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DAY 16
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自我挑戰組

後端工程師與圖的修練系列 第 16

UML 圖摘要

UML (統一建模語言),對於所有學過 OOP 語言的人是一個耳熟能詳的圖表,UML, SysML, IDEF 都是建模語言,他們要做的事情其實都是在描述整個功能、系統的關聯性。

前面一些文章也或多或少介紹了 UML 概念下產生的表達圖,所以這篇文章就會專注在 Code 上。

General 的 UML

圖形元素

UML 的圖形元素被分成四大種,裡面都有不同的表達方式:

  • 結構型
    • 類別
    • 物件
    • 介面
    • 協作
    • 使用案例
    • 演員
    • 初始狀態
    • 最終狀態
    • 活動類別
    • 元件
    • 節點
  • 行為型
    • 時序
    • 協作狀態
  • 群組組織型
    • 封裝 Package
  • 註釋型
    • 筆記註解
    • 相依性
    • 關聯性
    • 泛型化
    • 自訂延伸符號

由於項目太多,可自行到 [3] 去參考,這裡介紹類別、介面、封裝、以及關聯性就好:

類別的表示法:

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20210926/200927538yZx0PkpmY.png

範例是一個學生類別,這個類別被 new 出來後只有姓名屬性可以直接被存取,其他的都不行,方法也只有 EnrollClass() 可以直接被呼叫。

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20210926/20092753qFrtXLXj9r.png

物件的表示法,就是把名稱劃上底線,假設要描述一個傳遞物件到某個參數的行為,在此先假設學生 B 已經被 new 完後傳遞,則可以直接使用上圖,排除掉非公開的屬性跟方法,畫成圖:

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20210926/20092753ZVUNqhXkhh.png

介面,則是在名稱上加上 <<interface>>:

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20210926/20092753qzQht4YXQp.png

封裝的畫法如下圖:

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20210926/20092753QVtSbo8Huk.png

不過介面裡面可裝的元素包含屬性、類別、各種類別放在一起的 Library、或是 Interface,像是下圖這樣。

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20210926/20092753qX8CjPjaXg.png

關聯性的線則是有以下圖表可以對照 [5]:

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20210926/20092753i5TOddKsF8.png

註記: 組合、聚合、依賴、繼承、關聯相關減少混淆解釋範例,可以參考 [7] [10]。

UML 圖表類型

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20210926/20092753pqw26vZySz.png

UML 圖表類型總共有 14 種:

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20210926/20092753v6r6q7NQgn.png

分別是:

Structure Diagrams 結構圖 (Structural Modeling):

  • Static Diagram 靜態圖

    • 類別圖 Class Diagram
    • 物件圖 Object Diagram
    • 套件圖 Package Diagram
  • Implementation Diagram 實現圖

    • 組件圖 Component Diagram
    • 佈署圖 Deploymenet Diagram
  • 剖面圖 Profile Diagram (內部構造圖)

    • 複合結構圖 Composite Structure Diagram
  • Behaviour Diagrams 行為圖 (Behavioral Modeling):

    • 活動圖 Activity Diagram
    • 狀態圖 State Machine Diagram
    • 使用案例圖 Use case Diagram
  • Interaction Diagrams 互動圖 (Architectural Modeling):

    • 通訊圖 Communication Diagram
    • 互動摘要圖 Interaction Overview Diagram (包含 Sequence Diagram 跟 Collaboration Diagram (協作圖)互動)
    • 時序圖 Sequence Diagram
    • 時間圖 Timing Diagram

本文章使用的是 UML 2.0 版,包含互動摘要、時序、時間圖都是新增進去的功能。

UML 模型

模型與圖形是不同的,這些獨立的 UML 模型可以用來呈現不同情境:

  • 功能模型: 使用案例圖
  • 物件模型: 類別圖、物件圖
  • 動態模型: 序列圖、活動圖、狀態圖

【功能模型】,最直接的例子就是使用案例圖,,主要是從使用者角度(包含工程師、終端使用者)展示系統功能,包括但不限於這個案例圖來製作 [8]。

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20210926/200927539O00b2tk5U.png

【物件模型】,就是上述介紹的類別圖、物件圖…ETC 等。

【動態模型】,最直接的例子就是狀態圖、有限狀態機,這些圖可以用來描述併發 (Concurrent) 狀態及系統事件。

比方說,使用動態圖來描述一個併發內的子狀態,可以參考下圖 [9]:

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20210926/20092753n6YzGVAoGd.png

設計模式表達

設計模式的書其實也會使用 UML 圖來表達,而且大多都不是用複雜的 UML 圖來呈現的,最主要需要了解的關聯性有以下六種:

泛化 (Generalization)、實現 (Realization)、聚合 (Aggregation)、組合 (Composition)、依賴 (Dependency)、關聯 (Association) 。

最後可以透過這六種圖的搭配組合出不同的 UML 模式,本篇文章想要使用程式碼搭配圖形來解釋,請見下一節。

使用程式產生 UML

OOP 的 IDE 像是 Visual Studio, Net Beans 都有 UML 圖設計的工具,可以按照程式碼產生類別圖後作畫, Visual Studio 裡面,可以透過 add item -> diagram 就可以產生這些圖了。

現在下面要試著混用 Visual Studio 介紹關聯性的六種表達線。

繼承

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20210926/20092753qVPUYJphpf.png

實心箭頭 + 實線表示繼承,他的寫法是 (C#):

abstract class 動物
{
    public abstract void 行走();
    public abstract void 跳();

    public abstract void 叫();
}

class 貓: 動物
{
    public Program many_program;

    public override void 叫()
    {
        Console.WriteLine("Meow");
    }

    public override void 行走()
    {
        throw new NotImplementedException();
    }

    public override void 跳()
    {
        throw new NotImplementedException();
    }
}

讓動物變成一個抽象類別,然後讓貓咪繼承他之後實作。

實作

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20210926/20092753lCT03jLPGD.png

Visual Studio 表示法有點奇特,不過空心箭頭 + 虛線是指實作 Interface 的意思。

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20210926/20092753aiSKuOqXWw.png

public interface I人貓通訊介面
{
    void 握手();

    void 吃罐罐();
}

public class 貓通訊 : I人貓通訊介面
{
    void I人貓通訊介面.吃罐罐()
    {
        throw new NotImplementedException();
    }

    void I人貓通訊介面.握手()
    {
        throw new NotImplementedException();
    }
}

貓通訊本身就是一個介面,讓人類把貓通訊介面實現出來之後,透過其他神秘的方法,吃下這個介面的實現值再去執行功能,讓貓貓知道你要讓他吃罐罐跟握手。

依賴

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20210926/20092753xasjUCncIh.png

依賴是虛線箭頭 + 虛線構成,由於在 Visual Studio 工具箱找不到那條虛線,所以直接畫圖出來。

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20210926/20092753iM3LBOvlwY.png

**class 股票
{

}

class 彩券
{

}


class Me
{
    public void 致富(股票 股, 彩券 券)
    {
        // 瘋狂買股買券
    }
}

我看幾個範例都喜歡寫新陳代謝,不過我改成 Me,我離不開致富,而致富需要使用彩券 + 股票,這就形成依賴關係了 (見笑)。

關聯

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20210926/20092753IkagfWlCxp.png

關聯是實現箭 + 頭線現表示。

class 辣椒作物
{

    // 我需要知道天氣
    天氣 天氣;

    // 建構子 (請在實作時讓我知道天氣)
    辣椒作物(天氣 天氣) {
        this.天氣 = 天氣;
    }

    public void 成熟採收()
    {
        if(this.天氣.目前季節() == "夏天")
        {
            Console.WriteLine("成熟準備採收");
        }
        else
        {
            Console.WriteLine("還不到採收季節");
        }
    }

}

class 天氣
{
    public string 目前季節 ()
    {
        return "冬天";
    }
}

辣椒作物需要知道天氣,才能讓成熟採收功能運作,所謂知道的意思,也可以想成是 Class 中的屬性是否有這項資料,或是從建構子帶入進來哪些資料 (不一定)。

聚合

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20210926/20092753QXLxY1RixZ.png

聚合是使用空心菱形 + 實線表示。

class 團體
{
    public List<人> 成員; // 成員列表

    internal 人 人
    {
        get => default;
        set
        {
        }
    }

    public void 加入團體(人 某人) {
        成員.Add(某人);
    }
    public void 退出團體() { }
}

class 人
{
    public void 工作() { 
    }
}

人和團體是不同的概念,團體在成員屬性中需要蒐集各式各樣的人,這些人也因此聚合到團體中了。

組合

https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20210926/20092753JAedj8wYwe.png

組合是使用實心菱形 + 實線表示。

class 墨西哥帽子
{

}

class 棒球衣服
{

}

class 演員
{
    private 墨西哥帽子 墨西哥帽;
    private 棒球衣服 棒球衣;

    //建構子
    演員()
    {
        this.墨西哥帽 = new 墨西哥帽子();
        this.棒球衣 = new 棒球衣服();
    }
}

演員本身可以透過陳列多個屬性,最後在建構子建立時,幫演員裝上特定的衣服跟帽子,組合出裝備。

References:
[1] https://www.tutorialspoint.com/uml/uml_basic_notations.htm
[2] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BB%9F%E4%B8%80%E5%BB%BA%E6%A8%A1%E8%AF%AD%E8%A8%80
[3] https://www.tutorialspoint.com/uml/uml_architecture.htm
[4] https://www.conceptdraw.com/How-To-Guide/uml-class
[5] https://creately.com/blog/diagrams/class-diagram-tutorial/
[6] http://www-sop.inria.fr/axis/cbrtools/usermanual-eng/Print/UMLNotationPrint.html
[7] https://www.visual-paradigm.com/guide/uml-unified-modeling-language/uml-aggregation-vs-composition/
[8] https://creately.com/diagram/example/i9z1wc852/Functional%20model
[9] https://www.tutorialspoint.com/object_oriented_analysis_design/ooad_dynamic_modeling.htm
[10] https://juejin.cn/post/6844904006221824013


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