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在面向对象技术中,对象间的交互是通过对象间消息的传递来完成的。在UML的四个动态模型中均用到消息这个概念。通常,当一个对象调用另一个对象中的操作时,即完成了一次消息传递。当操作执行后,控制便返回到调用者。对象通过相互间的通信(消息传递)进行合作,并在其生命周期中根据通信的结果不断改变自身的状态。 在UML中,消息的图形表示是用带有箭头的线段将消息的发送者和接收者联系起来,箭头的类型表示消息的类型,如图2所示。
UML定义的消息类型有三种: 简单消息(Simple Message) 表示简单的控制流。用于描述控制如何在对象间进行传递,而不考虑通信的细节。 同步消息(Synchronous Message) 表示嵌套的控制流。操作的调用是一种典型的同步消息。调用者发出消息后必须等待消息返回,只有当处理消息的操作执行完毕后,调用者才可继续执行自己的操作。 异步消息(Asynchronous Message) 表示异步控制流。当调用者发出消息后不用等待消息的返回即可继续执行自己的操作。异步消息主要用于描述实时系统中的并发行为。
状态图(State Diagram)用来描述一个特定对象的所有可能状态及其引起状态转移的事件。大多数面向对象技术都用状态图表示单个对象在其生命周期中的行为。一个状态图包括一系列的状态以及状态之间的转移。 (1) 状态 所有对象都具有状态,状态是对象执行了一系列活动的结果。当某个事件发生后,对象的状态将发生变化。状态图中定义的状态有:初态、终态、中间状态、复合状态。其中,初态是状态图的起始点,而终态则是状态图的终点。一个状态图只能有一个初态,而终态则可以有多个。 中间状态包括两个区域:名字域和内部转移域,如图3所示。图中内部转移域是可选的,其中所列的动作将在对象处于该状态时执行,且该动作的执行并不改变对象的状态。
一个状态可以进一步地细化为多个子状态,我们将可以进一步细化的状态称作复合状态。子状态之间有"或关系"和"与关系"两种关系。或关系(如图4)说明在某一时刻仅可到达一个子状态。例如,一个处于行驶状态的汽车,在"行驶"这个复合状态中有向前和向后两个不同的子状态,在某一时刻汽车要么向前,要么向后。与关系( 如图5)说明复合状态中在某一时刻可同时到达多个子状态(称为并发子状态)。具有并发子状态的状态图称为并发状态图。
(2) 转移 状态图中状态之间带箭头的连线被称为转移。状态的变迁通常是由事件触发的,此时应在转移上标出触发转移的事件表达式。如果转移上未标明事件,则表示在源状态的内部活动执行完毕后自动触发转移。
顺序图(Sequence Diagram)用来描述对象之间动态的交互关系,着重体现对象间消息传递的时间顺序。顺序图存在两个轴:水平轴表示不同的对象,垂直轴表示时间。顺序图中的对象用一个带有垂直虚线的矩形框表示,并标有对象名和类名。垂直虚线是对象的生命线,用于表示在某段时间内对象是存在的。对象间的通信通过在对象的生命线间画消息来表示。消息的箭头指明消息的类型。 顺序图中的消息可以是信号(Signal)、操作调用或类似于C++中的RPC(RemoteProce dure Calls)和Java中的RMI(Remote Method Invocation)。当收到消息时,接收对象立即开始执行活动,即对象被激活了。通过在对象生命线上显示一个细长矩形框来表示激活。 消息可以用消息名及参数来标识。消息也可带有顺序号,但较少使用。消息还可带有条件表达式,表示分支或决定是否发送消息。如果用于表示分支,则每个分支是相互排斥的,即在某一时刻仅可发送分支中的一个消息。 在顺序图的左边可以有说明信息,用于说明消息发送的时刻、描述动作的执行情况以及约束信息等。一个典型的例子就是用于说明一个消息是重复发送的。另外,可以定义两个消息间的时间限制。 一个对象可以通过发送消息来创建另一个对象,当一个对象被删除或自我删除时,该对象用"X"标识。 另外,在很多算法中,递归是一种很重要的技术。当一个操作直接或间接调用自身时,即发生了递归。产生递归的消息总是同步消息,返回消息应是一个简单消息。
4. 合作图
合作图(Collaboration Diagram)用于描述相互合作的对象间的交互关系和链接关系。虽然顺序图和合作图都用来描述对象间的交互关系,但侧重点不一样。顺序图着重体现交互的时间顺序,合作图则着重体现交互对象间的静态链接关系。 合作图中对象的外观与顺序图中的一样。如果一个对象在消息的交互中被创建,则可在对象名称之后标以{new}。类似地,如果一个对象在交互期间被删除,则可在对象名称之后标以{destroy}。对象间的链接关系类似于类图中的联系(但无多重性标志)。通过在对象间的链接上标志带有消息串的消息(简单、异步或同步消息)来表达对象间的消息传递。 (1) 链接 链接用于表示对象间的各种关系,包括组成关系的链接(Composition Li nk)、聚集关系的链接(Aggregation Link)、限定关系的链接(Qualified Link)以及导航链接(Navigation Link)。各种链接关系与类图中的定义相同,在链接的端点位置可以显示对象的角色名和模板信息。 (2) 消息流 在合作图的链接线上,可以用带有消息串的消息来描述对象间的交互。消息的箭头指明消息的流动方向。消息串说明要发送的消息、消息的参数、消息的返回值以及消息的序列号等信息。
5. 活动图(Activity Diagram)
活动图的应用非常广泛,它既可用来描述操作(类的方法)的行为,也可以描述用例和对象内部的工作过程。活动图是由状态图变化而来的,它们各自用于不同的目的。活动图依据对象状态的变化来捕获动作(将要执行的工作或活动)与动作的结果。活动图中一个活动结束后将立即进入下一个活动(在状态图中状态的变迁可能需要事件的触发)。图1给出了一个活动图的例子。
活动和转移 一项操作可以描述为一系列相关的活动。活动仅有一个起始点,但可以有多个结束点。活动间的转移允许带有guard-condition、send-clause和action-expression,其语法与状态图中定义的相同。一个活动可以顺序地跟在另一个活动之后,这是简单的顺序关系。如果在活动图中使用一个菱形的判断标志,则可以表达条件关系(见图1),判断标志可以有多个输入和输出转移,但在活动的运作中仅触发其中的一个输出转移。 活动图对表示并发行为也很有用。在活动图中,使用一个称为同步条的水平粗线可以将一条转移分为多个并发执行的分支,或将多个转移合为一条转移。此时,只有输入的转移全部有效,同步条才会触发转移,进而执行后面的活动,如图2所示。
泳道 活动图告诉你发生了什么,但没有告诉你该项活动由谁来完成。在程序设计中,这意味着活动图没有描述出各个活动由哪个类来完成。泳道解决了这一问题。它将活动图的逻辑描述与顺序图、合作图的责任描述结合起来。如图2所示,泳道用矩形框来表示,属于某个泳道的活动放在该矩形框内,将对象名放在矩形框的顶部,表示泳道中的活动由该对象负责。
对象 在活动图中可以出现对象。对象可以作为活动的输入或输出,对象与活动间的输入/输出关系由虚线箭头来表示。如果仅表示对象受到某一活动的影响,则可用不带箭头的虚线来连接对象与活动,如图2所示。
信号 如图3所示,在活动图中可以表示信号的发送与接收,分别用发送和接收标志来表示。发送和接收标志也可与对象相连,用于表示消息的发送者和接收者。
上面对UML中用于描述系统动态行为的四个图(状态图、顺序图、合作图和活动图)做了简单地介绍。这四个图均可用于系统的动态建模,但它们各自的侧重点不同,分别用于不同的目的。下面对如何正确使用这几个图做一简单的总结,在实际的建模过程中要根据具体情况灵活运用这些建议。 首先,不要对系统中的每个类都画状态图。尽管这样做很完美,但太浪费精力,其实你可能只关心某些类的行为。正确的做法是:为帮助理解类而画它的状态图。状态图描述跨越多个用例的单个对象的行为,而不适合描述多个对象间的行为合作。为此,常将状态图与其它技术(如顺序图、合作图和活动图)组合使用。 顺序图和合作图适合描述单个用例中几个对象的行为。其中顺序图突出对象间交互的顺序,而合作图的布局方法能更清楚地表示出对象之间静态的连接关系。当行为较为简单时,顺序图和合作图是最好的选择。但当行为比变复杂时,这两个图将失去其清晰度。因此,如果想显示跨越多用例或多线程的复杂行为,可考虑使用活动图。另外,顺序图和合作图仅适合描述对象之间的合作关系,而不适合对行为进行精确定义,如果想描述跨越多个用例的单个对象的行为,应当使用状态图。
