深入淺出UML類圖

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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 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的理解，它是系統分析和設計階段的重要產物，也是系統編碼和測試的重要模型依據。

1. 類

類(Class)封裝了數據和行為，是面向對象的重要組成部分，它是具有相同屬性、操作、關系的對象集合的總稱。在系統中，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）。類的屬性即類的數據職責，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)使用出現在系統中的不同類來描述系統的靜態結構，它用來描述不同的類以及它們之間的關系。

在系統分析與設計階段，類通常可以分為三種，分別是實體類(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，一般使用數據庫表或文件來記錄，實體類既包括存儲和傳遞數據的類，還包括操作數據的類。實體類來源于需求說明中的名詞，如學生、商品等。

(2) 控制類：控制類用于體現應用程序的執行邏輯，提供相應的業務操作，將控制類抽象出來可以降低界面和數據庫之間的耦合度。控制類一般是由動賓結構的短語（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：邊界類用于對外部用戶與系統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、屬性和操作且帶有分隔線的長方形來表示，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 age;
	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”表示屬性名，用一個字符串表示。
• “類型”表示屬性的數據類型，可以是基本數據類型，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規定操作的表示方式為：

可見性 名稱(參數列表) [ : 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。
• “參數列表”表示方法的參數，其語法與屬性的定義相似，參數個數是任意的，多個參數之間用逗號“，”隔開。
• “返回類型”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，可以是基本數據類型，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par，返回值為空(void)；操作method2的可見性為protected(#)，無參數，返回值為String類型；操作method3的可見性為private(-)，包含兩個參數，其中一個參數為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語言中允許出現內部類，因此可能會出現包含四個部分的類圖，如圖3所示：

圖3 包含內部類的類圖

類與類之間的關系（1）

在軟件系統中，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. 關聯關系

關聯(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，用實線連接有關聯關系的對象所對應的類，在使用Java、C#和C++等編程語言實現關聯關系時，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關系時可以在關聯線上標注角色名，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，因此在一個關聯關系中可以包含兩個角色名，角色名不是必須的，可以根據需要增加，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關系，代碼實現時可以在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 JButton {
    ……
}

在UML中，關聯關系通常又包含如下幾種形式：

(1) 雙向關聯

默認情況下，關聯是雙向的。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。因此，Customer類和Product類之間具有雙向關聯關系，如圖2所示：

圖2 雙向關聯實例

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

類的關聯關系也可以是單向的，單向關聯用帶箭頭的實線表示。例如：顧客(Customer)擁有地址(Address)，則Customer類與Address類具有單向關聯關系，如圖3所示：

圖3 單向關聯實例

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

在系統中可能會存在一些類的屬性對象類型為該類本身，這種特殊的關聯關系稱為自關聯。例如：一個節點類(Node)的成員又是節點Node類型的對象，如圖4所示：

圖4 自關聯實例

圖4對應的Java代碼片段如下：

public class Node {
private Node subNode;
……
}

(4) 多重性關聯

多重性關聯關系又稱為重數性(Multiplicity)關聯關系，表示兩個關聯對象在數量上的對應關系。在UML中，對象之間的多重性可以直接在關聯直線上用一個數字或一個數字范圍表示。

對象之間可以存在多種多重性關聯關系，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

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，但一個Button類的對象只能與一個Form類的對象關聯，如圖5所示：

圖5 多重性關聯實例

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，聚合關系用帶空心菱形的直線表示。例如：汽車發動機(Engine)是汽車(Car)的組成部分，但是汽車發動機可以獨立存在，因此，汽車和發動機是聚合關系，如圖6所示：

圖6 聚合關系實例

在代碼實現聚合關系時，成員對象通常作為構造方法、Setter方法或業務方法的參數注入到整體對象中，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 = 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 {
	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。大多數情況下，依賴關系體現在某個類的方法使用另一個類的對象作為參數。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作為一個參數傳遞，以便在drive()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

在系統實施階段，依賴關系通常通過三種方式來實現，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，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 void 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。在代碼實現時，我們使用面向對象的繼承機制來實現泛化關系，如在Java語言中使用extends關鍵字、在C++/C#中使用冒號“：”來實現。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Student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 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。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，但是接口和類之間還存在一種實現(Realization)關系，在這種關系中，類實現了接口，類中的操作實現了接口中所聲明的操作。在UML中，類與接口之間的實現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中都實現了該move()操作，不過具體的實現細節將會不一樣，如圖4所示：

圖4 實現關系實例

實現關系在編程實現時，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。圖4對應的Java代碼片段如下：

public interface Vehicle {
public void move();
}

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

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

實例分析1——登錄模塊

某基于C/S的即時聊天系統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，系統將輸入的賬號和密碼與存儲在數據庫(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”。

根據以上描述繪制初始類圖。

參考解決方案：

參考類圖如下：

考慮到系統擴展性，在本實例中引入了抽象數據訪問接口IUserDAO，再將具體數據訪問對象注入到業務邏輯對象中，可通過配置文件（如XML文件）等方式來實現，將具體的數據訪問類類名存儲在配置文件中，如果需要更換新的具體數據訪問對象，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：

方法說明：

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據的對象(UserDTO)傳遞給操作數據庫的數據訪問類，為了提高系統的擴展性，針對不同的數據庫可能需要提供不同的數據訪問類，因此提供了數據訪問類接口，如IUserDAO，每一個具體數據訪問類都是某一個數據訪問類接口的實現類，如OracleUserDAO就是一個專門用于訪問Oracle數據庫的數據訪問類。

根據以上描述繪制類圖。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元素。

參考解決方案：

在以上功能說明中，可以分析出該系統包括三個類和一個接口，這三個類分別是注冊界面類RegisterForm、用戶數據傳輸類UserDTO、Oracle用戶數據訪問類OracleUserDAO，接口是抽象用戶數據訪問接口IUserDAO。它們之間的關系如下：

(1) 在RegisterForm中需要使用UserDTO類傳輸數據且需要使用數據訪問類來操作數據庫，因此RegisterForm與UserDTO和IUserDAO之間存在關聯關系，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。

(2) 由于數據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（在本書后續章節中將學習如何具體實現），因此RegisterForm和IUserDAO之間具有聚合關聯關系。

(3) OracleUserDAO是實現了IUserDAO接口的子類，因此它們之間具有類與接口的實現關系。

(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對象作為參數傳遞進來，然后取出封裝在UserDTO對象中的數據插入數據庫，因此addUser()方法的函數原型可以定義為：public boolean addUser(UserDTO user)，在IUserDAO的方法addUser()中將UserDTO類型的對象作為參數，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車票銷售的控制軟件。圖I給出了售票機的面板示意圖以及相關的控制部件。

圖I 售票機面板示意圖

售票機相關部件的作用如下所述：

(1) 目的地鍵盤用來輸入行程目的地的代碼（例如，200表示總站）。

(2) 乘客可以通過車票鍵盤選擇車票種類（單程票、多次往返票和座席種類）。

(3) 繼續/取消鍵盤上的取消按鈕用于取消購票過程，繼續按鈕允許乘客連續購買多張票。

(4) 顯示屏顯示所有的系統輸出和用戶提示信息。

(5) 插卡口接受MCard（現金卡），硬幣口和紙幣槽接受現金。

(6) 打印機用于輸出車票。

(7) 所有部件均可實現自檢并恢復到初始狀態。

現采用面向對象方法開發該系統，使用UML進行建模，繪制該系統的初始類圖。

參考解決方案：

參考類圖如下：

類說明：

方法說明：