深入淺出UML類圖

1、深入淺出UML類圖  在UML 2.0的13種圖形中，類圖是使用頻率最高的UML圖之一。Martin Fowler在其著作UML Distilled: A Brief Guide to the Standard Object Modeling Language, Third Edition（UML精粹：標準對象建模語言簡明指南（第3版）中有這么一段：“If someone were to come up to you in a dark alley and say, 'Psst, wanna see a UML diagram?' that diagram

2、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來并對你說：嘿，想不想看一張UML圖？那么這張圖很有可能就是一張類圖，我所見過的大部分的UML圖都是類圖”），由此可見類圖的重要性。 類圖用于描述系統(tǒng)中所包含的類以及它們之間的相互關系，幫助人們簡化對系統(tǒng)的理解，它是系統(tǒng)分析和設計階段的重要產(chǎn)物，也是系統(tǒng)編碼和測試的重要模型依據(jù)。1. 類類(Class)封裝了數(shù)據(jù)和行為，是面向對象的重要組成部分，它是具有相同屬性、操作、關系的對象集合的

3、總稱。在系統(tǒng)中，每個類都具有一定的職責，職責指的是類要完成什么樣的功能，要承擔什么樣的義務。一個類可以有多種職責，設計得好的類一般只有一種職責。在定義類的時候，將類的職責分解成為類的屬性和操作（即方法）。類的屬性即類的數(shù)據(jù)職責，類的操作即類的行為職責。設計類是面向對象設計中最重要的組成部分，也是最復雜和最耗時的部分。在軟件系統(tǒng)運行時，類將被實例化成對象(Object)，對象對應于某個具體的事物，是類的實例(Instance)。類圖(Class Diagram)使用出現(xiàn)在系統(tǒng)中的不同類來描述系統(tǒng)的靜態(tài)結構，它用來描述不同的類以及它們之間的關系。在系統(tǒng)分析與設計階段，類通?？梢苑譃槿N，分別是實體

4、類(Entity Class)、控制類(Control Class)和邊界類(Boundary Class)，下面對這三種類加以簡要說明：(1) 實體類：實體類對應系統(tǒng)需求中的每個實體，它們通常需要保存在永久存儲體中，一般使用數(shù)據(jù)庫表或文件來記錄，實體類既包括存儲和傳遞數(shù)據(jù)的類，還包括操作數(shù)據(jù)的類。實體類來源于需求說明中的名詞，如學生、商品等。(2) 控制類：控制類用于體現(xiàn)應用程序的執(zhí)行邏輯，提供相應的業(yè)務操作，將控制類抽象出來可以降低界面和數(shù)據(jù)庫之間的耦合度?？刂祁愐话闶怯蓜淤e結構的短語（動詞+名詞）轉化來的名詞，如增加商品對應有一個商品增加類，注冊對應有一個用戶注冊類等(3) 邊界類：邊界

5、類用于對外部用戶與系統(tǒng)之間的交互對象進行抽象，主要包括界面類，如對話框、窗口、菜單等。在面向對象分析和設計的初級階段，通常首先識別出實體類，繪制初始類圖，此時的類圖也可稱為領域模型，包括實體類及其它們之間的相互關系。2. 類的UML圖示在UML中，類使用包含類名、屬性和操作且?guī)в蟹指艟€的長方形來表示，如定義一個Employee類，它包含屬性name、age和email，以及操作modifyInfo()，在UML類圖中該類如圖1所示：圖1 類的UML圖示圖1對應的Java代碼片段如下：public class Employee private String name;private int ag

6、e;private String email;public void modifyInfo() .在UML類圖中，類一般由三部分組成：(1) 第一部分是類名：每個類都必須有一個名字，類名是一個字符串。(2) 第二部分是類的屬性(Attributes)：屬性是指類的性質，即類的成員變量。一個類可以有任意多個屬性，也可以沒有屬性UML規(guī)定屬性的表示方式為：可見性 名稱:類型 = 缺省值 其中：· “可見性”表示該屬性對于類外的元素而言是否可見，包括公有(public)、私有(private)和受保護(protected)三種，在類圖中分別用符號+、-和#表示。 · “名稱”表示

7、屬性名，用一個字符串表示。 · “類型”表示屬性的數(shù)據(jù)類型，可以是基本數(shù)據(jù)類型，也可以是用戶自定義類型。 · “缺省值”是一個可選項，即屬性的初始值。 (3) 第三部分是類的操作(Operations)：操作是類的任意一個實例對象都可以使用的行為，是類的成員方法。UML規(guī)定操作的表示方式為：可見性 名稱(參數(shù)列表) : 返回類型其中：· “可見性”的定義與屬性的可見性定義相同。 · “名稱”即方法名，用一個字符串表示。 · “參數(shù)列表”表示方法的參數(shù)，其語法與屬性的定義相似，參數(shù)個數(shù)是任意的，多個參數(shù)之間用逗號“，”隔開。 · “返回

8、類型”是一個可選項，表示方法的返回值類型，依賴于具體的編程語言，可以是基本數(shù)據(jù)類型，也可以是用戶自定義類型，還可以是空類型(void)，如果是構造方法，則無返回類型。 在類圖2中，操作method1的可見性為public(+)，帶入了一個Object類型的參數(shù)par，返回值為空(void)；操作method2的可見性為protected(#)，無參數(shù)，返回值為String類型；操作method3的可見性為private(-)，包含兩個參數(shù)，其中一個參數(shù)為int類型，另一個為int類型，返回值為int類型。圖2 類圖操作說明示意圖由于在Java語言中允許出現(xiàn)內(nèi)部類，因此可能會出現(xiàn)包含四個部分的類

9、圖，如圖3所示：圖3 包含內(nèi)部類的類圖類與類之間的關系（1）在軟件系統(tǒng)中，類并不是孤立存在的，類與類之間存在各種關系，對于不同類型的關系，UML提供了不同的表示方式。1. 關聯(lián)關系關聯(lián)(Association)關系是類與類之間最常用的一種關系，它是一種結構化關系，用于表示一類對象與另一類對象之間有聯(lián)系，如汽車和輪胎、師傅和徒弟、班級和學生等等。在UML類圖中，用實線連接有關聯(lián)關系的對象所對應的類，在使用Java、C#和C+等編程語言實現(xiàn)關聯(lián)關系時，通常將一個類的對象作為另一個類的成員變量。在使用類圖表示關聯(lián)關系時可以在關聯(lián)線上標注角色名，一般使用一個表示兩者之間關系的動詞或者名詞表示角色名（有

10、時該名詞為實例對象名），關系的兩端代表兩種不同的角色，因此在一個關聯(lián)關系中可以包含兩個角色名，角色名不是必須的，可以根據(jù)需要增加，其目的是使類之間的關系更加明確。如在一個登錄界面類LoginForm中包含一個JButton類型的注冊按鈕loginButton，它們之間可以表示為關聯(lián)關系，代碼實現(xiàn)時可以在LoginForm中定義一個名為loginButton的屬性對象，其類型為JButton。如圖1所示：圖1 關聯(lián)關系實例圖1對應的Java代碼片段如下：public class LoginForm private JButton loginButton; /定義為成員變量public class

11、 JButton 在UML中，關聯(lián)關系通常又包含如下幾種形式：(1) 雙向關聯(lián)默認情況下，關聯(lián)是雙向的。例如：顧客(Customer)購買商品(Product)并擁有商品，反之，賣出的商品總有某個顧客與之相關聯(lián)。因此，Customer類和Product類之間具有雙向關聯(lián)關系，如圖2所示：圖2 雙向關聯(lián)實例圖2對應的Java代碼片段如下：public class Customer private Product products;public class Product private Customer customer;(2) 單向關聯(lián)類的關聯(lián)關系也可以是單向的，單向關聯(lián)用帶箭頭的實線表示。例

12、如：顧客(Customer)擁有地址(Address)，則Customer類與Address類具有單向關聯(lián)關系，如圖3所示：圖3 單向關聯(lián)實例圖3對應的Java代碼片段如下：public class Customer private Address address;public class Address (3) 自關聯(lián)在系統(tǒng)中可能會存在一些類的屬性對象類型為該類本身，這種特殊的關聯(lián)關系稱為自關聯(lián)。例如：一個節(jié)點類(Node)的成員又是節(jié)點Node類型的對象，如圖4所示：圖4 自關聯(lián)實例圖4對應的Java代碼片段如下：public class Node private Node subNode

13、;(4) 多重性關聯(lián)多重性關聯(lián)關系又稱為重數(shù)性(Multiplicity)關聯(lián)關系，表示兩個關聯(lián)對象在數(shù)量上的對應關系。在UML中，對象之間的多重性可以直接在關聯(lián)直線上用一個數(shù)字或一個數(shù)字范圍表示。對象之間可以存在多種多重性關聯(lián)關系，常見的多重性表示方式如表1所示：表1 多重性表示方式列表表示方式多重性說明1.1表示另一個類的一個對象只與該類的一個對象有關系0.*表示另一個類的一個對象與該類的零個或多個對象有關系1.*表示另一個類的一個對象與該類的一個或多個對象有關系0.1表示另一個類的一個對象沒有或只與該類的一個對象有關系m.n表示另一個類的一個對象與該類最少m，最多n個對象有關系 (mn)

14、例如：一個界面(Form)可以擁有零個或多個按鈕(Button)，但是一個按鈕只能屬于一個界面，因此，一個Form類的對象可以與零個或多個Button類的對象相關聯(lián)，但一個Button類的對象只能與一個Form類的對象關聯(lián)，如圖5所示：圖5 多重性關聯(lián)實例圖5對應的Java代碼片段如下：public class Form private Button buttons; /定義一個集合對象public class Button (5) 聚合關系聚合(Aggregation)關系表示整體與部分的關系。在聚合關系中，成員對象是整體對象的一部分，但是成員對象可以脫離整體對象獨立存在。在UML中，聚合關

15、系用帶空心菱形的直線表示。例如：汽車發(fā)動機(Engine)是汽車(Car)的組成部分，但是汽車發(fā)動機可以獨立存在，因此，汽車和發(fā)動機是聚合關系，如圖6所示：圖6 聚合關系實例在代碼實現(xiàn)聚合關系時，成員對象通常作為構造方法、Setter方法或業(yè)務方法的參數(shù)注入到整體對象中，圖6對應的Java代碼片段如下：public class Car private Engine engine; /構造注入public Car(Engine engine) this.engine = engine; /設值注入public void setEngine(Engine engine) this.engine =

16、 engine;public class Engine (6) 組合關系組合(Composition)關系也表示類之間整體和部分的關系，但是在組合關系中整體對象可以控制成員對象的生命周期，一旦整體對象不存在，成員對象也將不存在，成員對象與整體對象之間具有同生共死的關系。在UML中，組合關系用帶實心菱形的直線表示。例如：人的頭(Head)與嘴巴(Mouth)，嘴巴是頭的組成部分之一，而且如果頭沒了，嘴巴也就沒了，因此頭和嘴巴是組合關系，如圖7所示：圖7 組合關系實例在代碼實現(xiàn)組合關系時，通常在整體類的構造方法中直接實例化成員類，圖7對應的Java代碼片段如下：public class Head

17、private Mouth mouth;public Head() mouth = new Mouth(); /實例化成員類public class Mouth 類與類之間的關系（2）2. 依賴關系依賴(Dependency)關系是一種使用關系，特定事物的改變有可能會影響到使用該事物的其他事物，在需要表示一個事物使用另一個事物時使用依賴關系。大多數(shù)情況下，依賴關系體現(xiàn)在某個類的方法使用另一個類的對象作為參數(shù)。在UML中，依賴關系用帶箭頭的虛線表示，由依賴的一方指向被依賴的一方。例如：駕駛員開車，在Driver類的drive()方法中將Car類型的對象car作為一個參數(shù)傳遞，以便在drive()

18、方法中能夠調用car的move()方法，且駕駛員的drive()方法依賴車的move()方法，因此類Driver依賴類Car，如圖1所示：圖1 依賴關系實例在系統(tǒng)實施階段，依賴關系通常通過三種方式來實現(xiàn)，第一種也是最常用的一種方式是如圖1所示的將一個類的對象作為另一個類中方法的參數(shù)，第二種方式是在一個類的方法中將另一個類的對象作為其局部變量，第三種方式是在一個類的方法中調用另一個類的靜態(tài)方法。圖1對應的Java代碼片段如下：public class Driver public void drive(Car car) car.move(); public class Car public voi

19、d move() . 3. 泛化關系泛化(Generalization)關系也就是繼承關系，用于描述父類與子類之間的關系，父類又稱作基類或超類，子類又稱作派生類。在UML中，泛化關系用帶空心三角形的直線來表示。在代碼實現(xiàn)時，我們使用面向對象的繼承機制來實現(xiàn)泛化關系，如在Java語言中使用extends關鍵字、在C+/C#中使用冒號“：”來實現(xiàn)。例如：Student類和Teacher類都是Person類的子類，Student類和Teacher類繼承了Person類的屬性和方法，Person類的屬性包含姓名(name)和年齡(age)，每一個Student和Teacher也都具有這兩個屬性，另外S

20、tudent類增加了屬性學號(studentNo)，Teacher類增加了屬性教師編號(teacherNo)，Person類的方法包括行走move()和說話say()，Student類和Teacher類繼承了這兩個方法，而且Student類還新增方法study()，Teacher類還新增方法teach()。如圖2所示：圖2 泛化關系實例圖2對應的Java代碼片段如下：/父類public class Person protected String name;protected int age;public void move() public void say() /子類public class

21、 Student extends Person private String studentNo;public void study() /子類public class Teacher extends Person private String teacherNo;public void teach() 4. 接口與實現(xiàn)關系在很多面向對象語言中都引入了接口的概念，如Java、C#等，在接口中，通常沒有屬性，而且所有的操作都是抽象的，只有操作的聲明，沒有操作的實現(xiàn)。UML中用與類的表示法類似的方式表示接口，如圖3所示：圖3 接口的UML圖示接口之間也可以有與類之間關系類似的繼承關系和依賴關系，但

22、是接口和類之間還存在一種實現(xiàn)(Realization)關系，在這種關系中，類實現(xiàn)了接口，類中的操作實現(xiàn)了接口中所聲明的操作。在UML中，類與接口之間的實現(xiàn)關系用帶空心三角形的虛線來表示。例如：定義了一個交通工具接口Vehicle，包含一個抽象操作move()，在類Ship和類Car中都實現(xiàn)了該move()操作，不過具體的實現(xiàn)細節(jié)將會不一樣，如圖4所示：圖4 實現(xiàn)關系實例實現(xiàn)關系在編程實現(xiàn)時，不同的面向對象語言也提供了不同的語法，如在Java語言中使用implements關鍵字，而在C+/C#中使用冒號“：”來實現(xiàn)。圖4對應的Java代碼片段如下：public interface Vehicle

23、 public void move();public class Ship implements Vehicle public void move() public class Car implements Vehicle public void move() 實例分析1登錄模塊某基于C/S的即時聊天系統(tǒng)登錄模塊功能描述如下：用戶通過登錄界面(LoginForm)輸入賬號和密碼，系統(tǒng)將輸入的賬號和密碼與存儲在數(shù)據(jù)庫(User)表中的用戶信息進行比較，驗證用戶輸入是否正確，如果輸入正確則進入主界面(MainForm)，否則提示“輸入錯誤”。根據(jù)以上描述繪制初始類圖。參考解決方案：參考類圖如下：考

24、慮到系統(tǒng)擴展性，在本實例中引入了抽象數(shù)據(jù)訪問接口IUserDAO，再將具體數(shù)據(jù)訪問對象注入到業(yè)務邏輯對象中，可通過配置文件（如XML文件）等方式來實現(xiàn)，將具體的數(shù)據(jù)訪問類類名存儲在配置文件中，如果需要更換新的具體數(shù)據(jù)訪問對象，只需修改配置文件即可，原有程序代碼無須做任何修改。類說明：類 名說 明LoginForm登錄窗口，省略界面組件和按鈕事件處理方法（邊界類）LoginBO登錄業(yè)務邏輯類，封裝實現(xiàn)登錄功能的業(yè)務邏輯（控制類）IUserDAO抽象數(shù)據(jù)訪問類接口，聲明對User表的數(shù)據(jù)操作方法，省略除查詢外的其他方法（實體類）UserDAO具體數(shù)據(jù)訪問類，實現(xiàn)對User表的數(shù)據(jù)操作方法，省略除查

25、詢外的其他方法（實體類）MainForm主窗口（邊界類）方法說明：方法名說 明LoginForm類的LoginForm()方法LoginForm構造函數(shù)，初始化實例成員LoginForm類的validate()方法界面類的驗證方法，通過調用業(yè)務邏輯類LoginBO的validate()方法實現(xiàn)對用戶輸入信息的驗證LoginBO類的validate()方法業(yè)務邏輯類的驗證方法，通過調用數(shù)據(jù)訪問類的findUserByAccAndPwd()方法驗證用戶輸入信息的合法性LoginBO類的setIUserDAO()方法Setter方法，在業(yè)務邏輯對象中注入數(shù)據(jù)訪問對象（注意：此處針對抽象數(shù)據(jù)訪問類編程

26、IUserDAO接口的findUserByAccAndPwd()方法業(yè)務方法聲明，通過用戶賬號和密碼在數(shù)據(jù)庫中查詢用戶信息，判斷該用戶身份的合法性UserDAO類的findUserByAccAndPwd()方法業(yè)務方法實現(xiàn)，實現(xiàn)在IUserDAO接口中聲明的數(shù)據(jù)訪問方法實例分析2注冊模塊某基于Java語言的C/S軟件需要提供注冊功能，該功能簡要描述如下：用戶通過注冊界面(RegisterForm)輸入個人信息，用戶點擊“注冊”按鈕后將輸入的信息通過一個封裝用戶輸入數(shù)據(jù)的對象(UserDTO)傳遞給操作數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)訪問類，為了提高系統(tǒng)的擴展性，針對不同的數(shù)據(jù)庫可能需要提供不同的數(shù)據(jù)訪問類，因此提

27、供了數(shù)據(jù)訪問類接口，如IUserDAO，每一個具體數(shù)據(jù)訪問類都是某一個數(shù)據(jù)訪問類接口的實現(xiàn)類，如OracleUserDAO就是一個專門用于訪問Oracle數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)訪問類。根據(jù)以上描述繪制類圖。為了簡化類圖，個人信息僅包括賬號(userAccount)和密碼(userPassword)，且界面類無需涉及界面細節(jié)元素。參考解決方案：在以上功能說明中，可以分析出該系統(tǒng)包括三個類和一個接口，這三個類分別是注冊界面類RegisterForm、用戶數(shù)據(jù)傳輸類UserDTO、Oracle用戶數(shù)據(jù)訪問類OracleUserDAO，接口是抽象用戶數(shù)據(jù)訪問接口IUserDAO。它們之間的關系如下：(1) 在R

28、egisterForm中需要使用UserDTO類傳輸數(shù)據(jù)且需要使用數(shù)據(jù)訪問類來操作數(shù)據(jù)庫，因此RegisterForm與UserDTO和IUserDAO之間存在關聯(lián)關系，在RegisterForm中可以直接實例化UserDTO，因此它們之間可以使用組合關聯(lián)。(2) 由于數(shù)據(jù)庫類型需要靈活更換，因此在RegisterForm中不能直接實例化IUserDAO的子類，可以針對接口IUserDAO編程，再通過注入的方式傳入一個IUserDAO接口的子類對象（在本書后續(xù)章節(jié)中將學習如何具體實現(xiàn)），因此RegisterForm和IUserDAO之間具有聚合關聯(lián)關系。(3) OracleUserDAO是實現(xiàn)

29、了IUserDAO接口的子類，因此它們之間具有類與接口的實現(xiàn)關系。(4) 在聲明IUserDAO接口的增加用戶信息方法addUser()時，需要將在界面類中實例化的UserDTO對象作為參數(shù)傳遞進來，然后取出封裝在UserDTO對象中的數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫，因此addUser()方法的函數(shù)原型可以定義為：public boolean addUser(UserDTO user)，在IUserDAO的方法addUser()中將UserDTO類型的對象作為參數(shù)，故IUserDAO與UserDTO存在依賴關系。通過以上分析，該實例參考類圖如圖1所示：圖1 注冊功能參考類圖注意：在繪制類圖或其他UML圖形時，可以通過注釋(Comment)來對圖中的符號或元素進行一些附加說明，如果需要詳細說明類圖中的某一方法的功能或者實現(xiàn)過程，可以使用如圖2所示表示方式：圖2 類圖注釋實例實例分析3售票機控制程序某運輸公司決定為新的售票機開發(fā)車票銷售的控制軟件。圖I給出了售票機的