面的技巧。

2.3實(shí)現(xiàn)階段

面向?qū)ο蟮募夹g(shù)研發(fā)在實(shí)現(xiàn)層面需要完成的任務(wù)有2部分：一是把之前分析設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行解讀，以便對具體面向?qū)ο蟮某绦蛘Z言進(jìn)行理解并書寫，二是完成具體的實(shí)效測試。在設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)階段，主要從實(shí)現(xiàn)層類圖變成具體的程序結(jié)構(gòu)，增加控制類；順序圖、活動(dòng)圖等可以表述程序的完成流程；根據(jù)通信圖中的消息傳輸情況，可以找到對應(yīng)的操作函數(shù)和屬性變量；根據(jù)狀態(tài)圖反映的變量或者行為發(fā)現(xiàn)對應(yīng)類的操作。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的各個(gè)階段都要依托具體的測試，包括單元測試、集成測試和系統(tǒng)測試等。它們的關(guān)系具體表現(xiàn)為：單元測試是根據(jù)實(shí)現(xiàn)層類圖和類的說明書來測試已經(jīng)完成的程序，集成測試是依據(jù)設(shè)計(jì)類圖、構(gòu)件圖、通信圖等，確保程序模塊在系統(tǒng)中的正確位置；系統(tǒng)測試是依據(jù)例圖對系統(tǒng)功能順利、正確運(yùn)行進(jìn)行測試，以滿足用戶的具體要求。講解測試?yán)碚摵蛯?shí)現(xiàn)要結(jié)合UML系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，從而讓理論更便于理解，以及對UML在面向?qū)ο筌浖_發(fā)中的重要意義進(jìn)行精準(zhǔn)描述，以加深認(rèn)識(shí)。

2.4運(yùn)行和維護(hù)階段

完成全部系統(tǒng)測試后，要對系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行和維護(hù)，依據(jù)UML配置圖，讓系統(tǒng)軟件和硬件在具體場景中進(jìn)行運(yùn)行。在這個(gè)過程中，如果發(fā)現(xiàn)問題就要及時(shí)進(jìn)行維護(hù)和調(diào)試，從而發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行整改。

3結(jié)束語

講解面向?qū)ο蟮摹败浖こ獭闭n程需要引入多個(gè)抽象的概念和理論，UML提供了多角度觀察和描述軟件系統(tǒng)特征的具體策略，能夠被應(yīng)用到軟件開發(fā)的具體場景和不同階段中：UML模型和軟件工程項(xiàng)目實(shí)踐相結(jié)合，能夠提升教學(xué)的直觀性和實(shí)用性，讓學(xué)生能夠更深入地了解教學(xué)內(nèi)容，也能更好地展示教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性，從而有助于落實(shí)各項(xiàng)教學(xué)任務(wù)和教學(xué)要求。

作者簡介：

李莉（1980—），碩士，講師，研究方向：軟件工程。