深入了解UML类图

深入浅出UML类图

图1 类的UML图示

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 ]

其中：

“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。

(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]

其中：

“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。

图1 关联关系实例

图1对应的Java代码片段如下：

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

public class JButton {
    ……
}

在UML中，关联关系通常又包含如下几种形式：

(1) 双向关联

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：

图2 双向关联实例

图2对应的Java代码片段如下：

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

public class Product {
private Customer customer;
……
}

(2) 单向关联

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：

图3 单向关联实例

图3对应的Java代码片段如下：

public class Customer {
private Address address;
……
}

public class Address {
……
}

(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：

图4 自关联实例

图4对应的Java代码片段如下：

public class Node {
private Node subNode;
……
}

(4) 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1 多重性表示方式列表

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：

图5 多重性关联实例

图5对应的Java代码片段如下：

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

public class Button {
……
}

(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：

图6 聚合关系实例

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 {
    ……
}

(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：

图7 组合关系实例

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 {
    ……
}

类与类之间的关系（2）

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：

图1 依赖关系实例

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() {
        ......
    }
    ……
}

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：

图2 泛化关系实例

图2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. 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：

图4 实现关系实例

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() {
    ……
    }
}

实例分析1——登录模块

某基于C/S的即时聊天系统登录模块功能描述如下：

用户通过登录界面(LoginForm)输入账号和密码，系统将输入的账号和密码与存储在数据库(User)表中的用户信息进行比较，验证用户输入是否正确，如果输入正确则进入主界面(MainForm)，否则提示“输入错误”。

根据以上描述绘制初始类图。

参考解决方案：

参考类图如下：

类说明：

类名	说明
Component	抽象部件类，所有部件类的父类
Keyboard	抽象键盘类
ActionKeyboard	继续/取消键盘类
TicketKindKeyboard	车票种类键盘类
DestinationKeyboard	目的地键盘类
Screen	显示屏类
CardDriver	卡驱动器类
CashSlot	现金（硬币/纸币）槽类
Printer	打印机类
TicketSoldSystem	售票系统类

方法说明：

方法名	说明
Component 的init()方法	初始化部件
Component 的doSelttest()方法	自检
Keyboard的getSelectedKey()方法	获取按键值
ActionKeyboard的getAction()方法	继续/取消键盘事件处理
TicketKindKeyboard的getTicketKind()方法	车票种类键盘事件处理
DestinationKeyboard的getDestinationCode()方法	目的地键盘事件处理
Screen的showtext()方法	显示信息
CardDriver的getCredit()方法	获取金额
CardDriver的debitfare()方法	更新卡余额
CardDriver的ejectMCard()方法	退卡
CashSlot的getCredit()方法	获取金额
Printer的printTicket()方法	打印车票
Printer的ejectTicket()方法	出票
TicketSoldSystem的verifyCredit()方法	验证金额
TicketSoldSystem的calculatefare()方法	计算费用

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