王超龙 嵌入式软件的形式化方法研究(3)

根据表达能力，形式化方法可以分为五类：

1）基于模型的方法：通过明确定义状态和操作来建立一个系统模型（使系统从一个状态转换到另一个状态）。用这种方法虽可以表示非功能性需求（诸如时间需求），但不能很好地表示并发性。如：Z语言，VDM，B方法等。

2）基于逻辑的方法：用逻辑描述系统预期的性能，包括底层规约、时序和可能性行为。采用与所选逻辑相关的系统证明系统具有预期的性能。用具体的编程构 造扩充逻辑从而得到一种广谱形式化方法，通过保持正确性的细化步骤集来开发系统。如：ITL（区间时序逻辑），区段演算（DC），WP演算，时序逻辑，TAM（时序代理模型），RTTL（实时时序逻辑）等。

3）代数方法：通过将未定义状态下不同的操作行为相联系，给出操作的显式定义。与基于模型的方法相同的是，没有给出并发的显式表示。如：OBJ， Larch族代数规约语言等；

4）过程代数方法：通过限制所有容许的可观察的过程间通信来表示系统行为。此类方法允许并发过程的显式表示。如：通信顺序过程（CSP），通信系统演算 （CCS），通信过程代数（ACP），时序排序规约语言（LOTOS），计时CSP(TCSP），通信系统计时可能性演算（TPCCS）等。

5）基于网络的方法：由于图形化表示法易于理解，而且非专业人员能够使用，因此是一种通用的系统确定表示法。该方法采用具有形式语义的图形语言，为系统开发和再工程带来特殊的好处。如 Petri图，计时Petri图，状态图等。

第四章UML状态图

4.1 简介

Unified Modeling Language (UML)又称统一建模语言或标准建模语言，是始于1997年一个OMG标准，它是一个支持模型化和软件系统开发的图形化语言，为软件开发的所有阶段提供模型化和可视化支持，包括由需求分析到规格，到构造和配置。 面向对象的分析与设计(OOA&D，OOAD)方法的发展在80年代末至90年代中出现了一个高潮，UML是这个高潮的产物。它不仅统一了Boo、Rumba和Jacobson的表示方法，而且对其作了进一步的发展，并最终统一为大众所接受的标准建模语言。

Grady Bo的描述对象集合和它们之间的关系的方法。James Rumb的对象建模技术（OMT）。Iva Jacobson的包括用例方法的方式。还有其他一些想法也对UML起到了作用，UML是, Jacobson。UML已经被对象管理组织（OMG）接受为标准，这个组织还制定了通用对象请求代理体系结构（CORBA），是分布式对象编程行业的领头羊。计算机辅助软件工程（CASE）产品的供应商也支持UML，并且它基本上已经被所有的软件开发产品制造商所认可，这其中包括IBM和微软(用于它的VB环境)。

4.2 历史

统一建模语言（UML）是面向对象软件的标准化建模语言。UML因其简单、统一的特点，而且能表达软件设计中的动态和静态信息，目前已成为可视化建模语言的工业标准。在软件无线电系统的开发过程中，统一建模语言可以在整个设计周期中使用，帮助设计者缩短设计时间，减少改进的成本，使软硬件分割最优。

UML的演化可以分为几个阶段[1]：第一阶段是3位面向对象（OO，Object-Oriented）方法学家Boo、Rum和Jacobson共同努力，形成了UML0.9；第二阶段是公司的联合行动，由十几家公司（DEC、HP、I-Lox、IBM、Microsoft、Oracle、TI等）组成了UML成员协会，将各自意见加入UML，以完善和促进UML的定义作，形成了UML1.0和1.1，并向对象管理组织（OMG，）申请成为建模语言规范的提案；第三阶段是在OMG控制下对版本的不断修订和改进，其中UML1.3是较为重要的修订版。

UML由3个要素构成：UML的基本构造块、支配这些构造块如何放置在一起的规则和运用于整个语言的公用机制。

UML有3种基本的构造块：事物、关系和图。

事物是对模型中最具有代表性的成分的抽象，包括结构事物，如类、协作、用例、主动类和节；行为事物，如交互、态机、分组事物、注释事物。

关系用来把事物结合在一起，包括依赖、关联、泛化和实现关系。

4.3 主要内容

UML是在Booch、OMT、OOSE等面向对象的方法及其它许多方法与资料的基础上发展起来的。UML表示法集中了不同的图形表示方法，剔除了其中容易引起的混淆、冗余或者很少使用的符号，同时添加了一些新的符号。其中的概念来自于面向对象技术领域中众多专家的思想。

UML从考虑系统的不同角度出发，定义了用例图、类图、对象图、状态图、活动图、序列图、协作图、构件图、部署图等9种图。这些图从不同的侧面对系统进行描述。系统模型将这些不同的侧面综合成一致的整体，便于系统的分析和构造。尽管UML和其它开发工具还会设计出许多派生的视图，但上述这些图和其它辅助性的文档是软件开发人员所见的最基本的构造。其中：

UML用例图与OOSE中的用例图类似。

UML的类图综合了OMT、Boo等面向对象方法中的类图。 UML状态图是对David Hare所提出状态图的改进。

UML活动图的基本语义和状态图大致相同，它类似于许多方法（包括面向对象技术之前的一些方法）中的工作流图。

UML的协作图是通过对Boo方法的对象图、Fusion方法的对象交互图以及其它一些方法中的相关图表改造而成的。

UML的构建图和部署图是在Boo方法中的模块和进程图（处理关系图、处理器图）的基础上发展起来的。

UML简化了建模方法，它扬弃了Boo、OMT或OOSE等方法中的糟粕，而代之以其它方法中的精华。UML一般不引入新的概念和符号，只有在没有现有的解决方法可以借鉴时，UML的开发者们才考虑加入新的概念。UML的开发者们是在设计一种语言（尽管只

是一种图形化语言），因此必须在简明（所有元素一律用方框和文字表示）和繁琐（为每个元素设计单独的符号）之间权衡。尽管如此，UML中还是增添了衍型和扩展机制等一些新的元素，因为这些元素在其它建模语言的实践中已经被证明是非常有用的。[2]

用例图主要用来描述 用户、需求、系统功能单元 之间的关系。它展示了一个外部用户能够观察到的系统功能模型图。

【用途】：帮助开发团队以一种可视化的方式理解系统的功能需求。[3]

类图显示了一组类、接口、协作以及他们之间的关系。在UML中问题域最终要被逐步转化，通过类来建模，通过编程语言构建这些类从而实现系统。类加上他们之间的关系就构成了类图，类图中还可以包含接口、包等元素，也可以包括对象、链等实例。[4]

对象图(Object Diagram) 是显示了一组对象和他们之间的关系。使用对象图来说明数据结构，类图中的类或组件等的实例的静态快照。对象图和类图一样反映系统的静

态过程，但它是从实际的或原型化的情景来表达的。

对象图显示某时刻对象和对象之间的关系。一个对象图可看成一个类图的特殊用例，实例和类可在其中显示。对象也和合作图相联系，合作图显示处于语境中的对象原型（类元角色）。

对象图是类图的实例，几乎使用与类图完全相同的标识。他们的不同点在于对象图显示类的多个对象实例，而不是实际的类。一个对象图是类图的一个实例。由于对象存在生命周期，因此对象图只能在系统某一时间段存在。

4.4 分类

UML定义了5类，10种模型图

五种类图定义：

1.用例图：从用户角度描述系统功能，并指各功能的操作者。 2.静态图：包括类图，包图，对象图。 类图：描述系统中类的静态结构

包图：是包和类组成的，表示包与包之间的关系，包图描述系统的分层结构 对象图：是类图的实例

3.行为图：描述系统动态模型和对象组成的交换关系。包括状态图和活动图 活动图：描述了业务实现用例的工作流程

状态图：是描述状态到状态控制流，常用于动态特性建模 4.交互图：描述对象之间的交互关系

顺序图：对象之间的动态合作关系，强调对象发送消息的顺序，同时显示对象之间的交互

合作图：描述对象之间的协助关系 5.实现图：

配置图：定义系统中软硬件的物理体系结构

十种模型图定义：

（1）UML统一了各种方法对不同类型的系统、不同开发阶段以及不同内部概念的不同观点，从而有效的消除了各种建模语言之间不必要的差异。它实际上是一种通用的建模语言，可以为许多面向对象建模方法的用户广泛使用。

（2）UML建模能力比其它面向对象建模方法更强。它不仅适合于一般系统的开发，而且对并行、分布式系统的建模尤为适宜。

（3）UML是一种建模语言，而不是一个开发过程。

4.7 应用领域

UML的目标是以面向对象图的方式来描述任何类型的系统，具有很宽的应用领域。其中最常用的是建立软件系统的模型，但它同样可以用于描述非软件领域的系统，如机械系统、企业机构或业务过程，以及处理复杂数据的信息系统、具有实时要求的工业系统或工业过程等。总之，UML是一个通用的标准建模语言，可以对任何具有静态结构和动态行为的系统进行建模。

此外，UML适用于系统开发过程中从需求规格描述到系统完成后测试的不同阶段。在需求分析阶段，可以用用例来捕获用户需求。通过用例建模，描述对系统感兴趣的外部角色及其对系统（用例）的功能要求。分析阶段主要关心问题域中的主要概念（如抽象、类和对象等）和机制，需要识别这些类以及它们相互间的关系，并用UML类图来描述。为实现用例，类之间需要协作，这可以用UML动态模型来描述。在分析阶段，只对问题域的对象（现实世界的概念）建模，而不考虑定义软件系统中技术细节的类（如处理用户接口、数据库、通讯和并行性等问题的类）。这些技术细节将在设计阶段引入，因此设计阶段为构造阶段提供更详细的规格说明。

编程（构造）是一个独立的阶段，其任务是用面向对象编程语言将来自设计阶段的类转换成实际的代码。在用UML建立分析和设计模型时，应尽量避免考虑把模型转换成某种特定的编程语言。因为在早期阶段，模型仅仅是理解和分析系统结构的工具，过早考虑编码问题十分不利于建立简单正确的模型。

UML模型还可作为测试阶段的依据。系统通常需要经过单元测试、集成测试、系统测试和验收测试。不同的测试小组使用不同的UML图作为测试依据：单元测试使用类图和类规格说明；集成测试使用部件图和合作图；系统测试使用用例图来验证系统的行为；验收测试由用户进行，以验证系统测试的结果是否满足在分析阶段确定的需求。

总之，标准建模语言UML适用于以面向对象技术来描述任何类型的系统，而且适用于系统开发的不同阶段，从需求规格描述直至系统完成后的测试和维护。

4.6 发展历史

1997年，OMG组织（Object Management Group对象管理组织）发布了统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）。UML的目标之一就是为开发团队提供标准通用的设计语言来开发和构建计算机应用。UML提出了一套IT专业人员期待多年的统一的标准建模符号。通过使用UML，这些人员能够阅读和交流系统架构和设计规划--就像建筑工人多年来所使用的建筑设计图一样

2003年，UML已经获得了业界的认同

UML的是要成为一种标准的统一语言，使得IT专业人员能够进行计算机应用程序的建模。UML的主要创始人是Jim Rum、Iva Jacobson和Grady Booch，他们最初都有自己的建模方法（OMT、OOSE和Boo），彼此之间存在着竞争。最终，他们联合起来创造了一种开放的标准。UML成为\标\建模语言的原因之一在于，它与程序设计语言无关。而且，UML符号集只是一种语言而不是一种方法学。因为语言与方法学不同，它可以在不做任何更改的情况下很容易地适应任何公司的业务运作方式。

UML不是一种方法学，不需要任何正式的工作产品。而且它还提供了多种类型的模型描述图（diagram），当在某种给定的方法学中使用这些图时，它使得开发中的应用程序的更易理解。UML的内涵远不只是这些模型描述图，但是对于入门来说，这些图对这门语言及其用法背后的基本原理提供了很好的介绍。通过把标准的UML图放进工作产品中，精通UML的人员就更加容易加入项目并迅速进入角色。最常用的UML图包括：用例图、类图、序列图、状态图、活动图、组件图和部署图

UML语言开发始于1994年8月，当时Rational软件公司的Boo和Rumba着手进行统一的Boo方法和OMT方法，以便以后得到一种统一的建模语言。1995年10月，他们发布了统一方法（UM）的级版本。同年秋天，Jacobson加盟联合开发小组，并力图把OOSE方法也统一进来

经过Boo、Rumba和Jacobson的努力，UML0.9和0.91版在1996年的6月和10月出版。1996年，OMG（对象管理组）发布了向外界征集关于面向对象建模标准方法的消息。UML的3位创始人开始与来自其它公司的软件工程方法专家和开发人员一道制定了一套OMG感兴趣的方法，并设计了一种被软件开发工具提供者、软件开发方法学家和开发人员这些最终用户接受的建模语言。与此同时，其它一些相关人员也在做这项富有竞争性的工作。1997年9月1日产生了UML1.1，并提交到OMG进行讨论。

OMG于1997年11月正式接纳了UML1.1，然后成立任务组不断的修订，并产生了UML1.2、1.3和1.4版本，其中UML1.3是较为重要的修订版本。该组织正在对UML进行重大修订，其目标是推出UML2.0，做为向ISO提交的标准方案。

James Rum等人提出了面向对象的建模技术（OMT，一种软件开发方法）方法，采用了面向对象的概念，并引入各种独立于语言的表示符。这种方法用对象模型、动态模型、功能模型和用例模型，共同完成对整个系统的建模，所定义的概念和符号可用于软件开发的分析、设计和实现的全过程，软件开发人员不必在开发过程的不同阶段进行概念和符号的转换。OMT-2特别适用于分析和描述以数据为中心的信息系统。

Jacobson于1994年提出了OOSE方法，其最大特点是面向用例(Use-Case)，并在用例的描述中引入了外部角色的概念。用例的概念是精确描述需求的重要武器，但用例贯穿于整个开发过程，包括对系统的测试和验证。OOSE比较适合支持商业工程和需求分析。

此外，还有C/Yourdon方法，即著名的OOA/OOD，它是最早的面向对象的分析和设计方法之一。该方法简单、易学，适合于面向对象技术的初学者使用，但由于该方法在处理能力方面的局限，截至2013年已很少使用。

概括起来：首先，面对众多的建模语言，用户由于没有能力区别不同语言之间的差别，因此很难找到一种比较适合其应用特点的语言；其次，众多的建模语言实际上各有

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