1、 软件设计工具 第三次课周秉锋北京大学计算机科学技术研究所 二教316教室 北京大学 每周三，第7-9节 2017.09第1页，共38页。第四章 交互与交互图第2页，共38页。1.用交互描述软件的动态行为例子：图4.1“浏览位图”的用例图第3页，共38页。描述系统的边界：首先得出用例图每一个用例都对应系统的一个动作序列序列最初是用文本（形式的或非形式的）的方式描例如：图4.1这样的描述,精确性较差不标准UML里，直观的，标准的和面向对象的方式是：交互和交互图 活动图(Activity diagram)状态机图(State machine diagram)-描述软件系统的动态行为 交互图分为两种
2、：第4页，共38页。描述系统的边界：首先得出用例图交互图分为两种：序列图 协同图 它们在语义上是等价的 意味着可以互相转换 序列图 强调的是为实现此行为系统在时序方面的特；协同图 强调系统在结构方面的特性第5页，共38页。序列图在考察一个系统的对象的交互时 通常从序列图开始 然后将序列图转换为协同图 以分析系统在结构方面应该具备的特点 用软件实现图4.1指定的动态行为 首先 考虑系统外部和系统打交互的对象 已经在图4.1中标识 系统作用者：“用户”和“显示窗口”将这两个外部对象描绘在交互图上（图4.2）之后，十分自然地，也是“面向对象”地 考虑在系统中应该如何设置担负不同职责的软件“角色”它们
3、共同完成这一任务 这如同当人们需要互相协同来完成某一工作时，需要进行分工一样。这样的“角色，在UML中，被称为对象。Role-“Role is a prototypical object”-New in UML 2.0第6页，共38页。序列图第7页，共38页。序列图具有相同的结构和行为的所有对象，被抽象为类 这是UML中典型的“类”/“实例”两分法 在UML中，对象和类使用相同的图形符号（矩形）来标识 为了区分对象和类 在对象的名字下面用下划线以示区别 系统作用者是类的变体(stereotype)在交互图里，当变体的对象出现时 将保持此变体的图形符号第8页，共38页。消息在前面的用例中，用户和
4、系统的交互，可以分为三个连续执行的动作 1、用户在位图区域内按下鼠标左键；2、保持左键按下拖动鼠标；3、释放鼠标左键。这三个动作构成了系统作用者和系统的联系 每一动作都相当于向系统发出了一个命令 系统必须在内部执行相应的操作 以正确响应这命令。这命令，在UML里被称为 消息(message)第9页，共38页。对象的设置消息在对象间传递，用于启动目标对象内部的某些操作。在考虑系统内部对象的设置时 出于系统“外壳与系统内核的区分的考虑 专设一个对象用于接收用户传来的鼠标消息 这就是“接收鼠标消息这一对象的用途 这对象收到操作系统传来鼠标消息后，把它传给 为“浏览位图这个工具专设的对象：“处理鼠标消
5、息，它把由操作系统传来的无特定语义的鼠标消息 解释为“浏览位图赋予它们的语义 并发送消息给bmpviewer的系统内核里的对象 （系统数据），执行具体的操作。第10页，共38页。2.对象在UML里，对象指的是某一种抽象的坚实存在，它是封装了状态和行为的具有明确边界和身份的实体。具有相同的结构和行为的对象，在UML里被称为类。因此，对象应该和某一类相对应。UML里，对象使用与其对应的类一样的图符。为了使对象的图符和类的图符相区别，图符中对象的名字下面加有下划线（图4.3）。对象的名字 在对象的名字后面标上此对象的实现类的名字 对象名和类名之间用冒号分开。对象名可以缺失 只写此对象对应的实现类的名
6、字 表示它是此类的一个对象 只标记类而不标记对象名的对象称为匿名对象(anonymous object)。标记名字的对象称为记名对象记名对象(named object)。第11页，共38页。2.对象对象、对象名、类名图4.3 对象、对象名、类名第12页，共38页。3.消息对象间的互相合作与交互表现为一个对象以某种方式启动另一个对象的活动这种交互在UML里被定义为消息消息 消息是对对象间的一种信息的通讯的描述，此信息期望在通讯完成之后，某一活动会随之发生消息相当于向目标对象发送了一条命令，此命令启动了目标对象的一个动作动作一般通过函数调用(call)启动但也可以通过其它方式第13页，共38页。3
7、.消息消息所能采取的形式：调用调用(call)：启动一个对象里的操作。操作是对象的类所能提供的服务的实现。调用消息一般是顺序执行的。返回返回(return)：操作向调用者返回一个值。发送发送(send)：向一个对象发送一个信号。发送消息是异步消息 意味着发送消息的对象在发送了消息给目标对象后，不论目标对象是否接受此消息，它都继续进行下一消息的发送。创建创建（create）：此消息的发送导致目标对象被创建。销毁销毁(destroy)：此消息的发送导致目标对象被销毁。第14页，共38页。3.消息消息的表示 在UIIL里，消息用箭头表示 此箭头从发送消息的对象指向接收消息的对象 在消息的各种形式中
8、创建和销毁消息 用消息的变体来表示 返回消息 用带虚线的箭头表示 发送消息 发送消息又称为异步消息 用半箭头表示 调用消息 调用消息又称为简单(simple)消息 用整箭头表示。（图4.4）第15页，共38页。3.消息图4.4 消息的发送形式第16页，共38页。3.消息消息的表示 消息可以有名字 它列在消息的箭头的直线上 如果对象的实现类已经确定 则此名字可以标记为实现类的某一操作的定义 例如，C/C+语言里的函数定义等消息的发送是有顺序的 此顺序由它在序列图垂直方向上的位置决定 垂直方向靠近序列图的顶端的消息先执行 靠近序列图底部的消息后执行 因此每一消息都有一顺序号 图4.5消息、消息名和
9、消息顺序号（单调顺序号）第17页，共38页。3.消息消息的顺序号 此顺序号可前缀于消息的名字前面 它们之间用冒号分隔（图4.5）。顺序号分为两种：单调顺序号(flat sequence)单调顺序号严格按照消息的发送顺序排列 如：1，2，3，等等（图4.5）图4.5 消息、消息名和消息顺序号（单调顺序号）第18页，共38页。3.消息过程顺序号(procedual sequence)过程顺序号是嵌套式的 当一个消息启动了另一个消息序列时，此消息序列内的各消息就可以重新开始编号。如：消息2发送后，启动了其后的一系列消息，则这些消息就可以编号为2.1,2.2,2.3，等等（图4.6）。图4.6过程顺序
10、号第19页，共38页。4.交互软件系统中的任务是通过对象之间的合作来完成的。对象之间的合作是通过对象之间的消息的传递实现的。对象之间的合作在UML里被称为交互。交互是为达某一目的而在一组对象之间进行消息交换的的行为。交互可以对软件系统为实现某一任务而必须实施的动态行为进行建模。交互的所包含的UML建模元素包括 对象或角色（role）消息 它们必须通过某种载体表现出来 在UML中，此载体就是交互图交互图。第20页，共38页。5.交互图交互图的定义 交互图交互图描述了一个交互，其中包括了一系列的对象及其关系以及通过这些关系在对象之间传递的消息。交互图可分为两类：序列图序列图 协同图协同图 它们在语
11、义上是等价的 这意味序列图和协同图内部包含的信息是相同的 因此两图可以互相推导 如果通过工具，它们可以互相自动转换 交互图交互图可以为软件系统的下列构成的对象的动态行为进行建模：类 接口 部件（成品）节点第21页，共38页。5.交互图交互图中的这些对象(角色)可以处于一个或多个场景中以实现相应的用例所规定的任务通过用交互图进行建模，可以对这些交互所涉及的各对象的动态特性进行视化说明建造建档。第22页，共38页。6.序列图 序列图的定义序列图的定义序列图是交互图的一种,它强调的是消息发送的时间的先后顺序。序列图的构成序列图的构成参加交互的各对象在序列图的顶端沿水平方向排列对象之间传递的消息消息
12、用箭头表示,水平放置,沿垂直方向排列 在垂直方向上越靠近序列图顶端的消息越先发送 从而给出了消息被发送的先后顺序的明确而直观的表示每个对象的底部中心都绘有一个垂直虚线当一个对象向另一个对象发送消息时 消息符号始于发送对象底部的虚线 终止于接受对象底部的虚线这条虚线被称为对象生存线(object lifeline)对象生存线代表一个对象在一个时间段内的存在 如果在序列图上某一对象收到了创建消息或销毁消息,则此对象的生存期 开始于它收到创建消息的时刻,终止于收到销毁消息的时刻.第23页，共38页。6.序列图图4.7 序列图、对象生存线、控制焦点第24页，共38页。6.序列图 动作(Action)当
13、一个对象收到了消息后，此对象把消息当做执行某种动作的命令。在UML里，一个动作(Action)被定义为：动作是一系列的可执行的元计算(atomic computation)的执行，这些元计算的执行可导致系统状态的变化或某一值的返回。函数的执行就是动作的典型的例子。动作有明确的开始时刻和终止时刻。在动作的执行过程中，会导致其它一系列的消息的顺序发送 一个典型的例子是：函数调用其它函数第25页，共38页。6.序列图 控制焦点 在UML里，由消息引发的动作的执行过程被描述为控制焦点控制焦点 定义：控制焦点控制焦点代表一个对象直接地或通过一个子过程间接地执行一个动作的那段时间。绘制绘制：它由位于对象生
14、存线上的一个窄长方形代表 控制焦点长方形的顶端代表动作的开始时刻 底端代表动作的结束时刻。控制焦点可以理解为是C语言中一对花括号 (“”)内的内容第26页，共38页。6.序列图控制焦点的嵌套动作的执行可以引起其它消息的发送从而对应子动作的执行 就产生了控制焦点的嵌套控制焦点的嵌套的表示另一个控制焦点向右叠放在父控制焦点上子控制焦点中消息发送的顺序号可以用过程顺序号表示（图4.7）。对象生存线和控制焦点是序列图所特有的它不在协同图里出现。第27页，共38页。7、协同图协同图是交互图的另一种表现形式。它在语义上和交互图是等价的（图4.8）图4.8 协同图、消息、连接第28页，共38页。7、协同图协
15、同图强调的是参加一个交互的各对象的组织协同图的构成：对象连接在此连接上传递的消息图4.8 协同图、消息、连接第29页，共38页。7、协同图连接(link)的定义在UML里，连接(link)被定义为对象之间的语义联系。连接是类之间的关联关系实例。在序列图中，两个对象之间有消息传递 意味这它们之间在语义上存在着联系 所以它们的对象之间存在着连接关系 反之，只要对象之间存在着连接关系 就可以在它们之间发送消息。连接的表示 在协同图上，连接用对象之间相连的直线来表示。连接可以有名字，它标在表示连接的直线上。如果在有消息借助此连接关系传递 则把消息的图符沿直线方向绘制，消息的箭头指向接受消息的对象。由于
16、仅从图符的绘制上无法在协同图上读出消息发送的顺序 所以通常在消息上保留对应的序列图的消息顺序号。第30页，共38页。7、协同图连接的通路(path)连接表明两个对象之间有语义连接 也意味着两对象之间是可以互相访问的 但具体是通过什么方式使两个对象成为互相可见？两对象之间的连接可以有多种形式。例如：通过类的成员变量使对象可见 使两对象位于程序的全局使它们互相可见。使两对象位于局部作用域使它们互相可见。UML为连接关系指定了四种特定的变体 来描述对象连接的方式 这四种变体统一称为通路(path)通路用于分别指定位于连接两端的对象的 可见方式第31页，共38页。7、协同图通路的四种形式：1Field
17、：对像能被另一个对象看见，是由于此对象是另一个对象的一部分。例如，如果一个对象是另一个对象的成员变量，那么另一个对象肯定可以访问此对象。2Parameter（参数）：对象能被另一个对象看见，是因为此对象是另一对象的某一操作的参数。3Local（局部）：此对象能被另一对象看见，是因为此对象存在于另一对象的局部作用域中。例如：某一对象是另一对象的某个函数的局部变量，就可以用此路径描述。4Global（全局）：此对象能被另一对象看见，是因为此对象存在于全局作用域中。通路和连接只能在协同图里描绘。在UML 2.0里，被称为 Communication Diagram第32页，共38页。7、协同图图4.
18、9 连接的通路第33页，共38页。8、建模指南交互图是连接系统边界和系统内部的重要桥梁 当一个待建造的系统的需求分析由用例图描述清楚之后 交互图决定了 系统的动态行为 以及为实现此动态行为系统应具备的合理的结构 在绘制交互图时，先描绘相应的序列图 根据已有的用例图绘制 绘制序列图时，应 考虑软件系统的边界 考虑系统作用者和系统的交互，考虑系统为实现这交互内部应设置的 对象 及其职责第34页，共38页。8、建模指南 在设置对象时 应顾及软件结构的合理性、软件部件的可重用性、可维护性、可移植性。然后，在序列图上，用对象之间的消息，定义各对象之间为实现系统的功能而进行的交互。在描述消息序列时 使用控
19、制焦点来突出为实现特定的动作所需的消息子序列 动作的嵌套通过控制焦点的嵌套来描述 嵌套的消息序列的顺序 使用过程顺序号来标识 序列图设计完成后 把它转换为协同图 以进一步考察软件的组织结构 为下一步设计类图作准备。第35页，共38页。8、建模指南绘制交互图时 应注意模型图的组织 对于复杂的建模问题 依照分治的原则 用多张交互图分别描述 例如 一个用例的多个场景分别表示的多个事件流程 可以用不同的交互图描述 要充分利用UML的 模型包的机制 标注的机制 使问题的描述有合理清晰的结构第36页，共38页。8、建模指南绘制序列图时 要突出问题的重点 省略对描述问题无关紧要的细节问题 应有节制地在序列图上描述复杂的分支循环结构 无关紧要的分支循环可留到程序设计时解决 重要而复杂的分支循环，可用活动图来描述。第37页，共38页。作业作业作业1：为“位图浏览工具的一项功能“位图放大(Zoom In)设计用例图和序列图。Zoom In的功能描述如下：如果用户将鼠标移动至位图内部，然后按下鼠标左键移动，则在显示窗口内用橡皮带的方式画出一个矩形，当释放鼠标左键后，将此矩形内部的内容放大显示至显示窗口内部。作业作业2：利用“场景”的概念，在用例图上为“位图浏览工具”中的“打开文件”功能标识主要事件流和次要事件流，并用序列图描述它们的交互。第38页，共38页。
