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玄貓（BlackCat）

UML活動與類別圖表設計解析

本文探討 UML 活動圖和類別圖的核心概念，包含活動圖的符號、狀態、轉換、條件處理、分支與合併、事件觸發器、分割區以及類別圖的結構、屬性、操作和可見性。文章解析了活動圖在流程建模中的應用，以及類別圖在物件導向設計中的重要性，並提供實務案例與程式碼範例，幫助讀者理解如何運用這些圖表有效地設計和分析軟體系統。

軟體設計 UML
UML活動圖 UML類別圖 流程圖 物件導向 軟體建模

UML 活動圖和類別圖是軟體開發過程中重要的視覺化工具。活動圖清晰地展現系統流程，涵蓋了從起始狀態到終止狀態的完整執行路徑，並透過決策點和合併點等符號精確地描述條件分支和流程合併。類別圖則側重於系統的靜態結構，定義了類別、屬性、操作以及它們之間的關係，並透過可見性修飾符規範了成員的存取許可權。兩種圖表相互配合，能完整地描述系統的動態行為和靜態結構，對於複雜系統的設計和分析至關重要。在實務應用中，開發者可以根據專案需求選擇合適的 UML 圖表，並結合程式碼範例進行更深入的分析和設計。

UML 活動軟體設計流程的視覺化工具

UML 活動圖表（Activity Diagrams）是一種用於描述系統內部工作流程的建模工具，傳統上稱為流程圖（Flowcharts）。活動圖表在軟體設計中扮演重要角色，特別是在描述小型方法、函式和程式的控制流程時非常有用。

UML 活動狀態符號

UML 活動圖表使用特定的符號來表示不同的狀態和動作，以下是一些常見的符號：

起始與終止狀態

  • 起始狀態：代表活動圖表的開始，由一個實心圓圈表示，帶有一條箭頭線。
  • 終止狀態：代表整個流程的結束，由一個內含實心圓圈的圓環表示。
  • 結束流程：代表某個執行緒的結束，由一個內含叉號的圓環表示。

這些符號用於標示活動圖表的開始和結束，如圖 5-1 所示。

活動符號

活動符號使用兩端為半圓形的矩形來表示某個動作，如圖 5-2 所示。這些符號通常對應到程式語言中的一或多個陳述式，用於描述需要執行的動作，例如「讀取資料」或「計算 CRC」。

狀態符號

狀態符號使用圓角矩形來表示系統在某個時間點的狀態，如圖 5-3 所示。這些符號用於標示系統在執行某個動作前後的狀態，例如「CRC 已計算」或「資料已讀取」。

轉換

轉換（Transitions）用於表示控制流程從一個狀態或活動轉移到另一個。轉換可以附帶條件，用於控制流程的走向。

條件處理

在 UML 活動圖表中，條件可以透過兩種方式處理：轉換守衛（Transition Guards）和決策點（Decision Points）。

轉換守衛

轉換守衛是附加在轉換上的布林表示式，用於控制流程的流向。只有當守衛條件為真時，流程才會沿著該轉換繼續進行，如圖 5-5 所示。

內容解密：

此圖示展示了一個簡單的條件分支流程。其中：

  • A 代表起始狀態。
  • 條件 1 和 條件 2 是互斥的布林表示式，用於決定控制流程走向 B 或 C。
  • B 和 C 分別代表不同的中間狀態。
  • D 代表最終的結束狀態。

UML 活動圖表的應用

UML 活動圖表在軟體設計中具有多種應用，包括：

  • 描述複雜演算法的執行流程。
  • 建模業務流程和工作流程。
  • 分析和設計系統的動態行為。

UML 活動圖表進階應用

5.1.5.2 決策點

在 UML 活動圖表中，帶有防護條件的轉換（guarded transitions）可以從幾乎任何 UML 符號發出，狀態和動作符號經常包含它們。然而，當多個動作或狀態匯聚到一個點，並且在該點進行決策以產生不同的路徑時，問題就會出現。為瞭解決這個問題，UML 提供了一個特殊的符號——決策點，用於清晰地收集和連線發生決策分支的路徑。決策點使用菱形符號，如圖 5-7 所示。

圖 5-7：UML 決策點

此圖示展示瞭如何使用決策點來根據不同條件執行不同的動作。

雖然 UML 允許防護轉換從任何 UML 符號發出，但最佳實踐是始終使用決策點來開始一組相關的防護轉換。

5.1.6 合併點

在 UML 中，我們也可以使用菱形符號來收集多個輸入轉換到單個輸出轉換，如圖 5-8 所示；我們稱之為合併點。

圖 5-8：UML 合併點

此圖示展示瞭如何使用合併點來整合多個路徑。

從技術上講，合併點和決策點是同一物件型別。本質上，合併點是一個未命名的狀態物件；它除了將控制權從所有輸入轉換傳遞到輸出轉換之外，不執行任何操作。決策點只是具有多個輸出防護轉換的合併點的特例。

理論上，合併點可以同時具有多個輸入和輸出防護轉換。然而，這種情況會導致圖表變得非常複雜，因此常見的做法是將單個點分成獨立的合併點和決策點，如圖 5-9 所示。大多數時候，這種分離方式比其他替代方案更清晰、更容易閱讀。

圖 5-9：UML 合併與決策點

此圖示展示瞭如何結合合併點和決策點來實作更複雜的邏輯。

#### 內容解密：

  1. 決策點與合併點的作用：這兩個符號都使用菱形表示，但在功能上有所不同。決策點主要用於根據條件進行分支，而合併點則用於匯聚多個路徑。
  2. 使用最佳實踐：在實際應用中，為了提高圖表的可讀性，通常會將合併點和決策點分開使用，而不是將它們合併為一個複雜的節點。
  3. 邏輯清晰的重要性：正確使用這兩個符號可以使活動圖表更清晰、更容易理解，從而更好地表達系統的行為邏輯。

5.1.7 事件與觸發器

事件和觸發器是當前控制流程之外的動作，通常來自其他執行緒或硬體輸入，它們會導致控制流程發生變化。

在 UML 中，事件和觸發器的轉換在語法上與防護轉換相似，都是由標記的轉換組成。不同之處在於，防護轉換會立即評估某個布林表示式並將控制權轉移到轉換另一端的 UML 符號，而事件或觸發器轉換則會等待事件或觸發器發生後再轉移控制權。

事件和觸發器轉換使用事件或觸發器的名稱以及發生時提供給控制流程的任何必要引數進行標記，如圖 5-10 所示。

圖 5-10：UML 事件或觸發器

此圖示展示了系統如何根據使用者的不同輸入執行不同的動作。

您還可以將防護條件附加到事件或觸發器轉換，方法是在觸發器或事件後面緊跟方括號內的布林表示式，如圖 5-11 所示。當這樣做時，只有當事件或觸發器發生且防護表示式評估為 true 時，才會發生轉換。

圖 5-11：事件或觸發器的防護條件

此圖示展示瞭如何在事件或觸發器上新增額外的條件判斷。

#### 內容解密：

  1. 事件與觸發器的定義：這兩者都是外部動作，能夠改變系統的控制流程。它們通常來自其他執行緒或硬體輸入。
  2. 語法與防護轉換的相似性：事件和觸發器的語法結構與防護轉換類別似，但它們在觸發時機上有所不同。
  3. 實際應用中的重要性：正確使用事件和觸發器可以幫助設計更靈活和回應式的系統，能夠及時處理外部輸入和非同步事件。

5.1.8 分支與合併（同步）

UML 透過提供符號來將單個執行緒拆分為多個執行緒，以及將多個執行緒合併為單個執行緒，從而支援平行處理，如圖 5-12 所示。

圖 5-12：分支與合併

此圖示展示瞭如何使用分支和合併來實作平行處理。

UML 中的分支操作（以細實線矩形表示）將單個執行緒拆分為兩個或多個平行操作。合併操作（同樣以細實線矩形表示）則將多組執行緒合併為單個執行緒。合併操作還會同步這些執行緒：圖表假設除了最後一個進入合併操作的執行緒之外的所有執行緒都將暫停，直到最後一個執行緒到達，此時單個執行緒繼續輸出。

#### 內容解密：

  1. 分支操作的作用：分支操作允許系統將單個任務分解為多個平行執行的子任務，從而提高系統的處理效率。
  2. 合併操作的同步功能：合併操作不僅僅是簡單地將多個執行緒合併為一個，還具有同步功能，確保所有相關的平行任務都完成後才繼續執行後續操作。
  3. 實際應用中的注意事項：在實際使用中，需要注意平行執行的任務之間的依賴關係和同步需求，以確保系統的正確性和穩定性。

5.1.9 呼叫符號

UML 中的呼叫符號看起來像一個小耙子，用於明確宣告某個活動是對另一個 UML 序列的呼叫。您可以在 UML 活動中包含呼叫符號以及要呼叫的序列名稱，如圖 5-13 所示。

圖 5-13：UML 序列呼叫

此圖示展示瞭如何在活動圖表中呼叫另一個序列。

在您的 UML 檔案的其他地方，您將使用呼叫名稱作為活動圖表名稱來定義該序列（或子程式），如圖 5-14 所示。

圖 5-14：UML 子程式

此圖示展示了被呼叫的序列的具體實作。

#### 內容解密：

  1. 呼叫符號的作用：呼叫符號用於在活動圖表中參照其他 UML 序列，使得複雜的流程可以被模組化地表示和重用。
  2. 提高可讀性和可維護性：透過將複雜的邏輯分解為更小的、可重用的元件，可以提高模型的清晰度和可維護性。
  3. 實際應用中的注意事項：在使用呼叫符號時，需要確保被呼叫的序列定義清晰，並且與主流程之間的介面和引數傳遞正確無誤。

UML 活動圖詳解與應用擴充套件

UML（統一建模語言）活動圖是一種強大的工具，用於描述系統中各種活動的流程和互動。它不僅能夠幫助開發者理解複雜的業務流程，還能夠在軟體設計階段提供清晰的視覺化表示。本文將探討UML活動圖的各個組成部分及其擴充套件應用。

分割區（Partitions）在活動圖中的應用

分割區是活動圖中用於組織流程步驟的重要元素。它們通常由並排的矩形框組成，每個框頂部標有執行者、物件或領網域名稱。這種視覺化表示方法能夠清晰地展示流程的不同部分如何由不同的實體控制。

分割區範例解析

考慮一個測試流程的例子：

  1. 操作員選擇測試專案，將控制權交給測試軟體。
  2. 測試軟體呼叫被測程式碼執行測試。
  3. 根據測試結果，顯示“Pass”或執行診斷例程。

此圖示展示了測試流程中不同實體之間的互動。

內容解密：

  1. 操作員選擇測試專案：首先由操作員決定要執行的測試。
  2. 測試軟體執行測試：測試軟體根據選擇執行特定的測試程式碼。
  3. 被測程式碼執行：測試軟體呼叫實際的程式碼進行測試。
  4. 測試結果處理：根據測試結果，顯示成功訊息或執行診斷。

註解與標註（Comments and Annotations）

在UML活動圖中，註解和標註用於提供額外的資訊。它們使用一個類別似折頁的圖示來表示，並透過虛線與被註解的元素相連。

註解範例

內容解密：

  1. 註解圖示：使用特定的圖示來表示註解。
  2. 虛線連線：虛線將註解與相關的UML元素連線起來。

聯結器（Connectors）的使用

聯結器是用於簡化活動圖的另一個重要元素。它們使用帶有內部標籤（通常是數字）的圓圈來表示控制流的轉移。

聯結器範例

內容解密：

  1. 聯結器符號：使用圓圈和內部標籤來表示連線點。
  2. 控制流轉移：相同的標籤表示控制流的轉移點。

擴充套件UML活動圖

儘管UML提供了豐富的標準符號，但在某些情況下，開發者可能需要自定義符號來滿足特定需求。然而，這種做法需要謹慎，因為它可能導致相容性問題和理解上的困難。

自定義符號範例：平行程式設計關鍵區

在平行程式設計中，關鍵區（Critical Section）是一種重要的概念。以下是一個自定義的關鍵區表示方法：

內容解密：

  1. 競爭進入關鍵區：多個執行緒競爭進入關鍵區。
  2. 單一執行緒執行：關鍵區內一次只允許一個執行緒執行。
  3. 傳回原始執行緒：離開關鍵區後，控制權傳回原始執行緒。

UML 類別圖深入解析

UML（統一建模語言）類別圖是軟體設計中不可或缺的工具，尤其是在物件導向分析（OOA）和物件導向設計（OOD）中扮演著核心角色。本篇文章將探討 UML 類別圖的基本概念、屬性、可見性和操作，以及其在實際軟體開發中的應用。

UML 類別圖的基本結構

UML 類別圖用於描述系統中的類別、屬性、操作以及類別之間的關係。一個完整的類別圖通常包含三個部分：類別名稱、屬性和操作。

完整的類別圖

此圖示展示了一個完整的類別圖結構，其中 ClassName 代表類別的名稱，Attributes 代表類別的屬性，而 Operations 則代表類別的操作。

屬性與操作

  • 屬性（Attributes）：對應於類別中的資料欄位成員，例如變數和常數，用於表示類別內部的資訊。
  • 操作（Operations）：對應於類別中的方法、函式、程式等，用於定義類別的行為。

部分類別圖

在某些情況下，我們可能不需要顯示所有的屬性或操作，此時可以使用部分類別圖。 這種表示方法並不意味著屬性或操作不存在，而是根據上下文的需求選擇性地省略某些資訊。

可見性在類別圖中的應用

UML 定義了四種類別成員可見性：公開（public）、私有（private）、保護（protected）和套件（package）。這些可見性標誌著類別成員的可存取性。

公開類別成員

公開類別成員對所有類別和程式碼可見。在良好的物件導向設計中，公開成員通常是操作，用於提供類別與外界互動的介面。

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle

title UML活動與類別圖表設計解析

package "資料視覺化流程" {
    package "資料準備" {
        component [資料載入] as load
        component [資料清洗] as clean
        component [資料轉換] as transform
    }

    package "圖表類型" {
        component [折線圖 Line] as line
        component [長條圖 Bar] as bar
        component [散佈圖 Scatter] as scatter
        component [熱力圖 Heatmap] as heatmap
    }

    package "美化輸出" {
        component [樣式設定] as style
        component [標籤註解] as label
        component [匯出儲存] as export
    }
}

load --> clean --> transform
transform --> line
transform --> bar
transform --> scatter
transform --> heatmap
line --> style --> export
bar --> label --> export

note right of scatter
  探索變數關係
  發現異常值
end note

@enduml

在上述範例中，+maxSalinity_c、+getCurSalinity() 和 +getCurChlorine() 都是公開成員。maxSalinity_c 是一個公開常數，遵循特定的命名慣例，使用 _c 字尾表示常數。

為何公開常數是可接受的

雖然公開屬性通常違背了封裝原則，但在常數的情況下，由於其不可變性，使得公開常數成為可接受的設計。這樣做可以避免因外部程式碼修改內部狀態而導致的副作用。

探討：設計考量與最佳實踐

在設計 UML 類別圖時，除了基本的結構和可見性之外，還需要考慮多個設計層面的因素。

  1. 封裝與抽象：適當地使用私有和保護成員來封裝內部實作，同時提供公開的操作來與外界互動。
  2. 命名慣例：採用一致且清晰的命名慣例，如使用 _c 表示常數，以提高程式碼的可讀性。
  3. 類別之間的關係：除了屬性和操作之外，UML 類別圖還可以用於表示類別之間的關聯、聚合和繼承關係。
內容解密：
  1. UML 是一種用於軟體開發的形式化語言，主要用於物件導向分析與設計。
  2. 完整的 UML 類別圖包含類別名稱、屬性和操作，能夠全面描述一個類別。
  3. 公開成員通常用於定義類別的介面，而私有和保護成員則用於封裝內部實作。
  4. 公開常數由於其不可變性，在某些情況下是可以接受的設計。
  5. 在實際應用中，需要綜合考慮封裝、抽象和命名慣例等多個設計因素，以建立高品質的軟體系統。