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程序员特有的画图方式——语绘工具小入门

发表于 更新于 Disqus：

黑客与画家

虽然程序员多数时候都在与字符打交道，但偶尔也会像建筑或制造业的工程师一样，画一些图，比如：

  1. 为了表达多个系统如何协作以实现业务需求，会画时序图；
  2. 为了表达存储到数据库中的业务实体间的关系，会画ER图；
  3. 为了表达复杂的业务实体在整个生存期中状态的变化，会画状态图。

除此之外，还有流程图、甘特图、火焰图，等等。

尽管软件开发过程中产出的这些图不一定逼真、漂亮，或严谨，但凭着图上不同的形状、颜色，以及布局，也可以做到一图胜千言的效果。

图很有用，画图的工具也同样举足轻重。如果是本地的桌面应用，多数人可能会选择用Windows平台的Visio或macOS平台的OmniGraffle；若说到作图网站，则可能会选择ProcessOn或Draw.io。

但比起用鼠标拖拖拉拉，我更喜欢用代码来画图。

用代码画图？

用代码画图大致上可以分为两类：

  1. 用具体的编程语言控制某种绘图的API画出想要的图形，比如OpenGL、HTML5中的Canvas；
  2. 用DSL描述想要画的图，然后用程序根据DSL生成图片。

我所说的用代码画图指的是上述的第二类。

百闻不如一见，以最容易上手的DOT语言为例，将下列内容保存在名为hello.dot的文件中

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digraph G {
        Hello -> World
}

然后在shell中运行如下命令

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dot -Tpng hello.dot -o hello.png

便得到了相应的PNG文件

更多的栗子

下面就带各位读者走马观花地看看不同的图可以用哪些工具来绘制。

流程图

说到程序员画的图，最出名的当属流程图了。依稀记得在高中的时候，某一册的数学课本中讲到了算法（也许是辗转相除法），并且给出了图示，那应当就是我第一次见到流程图。上大学后也有一段时间痴迷于寻找能够绘制流程图的DSL，不过一直未果。直到遇到Boostnote后，才知道的确有这样的DSL，那便是flowchart.js。

flowchart.js是一个JS编写的、用来绘制流程图的库。比如下面这张图

便是依据下列的DSL生成的

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st=>start: Start
op=>operation: Your Operation
cond=>condition: Yes or No?
e=>end

st->op->cond
cond(yes)->e
cond(no)->op

flowchart.js生成的是SVG格式的图片文件，但SVG文件不方便嵌入到Markdown或Confluence的文档中，因此我会把它转换为PNG格式。折腾了一番后，发现在Mac上最靠谱的方法，是将SVG文件嵌入一个HTML文档，再用浏览器打开这个HTML，然后复制图片到预览程序上保存下来。

遗憾的是，不管是Emacs还是VSCode，似乎都没有辅助编辑flowchart.js的DSL的插件。

有限状态机

有限状态机的示意图也是很常见的图形，尤其是在讲解编译器的书的语法分析章节中。在Graphviz项目官网的Gallery板块中，便有一个有限状态机的例子

它由如下的DOT代码描述

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digraph finite_state_machine {
	rankdir=LR;
	size="8,5"
	node [shape = doublecircle]; LR_0 LR_3 LR_4 LR_8;
	node [shape = circle];
	LR_0 -> LR_2 [ label = "SS(B)" ];
	LR_0 -> LR_1 [ label = "SS(S)" ];
	LR_1 -> LR_3 [ label = "S($end)" ];
	LR_2 -> LR_6 [ label = "SS(b)" ];
	LR_2 -> LR_5 [ label = "SS(a)" ];
	LR_2 -> LR_4 [ label = "S(A)" ];
	LR_5 -> LR_7 [ label = "S(b)" ];
	LR_5 -> LR_5 [ label = "S(a)" ];
	LR_6 -> LR_6 [ label = "S(b)" ];
	LR_6 -> LR_5 [ label = "S(a)" ];
	LR_7 -> LR_8 [ label = "S(b)" ];
	LR_7 -> LR_5 [ label = "S(a)" ];
	LR_8 -> LR_6 [ label = "S(b)" ];
	LR_8 -> LR_5 [ label = "S(a)" ];
}

不少工具将DOT语言作为中间媒介来实现绘图的功能。

与flowchart.js不同，Emacs和VSCode都可以很好地支持DOT代码的编辑和预览。Emacs上有dot-mode，VSCode则有Graphviz (dot) language support for Visual Studio Code这个插件。

时序图

我画得最多的当属时序图。在旧文《时序图绘制工具走马观花》中，提到了三个工具：

  1. WebSequenceDiagrams，一个在线绘制时序图的网站；
  2. sdedit，一个本地的命令行兼GUI绘图工具；
  3. SequenceDiagram，也是一个网站。

当时倾向于使用sdedit。时过境迁，如今的WebSequenceDiagrams变得更好看了，而我也选择了PlantUML作为绘制时序图的主力工具。下面这张图是PlantUML官网给出的例子

它依据如下的代码生成

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@startuml
用户 -> 认证中心: 登录操作
认证中心 -> 缓存: 存放(key=token+ip,value=token)token

用户 <- 认证中心 : 认证成功返回token
用户 -> 认证中心: 下次访问头部携带token认证
认证中心 <- 缓存: key=token+ip获取token
其他服务 <- 认证中心: 存在且校验成功则跳转到用户请求的其他服务
其他服务 -> 用户: 信息
@enduml

Emacs的plantuml-mode，以及VSCode的PlantUML插件都可以为PlantUML的DSL提供语法高亮。

下载了PlantUML的jar包后，在Emacs中添加如下的配置，就可以不依赖远程服务器来生成PNG格式的图片了

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(setq plantuml-default-exec-mode 'jar)
(setq plantuml-jar-path "/path/to/plantuml.jar")

UML用例图

在《架构整洁之道》一书中，作者提出了一个软件架构模式，其中有一层便是用例。看完这本书后，我越发地喜欢作者这一套架构模式，渐渐开始在设计文档中给出需求的典型用例——尽管是文字描述。再后来，才知道原来UML中已经有一类专门用于描述用例的图形方法——用例图。

用于画用例图的依然是PlantUML。下列这张图

便是依据如下的源代码生成的

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@startuml
left to right direction
actor 员工 as yg
actor 顾客 as gk
actor 餐厅员工 as ctyg
actor A2 as a2
actor 送餐员 as scy
rectangle cos {
        note "没注册工资\n支付的采用\n送餐时收费" as mzc
        usecase 查看菜单 as ckcd
        usecase 注册 as zc
        usecase 登录 as dl
        usecase 订餐 as dc
        usecase "预约/覆盖预约" as yy
        usecase 备餐 as bc
        usecase 请求送餐 as qqsc
        usecase 记录送餐 as jlsc
        usecase 打印送餐说明 as dyscsm
        usecase 记录收费 as jlsf
        zc .> dl : <<extends>>
        dl .> dc : <<extends>>
}
actor A1 as a1
note bottom of a1 : 已注册工资支付

yg <|-- gk
gk <|-- ctyg
ctyg <|-- a2
ctyg <|-- scy

yg -- ckcd
yg ---- zc
yg --- dl
gk -- dc
gk ---- yy
ctyg -- bc
ctyg --- qqsc
scy -- jlsc
scy --- dyscsm
scy -- mzc
jlsf -- mzc
@enduml

比较遗憾的是，PlantUML自动排版的结果显得不那么整齐，左下角有一个明显的三角形空白区域——这也是DSL大法的一个缺点，即无法完美地控制最终的排列效果。

UML类图

最开始接触UML的时候，学习的便是类图——尽管接触得最早，画得却最少。比起类图，ER图反而画得更多一点。

如果要画类图，首选的工具是mermaid。跟PlantUML一样，mermaid也是一个大而全的东西，除了画UML类图，也可以画流程图、时序图，以及UML状态图等。下面这张图

便是mermaid-cli依据如下的源代码生成的

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classDiagram
  Image <|-- BMP
  Image <|-- GIF
  Image <|-- JPEG
  Image: +setImpl()
  Image: +parseFile()

  ImageImpl <|-- WinImpl
  ImageImpl <|-- LinuxImpl
  ImageImpl: +doPaint()

  Image ..> ImageImpl

Emacs用户可以安装mermaid-mode，VSCode用户则可以使用Mermaid Preview这个插件，来辅助编辑mermaid的源文件。

方才提到的mermaid-cli是一个命令行程序，用于在本地根据mermaid的源文件产生PNG格式的图片，安装也很简单

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npm install -g mermaid.cli

总结

还有许多的图可以用DSL来绘制，感兴趣的读者可以到mermaid或PlantUML的官网了解一番，这里不再一一举例。

用DSL来绘图有一些优点：

  1. 不需要借助鼠标工具，纯键盘党的福音；
  2. 源代码为纯文本，生成器跨多平台，可以在多个平台甚至网页上编辑和查看，不受单一软件厂商的约束；
  3. 方便修改，改完不需要来回调整各个图形的位置。

但也有一些缺点：

  1. 不直观，生成图片前不好猜测最终的效果；
  2. 无法准确地控制图中所有元素的排列和位置，有时候得不到想要的效果；
  3. 需要学习不同的DSL，学习成本比可视化工具要高。

就像软件开发中没有银弹一样，画图工具也没有万金油，关键还是要因地制宜地选择最合适的工具来解决眼前的问题。

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