【UML】学习笔记（3）—— 类图

1 What is Class Diagram?

在UML 2.0的13种图形中，类图是使用频率最高的UML图之一。Martin Fowler在其著作《UML Distilled: A Brief Guide to the Standard Object Modeling Language, Third Edition》《UML精粹：标准对象建模语言简明指南（第3版）》中有这么一段：

If someone were to come up to you in a dark alley and say, ‘Psst, wanna see a UML diagram?’ that diagram would probably be a class diagram. The majority of UML diagrams I see are class diagrams.

“如果有人在黑暗的小巷中向你走来并对你说：‘嘿，想不想看一张UML图？’那么这张图很有可能就是一张类图，我所见过的大部分的UML图都是类图”。由此可见类图的重要性。

类图用于描述系统中所包含的类以及它们之间的相互关系，帮助人们简化对系统的理解，它是系统分析和设计阶段的重要产物，也是系统编码和测试的重要模型依据。

2 Relations

类与类之间的关系通常有4种，即依赖关系（Dependency）、泛化关系（Generalization）、关联关系（Association）、实现关系（Realization）。

2.1 依赖关系（Dependency）

【概念】表示两个或多个模型元素之间语义上的连接关系。
【绘图方式】虚线箭头，箭头指向被使用者。
【依赖图Sample】

2.2 泛化关系（继承）（Generalization）

【概念】描述类的一般和具体之间的关系，描述的“is a kind of ”的关系。
【绘图方式】实线空心三角箭头，箭头指向父类。
【继承方式】
- 单继承：一个类只有一个父类。
- 多继承：一个类可以有多个父类，可以从每一个父类中获得允许继承的信息。
【泛化图Sample】

2.3 关联关系（Association）

【概念】表示一个事物的对象与另一个事物的对象之间的语义上连接，简单的理解为两个类或类与接口之间的强依赖关系。
【绘图方式】实线箭头，双向箭头或无箭头。

2.3.1 聚集

【概念】描述的是部分与整体关系，描述了“has a”的关系，部分离开整体可以单独存在
【绘图方式】空菱形的实线，头部指向整体
【聚集关系图】

2.3.2 组成

【概念】一种更强形式的关联，在整体中拥有管理部分特有的职责，也被称为强聚合关系，部分不能脱离整体存在。
【绘图方式】实菱形的实线，头部指向整体。
【组成关系图】

2.3.3 实现关系（Realization）

【概念】将一种模型关系与另一种模型关系连接起来，从而说明和其实现之间的关系，简单的理解为一个类或多个类实现一个接口。
【绘图方式】封闭空箭头的虚线，箭头指向接口。
【实现关系图】

2.3.4 泛化和实现关系的区别：

泛化关系是指同一语义层的元素连接起来，通常在同一模型内；实现关系将不同语义层内的元素连接起来，通常在不同模型内。

3 Rules

在UML中，类使用包含类名、属性和操作且带有分隔线的长方形来表示，如定义一个Employee类，它包含属性name、age和email，以及操作modifyInfo()，在UML类图中该类如图1：

对应的Java代码片段如下：

public class Employee {    private String name;    private int age;    private String email;    public void modifyInfo() {    ......    }}

在UML类图中，类一般由三部分组成：

(1) 第一部分是类名：每个类都必须有一个名字，类名是一个字符串。

(2) 第二部分是类的属性(Attributes)：属性是指类的性质，即类的成员变量。一个类可以有任意多个属性，也可以没有属性。

UML规定属性的表示方式为： 可见性 名称:类型 [ = 缺省值 ]

（ps. 这是UML的规定，在画UML图时按照这样写出操作，与Java代码方式不同。）

-“可见性”表示该属性对于类外的元素而言是否可见，包括公有(public)、私有(private)和受保护(protected)三种，在类图中分别用符号+、-和#表示。

-“名称”表示属性名，用一个字符串表示。

-“类型”表示属性的数据类型，可以是基本数据类型，也可以是用户自定义类型。

-“缺省值”是一个可选项，即属性的初始值，根据实际情况设置或不设置。

(3) 第三部分是类的操作(Operations)：操作是类的任意一个实例对象都可以使用的行为，是类的成员方法。

UML规定操作的表示方式为：可见性 名称(参数列表) [ : 返回类型]

（ps. 这是UML的规定，在画UML图时按照这样写出操作，与Java代码方式不同。）

-“可见性”的定义与属性的可见性定义相同。

-“名称”即方法名，用一个字符串表示。

-“参数列表”表示方法的参数，其语法与属性的定义相似，参数个数是任意的，多个参数之间用逗号“，”隔开。

-“返回类型”是一个可选项，表示方法的返回值类型，依赖于具体的编程语言，可以是基本数据类型，也可以是用户自定义类型，还可以是空类型(void)，如果是构造方法，则无返回类型。

在类图2中，操作method1的可见性为public(+)，带入了一个Object类型的参数par，返回值为空(void)；操作method2的可见性为protected(#)，无参数，返回值为String类型；操作method3的可见性为private(-)，包含两个参数，其中一个参数为int类型，另一个为int[]类型，返回值为int类型。

由于在Java语言中允许出现内部类，因此可能会出现包含四个部分的类图，如图3所示：

4 Java Combined With UML

接下来，尝试一下结合JAVA代码了解UML类图设计，以及两者之间的关系。

4.1. 关联关系

关联(Association)关系是类与类之间最常用的一种关系，它是一种结构化关系，用于表示一类对象与另一类对象之间有联系，如汽车和轮胎、师傅和徒弟、班级和学生等等。在UML类图中，用实线连接有关联关系的对象所对应的类，在使用Java、C#和C++等编程语言实现关联关系时，通常将一个类的对象作为另一个类的成员变量。在使用类图表示关联关系时可以在关联线上标注角色名，一般使用一个表示两者之间关系的动词或者名词表示角色名（有时该名词为实例对象名），关系的两端代表两种不同的角色，因此在一个关联关系中可以包含两个角色名，角色名不是必须的，可以根据需要增加，其目的是使类之间的关系更加明确。

e.g
如在一个登录界面类LoginForm中包含一个JButton类型的注册按钮loginButton，它们之间可以表示为关联关系，代码实现时可以在LoginForm中定义一个名为loginButton的属性对象，其类型为JButton。如图1所示：

对应JAVA代码为：

public class LoginForm {    private JButton loginButton; //定义为 成员变量    ……}public class JButton {    ……}

4.1.1 双向关系

默认情况下，关联是双向的。例如：顾客(Customer)购买商品(Product)并拥有商品，反之，卖出的商品总有某个顾客与之相关联。因此，Customer类和Product类之间具有双向关联关系，如图2所示：

对应JAVA代码为：

public class Customer {    private Product[] products;    ……}public class Product {    private Customer customer;    ……}

4.1.2 单向关系

类的关联关系也可以是单向的，单向关联用带箭头的实线表示。例如：顾客(Customer)拥有地址(Address)，则Customer类与Address类具有单向关联关系，如图3所示：

对应JAVA代码为：

public class Customer {    private Address address;    ……}public class Address {……}

4.1.3 自关联

在系统中可能会存在一些类的属性对象类型为该类本身，这种特殊的关联关系称为自关联。例如：一个节点类(Node)的成员又是节点Node类型的对象，如图4所示：

对应JAVA代码为：

public class Node {    private Node subNode;    ……}

4.1.4 多重性关联

多重性关联

多重性关联关系又称为重数性(Multiplicity)关联关系，表示两个关联对象在数量上的对应关系。在UML中，对象之间的多重性可以直接在关联直线上用一个数字或一个数字范围表示。

对象之间可以存在多种多重性关联关系，常见的多重性表示方式如表1所示：

表示方式 多重性说明 1..1 表示另一个类的一个对象只与该类的一个对象有关系 0..* 表示另一个类的一个对象与该类的零个或多个对象有关系 1..* 表示另一个类的一个对象与该类的一个或多个对象有关系 0..1 表示另一个类的一个对象没有或只与该类的一个对象有关系 m..n 表示另一个类的一个对象与该类最少m，最多n个对象有关系 (m≤n)

/

例如：一个界面(Form)可以拥有零个或多个按钮(Button)，但是一个按钮只能属于一个界面，因此，一个Form类的对象可以与零个或多个Button类的对象相关联，但一个Button类的对象只能与一个Form类的对象关联，如图5所示：

对应JAVA代码为：

public class Form {    private Button[] buttons; //定义一个集合对象    ……}public class Button {……}

4.1.5 聚合关系

聚合(Aggregation)关系表示整体与部分的关系。在聚合关系中，成员对象是整体对象的一部分，但是成员对象可以脱离整体对象独立存在。在UML中，聚合关系用带空心菱形的直线表示。例如：汽车发动机(Engine)是汽车(Car)的组成部分，但是汽车发动机可以独立存在，因此，汽车和发动机是聚合关系，如图6所示：

在代码实现聚合关系时，成员对象通常作为构造方法、Setter方法或业务方法的参数注入到整体对象中，图6对应的Java代码片段如下：

public class Car {    private Engine engine;    //构造注入    public Car(Engine engine) {        this.engine = engine;    }    //设值注入    public void setEngine(Engine engine) {        this.engine = engine;    }    ……}public class Engine {……} 

4.1.6 组合关系

组合(Composition)关系也表示类之间整体和部分的关系，但是在组合关系中整体对象可以控制成员对象的生命周期，一旦整体对象不存在，成员对象也将不存在，成员对象与整体对象之间具有同生共死的关系。在UML中，组合关系用带实心菱形的直线表示。例如：人的头(Head)与嘴巴(Mouth)，嘴巴是头的组成部分之一，而且如果头没了，嘴巴也就没了，因此头和嘴巴是组合关系，如图7所示：

在代码实现组合关系时，通常在整体类的构造方法中直接实例化成员类，图7对应的Java代码片段如下：

public class Head {    private Mouth mouth;    public Head() {        mouth = new Mouth(); //实例化成员类    }    ……}public class Mouth {    ……} 

4.2 依赖关系

依赖(Dependency)关系是一种使用关系，特定事物的改变有可能会影响到使用该事物的其他事物，在需要表示一个事物使用另一个事物时使用依赖关系。大多数情况下，依赖关系体现在某个类的方法使用另一个类的对象作为参数。在UML中，依赖关系用带箭头的虚线表示，由依赖的一方指向被依赖的一方。例如：驾驶员开车，在Driver类的drive()方法中将Car类型的对象car作为一个参数传递，以便在drive()方法中能够调用car的move()方法，且驾驶员的drive()方法依赖车的move()方法，因此类Driver依赖类Car，如图1所示：

在系统实施阶段，依赖关系通常通过三种方式来实现，第一种也是最常用的一种方式是如图1所示的将一个类的对象作为另一个类中方法的参数，第二种方式是在一个类的方法中将另一个类的对象作为其局部变量，第三种方式是在一个类的方法中调用另一个类的静态方法。

图1对应的Java代码片段如下：

public class Driver {    public void drive(Car car) {        car.move();    }    ……}public class Car {    public void move() {        ......    }    ……}  

4.3 泛化关系

泛化(Generalization)关系也就是继承关系，用于描述父类与子类之间的关系，父类又称作基类或超类，子类又称作派生类。在UML中，泛化关系用带空心三角形的直线来表示。在代码实现时，我们使用面向对象的继承机制来实现泛化关系，如在Java语言中使用extends关键字、在C++/C#中使用冒号“：”来实现。

例如：Student类和Teacher类都是Person类的子类，Student类和Teacher类继承了Person类的属性和方法，Person类的属性包含姓名(name)和年龄(age)，每一个Student和Teacher也都具有这两个属性，另外Student类增加了属性学号(studentNo)，Teacher类增加了属性教师编号(teacherNo)，Person类的方法包括行走move()和说话say()，Student类和Teacher类继承了这两个方法，而且Student类还新增方法study()，Teacher类还新增方法teach()。

如图2所示：

对应的Java代码片段如下：

//父类public class Person {    protected String name;    protected int age;    public void move() {        ……    }    public void say() {    ……    }}//子类public class Student extends Person {    private String studentNo;    public void study() {        ……    }}//子类public class Teacher extends Person {    private String teacherNo;    public void teach() {        ……    }}

4.4 接口与实现关系

在很多面向对象语言中都引入了接口的概念，如Java、C#等，在接口中，通常没有属性，而且所有的操作都是抽象的，只有操作的声明，没有操作的实现。UML中用与类的表示法类似的方式表示接口，如图3所示：

接口之间也可以有与类之间关系类似的继承关系和依赖关系，但是接口和类之间还存在一种实现(Realization)关系，在这种关系中，类实现了接口，类中的操作实现了接口中所声明的操作。在UML中，类与接口之间的实现关系用带空心三角形的虚线来表示。例如：定义了一个交通工具接口Vehicle，包含一个抽象操作move()，在类Ship和类Car中都实现了该move()操作，不过具体的实现细节将会不一样，如图4所示：

实现关系在编程实现时，不同的面向对象语言也提供了不同的语法，如在Java语言中使用implements关键字，而在C++/C#中使用冒号“：”来实现。

图4对应的Java代码片段如下：

public interface Vehicle {    public void move();}public class Ship implements Vehicle {    public void move() {    ……    }}public class Car implements Vehicle {    public void move() {    ……    }}

Samples

请查看深入浅出UML类图中的实例分析，原作者提供了三个实例分析，真的很有帮助啊！

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参考自：
http://blog.csdn.net/jiuqiyuliang/article/details/8568303
http://www.uml.org.cn/oobject/201211231.asp

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