基于WF State Machine的UML Communication Diagram动态构建及测试
摘 要：在基于UML的业务流程分析与设计过程中，从静态模型分析到动态模型构建，经过一系列抽象转换和代码实现，往往满足不了业务需求，缺少一种所见即所得的业务过程实现。在探索UML Communication Diagram和WF State Machine业务流程映射关系的基础上，选取UML用户指南中典型案例，研究从Communication Diagram到State Machine编程模型之间的静态映射和动态规则转换，基于WF可视化地实现了动态构建与测试，解决了从分析、设计到构建的无缝转换。
关键词：UML；Communication Diagram；WF；State Machine
中图分类号：TP311.51 文献标识码：A
1 引言（Introduction）
UML（Unified Modeling Language）作为标准建模语言，适用于面向对象的业务流程分析与设计，但在具体的开发构建中，经过层层迭代[1，2]，存在语义上的不一致和不精确等缺点，不利于进行形式化的分析和验证。在UML1.x协作图基础上改进而来的UML2.0通信图，强调对象之间结构关系的通信交互，但缺乏对静态语义和动态语义的可视化编程实现[3-5]。WF（Windows Workflow Foundation）是微软推出的可视化的工作流编程引擎，基于业务流程邏辑关系和条件，可以无缝的实现UML模型到业务流程工作流转换。WF提供的State Machine开发模型，由状态机和状态对象组成，在状态变迁的驱动下，可以无缝地实现通信图对象之间的通信协作[6-8]。因此，探索一种从UML Communication Diagram静态建模到可视化的动态测试，实现流程建模语义上的一致性和无缝转换具有实际意义。
本文在探索UML Communication Diagram和WF State Machine业务流程映射关系的基础上，选取UML用户指南中典型案例，研究从Communication Diagram到State Machine编程模型之间的静态映射和动态规则转换，基于WF可视化地实现了动态构建与测试。
2 映射关系及命名规则（Mapping relationship and naming rule ）
2.1 从Communication Diagram到State Machine的映射关系
UML Communication Diagram和WF State Machine在可视化静态建模上具有一一的映射关系，同时State Machine在可视化的动态规则构建上又具有无缝的编程实现，从组件元素图形表示和含义上可以自然对应，从而实现无缝的模型转换，如表1所示，Communication Diagram中的Object（对象）、Link & message（链和消息）、Self Communication（自身通信协作）分别同State Machine中的State（状态）、Transition（变迁）、Self Transition（自身变迁转换）相对应。Communication Diagram突出Object之间组织关系的通信和协作，在对象之间通过链表示两个对象之间的存在协作关系，通过带有顺序标号的消息箭头表示对象之间的通信协作转换；State Machine中state之间通过Transition的有向箭头，明确表示两个状态之间的变迁转换关系。由此可以看出，两种模型从符号表示到信息表达，都可以在映射基础上，保证业务流程从分析到实现的可视化建模一致性，各取所长Communication Diagram侧重于业务流程分析与设计，State Machine侧重于可视化的动态实现，在随后的模型构建中我们会详细描述。
2.2 典型Communication Diagram示例
为深入说明基于State Machine的Communication Diagram动态构建及测试，我们选取了UML用户指南中的Communication Diagram的典型示例[1]，从模型元素的信息表示到规则转换进行深入的探索。如图1学校里登记一个新生通信图示例所示，显示了四个对象（r、s、sc、c）之间的通信协作关系，图中典型地包括了Communication Diagram的对象、链和消息，以及自身协作的组件元素。通信协作从r登记代理对象创建一个s学生对象开始，把学生加入到sc学校中，然后告诉s去登记，s调用自身的课程计划，获取必须注册的课程对象集合，然后s循环地将自家加入到c课程对象后，完成相关注册登记后提交到sc对象，最后sc学校向s学生发出成功登记通知。
2.3 命名转换规则
通信图表示对象之间的协作关系，通过分析映射关系，状态机之间可有多条状态转换路径，从而解决对象之间协作的方向问题，通信图中的对象元素都可以通过WF State Machine中的编程模型来无缝映射，基于此给出了命名转换的规则。通信图中的对象映射成State Machine中的状态对象，对象之间的协作采用CT（CommunicationTransition）命名，如图1所示的通信图中“r：RegistrarAgent”等四个对象，对应命名为图2所示的映射模型中“r：RegistrarAgent_State”等四个State对象，组成一个NewStudentRegister_CommunicationObject_StateMachine。通信图中的链接关系命名为各个Sate之间的Transition，例如图1中对象r和s之间的协作关系，命名为CT_1表示两者之间的通信关系；通信对象之间的消息序列和变迁序列对应，在此基础上每个State对象之间的变迁由变迁的名称和动作组成，例如图1中对象r和s之间的通信变迁命名为CT_1：create（），UML通信图对象之间的协作往往缺失对象之间的交互响应信息，在图2中对应命名给出，例如CT_1.1_Response（），表示对CT_1协作的第1次响应。这样的命名规则不仅保证了图形转换构建过程中的一致性，也加强了动态的构建和测试，便于分析追溯和扩展。
3 转换构建（Transition and construction）
3.1 静态的顶层映射转换
Communication Diagram描述对象之间的结构关系，依据前面的映射关系和命名规则，首先完成静态的顶层映射转换。如图2所示，基于State Machine的学校登记一个新生顶层映射模型所示，Communication Diagram示例（如图1）中的“r：RegistrarAgent”“sc：School”“s：Student”“c：Course”等对象被映射成对应的状态对象“r：RegistrarAgent_State”“sc：School_State”“s：Student_State”“c：Course_State”。Communication Diagram对象之间的链和消息被转换为State之间的转换，分别以（CT_1、CT_1.1）；（CT_2、CT_2.1）；（CT_3、CT_3.1 、CT_3.2：、CT_3.2.1；CT_3.3）；（CT_3.4、CT_3.4）相互之间的通信协作。状态对象“r：RegistrarAgent”存在三个发出的通信消息，其中“CT_1：create（）”“CT_3：regeister（）”是r对象向s对象发出的通信信息，“CT_2：addStudent（s）”是r对象向sc对象发出的通信信息。同理“s：Student_State”状态存在五个发出的通信信息，“sc：School_State”和“c：Course_State”分别存在两个和一个通信变迁。可以看出，在基于State Machine的学校登记一个新生顶层映射模型中，Communication Diagram的组织对象和消息链，无缝地转换为State Machine可视化模型，实现了静态模型信息的转换。但是，通信如何触发、协作如何交互，规则如何动态变迁，Communication Diagram中都没有显式的呈现。因此我们需要借助WF中可视化编程优势，进一步的构建业务流程状态变迁。
3.2 动态的规则构建
Communication Diagram中对象之间的通信协作，可以借助WF State Machine可视化的状态变迁来动态实现。为便于动态规则转换，如图3所示，通信协作及控制变量所示，定义了三个变量，分别为ct、register、schedule，其中ct为StateMachine的全局通信转换变量，并给出了初始值“starting”作用于整个NewStudentRegister_CommunicationObject_StateMachine范围，同时定义了两个局部变量，并给出初始值为“true”，作用于“s：Student”对象，用于控制该状态对象的两次动态自身转换的循环控制。
如图4所示，s：Student状态对象动态转换模型所示，“s：Student”对象的通信协作采用Switch多分支判断模式，在分支判断中以全局通信变量“ct”为控制条件，将对象之间的消息触发条件，显式地配置在各个对应的分支中，可以清晰地看出每一个通信转换所对应的变迁和消息，这同通信图中链和消息一致对应，触发对应的分支流程。每个通信变迁中完成协作对象的触发转换，如图5所示，在触发器启动的情况下，当通信协作信息“CT_1：create（）”到来后，执行“create_Action”动作，创建一个student对象；经过CT_1通信协作转换，显式地表明源（Source）状态对象“r：RegistrarAgent_State”和目标（Detination）状态对象“s：Student_State”之间的通信协作关系。
4 动态测试（Dynamic testing）
经过基于WF的可视化编程转换，实现Communication Diagram从静态的映射到动态规则构建，进一步地完成了动态测试，如图6所示，基于WF的学校里登记一个新生通信图动态测试所示，图中State Machine工作流活动对象“nsr”，进入WF工作流引擎，有序地完成状态对象之间的通信协作。从测试结果可以清晰的看出组织对象间的交流协作过程，实现了业务流程分析到可视化实现的透明轉换。
5 结论（Conclusion）
在软件系统分析与设计过程中，语义的一致性和准确性一直都是关注点。探索和研究一种从静态模型到动态规则转换的可视化实现方式，具有必要性。将WF State Machine的可视化编程及动态规则转换优势应用于Communication Diagram的对象之间的通信协作实现，显式地将对象之间的交互关系和动态通信协作变迁规则结合，构建基于State Machine的可视化Communication Diagram测试模型，实现了从UML可视化建模到WF可视化映射和测试，解决了从分析、设计到构建的无缝转换，具有实际意义。
参考文献（References）
[1] Grady Booch，James Rumbaugh，Ivar Jacobson[美].UML用户指南[M].北京：人民邮电出版社，2013，1：191-195.
[2] Object Management Group.Unified Modeling Language.Formal[S].OMG，2017.
[3] Alexander Knapp and Till Mossakowski.UML Interactions Meet State Machine—An Institutional Approach[C].7th Conference on Algebra and Coalgebra in Computer Science，2017（15）：1-15.
[4] 张姝，戎玫，张广泉.基于时序逻辑的UML2.0通信图语义研究[J].计算机工程与设计，2008，29（21）：5601-5604.
[5] 张峻，张广泉，王辉，等.UM L 2.0 通信图的一种测试用例生成方法[J].苏 州 大 学 学 报（自然科学版），2007，23（2）：36-42.
[6] Microsoft.the programming model，samples，and tools of the Windows Workflow Foundation（WF）[EB/OL].https：//docs.microsoft.com/en-us/dotnet/framework/windows-workflow-foundation/index，2017-03-03.
[7] 钱维平，王坚.基于WF状态机工作流的日常工作管理系统的设计与实现[J].机电产品开发与创新.2015，28（1）：81-83.
[8] 冯倩，董丽丽.基WF状态机工作流的研究与应用[J].电脑知识与技术，2008，4（8）：2263-2265.
作者简介：
孔令东（1973-），男，博士，讲师.研究领域：软件工程，工作流技术.
关键词：UML；Communication Diagram；WF；State Machine
中图分类号：TP311.51 文献标识码：A
1 引言（Introduction）
UML（Unified Modeling Language）作为标准建模语言，适用于面向对象的业务流程分析与设计，但在具体的开发构建中，经过层层迭代[1，2]，存在语义上的不一致和不精确等缺点，不利于进行形式化的分析和验证。在UML1.x协作图基础上改进而来的UML2.0通信图，强调对象之间结构关系的通信交互，但缺乏对静态语义和动态语义的可视化编程实现[3-5]。WF（Windows Workflow Foundation）是微软推出的可视化的工作流编程引擎，基于业务流程邏辑关系和条件，可以无缝的实现UML模型到业务流程工作流转换。WF提供的State Machine开发模型，由状态机和状态对象组成，在状态变迁的驱动下，可以无缝地实现通信图对象之间的通信协作[6-8]。因此，探索一种从UML Communication Diagram静态建模到可视化的动态测试，实现流程建模语义上的一致性和无缝转换具有实际意义。
本文在探索UML Communication Diagram和WF State Machine业务流程映射关系的基础上，选取UML用户指南中典型案例，研究从Communication Diagram到State Machine编程模型之间的静态映射和动态规则转换，基于WF可视化地实现了动态构建与测试。
2 映射关系及命名规则（Mapping relationship and naming rule ）
2.1 从Communication Diagram到State Machine的映射关系
UML Communication Diagram和WF State Machine在可视化静态建模上具有一一的映射关系，同时State Machine在可视化的动态规则构建上又具有无缝的编程实现，从组件元素图形表示和含义上可以自然对应，从而实现无缝的模型转换，如表1所示，Communication Diagram中的Object（对象）、Link & message（链和消息）、Self Communication（自身通信协作）分别同State Machine中的State（状态）、Transition（变迁）、Self Transition（自身变迁转换）相对应。Communication Diagram突出Object之间组织关系的通信和协作，在对象之间通过链表示两个对象之间的存在协作关系，通过带有顺序标号的消息箭头表示对象之间的通信协作转换；State Machine中state之间通过Transition的有向箭头，明确表示两个状态之间的变迁转换关系。由此可以看出，两种模型从符号表示到信息表达，都可以在映射基础上，保证业务流程从分析到实现的可视化建模一致性，各取所长Communication Diagram侧重于业务流程分析与设计，State Machine侧重于可视化的动态实现，在随后的模型构建中我们会详细描述。
2.2 典型Communication Diagram示例
为深入说明基于State Machine的Communication Diagram动态构建及测试，我们选取了UML用户指南中的Communication Diagram的典型示例[1]，从模型元素的信息表示到规则转换进行深入的探索。如图1学校里登记一个新生通信图示例所示，显示了四个对象（r、s、sc、c）之间的通信协作关系，图中典型地包括了Communication Diagram的对象、链和消息，以及自身协作的组件元素。通信协作从r登记代理对象创建一个s学生对象开始，把学生加入到sc学校中，然后告诉s去登记，s调用自身的课程计划，获取必须注册的课程对象集合，然后s循环地将自家加入到c课程对象后，完成相关注册登记后提交到sc对象，最后sc学校向s学生发出成功登记通知。
2.3 命名转换规则
通信图表示对象之间的协作关系，通过分析映射关系，状态机之间可有多条状态转换路径，从而解决对象之间协作的方向问题，通信图中的对象元素都可以通过WF State Machine中的编程模型来无缝映射，基于此给出了命名转换的规则。通信图中的对象映射成State Machine中的状态对象，对象之间的协作采用CT（CommunicationTransition）命名，如图1所示的通信图中“r：RegistrarAgent”等四个对象，对应命名为图2所示的映射模型中“r：RegistrarAgent_State”等四个State对象，组成一个NewStudentRegister_CommunicationObject_StateMachine。通信图中的链接关系命名为各个Sate之间的Transition，例如图1中对象r和s之间的协作关系，命名为CT_1表示两者之间的通信关系；通信对象之间的消息序列和变迁序列对应，在此基础上每个State对象之间的变迁由变迁的名称和动作组成，例如图1中对象r和s之间的通信变迁命名为CT_1：create（），UML通信图对象之间的协作往往缺失对象之间的交互响应信息，在图2中对应命名给出，例如CT_1.1_Response（），表示对CT_1协作的第1次响应。这样的命名规则不仅保证了图形转换构建过程中的一致性，也加强了动态的构建和测试，便于分析追溯和扩展。
3 转换构建（Transition and construction）
3.1 静态的顶层映射转换
Communication Diagram描述对象之间的结构关系，依据前面的映射关系和命名规则，首先完成静态的顶层映射转换。如图2所示，基于State Machine的学校登记一个新生顶层映射模型所示，Communication Diagram示例（如图1）中的“r：RegistrarAgent”“sc：School”“s：Student”“c：Course”等对象被映射成对应的状态对象“r：RegistrarAgent_State”“sc：School_State”“s：Student_State”“c：Course_State”。Communication Diagram对象之间的链和消息被转换为State之间的转换，分别以（CT_1、CT_1.1）；（CT_2、CT_2.1）；（CT_3、CT_3.1 、CT_3.2：、CT_3.2.1；CT_3.3）；（CT_3.4、CT_3.4）相互之间的通信协作。状态对象“r：RegistrarAgent”存在三个发出的通信消息，其中“CT_1：create（）”“CT_3：regeister（）”是r对象向s对象发出的通信信息，“CT_2：addStudent（s）”是r对象向sc对象发出的通信信息。同理“s：Student_State”状态存在五个发出的通信信息，“sc：School_State”和“c：Course_State”分别存在两个和一个通信变迁。可以看出，在基于State Machine的学校登记一个新生顶层映射模型中，Communication Diagram的组织对象和消息链，无缝地转换为State Machine可视化模型，实现了静态模型信息的转换。但是，通信如何触发、协作如何交互，规则如何动态变迁，Communication Diagram中都没有显式的呈现。因此我们需要借助WF中可视化编程优势，进一步的构建业务流程状态变迁。
3.2 动态的规则构建
Communication Diagram中对象之间的通信协作，可以借助WF State Machine可视化的状态变迁来动态实现。为便于动态规则转换，如图3所示，通信协作及控制变量所示，定义了三个变量，分别为ct、register、schedule，其中ct为StateMachine的全局通信转换变量，并给出了初始值“starting”作用于整个NewStudentRegister_CommunicationObject_StateMachine范围，同时定义了两个局部变量，并给出初始值为“true”，作用于“s：Student”对象，用于控制该状态对象的两次动态自身转换的循环控制。
如图4所示，s：Student状态对象动态转换模型所示，“s：Student”对象的通信协作采用Switch多分支判断模式，在分支判断中以全局通信变量“ct”为控制条件，将对象之间的消息触发条件，显式地配置在各个对应的分支中，可以清晰地看出每一个通信转换所对应的变迁和消息，这同通信图中链和消息一致对应，触发对应的分支流程。每个通信变迁中完成协作对象的触发转换，如图5所示，在触发器启动的情况下，当通信协作信息“CT_1：create（）”到来后，执行“create_Action”动作，创建一个student对象；经过CT_1通信协作转换，显式地表明源（Source）状态对象“r：RegistrarAgent_State”和目标（Detination）状态对象“s：Student_State”之间的通信协作关系。
4 动态测试（Dynamic testing）
经过基于WF的可视化编程转换，实现Communication Diagram从静态的映射到动态规则构建，进一步地完成了动态测试，如图6所示，基于WF的学校里登记一个新生通信图动态测试所示，图中State Machine工作流活动对象“nsr”，进入WF工作流引擎，有序地完成状态对象之间的通信协作。从测试结果可以清晰的看出组织对象间的交流协作过程，实现了业务流程分析到可视化实现的透明轉换。
5 结论（Conclusion）
在软件系统分析与设计过程中，语义的一致性和准确性一直都是关注点。探索和研究一种从静态模型到动态规则转换的可视化实现方式，具有必要性。将WF State Machine的可视化编程及动态规则转换优势应用于Communication Diagram的对象之间的通信协作实现，显式地将对象之间的交互关系和动态通信协作变迁规则结合，构建基于State Machine的可视化Communication Diagram测试模型，实现了从UML可视化建模到WF可视化映射和测试，解决了从分析、设计到构建的无缝转换，具有实际意义。
参考文献（References）
[1] Grady Booch，James Rumbaugh，Ivar Jacobson[美].UML用户指南[M].北京：人民邮电出版社，2013，1：191-195.
[2] Object Management Group.Unified Modeling Language.Formal[S].OMG，2017.
[3] Alexander Knapp and Till Mossakowski.UML Interactions Meet State Machine—An Institutional Approach[C].7th Conference on Algebra and Coalgebra in Computer Science，2017（15）：1-15.
[4] 张姝，戎玫，张广泉.基于时序逻辑的UML2.0通信图语义研究[J].计算机工程与设计，2008，29（21）：5601-5604.
[5] 张峻，张广泉，王辉，等.UM L 2.0 通信图的一种测试用例生成方法[J].苏 州 大 学 学 报（自然科学版），2007，23（2）：36-42.
[6] Microsoft.the programming model，samples，and tools of the Windows Workflow Foundation（WF）[EB/OL].https：//docs.microsoft.com/en-us/dotnet/framework/windows-workflow-foundation/index，2017-03-03.
[7] 钱维平，王坚.基于WF状态机工作流的日常工作管理系统的设计与实现[J].机电产品开发与创新.2015，28（1）：81-83.
[8] 冯倩，董丽丽.基WF状态机工作流的研究与应用[J].电脑知识与技术，2008，4（8）：2263-2265.
作者简介：
孔令东（1973-），男，博士，讲师.研究领域：软件工程，工作流技术.
