軟件建模與設計：UML、用例、模式和軟件體系結構

Software Modeling & Design: UML, Use Cases, Patterns, & Software Architectures
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第一部分　概覽
第1章　引言 2
1.1　軟件建模 2
1.2　面向對象方法與統(tǒng)一建模語言 2
1.3　軟件體系結構設計 3
1.4　方法和表示法 3
1.5　COMET：一種基于UML的軟件應用建模和設計方法 4
1.6　UML標準 4
1.7　軟件體系結構的多視圖 5
1.8　軟件建模和設計方法的發(fā)展 5
1.9　面向對象分析和設計方法的發(fā)展 7
1.10　并發(fā)、分布式和實時設計方法 8
1.11　總結 8
練習 8
第2章　UML表示法概述 10
2.1　UML圖 10
2.2　用例圖 10
2.3　類和對象 11
2.4　類圖 12
2.4.1　關聯(lián) 12
2.4.2　聚合和組合層次 12
2.4.3　泛化和特化層次 13
2.4.4　可見性 13
2.5　交互圖 13
2.5.1　通信圖 13
2.5.2　順序圖 13
2.6　狀態(tài)機圖 14
2.7　包 15
2.8　并發(fā)通信圖 16
2.9　部署圖 17
2.10　UML擴展機制 17
2.10.1　構造型 18
2.10.2　標記值 18
2.10.3　約束 18
2.11　本書的約定 19
2.11.1　需求建模 19
2.11.2　分析建模 19
2.11.3　設計建模 20
2.12　總結 20
練習 20
第3章　軟件生存周期模型和過程 22
3.1　軟件生存周期模型 22
3.1.1　瀑布生存周期模型 22
3.1.2　瀑布模型的局限性 22
3.1.3　拋棄型原型 24
3.1.4　通過增量開發(fā)的演化式原型 24
3.1.5　拋棄型原型和增量開發(fā)的結合 24
3.1.6　螺旋模型 27
3.1.7　統(tǒng)一軟件開發(fā)過程 27
3.2　設計驗證和確認 28
3.2.1　軟件質量保證 29
3.2.2　軟件設計的性能分析 29
3.3　軟件生存周期的活動 29
3.3.1　需求分析和規(guī)約 29
3.3.2　體系結構設計 29
3.3.3　詳細設計 30
3.3.4　編碼 30
3.4　軟件測試 30
3.4.1　單元測試 30
3.4.2　集成測試 30
3.4.3　系統(tǒng)測試 30
3.4.4　驗收測試 30
3.5　總結 31
練習 31
第4章　軟件設計和體系結構概念 32
4.1　面向對象概念 32
4.2　信息隱藏 33
4.2.1　面向對象設計中的信息隱藏 34
4.2.2　信息隱藏示例 34
4.2.3　設計信息隱藏對象 36
4.3　繼承和泛化/特化 36
4.4　并發(fā)處理 37
4.4.1　順序應用與并發(fā)應用 38
4.4.2　并發(fā)對象 38
4.4.3　并發(fā)對象間的協(xié)作 38
4.4.4　同步問題 38
4.4.5　生產(chǎn)者/消費者問題 40
4.4.6　異步消息通信 40
4.4.7　帶回復的同步消息通信 40
4.5　設計模式 41
4.6　軟件體系結構和構件 41
4.6.1　構件和構件接口 42
4.6.2　連接器 42
4.7　軟件質量屬性 42
4.8　總結 42
練習 43
第5章　軟件建模和設計方法概覽 44
5.1　COMET基于用例的軟件生存周期 44
5.1.1　需求建模 44
5.1.2　分析建模 44
5.1.3　設計建模 44
5.1.4　增量軟件構建 46
5.1.5　增量軟件集成 46
5.1.6　系統(tǒng)測試 46
5.2　COMET生存周期與其他軟件過程的比較 46
5.2.1　COMET生存周期與統(tǒng)一軟件開發(fā)過程對比 46
5.2.2　COMET生存周期與螺旋模型對比 47
5.3　需求、分析和設計建模 47
5.3.1　需求建模中的活動 47
5.3.2　分析建模中的活動 47
5.3.3　設計建模中的活動 48
5.4　設計軟件體系結構 48
5.5　總結 49
練習 49
第二部分　軟件建模
第6章　用例建模 52
6.1　需求建模 52
6.1.1　需求分析 52
6.1.2　需求規(guī)約 53
6.1.3　軟件需求規(guī)約的質量屬性 53
6.2　用例 54
6.3　參與者 55
6.3.1　參與者、角色和用戶 55
6.3.2　主要和次要參與者 55
6.3.3　對參與者建模 55
6.3.4　誰是參與者 57
6.4　標識用例 57
6.5　用例模型中文檔化用例 57
6.6　用例描述示例 58
6.7　用例關系 59
6.8　包含關系 59
6.8.1　包含關系和包含用例示例 60
6.8.2　結構化冗長的用例 61
6.9　擴展關系 61
6.9.1　擴展點 62
6.9.2　擴展點和擴展用例示例 62
6.10　用例組織指南 64
6.11　規(guī)定非功能性需求 64
6.12　用例包 65
6.13　活動圖 65
6.14　總結 66
練習 67
第7章　靜態(tài)建模 68
7.1　類之間的關聯(lián) 68
7.1.1　類圖描述關聯(lián) 68
7.1.2　關聯(lián)的多重性 69
7.1.3　三元關聯(lián) 71
7.1.4　一元關聯(lián) 71
7.1.5　關聯(lián)類 71
7.2　組合和聚合層次 72
7.3　泛化/特化層次 73
7.4　約束 73
7.5　靜態(tài)建模和UML 74
7.6　系統(tǒng)上下文的靜態(tài)建模 75
7.7　使用UML構造型對類分類 76
7.8　外部類建模 77
7.8.1　從外部類開發(fā)軟件系統(tǒng)上下文類圖示例 78
7.8.2　參與者和外部類 78
7.8.3　從參與者開發(fā)軟件系統(tǒng)上下文類圖示例 79
7.9　實體類的靜態(tài)建模 80
7.10　總結 81
練習 82
第8章　對象和類組織 83
8.1　對象和類的組織準則 83
8.2　對應用類和對象建模 83
8.3　對象和類的組織分類 84
8.4　外部類與軟件邊界類 85
8.5　邊界類和對象 85
8.5.1　用戶交互對象 85
8.5.2　代理對象 86
8.5.3　設備I/O邊界對象 87
8.5.4　描述外部類和邊界類 88
8.6　實體類和對象 89
8.7　控制類和對象 90
8.7.1　協(xié)調者對象 90
8.7.2　狀態(tài)相關的控制對象 91
8.7.3　計時器對象 91
8.8　應用邏輯類和對象 92
8.8.1　業(yè)務邏輯對象 92
8.8.2　算法對象 92
8.8.3　服務對象 94
8.9　總結 94
練習 94
第9章　動態(tài)交互建模 96
9.1　對象交互建模 96
9.1.1　通信圖 96
9.1.2　順序圖 97
9.1.3　對象交互建模的分析和設計決策 97
9.1.4　順序圖和通信圖對比 98
9.1.5　用例和場景 98
9.1.6　通用和實例形式的交互圖 99
9.2　交互圖上的消息序列編號 99
9.2.1　交互圖上的消息標簽 99
9.2.2　交互圖上的消息序列編號 100
9.2.3　并發(fā)和可替換的消息序列 100
9.2.4　消息序列描述 101
9.3　動態(tài)交互建模 101
9.4　無狀態(tài)動態(tài)交互建模 101
9.5　無狀態(tài)動態(tài)交互建模示例 102
9.5.1　查看警報示例 102
9.5.2　下單請求示例 103
9.6　總結 110
練習 110
第10章　有限狀態(tài)機 112
10.1　有限狀態(tài)機和狀態(tài)轉換 112
10.1.1　事件 112
10.1.2　狀態(tài) 113
10.2　狀態(tài)圖示例 113
10.2.1　ATM狀態(tài)圖示例 113
10.2.2　微波爐狀態(tài)圖示例 115
10.3　事件和警戒條件 116
10.4　動作 117
10.4.1　狀態(tài)轉換中的動作 117
10.4.2　進入動作 119
10.4.3　退出動作 119
10.5　層次化狀態(tài)圖 120
10.5.1　層次化狀態(tài)分解 121
10.5.2　復合狀態(tài) 121
10.5.3　狀態(tài)轉換的聚合 121
10.5.4　正交狀態(tài)圖 122
10.6　開發(fā)狀態(tài)圖的指導原則 123
10.7　從用例開發(fā)狀態(tài)圖 124
10.8　從用例開發(fā)狀態(tài)圖示例 125
10.8.1　為每個用例開發(fā)狀態(tài)圖 125
10.8.2　考慮可替換序列 126
10.8.3　開發(fā)集成的狀態(tài)圖 126
10.8.4　開發(fā)層次化狀態(tài)圖 128
10.9　總結 129
練習 130
第11章　狀態(tài)相關的動態(tài)交互建模 132
11.1　狀態(tài)相關的動態(tài)交互建模中的步驟 132
11.2　使用交互圖和狀態(tài)圖對交互場景建模 132
11.3　狀態(tài)相關的動態(tài)交互建模示例：銀行系統(tǒng) 133
11.3.1　確定主序列 133
11.3.2　確定可替換序列 135
11.3.3　主序列：有效PIN碼 136
11.3.4　可替換序列：無效PIN碼 136
11.3.5　可替換序列：第三次無效PIN碼 137
11.3.6　可替換序列：被盜的或過期的卡片 137
11.3.7　所有場景通用的交互圖 138
11.3.8　控制對象和狀態(tài)圖的編序 138
11.4　總結 140
練習 141
第三部分　軟件體系結構設計
第12章　軟件體系結構概覽 144
12.1　軟件體系結構以及基于構件的軟件體系結構 144
12.1.1　基于構件的軟件體系結構 144
12.1.2　體系結構構造型 145
12.2　軟件體系結構的多視圖 145
12.2.1　軟件體系結構的結構視圖 145
12.2.2　軟件體系結構的動態(tài)視圖 145
12.2.3　軟件體系結構的部署視圖 147
12.3　軟件體系結構模式 147
12.3.1　抽象分層體系結構模式 148
12.3.2　調用/返回模式 150
12.3.3　異步消息通信模式 150
12.3.4　帶回復的同步消息通信模式 153
12.4　描述軟件體系結構模式 153
12.5　接口設計 154
12.6　設計軟件體系結構 155
12.7　總結 157
練習 157
第13章　軟件子系統(tǒng)體系結構設計 159
13.1　軟件體系結構設計中的問題 159
13.2　集成通信圖 160
13.3　子系統(tǒng)設計中的關注點分離 162
13.3.1　復合對象 162
13.3.2　地理位置 164
13.3.3　客戶端和服務 164
13.3.4　用戶交互 164
13.3.5　外部對象的接口 164
13.3.6　控制范圍 165
13.4　子系統(tǒng)組織準則 166
13.4.1　客戶端子系統(tǒng) 166
13.4.2　用戶交互子系統(tǒng) 166
13.4.3　服務子系統(tǒng) 168
13.4.4　控制子系統(tǒng) 168
13.4.5　協(xié)調者子系統(tǒng) 169
13.4.6　輸入/輸出子系統(tǒng) 170
13.5　子系統(tǒng)間消息通信的決策 170
13.6　總結 172
練習 172
第14章　設計面向對象的軟件體系結構 174
14.1　面向對象的軟件體系結構的概念、體系結構和模式 174
14.2　設計信息隱藏類 174
14.3　設計類接口和操作 175
14.3.1　基于交互模型設計類操作 175
14.3.2　基于交互模型設計類操作示例 176
14.3.3　基于靜態(tài)模型設計類操作 177
14.4　數(shù)據(jù)抽象類 177
14.5　狀態(tài)機類 178
14.6　圖形用戶交互類 179
14.7　業(yè)務邏輯類 180
14.8　設計中的繼承 180
14.8.1　類繼承 180
14.8.2　抽象類 182
14.8.3　抽象類和子類示例 182
14.8.4　抽象超類和子類設計 184
14.9　類接口規(guī)約 185
14.10　信息隱藏類的詳細設計 186
14.10.1　賬戶抽象超類的詳細設計 187
14.10.2　支票賬戶子類的詳細設計 187
14.10.3　儲蓄賬戶子類的詳細設計 188
14.11　多態(tài)和動態(tài)綁定 188
14.12　Java中類的實現(xiàn) 189
14.13　總結 190
練習 190
第15章　設計客戶端/服務器軟件體系結構 192
15.1　客戶端/服務器體系結構的概念、體系結構和模式 192
15.2　客戶端/服務軟件體系結構的結構模式 192
15.2.1　多客戶端/單服務體系結構模式 192
15.2.2　多客戶端/多服務體系結構模式 194
15.2.3　多層客戶端/服務體系結構模式 195
15.3　客戶端/服務器體系結構的通信模式 195
15.3.1　帶回復的同步消息通信模式 196
15.3.2　帶回調的異步消息通信模式 196
15.4　客戶端/服務器系統(tǒng)的中間件 197
15.4.1　客戶端/服務器系統(tǒng)平臺 197
15.4.2　Java遠程方法調用 198
15.5　服務子系統(tǒng)的設計 199
15.5.1　順序性服務的設計 199
15.5.2　順序性服務設計示例 199
15.5.3　并發(fā)服務設計 200
15.6　包裝器類的設計 202
15.6.1　數(shù)據(jù)庫包裝器類的設計 202
15.6.2　數(shù)據(jù)庫包裝器類示例 202
15.7　從靜態(tài)模型到關系數(shù)據(jù)庫的設計 203
15.7.1　關系數(shù)據(jù)庫概念 203
15.7.2　確定主鍵 204
15.7.3　將關聯(lián)映射到外鍵 204
15.7.4　將關聯(lián)類映射到關聯(lián)表 205
15.7.5　將整體/部分關系映射到關系數(shù)據(jù)庫 206
15.7.6　將泛化/特化關系映射到關系數(shù)據(jù)庫 207
15.8　總結 208
練習 208
第16章　設計面向服務的體系結構 210
16.1　面向服務的體系結構的概念、體系結構和模式 210
16.2　軟件體系結構代理者模式 211
16.2.1　服務注冊模式 211
16.2.2　代理者轉發(fā)模式 212
16.2.3　代理者句柄模式 212
16.2.4　服務發(fā)現(xiàn)模式 213
16.3　面向服務的體系結構的技術支持 214
16.3.1　Web服務協(xié)議 214
16.3.2　Web服務 214
16.3.3　注冊服務 214
16.3.4　代理和發(fā)現(xiàn)服務 215
16.4　軟件體系結構事務模式 215
16.4.1　兩階段提交協(xié)議模式 216
16.4.2　復合事務模式 218
16.4.3　長事務模式 218
16.5　協(xié)商模式 219
16.6　面向服務體系結構中的服務接口設計 221
16.7　面向服務體系結構中的服務協(xié)調 222
16.8　設計面向服務的體系結構 223
16.9　服務復用 225
16.10　總結 225
練習 225
第17章　設計基于構件的軟件體系結構 227
17.1　基于構件的軟件體系結構的概念、體系結構和模式 227
17.2　設計基于構件的分布式軟件體系結構 228
17.3　復合子系統(tǒng)和構件 228
17.4　使用UML建模構件 229
17.4.1　構件接口設計 229
17.4.2　供給和請求接口 230
17.4.3　連接器和交互構件 230
17.4.4　設計復合構件 231
17.5　構件組織準則 232
17.5.1　與物理數(shù)據(jù)源的鄰近性 232
17.5.2　局部自治性 232
17.5.3　性能 233
17.5.4　特定硬件 233
17.5.5　I/O構件 234
17.6　組消息通信模式 234
17.6.1　廣播消息通信模式 234
17.6.2　訂閱/通知消息通信模式 234
17.6.3　使用訂閱和通知的并發(fā)服務設計 236
17.7　應用部署 237
17.7.1　應用部署事務 237
17.7.2　應用部署示例 239
17.8　總結 239
練習 239
第18章　設計并發(fā)和實時軟件體系結構 241
18.1　并發(fā)和實時軟件體系結構的概念、體系結構及模式 241
18.2　實時系統(tǒng)的特點 241
18.3　實時軟件體系結構中的控制模式 242
18.3.1　集中式控制體系結構模式 242
18.3.2　分布式控制體系結構模式 242
18.3.3　層次化控制體系結構模式 243
18.4　并發(fā)任務組織 244
18.5　I/O任務組織準則 244
18.5.1　事件驅動I/O任務 244
18.5.2　周期性I/O任務 245
18.5.3　按需驅動I/O任務 247
18.6　內部任務組織準則 248
18.6.1　周期性任務 248
18.6.2　按需驅動任務 248
18.6.3　控制任務 249
18.6.4　用戶交互任務 250
18.7　開發(fā)并發(fā)任務體系結構 252
18.8　任務通信和同步 254
18.8.1　異步（松耦合）消息通信 254
18.8.2　帶回復的同步（緊耦合）消息通信 254
18.8.3　不帶回復的同步（緊耦合）消息通信 255
18.8.4　事件同步 255
18.8.5　信息隱藏對象上的任務交互 256
18.8.6　修正的并發(fā)通信圖 257
18.9　任務接口和任務行為規(guī)約 257
18.9.1　針對銀行服務任務的TIS示例 259
18.9.2　針對讀卡器接口任務的TIS示例 259
18.10　Java中并發(fā)任務的實現(xiàn) 260
18.11　總結 260
練習 261
第19章　設計軟件產(chǎn)品線體系結構 262
19.1　演化軟件產(chǎn)品線工程 262
19.2　軟件產(chǎn)品線的需求建模 263
19.2.1　軟件產(chǎn)品線的用例建模 263
19.2.2　特征建模 264
19.3　軟件產(chǎn)品線的分析建模 266
19.3.1　軟件產(chǎn)品線的靜態(tài)建模 266
19.3.2　軟件產(chǎn)品線的動態(tài)交互建模 266
19.4　軟件產(chǎn)品線的動態(tài)狀態(tài)機建模 268
19.5　軟件產(chǎn)品線的設計建模 269
19.5.1　建?；跇嫾能浖w系結構 269
19.5.2　軟件體系結構模式 270
19.6　總結 270
練習 271
第20章　軟件質量屬性 272
20.1　可維護性 272
20.2　可修改性 273
20.3　可測試性 274
20.4　可追蹤性 274
20.5　可擴展性 276
20.6　可復用性 276
20.7　性能 277
20.8　安全性 278
20.9　可用性 278
20.10　總結 279
練習 279
第四部分　案例研究
第21章　客戶端/服務器軟件體系結構案例研究：銀行系統(tǒng) 282
21.1　問題描述 282
21.2　用例模型 282
21.2.1　“驗證PIN碼”用例 284
21.2.2　具體的“取款”用例 284
21.2.3　具體的“查詢賬戶”用例 285
21.2.4　具體的“轉賬”用例 286
21.3　靜態(tài)建模 286
21.3.1　問題域的靜態(tài)建模 286
21.3.2　系統(tǒng)上下文的靜態(tài)建模 286
21.3.3　實體類的靜態(tài)建模 289
21.4　對象組織 290
21.4.1　客戶端/服務器子系統(tǒng)組織 290
21.4.2　ATM客戶端對象和類的組織：邊界對象 291
21.4.3　ATM客戶端對象和類的組織：用例中的對象 292
21.4.4　服務子系統(tǒng)中的對象組織 293
21.5　動態(tài)建模 293
21.5.1　客戶端驗證PIN碼交互圖的消息序列描述 294
21.5.2　服務器端驗證PIN碼交互圖的消息序列描述 297
21.5.3　客戶端取款交互圖的消息序列描述 298
21.5.4　服務器端取款交互圖的消息序列描述 299
21.6　ATM狀態(tài)圖 303
21.6.1　處理客戶輸入復合狀態(tài) 304
21.6.2　處理交易復合狀態(tài) 306
21.6.3　結束交易復合狀態(tài) 307
21.7　銀行系統(tǒng)的設計 308
21.8　集成通信模型 308
21.9　將系統(tǒng)劃分為子系統(tǒng) 310
21.10　ATM客戶端子系統(tǒng)的設計 310
21.10.1　設計ATM子系統(tǒng)并發(fā)任務體系結構 311
21.10.2　定義ATM子系統(tǒng)任務接口 312
21.10.3　設計ATM客戶端信息隱藏類 314
21.11　銀行服務子系統(tǒng)的設計 316
21.11.1　設計銀行服務子系統(tǒng)并發(fā)任務體系結構 316
21.11.2　設計銀行服務信息隱藏類 317
21.11.3　設計銀行服務接口 318
21.12　關系數(shù)據(jù)庫設計 318
21.13　銀行系統(tǒng)的部署 320
21.14　其他設計考慮 322
21.15　詳細設計 322
21.15.1　讀卡器接口任務的事件順序邏輯示例 322
21.15.2　ATM控制任務的事件順序邏輯示例 323
21.15.3　銀行服務任務的事件順序邏輯示例 324
第22章　面向服務的體系結構案例研究：在線購物系統(tǒng) 326
22.1　問題描述 326
22.2　用例建模 326
22.2.1　“瀏覽目錄”用例描述 327
22.2.2　“下單請求”用例描述 328
22.2.3　“處理配送訂單”用例描述 328
22.2.4　“確認配送和給客戶開賬單”用例描述 329
22.2.5“查看訂單”用例的活動圖 331
22.3　靜態(tài)建模 331
22.3.1　軟件系統(tǒng)上下文建模 331
22.3.2　問題域的靜態(tài)實體類建模 331
22.4　對象和類組織 332
22.5　動態(tài)建模 333
22.5.1　“瀏覽目錄”用例的動態(tài)建模 333
22.5.2　“下單請求”用例的動態(tài)建模 334
22.5.3　“處理配送訂單”用例的動態(tài)建模 335
22.5.4　“確認配送和給客戶開賬單”用例的動態(tài)建模 336
22.5.5　“查看訂單”用例的動態(tài)建模 337
22.6　面向服務體系結構的代理者和包裝器技術支持 338
22.7　設計建模 338
22.7.1　面向服務的體系結構概述 338
22.7.2　分層軟件體系結構 338
22.7.3　體系結構通信模式 339
22.7.4　并發(fā)軟件設計 339
22.7.5　服務接口設計 341
22.7.6　面向服務的軟件體系結構設計 344
22.7.7　構件端口和接口設計 346
22.8　服務復用 347
第23章　基于構件的軟件體系結構案例研究：應急監(jiān)控系統(tǒng) 348
23.1　問題描述 348
23.2　用例建模 348
23.2.1　“查看監(jiān)控數(shù)據(jù)”用例描述 349
23.2.2　“查看警報”用例描述 349
23.2.3　“生成監(jiān)控數(shù)據(jù)”用例描述 350
23.2.4　“生成警報”用例描述 350
23.3　靜態(tài)建模 351
23.4　動態(tài)建模 351
23.4.1　類和對象組織 351
23.4.2　用例的通信圖 352
23.4.3　“查看警報”用例的通信圖 352
23.4.4　“查看監(jiān)控數(shù)據(jù)”用例的通信圖 353
23.4.5　“生成警報”用例的通信圖 354
23.4.6　“生成監(jiān)控狀態(tài)”用例的通信圖 354
23.5　設計建模 355
23.5.1　集成的通信圖 355
23.5.2　基于構件的分層體系結構 355
23.5.3　體系結構通信模式 357
23.5.4　基于分布式構件的軟件體系結構 359
23.5.5　構件和服務接口設計 359
23.6　軟件構件部署 362
第24章　實時軟件體系結構案例研究：自動引導車輛系統(tǒng) 363
24.1　問題描述 363
24.2　用例建模 363
24.2.1　“移動到站點”用例 364
24.2.2　“發(fā)送車輛狀態(tài)”用例 364
24.3　靜態(tài)建模 365
24.3.1　概念靜態(tài)模型 365
24.3.2　軟件系統(tǒng)上下文建模 365
24.4　對象和類組織 366
24.5　動態(tài)狀態(tài)機建模 366
24.6　動態(tài)交互建模 367
24.6.1　“移動到站點”用例的動態(tài)建模 367
24.6.2　“發(fā)送車輛狀態(tài)”用例的動態(tài)建模 370
24.7　設計建模 370
24.7.1　集成通信圖 370
24.7.2　基于構件的工廠自動化系統(tǒng)軟件體系結構 370
24.7.3　自動引導車輛系統(tǒng)的軟件體系結構 372
24.7.4　并發(fā)軟件體系結構 373
24.7.5　體系結構通信模式 373
24.7.6　基于構件的軟件體系結構 375
24.7.7　構件接口設計 377
附錄A　軟件體系結構模式分類 379
附錄B　教學考慮 400
術語表 402
練習答案 412
參考文獻 413
索引 420