UML中的類圖及類圖之間的關(guān)系

統(tǒng)一建模語(yǔ)言簡(jiǎn)介

統(tǒng)一建模語(yǔ)言(Unified Modeling Language，UML)是用來(lái)設(shè)計(jì)軟件藍(lán)圖的可視化建模語(yǔ)言，1997 年被國(guó)際對(duì)象管理組織(OMG)采納為面向?qū)ο蟮慕ＵZ(yǔ)言的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。它的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、統(tǒng)一、圖形化、能表達(dá)軟件設(shè)計(jì)中的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)信息。

統(tǒng)一建模語(yǔ)言能為軟件開發(fā)的所有階段提供模型化和可視化支持。而且融入了軟件工程領(lǐng)域的新思想、新方法和新技術(shù)，使軟件設(shè)計(jì)人員溝通更簡(jiǎn)明，進(jìn)一步縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，減少開發(fā)成本。它的應(yīng)用領(lǐng)域很寬，不僅適合于一般系統(tǒng)的開發(fā)，而且適合于并行與分布式系統(tǒng)的建模。

UML 從目標(biāo)系統(tǒng)的不同角度出發(fā)，定義了用例圖、類圖、對(duì)象圖、狀態(tài)圖、活動(dòng)圖、時(shí)序圖、協(xié)作圖、構(gòu)件圖、部署圖等 9 種圖。

本教程主要介紹軟件設(shè)計(jì)模式中經(jīng)常用到的類圖，以及類之間的關(guān)系。另外，在實(shí)驗(yàn)部分將簡(jiǎn)單介紹 UML 建模工具的使用方法，當(dāng)前業(yè)界使用最廣泛的是 Rational Rose。使用 Umlet 的人也很多，它是一個(gè)輕量級(jí)的開源 UML 建模工具，簡(jiǎn)單實(shí)用，常用于小型軟件系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)。

類、接口和類圖

⒈類

類(Class)是指具有相同屬性、方法和關(guān)系的對(duì)象的抽象，它封裝了數(shù)據(jù)和行為，是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)(OOP)的基礎(chǔ)，具有封裝性、繼承性和多態(tài)性等三大特性。在 UML 中，類使用包含類名、屬性和操作且?guī)в蟹指艟€的矩形來(lái)表示。

① 類名(Name)是一個(gè)字符串，例如，Student。

② 屬性(Attribute)是指類的特性，即類的成員變量。UML 按以下格式表示：

[可見性]屬性名:類型[=默認(rèn)值]

例如：-name:String

注意：“可見性”表示該屬性對(duì)類外的元素是否可見，包括公有(Public)、私有(Private)、受保護(hù)(Protected)和朋友(Friendly)4 種，在類圖中分別用符號(hào)+、-、#、~表示。

③ 操作(Operations)是類的任意一個(gè)實(shí)例對(duì)象都可以使用的行為，是類的成員方法。UML 按以下格式表示：

[可見性]名稱(參數(shù)列表)[:返回類型]

例如：+display():void。

圖 1 所示是學(xué)生類的 UML 表示。

圖1 Student 類

⒉接口

接口(Interface)是一種特殊的類，它具有類的結(jié)構(gòu)但不可被實(shí)例化，只可以被子類實(shí)現(xiàn)。它包含抽象操作，但不包含屬性。它描述了類或組件對(duì)外可見的動(dòng)作。在 UML 中，接口使用一個(gè)帶有名稱的小圓圈來(lái)進(jìn)行表示。

圖 2 所示是圖形類接口的 UMDL 表示。

圖2 Graph 接口

3、類圖

類圖(ClassDiagram)是用來(lái)顯示系統(tǒng)中的類、接口、協(xié)作以及它們之間的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和關(guān)系的一種靜態(tài)模型。它主要用于描述軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，幫助人們簡(jiǎn)化對(duì)軟件系統(tǒng)的理解，它是系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)階段的重要產(chǎn)物，也是系統(tǒng)編碼與測(cè)試的重要模型依據(jù)。

類圖中的類可以通過(guò)某種編程 語(yǔ)言直接實(shí)現(xiàn)。類圖在軟件系統(tǒng)開發(fā)的整個(gè)生命周期都是有效的，它是面向?qū)ο笙到y(tǒng)的建模中最常見的圖。圖 3 所示是“計(jì)算長(zhǎng)方形和圓形的周長(zhǎng)與面積”的類圖，圖形接口有計(jì)算面積和周長(zhǎng)的抽象方法，長(zhǎng)方形和圓形實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)方法供訪問(wèn)類調(diào)用。

圖3 “計(jì)算長(zhǎng)方形和圓形的周長(zhǎng)與面積”的類圖

類之間的關(guān)系

在軟件系統(tǒng)中，類不是孤立存在的，類與類之間存在各種關(guān)系。根據(jù)類與類之間的耦合度從弱到強(qiáng)排列，UML 中的類圖有以下幾種關(guān)系：依賴關(guān)系、關(guān)聯(lián)關(guān)系、聚合關(guān)系、組合關(guān)系、泛化關(guān)系和實(shí)現(xiàn)關(guān)系。其中泛化和實(shí)現(xiàn)的耦合度相等，它們是最強(qiáng)的。

⒈依賴關(guān)系

依賴(Dependency)關(guān)系是一種使用關(guān)系，它是對(duì)象之間耦合度最弱的一種關(guān)聯(lián)方式，是臨時(shí)性的關(guān)聯(lián)。在代碼中，某個(gè)類的方法通過(guò)局部變量、方法的參數(shù)或者對(duì)靜態(tài)方法的調(diào)用來(lái)訪問(wèn)另一個(gè)類(被依賴類)中的某些方法來(lái)完成一些職責(zé)。

在 UML 類圖中，依賴關(guān)系使用帶箭頭的虛線來(lái)表示，箭頭從使用類指向被依賴的類。圖 4 所示是人與手機(jī)的關(guān)系圖，人通過(guò)手機(jī)的語(yǔ)音傳送方法打電話。

圖4 依賴關(guān)系的實(shí)例

⒉關(guān)聯(lián)關(guān)系

關(guān)聯(lián)(Association)關(guān)系是對(duì)象之間的一種引用關(guān)系，用于表示一類對(duì)象與另一類對(duì)象之間的聯(lián)系，如老師和學(xué)生、師傅和徒弟、丈夫和妻子等。關(guān)聯(lián)關(guān)系是類與類之間最常用的一種關(guān)系，分為一般關(guān)聯(lián)關(guān)系、聚合關(guān)系和組合關(guān)系。我們先介紹一般關(guān)聯(lián)。

關(guān)聯(lián)可以是雙向的，也可以是單向的。在 UML 類圖中，雙向的關(guān)聯(lián)可以用帶兩個(gè)箭頭或者沒(méi)有箭頭的實(shí)線來(lái)表示，單向的關(guān)聯(lián)用帶一個(gè)箭頭的實(shí)線來(lái)表示，箭頭從使用類指向被關(guān)聯(lián)的類。也可以在關(guān)聯(lián)線的兩端標(biāo)注角色名，代表兩種不同的角色。

在代碼中通常將一個(gè)類的對(duì)象作為另一個(gè)類的成員變量來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)關(guān)系。圖 5 所示是老師和學(xué)生的關(guān)系圖，每個(gè)老師可以教多個(gè)學(xué)生，每個(gè)學(xué)生也可向多個(gè)老師學(xué)，他們是雙向關(guān)聯(lián)。

圖5 關(guān)聯(lián)關(guān)系的實(shí)例

⒊聚合關(guān)系

聚合(Aggregation)關(guān)系是關(guān)聯(lián)關(guān)系的一種，是強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系，是整體和部分之間的關(guān)系，是 has-a 的關(guān)系。

聚合關(guān)系也是通過(guò)成員對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中成員對(duì)象是整體對(duì)象的一部分，但是成員對(duì)象可以脫離整體對(duì)象而獨(dú)立存在。例如，學(xué)校與老師的關(guān)系，學(xué)校包含老師，但如果學(xué)校停辦了，老師依然存在。

在 UML 類圖中，聚合關(guān)系可以用帶空心菱形的實(shí)線來(lái)表示，菱形指向整體。圖 6 所示是大學(xué)和教師的關(guān)系圖。

圖6 聚合關(guān)系的實(shí)例

⒋組合關(guān)系

組合(Composition)關(guān)系也是關(guān)聯(lián)關(guān)系的一種，也表示類之間的整體與部分的關(guān)系，但它是一種更強(qiáng)烈的聚合關(guān)系，是 cxmtains-a 關(guān)系。

在組合關(guān)系中，整體對(duì)象可以控制部分對(duì)象的生命周期，一旦整體對(duì)象不存在，部分對(duì)象也將不存在，部分對(duì)象不能脫離整體對(duì)象而存在。例如，頭和嘴的關(guān)系，沒(méi)有了頭，嘴也就不存在了。

在 UML 類圖中，組合關(guān)系用帶實(shí)心菱形的實(shí)線來(lái)表示，菱形指向整體。圖 7 所示是頭和嘴的關(guān)系圖。

圖7 組合關(guān)系的實(shí)例

⒌泛化關(guān)系

泛化(Generalization)關(guān)系是對(duì)象之間耦合度最大的一種關(guān)系，表示一般與特殊的關(guān)系，是父類與子類之間的關(guān)系，是一種繼承關(guān)系，是 is-a 的關(guān)系。

在 UML 類圖中，泛化關(guān)系用帶空心三角箭頭的實(shí)線來(lái)表示，箭頭從子類指向父類。在代碼實(shí)現(xiàn)時(shí)，使用面向?qū)ο蟮睦^承機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)泛化關(guān)系。例如，Student 類和 Teacher 類都是 Person 類的子類，其類圖如圖 8 所示。

圖8 泛化關(guān)系的實(shí)例

⒍實(shí)現(xiàn)關(guān)系

實(shí)現(xiàn)(Realization)關(guān)系是接口與實(shí)現(xiàn)類之間的關(guān)系。在這種關(guān)系中，類實(shí)現(xiàn)了接口，類中的操作實(shí)現(xiàn)了接口中所聲明的所有的抽象操作。

在 UML 類圖中，實(shí)現(xiàn)關(guān)系使用帶空心三角箭頭的虛線來(lái)表示，箭頭從實(shí)現(xiàn)類指向接口。例如，汽車和船實(shí)現(xiàn)了交通工具，其類圖如圖 9 所示。

圖9 實(shí)現(xiàn)關(guān)系的實(shí)例