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2.1.1. MOF、UML 和 KerML

首先说明 MOF 、UML 和 KerML 的关系。如下图:

• UML (Unified Modeling Language,统一建模语言)是面向对象方法学的标准建模语言,当前版本是 2.5.1。一般开发者使用 UML 是为了为软件建立"模型"。而 OMG 的 UML 规范则是描述 UML 自身的模型,是"关于模型的模型",因此是"元模型"(metamodel)。

• MOF(Meta-Object Facility,元对象设施)是用于描述其他建模语言规范(Specification)的规范,当前版本为 2.5.1 。如上文,UML规范是元模型,而 MOF 是用于描述元模型的模型,因此是"元元模型"(meta-metamodel)。MOF 是 OMG 建模语言体系的基础,其他建模语言规范都以 MOF 描述。

• MOF 由 UML 的一个子集,以及少许特有内容组成。这个子集是 UML 类模型的一部分。MOF 使用这个 UML 子集来描述自身,因此 MOF 用自己描述了自己,实现了"自举"(bootstrapping)。此外,MOF 中专用于元元模型的特有内容只对建模工具的开发者有意义,并不直接用于描述其他建模语言。

• UML 是用 MOF 中包含的 UML 子集来描述的,因此间接地用自己描述了自己,也实现了自举。

• MOF 包含 UML 的子集,所以 MOF 依赖 UML;而 UML 又由 MOF 所描述,因此 UML 依赖 MOF。也就是说 MOF 和 UML 是双向依赖的。但由于 MOF 是元元模型,处于基础地位,因此画在图的下方。

• 由于 UML 具有一定缺陷,因此 OMG 另起炉灶,建立了 KerML(Kernal Modeling Language,内核建模语言),并于 2026年9月正式发布。KerML 也由 MOF 描述,因此依赖 MOF。后文会解释 KerML 解决了 UML 的哪些缺陷。

2.1.2. 当前建模语言体系

OMG 主要建模语言的关系如下图:

• MOF 是元元模型,用于描述元模型。

• 用 MOF 描述 UML 元模型。

• 通过使用 Profile,从 UML 中扩展出了 SysML (System Modeling Language)的第一版,用于 MBSE(Model-Based System Engineering, 基于模型的系统工程)。UML 一般只用于软件,而 SysML 所描述的系统通常既包含软件也包含硬件,例如汽车、卫星、电视等。

• UML 的固有缺陷影响了 SysML 本身的能力。这些缺陷包括:

  • UML 的语法是用图形来表示的,无法像编程语言那样通过形式语言来定义,容易产生歧义;

  • UML 的语义是用自然语言表示的,同样缺乏形式化,容易产生歧义;

  • UML 的行为模型(状态机、活动、交互)之间缺乏统一性;

  • UML 的行为模型和结构模型之间缺乏统一性;

  • UML 元模型的层次过于复杂,有些属于过度设计;

  • UML 的功能过于复杂,从而难以演进。

• 为了解决上述问题,为 SysML 建立坚实的基础,OMG 开发了 KerML。KerML 由 MOF 描述,是一种元模型而不是元元模型。从功能的角度,KerML 和 UML 存在交集;但从内部结构而言,KerML 进行了彻底的重建,包括以下方面:

  • KerML 的表示法是文本,类似编程语言,通过 EBNF 的变体严格定义;

  • KerML 的语义采用一阶谓词定义,没有歧义;

  • KerML 的行为模型是统一的;

  • KerML 的行为模型和结构模型之间是统一的;

  • KerML 优化了元模型的层次结构,比 UML 更加简洁;

  • KerML 简化了 UML 的原有功能,同时又增加了一些 UML 不具备的抽象和功能,比 UML 更加完善。

• 基于 KerML 扩展出了新的 SysML,也就是 SysML v2。尽管仍然叫做 SysML,但与第一版已经大相径庭:

  • SysML v2 继承了 KerML 的所有优点;

  • SysML v2 的概念和术语发生了很大变化;

  • 理论上 SysML v1 将会逐步退役,因此图中使用灰色背景。

2.1.3. 当前建模语言体系的问题

就整个建模语言体系而言,OMG 目前的状态只是半成品,表现在以下方面:

• KerML 由 MOF 描述,而 MOF 仍然依赖于 UML。因此,KerML 并没有彻底斩断与 UML 的脐带,仍然没有实现自举。这导致了在 KerML 的规范中,其抽象语法仍然由 UML 表示,而无法用文本表示。而文本化本来是 KerML 的核心优势之一。

• OMG 为 SysML v2 规定了与文本等价的图形表示法,但并没有为 KerML 规定图形表示。理论上,KerML 可以单独用于建模,但没有图形化,则对人类不友好。

• OMG 并没有基于 KerML 重建 UML。

• 因此,对于软件建模语言而言,面临如下尴尬局面:

  • KerML 缺乏用例、组件、接口等必要机制,并且没有图形化,因此无法代替 UML 用于软件建模;

  • 在 SysML v2 的网站上提到"预计 SysML v2 也将被软件系统工程师和其他希望利用这一现代开发实践的人所采用(It is also anticipated that SysML v2 will be embraced by software systems engineers and others wishing to leverage this language as part of their modern development practices)",然而,SysML 的概念和术语体系与 UML 差别巨大,要取而代之实属渺茫;

  • UML 的缺陷影响了自身的发展,字2017年12月的 2.5.1 版后就不再更新;

  • 由于没有标准的文本表示法,UML 难以有效地支撑基于 AI 的软件开发;

  • 官方虽然有基于文本的 XMI 的规范,但其目的是进行进行模型数据交换,便于机器阅读,却难以被人类理解,因此不适合作为建模语言使用。