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UML类图

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类与类的UML表示

在UML 2.0的13中图形当中,类图是使用最为广泛的图形之一,它用于描述系统中所包含的类以及他们之间的相互关系,每一个设计模式的结构都可以使用类图进行表示。类图帮助人们简化对系统的理解,是系统分析和设计阶段的重要产物,也是系统编码的重要模型依据。

1.类

类(Class)封装了数据和行为。是面向对象的重要组成部分,它是具有相同属性、操作、关系的对象集合的总称。在系统中,每个类都具有一定的职责,职责指的是类要完成什么样的功能,要承担什么样的义务。一个类可以有多种职责,设计得比较好的类通常有且仅有一种职责。在定义类的时候,将类的职责分解成为类的属性和操作(即方法)。类的属性即类的数据职责,类的操作即类的行为职责。设计类是面向对象设计中最重要的组成部分,也是最复杂和最耗时的部分。

在软件系统运行时,类将被实例化为对象(Object),对象对应于某个具体事物,是类的实例(Instance)。

类图(Class Diagram)使用出现在系统中的不同类来描述系统的静态结构,它用来描述不同的类以他们之间的关系。

2.类的UML图示

在UML中,类使用包含类名、属性和操作切带有分割线的长方形来表示,例如定义一个Student类,它包含属性name、age和email,以及操作Show(),在UML类图中该类如图2-1所示。

图2-1 类的UML图示

图2-1 对应的C#代码片段如下:


public class Student
{
   public void Show()
   {
      //....
   }
   
   public string Name { get; set; }
   public int Age { get; set; }
   public string Email { get; set; }

}

在UML类图中,类一般由三个部分组成:

(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) 第二部分是累得属性(Attribute),属性是指类的薪资,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如下:

可见性 名称:类型 [ = 默认值]

其中:

1)“可见性”表示该属性对类外的元素而言是否可见,包括共有(Public)、私有(Private)和受保护(protected)3种,在类图中分别用符号”+”、”-“、”#” 表示。在C#语言中还新增了internal 和 protected internal 两种可见性,其中internal表示程序集内可见,protected internal表示程序集内可见或者子类可见,分别用符号”i”、”r”表示。为了保证数据的封装性,属性的可见性通常为private,它们通过共有的Getter方法和Setter方法供外部访问。

2) “名称”表示属性名,用一个字符串表示,按照C#语言的命名规范,属性名采用驼峰命名法(Camel Case),即属性名中的第一个单词全部小写,之后每隔但是的首字母大写。

3) “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。

4) “默认值” 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拥有的行为,是类的成员方法。

UML规定操作的表示方式如下:

可见性 名称(参数列表) [ : 返回类型]

其中:

1)”可见性” 的定义与属性的可见性定义向共同。

2)”名称” 即方法名或者操作名,用一个字符表示,按照C#语言命名规范,方法命名采用帕斯卡命名法(Pascal Case),即方法命中的没个单词首字母都大写。

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

4) “返回类型”是一个可选类型,表示方法的返回值类型,依赖具体的编程语言,可以是基本数据类型,也可以是用户自定义数据类型,还可以是是空类型(void),如果是构造方法,则可以无返回类型。

3.类之间的关系

在软件系统中,类并不是孤立存在的,类与类之间存在着各种关系,对于不同类型的关系,UML提供了不同的表示。

1.关联关系

关联(Association)关系是类与类之间最常见的一种关系,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。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C#、C++、Java等变成语言实现关联关系时,通常将一个类的对象做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关系上标注角色名,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,角色名不是必需的,可以根据需要增加,其目的是使类之间的关系更加明确。

例如在一个登录界面类LoginForm中包含一个Button类型的注册按钮loginButton,他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Button,如图3-1所示。

图3-1

图3-1 关联关系实例

图3-1对应的C#片段代码如下:


public class LoginForm
{
   private Button loginButton;
    //...
}
public class Button
{
  //...
}

在UML中,关联关系通常又包含以下几种形式。

(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之间相关联。因此,Customer类和Product类之间具有双向关联关系,如图3-2所示。

图3-2

图3-2 双向关联实例

图3-2 对应的C#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,单向关联关系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3-3所示。

图3-3

图3-3 单向关联实例

图3-3对应的C#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3-4所示。

图3-4

图3-4 自关联实例

图3-4 对应的C#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者一个数字范围表示.

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1-1所示。

表1-1 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3-5所示

图3-5

图3-5 多重性关联实例

图3-5 对应的C#代码片段如下:


public class Form
{
   private Button[] button;
   //...
}
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3-6所示。

聚合关系实例

在用代码实现聚合关系时,成员对象通常作为构造方法、Setter方法或者业务方法的参数注入整体对象中。图3-6对应的C#代码片段如下:


public class Car
{
   private Engine engine;
   
   public Car(Engine engine)
   {
      this.engine=engine;
   }
   
   public Engine Engines{get;set;};
   //...
}
public class Engine
{
  //...
}

(6)组合关系:组合(Composition)关系也表示类之间整体与部分的关系,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,而且如果头没有了,嘴巴也就没有了,因此头和嘴巴是组合关系,如图3-7所示.

图3-7

图3-7 组合关系实例

在用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3-7对应的C#代码片段如下:


public class Head
{
   private Mouth mouth;
   
   public Head()
   {
      this.mouth=new Mouth();
   }
}
public class Mouth
{
}

2.依赖关系

依赖(Dependency)关系是一种使用关系,特定事物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做为参数。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,驾驶员的Drive()方法依赖车的Move方法,因此类Driver依赖类Car,如图3-8所示。

图3-8

图3-8 依赖关系实例

在系统实施阶段,依赖关系通常通过3种方式来实现,第一种也是最常用的一种方式,如图3-8中所示,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3-8对应的C#片段代码如下:


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,父类又称为基类或超类,子类称为派生类。在UML中,泛化关系用带空心三角形的直线来表示。在用代码实现时,使用面向对象的继承机制来实现泛化关系,在C#中使用“:”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Say(),Student类和Tteacher类继承了这两个方法,而且Student类还增加了方法Study(),Teacher类还新增了方法Teach(),如图3-9所示.

图3-9

图3-9 泛化关系实例

图3-9 对应的C#代码片段如下:


public class Person
{
   public void Move()
   {
      //...
   }
   public void Say()
   {
      //...
   }
   public string Name {get;set;}
   public int Age { get;set;}
}
public class Student : Person
{
   public void Study()
   {
       //...
   }
   public string StudentNo {get;set;}
}
public class Teacher : Person
{
   public void Teach()
   {
      //...
   }
   public string TeacherNo {get;set;}
}

4.接口与实现关系

在很多面向对象语言中都引入了接口概念,例如C#、Java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。在C#中,接口中的方法默认可见性均为public,无须再使用任何可见性关键字。在UML中与类的表示法类似的方式表示接口,如图3-10所示。

图3-10

图3-10 接口的UML图示

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3-11所示。

图3-11

图3-11 实现关系实例

实现关系在用代码实现时,不同的面向对象语言也提供了不同的语法,在C#中使用冒号“:” 来实现。图3-11对应的C#代码片段如下:


public interface Vehicle
{
   void Move();
}
public class Ship : Vehicle
{
   public void Move()
   {
      //...
   }
}
public class Car : Vehicle
{
   public void Move()
   {
      //...
   }
}

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