Lecture 5 系统建模

模型是从某个特定视角对系统的一个抽象，也就是提取最显著特征之后的简化，并不是系统的另一种等价表示。比如，这个笔记就是对这门课的一个抽象。建模可以比较清楚的看到系统的功能、优缺点，还有助于更好的讨论设计方案、文档等。

一般比较常见的视角有：

外部视角（external），关注上下文或环境，比如系统是否要使用第三方 API
交互视角（interaction），关注系统与环境或用户，以及构件之间的交互（方式）
结构化视角（structural），关注系统组织结构或系统所处理的数据的结构，
行为视角（behavior），关注系统的动态行为、系统如何响应事件，比如异常怎么处理

UML（Unified Modelling Language，统一建模语言）面向对象建模的标准语言。UML 当中有多种图的模型，但是只需要其中 5 个就可以描述系统的基本特性：

活动图（activity diagram）
用况图（use case diagram）
顺序图（sequence diagram）
类图（class diagram）
状态图（state diagram）

系统建模：外部视角 external perspective

上下文模型 context model

在系统开发的初期（编写规格说明书）的时候，就要确定系统的边界，也就是确定系统应该包含什么、不应该包含什么。然后，用简单的 block 图，或者空的类图，粗略表述一下系统与环境之间的关联（因为 UML 当中没有专门针对上下文模型的图）。

用 UML 画上下文模型

用一个矩形方块表示一个系统（可以是本身也可以是外部的），然后用一条实线把内部外部系统连接起来

如图，表示了一个精神病住院治疗系统（Mentcare）及其环境中其他系统的上下文模型。

术语：构造型 stereotype

构造型是三种 UML 扩展方式之一。

在图表中，构造型跟元素紧挨着，用 <<xxx>> 的形式表述，用于描述这个元素是什么类型的，如：<<system>>，<<use>>，<<include>>，<<import>> 等。

上述示例图当中每一个方块表示的都是一个系统，所以都是 <<system>>。

业务流程模型 business process model

刚才用 UML 画出来的上下文模型，只是体现了系统之间有关系，但是没有具体体现，到底是什么关系，比如，系统 A 给系统 B 提供什么数据？用网络还是什么方式提供？

业务流程模型，顾名思义，对业务流程进行建模。也就是描述，这个系统怎样参与到业务当中去。

在 UML 当中可以使用 活动图 表示业务流程模型，因为活动图可以描述一个过程。业务流程模型也可以用 业务流程模型和标记法（Business Process Model and Notation，BPMN） 表示。

活动图 activity diagrams

活动图显示了过程中的一个活动，以及从一个活动到另一个活动的控制流（flow），用 activity nodes 与 activity edges 描述（就跟状态机似的）。

图例

圆角矩形：表示一个「活动」，也就是必须执行的子过程
直角矩形：表示一个元素或对象
菱形：表示一个「决策」，类似于 if 语句，条件在旁边用 [xxx] [yyy] 表示
黑色实心圆：表示初始节点，也就是工作流的开始
黑色实心圆外边套个圈圈：表示结束节点
很粗的实线（或又长又窄的条条）：也是一种控制节点，表示并行活动的开始（分离，split or fork）或结束（汇合，join）
箭头：从开始走到结束，表示执行的顺序

示例：活动图描述 Mentcare 系统如何对精神病患者强制拘留住院

系统建模：交互视角 interaction perspective

系统当中可以有多种类型的交互，比如用户交互（输入输出），比如这个系统与环境中其它系统的交互，再比如系统内部不同构件之间的交互…

用况（use case）

用况是一个任务，可以与系统外部的交互。外部的主体通常是人类，也可以是其它系统。

用况图相当于用况的一个简单概览。而如果想要详细的描述，可以用表格的方式：

用况	用户故事管理系统：更新用户故事
参与角色 actors	产品负责人
描述 descriptions	负责人登陆进去管理系统，对用户故事进行修改，然后检查是否合法，检查完毕后保存。更新好之后，可以选择是否刷新界面显示
数据 data	系统当中存储的一个用户故事
触发激励 stimulus	负责人的命令
响应 response	确认用户故事已经被更新、通过合法性检查并保存
注解 comments	必须是负责人才有这个权限

用况图

关系

用况图是用户与系统交互的最简表示形式，展现了用户和与他相关的用况之间的关系。

用况与用况之间，可以有包含（include）和扩展（extend）关系。

$A \xrightarrow{\text{<>}} B$，表示完成用况 $A$，就必须完成用况 $B$。比如，$A$ 是取钱，$B$ 是输密码。换句话说，$B$ 是 $A$ 的子过程。

$A \xleftarrow{\text{<>}} C$，表示完成用况 $A$ 之后，可以选择继续完成用况 $C$。比如 $A$ 是取钱，$C$ 是打印凭条。而即使没有完成 $C$，也依然可以完成 $A$。也就是说，相对于 $C$，$A$ 是独立的。

于是刚才那个表格可以这样表示出来

还有一种关系叫做泛化（generalization）。$A \rightarrow B$ 大概含义就是 $A \in B$。比如，经理也是一种员工。利用泛化，可以对用况图进行简化：

图例

小人表示一个角色。注意这个角色可以是人，也可以是物体（比如其它系统）
实线方框表示一个系统的边界
椭圆表示用况
横线与 <<xxx>> 合在一起表示一种关系

顺序图

顺序图可以直观的看出来 actor 与系统以及系统各个构件之间的，按照时间排序的交互。

图例

标着 sd 的框，由于 sd 是 sequence diagram 的缩写，顾名思义，是框起来整个图
标着 alt 的框，alternate，表示分支。条件用 [xxx] 表示。课件画的不对，中间应该是用虚线分隔，而不是实线。
$\boxed{\text{:类名}}$ 与 $\boxed{\text{对象名:类名}}$ 很好理解
$\times$ 表示销毁：在 new-delete 的顺序图描述当中可以看到
line-arrowhead 表示异步消息：sender 发出消息后，继续干自己的事情
solid-arrowhead 表示同步消息：sender 会等待 receiver 的回应，类似函数调用
反向的 dashed-arrowhead 表示返回的消息：（貌似也是异步的）
一个圆加上箭头表示 found message：未知 sender 或 sender 未画出
一个箭头加上一个圆圈表示 lost message：没有发送到 receiver 或 receiver 未画出

不好描述。但是看几个顺序图例子就应该能懂的差不多了。

上图橙色圆圈的递归调用，可以理解为重新回到整个蓝色长条的起点

系统建模：结构视角 structural perspective

结构模型，既可以是用来描述系统设计结构的静态结构的模型，也可以是用来描述系统运行时的组织的动态的模型（因为有交互所以动态）。讨论和设计系统结构的时候，系统模型就很有用。

类图 Class diagram

类图可以用来描述系统静态结构的模型。

这个比前面简单些了。

泛化 Generalization

实线连接，空心三角箭头

实现 Realization

就是「类」实现「接口」。接口在类图当中用 <<interface>> 注明。使用虚线链接的空心三角箭头。

Composition & Aggregation & Association

聚集在中间。

从左到右，越来越宽泛。

Association 是最宽泛的，只是表示两个东西有联系。也有的地方把 Association 叫做「相识 acquaintance」。

聚集（aggregation），可以理解为「part of」。

composition 表示「whole/part」的关系。如果其中一个移除掉了，那么对应的另一个也要移除掉。

课件写的太烂了，不是很好理解，所以我咨询了 Chat GPT。以下是它给出的回答：

Q: 如何理解 uml 类图当中的：association、aggregation、composition？

A: 在 UML 类图中，三个最常用的关系是关联（Association）、聚合（Aggregation）和组合（Composition），它们表示类之间的不同类型关系。

关联（Association） 关联是一种表示对象之间的连接关系的关系类型。它描述了两个或多个对象之间的关系，它们可以相互交互，但彼此之间没有拥有关系。关联可以是双向的，也可以是单向的。在 UML 类图中，关联通常用一条带箭头的线表示，箭头指向关系的终点。例如，一个订单对象和一个客户对象之间的关联可能是一个双向的关联。

聚合（Aggregation） 聚合是一种表示 “整体 - 部分” 关系的关系类型。它描述了一个对象由多个组成部分组成，但这些组成部分可以从整体中分离出来并存在于其它地方。在 UML 类图中，聚合通常用一条带 空心菱形 的线表示，菱形指向整体。例如，一个车库对象可以包含多个汽车对象，但是汽车可以存在于其他地方，如公路上或停车场。

组合（Composition） 组合是一种表示 “整体 - 部分” 关系的关系类型，它比聚合更强，因为部分不能从整体中分离出来。组合表示一个对象由其组成部分组成，并且没有部分，该对象将不再存在。在 UML 类图中，组合通常用一条带 实心菱形 的线表示，菱形指向整体。例如，一幅画由多个独立的形状组成，但是形状不能被从画中分离出来。

高赞博客的解释

关联，类 A 使用类 B 作为成员。
聚合，“has-a”的关系。
组合，“contains-a”的关系。

包图 Package diagram

包（package）就像是命名空间（namespace）。

注意 containment 和 import 是两个不同的东西： - containment 有包含的意思。$A -\oplus B$ 表示 $A$ 是 $B$ 的一部分。并不等于 import。 - import 的意思是，实现一个包，依赖于另一个包，跟 python 差不多。

部署图 Deployment diagram

用于体现系统当中物理元素、逻辑元素与资源之间的关系。