Chapter5：System Modeling

5.1 brief

5.1.1 System modeling

• Topics covered
  

• 统一建模语言、上下文模型、交互模型、结构模型、行为模型、模型驱动的软件工程

  UML、外部系统的关系、系统间的交互、系统间结构关系、系统的状态变化和活动过程、通过建立抽象的系统模型自动生成软件。

• System modeling：
  每一个模型都是从一个角度or方面来反应系统。

  大家一般都用UML语言来modeling

  modeling：有助于帮助理解系统的功能、与客户之间的交流。

5.1.2 UML

• UML语言：

  之前的建模语言都是侧重于一个方面，而UML呢，把各种方法组合在一起，形成了一个统一的建模语言。

  可用于：可视化、定义、构建、写文档。可用于所有的过程，即：在软件的整个生命周期中都是有效的。

• UML的由来：

  原来三个人有三种方法，后来他们把三种方法组合起来形成了UML，解决了行业内标准不一致的问题即建模不融合的问题。

• UML各类模型来自于之前的什么方法？
  

• UML中各类模型适用于：

  use cases and actors：用例图：系统边界和主要功能

  interaction diagrams：交互图：用例的实现

  class diagrams ：类图：系统静态结构

  state transition diagrams：状态转移图：对象行为

  component & deployment diagrams ：组件/实施图：物理实现

  stereotypes：构造型：可扩展功能

• UML里的4种基本元素：
  

5.2 Things

• Things :

  Class, interface, package, component etc.

5.2.1 Structural thing: Class

• Class类的三种表示

  在软件设计的起初到结束，类逐渐有更深层次的表示。

  既可以表示现实世界中的实体，也可以表示软件世界里的对象类。

  既可以用于分析阶段，也可以用于设计阶段。
  

5.2.2 Structural thing: Interface

• 描述了一个类or组件的外部行为。

  两种描述方式：1. 简化描述 2. 以interface类的形式来描述
  

5.2.3 Structural thing: Components

• 物理组件，用于表示系统中实际存在的物理组件，比如 .java，.exe 等

  UML用Components Diagram来表示各个组件时间的关系，可以建模整个系统的物理架构，也可以和系统的Deployment Diagram 在一起，反应物理部件在实施中的情况。
  

5.2.4 Behavioral thing: Interaction

• 两个对象之间的通讯。

  例图表示：存在一个由Company发起的对Person的交互Assign
  

5.2.5 Grouping thing: Package

• 分组事务，把逻辑相关的事务组成一个组，用包package表示出来。

  包图常用于建模一个系统的逻辑架构。

  package是逻辑相关的事务，component是物理相关的。
  

5.2.6 Comment thing: Comment

​ 注释事务。

5.3 Relationships

• Relationships :

  association，generalization, dependency, realization

5.3.1 Association

• association 关联关系

  用一根实心的线来关联两个事物。类似于数据库中实体关系模型。
  

• 聚合Aggregation 和 组合Composition

  他们都属于：关联关系 association

  聚合和组合都是：整体和部分的关系，a-part-of 关系。

  1. 聚合：如何没有这样一个部分，整体依然存在。空心菱形。
  2. 组合：没有这个部分，整体就不存在了。实心菱形。
     

• 例中：

  Order由：运输信息、订单信息、清单信息组成。

  我们可以没有ShippingInfo，但是不能没有Book和BillingInfo

5.3.2 Generalization

• 泛化关系、一般和特殊的关系、a-kind-of关系、常在面向对象的系统表示继承关系

  空心的三角箭头
  

5.3.3 Dependency

• 依赖关系：虚线箭头。表示一个事物，会受另外一个事务的影响。

• CourseSchedule会依赖于Course【参数】，Iterator依赖于CourseSchedule【友元】
  

5.3.4 Realization

• 实现关系：一个事物是由另外一个事物来实现的。

• 实现分为两种情况，如下图

• 椭圆：代表系统提供的功能or服务。虚线椭圆加虚线箭头 实现 实线椭圆。

  即：Order Management 实现 Place Order

  虚线椭圆：表示一种协作，是由一系列对象配合完成的，可以用时序图or协作图表示。
  

5.4 Diagrams

• Diagrams：

  Be made of things and relationships.
  Use case diagram, class diagram, sequence diagrams … and other diagrams.

• 将Things用Relationship联系起来，就形成了Diagrams

• 不同的Diagrams可以为不同的model服务
  

• 模型对 existing and planned systems 的作用

  对existing system：可以帮助理清已经做了什么，优缺点。

  对 new system：便于在此基础上添加新系统。

  对model-driven engineering process：可以产生一个完整的系统实现
  

• System perspectives 观察系统的角度
  
  静态：反映系统本身的结构特性：类、结构、部署

  动态：反映行为、状态变化、工作流程、各个对象or组件之间的交互

• Use of UML diagrams 【各种图的适用】
  

5.5 Models

5.5.1 Context models & System boundaries

Context models：

反映一个系统的边界情况，和其他系统之间的关系，在整体环境中的所处位置。

System boundaries：

1. define what is inside and what is outside the system.
2. has a profound effect on the system requirements.

例子：Mentcare系统的context model

也就是说，在开发Mentcare这个系统的时候不需要考虑Patient record等一系列系统。

5.5.2 Process models & activity diagram

过程模型：揭示大量的业务处理过程是。用UML中的activity diagram来做process model

例子：非自愿拘留的过程模式

5.5.3 Interaction models

• Interaction models 两类：

  1. Modeling system-to-system interaction ：use case diagram

  2. Modeling component interaction ：sequence diagram

• Use case models

  1. 用例最初是为了支持需求捕获Requirements elicitation而开发的，现在被合并到UML中。

  2. 每个用例代表一个离散的任务discrete task，它涉及到与系统的外部交互。

  3. 用例中的参与者Actors可能是人people或其他系统other systems。

  4. 用图表的形式表示，以提供用例的概述，并以更详细的文本形式表示。

  例子：

  Medical receptionist 发起交互，目标是Transfer data；Transfer data 发起交互，Patient record system是接收方，接收方一定有对应的接口。
  
  系统的use-case diagram是粗粒度的，概要性的，所以需要一个表格模板use-case description来描述细节
  

• Sequence diagrams

  components in system；actors和objects之间的交互。

  时序图，是在特定用例执行的时候，发生在期间的交互的顺序。

  一个用例是一个粗粒度的、概要性的功能描述，通过若干个组件和对象来协作完成用例的功能。

  序列图展现的就是若干个组件和实体以及actors之间的顺序交互，实现这个用例的过程。

  例子：Sequence diagram for View patient information
  
  第一排：objects + actor 【P是Patient Info这个类的实例or对象】

  四列：虚线表示时间线，蓝色空矩形框表示：对象的生命周期【对象从产生到消亡（撤销）的过程】

  alt矩形框：代表两种不同的情况下，认证OK和fail的情况，的两种事件流。

  【时序图，是用来详细描述，用例图，的内容】

  在用例图View patient information中：有1个actor和三个objects来交互协作，他们协作的sequence是由箭头所示。

  对象之间的交互消息，可能是程序中的方法调用【method invocation】

  系统模型可以用在分析和设计阶段建模，这章模型更多的是设计模型，因为更多是软件世界里的元素。但是如果病人病历、医院档案库、认证机构，那么这个模型就可以认为是分析模型。业务模型、分析建模、粗粒度；软件模型、设计模型、细粒度。并且分析和设计的界限比较模糊，没有统一标准。

5.5.4 Structural models

结构模型往往是静态的，但也有动态的。

表示系统的结构组织、各个类之间的结构关系，程序执行情况下的执行关系。

• Class diagrams

  是Structural models里的

  反应类之间关系的【上面讲的4种】

  在现实世界的一些系统，其中的一些事物or人可以用对象类来表示。

  分析阶段分析模型其中的一种。

  例子1：Patient和Patient record的类图
  
  例子2：Classes and associations in the MHC-PMS 【1对1 and 1对多关系】
  
  例子3：consultation类
  

• Generalization

  用泛化关系，来描述OO中父类子类的继承关系。减少复杂性manage complexity。

  例子：

  类图1：描述父类doctor和各个子类的继承关系
  
  类图2：还包含了每个类的细节
  

5.5.5 Aggregation model

5.5.6 Behavioral models

系统执行时的动态行为dynamic behavior。

描述的是一个系统在受到外部环境的触发stimulus时，系统的响应行为。

两种stimulus：

1. data：当数据到达的时候，系统会如何处理。

2. events：一些事件的发生，也会出发系统处理。

5.5.7 Data-driven modeling

5.5.8 Activity model

• Sequence model例子
  
  不是以数据为中心的，但是是处理的数据。适用于OO系统的算法设计，由多个对象合作。

  描述业务处理过程可以采用数据处理模型or时序模型，前者：工作流的顺序，后者：实体间的协作顺序。

5.5.9 Event-driven modeling

5.5.10 State machine models

例子：微波炉的状态图

5.6 Model-driven architecture（MDA）

5.6.1 brief

• 同样的，还需要对每个状态进行详细解释，见ppt20表

• 此外，状态图可以zoom in&out，从而体现不同的层次，如下是对operation的zoom in
  

• Model driven architecture（MDA）

  模型驱动的体系结构MDA，通过UML建模来产生一个Model

  可以构建不同层次的抽象模型。

  若构建的UML模型满足形式化的，有附加精确的数学定义，则可以自动出来程序

5.6.2 types of model

• Types of model

  CIM：问题域层次的抽象

  PIM：独立于实现平台，不管我是采用J2EE还是.NET。

  PSM：特定平台模型，主要是在PIM的基础上加入了特定平台的一些细节

• 从高层抽象的独立模型到可执行代码的过程
  

• Multiple platform-specific models
  

5.6.3 Agile methods and MDA

如果一个程序可以通过PIM完全自动生成，那么原则上这个程序可以用于敏捷开发。

If transformations can be completely automated and a complete program generated from a PIM, then, in principle, MDA could be used in an agile development process

5.6.4 Executable UML

• Executable UML

  前面讲的都属于半形式化模型。光靠这样的模型还不能自动生成代码completely automated transformation ，还需要加一些形式化的定义。

  UML发展到UML2，UML2 + OCL（对象约束语言） = xUML（可执行UML）

  xUML是UML的一个子集。

• Features of executable UML