UML时序图
现在是二月，并且到现在你也许已经读到、或听到人们谈论UML 2.0 —— 包含若干进步的 UML 的新规范，所做的变化。考虑到新规范的重要性，我们也正在改动这个文章系列的基础，把我们的注意力从 OMG 的 UML 1.4 规范，转移到 OMG 的已採纳 UML 2.0草案规范（又名 UML 2）。我不喜欢在一系列文章的中间，把重点从 1.4 变为 2.0 ，可是 UML 2.0 草案规范是前进的重要一步，我感觉须要扩充文字。
因为一些理由，OMG 改良了 UML 。基本的理由是，他们希望 UML 模型可以表达模型驱动架构（MDA），这意味着 UML 必须支持很多其它的模型驱动的符号。同一时候， UML 1.x 符号集合有时难以适用于较大的应用程序。此外,为了要使图变成更easy阅读，须要改良符号元件。（举例来说，UML 1.x 的模型逻辑流程太复杂，有时不可能完毕。对UML 2 中的序列图的符号集合的改变，已经在序列化逻辑建模方面取得巨大的进步)。
注意我上面所述的文字：“已採纳UML2.0草案规范。”确实，规范仍然处于草案状态，可是关键是草案规范已经被 OMG 採用，OMG是一个直到新标准相当可靠，才会採用它们的组织。 在 UML 2 全然地被採用之前，规范将会有一些改动，可是这些改变应该是极小的。基本的改变将会是在 UML 的内部 —— 包含通常被实施 UML 工具的软件公司使用的功能。
本文的主要目的是继续把我们的重点放在基础UML图上；这个月，我们进一步了解序列图。再次请注意，以下提供的样例正是以新的 UML 2 规范为基础。
图的目的
序列图主要用于依照交互发生的一系列顺序，显示对象之间的这些交互。非常象类图，开发人员一般觉得序列图仅仅对他们有意义。然而，一个组织的业务人员会发现，序列图显示不同的业务对象怎样交互，对于交流当前业务怎样进行非常实用。除记录组织的当前事件外，一个业务级的序列图能被当作一个需求文件使用，为实现一个未来系统传递需求。在项目的需求阶段，分析师能通过提供一个更加正式层次的表达，把用例带入下一层次。那种情况下，用例经常被细化为一个或者很多其它的序列图。
组织的技术人员能发现，序列图在记录一个未来系统的行为应该怎样表现中，很实用。在设计阶段，架构师和开发人员能使用图，挖掘出系统对象间的交互，这样充实整个系统设计。
序列图的主要用途之中的一个，是把用例表达的需求，转化为进一步、更加正式层次的精细表达。用例经常被细化为一个或者很多其它的序列图。序列图除了在设计新系统方面的用途外，它们还能用来记录一个存在系统（称它为“遗产”）的对象如今怎样交互。当把这个系统移交给还有一个人或组织时，这个文档非常实用。
符号
既然这是我基于 UML 2的 UML 图系列文章的第一篇，我们须要首先讨论对 UML 2 图符号的一个补充，即一个叫做框架的符号元件。在 UML 2中，框架元件用于作为更多的图元件的一个基础，可是大多数人第一次接触框架元件的情况，是作为图的图形化边界。当为图提供图形化边界时，一个框架元件为图的标签提供一致的位置。在 UML 图中框架元件是可选择的；就如你能在图 1 和 2 中见到的，图的标签被放在左上角，在我将调用框架的“namebox”中，一种卷角长方形，并且实际的 UML 图在较大的封闭长方形内部定义。
除了提供一个图形化边框之外，用于图中的框架元件也有描写叙述交互的重要的功能, 比如序列图。在序列图上一个序列接收和发送消息（又称交互），能通过连接消息和框架元件边界，建立模型（如图 2 所见到）。这将会在后面“超越基础”的段落中被更具体地介绍。
注意在图 2 中，对于序列图，图的标签由文字“sd”開始。当使用一个框架元件封闭一个图时，图的标签须要依照下面的格式:
图类型 图名称
UML 规范给图类型提供特定的文本值。（举例来说，sd代表序列图，activity代表活动图，use case代表用例图）。
基础
序列图的主要目的是定义事件序列，产生一些希望的输出。重点不是消息本身，而是消息产生的顺序；只是，大多数序列图会表示一个系统的对象之间传递的什么消息，以及它们发生的顺序。图依照水平和垂直的维度传递信息：垂直维度从上而下表示消息/调用发生的时间序列，并且水平维度从左到右表示消息发送到的对象实例。
生命线
当画一个序列图的时候，放置生命线符号元件，横跨图的顶部。生命线表示序列中，建模的角色或对象实例。 1
生命线画作一个方格，一条虚线从上而下，通过底部边界的中心（图 3）。生命线名字放置在方格里。
图 3: 用于一个实体名为freshman的生命线的Student类的一个样例
UML 的生命线命名标准依照例如以下格式:
实体名 : 类名
在如图3所看到的的样例中，生命线表示类Student的实体，它的实体名称是freshman。这里注意一点，生命线名称带下划线。当使用下划线时，意味着序列图中的生命线代表一个类的特定实体，不是特定种类的实体（比如，角色）。在将来的一篇文章中，我们将会了解结构化建模。如今，只评述序列图，可能包括角色（比如买方和卖方），而不须要叙述谁扮演那些角色（比如Bill和Fred）。这准许不同语境的图反复使用。简单拖放，序列图的实例名称有下划线，而角色名称没有。
图 3 中我们生命线样例是一个命名的对象，可是不是全部的生命线都代表命名的对象。相反的，一个生命线能用来表现一个匿名的或未命名的实体。当在一个序列图上，为一个未命名的实例建模时，生命线的名字採用和一个命名实例同样的模式；可是生命线名字的位置留下空白，而不是提供一个例图名字。再次參考图 3，假设生命线正在表现Student类的一个匿名例图，生命线会是: “Student”。同一时候, 由于序列图在项目设计阶段中使用，有一个未指定的对象是全然合法: 举例来说，“freshman”。
消息
为了可读性，序列图的第一个消息总是从顶端開始，而且一般位于图的左边。然后继发的消息添�图中，略微比前面的消息低些。
为了显示一个对象（比如，生命线）传递一个消息给另外一个对象，你画一条线指向接收对象，包含一个实心箭头（假设是一个同步调用操作）或一个棍形箭头（假设是一个异步讯号）。消息/方法名字放置在带箭头的线上面。正在被传递给接收对象的消息，表示接收对象的类实现的一个操作/方法。在图 4 的样例中，analyst对象调用ReportingSystem 类的一个实例的系统对象。analyst对象在调用系统对象的 getAvailableReports 方法。系统对象然后调用secSystem 对象上的、包含參数userId的getSecurityClearance 方法，secSystem的类的类型是 SecuritySystem。 2
除了只显示序列图上的消息调用外，图 4 中的图还包含返回消息。这些返回消息是可选择的；一个返回消息画作一个带开放箭头的虚线，向后指向来源的生命线，在这条虚线上面，你放置操作的返回值。在图 4 中，当 getSecurityClearance 方法被调用时，secSystem 对象返回 userClearance 给系统对象。当 getAvailableReports 方法被调用时，系统对象返回 availableReports。
此外，返回消息是序列图的一个可选择部分。返回消息的使用依赖建模的详细/抽象程度。假设须要较好的详细化，返回消息是实用的；否则，主动消息就足够了。我个人喜欢，不管什么时候返回一个值，都包含一个返回消息，由于我发现额外的细节使一个序列图变得更easy阅读。
当序列图建模时，有时候，一个对象将会须要传递一个消息给它本身。一个对象何时称它本身？一个纯化论者会争辩一个对象应该永不传递一个消息给它本身。然而，为传递一个消息给它本身的对象建模，在一些情境中可能是实用的。举例来说，图 5 是图 4 的一个改良版本号。 图 5 版本号显示调用它的 determineAvailableReports 方法的系统对象。通过表示系统传递消息“determineAvailableReports”给它本身，模型把注意力集中到过程的其实，而不是系统对象。
为了要画一个调用本身的对象，如你平时所作的，画一条消息，可是不是连接它到另外的一个对象，而是你把消息连接回对象本身。
图 5: 系统对象调用它的 determineAvailableReports 方法
图 5 中的消息实例显示同步消息；然而，在序列图中，你也能为异步消息建模。一个异步消息和一个同步的画法类似，可是消息画的线带一个棍形矛头，如图 6 所看到的。
约束
当为对象的交互建模时，有时候，必须满足一个条件，消息才会传递给对象。约束在 UML 图各处中，用于控制流。在这里，我将会讨论UML 1.x 及UML 2.0两者的约束。在 UML 1.x 中，一个约束仅仅可能被分配到一个单一消息。UML 1.x中，为了在一个序列图上画一个约束，你把约束元件放在约束的消息线上，消息名字之前。图 7 显示序列图的一个片段，消息addStudent 方法上有一个约束。
图 7:UML 1.x 序列图的一个片段，当中addStudent 消息有一个约束
在图 7 中，约束是文本“[ pastDueBalance=0]”。通过这个消息上的约束，假设应收帐系统返回一个零点的逾期平衡，addStudent 消息才将会被传递。约束的符号非常easy；格式是:
[Boolean Test]
举例来说，
[pastDueBalance = 0]
组合碎片(变体方案，选择项，和循环)
然而，在大多数的序列图中，UML 1.x“in-line”约束不足以处理一个建模序列的必需逻辑。这个功能缺失是 UML 1.x 的一个问题。UML 2 已经通过去掉“in-line”约束，添加�一个叫做组合碎片的符号元件，攻克了这一个问题。一个组合碎片用来把一套消息组合在一起，在一个序列图中显示条件分支。UML 2 规范指明了组合碎片的 11 种交互类型。十一种中的三种将会在“基础”段落中介绍，另外两种类型将会在“超越基础”中介绍，而那剩余的六种我将会留在还有一篇文章中介绍。（嗨，这是一篇文章而不是一本书。我希望你在一天中看完这部分！）
变体
变体用来指明在两个或很多其它的消息序列之间的、相互排斥的选择。 3
变体支持经典的“if then else”逻辑的建模（举例来说，假设 我买三个，然后 我得到 我购买的20% 折扣；否则 我得到我购买的 10% 折扣）。
就如你将会在图 8 中注意到的，一个变体的组合碎片元件使用框架来画。单词“alt”放置在框架的namebox里。然后较大的长方形分为 UML 2 所称的操作元。 4 操作元被虚线分开。每一个操作元有一个约束进行測试，而这个约束被放置在生命线顶端的操作元的左上部。 5 假设操作元的约束等于“true”，然后那个操作元是要运行的操作元。
图 8作为一个变体的组合碎片怎样阅读的样例，显示序列从顶部開始，即bank对象获取支票金额和帐户结余。此时，序列图中的变体组合碎片接管。由于约束“[balance >= amount]”，假设剩余金额超过或等于金额，然后顺序进行bank对象传递 addDebitTransaction 和 storePhotoOfCheck 消息给account对象。然而，假设剩余金额不是超过或等于金额，然后顺序的过程就是bank传递addInsuffientFundFee 和 noteReturnedCheck 消息给account对象，returnCheck 消息给它自身。由于“else”约束，当剩余金额不大于或者等于金额时，第二个序列被调用。在变体的组合碎片中，不须要“else”约束；而假设一个操作元，在它上面没有一个明白的约束，那么将假定“else”约束。
变体的组合碎片没被限制在简单的“if then else”验证。可能须要大量的变体路径。 假设须要较多的变体方案，你一定要做的所有工作就是把一个操作元添�有序列约束和消息的长方形中。
选择项
选择项组合碎片用来为序列建模，这些序列给予一个特定条件，将会发生的；或者，序列不发生。一个选择项用来为简单的“if then”表达式建模。（比如，假设架上的圈饼少于五个，那么另外做两打圈饼）。
选择项组合碎片符号与变体组合碎片类似，除了它仅仅有一个操作元而且永不能有“else”约束以外（它就是如此，没有理由）。要画选择项组合，你画一个框架。文字“opt”是被放置在框架的 namebox 里的文本，在框架的内容区，选择项的约束被放置在生命线顶端上的左上角。 然后选择项的消息序列被放在框架的内容区的其余位置内。这些元件如图 9 所看到的。
阅读选择项组合碎片非常easy。图 9 是图 7 的序列图片段的再加工，可是这次它使用一个选择项组合碎片，由于假设Student的逾期平衡等于0，须要传递很多其它的消息。依照图 9 的序列图，假设Student的逾期平衡等于零，然后传递addStudent，getCostOfClass和chargeForClass消息Ｈ绻鸖tudent的逾期平衡不等于零，那么在选择项组合碎片中，序列不传递不论什么一个消息。
样例图 9的序列图片段包含一个选择项约束；然而，约束不是一个必需的元件。在高层次、抽象的序列图中，你可能不想叙述选择项的条件。你可能仅仅是想要指出片段是可选择的。
循环
有时候你将会须要为一个反复的序列建模。在 UML 2 中，为一个反复的序列建模已经改良，附加了循环组合碎片。
循环组合碎片表面很类似选择项组合碎片。你画一个框架，在框架的 namebox 中放置文本“loop”。在框架的内容区中，一个生命线的顶部，循环约束 6 被放置在左上角。然后循环的消息序列被放在框架内容区的其余部分中。在一个循环中，除了标准的布尔測试外，一个约束能測试二个特定的条件式。特定的约束条件式是写作“minint = [the number]”（比如，“minint = 1”）的最小循环次数，和写作“maxint = [the number]”（比如，“maxint = 5”）的最大循环次数。通过最小循环检验，循环必须执行至少指定次数，而循环执行次数不能达到约束指定的最大循环次数。
在图 10 中显示的循环执行，直到 reportsEnu 对象的 hasAnotherReport 消息返回false。假设循环序列应该执行，这个序列图的循环使用一个布尔測试确认。为了阅读这个图，你和寻常一样，从顶部開始。当你到达循环组合碎片，做一个測试，看看值 hasAnotherReport 是否等于true。假设 hasAnotherReport 值等于true，于是序列进入循环片断。然后你能和正常情况一样，在序列图中跟踪循环的消息。
我已经介绍了序列图的基础，应该使你能够为将会在系统中通常发生的大部份交互建模。以下段落将会介绍用于序列图的比較高阶的符号元件。
引用另外一个序列图
当做序列图的时候，开发人员爱在他们的序列图中，重用存在的序列图。 7
在 UML 2 中開始，引进“交互进行”元件。追加交互进行的能够说是 UML 2 交互建模中的最重要的创新。交互进行添加�了功能，把原始的序列图组织成为复杂的序列图。因为这些，你能组合（重用）较简单的序列，生成比較复杂的序列。这意味你能把完整的、可能比較复杂的序列，抽象为一个单一的概念单位。
一个交互进行元件使用一个框架绘制。文字“ref”放置在框架的 namebox 中，引用的序列图名字放置在框架的内容区里，连同序列图的不论什么參数一起。引用序列图的名字符号例如以下模式:
序列图名[(參数)] [: 返回值]
两个样例:
1. Retrieve Borrower Credit Report(ssn) : borrowerCreditReport
或者
2. Process Credit Card(name, number, expirationDate, amount : 100)
在样例 1 中，语法调用叫做Retrieve Borrower Credit Report的序列图，传递给它參数 ssn。序列Retreive Borrower Credit Report返回变量 borrowerCreditReport 。
在实例 2 中，语法调用叫做Process Credit Card的序列图，传递给它參数name，number，expiration date，和 amount。然而，在样例 2 中，amount參数将会是值100。由于样例2没有返回值标签，序列不返回值（如果，建模的序列不须要返回值）。
图 11 显示一个序列图，它引用了序列图“Balance Lookup”和“Debit Account”。序列从左上角開始，客户传递一个消息给teller对象。teller对象传递一个消息给 theirBank 对象。那时，调用Balance Lookup序列图，而 accountNumber作为一个參数传递。Balance Lookup序列图返回balance变量。然后检验选择项组合碎片的约束条件，确认剩余金额大于金额变量。在剩余金额比金额更大的情况下，调用Debit Account序列图，给它传递參数accountNumber 和amount。在那个序列完毕后，withdrawCash 消息为客户返回cash。
重要的是，注意在图 11 中，theirBank 的生命线被交互进行Balance Lookup隐藏了。由于交互进行隐藏生命线，意味着theirBank 生命线在“Balance Lookup”序列图中被引用。除了隐藏交互进行的生命线之外，UML 2 也指明，生命线在它自己的“Balance Lookup”序列中，一定有同样的 theirBank 。
有时候，你为一个序列图建模，当中交互进行会重叠没有 在交互进行中引用的生命线。在那种情况下，生命线和正常的生命线一样显示，不会被重叠的交互进行隐藏。
在图 11 中，序列引用“Balance Lookup”序列图。“Balance Lookup”序列图在图 12 中显示。由于样例序列有參数和一个返回值，它的标签 —— 位于图的 namebox 中 —— 依照一个特定模式:
图类型 图名 [參数类型:參数名]
[: 返回值类型]
两个样例:
1. SD Balance Lookup(Integer : accountNumber) : Real
或
2. SD Available Reports(Financial Analyst : analyst) : Reports
图 12 举例说明样例 1，在里面，Balance Lookup序列把參数 accountNumber 作为序列中的变量使用，序列图显示返回的Real对象。在类似这样的情况下，返回的对象採用序列图实体名。
图 12: 一个使用 accountNumber 參数并返回一个Real对象的序列图
图 13 举例说明样例 2，在里面，一个序列图获取一个參数，返回一个对象。然而，在图 13 中參数在序列的交互中使用。
图 13: 一个在它的交互中使用參数、返回一个Reports对象的序列图
门
前面的段落展示怎样通过參数和返回值传递信息，引用还有一个序列图。然而，有还有一个方法在序列图之间传递消息。门可能是一个easy的方法，为在序列图和它的上下文之间的传递消息建模。一个门仅仅是一个消息，图形表示为一端连接序列图的框架边缘，还有一端连接到生命线。使用门的图 11 和 12 ，在图 14 和 15 中能够被看到重构。图 15 的例图有一个叫做getBalance的入口门，获取參数 accountNumber。由于是箭头的线连接到图的框架，而箭头连接到生命线，所以 getBalance 消息是一个入口门。序列图也有一个出囗门，返回balance变量。出口门同理可知，由于它是一个返回消息，连接从一个生命线到图的框架，箭头连接框架。
组合碎片（跳转和并行）
在本文前面“基础”的段落中呈现的，我介绍了“变体”，“选择项”，和“循环”的组合碎片。这些三个组合碎片是大多数人将会使用最多的。然而，有二个其它的组合碎片，大量共享的人将会发现实用——跳转和并行。
跳转
跳转组合碎片差点儿在每一个方面都和选择项组合碎片一致，除了两个例外。首先，跳转的框架namebox的文本“break”取代了“option”。其次, 当一个跳转组合碎片的消息执行时，封闭的交互作用的其它消息将不会执行，由于序列打破了封闭的交互。这样，跳转组合碎片很象 C++ 或 Java 的编程语言中的breakkeyword。
图 16: 来自图 8 的序列图片段的重构，片段使用跳转取代变体
跳转最经常使用来做模型异常处理。图 16 是图 8 的重构，可是这次图16使用跳转组合碎片，由于它把balance < amount的情况作为一个异常对待，而不是一个变体流。要阅读图 16，你从序列的左上角開始，向下读。当序列到达返回值“balance”的时候，它检查看看是否剩余金额比金额更少。假设剩余金额不少于金额，被传递的下一个消息是 addDebitTransaction 消息，并且序列正常继续。然而，在剩余金额比金额更少的情况下，然后序列进入跳转组合碎片，它的消息被传递。一旦跳转组合的消息的已经被传递，序列不发送不论什么其他消息就退出（举例来说，addDebitTransaction）。
注意有关跳转的一件重要的事是，它们仅仅引起一个封闭交互的序列退出，不必完毕图中描写叙述的序列。在这样的情况下，跳转组合是变体或者循环的一部分，然后仅仅是变体或循环被退出。
并行
今天的现代计算机系统在复杂性和有时运行并发任务方面不断进步。当完毕一个复杂任务须要的处理时间比希望的长的时候，一些系统採用并行处理进程的各部分。当创造一个序列图，显示并行处理活动的时候，须要使用并行组合碎片元件。
并行组合碎片使用一个框架来画，你把文本“par”放在框架的 namebox 中。然后你把框架的内容段用虚线分为水平操作元。框架的每一个操作元表示一个在并行执行的线程。
图 17 可能没有举例说明做并行活动的对象的最好的计算机系统实例，只是提供了一个easy理解的并行活动序列的样例。序列如这样进行：hungryPerson 传递 cookFood 消息给oven 对象。当oven 对象接收那个消息时，它同一时候发送两个消息（nukeFood 和 rotateFood）给它本身。这些消息都处理后，hungryPerson 对象从oven 对象返回 yummyFood 。
总结
序列图是一个用来记录系统需求，和整理系统设计的好图。序列图是如此好用的理由是，由于它依照交互发生的时间顺序，显示了系统中对象间的交互逻辑。
- UML 2.0 Superstructure Final Adopted Specification (第8章部分) http://www.omg.org/cgi-bin/doc?ptc/2003-08-02
- UML 2 Sequence Diagram Overview http://www.agilemodeling.com/artifacts/sequenceDiagram.htm
- UML 2 Tutorial http://www.omg.org/news/meetings/workshops/UML%202003%20Manual/Tutorial7-Hogg.pdf
脚注
1 在全然建模系统中，对象（类的实例）也将会在系统的类图中建模。
2 当阅读这个序列图时，假定分析师登录进入系统之内。
3 请注意，附着在不同的变体操作元上的、两个或很多其它的约束条件式的确可能同一时候是真，可是实际最多仅仅有一个操作元将会在执行时发生（那种情况下变体的“wins”没有依照 UML 标准定义)。
4 尽管操作元看起来很象公路上的小路，可是我特别不叫它们小路。泳道是在活动图上使用的 UML 符号。请參考The Rational Edge 早期关于 活动图的文章。
5 通常，附上约束的生命线是拥有包括在约束表达式中的变量的生命线。
6 关于选择项组合碎片，循环组合碎片不须要在它上放置一个约束条件。
