设计模式前言——UML类图

一、UML类图

1、类

类(Class)封装了数据和行为,是面向对象的重要组成部分,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,设计得好的类一般只有一种职责。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,类将被实例化成对象(Object),对象对应于某个具体的事物,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,用来描述不同的类以及它们之间的关系。
在系统分析与设计阶段,类通常可以分为三种,分别是实体类(Entity Class)、控制类(Control Class)和边界类(Boundary Class)。
实体类:实体类对应系统需求中的每个实体,它们通常需要保存在永久存储体中,一般使用数据库表或文件来记录,实体类既包括存储和传递数据的类,还包括操作数据的类。实体类来源于需求说明中的名词,如学生、商品等。
控制类:控制类用于体现应用程序的执行逻辑,提供相应的业务操作,将控制类抽象出来可以降低界面和数据库之间的耦合度。控制类一般是由动宾结构的短语(动词+名词)转化来的名词,如增加商品对应有一个商品增加类,注册对应有一个用户注册类等。
 边界类:边界类用于对外部用户与系统之间的交互对象进行抽象,主要包括界面类,如对话框、窗口、菜单等。
在面向对象分析和设计的初级阶段,通常首先识别出实体类,绘制初始类图,此时的类图也可称为领域模型,包括实体类及其它们之间的相互关系。

2、UML类图

在UML中,类使用包含类名、属性和操作且带有分隔线的长方形来表示。
设计模式前言——UML类图
类图分为三层,第一层是类的名称,如果是抽象类或接口,就用斜体表示,其中接口名称的上部会用<<interface>>修饰;第二层是类的成员变量,通常是字段和属性;第三层是类的成员方法。类的成员变量和成员方法的修饰符分为+、#、-,分别表示public、protected、private。
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。

二、类间关系

类之间的关系种类:Realization(实现), Generalization(泛化),Dependency(依赖)、Association(关联)、Aggregation(聚合)、Composition(组合)。 其中,Aggregation(聚合)、Composition(合成)属于Association(关联),是特殊的Association关联关系。

1、依赖关系

依赖关系(Dependency) 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。
关系:依赖用来表示两者之间的依从关系,表现为use a。

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。
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class channle
{
 public:
   play(){cout<<"play";}
}
class TV
{
  public:
   onplay(channel &chan)
   {
     chan.play();
   }
}

依赖关系有如下三种情况:
(1)类B以参数的形式传入类A的方法。
(2)类B以局部变量的形式存在于类A的方法中。
(3)类A调用类B的静态方法。
依赖关系体现为类构造方法及类方法的传入参数,箭头的指向为调用关系;依赖关系除了临时知道对方外,还是“使用”对方的方法和属性;

2、实现关系

实现指的是一个类实现接口(可以是多个)的功能;实现是类与接口之间最常见的关系;C中没有直接的接口而是通过在类中定义纯虚函数来实现的。
实现用来表示类与接口、抽象类与接口之间的关系,实现关系表现为继承抽象类。
UML图中实现使用一条带有空心三角箭头的虚线指向接口。
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class animal
{
public:
  Roar() =0;
}

class Cat:public animal
{
public:
  Roar(){cout<<”cat”;}
}

class dog:public animal
{
public:
  Roar(){cout<<”cat”;}
}

3、泛化关系

泛化关系表现为继承或实现关系(is a)。具体形式为类与类之间的继承关系,接口与接口之间的继承关系,类对接口的实现关系。
泛化是一种继承关系,用来表示类与类、类与抽象类、抽象类与抽象类、接口与接口之间的关系,泛化关系表现为继承非抽象类。
UML图中实现使用一条带有空心三角箭头的实线指向基类。
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class shape
{
public:
  Display(){cout<<”shape”;}
}

class rectangle: public shape
{
public:
  Display(){cout<<” rectangle”;}
}

class circle: public shape
{
public:
  Display(){cout<<” circle”;}
}

4、关联关系

关联(Association)关系是类与类之间最常用的一种关系,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、班级和学生等等。
关联表现为变量(has a )。
关联可以是双向的,也可以是单向的;关联关系可以进一步划分为聚合及组合关系。
关联关系有双向关联和单向关联。
双向关联:两个类都知道另一个类的公共属性和操作。
单向关联:只有一个类知道另外一个类的公共属性和操作。
大多数关联应该是单向的,单向关系更容易建立和维护,有助于寻找可服用的类。
UML图中实现使用一条实线连接相同或不同类
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5、聚合关系

聚合是关联关系的一种,是强的关联关系。聚合关系是整体和个体的关系。普通关联关系的两个类处于同一层次上,而聚合关系的两个类处于不同的层次,一个是整体,一个是部分。同时,是一种弱的“拥有”关系。此时整体与部分之间是可分离的,他们可以具有各自的生命周期, 部分可以属于多个整体对象,也可以为多个整体对象共享;比如计算机与CPU、公司与员工的关系等;表现在代码层面,和关联关系是一致的,只能从语义级别来区分。
聚合用来表示整体与部分的关系,是一种弱的关联关系,体现为A可以包含B,但B不一定是A的一部分。
UML图中实现使用一条带有虚心菱形的线来表示
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聚合是关联关系的一种特例,体现的是整体与部分、拥有的关系,即has-a的关系,此时整体与部分之间是可分离的,他们可以具有各自的生命周期,部分可以属于多个整体对象,也可以为多个整体对象共享在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,
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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。

6、组合关系

组合是关联关系的一种,是比聚合关系强的关联关系。它要求普通的聚合关系中代表整体的对象负责代表部分的对象的生命周期。Composition(组合关系)是一种强的“拥有”关系,体现了严格的部分和整体的关系,部分和整体的生命周期一致。他同样体现整体与部分间的关系,但此时整体与部分是不可分的,整体的生命周期结束也就意味着部分的生命周期结束;比如你和你的大脑,window窗口和frame,在窗口中创建一个frame时必须把它附加到窗口上,当窗口消失时frame也就消失了;表现在代码层面,和关联关系是一致的,只能从语义级别来区分;
关系:组合用来表示整体与部分的关系,是一种强的关联关系,体现了严格的整体和部分的关系,整体和部分的生命周期一样。
UML图中实现使用一条带有实心菱形的线来表示
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组合也是关联关系的一种特例,体现的是一种contains-a的关系,这种关系比聚合更强,也称为强聚合;他同样体现整体与部分间的关系,但此时整体与部分是不可分的,整体的生命周期结束也就意味着部分的生命周期结束。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。
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7、聚合和组合的区别

聚合关系是“has-a”关系,组合关系是“contains-a”关系;聚合关系表示整体与部分的关系比较弱,而组合比较强;聚合关系中代表部分事物的对象与代表聚合事物的对象的生存期无关,一旦删除了聚合对象不一定就删除了代表部分事物的对象。组合中一旦删除了组合对象,同时也就删除了代表部分事物的对象。在聚合关系中,部分可以独立于聚合而存在,部分的所有权也可以由几个聚合来共享,比如打印机就可以在办公室内被广大同事共用
聚合和组合的区别则在语义和实现上都有差别,组合的两个对象之间其生命期有很大的关联,被组合的对象是在组合对象创建的同时或者创建之后创建,在组合对象销毁之前销毁。一般来说被组合对象不能脱离组合对象独立存在,而且也只能属于一个组合对象,例如一个文档的版本,必须依赖于文档的存在,也只能属于一个文档。聚合则不一样,被聚合的对象可以属于多个聚合对象,例如一个员工可能可以属于多个公司
组合关系也是聚合关系的一种,是比聚合关系更强的关系。组合关系是不能共享的。例如人有四肢、头等。
   组合表示类之间整体和部分的关系,组合中部分和整体具有统一的生存周期。一旦整体对象不存在,部分对象也将不存在。部分对象和整体对象之间具有共生死的感觉。
a、聚合和组合都是一种结合关系,只是额外具有整体部分的含义
b、部件的生命周期不同
     聚合关系中,整体不会拥有部件的生命周期,所以整体删除时,部件不会被删除。再者,多个整体可以共享同一个部件
     组合关系中,整体拥有部分的生命周期,所以整体删除时,部件一定会跟着删除。而且,多个整体不可以同时间共享一个部件。
c、聚合关系是“has-a”关系,组合关系是“contain-a”关系

8、关联和聚合的区别

关联关系所涉及的两个对象是处在同一个层次上的。比如人和自行车就是一种关联关系,而不是聚合关系,因为人不是自行车的组成部分。
聚合关系涉及的两个对象处于不平等的层次上,一个代表整体,一个代表部分。比如:电脑和它的显示器、键盘、主板和内存就是聚集关系。
耦合度:泛化=实现>组合>聚合>关联>依赖

三、UML实例

设计模式前言——UML类图
车的类图结构为<<abstract>>,表示车是一个抽象类;它有两个继承类:小汽车和自行车;它们之间的关系为实现关系,使用带空心箭头的虚线表示。
小汽车为与SUV之间是继承关系,它们之间的关系为泛化关系,使用带空心箭头的实线表示。
小汽车与发动机之间是组合关系,使用带实心箭头的实线表示。
学生与班级之间是聚合关系,使用带空心箭头的实线表示。
学生与×××之间为关联关系,使用一根实线表示。
学生上学需要用到自行车,与自行车是一种依赖关系,使用带箭头的虚线表示。