基于用例技术的软件需求过程及其支持工具开发

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 1.91MB 69 页 15积分
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摘 要
用例技术作为需求工程中的一个重要的技术，近年来取得了长足的发展。特
别是基于文本的用例描述，以其良好的用户参与度和灵活的特性，正得到越来越
广泛的应用。
用例描述着眼于用户和系统的交互，通过结构化文本的方式将交互的过程记
录下来，一个用例是对用户使用系统的某项功能时所进行的交互过程的文字描述
序列，它描述了用户给系统特定的请求时系统的活动。但是在需求工程中产生的
用例描述，对软件开发的后续支持能力不足，而且，纯粹的文本格式不利于文档
的编写和维护。
本文在对用例描述和构建用例过程进行分析的基础上，对用例描述的格式进
行了扩展，使之可以和软件开发的后续过程紧密的结合起来。针对用例描述的存
储格式，本文提出了基于 XML 的用例描述存储方案，通过 XML Schema 定义了 XML
文档的格式。然后在此基础上，对需求的查找、度量和变更管理等方面进行了探
讨。最后开发了一个基于 XML 的用例管理工具。
关键词：用例 扩展描述 XML 类模型映射 用例管理工具
ABSTRACT
Use case, as an important technology in Requirements Engineering, has made
rapid progress development in these years. Especially use case description depending
on text format (comparing with diagram like UML), has been more and more widely
used because of its easily user-participating and flexible usage.
With a view to interactions between user and software system, use cases
description record the action of interaction step by step in text. A use case is a series of
steps that happen when user interacting with system. As use case come from
Requirements Engineering, it has limit ability supporting subsequent process of
software engineering. And text format is hard to edit and maintenance.
Based on the analysis on use case description and process of building use case
model, in this paper, the format of use case description was extended. Relational use
case links was added to the use case. And use case has a new corresponding status
depending on the period of current software development. Mapping of class model
was also added to use cases; as a result, relation between requirement document and
system design document is closed. The paper also proposed a XML document with
format defined by XML Schema, to save use case description. Basing on the
document, several methods of requirement searching, measurement and changing
management was illuminated. At the last part of this paper, a model of use cases
management tool was given.
Key Word ：Use case, Description Extend, XML, Class model
Mapping, Supporting Tool
目 录
摘 要 ...............................................................................................................................1
ABSTRACT .....................................................................................................................2
目 录 ...............................................................................................................................3
第一章 绪 论 ...............................................................................................................1
§1.1 用例..............................................................................................................1
§1.2 国内外研究的现状及发展..........................................................................1
§1.3 本文研究的主要内容..................................................................................2
第二章 用例简介 .............................................................................................................3
§2.1 用例模型......................................................................................................3
§2.1.1 角色.....................................................................................................3
§2.1.2 用例.....................................................................................................4
§2.1.3 用例间的关系.....................................................................................5
§2.2 用例描述......................................................................................................6
§2.2.1 用例描述的基本要求.........................................................................6
§2.2.2 使用文本描述用例.............................................................................6
§2.2.3 其他相关的技术.................................................................................9
§2.3 风险承担者及其项目关注点....................................................................10
§2.4 主要角色及其目标....................................................................................11
§2.5 获取系统角色及其业务用例....................................................................12
§2.5.1 识别系统边界...................................................................................12
§2.5.2 查找业务角色...................................................................................12
§2.5.3 查找业务用例...................................................................................12
§2.5.4 交互建模...........................................................................................14
§2.5.5 用例的合并和拆分...........................................................................14
§2.5.6 用例的分包.......................................................................................15
第三章 扩展用例描述 ...................................................................................................17
§3.1 到类模型的映射........................................................................................17
§3.1.1 现有的不足.......................................................................................17
§3.1.2 解决方案...........................................................................................17
§3.1.2 具体实施...........................................................................................18
§3.2 链接到相关用例........................................................................................19
§3.2.1 现有的不足........................................................................................19
§3.2.2 解决方案...........................................................................................19
§3.2.3 具体实施...........................................................................................20
§3.3 用例状态....................................................................................................20
§3.3.1 现有的不足.......................................................................................20
§3.3.2 解决方案...........................................................................................21
第四章 用 XML 记录用例描述 ....................................................................................22
§4.1 XML 简介.....................................................................................................22
§4.2 采用 XML 的原因........................................................................................22
§4.3 用例描述的结构........................................................................................23
§4.3.1 文档结构的图示...............................................................................24
§4.3.2 实体类型...........................................................................................25
§4.3.3 风险承担者及项目关注点类型.......................................................26
§4.3.4 角色及角色目标类型.......................................................................27
§4.3.5 用例类型...........................................................................................29
§4.4 用例描述的视图........................................................................................31
§4.4.1 显示风险承担者及其项目关注点...................................................32
§4.4.2 显示当前用例...................................................................................33
§4.4.3 显示相关用例...................................................................................34
第五章 基于 XML 文档的需求管理 ............................................................................36
§5.1 用例点........................................................................................................36
§5.1.1 度量用例...........................................................................................36
§5.1.2 度量角色...........................................................................................37
§5.2 统计不同级别用例的个数和平均的步骤数............................................37
§5.3 管理复杂用例............................................................................................39
§5.4 生成项目关注点的用户报表....................................................................40
§5.5 需求的跟踪与变更管理............................................................................40
§5.5 总结............................................................................................................41
第六章 用例文档管理工具 ...........................................................................................42
§6.1 用例文档管理工具产生的背景................................................................42
§6.1.1 管理工具的优点.............................................................................42
§6.1.2 管理工具的现状.............................................................................42
§6.2 管理工具的设计........................................................................................43
§6.2.1 接口定义包.......................................................................................43
§6.2.2 实体实现包.......................................................................................46
§6.2.3 用例管理包.......................................................................................48
§6.2.4 应用设计模式...................................................................................49
§6.3 管理工具的功能........................................................................................50
§6.3.1 用例模型的数据维护.......................................................................50
§6.3.2 用例的度量、统计...........................................................................51
§6.4 案例分析....................................................................................................52
§6.4.1 应用管理工具...................................................................................52
§6.4.2 应用效果分析...................................................................................53
第七章 结 论 ...............................................................................................................54
§7.1 结论............................................................................................................54
§7.1 进一步的工作............................................................................................55
附 录 .............................................................................................................................56
附录 1 购买货物用例对应的 XML 文档.................................................................56
附录 2 查询当前用例的模板.................................................................................58
参考文献 .........................................................................................................................62
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................66
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 用例
需求工程（Requirements Engineering）是计算机软件工程中的一个热点。随
着软件系统复杂性的提高和规模的不断扩大，软件的需求也变得越来越复杂。作
为软件和用户之间沟通的桥梁，需求的分析和定义在整个软件开发和维护中占有
着举足轻重的作用。需求的意义在于它确定了用户想要什么和软件要实现什么，
它直接关系到软件项目的成功与否。如果获取的需求不充分或者包含错误，那么
这个软件即使编写的再好也是失败的，因为它不是用户想要的。
在实践中，人们发现需求中普遍存在着不充分、不一致、不完全和二义性等现
象[1]。软件危机在 30 年前就被提出来了，但是到现在仍然没有得到完全解决，而
其中的一个难点就是需求领域。事实上，近些年来越来越多的系统开发由于错误
的需求而导致交付的软件产品不能满足用户的需要[2]。根据 IDC 的统计，80%的失
败的 IT 项目是由于需求分析完成的不好，没有真正反映出用户的目的而导致的。
有关需求的定义，至今还没有一个统一的说法。一种定义是“需求是从系统外
部能发现的目标系统所具有的满足于用户的特点、功能及属性等” [3]。统一软件
开发过程（RUP）对需求的定义是“目标系统所必须遵循的约束和能力”。IEEE 软
件工程词汇表（1997）中为需求的定义是：
1. 用户解决问题和达到目标所需的约束和能力。
2. 系统或系统部件为满足合同、标准、规范或其他正式固定文档所需具有的
约束和能力。
3. 一种反映上述所描述的约束和能力的文档说明。
综合各种定义，我们可以看到，需求是计算机系统的“约束和能力”，它最终
是由用户提出来的。
§1.2 国内外研究的现状及发展
需求工程真正的发展是在最近的 10 年。国际上在需求工程理论研究、学术活
动、专业刊物和工作小组方面都初具规模。自 1993 年起 IEEE 举办每两年一次的
需求工程国际研讨会（ISRE），自 1994 年起举办需求工程国际会议（ICRE），在 1996
年 Springer－Verlag 发行了新的刊物，《Requirements Engineering》。
在实践方面，国外的软件公司针对不同种类、不同规模的软件开发，在项目初
基于用例技术的软件需求过程及其支持工具开发
2
始阶段就对开发者和使用者进行必要的培训，从而引起双方对需求工程的重视，
促进了需求工程的发展和实施。相比较之下，国内在需求工程的理论研究的深度
和实践的规模、广度方面都还有一定的差距。
用例（Use Case）作为一种工具最初是在 1987 年由 Objectory 公司提出的[4]。
Ivar Jacobson 将其发展完善为一种软件工程方法，并在《面相对象的软件工程》
一书中进行了系统的阐述[3]。在书中，Jacobson 提出了鲁棒分析方法（Robustness
Analyze），使用用例驱动整个软件开发过程。
作为 UML 的一部分，用例图（Use Case Diagram）显示了系统中角色（Actor）
和用例间的关系[5]。角色是一个或多个系统外部的需要和当前系统交换信息的人或
事物（其他计算机系统）。它与系统内部交互的工作单元即是用例，也就是说，一
个用例记录了一个或多个角色与系统交互的一系列操作的过程。对比于用例图使
用 UML 这种可视化的建模语言，用例是用结构化文本（Structured Language）进
行描述的。相比较于图形描述，基本文本的描述更容易被客户理解，从而可以使
客户更加积极而有效的参与需求获取。
Alistair Cockburn 在他的《Writing Effective Use Cases》一书中对用例
的结构化描述作了改进，并提出了编写用例的原则和方法[6]。
现有的用例的描述大都只关注记录需求，没有密切的和后续的软件开发相关
联。在软件的分析、设计和编码阶段都已经做了很好的结构化、自动化的情况下，
需求获取阶段的成果被割裂开来了。从而在需求的度量和变更时容易产生信息的
误解和丢失，给后续的开发造成不必要的障碍[7, 8]。
§1.3 本文研究的主要内容
基于以上的考虑，本文提出了扩展的用例描述结构，使用例可以包含更多软件
设计阶段和团队开发的信息，从而在需求变更和团队开发时发挥更好的支持和知
道作用。提出了基于 XML 的用例描述存储的解决方案，并在此基础上，进行用例
的度量、变更管理方面的探讨。最后，开发出一个基于 XML 用例文档格式的用例
管理工具。
本文的结构如下。第二章介绍了用例的相关内容，包括用例的描述，如何构建
用例模型等。第三章对用例的描述进行扩展，包括建立了到类模型的映射，增加
了到相关用例的链接和用例的状态属性。第四章介绍了基于 XML 的用例存储的方
案，定义了 XML 文件的格式。第五章探讨了基于 XML 格式的用例文档，对用例度
量、变更管理的方法。第六章结合一个案例分析,介绍了针对 XML 文档格式的用例
管理工具.
第二章 用例简介
3
第二章 用例简介
§2.1 用例模型
用例模型[3]的提出对于软件开发方法的研究具有重要的意义。实际上，在进行
软件开发时，无论时采用面向对象方法还是传统方法，首先要做的就是了解需求。
在实践中，分析典型用例是开发者准确迅速地了解用户需求和相关概念的最常用
也是最有效的方法，是用户和开发者一起深入剖析系统功能需求的起点。但是，
过去人们只是在不自觉地这样工作，而且分析用例的方法也很不完善，通常只是
口头的交流，或者在随手找到的一张纸片上画上几张潦草的示意图，符号简单，
含义模糊，只有少数人心领神会，更谈不上建立正式文档[8]。Ivar Jacobson 首先
提出了用例分析方法[3]，并以此闻名于世。面向对象技术的学术界认为，引入用例
的概念并用来开发需求，是面向对象技术进入第二代的标志。
用例模型描述的是外部参与者（Actor）所理解的系统功能。用例模型用于需
求分析阶段，它的建立是系统开发者和用户反复讨论的结果，表明了开发者和用
户对需求规格达成的共识。它描述了待开发系统的功能需求。用例将系统看作黑
盒子，从外部参与者的角度来理解系统，而且，用例还驱动了需求分析之后各阶
段的开发工作，不仅在开发过程中保证了系统所有功能的实现，而且被用于验证
和检测所开发的系统，从而影响到开发工作的各个阶段和 UML 的各个模型。在 UML
中，一个用例模型由若干个用例图描述，用例图的主要元素是用例和参与者。
§2.1.1 角色
角色，即系统的外部参与者，是直接与系统相互作用的人或其他系统等外部实
体的抽象概念。参与者可以是一个人、一个计算机系统、一个子系统或另外一种
对象。参与者参与到用例或一组连贯的用例中以完成整个目标。它刻画和抽象了
一个外部用户或与系统相互作用的一个相关的用户集合的特征。参与者是具有几
种目的和含义的理想化形式，不一定有确切的物理对象。一个物理对象可以兼有
多个无关联的目的，所以可以由多个参与者来表示。不同的物理对象可以包含同
样的目的，所以在这个方面可以由同一个参与者建模。
每个参与者定义了一个角色集合，当系统的用户与系统相互作用时会采用它
们。参与者的一个完整集合描述了外部用户与系统通信的所有途径。当一个系统
被实现，参与者也被物理对象实现。一个物理对象如果可以满足多个参与者的角
色，那么它可以实现多个参与者。例如，一个人可以即是一个商店的售货员又是
摘要：

摘要用例技术作为需求工程中的一个重要的技术，近年来取得了长足的发展。特别是基于文本的用例描述，以其良好的用户参与度和灵活的特性，正得到越来越广泛的应用。用例描述着眼于用户和系统的交互，通过结构化文本的方式将交互的过程记录下来，一个用例是对用户使用系统的某项功能时所进行的交互过程的文字描述序列，它描述了用户给系统特定的请求时系统的活动。但是在需求工程中产生的用例描述，对软件开发的后续支持能力不足，而且，纯粹的文本格式不利于文档的编写和维护。本文在对用例描述和构建用例过程进行分析的基础上，对用例描述的格式进行了扩展，使之可以和软件开发的后续过程紧密的结合起来。针对用例描述的存储格式，本文提出了基于...

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