I code it

Code and Life

使用graphviz绘制流程图(2015版)


2015年11月10日更新 在实践中,我又发现了一些graphviz的有趣的特性,比如时序图rank以及图片节点等。在这里一并更新。

前言

日常的开发工作中,为代码添加注释是代码可维护性的一个重要方面,但是仅仅提供注释是不够的,特别是当系统功能越来越复杂,涉及到的模块越来越多的时候,仅仅靠代码就很难从宏观的层次去理解。因此我们需要图例的支持,图例不仅仅包含功能之间的交互,也可以包含复杂的数据结构的示意图,数据流向等。

但是,常用的UML建模工具,如Visio等都略显复杂,且体积庞大。对于开发人员,特别是后台开发人员来说,命令行,脚本才是最友好的,而图形界面会很大程度的限制开发效率。相对于鼠标,键盘才是开发人员最好的朋友。

graphviz简介

本文介绍一个高效而简洁的绘图工具graphvizgraphviz是贝尔实验室开发的一个开源的工具包,它使用一个特定的DSL(领域特定语言): dot作为脚本语言,然后使用布局引擎来解析此脚本,并完成自动布局。graphviz提供丰富的导出格式,如常用的图片格式,SVG,PDF格式等。

graphviz中包含了众多的布局器:

  • dot 默认布局方式,主要用于有向图
  • neato 基于spring-model(又称force-based)算法
  • twopi 径向布局
  • circo 圆环布局
  • fdp 用于无向图

graphviz的设计初衷是对有向图/无向图等进行自动布局,开发人员使用dot脚本定义图形元素,然后选择算法进行布局,最终导出结果。

首先,在dot脚本中定义图的顶点和边,顶点和边都具有各自的属性,比如形状,颜色,填充模式,字体,样式等。然后使用合适的布局算法进行布局。布局算法除了绘制各个顶点和边之外,需要尽可能的将顶点均匀的分布在画布上,并且尽可能的减少边的交叉(如果交叉过多,就很难看清楚顶点之间的关系了)。所以使用graphviz的一般流程为:

  • 定义一个图,并向图中添加需要的顶点和边
  • 为顶点和边添加样式
  • 使用布局引擎进行绘制

一旦熟悉这种开发模式,就可以快速的将你的想法绘制出来。配合一个良好的编辑器(vim/emacs)等,可以极大的提高开发效率,与常见的GUI应用的所见即所得模式对应,此模式称为所思即所得。比如在我的机器上,使用Sublime Text 编辑dot脚本,然后将F7/Cmd-B映射为调用dot引擎去绘制当前脚本,并打开一个新的窗口来显示运行结果:

workspace

对于开发人员而言,经常会用到的图形绘制可能包括:函数调用关系,一个复杂的数据结构,系统的模块组成,抽象语法树等。

基础知识

graphviz包含3中元素,顶点。每个元素都可以具有各自的属性,用来定义字体,样式,颜色,形状等。下面是一些简单的示例,可以帮助我们快速的了解graphviz的基本用法。

第一个graphviz图

比如,要绘制一个有向图,包含4个节点a,b,c,d。其中a指向bbc指向d。可以定义下列脚本:

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digraph abc{
  a;
  b;
  c;
  d;
 
  a -> b;
  b -> d;
  c -> d;
}

使用dot布局方式,绘制出来的效果如下:

dot-simple

默认的顶点中的文字为定义顶点变量的名称,形状为椭圆。边的默认样式为黑色实线箭头,我们可以在脚本中做一下修改,将顶点改为方形,边改为虚线

定义顶点和边的样式

digraph的花括号内,添加顶点和边的新定义:

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node [shape="record"];
edge [style="dashed"];

则绘制的效果如下:

dot-simple2

进一步修改顶点和边样式

进一步,我们将顶点a的颜色改为淡绿色,并将cd的边改为红色,脚本如下:

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digraph abc{
  node [shape="record"];
  edge [style="dashed"];
   
  a [style="filled", color="black", fillcolor="chartreuse"];
  b;
  c;
  d;
   
  a -> b;
  b -> d;
  c -> d [color="red"];
}

绘制的结果如下:

dot-simple3

应当注意到,顶点和边都接受属性的定义,形式为在顶点和边的定义之后加上一个由方括号括起来的key-value列表,每个key-value对由逗号隔开。如果图中顶点和边采用统一的风格,则可以在图定义的首部定义node, edge的属性。比如上图中,定义所有的顶点为方框,所有的边为虚线,在具体的顶点和边之后定义的属性将覆盖此全局属性。如特定与a的绿色,cd的边的红色。

以图片为节点

除了颜色,节点还可以使用图片。不过需要注意的是,在使用图片作为节点的时候,需要将本来的形状设置为none,并且将label置为空字符串,避免出现文字对图片的干扰。

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digraph abc{
  node [shape="record"];
  edge [style="dashed"];
   
  a [style="filled", color="black", fillcolor="chartreuse"];
  b;
  c [shape="none", image="logos/browser-icon-chrome-resized.png", label=""];
  d;
   
  a -> b;
  b -> d;
  c -> d [color="red"];
}

image-node

子图的绘制

graphviz支持子图,即图中的部分节点和边相对对立(软件的模块划分经常如此)。比如,我们可以将顶点c和d归为一个子图:

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digraph abc{

  node [shape="record"];
  edge [style="dashed"];
   
  a [style="filled", color="black", fillcolor="chartreuse"];
  b;
 
    subgraph cluster_cd{
      label="c and d";
      bgcolor="mintcream";
      c;
      d;
    }
 
  a -> b;
  b -> d;
  c -> d [color="red"];
}

cd划分到cluster_cd这个子图中,标签为c and d,并添加背景色,以方便与主图区分开,绘制结果如下:

cluster

应该注意的是,子图的名称必须以cluster开头,否则graphviz无法设别。

数据结构的可视化

实际开发中,经常要用到的是对复杂数据结构的描述,graphviz提供完善的机制来绘制此类图形。

一个hash表的数据结构

比如一个hash表的内容,可能具有下列结构:

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struct st_hash_type {
    int (*compare) ();
    int (*hash) ();
};

struct st_table_entry {
    unsigned int hash;
    char *key;
    char *record;
    st_table_entry *next;
};

struct st_table {
    struct st_hash_type *type;
    int num_bins; /* slot count */
    int num_entries; /* total number of entries */
    struct st_table_entry **bins; /* slot */
};
绘制hash表的数据结构

从代码上看,由于结构体存在引用关系,不够清晰,如果层次较多,则很难以记住各个结构之间的关系,我们可以通过下图来更清楚的展示:

hash-datastruct

脚本如下:

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digraph st2{
  fontname = "Verdana";
  fontsize = 10;
  rankdir=TB;
  
  node [fontname = "Verdana", fontsize = 10, color="skyblue", shape="record"];
  
  edge [fontname = "Verdana", fontsize = 10, color="crimson", style="solid"];
  
  st_hash_type [label="{<head>st_hash_type|(*compare)|(*hash)}"];
  st_table_entry [label="{<head>st_table_entry|hash|key|record|<next>next}"];
  st_table [label="{st_table|<type>type|num_bins|num_entries|<bins>bins}"];
  
  st_table:bins -> st_table_entry:head;
  st_table:type -> st_hash_type:head;
  st_table_entry:next -> st_table_entry:head [style="dashed", color="forestgreen"];
}

应该注意到,在顶点的形状为record的时候,label属性的语法比较奇怪,但是使用起来非常灵活。比如,用竖线”|”隔开的串会在绘制出来的节点中展现为一条分隔符。用<>括起来的串称为锚点,当一个节点具有多个锚点的时候,这个特性会非常有用,比如节点st_tabletype属性指向st_hash_type,第4个属性指向st_table_entry等,都是通过锚点来实现的。

我们发现,使用默认的dot布局后,绿色的这条边覆盖了数据结构st_table_entry,并不美观,因此可以使用别的布局方式来重新布局,如使用circo算法:

circo

则可以得到更加合理的布局结果。

hash表的实例

另外,这个hash表的一个实例如下:

hash-instance

脚本如下:

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digraph st{
  fontname = "Verdana";
  fontsize = 10;
  rankdir = LR;
  rotate = 90;
  
  node [ shape="record", width=.1, height=.1];
  node [fontname = "Verdana", fontsize = 10, color="skyblue", shape="record"];
  
  edge [fontname = "Verdana", fontsize = 10, color="crimson", style="solid"];
  node [shape="plaintext"];
  
  st_table [label=<
      <table border="0" cellborder="1" cellspacing="0" align="left">
      <tr>
      <td>st_table</td>
      </tr>
      <tr>
      <td>num_bins=5</td>
      </tr>
      <tr>
      <td>num_entries=3</td>
      </tr>
      <tr>
      <td port="bins">bins</td>
      </tr>
      </table>
  >];
  
  node [shape="record"];
  num_bins [label=" <b1> | <b2> | <b3> | <b4> | <b5> ", height=2];
  node[ width=2 ];
  
  entry_1 [label="{<e>st_table_entry|<next>next}"];
  entry_2 [label="{<e>st_table_entry|<next>null}"];
  entry_3 [label="{<e>st_table_entry|<next>null}"];
  
  st_table:bins -> num_bins:b1;
  num_bins:b1 -> entry_1:e;
  entry_1:next -> entry_2:e;
  num_bins:b3 -> entry_3:e;
}

上例中可以看到,节点的label属性支持类似于HTML语言中的TABLE形式的定义,通过行列的数目来定义节点的形状,从而使得节点的组成更加灵活。

软件模块组成图

Apache httpd 模块关系

httpd

在实际的开发中,随着系统功能的完善,软件整体的结构会越来越复杂,通常开发人员会将软件划分为可理解的多个子模块,各个子模块通过协作,完成各种各样的需求。

下面有个例子,是某软件设计时的一个草稿:

idp

IDP支持层为一个相对独立的子系统,其中包括如数据库管理器,配置信息管理器等模块,另外为了提供更大的灵活性,将很多其他的模块抽取出来作为外部模块,而支持层提供一个模块管理器,来负责加载/卸载这些外部的模块集合。

这些模块间的关系较为复杂,并且有部分模块关系密切,应归类为一个子系统中,上图对应的dot脚本为:

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digraph idp_modules{

  rankdir = TB;
  fontname = "Microsoft YaHei";
  fontsize = 12;
  
  node [ fontname = "Microsoft YaHei", fontsize = 12, shape = "record" ];
  edge [ fontname = "Microsoft YaHei", fontsize = 12 ];
  
      subgraph cluster_sl{
          label="IDP支持层";
          bgcolor="mintcream";
          node [shape="Mrecord", color="skyblue", style="filled"];
          network_mgr [label="网络管理器"];
          log_mgr [label="日志管理器"];
          module_mgr [label="模块管理器"];
          conf_mgr [label="配置管理器"];
          db_mgr [label="数据库管理器"];
      };
  
      subgraph cluster_md{
          label="可插拔模块集";
          bgcolor="lightcyan";
          node [color="chartreuse2", style="filled"];
          mod_dev [label="开发支持模块"];
          mod_dm [label="数据建模模块"];
          mod_dp [label="部署发布模块"];
      };
  
  mod_dp -> mod_dev [label="依赖..."];
  mod_dp -> mod_dm [label="依赖..."];
  mod_dp -> module_mgr [label="安装...", color="yellowgreen", arrowhead="none"];
  mod_dev -> mod_dm [label="依赖..."];
  mod_dev -> module_mgr [label="安装...", color="yellowgreen", arrowhead="none"];
  mod_dm -> module_mgr [label="安装...", color="yellowgreen", arrowhead="none"];
}

状态图

有限自动机示意图

fsm

上图是一个简易有限自动机,接受aa结尾的任意长度的串。其脚本定义如下:

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digraph automata_0 {
  size = "8.5, 11";
  fontname = "Microsoft YaHei";
  fontsize = 10;
  
  node [shape = circle, fontname = "Microsoft YaHei", fontsize = 10];
  edge [fontname = "Microsoft YaHei", fontsize = 10];
  
  0 [ style = filled, color=lightgrey ];
  2 [ shape = doublecircle ];
  
  0 -> 2 [ label = "a " ];
  0 -> 1 [ label = "other " ];
  1 -> 2 [ label = "a " ];
  1 -> 1 [ label = "other " ];
  2 -> 2 [ label = "a " ];
  2 -> 1 [ label = "other " ];
  
  "Machine: a" [ shape = plaintext ];
}

形状值为plaintext的表示不用绘制边框,仅展示纯文本内容,这个在绘图中,绘制指示性的文本时很有用,如上图中的Machine: a

OSGi中模块的生命周期图

OSGi中,模块具有生命周期,从安装到卸载,可能的状态具有已安装,已就绪,正在启动,已启动,正在停止,已卸载等。如下图所示:

osgi

对应的脚本如下:

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digraph module_lc{
  rankdir=TB;
  fontname = "Microsoft YaHei";
  fontsize = 12;
  
  node [fontname = "Microsoft YaHei", fontsize = 12, shape = "Mrecord", color="skyblue", style="filled"];
  edge [fontname = "Microsoft YaHei", fontsize = 12, color="darkgreen" ];
  
  installed [label="已安装状态"];
  resolved [label="已就绪状态"];
  uninstalled [label="已卸载状态"];
  starting [label="正在启动"];
  active [label="已激活(运行)状态"];
  stopping [label="正在停止"];
  start [label="", shape="circle", width=0.5, fixedsize=true, style="filled", color="black"];
  
  start -> installed [label="安装"];
  installed -> uninstalled [label="卸载"];
  installed -> resolved [label="准备"];
  installed -> installed [label="更新"];
  resolved -> installed [label="更新"];
  resolved -> uninstalled [label="卸载"];
  resolved -> starting [label="启动"];
  starting -> active [label=""];
  active -> stopping [label="停止"];
  stopping -> resolved [label=""];
}

其他实例

一棵简单的抽象语法树(AST)

表达式 (3+4)*5 在编译时期,会形成一棵语法树,一边在计算时,先计算3+4的值,最后与5相乘。

ast-calc

对应的脚本如下:

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digraph ast{
  fontname = "Microsoft YaHei";
  fontsize = 10;
  
  node [shape = circle, fontname = "Microsoft YaHei", fontsize = 10];
  edge [fontname = "Microsoft YaHei", fontsize = 10];
  node [shape="plaintext"];
  
  mul [label="mul(*)"];
  add [label="add(+)"];
  
  add -> 3
  add -> 4;
  mul -> add;
  mul -> 5;
}

简单的UML类图

下面是一简单的UML类图,DogCat都是Animal的子类,DogCat同属一个包,且有可能有联系(0..n)

uml

脚本:

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digraph G{
  
  fontname = "Courier New"
  fontsize = 10
  
  node [ fontname = "Courier New", fontsize = 10, shape = "record" ];
  edge [ fontname = "Courier New", fontsize = 10 ];
  
  Animal [ label = "{Animal |+ name : String\l+ age : int\l|+ die() : void\l}" ];
  
      subgraph clusterAnimalImpl{
          bgcolor="yellow"
          Dog [ label = "{Dog||+ bark() : void\l}" ];
          Cat [ label = "{Cat||+ meow() : void\l}" ];
      };
  
  edge [ arrowhead = "empty" ];
  
  Dog->Animal;
  Cat->Animal;
  Dog->Cat [arrowhead="none", label="0..*"];
}

状态图

status-chart

脚本:

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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)" ];
}

时序图

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digraph G {
    rankdir="LR";
    node[shape="point", width=0, height=0];
    edge[arrowhead="none", style="dashed"]

    {
        rank="same";
        edge[style="solided"];
        LC[shape="plaintext"];
        LC -> step00 -> step01 -> step02 -> step03 -> step04 -> step05;
    }

    {
        rank="same";
        edge[style="solided"];
        Agency[shape="plaintext"];
        Agency -> step10 -> step11 -> step12 -> step13 -> step14 -> step15;
    }

    {
        rank="same";
        edge[style="solided"];
        Agent[shape="plaintext"];
        Agent -> step20 -> step21 -> step22 -> step23 -> step24 -> step25;
    }

    step00 -> step10 [label="sends email new custumer", arrowhead="normal"];
    step11 -> step01 [label="declines", arrowhead="normal"];
    step12 -> step02 [label="accepts", arrowhead="normal"];
    step13 -> step23 [label="forward to", arrowhead="normal"];
    step24 -> step14;
    step14 -> step04 [arrowhead="normal"];
}

rankdir="LR"表示,布局从左L到右R。可以看到,在代码中有{}括起来的部分。

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{
    rank="same";
    edge[style="solided"];
    Agency[shape="plaintext"];
    Agency -> step10 -> step11 -> step12 -> step13 -> step14 -> step15;
}

每一个rank="same"的block中的所有节点都会在同一条线上。我们设置了所有的线为虚线,但是在该block中,将线改为solided

seq

附录

事实上,从dot的语法及上述的示例中,很容易看出,dot脚本很容易被其他语言生成。比如,使用一些简单的数据库查询就可以生成数据库中的ER图的dot脚本。

如果你追求高效的开发速度,并希望快速的将自己的想法画出来,那么graphviz是一个很不错的选择。

当然,graphviz也有一定的局限,比如绘制时序图(序列图)就很难实现。graphviz的节点出现在画布上的位置事实上是不确定的,依赖于所使用的布局算法,而不是在脚本中出现的位置,这可能使刚开始接触graphviz的开发人员有点不适应。graphviz的强项在于自动布局,当图中的顶点和边的数目变得很多的时候,才能很好的体会这一特性的好处:

complex

比如上图,或者较上图更复杂的图,如果采用手工绘制显然是不可能的,只能通过graphviz提供的自动布局引擎来完成。如果仅用于展示模块间的关系,子模块与子模块间通信的方式,模块的逻辑位置等,graphviz完全可以胜任,但是如果图中对象的物理位置必须是准确的,如节点A必须位于左上角,节点B必须与A相邻等特性,使用graphviz则很难做到。毕竟,它的强项是自动布局,事实上,所有的节点对与布局引擎而言,权重在初始时都是相同的,只是在渲染之后,节点的大小,形状等特性才会影响权重。

本文只是初步介绍了graphviz的简单应用,如图的定义,顶点/边的属性定义,如果运行等,事实上还有很多的属性,如画布的大小,字体的选择,颜色列表等,大家可以通过graphviz的官网来找到更详细的资料。

文中的代码都已经在Github上。

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